高性能船舶及其动力性能研究

高性能船舶及其动力性能研究

雷韵鸿

（总后军交运输研究所，天津３００１６１）

摘要本文综合介绍了国内外高性能船舶如全垫升气垫船、侧壁气垫船、高速双体船、水翼艇、小

水线面双体船、穿浪双体船等船型、主要特点、技术性能和发展趋势，并就高性能船舶的动力性能（包括

静水快速性、耐波性）和经挤性等进行了比较说明，提出了我国高性能船舶的发展对策以供参考。

关键诃高性能船舶动力性能发展对策

Ｉ前言

高性能船作为新一代船舶，在民用和军用方面，都展示出了无比广阔的应用前景。随着高性能

船的发展，高性能船舶的研究工作也被推向了一个新的阶段，高性能船舶在世界上已取得了惊人的发展。

高性能船舶的船型在不断推陈出新，发展壮大，目前已从半滑行艇、滑行艇、高速双体船、固定

水翼艇、气垫船到自控水翼艇、小水面双体船、地效应船，继而发展到各种高性能船的特有优势混合而成的高性能复合船型，如双体水翼船、双体气垫船、小水线面水翼船、穿浪艇、双体滑行艇、三体水翼船、三体消波船等。

近二十年来，我国在高性能船舶领域分别对全垫升气垫船、侧壁气垫船、高速双体船、水翼艇

船、小水线面船及穿双体船等进行了一些研究，并先后开发了一定数量的高性能船舶。但从总体上说，这些高性能船尚处于中试完善阶段，在船舶的可靠性、成熟度、系列化与产业化方面，在机电设备配套与工艺性方面，在对新一代杂交船型的研究方面，与当代世界先进水平还有较大的差距。现就国内外各类高性能船舶船型、主要特点、技术性能及发展趋势分述如下。

２高性能船型、主要特点、技术性能发展趋势

２．１全垫升气垫船

全垫升气垫船的重量全部由气垫支撑。船底部有浮箱，在水上可提供足够支撑船重量的浮力。

船上设有垫升风扇，用以产生增压空气。船底部四周安装柔性围裙，用以封闭气垫，防止气体外逸。船体材料一般采用耐腐蚀、高强度铝合金。多选用船用燃气轮机或高速风冷柴油机作为升力和推进动力。一般采用空气螺旋桨作为推进装置，用空气舵和喷射空气装置进行操纵。

全垫升气垫船具有通过性好、超浅吃水、静水快速性好、两栖航行、甲板宽广、水下物理场小、对

水下爆炸不敏感等一系列优点。但结构复杂，造价高，经济性差，对风浪较敏感，海浪中失速大，空气噪声大，向大型化发展有困难，为了克服这些不足，发展了侧壁式气垫船等一些混合船型。

２．２侧壁式气垫船

侧壁式气垫船，又称表面效应船或双体气垫船，是一种发展非常迅速的船型。侧壁式气垫船与

全垫升气垫船的不同之处就在于前者有两个刚性侧壁置于左右舷，从而较大程度地减少了气泄流量和飞升功率。现代全垫升气垫船的飞升功率为２０～３０马力／吨重量，而侧壁式气垫船可降至２３６

一４马力／吨重量（内河）和６—１０马力／吨重量（海上）。侧壁式气垫船的首艉端一般装有柔性气封装置（围裙），它能随波浪而起伏，可减少气垫泄流量，同时也减小了船的阻力［１］。

侧壁式气垫船由于其特有的结构形式，使其丧失了两栖性，但也带来了一系列优点，如：飞升功

率小，经济性好；水螺旋桨的盘面小，有利于向大型化发展，且推进装置可靠，寿命长；吃水浅，水下物理场小，在水雷战应用方面具有广阔的前景。特别是随着围裙寿命的提高、造价下降以及水下更换围裙技术的进步，以及采用气垫系统及航行控制系统改善了它在渡浪中的摇摆性能，在波浪中垂向加速度大幅度降低，使得各国军事和民用部门纷纷看好这种船型，其主要应用方向是导掸攻击艇、巡逻艇、猎扫雷艇、水雷战和在恶劣条件下对抗高速安静型核潜艇。

侧壁式气垫船的在波浪中失速大、艏部飞溅较大，且由于增加了一套垫升系统，从而增加了维

修与建造工作量和经费。

２，３高速双体船

高速双体船是近年来发展较快的新船型，它由二个大长宽比半滑行过渡型的片体与作为中间

连接桥的上层建筑组成，它利用瘦长的片体线型以降低兴波阻力，利用滑行面产生的水动升力以减小浸水面积而降低摩擦阻力，从而达到降低总阻力，提高航速的目的［２］。

由于高速双体船无论静止还是航行状态，都主要依靠静浮力支持其漂浮，与动力航行类高性能

船相比有所不同。鉴于双体船纵摇与横摇固有频率比较接近，在波浪中易产生螺旋状摇摆运动，因此风浪中乘座舒适感较差，但正由于双体船属于排水型船，没有较难的技术问题，故而技术成熟，建造简单，使用安全可靠，维修性好，造价较低，国外发展很快，总客位已超过２．６万。到目前为止国内还没有自行研制成功的高速双体船，但已向国外引进了近３０艘，大部分航行于广东沿海一带，具有很好的发展潜力。

２．４水翼艇

水翼艇是靠水翼产生的动升力支持艇重，当船达列一定速度后水翼产生的升力把船体完全抬

出水面，从而大大降低了兴波阻力和摩擦阻力并获得高速。它不同于飞机之处是飞机在空气介质中运动，而水翼艇在贴近水面的水介质中运动。从实质上讲，水翼就是机翼，水翼艇上的水翼与飞机上的机翼起着完全相同的作用，因而机翼理论的结果可以用于水翼，所不同的仅仅是水翼涉及自由表面影响和空泡问题。

水翼船可分为三类，即：瑞士的ＰＴ系列、前苏联系列和美国深浸系列。

瑞士在二次大战后开始研制盯型水翼艇，发展了ＰＴｌ０、２０、５０、７５、１５０等型号。这类水翼艇的

特点是采用割划水面自稳式水翼，其航速在３２～４０节左右［３］，有较好的适航性，且价格适中，经济性好，技术不复杂，适用于河口及沿海。前苏联很重视水翼艇的发展，自１９５７年第一艘水翼艇“火箭号”问世以来，已发展了多种型号。前苏联水翼艇开始是从浅浸平翼发展起来的，适用于内河，高速、平稳、舒适、经济。前苏制水翼艇不仅在苏联境内已开辟３５０多条航线，且远销东欧和西欧各地，所以前苏制水翼艇的数量在当今世界是最多的，影响很大。美国利用其高度发达的航空技术的优势，曾为军方研制多种型号的军用水翼艇。后来波音公司将其技术移植到民用，发展了Ｊｅｔ－ｆｏｉｌ型水翼客艇。这类水翼艇的特点是水翼全浸自控，航速高，适航性极好，但技术复杂，造价高昂，营运成本和维护费用高，因而其发展受到一定限制。

１９９４年，我国由７０１所和求新造船厂共同研制开发建成了“北星”号和“南星”号自控深浸水翼

客艇，交付香港远东水翼船务公司，该艇达到了“波音”系列水翼艇的技术水平。

２．５小水线面双体船

小水线面双体船由两个或四个相互平行且对称的鱼雷状水下船体提供浮力，将水上船体抬离

水面，中间用双凸细薄、流线型支柱连接，这就形成了仅用支柱割划水面的小水线面双体船。装在水下船体内侧的稳定鳍是控制船在海面运动和航态的附加操纵控制系统。因置于水下的主要排水３７

体积受波浪影响小，且由于上、下体连接的细薄支柱，受波浪的扰动力较小，再加上该船的垂荡和摇摆周期很长，且明显大于波浪的干扰周期，故而降低了波浪的运动响应，使其具有极为优良的耐波性，是一个十分稳定的运载平台。

小水线面双体船的突出特点是甲板面积、舱室容积大，一艘４００吨级的小水线面双体船的甲板

面积相当与１６００吨级的常规船；耐渡性好，小水线面双体船把７０％的体积探缦在水下，使得波浪对它的干扰力和力矩大幅度减少；在各种海况、航速、航向下．都具有良好的稳住。但其主要缺点是吃水深、自稳性差，因此需要一套较为复杂的自控装置；水摩擦湿面积大，航速不高；潜体空间小，支柱狭窄；动力装置的传动比较复杂，空船较重，建造成本高。

小水线面双体船特别适用海上快速客运和适应要求全天候作业的具有稳定作业平台特性的特

种船，以及在非常恶劣的风浪条件下使用武器和声纳的军用护卫舰和巡逻艇。此外还应用于靶场支援船、导弹艇、反潜护卫舰、直升机航母、潜艇监测船等。

２．６穿浪双体船

穿浪双体船复合了水翼船、高速双体船、小水线面船等多种船型的优点，是一种具有小干舷及

左右两个长而瘦的片体、支柱、中央艇体和上层建筑的立体结构型式的新型双体船。在静水或小风浪航行时，中央船体腾空离水，有点象水翼艇，但支撵全艇重量及纵向、横向运动稳定的不是水翼的动升力，而是依靠横向间距较大的二个瘦长片体的浮力；汹涛中航行时瘦长片体出没于峰谷作穿浪运动，连接片体的小水线面支柱作割划水波浪运动，又有点象小水线面船。其独特的几何形状对减小波浪对船体的干扰，改善船体的摇摆及波浪砰击和失速，提高乘座舒适性等均带来好处。

穿浪双体船的特点是：具有较好的耐渡性，风浪中失速小；甲板面积大，便于总体布置，舒适性

好；具有良好的操纵性，高速航行回转直径为２～２．６倍船长，全速航行至停船约为１．５倍船长，并具有足够的纵、横向稳定性。穿浪双体船在高性能船舶中是实用、成熟而经济的，在民用上适用于海上旅游观光和沿海高速车客运输，在军事上适用于带有直升机平台的导弹艇、高速巡逻艇、猎扫雷艇等。

３高性能船的特点

由于不同类型的高性能船型都有其自身的优点和不足，但它们一般都有如下几个特点：

３．１航速高

高性能船具有良好的快速性和机动性。气垫船、水翼船和穿浪船的出现，使船舶的速度提高了

２—３倍．达到４０节一６５节；地效翼船的诞生使船舶的速度达到了１００～２７０节［１］，超过陆上各种运载工具和空中的直升飞机，接近常规飞机的速度。高航速已不再是军事方面的独家专利，随着经济和科学技术飞速发展，人们对高速运输，特别是高速客运的要求越来越迫切。日本瞄准２１世纪投人１．５亿美元开发所谓“海上新干线”用的高速班轮，这就是已经获得初步成功的“超级技术货物班轮计划”（ＴＳＬ），预计航速超过５０节。另外，日本正在建造的双体侧壁气垫式集装箱货船航速可达５０节。意大利的单体高速渡轮ＡＱＵＡＳＴＲＡＤＡＧｕｉ２２０号排水量１００５吨，可载４５０名乘客和１５２辆汽车，航速为４０节。又如俄罗斯将军用掠海地效翼登陆艇技术转为民用，开发海上高速货船ＴＡＰ７００。该方案排水量为７００—７５０吨，静水中航速为１３５节，在波浪中为７５—１１０节。

３，２适航性好

百吨级的高性能艇具有相当于千吨级舰船的耐波能力。如２００盹级深浸自控水翼艇，在４—５

级浪中的纵横摇角比２０００吨级排水型护卫舰还小；以４０节航速在４—５级浪中航行的垂向加速度与２０００吨级２０节航速的排水型舰船相当。水翼艇在４级浪中几乎无失速。２００吨级的小水线面双体船在５级浪中运动幅值仅为常规单体船的１／６左右，在波浪中的纵、横摇和垂荡特性明显优于３８

单体船。５００吨级小水线面双体巡逻护卫艇的平台品质可与５０００吨级驱逐舰相当，被喻为“全海侯”型。掠海地效翼船不仅在风浪中适航性好，还具有海、空、陆三栖性，可掠海低空飞行，凌波贴水航行、越冰跨障跃行，从而大大扩展了适航性的概念。

３．３经济性好

在效费比上，高性能艇的初始投资一般比常规艇高，但以有效负载、航程、航速与总费用之比均

远远超过常规船舶，用不同船型，在不同使用范围上可以收到超（大）舰、赛（飞）机的效果。如掠海地效翼艇在同样油耗下，航程比普通飞机增加一倍，在同样航程下单位载重运费约为航空运费的三分之一。高性能船的高速、平稳、适航性好等特点无疑是军事应用的理想平台。

４高性能船舶的发展趋势

高性能船舶发展归纳起来有两个主要的特点，第一个特点是多种多样的复合船型的出现，第二

个特点是个各种船型均向大型化方向发展［４］。根据各类常规高性能船型因其流体动力原理与基本结构形式的不同所存在的利弊，将其有机结合，扬长避短，寻求更优良的性能指标、更理想的船型，这是当前高性能船发展的核心问题。

４．１杂交、复合是发展趋势之一

各种高性能船舶都有其固有的优、缺点。如单体滑行艇船型的优点是船型、布置、建造等简单

方便．在中速时有较好的丹阻比；缺点是在波浪中砰击大，垂向加速度高、稳性差、高速升阻比小、甲板面积小等。高速双体船布置结构比较简单，且有较宽敞的甲板面积和较好的横稳性，但高速时流体动力性能差，波浪中有较高的线加速度和较差的适居性。全垫升气垫船虽有极为优良的两栖性、超浅吃水和静水快速性，但结构布置复杂、造价高、经济性差以及难以向大型化发展。侧壁气垫船有较好的流体动力性能、波浪中砰击小，垂向加速度可望降低，但波浪中失速大，且有一套垫升围裙系统。小水线面双体船虽有极好的耐渡性，但吃水深、航速低、无自稳性、自控与动力传动系统复杂等。自控深浸水翼艇有极好的耐波性，但吃水深、造价高、技术复杂且结构受力集中于水翼上，对船舶大型化造成困难。因此人们在高性能船舶的剧烈竞争中自然要分析研究如何利用各种高性能船舶的优点或“特异功能”，从而扬长避短，使各种高性能船舶能够用于各种特定场合使其各得其所；如何利用各种高性能船舶的特殊技术，进行杂交、混合，从而派生出新型高性能船舶。

４．２高速、高效是发展趋势之二

随着经济的发展、科技的进步，人们对“时间就是金钱”的观念将愈加强烈，人们对高速水运的

需求会越来越高，这是必然趋势。在科技高度发达的今天，由于材料、动力、推进装置、自控设备等获得飞速发展，且用户已获得十分丰富的实用经验。再加上上述各种船型的研究测试技术也比较成熟，因此发展杂交混合型船型从预研到实用的周期会越来越短。

４．３高速客运、货运并举是发展趋势之三

在１９９０年以前建造的高性能船中，除极少数（如荚国全垫升气垫海峡渡船）可以承担高速货

运外，其他高性能船基本没有货运能力。而在１９９０年以后建造的占总建造吨位一半以上的高性能船均具有货运能力，特别是车客渡船。很明显，这种发展趋势对常规营运有着十分巨大的影响，高速水运货运业务的发展正在航运界引起一场意义深远的革命。

４．４向大型化发展是趋势之四

高性能船在客运、货运并举的同时，正在向大型化发展。例如，日本建造的双体穿浪船总长已

达１００米，可载４５０名乘客和９４辆轿车，航速达３６节，并正计划建造载货１０００吨，航速为５０节的双体侧壁式集装箱货船；美国１９９１年服役的“胜利”级海洋监视船（ＴＡＧＯＳ１９）为小水线面双体船型，排水量达３０００多吨；俄罗斯的“海狮”号双体侧壁式气垫导弹护卫艇排水量达７５０吨，航速４０３９

一５５节，是目前世界上最大的导弹护卫舰艇。芬兰建造的“雷迪逊钻石”号豪华旅游船是一种半潜小水线面双体船，总吨位达到２０２９５吨，全长１３１．２米，宽３２米，已于１９９４年开始营运。

４．５推动相关行业进步是发展趋势之五

高性能船舶的蓬勃发展推动了高新技术的研究，而高新技术的应用又大大促进了高性能船舶

的发展。高性能船舶作为一个巨大的综合产业载体，直接涉及钢铁、有色金属、复合材料、机械、电子、化工等５０多个行业。高性能船舶在某种程度上可以反映一个国家的综合工业实力。作为一个集多种高新技术于～体的综合产业，它的大规模发展，必然带动相关产业的发展。

４．６扩大应用范围是发展趋势之六

在２１世纪前期，一些新概念船型如：超高速掠海地效翼艇，高速自控深浸水翼艇，跨洋双体穿

浪艇，隐身“全天候”双体半潜小水线面艇，低物理场宽甲板侧壁式气垫艇，两栖全浮气垫艇等将逐步拓宽军用舰艇的应用范围，使之在不同的战斗活动中能与中大型军舰相抗衡或执同地在复杂海域、海情条件下与高技术武器交战。并充分发挥自身高效作战能力，又具有高强生存能力，在机动性、兼容性、可用性、隐蔽性、居住性、经济性等“二力六性”的综合优化上都将出现从量到质的飞跃。在即将到来的海洋世纪里．高性能船舶不仅是军用高技术海战的优良舰型，而且是解决民用海上高速运输必不可少的新型船舶。

５我国高性能船舶的发展对策

５．１建议制定国家缓高性能艇发展规赳

面对未来的高速水运需求，如果没有一个国家级的发展规划做为依据和指导，仅靠企业和科研

单位的各自为战是远远不够的。为此建议我国有关部门尽快制定有关我国高性能船船型开发计划及产业化措施方案，包括水翼、气垫、双体、穿浪、小水线面、地效翼艇等科研攻关、开发生产的计划．实现船型标准化、机电设备系列化、设备材料通用化、科研生产集团化的措施方案，争取国家计委、科委、国防科工委的支持，以逐步实现高性能船舶国产化，并全面提高可靠性、经济性、安全性、舒适性，改善售后服务技术保障机制等，不仅要夺回国内高速水运市场的高性能船舶订单，还要争取开拓东南亚和世界高性能船舶市场。

５．２建议从开发海洋战略的角度确定高性能船舶的主攻方向

我国人均陆地面积仅为世界人均陆地面积的四分之一，陆地人均资源占有量大大低于世界人

均水平。随着时间推移，我国陆地资源短缺的状况变得更加突出，势必制约经济的发展。我们一方面要大力提倡节约和保护资源，另一方面要寻找和开发新的资源。依照《联合国海洋法公约》的规定，中国拥有领海２００海里即３００万平方公里海域的管辖权。可以肯定，在辽阔的海洋国土上开发瓢剩尾海洋资源，对于我国经蒋及社会的持续发展将具有投其重要的现实意义积深远的历史意义。然而对于一个尚不富裕的发展中国家，我们的财力是非常有限的，我们不可能将世界上各种高性能船舶都铺个摊子，我们必须区分轻重缓急，找到攻克高性能船舶这个难点的主攻方向，这就必须综合考虑开发海洋、利用海洋、保卫海洋的需求、技术发展潜力、我国船舶产业政策、市场等诸多因素，论证并确定有重点、分层次的军用和民用高性能船舶发展主攻方向。

５．３建议在倾斜、扶植高性能船舶行业的同时，增加限制措施

我国的水上交通工具，是世界上品种最多的国家，可以说国产、引进同在；落后、先进并存。在

这种复杂的现实中，要发展高速永运，离不开高性能船舶的发展，而高性能船舶的发展，又离不开国家的支持。故建议国家有关部门统一归口，应该从资金、政策、组织体制等方面采取倾斜政策，扶植高性能船舶的发展，并为其发展解决一些实际问题。如对国外先进设备的引进，必须以引进技术为主，并积极组织消化、创新，防止盲目、重复、低水平采购国外高性能船舶。限制从国外进口二手老４０

船，禁止进口超龄船。

５．４建议加强合作、提高效率、注重实效

我国在气垫船、水翼艇、双体滑行艇等方面的设计建造已有一定基础，有些相关技术已达到国

际先进水平，为了加快高性能船的开发速度，我们应加强国际、国内高性能船舶技术合作，在技术上相互借鉴、学习，避免在同一技术上重复研究，同时向发达国家学习，注重科研性实船试验，或小型载人试验艇，而不单单采用常规船模试验。因为前者即真实，又易于构思和改进。此外，应遵循“一套技术，军民两用”的原则开发和研制高性能船舶，这样不仅能降低开发成本、缩短研制周期．而且能使我国的高性能船舶在竞争Ｅｌ趋激烈的国、内外市场上具有较强的适应和竞争力。

６结束语

回顾我国高性能船舶的发展历程，展望水上高速客运的美好前景，面对改革开放的大好局面，

可以断言，我国高性能船舶技术必将有更快、更大的发展。水上高速客运发展的格局，将从沿海部分水域向北起渤海湾，南至北部湾的整个沿海扩散，长江水系也将形成水上高速客运体系，我国内陆许多水域也将出现水上高速客运。

在这世纪之交，面对高新技术革命对开发海洋、发展水运、加快军队现代化建设的巨大影响，高

性能船舶事业的发展任重而道远，愿高性能船舶的创业精神发扬广大，让高性能船舶更多地造福于中华民族！

参考文献

１阮振华，高性能船舶发展及对策．船舶，２００１．８

２刘谦、王振涛，高性能双体滑行艇的特点、作用及发展动向．江苏船舶，１９９８．１

３廖又明，高性能船舶船型研究进展．造船技术，１９９５．１２

４恽良，高性能船舶的性能比较．船舶，１９９５．Ｉ４１

高性能船舶及其动力性能研究

作者：

作者单位：雷韵鸿总后军交运输研究所(天津)

1.学位论文 于斌 大型穿浪双体船喷水推进系统研究 2006

穿浪双体船WPC(WavePiercingCatamaran)作为一种新型的高性能船舶，已经得到了广泛的应用和发展。未来船舶运输业朝着高性能快速化方向发展，传统螺旋桨推进技术有其应用局限性，而喷水推进技术能够满足高性能快速化这种要求。穿浪双体船一般采用喷水推进系统，如何提高喷水推进效率是各国船舶推进研究机构热衷研究的课题。但是由于一些技术没得到解决，如低损失、无空化进口的管道系统；高效率和大功能转换能力的推进泵；以及船、机、泵的有效配合问题；水动力性能的导航操纵装置等，影响并制约了喷水推进技术的发展。本文研究的主要目的是为提高喷水推进的效率提供依据和建议。

本文以大型穿浪双体船WPC96为研究对象，系统地论述了喷水推进系统的基本结构和理论，研究了穿浪双体船喷水推进系统主要参数的优化，并对喷水推进船舶的推进效率进行了系统理论阐述。在此基础上运用MATLAB遗传算法和CFD软件——FLUENT对喷水推进器主要参数优化计算以及进水管流场数值模拟进行了研究，并针对影响喷水推进器进水管系统效率的主要参数(如进水速比IVR、喷速比等)进行了分析。主要研究内容如下：1.介绍了喷水推进技术的发展现状和研究进展。2.阐述了喷水推进系统的基本理论与喷水推进器基本结构。3.系统分析了影响喷水推进系统效率的各项因素，论述了提高穿浪双体船喷水推进系统效率的有效途径，对喷水推进与螺旋桨推进功率特性进行了对比分析论述。4.以大型穿浪双体船WPC96为研究对象，运用MATLAB遗传算法工具箱对喷水推进系统的主要参数进行了优化计算。5.以大型穿浪双体船WPC96为研究对象，运用CFD软件---FLUENT对喷水推进系统进水管流场进行了数值模拟分析。6.分析了喷速比K和进水速比IVR对喷水推进效率的影响。通过研究，详细地分析了影响喷水推进系统推进效率的影响因素。

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_5615615.aspx

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