气垫船应用航空器概念，大多采用燃气轮机作为动力装置。我国早期采用活塞式航空汽油发动机，如711、711-Ⅱ型气垫船等。由于燃气轮机技术复杂、油耗高、维护成本大，后来只有中、大型军用气垫船采用燃气轮机，民用气垫船大多采用柴油机。 柴油机经济性好、油耗率低的优点使其在现有的船舶动力装置中占的比例最大，尤其在民用船舶方面，柴油机的应用十分广泛。但柴油机的缺点是单机功率小，有时只能采用多台柴油机装船使用，这给气垫船总布置带来困难。同时，气垫船因为重量受到限制，只能采用轻型高速柴油机。 20世纪80年代，随着改革开放，国外的车用轻型高速柴油机被引入，如Deutz、MAN、IVECO等，解除了国内小型气垫船设计过程中一段时间“无机可用”的窘境。这些经广泛使用验证的高速柴油机较好地适应了气垫船恶劣运行环境条件，满足了轻量化的要求，降低了故障率，提高了经济性，促进了国内气垫船的快速发展。 采用全焊接船用铝质船体结构，以低油耗的全风冷或带冷却水箱的中型风冷柴油机为主动力装置，垫升系统与推进动力系统相互独立设置，采用离合器、高弹性联轴节与齿形皮带传动等措施，可确保运行的可靠性。 2．空气螺旋桨 气垫船空气螺旋桨最早是由飞机螺旋桨转化而来的，其特点是无导管，叶片的叶梢不提供推力（即典型升力为零），叶片较窄，叶梢处特别窄，空气来流速度高。这就导致了在速度相对较低的气垫船上的推进效率较低，单位功率产生的有效推力小，经济性较差。 气垫船为实现垫态高速航行，空气螺旋桨推力需要克服低速时的最大阻力峰值，必须要采用不同于飞机螺旋桨的宽桨叶（叶梢处最宽）、高升力系数的新翼型，同时要采用导管整流装置增加桨叶前流速以提供附加推力。对于高功率负荷的空气螺旋桨，还要在桨叶后增设整流支臂回收桨叶后的旋转动能，进一步提高整个导管空气螺旋桨的推力与效率（见图1.11）。 （1）由于推进轴线位置较高，受尺寸、空间、重量、减速比等因素的约束，无法采用齿轮箱等常规减速传动方式，选择简单可靠的同步齿形带，主动轴系和推进轴系的轴线偏移距离可大幅度增加、传动速比可通过改变皮带轮齿数灵活调整，避免了系统结构复杂、维护保养困难等问题。 （2）推力轴承需同时承受较大的正、负推力和径向反力，选用可以承受径向和轴向联合负荷的单列角接触球轴承，并成对使用，通过计算分析确定接触角合理分配承载能力；气垫船的铝合金船体变形量较大，选用具有自动调芯功能的调芯滚子轴承作为支撑轴承，用以消除因安装误差及船体变形等因素造成的不良影响。 （3）与常规的可变螺距螺旋桨通过固定式油管给变矩机构供油方式不同，小型气垫船空气螺旋桨通过变矩推杆驱动变矩机构，设置移动式变矩转换轴承，确保变矩推杆除跟随桨毂旋转外，同时跟随变矩油缸进行往复直线运动驱动变矩推杆。 （4）气垫船由于采用铝质船体以及受围裙气垫的影响，尤其是推进轴系位置较高，其轴承支承刚度难以准确确定，可通过扩大轴承支撑刚度的选择范围，针对不同参数进行组合式计算，并对其振动特性进行综合评估。 三、垫升系统 1．垫升风机 气垫船依靠高速旋转的垫升风机提供高压气流，源源不断地充入柔性围裙与船底围成的气室内，形成高压气垫以垫升船体。同时，气垫内气流从围裙下部囊指末端泄出至大气环境内，形成动态平衡状态。 典型的垫升风机由工作叶轮、导向器、整流器、叶轮轮毂、整流罩、收缩管和扩散管等组成。垫升风机主要分为离心式垫升风机、轴流式垫升风机和混流式垫升风机三种。这三种垫升风机和相应的叶轮形状，如图1.16所示。 为提高气垫船的适航性，垫升风机需具有在最佳工况点附近压力-流量特性宽阔平坦的特点。采用有高效后弯机翼叶片，为气垫技术的进一步发展以及气垫船的大型化打下基础。离心式垫升风机具有以下优点： （1）压力-流量特性曲线较为平坦，随着垫升空气流量的改变，压力波动较小，有利于降低船体在水面航行时的上下波动，从而改善气垫船适航性和舒适性。典型离心式垫升风机压力-流量特性曲线如图1.17所示。 立式离心垫升风机带蜗壳，旋转轴沿水平方向，可减少水平方向的布置空间需求。中、小型气垫船采用的垫升风机一般为带蜗壳的立式离心垫升风机。从蜗壳出风口直接向下部围裙大囊里供气，利用围裙大束形成的柔性气道分配气流，无须设置专用的刚性气道，可节省布置空间。 2）轴流式垫升风机 轴流式垫升风机的工作原理与离心式垫升风机不同，是依靠旋转叶片叶背吸力与叶面压力把空气吸进增压后反推，更像空气螺旋桨的工作机理。为了回收动叶后的旋转动能，动叶后面还设有整流静叶。为了快捷地调节风机性能，在轴流式垫升风机的进口处还设有可调前置导叶（见图1.20）。 轴流式垫升风机在早期更为广泛地应用于气垫船。这是由于在确保相同空气流量的情况下，轴流式垫升风机相比离心式垫升风机的结构尺寸更小，并且工作效率也较高，同时还可以方便、快捷地调节其性能，即通过调整导叶、动/静叶片或转速就能达到此目的。在高海况波浪中航行的实际需求以及随气垫船主尺度的不断增大，这种风机应用于气垫船具有如下明显的缺点。 （1）轴流式垫升风机的效率曲线呈现了一种先增大后减小的趋势。当流量变化到某一临界值时，会出现不稳定运行现象，甚至会出现严重的“喘振”，对于气垫船的航行安全构成威胁。 “喘振”，即由于轴流式垫升风机的叶片在小流量时，经过动叶的有效攻角很大，甚至会达到因叶背流线分离而产生的失速现象，这时风机的压头就会降低，从而产生在小流量区随流量减小而压力也减小的不稳定风机压力-流量曲线，如图1.21所示。因此，必须要在垫升风机壳体内壁设有产生回流的防失速装置，使其风机特性曲线满足气垫船要求。 当气垫船开始垫升时，垫升风机提供的高压气流经气道进入围裙大囊，再经围裙大囊上的囊孔进入围裙手指与气垫，最后经手指底端与地面或水面的间隙逸流出气垫，重新进入周边大气环境，形成一个动态平衡过程。由于围裙围成的并不是一个完全密闭的空间，在垫升风机停止工作时，气垫内的高压空气会因气垫内外压差作用而继续泄漏至气垫外部，直至围裙内、外气压相等，气垫船处于自然漂浮状态或着陆状态（见图1.24）。 由于垫升风机只能布置在舷侧、艉部或者四个边角处，为方便气垫船在复杂地形下从着陆状态过渡到垫升过程中气流进入围裙以及波浪中气流波动平稳，气垫船一般设有气道作为垫升气流通道。依据船体浮箱结构形状，气道可以分为刚性气道与柔性气道（见图1.25～图1.27）。 围裙是全垫升气垫船特有的系统，由薄尼龙橡胶布制成，垫升时充气成型维持气垫而垫升船体，是气垫船具有水陆两栖性的基础，并与总体性能密切相关。围裙为柔性结构，由一块块裁剪成特定形状的平面胶布拼接而成，因此设计及放样制造精度对围裙性能有重要影响。气垫船一般采用囊指型围裙，其上部为连续的周边大囊、下部为相互独立的开式手指或小囊、滑板指等。大围裙箱可验证围裙平直分段成型，但对艏、艉转角处的不规则空间分段，则无法直接作成型验证，需要在三维模型中进行光顺处理，再在拖模或自航模试验时对整套围裙加以缩尺验证，因此围裙三维建模极为重要。基于三维模型，按照胶布分片拼缝沿围裙大囊子午线方向分布的基本要求，即可进行某个分段内大囊拼接分片的划分及放样展开。相邻分片边缘需要搭接重叠一定宽度范围以保证拼接强度，故将大囊拼接分片放样展开时，需预先考虑搭接边宽度，制成样板对胶布门幅进行下料剪裁（见图1.31）。 由于气垫船独有的运行特点，在实验室内场难以模拟围裙承受的实际载荷，因此需要以实船围裙破损分析为基础开展围裙胶布性能研究。自从英国第一艘载人气垫船横渡英吉利海峡以来，积累了大量实船使用经验，对围裙胶布进行实船试验和破损情况分析如下： （1）磨损。裙指底部橡胶层由于与运行表面接触首先发生磨损，使织物暴露出来也受到磨损（见图1.35）。 评价围裙胶布的主要性能包括拉伸强度、伸长率、撕裂强度、橡胶层与骨架织物黏附强度，这些都属于实验室常规性能。为了揭示胶布的使用寿命与胶布特性之间的相关性，可通过模拟试验再现实船使用时产生的破损形式。 建立胶布特性与使用寿命之间的关系，用以寿命预报。了解不同实船运行时间、胶布性能的劣化情况以及由于浸水和疲劳对胶布性能的影响。找出裙指的磨损率与胶布的主要损伤特征，指导围裙胶布的设计。 国内研制了58012、57911、4275、4285、4295、42105等多种规格的气垫船围裙胶布，编制了船舶行业标准CB/T 3387-1992《气垫船围裙用橡胶涂覆织物》。此外，1982年722型气垫船在长江口区上进行了围裙动载荷的实船测试，测得动载荷系数最大为10，为围裙强度设计提供了有力的技术依据（见图1.36）。 电力系统为气垫船提供连续、安全、可靠的电力，以确保全船用电设备的正常运行。电力系统主要由供电系统、配电系统、照明系统及驾控系统等组成。重要装置有发电机组、主配电板、充放电板、照明灯、航行信号灯及驾控台等。 交流发电机组是气垫船上重要的交流电源，它可通过主配电板为全船用电设备供电。气垫船用发电机组主要以风冷柴油发电机组为主，小型气垫船也常采用先由蓄电池启动作为主动力的柴油机，随后再由柴油机的轴带发电机为全船供电的形式（见图1.38～图1.39）。 为严格控制全船重量，气垫船早期采用400赫兹航空电制以匹配船上采用的轻型航空电气设备，后转为采用更加经济的50～60赫兹船用电制，电气设备也以船用的为主。 气垫船在停靠码头或自行上岸时，为降低自身发电机运行产生的噪声影响，一般采用岸上供电方式，为此需要把220伏或者380伏的岸电接入气垫船电力系统中，需要在船上设置岸电转换接口装置。 为保障航行安全，气垫船一般设置多种备用电源，如可充放电的常规蓄电池、应急蓄电池、UPS 应急电源等，同时尽可能实现左、右舷供电相互独立且能相互备份。因此，气垫船的供电网络比较复杂，同时气垫船垫态运行时水花飞溅大、自身存在颠振，发电机组及装船的电缆、电气设备必须做好充分的“三防”工作。 6）船舶辅助系统 船舶辅助系统主要包括液压驱动系统、变矩系统、消防灭火系统、燃油系统、冷却水系统、通风及空调系统、压载水/舱底水系统、全船注入/测量空气系统、淡水冲洗系统（仅海上气垫船用）等。其中，液压驱动系统包含空气舵操纵装置，空气螺旋桨变矩系统等，用于转舵及调节螺旋桨推力等。变矩系统由液压油箱、电动液压泵、应急手摇泵、油滤、单向阀、电磁阀、压力继电器、蓄压器、变矩油缸等组成。由于气垫船在垫升状态的稳性远低于排水状态稳性，船垫升姿态对重量、重心变化敏感，一般采用在船体浮箱的四个边角分别设置燃油箱兼作压载用。各油箱互连互通，通过燃油调驳系统来调整气垫船的垫升姿态，以利于操纵并降低航行阻力。 7）通信导航系统 通信系统通常由短波电台、甚高频电话、电喇叭、扩音机、海事卫星电话等组成；导航系统则包括北斗/GPS 卫星导航仪、导航雷达、电子海图等，可用于航迹规划、避碰、交会避让等。气垫船垫升状态下阻尼小，航速高，存在横向侧滑现象及高速埋艏风险，必须随时掌握船位、航速、航向等信息；同时存在水花飞溅、振动大、安装位置受限等不利因素，对导航雷达性能要求高且需严格控制其重量和尺寸，一般采用高速船所用的轻量化雷达，如雷松、FURUNO等。中、大型气垫船上还安装差分GPS或利用高速陀螺等设备测得船自身的艏向角，实时解算得到侧滑角并将其控制在安全范围内，尤其是在自行登滩上岸之前更需要尽量消除侧滑现象。 8）船舶操纵系统 全垫升气垫船为横跨航空和船舶两个行业的产品，在垫升航行状态下的水动力性能与常规船舶有本质上的不同，垫态航行时仅周边围裙下部手指与水面柔性接触，其水动阻尼与常规船舶相比非常小，呈数量级变化；同时由于垫态航行时船体基本脱离水面，其推进和操纵面只能采用高置的气动设备，具有推进和操纵效率低、强非线性和强迟滞性的显著特点。因而，全垫升气垫船呈现明显的船态易受外界因素干扰，加、减速存在延迟滞后和冲程大、机动操纵反应时间长的缺点，同时又具有不当驾驶会导致“高速纵向低头埋艏”“低速横向侧滑失稳”危险现象，甚至引发翻船等恶性事故，因此气垫船的驾驶操纵与常规舰船驾驶操纵存在明显的差异。 气垫船早期更偏向于航空设计理念，船体采用铆接铝合金结构，操纵模式以脚蹬控制空气舵为主操控面。后随着实船应用及技术发展，形成独具特色的操控理念及操控技术。操纵面由桨后空气舵、可摇头桨发展到空气舵、侧风门、艏部矢量喷管、侧部围裙提拉装置、电动侧推风扇等；操纵方式由脚蹬、手动旋钮/手轮操控矢量喷管，发展到单个操纵手柄（其上带多个功能按钮）、操纵杆、双杆差动操纵等方式，具体如表1.1所示。 早期气垫船采用从飞机借鉴过来的敞开式空气螺旋桨，在桨后设置单片空气舵或者将桨直接安装在可旋转的桨塔上随之偏转，通过左、右两舷螺旋桨的推力差来操控航向，驾驶员通过脚蹬由钢丝绳传动改变空气舵转向；手轮则有4种动作，左/右旋转控制桨塔旋转（－30度～+30度），轴向推拉交替控制垫升高度与螺旋桨螺距角（见图1.40和图1.41）。 在航速较低时，空气螺旋桨的推力较小，相应的桨后空气尾流低，空气舵的舵效差，低速操纵性不佳。为此，可设置围裙提升装置、围裙横移装置、气道甲板放气阀、临时堵围裙囊孔装置等措施来提高低速操纵性（见图1.42）。 随着导管空气螺旋桨的应用，空气舵开始直接设置在导管后缘处，舵叶数目也有所增加，为确保同步性，舵叶下缘用连杆连在一起。操舵传动方式改变为液压传动，使得布置更为紧凑（见图1.43）。若螺旋桨为固定螺距螺旋桨，导管后还需设置多片水平方向的舵叶以控制螺旋桨推力的大小。 表1.1　国外典型全垫升气垫船操纵面配置及操控模式 注：“*”表示设置有该设备。 艏侧推装置是气垫船在风浪中灵活操控的重要手段。大部分的艏侧推装置为由离心式垫升风机供气的旋转喷管，通常可以分为两类。一类由离心式垫升风机独立供气，另一类采用双出口离心式垫升风机同时向下给气垫供气、向上给喷管供气的形式。艏侧推装置可提供矢量推力，低速及高速时效率均较高，可有效地克服气垫船低速操纵性差、抗侧风能力弱等缺点。美国LCAC早期采用简单的矢量喷管形式（见图1.45），中间研发过低构型的阶梯状喷管（用于为芬兰设计的T-2000气垫船、为韩国设计的LSF-Ⅱ气垫船），如图1.46所示，后又发展为相对扁平的双层出口形成的新构型喷管，用于最新研制的舰岸连接器SSC上。英国的AP1-88型及BHT系列气垫船、Griffon12000TD型气垫船上也设置过艏侧推装置。国内极地气垫船、边防气垫巡逻船、沈阳飞机厂建造的D4气垫船均设置了艏推器（见图1.47）。