水翼艇(船舶)

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水翼艇是一种依靠水翼的上、下压强差来抬高船体,从而达到快速航行的船舶。
中文名
水翼艇
原    理
压强差
类    属
船舶
特    点
克服水的阻力
水翼形状
U型、倒T型
创始人
拉米斯

水翼艇基本简介

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水翼艇原理

在流体中,流速越大的位置,压强越小。当船在水中高速航行时,水翼船的水翼上表面凸起,他与船体间的水流速度大压强小。下表面的水流速度小,压强大。因此在水翼的上、下表面存在向上的压力(压强)差,上方压强小于下方压强,产生一个合压强,使其产生一个向上的合力。所以船体被抬高了

水翼艇特点简介

水翼艇的特点是行驶在空气跟海水的界面上,以尽量克服水的阻力[1] 

水翼艇发展简介

最先想到水翼艇并进行研究的发明家,是19世纪中期的一个叫拉米斯的法国牧师。俄国血统的法国人德朗贝尔,开始用当时刚发明的汽油发动机为他的“水上飞机”提供动力。19世纪90年代,他在塞纳河上用模型水翼艇进行了试验,但是它不能从水里抬起头来。飞艇设计师意大利人福拉尼尼1905年建造了一艘小水翼艇,并在专利说明书上阐明了水翼艇的科学技术原理。1911年,他用最新的模型水翼艇在马乔列湖为来访的美国贵宾贝尔做了表演。贝尔根据福
水翼艇 水翼艇
拉尼尼的专利,开始建造他自己设计的水翼艇。这艘水翼艇于1918年创造了每小时114.3千米的航行纪录。这些水翼船靠潜在水中的水翼支持而行。船底的薄片水翼在船停泊时完全没入水中,船开始运动时,水流经过弯曲的水翼,产生上举力,船走得越快,产生的升力越大,当水翼在水中升起时,把船体完全推离水面。由于阻碍消除,船的速度大大提高,行驶更为平稳。在第二次世界大战期间,一些德国发明家改进了水翼艇。战后,英国风琴师胡克又作了进一步的改进。意大利50年代开始大量建造水翼艇,美国和苏联设计出了自己的大型军用和客运水翼艇。苏联的航运线上有数百艘这种船,最大的可载旅客300人,速度达40节。美国海军已成功地在风浪水域试验了几艘水翼船。其中一艘“平景”号1968年由洛克希德公司建成,在平静的水中速度超过40节,是当时世界上最大的水翼船。

水翼艇分类

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早期的水翼船在采用U型的水翼。这种水翼被称为“半浸式”或“割划式”水翼。因为在水翼飞航时,U型水翼会有部份是浸在水中,而部份则会割破水面露在空中。半浸式水翼的结构较为简单,推进一般用船尾浸在水中的螺旋桨及方向舵。
前视图(左)半浸式水翼;(右)全浸式水翼 前视图(左)半浸式水翼;(右)全浸式水翼
较新的水翼船则是采用倒 T 型的水翼,这种水翼被称为“全浸式”,因为它经常保持在水下。“全浸式”的水翼受海浪的影响比“半浸式”小,因此全浸式水翼船在大浪的海上行走时更为穏定,亦更为舒适。
但是因为全浸式水翼设计不具自我穏定的特性;故此必须要由自动控制系统就海面情况、船身姿态、速度、加速等参数不断改变水翼的攻角,以维持水翼飞航的状态。如果水翼船突然失速(例如发动机严重故障,或者因碰撞而突然减速),飞航中的船身可能会突然掉回水中,造成意外。部份全浸式水翼船的推进采用燃气涡轮引擎,配以喷水系统,避免了螺旋桨及方向舵带来的阻力。

水翼艇发展历史

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美国人William E. Meecham,早在 1906年便在Scientific American 内曾经发表关于水翼原理的文章。电话的发明人贝尔认为这是项重要的发明,他画出类似水翼船的草图,然后与Casey Baldwin合作,在1908年进行关于水翼的实验。
Baldwin研究过意大利发明家Enrico Forlanini的设计后,进行自己的设计。1910年贝尔在意大利与Forlanini 见面,并在湖上试乘Forlanini 的水翼船。回到美国后,他们建造了HD-4 号,逹到了时速87公里的速度。在美国海军的支持下,他们改用两副350马力(260 kW)的发动机,在1919年9月创下时速114公里的纪录。这项纪录一直保持了十年。

水翼艇Supramar 水翼船

德国人Baron von Schertel 二次大战时在德国研究水翼。战后Schertel 的研究部门大部分被苏联俘获,成为日后苏联水翼船发展的骨干。
而Schertel本人则到了瑞士,并成立了Supramar 公司,于1952年发展出首部来往瑞士及意大利的载客水翼船PT10,重七吨,载客32人,采用U 型半浸式水翼,速度达32节。之后陆续发展出PT20,PT50,PT75,PT100和PT150,主要由意大利 Rodriquez 及日本日立生产,都是采用半浸式水翼和水下螺旋桨推进。
最后出产的是PT150, 采用前半浸,后全浸水翼,重165吨,载客250人,速度达37节。至1971年停产时,Supramar 水翼船生产了超过150艘。部分PT水翼船至今仍在服务,Rodriquez之后亦仍然有生产自行研制的半浸式水翼船。
苏联亦一直有对水翼船进行研究,在1970年代和1980年代设计了不少流线型的水翼船渡轮和军舰。当中Meteor 及 Voskhod 型出口到国外。这些水翼船以半浸式居多,主要用在浪较少的内河及湖泊行走。

水翼艇波音公司的喷射水翼船

波音PHM全浸式水翼船 波音PHM全浸式水翼船
水翼船需要的技术跟航空十分相似,因此美国的波音公司在60年代便开始研究水翼船。1974年,波音建造了6首131呎长的PHM型全浸式水翼船军舰。舰上装有反舰导弹、75毫米快速炮。航速超过45节。发动机为2部800匹柴油引擎(飞航前用),及2部17,000匹GE海事用燃气引擎(飞航时用),用喷水器推进。
同时波音亦发展了民用的水翼船渡轮,称为JetFoil929型。929型亦为全浸式水翼船,水翼可以收起,以进入浅水的地区。船身长90呎,以铝合金制造,净重约100吨,载客量可达250人,航速逹45节。推进的动力,来自2部劳斯莱斯Allison 501k燃气引擎,用喷水器推进。
波音总共生产了26艘929型水翼船,买家有日本、英国、印尼等地的渡轮公司。当中香港的信德集团旗下
喷射飞航“铁星”号 Jetfoil 929型水翼船 喷射飞航“铁星”号 Jetfoil 929型水翼船
的远东水翼船(1999年7月与中旅侨福(CTS-Parkview Ferry Service Co. Ltd.)的港澳飞航船(TurboCat)合并后改称喷射飞航)是最大的用户,曾拥有16艘用来提供往来香港及澳门之间的服务(有3艘已售予韩国)。波音停止生产JetFoil后,将生产专利卖给日本川崎重工(Kawasaki Heavy Industries, Co. Ltd.),大约生产了15艘。90年代中期,中国船舶工业集团旗下的上海新南船厂(CSSC Shanghai Simmo)亦曾短暂授权生产2艘(型号为PS-30)予香港的远东水翼船(其中1艘已售予韩国)。

水翼艇发展和限制

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现今存在的水翼船大多不超过1000吨,并以近海航行为主。跟其他的高速舰艇技术相比,水翼船(主要是全浸型)的主要优点是能够在较为恶劣的海情下航行,船身的巅簸较少。而且高速航行时所产生的兴波较为少,对岸边的影响较低。缺点主要在制造大型的水翼船、或进一步提高速度,但还存有技术困难。水翼所能提供的浮力与长度成平方关系,但是船的重量却与长度成立方的关系(平方/立方定律),故此制造更大型的水翼船存在一定的难度。要进一步提高速度,水翼在高速下会产生气泡(空蚀,Cavitation)的问题亦需要解决。此外全浸式水翼的结构及控制较为复杂,亦令成本上涨。水翼船使用燃气引擎花费燃料较多亦是商业运作上的考虑之一。
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参考资料
词条标签:
船舶工程 科技 交通工具