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第二节
理论研究推进实艇试验

为加快科研工作进展,中国船舶及海洋工程设计研究院建立了简易而实用的气垫船静飞升实验室,为实船设计提供实验数据。研发团队到旧机电商店购买旧的鼓风机,用人力三轮车搬运材料,仅用5万元,一年建成,两年调试完毕投入使用。该试验室取得了意想不到的成功,既培养了气垫船专业人才,又进行了多项响应围裙和全垫升气垫船模型耐波性研究、二元围裙实验研究、斜指围裙和流量控制面对全垫升气垫船性能影响等研究及多项试验。研发团队根据研究分析、试验证实的结果,撰写了多篇很有学术价值的论文。

随着我国国力增强,科技投入相应加大,又通过三次改扩建,该院的气垫船静飞升实验室发展成为拥有大(小)围裙试验装置、垫升系统试验平台、特种垫升风机试验装置、实船仿真试验平台、气垫船模波浪试验平台和实船围裙总成试验平台的气垫技术实验室。该实验室已成为国际上规模最大、试验内容最多的气垫船技术和气垫船设计专用实验室之一。研发团队依靠自身智慧,通过这一实验室以及船模拖曳水池、风洞试验室来摸索气垫船运行的物理机理,建立了基于理论分析的计算方法,在此基础上逐步编制并完善气垫船的垫升性、阻力、稳性、耐波性与操纵性以及围裙成型与变形的相关计算软件和有关总体性能的设计或试验方法的企业标准和行业标准。

围裙气垫系统的设计是气垫船垫升、阻力、稳性与耐波性研究的关键技术。中国船舶及海洋工程设计研究院对气垫形式与“围裙”成型、变形进行了深入的理论研究与试验验证。气垫原理由周边射流理论向沿壁射流与增压室理论发展,继围裙形式从火腿型发展为囊指型后,进行了响应围裙变形及抗颤振、水气动力作用下变形的研究。在决定气垫船垫升性与稳性的囊指围裙气垫非平衡射流基础理论上获得突破。撰写多篇有价值的论文,并编制了多项气垫船设计规范、程序和指导性文件。

20世纪80年代,改革开放为气垫船的科技工作者创造了更加广阔的发展空间。通过出国考察、访问、学术交流,了解了响应围裙颤振难题的解决途径,使气垫船在波浪上具有优良的减阻和运动响应性能,提出响应围裙的气弹性与水弹性动力学理论,解决了柔性围裙在水气作用下的气-固-液耦合动力学难题,为编制气垫船性能设计软件奠定了基础,并成功地运用到实船上。

气垫船的推进螺旋桨从早期的航空空气螺旋桨发展为适合气垫船的改进翼型导管空气螺旋桨,使实船的推进效率得到明显的提高。

在主机、船用材料、空气螺旋桨和围裙材料方面实现了关键技术的突破。对气垫系统、导管空气螺旋桨系统和围裙系统的气动力进行了较深入研究。对影响气垫船垫升性能的囊指围裙、气垫非平衡射流基础理论研究也获得了突破。从系统分析与反馈原理出发导出的“围裙气弹与水弹响应度”的概念,构建了围裙“缩进”“颤振”和“静动态失稳”判据,提出了降阻、减摇响应围裙水气动力设计原则。在此理论基础上开发了囊指、开囊指、折角指、双囊指、双囊折角指等一系列实用响应围裙形式的成形设计与变形响应计算软件,以及与之相关的气垫船稳性和耐波性计算软件,奠定了气垫船性能设计的理论基础。构建了低阻、高耐波性响应围裙技术。应用该技术可避免围裙气垫静动态失稳,可降低气垫船静水阻力、波浪附加阻力和垂向加速度。该项技术打破了国外公司的垄断,使我国气垫船研制技术取得了重大突破,获中国船舶工业总公司1991年科技进步奖一等奖。

1980年5月,国务院国防工业办公室主持召开第二次全国气垫技术专业会议,会议认为,我国气垫船长期停留在试验、试用阶段,主要是由于缺乏适当的动力系统以及船体柔性围裙材料不配套,鉴于科研经费有限,故先从小型内河气垫船开始,逐步向沿海中型气垫船实用化过渡。

1982年10月,全国第三次气垫船技术专业会议,分析了气垫船研制向实用化过渡存在的问题和困难。统一思想,加强领导,提出解决问题的一系列措施和方法。并在改革开放政策的指引下,通过有关部门适当引进国外先进技术和设备,经过5年努力,主要关键器材设备做到基本自给。

20世纪80年代中、后期,我国气垫船实用化研制技术日臻成熟,在总体性能方面,随着气垫力学与围裙动力学研究的深入及主尺度参数的优化设计,使垫升功率大大降低,加大了有效装载。

在船体结构方面,对强度、振动、外载荷进行了大量试验研究,使得设计建造工艺水平有较大的提高。

在动力装置方面,高速柴油机(包括风冷和中间水箱冷却)已成功应用到全垫升气垫船上,大大提高了气垫船的经济性和可靠性。

在内装、噪声控制方面已达到国外高速船水平,舒适性有明显的改善。

通过30多年的研究、设计和试验总结,积累和完善了气垫船模型试验技术和性能预报技术,编制了一批气垫船设计规范、规则、程序和指导性文件,新船型研究开发取得突破性进展,我国气垫船研制迈向海洋,成功研制了一批实用化气垫船产品。

1984年,若引进一艘100客位的柴油机全垫升气垫船,国外公司报价180万英镑,按当时汇率为上千万元人民币,约相当于国产造价的4倍。这又一次说明先进设备、核心技术靠金钱是买不来的,气垫船的研制必须依靠自己的力量。

我国自行研制140客位,航速47海里/时的722-Ⅱ型全垫升气垫船,攻克了低囊压响应围裙;特种防锈铝合金艇体材料、3.6米导管空气螺旋桨、2.8米可拆叶片垫升风扇、挠性连接大功率长轴;“机-桨-扇”联合控制系统,走的是一条发奋图强,自主创新的道路。

722-Ⅱ型全垫升气垫船,采用的是国产的409型船用燃气轮机,安装的是自行研制的围裙。依靠的是研制人员提出的理论基础、实践经验、真才实学及大胆创新精神。在研制过程中,研制人员有的身患严重哮喘,有的4次胃出血,有的严重高血压,有的顾不上照顾家庭、顾不上孩子参加高考,全身心地投入科研、设计并配合建造,创造了600天驻厂纪录,有的长时间蹲在仓库一个个精挑细选铆钉,表现出不畏艰难、艰苦奋斗的奉献精神。

722-Ⅱ型全垫升气垫船是一艘技术密集、具有多项国内首制项目的新型气垫船,数十台关键设备,成千上万个零部件都打上了“中国制造”印记,这是祖国的光荣,是中国工程技术人员的骄傲,它标志着我国气垫船由江河湖泊迈向了海洋,标志着我国已开始有能力研究、设计、制造具有当代先进水平的大型气垫船。

在此期间,上海船舶运输科学研究所(简称“上海船研所”)与安徽省水运科学研究所合作设计WD型内河侧壁式喷水推进气垫艇,由巢湖造船厂建成并小批量生产。该船艇重16吨,40客位,航行吃水0.45米,航速达38千米/时,具有良好的经济性。

中国船舶及海洋工程设计研究院对717-A型气垫艇进行第二次改装。该艇命名为717-C型气垫艇。以此为原型艇,为重庆轮船(集团)有限公司设计、建造了54客位的717-Ⅱ型气垫艇“岷江”号;以及为重庆轮船(集团)有限公司设计、建造了70客位的717-Ⅲ型艇“重庆”号,两艇航速分别为46.9千米/时和44千米/时。建成后均在重庆营运,从1984年10月起连续运营10多年,由重庆到泸州单程249千米,到宜宾单程372千米,只需6小时到8小时30分,大大缩短了航行时间。

该院在719原型艇的基础上,设计了719-Ⅱ型侧壁式气垫船“鸿翔”号。该船由中华造船厂制造,于1987年冬交付使用。该船总重123.5吨,采用3台进口的TBD234V16高速柴油机作为主机,航速44~50千米/时,载客258名,用于上海市区到崇明岛的短途客运,使航渡时间从原来2小时缩短至45分钟。实船营运表明,该船性能稳定,飞升、推进动力装置可靠,围裙寿命已适应营运要求,是实用化的船型之一。

为了在沼泽、滩涂、淤泥等一般车、船难以到达的地区使用气垫船,大港油田指挥部委托该院研制可用火车运载的小型全垫升式“气垫吉普”。该艇采用耐腐蚀铝合金做艇体,配用两台汽车汽油机(后改为两台进口柴油发动机),采用导管螺旋桨和囊指型围裙,总重约2.6吨,可载客8~10名。该改型艇后由杭州东风造船厂和芜湖造船厂小批量建造了17艘,交付黄河水利委员会、油田等用户使用。

1987年,河南省旅游局委托该院设计、上海飞机制造厂建造用于黄河旅游的7212型全垫升式气垫船“郑州”号,该船总重10.3吨,载客33名。该船是开发黄河旅游资源的实用型气垫船。

1987年7301型自航式气垫平台,由中国船舶及海洋工程设计研究院设计,杭州东风造船厂建造,最终成功投入大港油田海滩使用。该平台载重35吨,淤泥上航速40千米/小时,获国家重大装备科技进步奖。

研发的产品经试验、试用、投入使用,积累了大量宝贵经验,培养和造就了一批气垫船科研、设计、建造和使用人才,有力地推进了我国气垫船的工程化和实用化。

1984年中国气垫技术开发公司在天津成立。该公司为科研生产联合体,至1996年研制的气垫船有宜宾至宜昌,载客128位,航速54千米/时的双体气垫船“康平”号及上海至海门,载客250位,航速65千米/时的双体气垫船“三北门”号和“三北海”号。 BK4n9Rj/UQ33/BVLIB7D9BD7NpZ1gN74RceVGNT1c+luck9eib9mhD9o7W4r/DO3

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