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剪水鹱的博客

Above stormy seas we soar.

 
 
 

日志

 
 

难负重望的濒海战斗舰 2  

2012-05-16 20:23:11|  分类: 水面战舰 |  标签: |举报 |字号 订阅

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船型选择

深水区波浪的传播速度与其波长的1/2次方成正比,而船舶在水中移动时产生的行波的波长,则与船体的水线长度成正比,常规排水型舰艇的极限航速因此由船行波的消散速度界定,大约是船体水线长度1/2次方的2.5 (航速和船长单位分别是节和米),船速更快时行波无法及时消散,强度不断累积,将导致兴波阻力呈指数增长,使进一步提高航速变得异常困难。长度不过100余米的濒海战斗舰如果采用常规船型,最大航速连30节都达不到,与美国海军提出的性能指标相去甚远,引入中型水面战舰所未曾尝试过的全新高速船型因此势在必行。濒海战斗舰项目启动时可供选择的高速船型包括滑行体 (planning hull),半滑行体 (semi-planing hull),穿浪双体 (wave-piercing catamaran),穿浪三体 (wave-piercing trimaran),小水线面双体 (Small Waterplane Area Twin Hull, SWATH),水翼船 (hydrofoil),气垫船 (hovercraft),表面效应船 (Surface Effect Ship) 8大类。参与濒海战斗舰概念论证阶段竞标的方案,包括半滑行体和表面效应舰各2型,穿浪三体和小水线面双体舰各1款,;小水线面双体舰方案随后于初始设计阶段落马,激烈的角逐在洛克希德马丁公司的海刃” (Sea Blade) 先进半滑行体,通用动力公司的穿浪三体,以及雷神公司的表面效应濒海战斗舰之间展开。2004527日,美国海军宣布了初始设计阶段的竞争结果,洛克希德马丁和通用动力公司的濒海战斗舰方案雀屏中选,潜力很大的雷神表面效应舰方案却黯然出局。

 

滑行体和半滑行体船型依靠高速航行时船体对水面产生的冲压托举船体,减少浸润面积,从而降低摩擦阻力和兴波阻力。当航速超过常规船型理论极限时,滑行体和半滑行体舰艇骑行于波长大于船体实际长度的船首波之上,而不是如同常规船舶一般徒劳无功地试图推开或翻越高耸的浪墙,因此能够顺利突破与音障颇有几分相似的波障。所有高速船型中,滑行体和半滑行体的结构与常规排水型船舶最为接近,建造工艺相对简单,技术风险小,生产成本低,但推动巨大的船首波高速移动需要惊人的机械功率,使滑行体和半滑行体舰艇成为能耗水平极高的油老虎。半滑行体舰船的理论最大航速可达船长1/2次方的5.6倍,滑行体虽然相对速度更高,实用型号的静水最大航速也在半滑行体船舶之上,但适航性不佳,高海况时船速急剧下降,且受到船体结构强度和冲压升力有限的制约,无法应用于护卫舰尺寸的濒海战斗舰。权衡各方面利弊之后,洛克希德马丁公司与擅长制造高速游艇的意大利芬坎蒂埃里公司联手,推出了采用深V形半滑行体,不良海况下的高速稳定性大大优于常规滑行和半滑行体船舶的LCS-1“自由级。满载排水量约3000吨的自由级配备2台罗尔斯罗伊斯MT30燃气轮机和2台柯尔特-皮尔斯蒂柴油机,总推进功率高达84兆瓦,与满载排水量65600吨的英国皇家海军伊丽莎白女皇级相当 (后者动力系统的总输出功率是112兆瓦,但由于电气系统胃口极大,传递到推进轴上的功率只有80兆瓦),设计最大航速为45节,海试中在3级海况 (浪高0.5-1.25) 下跑出了47节,18节经济航速下航程3500海里,以45节疾驰时航程则减少到1150海里。

 

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08采用深V形半滑行体船型的LCS-1“自由号濒海战斗舰

 

穿浪双体,穿浪三体,小水线面双体3类船型获得高航速的方式大同小异,均是以既长且窄,锋锐如刀的流线型船体切开船首波,从而大幅度减低兴波阻力。与穿浪体船舶相比,相同吨位下小水线面双体船的水线部分面积更小,宽度更窄,兴波阻力也就更低,对波浪运动不敏感,高海况时仍能维持出色的稳定性和接近静水状态的航速,但也存在结构复杂,建造困难,消耗材料多,生产成本高,吃水较深等缺点。由于绝大部分浮力由完全没入水中的潜体提供,小水线面双体船无法如常规船舶一般,依靠浮力的负反馈自动维持船体的纵向和横向平衡,需要配备类似于潜艇上使用的自动姿态控制系统。小水线面双体船的缺陷和优点同样突出,受创后如何进行损害管制的问题尚无令人满意的答案,尽管自上世纪80年代以来不断有人提出研制小水线面双体战斗舰艇的倡议,且美国海军先后建造了T-AGOS-23“无瑕级水声监视舰,IX-529“海影号隐形实验舰,FSF-1“海上战士号技术测试舰等多艘军用小水线面双体船,以该船型为基础的濒海战斗舰方案仍未能获得军方项目管理团队的青睐,还未进入初始设计阶段即遭淘汰。除吃水较浅,建造难度和成本略低,不必安装姿态控制系统之外,穿浪双体船有着和小水线面双体船类似的诸多缺陷,高速性和适航性则不如后者,早在概念论证阶段便陷入无人问津的尴尬境地。通用动力公司在澳大利亚奥斯塔尔公司建造的Benchijigua快车 号高速渡轮基础上研制的独立级,采用了大尺寸主船体加小型侧体的穿浪三体船设计,绝大部分浮力由中央船体产生,外侧船体尺寸很小,主要起到提供横向稳定性的作用,对船舶的整体浮力贡献不大,即使受损进水也不至于造成难以应对的严重后果。与同等吨位的双体船相比,独立级各船体间连接构造的跨度较小,且水上部分的重量主要由主船体支撑,如机翼般向外伸展的悬空结构不必承受太大的机械应力,技术风险可控,建造难度不高。满载排水量约2800吨的独立级宽达31.6米,横向稳定性明显优于船宽17.5米的自由级,细长的穿浪体虽然湿表面积较大,但流线型处理到位,产生的船行波强度低,整体阻力水平比依靠强悍的动力骑在大型船首波上的半滑行体自由级要低得多。独立级配备2台通用电气LM2500燃气轮机和2MTU柴油机,总推进功率为60兆瓦,设计航速44节,海试时跑出过46节,18节经济航速下航程4300海里,44节高速冲刺时航程也能达到1500海里。

 

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09 FSF-1“海上战士号小水线面双体技术测试舰,长79.9,宽21.9,吃水3.5,满载排水量1600吨,配备2具喷水推进器,高速航行时由2LM2500燃气轮机提供动力,最大航速55


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10 “Benchijigua快车号高速渡轮,长126.65,宽30.5,吃水3.96,配备4MTU柴油机,驱动功率32.8兆瓦,最大航速42

 

水翼船利用类似于机翼的水下升力面在航行时产生的动升力,将船体抬出水面,使得浸润面积和水线面积大幅度减少,摩擦阻力和兴波阻力明显降低。采用部分穿透水面的U形水翼的半浸式水翼船结构简单,安全性好,但对波浪的高低起伏异常敏感,不适合在波高较大的外海使用。升力面完全没入水中的全浸式水翼船受波浪运动影响小,适航性出色,高海况下降速不明显,不过没有自我稳定能力,需以复杂的主动控制系统不断根据环境情况和船只运动状态调节水翼仰角。历经长达一个世纪的发展之后,水翼技术已相当成熟,被广泛应用于高速内河客船和近海渡轮等对有效载荷重量要求不高,而强调速度和舒适性的商用船舶。苏联,美国,意大利等国海军先后研制过多个型号的水翼高速战斗艇,1977-1993年间在美国海军服役的飞马座级全浸式水翼巡逻艇航速快,机动性好,火力强大,令海上毒品走私贩心惊胆颤。单就动力性能而言,水翼船不失为轻型濒海作战舰艇合格的候选平台。然而,受到水翼有效举升能力的限制,水翼船大型化举步维艰,制造大尺度水翼工艺难度非同小可,依靠提高水翼仰角来增大升力的作法则会造成阻力系数的急剧上升,以至于丧失来之不易的减阻成果。由于实用型水翼船的吨位至今未超过1000吨级,美国海军在濒海战斗舰项目初期便将水翼船型排除在了候选名单之外。

 

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11美国海军飞马座级水翼巡逻艇,排水量259吨,最大航速48

 

气垫船是资格颇老的高速船型,1962年即已投入小规模商业运营。悬浮在高压 (相对于环境大气压而言) 空气垫之上的气垫船航行时完全离开水面,彻底摆脱了密度高,粘滞性大的液态水所产生的摩擦阻力和兴波阻力的困扰,不仅航速可达70节以上,更能在包括沼泽,泥滩,雪地等任何较为平坦的支承表面行动自如,且不易触发各类感应式水雷,是理想的两栖运输工具。但气垫船方向稳定性不好,抗风能力弱,耐波性差,高海况时航速大幅度下降。由于维持高压空气垫需要消耗大量动力,空气螺旋桨的推进效率又较为低下,气垫船的燃油经济性极其糟糕,续航力很不理想,航程通常不超过300海里,与美国海军对濒海战斗舰提出的性能指标相去甚远。低劣的运行经济性使大型气垫船的宏伟构想始终停留在概念阶段,苏联/俄罗斯的1123.2号工程野牛级登陆艇是迄今为止最重的气垫船,战斗全重也仅为555吨,大约是濒海战斗舰设计吨位的1/5,美国海军的LCAC (Landing Craft Air Cushion) 型气垫登陆艇的满负荷重量则只有185吨,还不到濒海战斗舰排水量的1/10。气垫船弊端众多,研制吨位达到护卫舰水平的气垫濒海战斗舰又存在着极大的技术风险,无怪乎美国海军和国防承包商都对该船型敬而远之。

 

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12俄罗斯海军野牛级气垫登陆艇


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13美国海军LCAC型气垫登陆艇

 

表面效应船由侧壁式气垫船 (Sidewall Hovercraft) 发展而来,是气垫船与穿浪双体船概念相融合的产物。高速航行时,表面效应船的绝大部分重量由船底的高压空气垫承载,位于船底两侧的穿浪体主要起到阻止高压空气逃逸,提高气垫举升效率的作用。低速航行或静止状态下气垫关闭,船体下沉,全船重量皆由穿浪体产生的浮力加以平衡。表面效应船航速高,稳定性好,甲板面积大,内部空间利用率高,气垫开启状态下吃水极浅,是濒海战斗舰艇的理想船型。贝尔航空航天公司为美国海军制造的100吨级SES-100B号表面效应技术测试舰气垫打开时吃水不到0.5米,由2具半浸没式超空泡推进器驱动,曾在佛罗里达外海飙出90余节的惊人航速。挪威皇家海军的盾牌星座级表面效应巡逻艇满载排水量274吨,船长47.5米,船宽13.5米,垫升状态下吃水仅0.9米,横向稳定性和可用甲板面积均远在同等吨位的常规高速战斗艇之上,浅水机动能力极为出色,静水航速可达60节,并能在中等海况下维持45节高速。表面效应船优异的性能令雷神公司心驰神往,遂推出了以盾牌星座””级为基础设计的濒海战斗舰方案。该方案在初始设计阶段便被美国海军否定,未进入深度工程研发,其技术细节在公开资料中无从找寻,但可参照美国海军1974年提出的3000吨级表面效应导弹驱逐舰概念和盾牌星座””级的数据加以推测。在美国海军设计竞标中胜出的罗尔工业公司 (现已改名为古德里奇航空结构集团) 3000吨表面效应导弹驱逐舰将由4台燃气轮机提供动力,总功率120兆瓦,使用喷水推进器,能在6级海况 (浪高4-6) 下以80节航速行驶,携带标准-2等垂直发射战术导弹,可支持数架反潜直升机。盾牌星座””级推进功率约14兆瓦,40节时航程为800海里。船型和性能指标保持不变时,驱动功率通常与排水量的2/3次方成正比,假设雷神濒海战斗舰满载排水量与自由级相当,达到3000吨,则其所需推进功率约为70兆瓦,介于自由级和独立级之间,能以40节速度连续航行近1800海里。常规船舶的推进功率与航速的3次方成正比,依此计算1974年版3000吨表面效应导弹驱逐舰需要160兆瓦级的强悍动力,才有可能达到80节的最大静水航速,浪高数米时蹈海狂奔所消耗的动力更是难以想象。然而功率与航速的3次方关系是建立在流体阻力与速度的2次方成正比这一前提之上的,且并未将基本独立于航速之外的垫升系统功率消耗考虑在内,鉴于表面效应船可通过升高船体,减少浸润面积的措施控制阻力增长幅度,垫升系统的能耗也绝非无关痛痒,120兆瓦功率的3000吨表面效应舰是有可能在风平浪静的情况下跑出80节的,尽管如此,罗尔公司设定的性能参数仍明显过于乐观。沿用盾牌星座””级基本设计的3000吨雷神濒海战斗舰预计将有105米长,30米宽,垫升状态下吃水不超过2米,可用甲板面积和浅水机动能力均在长115.3米,宽17.5米,吃水3.9米的自由级,和长127.4米,宽31.6米,吃水3.96米的独立级之上。

 

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14美国海军SES-100B号表面效应技术测试舰


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15挪威海军盾牌星座级表面效应巡逻艇


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16雷神公司基于盾牌星座级巡逻艇的濒海战斗舰方案,舰首下方是用来封闭高压空气腔的柔性围裙


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17“独立级的全长和最大宽度均超过雷神濒海战斗舰,但由于前舰身较为狭窄,总可用甲板面积恐怕要略逊一筹

 

雷神濒海战斗舰的整体性能与自由级和独立级相比毫不逊色,更拥有远胜侪辈的浅水活动能力和航速提升潜力,却存在技术风险大,研制周期长的弱点,未获美国海军首肯实在是不足为奇。自3000吨表面效应导弹驱逐舰项目于1980年终止以来,美方对表面效应船长期缺乏关注,技术积累极其有限,1971年建成的两艘SES-100测试舰和盾牌星座””级的体积太小,所能提供的工程数据对于研制护卫舰吨位的表面效应舰没有特别大的参考价值,开发排水量比盾牌星座””级高出一个数量级的全新表面效应海上构架必然靡耗时日,技术风险也难以得到有效控制。美国海军急于将濒海战斗舰投入批量生产,手头又并不宽裕,放弃雷神方案不失为明智的选择,却也暴露了濒海战斗舰项目推进速度太快,前期预研不足的弊端。高度紧张的项目日程,迫使美国海军将船型选择的范围锁定在技术相对成熟的半滑行体和穿浪三体设计之上,雷神表面效应舰的失败自竞标伊始即已注定。

 

自由号和独立号先后开工之后,长27米,宽12.2米,吃水0.91米,满载排水量约60吨,由M船舶公司为美国国防部军队转型办公室建造的M80 “短剑” (stiletto) 号双M型技术测试舰于2006131日静悄悄地滑入水中,开始了军旅生涯。M型船构思巧妙,设计独特,高速航行时,船首波能量被导向船体之间的空腔,在提供冲压升力的同时对空腔内的空气进行压缩,形成举升气垫,冲压升力与举升气垫共同作用,将大部分船体托出水面。M型船集穿浪三体,滑行体,以及表面效应船三大船型的设计理念于一身,航速高,适航性好,甲板面积大,机械结构相对简单,是很有发展前途的浅吃水高速船型,但面世太晚,至今仍处于技术婴儿期。M船舶公司设想中长91.4米,适合作为濒海战斗舰基本平台的4M型船尚未脱离概念阶段,比雷神公司的表面效应舰方案更不靠谱,恐怕要等到自由级与独立级换代工作启动之时,才有可能成熟到足以向现有大尺度高速船舶发起挑战的地步。

 

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18船体由碳纤维复合材料制成的M80 “短剑号双M型技术测试舰,配备4台卡特皮勒柴油机,推进功率5兆瓦,最大航速51


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19 M型船原理示意图,位于下船体中心的穿浪体提供静息状态下绝大部分的浮力,两翼的刚性侧壁锋锐如刀,起着稳定船体,约束船首波和空气垫的作用,穿浪体和侧壁之间的隧道捕获船首波能量,产生托举船体所需的冲压和气垫升力

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