0 引　言

滑行艇不同于传统的依靠静浮力支撑船体重量的排水船，滑行艇所受的浮力成分随着航速增大发生变化，在滑行艇高速航行时，艇体重量几乎全由作用于滑行艇艇底的流动升力支撑。由于艇底压力分布对滑行艇航行性能影响很大，而且滑行艇排水量较小，受到波浪作用时容易发生抨击出水等现象，这使得耐波性成为限制滑行艇使用的重要原因^[1]。

滑行艇在波浪中的运动具有强烈的非线性，使得传统排水船的线性理论不能适用于滑行艇。研究滑行艇在波浪中运动主要有理论方法和模型试验方法。由于传统理论预报存在一定难度，波浪中进行模型试验仍然是研究滑行艇耐波性能很有效的方法。Fridsma于1969年进行了一系列滑行艇静水及规则波中的试验，试验中探究了纵倾角、自重、傅汝德数、斜升角等单一参数对滑行艇静水阻力性能以及在规则波中垂向加速度的影响^[2]。日本学者片山等^[3]运用小尺度滑行艇模型进行了滑行艇规则波中迎浪运动试验，为滑行艇水动力研究提供了大量参考资料。董文才教授等^[4]对深V型滑行艇模型进行了规则波顶浪纵向运动试验，证实了相同航速下滑行艇在波浪中航行的纵向运动是相对于静水浮态的升沉纵摇运动。

本文对某自主开发的滑行艇^[6-7]进行了模型的顶浪规则波和不规则试验，通过分析试验数据，探究该滑行艇的波浪中运动性能，为进一步研究提供试验依据。

1 试验设备模型与试验内容 1.1 试验设备

本次试验在中国特种飞行器研究所高速水动力实验室室内拖曳水池进行，该水池拖车速度最高可达25 m/s，能够满足滑行艇试验高航速要求。水池长度510 m，宽6.5 m，水深5.0 m。水池造波机可造规则波波长范围0.5～15 m，波高范围0.03～0.50 m，可造各类长峰不规则波。

1.2 试验模型

本次试验的对象是自主开发的某新型滑行艇模型，模型主尺度在表1中给出。模型主体材料为木料，为了使模型表面光滑，模型表面经做防水、喷漆处理，符合规定的允许误差标准。

1.3 试验工况

首先进行模型静水阻力试验，试验时释放船体升沉及纵倾的运动自由度，采用角度传感器测量船模纵倾值，采用位移传感器测量船模重心处的升沉值，通过与牵引绳连接的阻力传感器测量船体受到的阻力。为了使水面恢复足够平静，消除残余船行波的影响，每个试验工况间隔至少10 min进行。

规则波中运动响应取试验速度为Fr=2.652，3.713及4.244，本文中Fr均为排水体积傅氏数。开展规则波试验时，波长范围为2～20 m。名义波高取60 mm，试验过程中测量实际波高，误差在5%以内。

由于实际上海上的风浪是极其不规则的，研究时一般可将海浪视为平稳的随机过程，可用波浪谱模拟实际波浪运动。为了研究该滑行艇在实际海浪中的运动，在水池中进行模型的不规则波试验。不规则波的波浪谱采用ITTC推荐双参数谱：

$ {S_\varsigma }\left( \omega \right) = \frac{{173{H_{1/3}}}}{{T_1^4{\omega ^5}}}\exp\left( { - \frac{{691}}{{T_1^4{\omega ^4}}}} \right){\text{。}} $

(1)

其中， ${{{H}}_{1/3}}$ 表示三一有义波高， ${{{T}}_1}$ 表示特征周期，ω为波浪圆频率。特征波高 ${{{H}}_{1/3}}$ 与特征周期T取值对应实际海况级别，模拟实船从2级到3级海况下的耐波性能，具体试验工况如表3所示。

2 试验结果及分析 2.1 静水试验

图1～图3为阻力、纵倾角及升沉随航速变化曲线，图3为静水阻力试验中不同航速下的模型拖曳过程中的图像。为了方便进行分析比较，试验中测量所得数据均做无因次化处理。

从图1可以看出，滑行艇在低速航行阶段，阻力值随航速增大增加较快，随着航速的进一步增加，阻力值有一段变化缓慢区域，而继续增加航速，阻力曲线又有变陡趋势。这是因为在低速航行阶段，摩擦阻力比重较高，阻力与航速的高次方成正比。进入起滑阶段，纵倾角增大，艇体抬升出水，湿表面积和排水量减小，摩擦阻力减小，虽然此时飞溅阻力增大，但抵消后阻力曲线变化缓慢。当进入更高航速阶段后，航速继续增大，而由于较高的航速导致严重的飞溅，飞溅阻力迅速增大，占剩余阻力的比达90%～95%。

从图3可以看出，在所研究的航速段内，该艇先下沉后上升，随着航速的增加，该艇进入滑行阶段后，升沉大幅增加，从而将大部分艇体抬升至水面以上，降低此时的阻力。

结合图2与图4，可以明显看出，随着航速的增加，滑行艇的纵倾角先增大后减小，与传统滑行艇的纵倾角变化规律相同。当Fr<3，滑行艇处于排水航行和过渡航行阶段，随着航速增大，纵倾角迅速增大，艇首抬升出水。纵倾角达到最大值后，航速继续增加，滑行艇进入滑行状态，纵倾开始缓慢减小；当Fr>4，纵倾角不随航速增加而变化，稳定在5.5°左右。

2.2 规则波试验 2.2.1 纵向运动响应分析

图5和图6为纵摇，垂荡响应算子随无因次波长λ/L和的变化曲线。分析垂荡和纵摇试验结果，不同航速垂荡和纵摇值随波长增大，并有峰值出现；当波长继续增大至大于8倍船长后，垂荡和纵摇幅值不再变化，且不同速度下响应值基本相等。不同速度下垂荡和纵摇响应峰值出现的波长位置不随速度变化移动，出现在λ/L=5时；当Fr=3.713时，λ/L=5附近波长的垂荡和纵摇响应值明显高于其他两个速度，这是因为在试验过程，以上几个试验波长艇体出现剧烈的运动响应，有抨击和出水现象，此时响应峰值对应的遭遇周期 ${\omega _e}$ =6.72。

图5和图6也给出了某典型的带舭部折角线的深V型滑行艇不同速度段的运动响应^[4]。从图中对比可以看出，新型滑行艇的运动响应峰值虽然较深V型滑行艇的峰值偏大，但出现的波长船长比明显后移；且在波长船长比小于3之前，新型滑行艇艇的运动响应较常规深V型滑行艇小。

图7和图8为纵摇，垂荡响应算子随遭遇频率的变化曲线，随着速度增加，运动响应峰值向高频方向移动。

2.2.2 加速度响应分析

图9为不同速度下艇重心处垂向加速度值随波长的变化曲线。可知，当Fr=3.713时的重心处垂向加速度最大幅值比其他2个速度都大，这与观察到的该试验速度下的艇体剧烈运动现象相吻合。图10为垂向加速度随遭遇频率的变化规律。可以看出，低频段不同速度下垂向加速度值很接近，随着速度增加垂向加速度峰值向高频方向移动，越过峰值后的垂向加速度与遭遇频率呈较好的线性关系。

2.2.3 波浪阻力增值结果分析

滑行艇在波浪中航行时，艇体在波浪作用下，产生周期性的摇荡运动，导致滑行艇所受力情况比静水复杂得多。作用在艇体上的波浪力可分为绕射力和因艇体摇荡而产生的辐射力。在相同航速下，艇体波浪中航行所受的平均阻力较静水阻力有所增大。阻力增幅的计算方法为：相同速度下，波浪中平均阻力与静水阻力之差除以静水阻力，即

$ {\rm{\eta }} = \left( {R{t_{av}} - R{t_{js}}} \right)/R{t_{js}}{\text{。}} $

(2)

式中：η为阻力增幅； $R{t_{av}}$ 为波浪平均阻力； $R{t_{js}}$ 为静水阻力。

图10与图11给出了不同航速下阻力平均值和波浪阻力增幅随着波长的变化曲线。分析发现，在船体运动响应较大时，阻力平均值和阻力增幅也会相应有峰值，这是因为阻力增值的主要由绕射增阻以及辐射增阻组成，船体运动响应较大时对应的辐射增阻也会相应增加。从图中可以看出，不同速度下阻力平均值随波长变化趋势相近，阻力均值与速度呈线性关系。同一速度下，试验波长的增大，阻力先减小后迅速增大达到阻力峰值后减小，但当波长增大到大于7倍船长后，继续增大波长对阻力平均值影响不大。

图11同时给出了某典型的带舭部折角线的深V型滑行艇的波浪阻力增幅曲线，对比可以发现，开发的新型滑行艇的阻力增值较常规深V型滑行艇小，阻力增值的优势尤其体现在：当Fr>3滑行艇进入滑行阶段后，阻力增幅不随速度增大而增大；当滑行艇在长波中高速滑行时，阻力增幅比在低速航行更小，因此该艇在波浪中航行时相较常规滑行艇有更好的阻力性能。

2.3 不规则波试验

图12～图15为不同速度下纵摇和垂荡响应随体积傅氏数和有义波高的变化曲线。分析发现，垂荡响应和纵摇响应随航速和有义波高增大而增加，垂荡响应与航速与波高具有较好的线性关系，纵摇响应航速与波高具有弱非线性。

3 结　语

本文通过分析滑行艇在波浪中的运动的试验数据和试验现象，得到以下结论：

1）λ/L=5（遭遇周期 ${\omega _e}$ =6.72）时艇体出现剧烈的运动响应，有抨击和出水现象，在航行过程中应该尽快加速避过该频率段。

2）与传统深V滑行艇运动对比后发现，短波中，该滑行艇具有更小的运动响应；滑行艇阻力增值相较于深V滑行艇有所减小，在高速航行时和长波中阻力性能更好；随着速度增加垂荡响应峰值、纵摇响应峰值和垂向加速度峰值都向高频方向移动；高频时，加速度与遭遇频率呈较好的线性关系。

3）不规则波试验中，垂荡响应和纵摇响应随航速和有义波高增大而增加，垂荡响应与航速与波高具有较好的线性关系，纵摇响应航速与波高具有弱非线性。