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船用气泡减阻技术发展

　　早在十九世纪30年代俄国和瑞典科学家就提出设想：在运动船舶的船体外表面和水之间，引入空气和排气形成气幕，可以大幅减少运动船舶总阻力。然而，这一设计思想在工程技术实践中却并不容易实现。因此，目前真正用于实船的仅为俄罗斯等极少数国家。
　　气泡船（air cavity craft）也有称作空气润滑船（air-lubricated-hull craft）或气浮船（air ride express）的，它是高性能船型中的一种。其工作原理是把空气引入船底，在船底表面形成气水混合的两相流，从降低液体粘性系数的角度来减小艇体的摩擦阻力，达到高速航运的目的。
　　1949年底，瑞典哥德堡船模试验池的Edstrand提出了气膜减阻原理，但由于空气会自由 地飘离船体表面，无法形成气膜，试验没有取得成功。60年代后，各国对怎样锁定气膜进行了深入研究，基本上形成了两种思路。
　　第一种思路是在平底船上开设一个凹进船底的平面，四周用板材围起来，在船底凹面内 通以压缩空气，使大部分气体封存在船底，当然难免还有一小部分气体随船体的移动从船底边缘逃逸出去。这类技术主要应用在低速运输船上，如驳船、货船和大型油船。在我国黑龙江水运科学研究所研究的垫气驳就属于这一类，并于1982年在黑龙江航运的驳船上应用成功。在正常运营航速（Vs=9km/h）下，阻力可比原船型减小30%，而消耗在压缩空气上的功率只占总功率的3%，节能效果十分显著。
　　第二种思路是将船底下的一层薄薄的气膜扩展成一个增压气室，最终将演变成侧壁式气 垫船，成为另一类高性能船型。80年代以来，前苏联、法国、美国、澳大利亚、荷兰等国把气幕减阻技术拓展到高速船上，建造了实艇并投入航运。英国、日本、韩国等也相继开展了研究设计工作，但未见到实船下水的报导。气幕减阻技术进入90年代，尤以俄罗斯的研究设计工作最为突出，他们将其作为继水翼艇之后的新一代高性能船型走俏国际航运市场。
　　据克雷洛夫研究院研究成果报导：利用气泡技术可使大多数滑行艇的阻力减小20～40% ，而消耗在压缩空气上的功率不会大于总功率的3%，如果优化艇底形状，减阻效果还可提高到50%。他们已开发成功的产品有两个型号，一个是内河气泡艇“林达”号；另一个是沿海用气泡登陆艇“岩羚”号。若用每吨有效载荷（旅客的平均质量为75千克/人）、每节航速所消耗的功率来考核船的经济性，则“林达”号艇为4.71千瓦/吨服，“岩羚”号艇为4.36千瓦/吨服。它们的经济性指标已优于常规水翼船和侧壁式气垫船。
　　气泡船与水翼艇和侧壁式气垫船相比有以下优点：日常维护保养简单；离码头方便；吃水较浅；造价相对较低等。对发展我国内河和遮蔽海域的客运货运事业有着广阔的应用前景，特别在内河的中上游浅水航道上更有独特的技术优势。
　　发展高速气泡船的关键技术是：深入探讨气幕减阻机理的理论和试验研究工作；船在静水和波浪航行时尽量减小气泡的逃逸量；使气泡（幕）均匀稳定地覆盖在船底上；处理好气泡对推进器的不利影响。
　　一、中国攻克气泡船技术难题
　　日前我军海军工程大学董文才教授在气泡船课题研究领域获得两项国家专利，成果经专家权威评审已达到国际先进水平，并显示出优异的军民两用前景。一般而言，气泡船的玄机藏在船底，而如何研究一种即节能、又能增速的高性能气泡船，一直是许多国家攻关的重要课题。董文才教授在国内首次完成了气层作用下的高速艇强制自航模型试验研究，并建立了气层影响下高速艇模型和实艇阻力的计算方法等，成功地掌握了实艇阻力减少25%的工程实现方法，使我国在这一领域实现了巨大的飞跃。
　　董教授独辟蹊径地开发出具有自主知识产权的气泡高速艇新技术，实现了该课题跨越式发展。通过理论计算和模型试验，针对高速滑行艇，实现了静水、迎浪规则波及不规则波总阻力减少20%至30%的目标，解决了实际海洋环境中“瓶颈”难题，为我国制造节能高效高速实体气泡船奠定了坚实基础。
　　二、日本研制船底气泡技术船
　　三菱重工近日在东京宣布，将与日本邮船(NYK)合作研发船底喷射气泡技术，期望通过“空气润滑系统”，降低航行时的海水阻力，降低10%二氧化碳排放量。
　　在日本国土交通省的资助下，三菱将以日邮旗下的日之出邮船公司营运的2艘石油供应船作为实验品，配备喷射气泡技术的供应船分别于今年3月31日和11月底在三菱长崎船厂建成。有关船舶属于重负荷的特种船，配有滚装式斜道，用于运载原油或天然气钻探设备的预制组件。
　　据介绍，相对其他大型船舶，石油供应船装设较宽阔和吃水较浅的船壳，因此产生的水压细小，能减少风机所需电力。宽阔而平坦的船底设计，则令气泡更容易保留，便于形成气垫作用，减少燃料消耗。按照现有计划，三菱将在实验中测试减耗燃料设计的效能，研究气泡在不同海面环境的活动模式与减排数据的相关性。
　　日邮发言人表示，海事业界日益关注船舶环保设计的发展，该公司亦在探讨不同能够降低碳排放的方法。据资深造船业内人士意见石油供应船的设计非常适合配置“空气润滑系统”，最终促成与三菱的合作计划。

图1 船底气泡技术船结构示意图（船舶在船底气孔喷出气泡，形成气泡层，减低海水阻力）
　　三、气泡船军民两用前景广阔
　　科学家普遍认为，气泡船，由于吃水浅、能贴近海面航行，因而在时尚的“濒海作战”中能够发挥重要突击作用。同时，改进后各类船艇体积小，不易被雷达、红外光电等设备侦察发现，所以极易遂行隐蔽作战。而且，采用气泡技术后，主机消耗功率小、续航力和适航性将大大增强。
　　据外电报道，目前俄罗斯、美国、韩国、日本、挪威、荷兰、法国等国家都在致力于这种船型的开发研究，其中尤以俄罗斯发展最快。1993年俄罗斯已建成世界上第一艘实用型高速气泡船“琳达”号，其排水量为24.6吨，载客70人，航速为55千米／小时，续航力为400千米；此后，又相继建成100吨级“赛加羚羊”号高速护卫艇等一批新产品。
　　气泡船发展还显示出良好的民用前景。它们日常维护保养简单、离码头方便、造价较低廉、噪音小等，非常适于对发展我国内河和遮蔽海域的客运货运事业，尤其在内河中上游浅水航道更具独特优势。由于气泡船在相同航速、相同吨位、保持航速不变情况下，可以节省20%燃油，所以比飞机有效载荷和综合效益还要大，显示出良好的经济前景。