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初中物理水翼船知识点总结

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翼船(Hydrofoil)是一种高速船。船身底部有支架,装上水翼。当船的速度逐渐增加,水翼提供的浮力会把船身抬离水面(称为水翼飞航或水翼航行, Foilborne),从而大为减少水的阻力来增加航行速度。

  翼船分类

  前看,左:半浸式水翼;右:全浸式水翼早期的水翼船在采用U型的水翼。这种水翼被称为“半浸式”或“割划式”水翼。因为在水翼飞航时,U型水翼会有部份是浸在水中,而部份则会割破水面露在空中。半浸式水翼的结构较为简单,推进一般用船尾浸在水中的螺旋桨及方向舵。较新的水翼船则是采用倒 T 型的水翼,这种水翼被称为“全浸式”,因为它经常保持在水下。“全浸式”的水翼受海浪的影响比“半浸式”小,因此全浸式水翼船在大浪的海上行走时更为穏定,亦更为舒适。但是因为全浸式水翼设计不具自我穏定的特性;故此必须要由自动控制系统就海面情况、船身姿态、速度、加速等参数不断改变水翼的攻角,以维持水翼飞航的状态。如果水翼船突然失速(例如发动机严重故障,或者因碰撞而突然减速),飞航中的船身可能会突然掉回水中,造成意外。部份全浸式水翼船的推进采用燃气涡轮引擎,配以喷水系统,避免了螺旋桨及方向舵带来的阻力。船在航行时,船体受水的阻力较大,影响船的航行速度

  水翼船发展

  波音PHM全浸式水翼船美国人William E. Meecham 早在 1906年便在Scientific American 内曾经发表关于水翼原理的文章。电话的发明人贝尔认为这是项重要的发明,他画出类似水翼船的草图,然后与Casey Baldwin合作,在1908年进行关于水翼的实验。Baldwin研究过意大利发明家Enrico Forlanini的设计后,进行自己的设计。1910年贝尔在意大利与Forlanini 见面,并在湖上试乘Forlanini 的水翼船。回到美国后,他们建造了HD-4 号,逹到了时速87公里的速度。在美国海军的支持下,他们改用两副350马力(260kW)的发动机,在1919年9月创下时速114公里的纪录。这项纪录一直保持了十年。

  Supramar 水翼船

  德国人Baron von Schertel 二次大战时在德国研究水翼。战后Schertel 的研究部门大部分被苏联俘获,成为日后苏联水翼船发展的骨干。 而Schertel本人则到了瑞士,并成立了Supramar 公司,于1952年发展出首部来往瑞士及意大利的载客水翼船PT10,重七吨,载客32人,采用U 型半浸式水翼,速度达32节。之后陆续发展出PT20,PT50,PT75,PT100和PT150,主要由意大利 Rodriquez 及日本日立生产,都是采用半浸式水翼和水下螺旋桨推进。最后出产的是PT150, 采用前半浸,后全浸水翼,重165吨,载客250人,速度达37节。至1971年停产时,Supramar 水翼船生产了超过150艘。部分PT 水翼船至今仍在服务,Rodriquez之后亦仍然有生产自行研制的半浸式水翼船。

  苏联亦一直有对水翼船进行研究,在1970年代和1980年代设计了不少流线形的水翼船渡轮和军舰。当中Meteor 及 Voskhod 型近年出口到国外。这些水翼船以半浸式居多,主要用在浪较少的内河及湖泊行走。

  波音水翼船

  喷射飞航的金星水翼船需要的技术跟航空十分相似,因此美国的波音公司在60年代便开始研究水翼船。1974年,波音建造了6首131呎长的PHM型全浸式水翼船军舰。舰上装有反舰导弹、75亳米快速炮。航速超过45节。发动机为2部800匹柴油引擎(飞航前用),及2部17,000匹GE海事用燃气引擎(飞航时用),用喷水器推进。同时波音亦发展了民用的水翼船渡轮,称为JetFoil929型。929型亦为全浸式水翼船,水翼可以收起,以进入浅水的地区。船身长90呎,以铝合金制造,净重约100吨,载客量可达250人,航速逹45节。推进的动力,来自2部劳斯莱斯Allison 501k燃气引擎,用喷水器推进。波音总共生产了26艘929型水翼船,买家有日本、英国、印尼等地的渡轮公司。当中香港的信德集团旗下的远东水翼船(1999年7月与中旅侨福(CTS-Parkview Ferry Service Co. Ltd.)的港澳飞航 TurboCat 合并后改称喷射飞航)是最大的用户,曾拥有16艘用来提供往来香港及澳门之间的服务(有3艘已售予韩国)。波音停止生产JetFoil后,将生产专利卖给日本川崎重工(Kawasaki Heavy Industries, Co. Ltd.),大约生产了15艘。90年代中期,中国船舶工业集团旗下的上海新南船厂(CSSC Shanghai Simmo)亦曾短暂授权生产2艘(型号为 PS-30)予香港的远东水翼船(其中1艘已售予韩国)。

  发展和限制

  现今存在的水翼船大多不超过1000吨,并以近海航行为主。跟其他的高速舰艇技术相比,水翼船(主要是全浸型)的主要优点是能够在较为恶劣的海情下航行,船身的巅簸较少。而且高速航行时所产生的兴波较为少,对岸边的影响较低。缺点主要在制造大型的水翼船、或进一步提高速度,目前还存有技术困难。水翼所能提供的浮力与长度成平方关系,但是船的重量却与长度成立方的关系(平方/立方定律),故此制造更大型的水翼船存在一定的难度。要进一步提高速度,水翼在高速下会产生气泡(空蚀,cavitation)的问题亦需要解决。此外全浸式水翼的结构及控制较为复杂,亦令成本上涨。水翼船使用燃气引擎花费燃料较多亦是商业运作上的考虑之一。

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