氣懸浮駁船船隊設(shè)想

魏 通

（三江學(xué)院，南京 210000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，長江航道上的航運越來越重要。長江航道的一般特點為水的深度相對于海洋較小。隨著長江運輸船舶的不斷發(fā)展，在噸位上和速度上不斷提高，使得長江航道的這一特點對于船舶的限制日益明顯，大噸位的船舶無法航行。現(xiàn)有的駁船組成的駁船船隊雖然提高了總噸位，但是船隊的總濕面積較大導(dǎo)致阻力很大，整個船隊的速度較慢，因此普通的駁船船隊的優(yōu)勢并不是特別明顯。以武漢到上海的集裝箱航運為例，武漢航道的深度太小，大型的海船很難直接到達(dá)，用小型船只或火車將集裝箱運到上海，不僅效率低下且成本較高，嚴(yán)重制約武漢的集裝箱出口。長江航運發(fā)展某種程度上進(jìn)入了瓶頸，嚴(yán)重制約部分沿江港口城市的發(fā)展，為適應(yīng)長江航道的深度較淺這一特點，以獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益，需要用創(chuàng)新思維來打破發(fā)展瓶頸。文章即提出一種新的船舶概念設(shè)想，即氣懸浮駁船船隊設(shè)想。

1 船隊設(shè)想過程

1.1 基本思路

氣懸浮駁船船隊設(shè)想就是將普通的駁船與氣墊船進(jìn)行較為大膽的技術(shù)融合與創(chuàng)新，并對可能產(chǎn)生的結(jié)果與問題提出一些探討性的想法。在設(shè)計上減小船的吃水深度以適應(yīng)較淺的航道，增加船的寬度，將多個船體連接在一起增加總長度，以此增加船隊的總噸位。將船體間連接處設(shè)計為封閉的更符合流體動力學(xué)原理的裝置，實現(xiàn)從一個船體到另一個船體的平滑過渡，以減小阻力。讓船體的大部分底面脫離與水的接觸處于懸浮狀態(tài)，減小濕面積，進(jìn)而減小航行阻力。

1.2 氣懸浮駁船船隊的構(gòu)成

氣懸浮駁船船隊由多個船體逐次連接組成，暫時將處于最前端和最后端的船體稱為端部船體，將處于端部船體之間的船體稱為單位船體。單位船體的底部向上內(nèi)凹成空腔，便于在航行時，通過進(jìn)氣孔向空腔內(nèi)注入高壓氣體，高壓氣體的注入在船的底部形成密閉的氣囊，使船的大部分底面脫離水面接觸，大大減小接觸面積，其技術(shù)類似于現(xiàn)有的氣墊船，但氣懸浮駁船側(cè)壁為剛性的，氣體總量恒定不外漏。這就在提高船的噸位的同時，減小了濕面積與噸位之比。氣囊兩側(cè)為插入水中的剛性側(cè)體，兩個側(cè)體不是懸浮的而是直接與水接觸，而且在船體橫截面上長度要遠(yuǎn)大于吃水深度，因此船體在橫向上具有一定的穩(wěn)性。第一個和最后一個船體將由正常船體的底部形狀向“內(nèi)凹空腔”形狀逐漸過渡。

氣懸浮駁船船隊在構(gòu)造與連接方式類似于陸運中的火車?；疖囉啥鄠€車廂相互連接組成，氣懸浮駁船船隊由多個船體相互連接組成（圖 1～圖 3），圖1包括兩只端部船體1、八只單位船體2。

圖1 氣懸浮駁船結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 圖1A-A向截面示意圖

圖3 端部船體縱截面示意圖

1.3 主尺寸設(shè)計

主尺寸設(shè)計原則是在吃水深度一定的情況下增大船隊的總噸位。氣懸浮駁船船隊的吃水深度受到長江水深度的限制，因此不能設(shè)計得過大。增加寬度就是增大寬度與吃水深度之比，一般的船舶寬度與吃水深度之比約為2.5:1，氣懸浮駁船船隊的這種比值大于2.5:1，例如設(shè)計為5:1、7:1等較大的比值。增大長度就是增大長度與寬度之比，一般的船舶長度與寬度之比約為 7:1，氣懸浮駁船船隊的這種比值大于7:1，例如設(shè)計為20:1、25:1等較大的比值。具體的大小將根據(jù)實際情況而定，總之比值很大。由于船隊的長度與寬度之比很大，從船隊的整體角度考慮，端部船體應(yīng)犧牲部分載重功能，將其設(shè)計為方形系數(shù)更小的流線型結(jié)構(gòu)，以減小航行時的興波阻力。

2 解決問題方法探討

2.1 船體間的連接方式

普通駁船船體之間的連接較為簡單，航行時在兩個船體的連接處會產(chǎn)生較大的興波阻力。氣懸浮駁船船隊將采用新的方法來減小連接處的興波阻力，即“帶水航行”的方法，就是將連接處充斥的水帶著一起航行，沿著船體的兩個側(cè)面和底面把船體間充斥著的水包裹在其中，使連接處具有和船體同樣的橫截面，實現(xiàn)了由前一個船體到后一個船體的平滑過渡，這樣在速度恒定航行時船體間的水具有與船體同樣的速度，對前后兩個船體產(chǎn)生相等的壓力，幾乎不再對船體產(chǎn)生阻力！這樣處理船體間的連接問題使船體不僅能平滑過渡而且具有一定的轉(zhuǎn)彎能力，由于船體的懸浮還需將連接處分成內(nèi)外水帶以及具體的操作措施等諸多細(xì)節(jié)將暫不細(xì)說?？傊皫叫小钡姆椒▽⒊晒Φ陌驯姸嗟拇w連接為一個有機(jī)整體，興波阻力將只在第一個和最后一個船體之間產(chǎn)生。

2.2 氣懸浮駁船船隊的平衡

氣懸浮駁船船隊?wèi)铱盏撞康臍鈮合嗤牭撞繂挝幻娣e的壓力相同且不隨船體的傾斜而改變，這就對船隊的平穩(wěn)性有著特殊要求。具有平衡性的船隊有兩個要求:1）單個船體自身處于平衡狀態(tài)；2）各個船體吃水線相同。單個船體的平衡與普通的船舶一樣，氣懸浮駁船船隊平衡的特殊性在于如何保持各個船體吃水線的相同。吃水線的變動主要是在裝卸貨物時發(fā)生，采用水倉微平衡法來調(diào)節(jié)這種情況下吃水線的變化。如圖4所示，在船體的四個角設(shè)置四個水倉，水倉之間通過水管和水泵相互連接。若要保持所有船體吃水線相同，必須每個船體同時進(jìn)行裝貨或卸貨，在這個過程中每個船體水倉中的水將根據(jù)需要被抽到不同位置的水倉，用來調(diào)節(jié)船體自身的平衡。通過水泵將船體以外的水抽入水倉或?qū)⑺畟}中的水排出船體，來改變船體水倉中水的總重量，以此來調(diào)節(jié)船體吃水線，保證各個船體吃水線相同。由于水倉的容量是有限的，只能在一定范圍內(nèi)維持平衡。通過計算機(jī)技術(shù)來處理每個船體不同水倉中水的重量、每個船體水倉中水的總重量、每個船體的吃水深度的信息，并將處理后的結(jié)果反饋給每個船體操作裝卸貨的人員，以便及時調(diào)整裝卸貨物的位置和貨物量。實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的動態(tài)平衡。

圖4 單位船體平面示意圖

2.3 船體的橫向穩(wěn)定性

氣囊兩側(cè)為插入水中的剛性側(cè)體，兩個側(cè)體不是懸浮的而是直接與水接觸，而且在船體橫截面上長度要遠(yuǎn)大于吃水深度，因此船體在橫向上具有一定的穩(wěn)性。為進(jìn)一步增加船體的橫向穩(wěn)定性，在兩邊剛性側(cè)體安裝穩(wěn)定鰭，一般情況下穩(wěn)定鰭在水面線上面不產(chǎn)生航行阻力，當(dāng)船體發(fā)生較大橫向搖擺時穩(wěn)定鰭發(fā)揮作用（圖5）。

圖5 單位船體橫截面示意圖

2.4 船體間的斥力傳遞以及如何避免船體間的碰撞

氣懸浮駁船船隊由多個船體連接構(gòu)成，內(nèi)部的空腔沖入高壓氣體，高壓氣體在最前面的船體產(chǎn)生方向向前的力，在最后一個船體產(chǎn)生方向向后的力，這就使得各個船體之間存在斥力。斥力的存在可以使力在船體間很好地傳遞，這樣由多個船體組成的船隊具有了很好的整體性。斥力的存在可以避免在緊急情況下船體的相互碰撞。

2.5 動力設(shè)置與轉(zhuǎn)向

氣懸浮駁船船隊的動力由四個拖船提供，如圖6所示。每個單位船體配置可調(diào)節(jié)的側(cè)向鰭，兩個端部船體也各自配置有可改變方向的鰭。四個拖船提供動力的大小和各個船體上鰭的調(diào)節(jié)將根據(jù)需要統(tǒng)一控制。拖船提供的動力經(jīng)過船體間的斥力傳遞給前面的端部船體，前面的端部船體通過改變自己的鰭來改變自己的航行方向。船隊的轉(zhuǎn)向由四個拖船和各個船體上的鰭共同完成，其中以拖船為主，鰭為輔。當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時，調(diào)節(jié)拖船提供動力的大小和方向來使船隊獲得轉(zhuǎn)向所需的主要側(cè)向力，同時各個船體根據(jù)轉(zhuǎn)向趨勢，調(diào)節(jié)自己的鰭跟上轉(zhuǎn)向節(jié)奏。當(dāng)船隊需要在較窄水域返航時，拖船先與船隊分離，再重新與船隊組合如圖7所示。這樣船隊就具有在較窄水域雙向航行的能力了。

圖6 氣懸浮駁船動力設(shè)置示意圖

圖7 氣懸浮駁船轉(zhuǎn)向后示意圖

以上僅為氣懸浮駁船船隊設(shè)想的一些簡單介紹，整個設(shè)想包含諸多過程和細(xì)節(jié)問題，是個龐大而復(fù)雜的過程，暫不進(jìn)行過多的介紹。

3 氣懸浮駁船船隊的特征

3.1 特點

其突出特點是耗能低、速度快、噸位大。氣懸浮駁船與吃水深度相同的普通船舶相比，其總噸位與總濕面積之比、總噸位與橫截面面積之比都要大得多，在運送相同噸位相同的貨物時，氣懸浮駁船船隊所受阻力很小，這就為氣懸浮駁船船隊提高速度提供了空間。氣懸浮駁船船隊能提高長江的運輸能力，多個船體連接為一個整體節(jié)省了單個船體獨自航行時船體之間的安全距離，速度快，提高了效率。在長江航運快速發(fā)展的今天，氣懸浮駁船船隊這種新型船舶以其突出的性能將可能成為長江航運發(fā)展的新方向。

3.2 與長江的完美搭配

氣懸浮駁船船隊更能適應(yīng)長江的基本特征。內(nèi)河航道水的深度較淺，制約了船的吃水線，限制了一般船只的噸位。提高長度與寬度可以提高噸位。單個船體的長度在各種限制之下無法增加太多，將多個船只首尾相連可以增加總長度，但各個連接處在航行中產(chǎn)生興波阻力，在連接處注水采用帶水航行的辦法解決了這個問題，船的總長度得到大幅度增加。船的長度與寬度存在一定的正比例關(guān)系，船的寬度也隨之增加，船的總噸位得到了提高。船的長度、寬度與吃水線的比例過大，不合理的比例致使總的濕面積過大，主要是底面的濕面積過大，摩擦阻力隨之增大。底面積過大為氣懸浮的應(yīng)用提供了條件，采用底面懸浮解決了這個問題。至此船的總噸位得到了大大提高，而阻力又不至于過大，氣懸浮駁船船隊很好的適應(yīng)了內(nèi)河航道的特點，內(nèi)河航道風(fēng)浪較小又為氣懸浮駁船船隊提供了平臺。兩者之間的搭配堪稱完美。

4 應(yīng)用

該船適用于距離遠(yuǎn)、貨物量大的運輸，例如上海與武漢之間的運輸。將長江沿岸港口運輸與兼具河港與海港的上海港運輸相連接，可以將由大型海船運來的集裝箱高效快速地運輸?shù)筋愃颇暇└酆臀錆h港等沿江港口，實現(xiàn)長江沿岸地區(qū)與海港的高效運輸，減小物流成本。

針對上海到武漢之間的運輸，設(shè)想一個示意的氣懸浮駁船船隊。由十節(jié)船體構(gòu)成，總長度545m，寬度25m，吃水深度4.5m，最大排水噸位約5萬噸，橫截面面積103.5m2、濕水面積約6700m2。其航行時的阻力大致相當(dāng)于一艘兩萬噸級的海船航行時的阻力。而武漢 4.5m左右的通航深度僅夠五千噸級的普通船只航行，一旦氣懸浮駁船船隊從概念設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實，其優(yōu)越性是顯而易見的，對于像武漢這樣的沿江港口城市也是重大的發(fā)展機(jī)遇。

5 結(jié)束語

大型船舶的構(gòu)造是非常復(fù)雜龐大的，氣懸浮駁船船隊設(shè)想僅為一種對新型船舶的大膽探討，設(shè)想能否變?yōu)楝F(xiàn)實還需要大量的驗證工作，本文僅僅是做一些簡單介紹。

[1]駁船船隊:ZL 201320064630.6[P]. 2013-08-14.