气垫船和水翼船

气垫船和水翼船 为了开发海洋，我们必须有新颖的航海工具，气垫船(air cushion vehicle)和水翼船(hybrofoil craft)就是目前最具潜力的航海工具(传统的船只，船底浸于水中，因为水的阻力过大，所以只能以20,30节的速度行驶，但气垫船和水翼船则不受此限制，其航速可达一百节或一百节以上( 远在1716年时，瑞典的科学家兼哲学家Emanuel Swedenborg就提出气垫船的构想，但直到1935年，才由一位芬兰工程师Toivo J. Kaaorio研制成功，气垫船的原理是:使水面和船底之间，产生一气垫，将船只托离水面，藉以消除水的阻力(只要气垫中的气体量维持一定值，船身就可以维持一定的高度(气垫船除了可航行水面以外，在沼泽、泥地、冰面等地表上都可以行驶( 如果气垫船遇到高于船身的海浪，将作何处置呢,目前有二种解决的办法，但均不甚令人满意(其一是船只减低速率，改为普通船的行驶方法(其二则是维持原有的高度、顺着波浪的起伏行驶( 目前产生气垫的方式有两个系统;第一个可比喻为一口倒置的浴盆，浴盆的上端有一个孔，孔中置有扇叶，藉扇叶的转动，将气体压入盆内，托起船只，此法的最大缺点是气体容易外泄(另一种被广泛采用的方法是:并不将气流压入盆内，而将气体引入围绕船身的沟槽内，沟槽曲向中央，故气体不易漏失( 喷气口周围，覆上一圈柔软的裙缘，除了它可以阻止气体逸失以外，同时有利于在波涛汹涌的海上航行;当穿过小浪时，浪花仅刷过其外缘，当巨浪高于船身时，则藉裙缘之助顺着波形航行( 气垫船船身的大小和举起船身的动力间有其直接的关系，若船的长和宽加倍、欲维持同样的高度，则动力亦需加倍，但载货空间则四倍于初(因此船只愈大，则动力的利用亦愈益有效( 一艘五千吨的气垫船，在比较平静的水面可以100节速率行驶，在8呎浪高之水面以70节速率航行而在30呎浪高时则以40,50节速率行驶( 由于气垫船的发展，将来输送货物的速度将为目前的五倍，而运费仅较目前多一点点而已(对客运来说，也极为适切，至时航渡大西洋只要24小时就够了( 下面是美国海军LCAC型气垫船以及其在陆上行驶的图片 美国海军LCAC型气垫登陆船航行中 美国海军LCAC型气垫船满载上岸 美国海军LCAC型气垫船陆上行驶 水翼船，顾名思义这种船在船身之下附有水翼(1738年，一位瑞士数学家Daniel Bernoulli，在研究运动中的流体时，想出了水翼船的原理(流体的流速愈快，则施于两旁的压力愈小，这就是著名的Bernoulli氏原理(飞机和水翼船即本此原理，不过所处的流体一为空气一为水而已(水翼船装在船身下的水翼，其形式和机翼一般，上下二面均有曲度;上面弧度较大下面接近直线，当船运动时，由于翼面上之流速较翼面下之流速为大，依Bernoulli氏原理产生一向上之升力，将船身托出水面，消除大部份水的阻力，使船只可以高速航行(水翼一般有穿水阶梯式水翼、穿水式水翼和全浸式水翼三种( 水翼船在航行时，为了适应来袭的波浪，可调节其升力之大小，未免发生坠船(sea crash)的危险，解决之道有下列诸法其一为改变水翼面积;当船稍向下倾时，由于浸于水中之翼板面积也同时增加，产生较大之回复力，而使船身趋于平稳(其二为控制冲角，若翼板相对于船身的角度增加，则相对于水的冲角亦随之增加，且知此度未达15度之前，翼板之升力将随角度一齐增加(使船上升同时也可以藉控制左右两边的水翼，造成两边之升力不等，使船身易于转弯(欲控制冲角有触臂机械预告、音波和电子预告数种(触臂可以觉察来袭波浪的状况，经由传达装置控制翼板的冲角，且触臂有一重要特性，即其绕转钮的运动，受吸震器(shock absorbers)或阻滞器(dampers)的强力约束，具有很大的惯性，因之不易跳动(特别是朝上)(所谓音波和电子预告，即在船首设置了探测器，将结果交由计算机处理，而发出讯号控制水翼( 水翼船的另一问题为空蚀(cavitation)现象(当水翼船以50,60节的速率行驶时，翼板上方的压力变得非常低，因而产生了沸水问题(蒸汽泡在翼板上方爆裂，结果不仅升力丧失，且易使金属腐蚀(为了克服此一障碍，者试验了超空蚀翼板，其外形像一把斧头，使汽泡延伸至翼后崩溃( 翼板必需很轻以符合经济上的要求，且需足够坚硬，才能达到安全的目的(目前大部分的研究发展工作仍停留于有动驾驶控制(autopilat controls)和翼板之回收系统(foil-retraction system)上，使较大的船只能航行于较浅的水中( cube law)(假不过在建造较大水翼船方面，最大的障碍是平方,立方法则(square-如翼板的尺寸加倍，则其升力为平方增加，也就是说可以举起先前四倍重之船身，然而船身加倍，其重量却是以立方增加，即八倍(为了适应重量的增加，就得消耗大量的动力，采得维持原先之速率，如此则不合乎经济之原则( 水翼船模型(一) 水翼船模型(二) 水翼船模型(三)