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1、1轮式两栖军车高航速技术探讨陈思忠，吴志成，杨林，张斌（北京理工大学 机械与车辆工程学院，北京 100081）摘要：水上车速一直是限制军用两栖车辆性能发挥的重要因素，近年来，一些的高速航渡技术大大地提高了两栖车辆的航速。国外的高速两栖技 术使轮式两栖 车辆的航速超过45公里/ 小时，基于高速两栖技术的军用高速两栖车族正被推出。 轮式高航速两栖车辆 的关键技术在于喷水推进器、滑水型 车身和车轮的收放与驱动。喷水推进 器和滑水型车身的设计理论 与制造工艺相对成熟， 车轮的收放与驱动可以通过采用油气元件的独立悬架技术和合理的结构设计实现。研制轮式高航速两栖军车具备可行性。关键词：轮式；两栖；评价方法
2、自从军用两栖车辆出现，较低的水上速度就一直是限制其战技性能发挥的重要因素。近年来，如滑水技术、水翼技术、气垫技术等高速航渡技术的应用大大地提高了两栖车辆的航速。目前，采用滑水技术的美国AAAV装甲车的航速已超过45公里/小时，成为军用两栖车辆额定航速的新标准。近年来，轮式两栖车辆高速航渡技术也发展很快，英、美两国2005年以来各自推出的多种轮式两栖车的航速均超过45公里/小时。日前英、美两国决定基于此技术联合开发军用高速两栖车族，促动了新一轮军用高速两栖车辆的研制。轮式高航速两栖车辆的关键技术在于喷水推进器、滑水型车身和车轮的收放与驱动。目前国内的喷水推进器和滑水型车身的设计理论与制造工艺已相
3、对成熟，车轮的收放与驱动系统的研究也已经开始。研究表明车轮的收放与驱动可以通过采用油气元件的独立悬架技术和合理的结构设计实现。因此，自主研制轮式高航速两栖军车具备可行性。1. 传统低航速两栖车辆的问题与突破传统低航速军用两栖车辆诞生于二战期间，大多采用排水型船形车体，水上推进装置有轮履划水、螺旋桨划水和喷水推进等型式，但水上速度均较低，仅能达到克服水障碍的基本要求。一些传统的军用两栖车辆的航速如表1所示 123。表 1 一些传统军用两栖车辆的航速列表车型 国别 研制年代 推进方式 航速（Km/h）GPA 美 1941 螺旋桨 8DUWK 美 1942 螺旋桨 10.1LAV-25 美 1982
4、 喷水推进 10.46AAV7A1 美 1985 喷水推进 13.2GAZ46 苏 1952 螺旋桨 9PT-76 苏 1966 喷水推进 10.2BTR-90 苏 1994 喷水推进 9BMP-3 苏 1990 喷水推进 10Alvis Stalwart 英 1962 喷水推进 9Ckopnuoh 英 1972 喷水推进 6.563式 中 1963 喷水推进 1112BJ5022 中 2005 螺旋桨 12如表所示，传统的军用两栖车辆的航速较低，1213公里/小时的航速似乎是一条军用两栖车辆不可逾越的鸿沟。其原因是传统军用两栖车辆的航行状态为排水航行，航行阻力较大。要减小航行阻力，必须使军用
5、两栖车辆从排水航行状态进入水动力支撑航行状态，相对于收放机构复杂的水翼技术和影响陆地行动的气垫技术，借鉴高速艇动力学理论，采用滑水高速航行技术更为实用。根据高速艇动力学理论，船舶或两栖车辆要实现高速航渡必须从排水航行状态进入滑水航行状态。在航行状态转化过程中，随着航速增加，船舶或两栖车辆的排水体积逐渐减小。反映航速与排水体积关系的2佛汝德系数 Fr 表示为： 310gVr式中： V0为航速(m/s)， 为排水体积(m 3)。实际航行情况表明，对应不同的佛汝德系数，航行状态通常分三个阶段：第一阶段，当 Fr 1.0时,称排水航行状态。第二阶段，当1.0 Fr 3.0称过渡状态。第三阶段，当 Fr
6、 3.0时,称滑水航行状态 4。美国的AAAV履带式装甲车采用滑水技术，根据其论证样车的阻力曲线可知，航行阻力的峰值出现在25km/h附近，峰值阻力约60000N，而最大航速已超过46公里/小时，大大地超过了传统军用两栖车辆的最大航速 5。如图1所示。图1 美国AAAV论证样车的阻力曲线有计算表明，AAAV装甲车在超越阻力峰值时的佛汝德系数为1.239，最大航速时的佛汝德系数为2.279。但AAAV装甲车采用了可自动收放的辅助滑水板，有效地使车辆在较低佛汝德系数条件下进入滑水状态 6。2. 高航速轮式两栖车辆现状轮式两栖车辆的高速航渡技术的研发中，英、美两国处于国际领先的地位。2004年以来，
7、两国各自推出了多种轮式高航速两栖车辆。如表2所示。表 2国外轮式高航速两栖车辆的航速列表车型 国别/公司 航速（Km/h） 航行方式 推进方式Aquada 英/Gibbs 48 滑水 喷水推进Humdinga 英/Gibbs 64 滑水 喷水推进Quadski 英/Gibbs 72 滑水 喷水推进Watercar 美/Watercar 72 滑水 喷水推进HydroCar 美/Dobbertin 80 滑水 喷水推进Splash 美/Rinspeed 80 水翼 螺旋桨日前英国的吉布斯（Gibbs）公司与洛克希德-马丁公司决定联合开发军用高速两栖车族。该车族将基于吉布斯公司的高速两栖技术开发，
8、由不同级别的三种车型组成。即：ACC-R（江河） 、ACC-E（远征）和Terraquad（全地形） 。三种车型的技术参数如表3所示。表 3 英美联合开发的高速两栖车辆的技术参数列表车型 ACC-R ACC-E Terraquad 乘员 20 8 2整备质量(Kg) 8762 4000 1000长(mm) 10800 6096 3850宽(mm) 2590 2438 2190高(mm) 2438 2438 1400轴距(mm) 8006 3500 2058轮距(mm) 2212 2123 1946接近角() 20 35 38 离去角() 20 22 38 车重(Kg) 8762 4000 10
9、00航速（Km/h） 65 65 80车速（Km/h） 112 128 80车轮及轮胎 365/80 R20 315/75 R16 2610-12 驱动型式 64 44 44这三种军用车型将根据特种任务需求，装备各种武器系统，并将具有网络功能，以共享和分发来自车上和远程传感器的信息。吉布斯公司与洛克希德-马丁公司的合作促动了新一轮军用高速两栖车辆的研制。3. 轮式两栖车辆高速航渡的关键技术轮式高航速两栖车辆的关键技术在于喷水推进器、滑水型车身和车轮的收放与驱动。3.1 喷水推进器喷水推进是一种特殊的船舶推进方式，与螺旋桨不同，它不是利用推进器直接产生推力,而是利用推进泵喷出水流的反作用力推动船
10、舶前进。喷水推进具有推进效率高（50%63%） 、抗空泡能力强、操纵性优异、工作平稳、运行噪声低、传动机构简单、保护性能好、适应变工况能力强、浅水工作能力强和附体阻力小等优点。3对于两栖军用车辆，由于轮履划水效率低，航速难以适应现代战争的需要，而采用螺旋桨推进在浅吃水时易产生浅水效应，且螺旋桨暴露在外易受损伤。因而喷水推进器是两栖军用车辆的首选推进方式 7。近年来在世界各主要喷水推进器制造商的不懈努力下，喷水推进技术取得了长足的进步。这些公司主要有美国的Kodiak公司、American Jet公司、American Turbine公司，英国的Ultra Dynamics公司，新西兰的Hami
11、lton公司，瑞典的Kamewa公司，荷兰的Lips Jet公司，日本的川崎公司和三菱重工公司等等。国内在喷水推进技术方面的走在前面的是上海的708所等单位，目前国内已可以设计502500KW的喷水推进装置，可以用作航速在45Km/h左右的高航速两栖军车的喷水推进器，如图3所示。图 2 高航速两栖军车的喷水推进器结构示意图3.2 滑水型车身滑行艇的艇体形状很多，有平底型，高速圆舭型，V型艇，倒V型艇和双体型等等。一般认为，处于过渡状态航行的艇，艇体以采用高速圆舭型为宜。在接近滑行状态时，V型艇体呈现优势 8。对于两栖军车而言，V型车体一定程度地减小了车底距地高，影响车辆的越野通过性。因此美国的
12、AAAV履带式装甲车采用了平底型滑水车体加辅助滑水板的模式。但是放收辅助滑水板的操控机构复杂，而且车辆在水中的阻力也较大。轮式两栖军车一般没有装甲焊接车体，无须厚重平坦的车底甲板，因而可以采用复杂一些的车底形状以减小水中阻力，材料为玻璃钢。英国吉布斯公司开发的两栖车辆的车底形状类似于单体滑行艇与双体滑行艇的结合，这样既大大降低了车辆在水中的阻力，更容易地进入滑水航行状态，又增加了车辆在水中的操纵稳定性，同时还保证了较大的最小离地间隙。如图3所示。图 3 英国吉布斯公司开发的两栖车辆的车底形状3.3 车轮的收放与驱动浸在水中的车轮及悬架装置会产生巨大的水上行驶阻力。欲获得高航速，收起车轮并使之高
13、于水面是高航速两栖军车必须做到的动作。通过对一个设计用于轮式高航速两栖军车的双横臂独立悬架模型进行运动学分析，可以得到车轮的外倾角和前束角随悬架下横臂跳动角度变化而变化的曲线。如图4所示。图 4 车轮的外倾角和前束角随悬架下横臂跳动角度变化而变化的曲线可以看出，悬架设计的平衡位置为下横臂跳动角在-10位置时；而陆上行驶时，悬架正常跳动范围为下横臂跳动角在-2610范围时；在水上行驶时，下横臂跳动角被提升至70位置，车轮发生翻转，车轮外倾角达到65，车轮前束角达到-36（后束状态） ，车轮被完全提离水面。为实现悬架在陆上行驶时的正常功能，并在水上行驶时完成车轮的收放，可以采用油气悬架结构。油气悬
14、架中的油气元件具有良好的弹性阻尼特性，可以很好地实现陆上行驶时的缓冲减振功能，并可以作为4水上行驶时收放车轮的工作油缸。车轮收放控制系统主要包括4根带隔膜式蓄能器（气体弹簧）的双向作用液压油缸、液压动力单元、4个三位四通电磁阀和相应的油路。液压系统原理简图如图5所示。 前 悬 后 悬图 5 车轮收放控制系统液压系统原理简图车轮的驱动是另一项必须面对的问题。车轮的大范围提升使从差速器到车轮的传动轴线变动明显，车轮传动轴必须能适合这种变动。根据双横臂独立悬架模型运动学分析可知，如设计使用一对球笼式等速万向节完成从差速器到车轮的传动，在车轮提升至最高点时，靠近差速器一侧的万向节输入轴、输出轴夹角超过
15、70，这显然是最大传动夹角不大于42的球笼式万向节难以承受的 9。因此靠近差速器一侧的万向节应采用特制的十字轴式万向节，允许输入轴、输出轴静态夹角超过70。这样虽然十字轴式万向节最大传动夹角一般不大于20，但车轮提升后不再被驱动，故可以应用，但必要的保护措施是在车轮停转之前避免提升车轮，在车轮完全放下之前避免驱动车轮。4. 结论 滑水航行是高航速两栖军车水上行驶的首选形式，现代军用两栖车辆必须并且能够达到45公里/小时的航速。 英、美两国近年来推出的多种高航速轮式两栖车辆，并决定基于此技术联合开发军用高速两栖车族，促动了新一轮军用高速两栖车辆的研制。 轮式高航速两栖车辆的关键技术在于喷水推进器
16、、滑水型车身和车轮的收放与驱动。国内对这些关键技术的研究已经具备一定基础。自主研制轮式高航速两栖军车具备可行性。参考文献：1 梁日晏.两栖装甲车辆J.四川兵工学报, 2006(5):7-10. 2 姜宏,刘后刚.浅谈两栖装甲车辆J.四川兵工学报, 2005(6):8-10.3 吴珂,王伟,赵丰.军用水陆两栖汽车发展现状和发展趋势J.专用汽车,2004(2):15-16.4 邵世明,王云才.高速艇动力学M.上海,上海交通大学出版社,1990.5 M. Routson. Advanced Amphibious Assault Vehicle (AAAV) R General Dynamics Amphibious Systems, Woodbridge, VA. Report: AAAV990316-2, Jun 1999.6 王立祥,施丹.两栖装甲车辆海上高速航渡技术初探J. 船舶,1
