《Ocean Engineering》：Model scale approach to assess the seakeeping performance of a foil-assisted unmanned catamaran
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无人水面航行器耐波性提升方法研究。通过对比有无水翼的无人双体船在平静水和规则波中的阻力、垂荡及横摇运动，发现水翼在头波中显著降低阻力、垂荡、横摇和垂直加速度，其效果随船速增加而增强，随波高增加而减弱。该方法通过固定水翼设计，无需改变船体结构或增加主动控制系统，有效提升无人水面航行器耐波性能。
郑冰|余桥文|王世刚|陈伟民|耿志远|邓睿
中山大学海洋工程与技术学院及南方海洋科学与工程广东实验室（珠海），珠海，519082，中国
摘要
无人水面船（USVs）通常体积较小，极易受到波浪作用的影响。其船上设备的运行往往要求在波浪中具有有限的纵摇和横摇运动，因此对船舶的耐波性能提出了严格的要求。为了提高USVs的耐波性能，进行了一系列模型试验，研究了装有和未装有无翼水翼的无人双体船在静水和规则波浪中的阻力、纵摇和横摇运动。实验结果表明，无翼水翼并不会增加静水中的总阻力，其对船舶运动响应的影响可以忽略不计。在迎波行驶时，装有无翼水翼的无人双体船在波浪附加阻力、纵摇、横摇和加速度方面明显优于未装无翼水翼的船舶。此外，测试数据表明，随着速度的增加，无翼水翼对提高耐波性能的效果增强，但随波高的增加这种效果减弱。本研究提出了一种利用无翼水翼来提高无人水面船（USVs）耐波性能的有效方法。
引言
提高船舶的耐波性能一直是船舶设计的主要目标。自19世纪以来，已经提出了超过350种不同的抗摇装置，其中20多种已被工程应用所采用（Chao和Chen，2012）。除了用于大型船舶的抗摇装置（如龙骨和抗摇鳍）外，无翼水翼因结构简单、占用空间小、能有效抑制船舶运动和减少波浪冲击载荷以及能够产生有助于减少阻力的升力而受到中小型船舶的广泛关注。
马德里理工大学的Esteban S.、Jose Maria Giron-Sierra等人对一艘高速客轮进行了模型试验（Esteban等人，2005；Giron等人，2008）。他们的结果显示，在安装了T型水翼和尾部拦截器后，船舶前端的平均运动幅度减少了50%。为了提高高速双体船的耐波性能，S. Liu、Y. Wang等人提出了一种带有可调节襟翼的无翼水翼系统，显著改善了双体船在波浪中的耐波性能（Liu等人，2013；Wang等人，2014）。Ferdi Cakici等人在游艇的前端和尾部安装了T型水翼，并在不规则海况下进行了数值模拟（Cakici等人，2018）。结果表明，船舶前端的垂直加速度减少了约55%。Ibrahim等人在一艘客轮的前端和尾部安装了无翼水翼，并研究了其在不规则海况下的垂直运动响应（Kucukdemiral等人，2019）。他们的研究表明，在波高为0.7米、弗劳德数为0.4的条件下，船舶前端、中部和尾端的垂直加速度分别减少了约82%、77%和56%。Javad Alavi Mehr等人研究了一艘装有前端T型水翼和尾部两个襟翼的2.5米高速双体船模型（AlaviMehr等人，2017；AlaviMehr等人，2019）。研究得出结论，在波高为60毫米的条件下，T型水翼和襟翼的组合使最大冲击力和平均冲击引起的弯矩分别减少了90%和75%。这些研究表明，无翼水翼在提高耐波性能和减轻波浪冲击载荷方面非常有效。即使对于耐波性能已经相当出色的小水线面积双体船（SWATHs），无翼水翼仍然能够进一步提高其水动力性能。自1973年美国海军“Kaimalino”号建成以来，Lee C.等人发展了SWATHs的耐波理论，并发现无翼水翼可以有效减少其在波浪中的运动（Lee和Curphey，1977）。2013年，Liang L. H.等人研究了无翼水翼对SWATH运动的影响，将水翼的效果模拟为升力诱导的阻尼（Liang等人，2013）。2016年，Wang H. D.等人在SWATH上添加了可调节襟翼，以控制涡流脱落并调节纵摇和横摇运动特性，从而降低了整体阻力（Wang等人，2016）。这种方法证明了无翼水翼能够同时提高耐波性能和降低阻力。2021年，Arman Zare等人通过数值模拟优化了SWATH无翼水翼的安装位置和攻角，以减轻船舶的运动（Zare等人，2021）。因此，国际上普遍认为，无翼水翼可以有效提高船舶的耐波性能和速度，甚至可以同时实现这两点。
在过去十年中，无人水面船（USVs）在海洋探索和科学研究中的应用迅速增长。此外，将USVs与其他无人平台集成形成的无人系统也展现出巨大的潜力。然而，由于USVs体积较小，它们极易受到波浪作用的影响，常常导致较大的运动响应。同时，USVs上的设备通常需要高操作稳定性，要求船舶在波浪中的纵摇和横摇运动最小。本研究调查的双体船由珠海云洲智能科技有限公司制造。本研究旨在通过使用固定无翼水翼来提高其耐波性能，而无需改变船体形状或添加主动控制机制。为了研究无翼水翼对静水阻力、船舶姿态、波浪附加阻力、运动响应和加速度的影响，在不同的速度、波长和波高下进行了一系列模型试验，并系统分析了无翼水翼效果随速度和波浪条件的变化。本研究提供了一种利用无翼水翼提高USVs耐波性能的有效方法。本研究的新颖之处在于：
- (1)
实验表明，在小型无人双体船上加装无翼水翼可以提高耐波性能，而不会影响静水阻力。
- (2)
本研究对装有无翼水翼的无人双体船在规则迎波中的耐波性能进行了定量评估，结果显示波浪附加阻力随船速增加而减小，同时多个位置的纵摇、横摇和垂直加速度也随船速增加而减小。
- (3)
研究发现，装有无翼水翼的无人双体船在较大波高下的耐波性能提升明显，但在较小波高下的效果不明显；而在高速行驶时，较小波高下对运动和加速度的抑制效果更为显著。
模型试验
本研究的所有模型试验均在上海船舶与航运研究所（SSSRI）进行。作为国际拖船水池会议（ITTC）的正式成员，SSSRI与荷兰海事研究所（MARIN）保持着长期深入的技术合作，并是中国唯一获得MARIN认证的测试机构。其测试程序严格遵循ITTC标准协议和MARIN认证的质量控制体系。
无翼水翼在静水中的影响
静水中的模型试验在以下速度下进行：0.546、0.726、0.909、1.090、1.273、1.455、1.637、1.819、2.002和2.182米/秒，对应的弗劳德数分别为0.097、0.129、0.161、0.194、0.226、0.258、0.291、0.323和0.355、0.387。在测试过程中，同时测量了阻力、横摇和纵摇，而其他三个自由度（即横摇、偏航和纵荡）的运动受到限制。对实验结果进行了比较和分析。
测试数据的无量纲化
模型试验在波高为15.0厘米的条件下进行，测试模型的弗劳德数为0.097、0.226和0.323。采用波长与船长比（λ/Lw）分别为0.5、0.75、1.0、1.1、1.3、1.5和2.0，以研究在恒定波高和不同速度条件下无翼水翼对双体船耐波性能的影响。
不同波高下无翼水翼的影响
本研究采用单变量控制方法设计比较试验案例，以研究波高对无翼水翼性能的影响。具体来说，以波长与水线长度比（λ/Lw）作为核心控制参数，仅选择了两个波高水平（H = 0.05米和H = 0.15米）进行测试。所有其他实验参数，包括模型比例、航行速度、水池环境和测量系统，均保持不变。
结论
本研究旨在通过采用无翼水翼来减少作为无人机平台的无人双体船的波浪诱导运动，从而提高其耐波性能。通过比较和分析装有和未装无翼水翼的双体船在不同速度、波长和波高下的模型试验数据，得出以下结论：
(1)在静水中，所采用的无翼水翼对双体船的静水阻力影响可以忽略不计。
CRediT作者贡献声明
郑冰：正式分析、数据整理、概念化。余桥文：撰写——初稿、方法论、研究。王世刚：软件、资源、项目管理。陈伟民：验证、监督。耿志远：可视化、验证。邓睿：撰写——初稿、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家海洋技术安全重点实验室（资助编号：W24CG000073；SKLMTA-DMU2024Y1）、国家自然科学基金（资助编号：52171330；52101379；52101380）以及南方海洋科学与工程广东实验室（珠海）（SML2024SP007）的财政支持。
