今日观点!气垫船原理是什么?气垫船的另类应用有哪些?

气垫船原理（气垫船的另类应用）

我们印象中的破冰船，往往都是基于排水型船设计的专用船舶。它的工作原理是：在冰层厚度不超过1.5m时，采用“连续式”破冰。在螺旋桨强大的推力下，利用破冰船头的特殊结构连续破冰前进。当冰层厚度超过1.5m，“连续式”破冰难连续前进时，则采用“冲撞式”破冰。破冰船先向后退至离冰层2~3个船身长度的距离处，然后再加速前进，依靠船舶自身的惯性以及船头的特殊结构冲上冰面，利用船头的重量去压碎冰层；然后重复这一过程，周而复始，慢慢前进。

【资料图】

破冰船独特的船艏

然而，在1971年的一次极地科考活动中，加拿大科研人员在使用气垫船运输设备时，无意中发现了气垫船也具有破冰功能，这像是给破冰船的研究打开了新的大门，迅速引起近北极国家的高度重视。为此，加拿大、俄罗斯、美国、芬兰等国先后开展了有关于气垫船气垫破冰原理研究。在大量的试验及实船测试下，证明了气垫船气垫破的可行性，同时也积累了大量的设计实践经验，为后期专用气垫破冰平台的开发打下了扎实基础。

气垫船正在破冰（动态破冰）

应用与破冰的气垫船都是全垫升式气垫船，也就是我们常看到的，底部有一个形似“大轮胎”的气垫船。它的原理是：利用大功率风扇向船体底部快速压入大量空气， 经过加压的空气在底部的“围裙”内形成气垫将船体托起，从而使船体悬浮在运行表面之上。由于全垫升式气垫船是悬浮于运行表面，因此航行时的阻力非常小，使得它能达到排水型船无法企及的航速；此外，悬浮的特性也使其具有优异的越障能力和两栖能力。而气垫船的破冰能力，也正是基于气垫的基础上。

全垫升式气垫船

至于气垫船是如何破冰的，归结起来可以认为是：气垫船通过底部动力气垫与水耦合作用所产生的兴波来实现。而气垫船的破冰模式，则有低速和高速两种，也称静态破冰和动态破冰。

冰面静态破冰原理：

全垫升式气垫船（平台）在全垫升状态下依靠自身动力或被母船推动，逐步低速接近冰层。此时，气垫在水面产生的兴波随船不断前进，由于兴波传递的速度大于船速，因此在船还未到达冰层时，兴波已先到达冰层下方。兴波在进入冰层下方时，会将来自动力气垫的气流导入冰层下方，在冰层下方形成气腔，从而使局部冰层失去支撑，产生悬臂梁效应。此外，继续向前的兴波会在冰层下方形成反射波，与新形成的兴波耦合产生的气腔周期性波动。当波动频率接近冰层固有频率时，会引发冰层发生共振，产生破坏。在冰层自重重力以及上下表面压力形成的弯曲力矩的作用下，冰层断裂，从而达到破冰的目的。

低速气垫破冰原理示意图。图片来源：《极地气垫破冰/ 运输平台破冰机理和关键技术》

冰面动态破冰原理：

全垫升式气垫船在冰面航行时，底部的气垫会对冰层上表面施加移动载荷，并在冰层表面形成动态应力变形船行波。而当气垫平台的航行速度与冰面变形波的速度一致时，意味着冰层内累积的波形能量传播速度与气垫平台的航行速度一致，这将导致冰层内累积的能量无法离开气垫载荷辐射出去。这样，在气垫载荷连续兴波作用下，冰层能量不断的累积，其波动变形的幅度不断增加，冰面兴波的波倾角也迅速增大，从而产生聚能共振增幅效应，导致冰层内应力不断增加。当冰层的共振增幅超过极限应力时，冰层将发生破裂，从而达到破冰的目的。

高速气垫破冰原理示意图。图片来源：《极地气垫破冰/ 运输平台破冰机理和关键技术》

参考文献资料：《极地气垫破冰/ 运输平台破冰机理和关键技术》《气垫船》《高性能船原理与设计》《气垫船破冰机理分析及临界航速估计》《气垫船原理与设计》《破冰船压载水调驳辅助破冰技术》

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