0 引　言

三体滑行艇是一种机理较为复杂的滑行艇船型。目前，关于三体滑行艇的国内外研究并不少，均围绕数值模拟开展，相关的船模试验资料较少，尤其是操纵性试验。三体滑行艇的槽道构型与地效应船的翼型相差很大，槽道内的空气流动与机翼附近的绕流也存在较大差异。对槽道的气动特性进行估计，由于无法直接应用机翼的地效应试验资料，加之水动升力仍是三体滑行艇主要的支撑力，因此对该船型进行的水动力研究多以船模试验和数值仿真为主。

关于三体滑行艇的研究最早见于对滑行艇螺旋桨的改造中，槽道被增加到艇底包围螺旋桨及桨轴，以减少船体吃水和螺旋桨噪音，后来为了改善整体性能被拉伸至贯穿艇体^[1]。

相比国外，国内对于三体滑行艇的研究起步较晚，苏玉民等^[2]、邹劲等^[3]都对三体滑行艇进行了相应的船模或实船研究，发现其阻力曲线呈双峰值，探讨了重心位置、片体及槽道几何参数对其阻力的影响。相应的数值分析技术随着计算机水平的提高得到了推广，王硕等^[4]、孙华伟^[5]、史圣哲等^[6]对三体滑行艇开展了数值分析，通过对阻力、姿态特性与试验数据相比得到了数值分析的可行性结果；其后，Du等^[7]、Jiang等^{[8 − 10]}则在其基础上开展了机理性研究，并对其设计提出了开创性建议。

1 总体方案

本文中三体滑行艇在完成基本设计后，在中航工业第六〇五研究所高速水池完成了船模试验，船舶试验模型如图1所示，该模型与实船尺度之间的缩尺比为4.4，具体参数如表1所示。

三体滑行艇艇体分为主船体和2个细长的侧片体，主船体和侧片体中间为槽道部分。主艇体整体上类似单体深V滑行艇，龙骨线从船首延伸至船尾，后艇体呈棱柱体艇体。主体底部沿着船体延伸方向设置对引气槽，通过引气槽将底部滑行面设置的2对断级与首部进行通气以改善断级性能，船中处斜升角为13°。

片体和主体之间以槽道相连，片体和主体的壁面及槽道顶面共同围成槽道壁面。片体较主艇体较细长，从船中处开始延伸至船尾，呈现喇叭口式外形，在三体滑行艇高速航行时，可以捕获吸收主艇体两侧的来流，并在槽道内部通过积累压缩形成气垫效应，提高了三体滑行艇的适航性。

为了进一步验证三体滑行艇艇型的优势，对三体滑行艇按照设计尺度完成了建造，其船体通过上下层分别完整制作模具脱模形成，船体船材为复合材料，铺层采用碳纤维，芯材使用复合泡沫，完成上下体铺层后真空凝胶后脱模完成组装，加工过程如图2所示。

三体滑行艇通过2台高速柴油机和表面桨驱动，通过水平布置与主机输出轴同心的齿轮箱连接，其总布置图如图3所示，总体分前驾驶室和后机舱，考虑到油箱重量对姿态影响较大，油箱设置在重心上。

表面桨在水平调节舵角的同时也可以调节俯仰角度以更快速地达到滑行状态，通过机桨匹配可达到0.6以上的敞水效率。该艇的主要设备参数如表2所示。该滑行艇尺度及基本参数如表3所示，实艇如图4所示。

2 试验内容及结果 2.1 快速性试验

船模在水池中通过拖车模拟直航航行，其中仅只开放轴移动及轴旋转两自由度，通过测力计、角度及位移传感器得到船模各航速下的拖曳阻力、升沉及纵倾角（在对滑行艇进行考察时一般按照体积傅汝德数来判定滑行艇航行状态，$ {F_{{r_\nabla }}} = V/\sqrt {g{\nabla ^{1/3}}} $），其试验结果如图5及表4所示。

图6为不同航速下模型试验的试验现象。可知，三体滑行艇在低速及高速均存在着阻力峰的问题，整个航速分为排水、半排水以及滑行3个阶段。排水阶段即航速较低的阶段，三体滑行艇处于排水状态，随后开始滑行状态的转换过程为半排水阶段，在航速较低的阶段其主要动力来自于主艇体的水动力支持，随着航速增加，大量空气被压缩进槽道内与槽道内水相互冲击形成汽水混合物抬升整个船体，此时由于空气动力的产生，整体航速被极大提升，这个过程被称为起滑，达到滑行阶段^[11]。

起滑阶段的阻力峰比高速阶段的阻力峰更为难越过，起滑需脱离水面，这过程需纵倾角、升沉等运动参数配合，槽道内需吸入足够的空气才能提升船体从而减少船体与水面的接触以及产生的阻力。其纵倾值也是在起滑阶段达到最大值后迅速下落至一个较为平稳的状态，在高速航行时船体基本保持水平。

2.2 操纵性试验

对于操纵性而言，船模试验和实船实验相差较大，尤其是对能滑行艇来说，其中的气动升力所带来的影响不能通过水池试验预见，该艇通过实船试验开展了其相关试验，快速性试验于太湖完成，试验海况为2～3级，波面有时可见白浪花，其中一些地方形成连片的白浪花，微风，操纵性试验于大连完成，试验海况为3级，波面有白浪花。

操纵性试验最主要的内容是回转试验和Z形试验，回转运动可以按照状态分为转舵阶段、过渡阶段和定常阶段。其中，回转试验中需要记录船舶回转轨迹，从而确定船舶回转时的各要素，包括回转直径、战术直径、纵距和横距，如图7所示。

回转试验通常用全航速在最大舵角及15°舵角，分别左、右舷进行回转操纵达到540°艏向角变化，测量其回转圈。由于螺旋桨尾流的作用，左舷和右舷回转试验所测的回转圈大小是有些差别的。除进行全航速时的回转试验外，宜另加中速和低速的回转试验。

船舶实际在航行过程中全回转的工况不是很多，通常需要不停的左右小角度操舵来保证直航稳定，滑行艇在航速较高的情况下，通常是以2°为主要操舵单位不停操舵保持，Z形操纵与全回转试验的试验数据基本可以对研究对象的操纵性能有一个完整的掌握，Z形操纵试验时，船舶首先在直航至稳定状态时，开始第一次操舵，按照预定舵角操舵，待艏向角到达预定舵角时开始第二次操舵，如此反复，直到完成5次操舵过程，如图8所示。

作为Z形操纵试验的最简单分析，是直接从记录曲线上比较有关的操纵性特征量，通常选用超越角和转艏滞后，超越角用Ψ_0v来表示，它是操反舵的瞬时艏向角和最大艏向角的差值，可以作为衡量船舶是否易于转向的一个总量度。超越角Ψ_0v、Ψ_0v1，尤其是第一超越角在船舶实际避碰机动中有重要意义。转艏滞后T_L表示恢复到正舵时刻到最大转艏角瞬时的时间间隔，意味着在零舵角之后出现零角速度的时间滞后。

在做三体滑行艇实船实验时由于工作条件受限，航速过高危险性较高，只得到了20 kn航速相关数据，包括回转试验的部分回转曲线以及Z形试验的部分曲线，但可根据其初始状态对整个运动状态乃至高速阶段进行预测提供参考依据。

2.2.1 回转试验

对20 kn的3个舵角进行了回转试验，其中5°和10°舵角完成了良好的回转，其轨迹如图9所示。

2次回转的操纵性参数记录如表5所示。

继续在进行15°舵角回转的过程中，三体滑行艇初始迎浪航行开始回转，在艏向角回转至90°时即横浪情况下发生了骑浪现象，国际海事组织（IMO）于2008年分别给出了船舶5种稳性失效模式的衡准计算方法，即参数横摇、纯稳性丧失、瘫船稳性、骑浪、横甩和过度加速度，骑浪横甩时常发生在尾斜浪时波浪的下坡处，此处船舶将受到较大的艏摇力矩，由于剧烈的艏摇运动而产生的离心力可能导致船舶倾覆，特别是对于小型船舶或高速船舶是一种潜在危险^[12]。其轨迹记录如图10所示，其数据按照表6所示方式记录。

在实际海试过程中，在船首保持舵角转至尾随浪的情况下，三体滑行艇出现了随波的情况，其过程中感受较明显的是出现了大幅度的纵倾及升沉变化，在一瞬间船体出现埋艏现象，随后伴随砰击保持随浪前行，且期间驾驶员表示舵力桨推力表示出“使不上”的情况。

2.2.2 Z形试验

Z形试验按照前文中的设置进行，工况设置为15°/15°的操纵舵角，其轨迹及艏向角如图11所示。其操纵性参数记录如表7所示。

3 试验结果分析 3.1 快速性船模及实船试验对比

通过快速性实船试验中的直航试验考察探究三体滑行艇的艇型性能和越峰能力。相对于其他艇型，三体滑行艇的越峰能力非常关键，因为在越峰后会呈现滑行状态，此时阻力最小，滑行状态达到稳定性，该阶段为三体滑行艇的最佳工作工况。

主机功率及扭矩与转速之间的关系如图12所示，直航试验数据按照转速给出，为了后文中的对比分析及工况设置，本实验孤立的将表面桨俯仰角度作为考察对象，按照不同表面桨俯仰角度设置进行直航，具体试验数据如图13所示。

其中，试航阶段也有表面桨俯仰值为正值工况，其各工况均未越过低速阻力峰，且可从航速图看出，随着表面桨纵倾角度提高起滑的所需功率也在进一步减小，船体的升沉、纵倾峰值也出现在低速峰阶段，其现象与船模试验较为吻合，随着表面桨的调节，在低至6°时再调节表面桨就无明显的收益现象出现。同时与水池试验进行对比，选取表面桨调节最大值工况进行对比，其中航速换算为体积傅汝德数，阻力换算为无因次，升沉值按照缩尺比换算一致，其结果如图14所示。

三体滑行艇在进行直航时，低速阻力峰对其影响较大，在处于过渡阶段时，起滑所需的提升力仅靠槽道内的汽水混合物及艇底气泡等气动升力支撑是不够的，需要通过调节表面桨俯仰值或者改变船体姿态等措施来配合越峰，其直航操纵性在设计工况下不是仅和功率有关，关键点在于提供足够的气动升力，脱离水面的过程需要动力和运动姿态同时达到要求。

从阻力对比上看，低速阻力峰发生航速均保持一致，实船在表面桨调节俯仰值的情况下明显降低了阻力峰值，整体趋势较为吻合，但由于三体滑行艇在越过低速峰的瞬间由于阻力值突然大幅度下降，船体纵向加速度变得极大，从越峰到高航速时间很短，对于其间的实船实验记录点较为少，对于细节无法具体捕捉，这也是对三体滑行艇直航操纵的一个特性，需要通过姿态保持该阶段的航速。对比起姿态来看，纵倾值由于中间记录点缺少的情况下出现较大误差，但在越峰及高速情况下也得到了较为吻合的试验结果。

水池试验不同于实船工况，在较为平静的水面，波浪影响不大的情况下，运动姿态按规律随着航速变化，但该参数容易受到外界环境影响，因此在实际海况中试验数据总体趋势与船模试验保持一致，但在峰值上确有不同。

3.2 不同船型的回转衡准对比

三体滑行艇在航速上较常规滑行艇有优势，但其操纵性能并未发现有相关数据或者比较内容，通过三体滑行艇的操纵性实船实验对该艇的操纵性能有了初步掌握，以下对不同船型的操纵性按照相同衡准进行对比以说明三体滑行艇的操纵性能相对水平。

按照实船试验航速，该航速下三体滑行艇体积傅汝德数为2.37，考虑到相关文献较少，需选取与三体滑行艇类似的工况进行对比，选择与文献[13]中的数值结算结果进行考察，该文献通过数学模型运动求解的方法对一单体深V滑行艇操纵性进行了研究，该滑行艇排水量为4360 kg，艇体长6.15 m，宽2.15 m，在文章中记录了5 m/s工况下的10°喷泵舵角数据，其体积傅汝德数为1.25，较三体滑行艇工况来说其航速较低，其轨迹通过与船长比进行无因次化，其结果如图15所示。

从整体来看，三体滑行艇和单体滑行艇在保持相同舵角时，三体滑行纵距在16倍船长左右，而单体滑行艇在14倍船长左右，战术回转直径则都保持在15倍船长以内，但是单体滑行艇体积傅汝德数仅为三体滑行艇试验工况的一半左右，这也说明该航速下三体滑行艇的回转性能是优于单体滑行艇。

同时考虑排水型船，参考5415公布的试验数据^[14]，其傅汝德数为0.41，舵角为10°的工况与两类滑行艇对比，其回转轨迹如图15虚线所示，可以看到滑行艇的回转特性不同于常规船，由于航速过高回转均会有一定纵距，而传统排水型船则相对较小，单体滑行艇和5415在傅汝德数相差不大的情况下，其回转半径要略大于5415，但考虑5415的设计船长为142 m，对于该航速下完成一个回转半径，其回转速度和滑行艇完全无法相比，对于需要快速避碰、回转反应的作战情况下，滑行艇则更为适用。

4 结　语

1）三体滑行艇由于其独特的双阻力峰特性，相对于高航速（傅汝德数大于7）的阻力峰，低航速的阻力峰则更为关键，通过调节表面桨俯仰值，可以加快起滑的航速点，对本文中的三体滑行艇尺度，实船俯仰值在6°时最佳，继续增大俯仰值并不会继续减小起滑航速。

2）通过试验发现，在相同舵角，三体滑行艇体积傅汝德数在超过单体滑行艇一倍的情况下，单体滑行艇和三体滑行艇的回转无量纲衡准相差不大，仅在纵距上较单体滑行艇相差2倍船长，该航速下三体滑行艇的回转性能优于单体滑行艇。