赵树培

(公安海警学院机电管理系，浙江宁波315801)

0 引言

随着“一带一路”发展战略的深入，建设海洋强国战略走向国家层面，中国海警舰艇在管辖水域履行执法维权的作用日益凸显。舰艇作为海警部队最为重要的装备载体，面对舰艇摇荡所带来的问题，需要强大的技术支撑，特别是现代装备有舰载直升机的海警舰艇，剧烈的摇荡会影响到直升机的起降。减摇装置不仅有效地减小了舰艇摇荡，提高了舰员的舒适感，而且降低了设备的摇晃、振动，提高了安全性。另外，减摇装置还可以在一定程度上提高舰艇的航速、适航性和经济效益，为舰艇更好地完成任务打下坚实基础。目前，海警千吨级以上的海警舰艇基本都设有直升机停机坪或机库，对减摇能力的要求也随之大增。本文主要从现代成效较为显著的几种减摇装置出发，详细阐述了其原理以及在海警舰艇上的应用，然后进行分析比较，探讨了综合减摇技术的优势以及在大型海警舰艇上应用的可行性，提出了综合减摇技术在未来海警舰艇上应用的几点思考［1］。

1 舭龙骨的工作原理及应用

舭龙骨是沿舰长方向，设在舰艇中段外侧舭部的纵向鳍状结构，其主要功能是减小舰艇横摇。每艘舰艇都装有舭龙骨［1］，是应用最广泛的被动式减摇装置，其布置如图1所示。

图1 舭龙骨布置图

1．1 装设舭龙骨的优点

(1)低航速且设计合理，能有效减轻横摇。

(2)基本不影响舰艇的空间和重量。

(3)建造成本较低，易于维护保养。

1．2 装设舭龙骨的缺点

(1)减摇效果不高，一般在10% ～20%之间，难以满足海警舰艇对高航速下减摇能力的要求。

(2)会使舰艇的阻力略有增加，影响舰艇的快速性［2］。

2 减摇水舱的工作原理及应用

减摇水舱是安装在舰艇体内部的一种特制水舱，其工作原理如图2所示。图中，Mtmax为水舱最大减摇力矩。根据水舱的工作原理分为:主动式水舱、被动式水舱和被动可控式水舱［3］。

图2 U型减摇水舱工作原理图

图2 中，在位置a)时，当舰艇横摇到右舷最大角度时，减摇水舱中的水快速向右舷流动，此时，舰艇受到复原力矩作用向左舷恢复，到达位置b)时，减摇水舱中90%以上的水流到了右舷。这样，相当于减摇水舱产生了一个用来抵消舰艇横摇的减摇力矩。在位置c)时，舰艇达到向左的最大横摇角，此时减摇水舱两边的液位差很小，没有减摇力矩产生作用。在位置d)时，左舷边舱的液位达到最大，对舰艇产生了最大减摇力矩克服舰艇的横摇运动。当舰艇再次达到位置a)时，就开始周而复始的循环运动，这就是U型减摇水舱的减摇原理。目前，海警舰艇上已安装减摇水舱，减摇效果良好［4］。

3 减摇鳍的工作原理及应用

减摇鳍是一种非常有效的主动式减摇装置，它可以使横摇角不超过3°，并且在航速方面也可以得到保证。减摇鳍结构复杂，维护成本较高，因此在海军和海警等公务舰艇上应用较多。舰艇以一定速度运动时，减摇鳍开始偏转，根据流体力学的基本原理可知，在鳍叶上方的压力小于下方的，且流速大于下方的流速，在鳍上就会产生一个向上的升力P。同时，在另一个鳍上也会产生一个向下的升力P，两个力同时以R为减摇半径对舰艇产生一个稳定力矩作用，能有效降低舰艇横摇［5］。

减摇鳍升力原理图如图3所示。

图3 减摇鳍升力原理图

千吨级海警舰艇采用由哈尔滨工程大学设计的NJ5-3．5S-1型减摇鳍。该减摇鳍特点是由2对鳍组成整个减摇鳍系统，转鳍随动系统为泵控系统。目前，海警舰艇主要安装的是固定式减摇鳍，其优点体积小、构造简单、方便维护，特别是在舰艇速度大于14 kn以上时，减摇效果最佳［6］。但是，当舰艇速度低于6 kn时，效果不明显。南海海域的海警舰艇经常处于高速航行状态，非常适合安装固定式减摇鳍，然而单独使用减摇鳍并不能满足海警舰艇在全海况下的减摇需求。

4 综合减摇技术

综合减摇技术是舰艇稳定航行研究的重要课题之一，以减摇鳍、减摇水舱为基本单元，通过把单一的减摇装置合理配置成系统，使舰艇在各种情况下都可以有效地减小横摇、横倾［1］。各种减摇装置的性能对比见表1。

表1 各种减摇装置的性能对比

由表1可知:面对不同海况，单独使用任何一种减摇装置在功能上都存在缺陷。

(1)舰艇速度方面的影响:减摇鳍表现最为明显，舰艇速度越高，效果越好，低速无效。

(2)减摇效率方面的缺陷:减摇水舱虽然不受速度影响，但单独使用效果却不理想。

(3)航向上的局限性:舰艇在迎浪、尾斜浪作用下，摇荡不规则时，单独使用某一种减摇装置效果不明显［7］。

本文提出以“舰艇-减摇鳍-被动式减摇水舱”组成的综合减摇技术作为现代大型海警舰艇的减摇方式［5］。根据舰船设计的理论研究，得到综合减摇系统的横摇方程［1］:

式中:φ为舰艇横摇角，φ、φ为其微分;2Vφ为舰艇在减摇鳍和减摇水舱联合作用下的横摇衰减系数;为舰艇在减摇鳍和减摇水舱联合作用下的固有频率;z为减摇水舱水位的相对位移;α1为舰艇波倾角;αe0为最大有义波倾角;β为比例系数。

综合减摇装置设计的思路是:当舰艇处于中、高航速航行时，通过减摇鳍和减摇水舱配合产生的稳定力矩来抵抗海浪的干扰力矩，使舰艇具有较高的减摇效果。当舰艇处于低航速或系泊状态时，通过单独使用减摇水舱进行平衡，保证舰艇具有基本的减摇效果［1］。在设计综合减摇系统的配置方案时，必须考虑减摇鳍的最大静特征数、减摇水舱的最大静特征数、航速对减摇效果的影响、海况对减摇效果的要求、航向对减摇效果的限制、综合减摇系统功能及效果的实现性等因素。

以“舰艇-减摇鳍-被动式减摇水舱”组成的综合减摇系统在海警舰艇上的应用具有很好的发展前景，其优势有以下几个方面:

(1)突破了航速方面的限制，在各种航速下都能有效减小舰艇横摇。

(2)放宽了设备的选择范围，与单独使用减摇水舱的舰艇相比，综合减摇系统的减摇水舱体积更小，也降低了对减摇鳍的特征数的要求，这对于安装不可收放式减摇鳍的海警舰艇具有实际意义［4］。

(3)增强了舰艇的安全性，综合减摇系统中减摇鳍、减摇水舱互为备用，在很大程度上增加了系统的安全性［4］。

5 结语

本文对各种减摇装置的工作原理、性能等方面进行了详细介绍，通过研究分析了被动式减摇水舱和减摇鳍在海警舰艇上的应用效果。针对海警舰艇排水量越来越大，功能越来越全面，为适应各种海况及作战环境而对减摇的要求也越来越高的发展趋势［7］，探讨了以“舰艇-减摇鳍-被动式减摇水舱”系统为典型的综合减摇技术在海警舰艇上的应用和发展前景。

［1］ 赵为平．大型水面舰艇综合平衡系统研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2005．

［2］ 邹宁．船舶减摇装置及其应用［J］．船舶工程，2012(增刊2):271-277．

［3］ 杨辉，宋金龙．船舶减摇方式介绍及发展趋势［J］．江苏船舶，2007，24(4):14-16．

［4］ 贲成华．船舶水舱-鳍减摇和抗倾系统研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2006．

［5］ 马云飞．基于扰动补偿的船舶横向运动LQG控制研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009．

［6］ 赵为平，金鸿章，张海鹏，等．鳍/被动水舱联合减摇理论研究［J］．中国造船，2004(3):84-87．

［7］ 董美华，马汝建，赵东．船舶减摇技术研究进展［J］．济南大学学报(自然科学版)，2008(2):76-81．