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小水线面双体船的发展与前景
大连海洋大学
12-1
班
摘
要
：
小
水<
/p>
线
面
双
体
船
的
优
良
性
能
在
近
些
年
里
得
到
验
证
和
发
展
，在
特
殊
作
业
和
高
舒
适
性
上
已
经
得
到
认
可
。
据
< br>不
完
全
统
计
，
截
止
2
000
年
末
，
全
球
已
建
成<
/p>
的
小
水
线
面
双
体
船
为
57
艘
，
小
水
线
面
< br>双
体
船
的
发
展
有
足
够
的
市
场
和
潜
力
。
引
言
近年来
，
随着海上运输方式的多样化以及人类对海洋资源的积极开发，
对船舶性能的要
求也逐渐发生变化。
就海上运输来说，
由过去只注重载荷性能和静水中快速性能而一味追求
大型化和高速化的倾
向，
转为注重提高船舶在波浪中的性能。
在客渡轮方面，
为实现定期航
行、高效运输以及舒适乘坐，提高船舶的耐波性和节能被
摆在重要位置；在海洋开发方面，
为了能在高海情下的广阔海域进行海洋调查、
观测、
作业以及海洋平台输送人员等，
迫切需<
/p>
要在波浪中具有较高安全性、
稳定性和舒适性的多用途船舶；
在军舰方面，
为了使舰艇在宽
阔的海域和恶
劣的海情下执行任务，
也迫切需要有波浪中能达到高性能要求的舰船。
< br>小水线
面双体船
（
small
water-plane-area twin hull
，
SWATH
）
正是这样一种耐波性能极其优良，
中、
高速下阻力小，甲板面积相当宽阔，可以完成多种使命，满足各种航海要求
的新船型。
小水面双体船又称为半潜式双体船
（
semi-submerged catamaran
，
SSC
），
其设计概
念
1905
< br>年由美国人
Nelson
提出
，
1932
年
Faust
提出了
SWATH
船的初步
设想、，
1946
年
加拿大人
Creed
、
1967
年美国人
Leopold
进一步予以完善并申请专利。这些设计
在低速和中
速时性能是较好的，但是都没有解决纵向运动稳定性这个航行安全至关重要的
问题。
1971
年兰
Lang
提出了一个接近于现有小水线面双体船的设计方案，他用一根翼型剖面的横梁将
< br>两个片体连接起来，并借此保证船的纵向运动稳定性。
1973
< br>年，世界上第一艘小水线面双
体船
“卡玛林诺”
号与此方案十分相似。
一些近海的半潜式钻井平台的设计也应用了小水线
面双体船的概念
“卡玛林诺”号和“海鸥”号（标题）
1969
年开始，美国海军船舶研究与发展中心
DTNSRD
C
和美国海军船舶工程中心
NAVSEC
进行一系列小水线面双体船的性能研究和方案设计工作。与此同时，美国的一些
大学和
私营公司做了不少小水线面双体船的研究工作，
在这些研究成果的基础上，
美国海军
水下中心
NUC
于
1970
年开始了第一艘小水线面双体船的设计并于
1972
年在马里兰州柯蒂
斯海湾的海岸警卫队船
厂开工建造。这艘双体船总长
26.80
米，甲板长
23.43
米，宽
19.27
米下部主体长
24.93
米直径
1
.98
米，吃水
4.65
米，排水量<
/p>
190
吨（
1976
年改装后排水量增
至
217
吨）有
效载荷为
30
吨（改装后增至
50
吨），每一片体有二个支柱，支柱和主体用钢
建造而横向连接桥的材
料为铝，该船设计航速为
25kn
，由两台安装在连接桥两侧的
燃气轮
机通过链传动装置驱动，
二只装于主体后的螺旋桨推动前
进，
主机功率为
3090KW
，
该船是
作为海军支援船设计的，
于
1974
年服役。
1975
年，
在夏威夷进行的一系列验证性实船试验，
内容包括：结构
应力测量、测速试验、回转、振动、波浪上的运动测量的重要项目。
< br>上世纪
70
年代，日本三井造船公司在小水线面双体船性
能及应用前途的研究工作取得
引人注目的成果。
三井公司是于<
/p>
1970
年开始小水线面双体船的开发研究的，
< br>可分四个阶段。
第一阶段从
1970
年至
1972
年，
主要从事基础研
究。
第二阶段从
1973
年至
1975
年，
期间对
排
水量为
400t
和
2000t
的小水线面双体船进行了可行性研究，并完成了部分流体动力性能
方面的
模型试验工作。在这一阶段的研究工作的基础上，三井公司选定了排水量为
400t
航
速为
25kn
的
小水线面双体船作为进一步研究的对象。
第三阶段从
1976<
/p>
年至
1978
年。
期间，
三井公司对上述选定方案船的流体动力性能、
结构应力
、
推进系统、
运动控制系统和船的总
体
设计进行了深入的研究。同时，作为开发研究工作的一环，
开始了中间型试验艇
“海上能
手”号（
Marine Ace
）的设计与建造工作。该艇长
12m
，为双支
柱片体，全铝结构，与
1977
年
10
月完工，随即便开始了广泛的实船试验研究，后来该艇改建成单支柱片体后也做了各
项实船试验研究，用来比较单、双支柱片体对流体动力性能的影响。第四阶段开始于
1979
年，主要的开发目标是：在“海上能手”号成功的经验的基础上
，研究
446
客位的小水线面
双体客运
渡轮。该船全长
36m
，最高航速为
2
6.5kn
，设计要求能在有义波高为
3.5m
的海况
下航行。
1979
年<
/p>
1
月该船下水，
同年
8
月完工，
9
月份开始进行了全面
的海上试航，
目的是
为了验证以理论方法或模型试验为基础的性
能预报。
该船后来被命名为
“海鸥”
号
（
Sea Gull
）
，
自
1981
年
2
月至
1982
年
7
月共航行了
4000nmile
，仅
6%
的航次停航。“海鸥”号具有良
好的耐波性，
例如从
1981
年
8
月至
1982
年
2
月间，
经统计，
旅客中因船摇摆而晕船呕吐者
只占旅客总数的千分之二。良好的耐波性也
提高了船员的工作效率和减轻了他们的疲劳。
这两艘船的成功
引起了世界各国对小水线面双体船的重视，
80
年代开始欧洲的
一些国
家如英国挪威、英国、意大利等也开始设计了各种用途的小水线面双体船。
小水线面双体船的主要优缺点（标题）
<
/p>
小水线面双体船，
以深置水下的双下片体，
连接上体和下体的小水线面的双支柱，
宽敞
的高出水面的上船
体三部分组成。
优点
1
在高速航行时的静水阻力性能好。
常规的排水量型单体船当傅汝德数超过
0.45
之后，
急剧增加的兴波阻力是继续提高航速的主要障碍。
小水线面双体船因为排
水量集中于距水面
深处的主体，
水线面积大为缩小，
有效地降低了兴波阻力，
使其航行速度所对应的傅汝德数
< br>可提高到
0.7~1.0
。
<
/p>
2
推进效率高。小水线面双体船螺旋桨轴线沉深较大；桨径受限较
少，可采用直径较大
的螺旋桨。
再加上桨盘处伴流均匀而丰满，
船身效率较常规船要高。这样，
小水线面双体船
的推进系数一般
均可达
0.7
以上。
3
耐波性能优异。在波浪中运动的幅值和加速度均大大小于相当排水量的单体船
（“卡
玛林诺”号和“海鸥”号在航速为
24kn
时，铅垂向的运动加速度均小于
0.1g
。这是标志
船
员工作效率是否降低的一个重要指标）；垂荡、纵摇、横摇运动的自然周期较长（“海
鸥”
号在航速为
24kn
时，以各种航
向在
4
级海况下航行时，其横摇仅为长度相近的常规单体船
的
1/4
；在波浪中失速小（排水量在
250t~400t
的
SWATH
在
5~6
级海况下仍能保持接近设
计航速航行，
而相当排水量单体船在
5
级海况下航速的下降幅度已经很明显了；
比较易于使
用较小面积的鳍消减纵摇
（
SWATH
因为水线面积小而且水线长度小，
故引起纵摇的波浪扰
动力较小
，可以利用稳定鳍消减其纵摇运动）。
4
具有宽广的甲板面积和充裕而规整的使用空间，有利于总体布置。
5
低速时，船的回转性好；航向稳定性不论低速还是高速都很好。
6
船体表面外形简单，主体和支柱几乎是二维曲面
，建造加工方便，降低建造成本。
7
具有较强的生存能力：完整和破舱状态下的稳性好，两套主辅机增加了可靠性，水下
主体
采用水密分舱和压载系统连接桥提供较大的储备浮力。
缺点
1
摩擦
阻力较大与相当排水量的单体船相比，
SWATH
的湿表面积大
约
70%
，低速时静
水阻力较大。加上
共四个稳定鳍及其他附体，致使船的阻力增加。
2
吃水小于相当排水量的单体船，当船的吨位增大时，有可能受到航道及船坞的限制。
3
四个稳定鳍及其控制系统增加船的重量和建造成本
，给设计工作带来新的内容，对设
计人员素质要求高。
4
水线面积小，每厘米吃水吨数
TPC
很小，载重量变化使吃水变化十分敏感：设计及
使用过程中，
要求船的重量及其分布精确控制，
需要设置类似潜艇所设的压载调整补偿
系统；
破舱后小水线面双体船浮态相当恶劣。
5
回转半径大：但相当排水量时，小水线面双体船船长比单体船小约
70%
，所以回转半
径可以接受的。
6
对小型小水线面双体船来说，主机安装在连接桥
两侧，传动装置复杂且昂贵，推进器
机械效率低，船体内布置造成困难。
7
舾装辅机设备内容多，要求高，重量大。
8
造价高。
由于上述
原因，
SWATH
无论从船体结构、
主
机
-
推进系统、
辅机、
设备系统、
仪器等方面都比单体船复杂、技术要求高、数量多。因此
SWATH
的造价比较高。
综合小水线面双体船在性能、
使用和造价等方面的优缺点，
可以看出，
这种船型的优势
在于其优异的耐波性、
宽阔的甲板面积和充裕的使用空间；
其不足之处也许是它的船体结构、
设备复杂而且重量较大，
以及由此而导致的一系列问题。
因此，
小水线面双体船目前主要被
应用于那些吨位不
大而又耐波性要求特别高的船，如海洋水文调查船、客运渡轮、平台
-
< br>岸
基交通艇及军用辅助舰艇。
随着其性能的进一步提高和
一些可能遇到的技术、
经济问题的解
决，
一些吨位更大、
性能指标更高的小水线面双体船可望在不久的将来能设计建造，
其应用
的领域亦将不断扩大。
小水线面双体船的主要用途（标题）
目前
,
小水线面双体船在军民领域都已经有了广泛应用。国外主
要将这种船型用于承担
紧急海事救难
,
持续巡逻执勤
,
海关缉私、港监引水、渔政海监、潜水打捞、油
井守护、交通
等海上特种作业
,
开展海
洋考察、水文测量等调查研究工作
,
执行水声监听、反水雷试验
、隐
身演示等军事任务
,
开创海峡岛陆
间的轮渡航运、观光旅游、海上娱乐等产业降。总体来看
,
小水
线面双体船目前的应用趋势是以民为主
,
兼顾军用。
1
军用：水声监测船、综合演示舰艇、试验船、
军用巡逻船、运输支援船。
2
军民：水文测量船、综合科考船。
3
民用：客运、旅游、海上供应服务，引水补给、港务、海事服
务，海洋监测。
世界各国发展小水线面双体船的基本概况与趋势（标题）
从
70
年代初至
2
000
年末，世界上有
12
个国家已经
开发和拥有小水线面双体船共
57
艘。
其中美国有
26
艘，
日本有
14
艘，
是开发最早、
拥
有量最多、
技术水平最高的两个国家。
德国有
< br>4
艘、英国有
3
艘。荷兰、挪威
、芬兰、韩国、丹麦、瑞典和俄国
7
个国家各有
1
艘。到
2000
年末中国引
进、自制各
1
艘，
2001
年还能完成自制
1
艘，将共拥有
< br>3
艘。世界
上小水线面双体船按开发应用年代划分，
70
年代仅有
4
艘
，
80
年代有
15
艘，
90
年代骤增
为
38
艘。
有
9
个国家都是到
90
年代才投入开发或完成建造的。<
/p>
在
20
年代后期的三十多年，
SWATH
经历
12
个标
志性的发展达到现代先进成熟的水平。
第一、
美国海军水下中心在经过
18
个月的研究和约
30
个月的设计和船模验证试验，
于
1972
年
6
月开工建造
卡玛利诺
号小
水线面双体海洋靶场勤务保障工作船，
1973
年
3
月下
水，
10
月开始试航。随后经过
20
个月
< br>238
个航次的全面科研考核性试验，可在
2
米浪高条
件下，
顺利起降直升机，
既证实了优秀的耐波性和全海候、多功能的特色，
又积累了大量实
测数据为以后小水线面双体船发展打下技术基础。
从那时起，
SWATH
作为小水线面双体船
的缩略语，被美海军权
威技术人士肯定，并认为这一称谓比
半潜双体船
（
SSC
）更利于推
广应用，也从概念上有别于常规双体船。
第二、日本
1976
年建成
18
吨、载
20
客的试验
艇
海上能手
号
。
1979
年建成世界上第一
艘商用<
/p>
MESA80
型陆岛间小水线面双体客渡船
海鸥
号，载客
446
位，航速
26.5
节。采用<
/p>
左右单支柱，共有
4
个可控水平稳定鳍。
稳定高速营运海况达到有义波高
3.5
米，
4
级海况
时失速仅
2%
。十年后
1989
年交付更加完善成熟的
海鸥
-2
号
，航速提高到
30
节以上
，仍
采用可控鳍，
开创了稳定高速高耐波的陆岛间客渡航线，<
/p>
已持续经营十余年。
与之同期英国
在
1989
年造成的
帕特里亚
号高速小水线面双体客船，
以
不采用鳍翼控制装置能在
30
节条
件下
稳定航行而著称，但据说因为出现艇体振动等情况，使营运不够正常。