小水线面双体船的发展与前景.docx

小水线面双体船的发展与前景大连海洋大学12-1班摘要：小水线面双体船的优良性能在近些年里得到验证和发展，在特殊作业和高舒适性上已经得到认可。据不完全统计，截止2000年末，全球已建成的小水线面双体船为57艘，小水线面双体船的发展有足够的市场和潜力。引言近年来，随着海上运输方式的多样化以及人类对海洋资源的积极开发，对船舶性能的要求也逐渐发生变化。就海上运输来说，由过去只注重载荷性能和静水中快速性能而一味追求大型化和高速化的倾向，转为注重提高船舶在波浪中的性能。在客渡轮方面，为实现定期航行、高效运输以及舒适乘坐，提高船舶的耐波性和节能被摆在重要位置；在海洋开发方面，为了能在高海情下的广阔海域进行海洋调查、观测、作业以及海洋平台输送人员等，迫切需要在波浪中具有较高安全性、稳定性和舒适性的多用途船舶；在军舰方面，为了使舰艇在宽阔的海域和恶劣的海情下执行任务，也迫切需要有波浪中能达到高性能要求的舰船。小水线面双体船（small water-plane-area twin hull ，SWATH）正是这样一种耐波性能极其优良，中、高速下阻力小，甲板面积相当宽阔，可以完成多种使命，满足各种航海要求的新船型。小水面双体船又称为半潜式双体船 （semi-submerged catamaran ，SSC）， 其设计概念1905年由美国人Nelson提出 ，1932年Faust提出了SWATH船的初步设想、，1946年加拿大人Creed、1967年美国人Leopold进一步予以完善并申请专利。这些设计在低速和中速时性能是较好的，但是都没有解决纵向运动稳定性这个航行安全至关重要的问题。1971年兰Lang提出了一个接近于现有小水线面双体船的设计方案，他用一根翼型剖面的横梁将两个片体连接起来，并借此保证船的纵向运动稳定性。1973年，世界上第一艘小水线面双体船“卡玛林诺”号与此方案十分相似。一些近海的半潜式钻井平台的设计也应用了小水线面双体船的概念“卡玛林诺”号和“海鸥”号（标题）1969年开始，美国海军船舶研究与发展中心DTNSRDC和美国海军船舶工程中心NAVSEC进行一系列小水线面双体船的性能研究和方案设计工作。与此同时，美国的一些大学和私营公司做了不少小水线面双体船的研究工作，在这些研究成果的基础上，美国海军水下中心NUC于1970年开始了第一艘小水线面双体船的设计并于1972年在马里兰州柯蒂斯海湾的海岸警卫队船厂开工建造。这艘双体船总长26.80米，甲板长23.43米，宽19.27米下部主体长24.93米直径1.98米，吃水4.65米，排水量190吨（1976年改装后排水量增至217吨）有效载荷为30吨（改装后增至50吨），每一片体有二个支柱，支柱和主体用钢建造而横向连接桥的材料为铝，该船设计航速为25kn，由两台安装在连接桥两侧的燃气轮机通过链传动装置驱动，二只装于主体后的螺旋桨推动前进，主机功率为3090KW，该船是作为海军支援船设计的，于1974年服役。1975年，在夏威夷进行的一系列验证性实船试验，内容包括：结构应力测量、测速试验、回转、振动、波浪上的运动测量的重要项目。上世纪70年代，日本三井造船公司在小水线面双体船性能及应用前途的研究工作取得引人注目的成果。三井公司是于1970年开始小水线面双体船的开发研究的，可分四个阶段。第一阶段从1970年至1972年，主要从事基础研究。第二阶段从1973年至1975年，期间对排水量为400t和2000t的小水线面双体船进行了可行性研究，并完成了部分流体动力性能方面的模型试验工作。在这一阶段的研究工作的基础上，三井公司选定了排水量为400t航速为25kn的小水线面双体船作为进一步研究的对象。第三阶段从1976年至1978年。期间，三井公司对上述选定方案船的流体动力性能、结构应力、推进系统、运动控制系统和船的总体设计进行了深入的研究。同时，作为开发研究工作的一环，开始了中间型试验艇“海上能手”号（Marine Ace）的设计与建造工作。该艇长12m，为双支柱片体，全铝结构，与1977年10月完工，随即便开始了广泛的实船试验研究，后来该艇改建成单支柱片体后也做了各项实船试验研究，用来比较单、双支柱片体对流体动力性能的影响。第四阶段开始于1979年，主要的开发目标是：在“海上能手”号成功的经验的基础上，研究446客位的小水线面双体客运渡轮。该船全长36m，最高航速为26.5kn，设计要求能在有义波高为3.5m的海况下航行。1979年1月该船下水，同年8月完工，9月份开始进行了全面的海上试航，目的是为了验证以理论方法或模型试验为基础的性能预报。该船后来被命名为“海鸥”号（Sea Gull），自1981年2月至1982年7月共航行了4000nmile，仅6%的航次停航。“海鸥”号具有良好的耐波性，例如从1981年8月至1982年2月间，经统计，旅客中因船摇摆而晕船呕吐者只占旅客总数的千分之二。良好的耐波性也提高了船员的工作效率和减轻了他们的疲劳。这两艘船的成功引起了世界各国对小水线面双体船的重视，80年代开始欧洲的一些国家如英国挪威、英国、意大利等也开始设计了各种用途的小水线面双体船。小水线面双体船的主要优缺点（标题）小水线面双体船，以深置水下的双下片体，连接上体和下体的小水线面的双支柱，宽敞的高出水面的上船体三部分组成。优点 1在高速航行时的静水阻力性能好。常规的排水量型单体船当傅汝德数超过0.45之后，急剧增加的兴波阻力是继续提高航速的主要障碍。小水线面双体船因为排水量集中于距水面深处的主体，水线面积大为缩小，有效地降低了兴波阻力，使其航行速度所对应的傅汝德数可提高到0.71.0。2推进效率高。小水线面双体船螺旋桨轴线沉深较大；桨径受限较少，可采用直径较大的螺旋桨。再加上桨盘处伴流均匀而丰满，船身效率较常规船要高。这样，小水线面双体船的推进系数一般均可达0.7以上。3耐波性能优异。在波浪中运动的幅值和加速度均大大小于相当排水量的单体船（“卡玛林诺”号和“海鸥”号在航速为24kn时，铅垂向的运动加速度均小于0.1g。这是标志船员工作效率是否降低的一个重要指标）；垂荡、纵摇、横摇运动的自然周期较长（“海鸥”号在航速为24kn时，以各种航向在4级海况下航行时，其横摇仅为长度相近的常规单体船的1/4；在波浪中失速小（排水量在250t400t的SWATH在56级海况下仍能保持接近设计航速航行，而相当排水量单体船在5级海况下航速的下降幅度已经很明显了；比较易于使用较小面积的鳍消减纵摇（SWATH因为水线面积小而且水线长度小，故引起纵摇的波浪扰动力较小，可以利用稳定鳍消减其纵摇运动）。4具有宽广的甲板面积和充裕而规整的使用空间，有利于总体布置。5低速时，船的回转性好；航向稳定性不论低速还是高速都很好。6船体表面外形简单，主体和支柱几乎是二维曲面，建造加工方便，降低建造成本。7具有较强的生存能力：完整和破舱状态下的稳性好，两套主辅机增加了可靠性，水下主体采用水密分舱和压载系统连接桥提供较大的储备浮力。缺点1摩擦阻力较大与相当排水量的单体船相比，SWATH的湿表面积大约70%，低速时静水阻力较大。加上共四个稳定鳍及其他附体，致使船的阻力增加。2吃水小于相当排水量的单体船，当船的吨位增大时，有可能受到航道及船坞的限制。3四个稳定鳍及其控制系统增加船的重量和建造成本，给设计工作带来新的内容，对设计人员素质要求高。4水线面积小，每厘米吃水吨数TPC很小，载重量变化使吃水变化十分敏感：设计及使用过程中，要求船的重量及其分布精确控制，需要设置类似潜艇所设的压载调整补偿系统；破舱后小水线面双体船浮态相当恶劣。5回转半径大：但相当排水量时，小水线面双体船船长比单体船小约70%，所以回转半径可以接受的。6对小型小水线面双体船来说，主机安装在连接桥两侧，传动装置复杂且昂贵，推进器机械效率低，船体内布置造成困难。7舾装辅机设备内容多，要求高，重量大。8造价高。由于上述原因，SWATH无论从船体结构、主机-推进系统、辅机、设备系统、仪器等方面都比单体船复杂、技术要求高、数量多。因此SWATH的造价比较高。综合小水线面双体船在性能、使用和造价等方面的优缺点，可以看出，这种船型的优势在于其优异的耐波性、宽阔的甲板面积和充裕的使用空间；其不足之处也许是它的船体结构、设备复杂而且重量较大，以及由此而导致的一系列问题。因此，小水线面双体船目前主要被应用于那些吨位不大而又耐波性要求特别高的船，如海洋水文调查船、客运渡轮、平台-岸基交通艇及军用辅助舰艇。随着其性能的进一步提高和一些可能遇到的技术、经济问题的解决，一些吨位更大、性能指标更高的小水线面双体船可望在不久的将来能设计建造，其应用的领域亦将不断扩大。小水线面双体船的主要用途（标题）目前,小水线面双体船在军民领域都已经有了广泛应用。国外主要将这种船型用于承担紧急海事救难,持续巡逻执勤,海关缉私、港监引水、渔政海监、潜水打捞、油井守护、交通等海上特种作业,开展海洋考察、水文测量等调查研究工作,执行水声监听、反水雷试验、隐身演示等军事任务,开创海峡岛陆间的轮渡航运、观光旅游、海上娱乐等产业降。总体来看,小水线面双体船目前的应用趋势是以民为主,兼顾军用。1军用：水声监测船、综合演示舰艇、试验船、军用巡逻船、运输支援船。2军民：水文测量船、综合科考船。3民用：客运、旅游、海上供应服务，引水补给、港务、海事服务，海洋监测。世界各国发展小水线面双体船的基本概况与趋势（标题）从70年代初至2000年末，世界上有12个国家已经开发和拥有小水线面双体船共57艘。其中美国有26艘，日本有14艘，是开发最早、拥有量最多、技术水平最高的两个国家。德国有4艘、英国有3艘。荷兰、挪威、芬兰、韩国、丹麦、瑞典和俄国7个国家各有1艘。到2000年末中国引进、自制各1艘，2001年还能完成自制1艘，将共拥有3艘。世界上小水线面双体船按开发应用年代划分，70年代仅有4艘，80年代有15艘，90年代骤增为38艘。有9个国家都是到90年代才投入开发或完成建造的。在20年代后期的三十多年，SWATH经历12个标志性的发展达到现代先进成熟的水平。第一、美国海军水下中心在经过18个月的研究和约30个月的设计和船模验证试验，于1972年6月开工建造卡玛利诺号小水线面双体海洋靶场勤务保障工作船，1973年3月下水，10月开始试航。随后经过20个月238个航次的全面科研考核性试验，可在2米浪高条件下，顺利起降直升机，既证实了优秀的耐波性和全海候、多功能的特色，又积累了大量实测数据为以后小水线面双体船发展打下技术基础。从那时起，SWATH作为小水线面双体船的缩略语，被美海军权威技术人士肯定，并认为这一称谓比半潜双体船（SSC）更利于推广应用，也从概念上有别于常规双体船。 第二、日本1976年建成18吨、载20客的试验艇海上能手号。1979年建成世界上第一艘商用MESA80型陆岛间小水线面双体客渡船海鸥号，载客446位，航速26.5节。采用左右单支柱，共有4个可控水平稳定鳍。稳定高速营运海况达到有义波高3.5米，4级海况时失速仅2%。十年后1989年交付更加完善成熟的海鸥-2号，航速提高到30节以上，仍采用可控鳍，开创了稳定高速高耐波的陆岛间客渡航线，已持续经营十余年。与之同期英国在1989年造成的帕特里亚号高速小水线面双体客船，以不采用鳍翼控制装置能在30节条件下稳定航行而著称，但据说因为出现艇体振动等情况，使营运不够正常。 第三、70年代末日本运输省考虑新建一艘高性能海上测量船，要求高耐波性、高适居性、高操纵性，宽敞的甲板面积及舱容等。三井工程与造船公司，推荐小水线面双体船型获准，并以钢铝混合结构方案中选，1980年和1981年与三菱造船公司分别先后建成琴崎号及大鸟号小水线面双体水文观测船一直分别服务于日本沿海，证实小水线面双体船适用于近海水文调查观测作业。三井工程与造船公司在此基础上1985年建成3500吨级海洋号潜水作业兼海洋考察船，隶属日本海洋科学技术中心，成为世界上第一艘大型小水线面双体海上作业船。船上配有深海（500米）潜水系统、动力定位系统、精确综合导航系统、海洋调查测深系统等，可保障在远海大洋进行综合科学考察及潜水作业。 第四、美海军委托洛克希德导弹与宇航公司从80年代初起开发世界上第1艘隐身小水线面双体船海幽灵号。它在大众机械月刊1993年7月号的封面上出现，才使公众获悉这个试制隐身先进技术演示船的意图。其排水量为569吨，航速报道为13或15节，有效负载51.8吨。有独特的A型结构与水上、水下隐身船体外形和材料。着重控制改善船舶运动姿态，提高平稳性；开辟出宽敞的体积和面积为总布置优化提供条件；使全船综合性能产生质的飞跃，也发现了新的问题，在80年代已做系统的海上试验基础上，90年代初期和末期都曾进入新一轮扩大的海上试验，显示出小水线面双体船在未来高性能船和水面舰艇发展中潜在的重要地位。 第五、芬兰造船厂于1992年向钻石旅游公司交付雷迪逊钻石号小水线面双体豪华旅游客船，船长131米，船宽32米，总吨达到18400吨，可载客354位，是至今为止世界上最大的小水线面船。其水下潜体呈扁平椭园状，而支柱由中部移向外侧组成L形剖面也称高尔夫球杆式，以适当减小吃水。当时造价约1.7亿美元，并被誉为具有安静、舒适、优美条件，而在风浪中也不会使游客晕船的超级豪华游船。 第六、在1986-98年间美国和日本先后开发美国称为T-AGOS型胜利级和日本称为AOS型音响级的小水线面双体水声监听警戒船，并都安排小批生产，从1986年起设计建造，1991年先后建成各自的首艘。船长分别为71.和67.0米，排水量分别约3396和3750吨。美国到1993年共建4艘。首制船交付给美军事海上运输司令部，在1991-1992年冬季北大西洋和北太平洋试航中证明在有义波高高5.4米时，可100%正常作业，而同级单体船只能达到10%；6级海况时最大横摇角（单幅）小于5.8，最大纵摇角（单幅）小于3。日本共建2艘。这两型船均被明确安排在7级海情下保证可在大洋中对核潜艇实施跟踪、监视、侦听任务。美在1998年又建成的完美号，是胜利级的改进型，排水量达5370吨，航速虽只有12节，已满足使用需求，而拖带水声阵的能力更加大，耐波性更好，不仅采用3730千瓦的电力推进，还加配1340千瓦的全向喷水推进器。虽然是作为对核潜艇监视的勤务保障船编入序列，实际上已为21世纪水面舰艇采用大型化、高隐身、全海侯小水线面双体船作为先进实用平台，提供了技术储备。 第七、从1977年起美国赛德博士（Dr.LudwigSeidl）建立海洋工程咨询工程（OEC）与太平洋海事服务公司合作开发观光用小水线面双体船。1989年建成纳瓦台克1号观光船，随后经常在夏威夷海域平均波高3.65米条件下，以15-18节速度出航观浪，营运效益很好。随后于1994年又建成纳瓦台克2号观光船，排水量和载客量适当减少，航速提高为23节。两艘艇双双获得美国海岸警备队颁发的可跨洋运载旅客的证书，成为美国和世界上首艘获准商业性海洋旅游观光的小水线面双体船。而且在投资费效比指标（平均载游客数与航速的乘积和消耗功率的比值）上表现十分经济，达到并保持小水线面双体船经济性的较高水平。 第八、为适应北欧海峡与陆岛频繁的旅客及车辆的海上交通需求，尽管海情不算太高，却希望为旅客提供舒适的旅途条件及方便的船车联运，于是半小水线面双体船应运而生，在1996-1997年间由瑞典和丹麦先后开发出HSS-1500号和麦毛尔斯号中型半小水线面高速车客渡船，分别可载1500-450位客人及375-120辆汽车，采用燃气轮机、喷水推进，航速都在40节以上。为便于在潜体内直接布置安装大功率大尺寸主机以及减小湿表面积，以提高航速，在保留潜体横剖面首部典型小水线面形状基础上，从船舯开始，将后半潜体的吃水递减，横剖面向常规双体船演化，形成一种前潜体支柱小水线面，后潜体与支柱成正体常规双体化的半小水线面混合船型。据称由于其耐波性优于澳大利亚首创的双体穿浪船，而快速性又优于一般小水线面双体船，以致把澳大利有关造船企业也吸收来合作开发半小水线面双体船，更加强了复合多种高性能船技术，来取得综合优化成果的美好前景。 第九、为适应海洋油气平台交通守护作业的需求，日本三井工程与造船公司率先于1995年建成宇宙号小水线面双体交通船，载客和船员共100位，排水量约155吨，航速20节。由日本汽船公司组织营运。为关门港白岛区与若松区之间的海洋石油产业职工通勤服务。美国从80年代起就酝酿，到1999年才由东方造船厂为TRICO海事服务公司交付静水河号，供巴西在大西洋的坎波斯盆地（CamposBasin）海上油井员工倒班交通船。船长3658米，可载客250位，配2台4600千瓦燃气轮机，航速超过25节。这两型艇均为铝质，营运中证实可全海侯保持稳定航班，保障近海油田持续正常生产。 第十、德国A&R造船公司引进美国技术，1993年开始研究开发小水线面双体船，把应用目标投向港监引水。1996年被德国交通港务部门认可，开始设计建造被称为2000年引水系统，包括50米长的引水母船和25米长的引水交通艇，均采用水小线面双体船型。要求确保在易北河口和北海海域3.5米有义波高条件下正常作业。2000年多塞号、易北号引水交通艇及母船，都已经过与常规搜救巡逻艇对比海上试航并成功地在营运中充分显示出小水线面双体船在港监引水，海关缉私、海监渔政、海事搜救、潜水打捞、海洋调查、水文观测等方面会有广泛应用前景。 第十一、美国洛克希德马丁公司在美海军投资和组织领导下，1997-1998年，开发出斯莱司号小水线面四体高速多功能试验艇。该艇采用四支柱、四下体线型结构。排水量180吨，最高速31.5节，在5有海情时，任意航向可保持30节，有效负载50吨。应用鳍与压载水综合自控自稳系统，使船从零速到全速的运动姿态都得以控制改善；将主机全部下放在前下体中，直线式传动，提高推进效率；取消舵，后下体间距大于前下体，用前后下体科学布局，改善流场及水流干扰抑制船舶运动获得成功；采用有效负载模块化设计，开创了第二代高机动性、高耐波性的小水线面多体船，作为全海候、多功能的模块化平台。1999-2001年美海军和海军陆战队、海岸警备队都利用它在太平洋广阔海域进行了大量战术功能的演示试验。值得注意是从1995年起在美海军投资和组织领导下海事应用物理公司也开发出HYSWAS-27型搜索号小型演示艇，排水量只有12.2吨，艇壳是铝质，它独辟新径，采用单支柱、单下体前后水翼。1996-97年在大西洋做扩大鉴定试航，创造了复合技术小水线面船艇最高速度达35节，并在浪高2.44米时，仍能保持30节以上的航速，足可为进一步高海情下的高速化探索技术途径。该公司已于1999年末推出800吨级45节和300吨级36节两种军民用艇的设计方案。上述两型小水线面演示试验船分别采用单体和四体，并在实验室中继续探索三体、五体的规律，引发出所谓小水线面多体船SWAMH的概念。连同半小水线面双体船、小水线面双体水翼船等复合船型，预测在21世纪还会有新的创造。 第十二、美海洋科学家在使用卡玛利诺号之后多年来都呼吁海洋调查作业船以选用小水线面双体船为宜。1990-96年美国蒙特雷湾（Montery）海洋生物研究所要求加州斯沃司大洋系统公司开发了西方飞人号小水线面双体海洋调查遥控潜器母船。投入使用后证明能在25