CN114771829A - 头喷气尾喷水水上飞船 - Google Patents

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CN114771829A CN202111495428.4A CN202111495428A CN114771829A CN 114771829 A CN114771829 A CN 114771829A CN 202111495428 A CN202111495428 A CN 202111495428A CN 114771829 A CN114771829 A CN 114771829A
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Abstract

本发明涉及一种节能、高速的水上交通工具。水动的优势是推力大；劣势是速度慢。气动的优势是速度快；劣势是推力小。头喷气尾喷水水上飞船充分发挥水动、气动的优势，先用水动克服水阻峰值和设计航速的气阻，然后气动加速到设计的航速。船尾用多台低速轴流泵克服水阻峰值和设计航速的气阻，船头用最小的涡轮喷气发动机，航速达到亚音速。船尾用多台低速轴流泵克服水阻峰值和设计航速的气阻，船头用射流风机，航速50米/秒以上。纯太阳能动力，航速轻松达到20米/秒。

Description

头喷气尾喷水水上飞船
技术领域
本发明涉及船舶节能提速领域。充分发挥水动、气动的优势，先用水动克服水阻峰值和设计航速的气阻，然后气动加速到设计的航速。船尾用多台低速轴流泵克服水阻峰值和设计航速的气阻，船头用最小的涡轮喷气发动机，航速达到亚音速。船尾用多台低速轴流泵克服水阻峰值和设计航速的气阻，船头用射流风机，航速50米/秒以上。纯太阳能动力，航速轻松达到20米/秒。
背景技术
现有船舶推进技术有：水动和气动两种。
水动的优势是推力大；但速度慢。气动的优势是速度快；但推力小。所以，现有的船舶速度普遍慢。也有高速案例，但能耗惊人。因为能耗跟速度的三次方成正比。
如何实现船舶节能高速，是行业久攻未克的难关。
发明内容
为了实现船舶节能高速，发明了头喷气尾喷水水上飞船。
本技术方案中，充分发挥水动、气动的优势，先用水动克服水阻峰值和设计航速的气阻，然后气动加速到设计的航速。
进一步的，船尾用多台低速轴流泵克服水阻峰值和设计航速的气阻，船头用最小的涡轮喷气发动机，航速达到亚音速。船尾用多台低速轴流泵克服水阻峰值和设计航速的气阻，船头用射流风机，航速50米/秒以上。纯太阳能动力，航速轻松达到20米/秒。
相对现有技术，本发明的有益效果在于：
节能提速，效果显著。
理论研究、探讨、分析、发现：
一、船头抽气驱动，比船尾推水节能89%。
（一）同一螺旋桨用相同功率的发动机带动，输出的动能不变，但转速不同。
动能相等，就是：
（1/2）M水V水 2=（1/2）M气V气 2=E发动机
M水V水 2=M气V气 2
ρ水SV水TV水 2=ρ气SV气TV气 2
V气=（ρ水/ρ气）1/3V水=（1000/1.293）1/3V水=9.18V水
推力比较：
功率相同
P=F气V气=F水V水
F气9.18V水=F水V水
F气=100/918F水=0.109F水
（二）借助大气压做功
附图11，1：活塞，2：空气，3：水
由于大气压的作用，抽走相同体积的水或空气，活塞前进的距离相等。我们把这个距离称为抽进距。
用相同的发动机带动相同的套筒螺旋桨来抽走相同体积的空气所用的时间是抽水的１00／918=10.9%，节能89%。
活塞相当于船。螺旋桨船尾推水等同于船头抽水，航速增大空气阻力增大滑失增大，最终所走路程等于抽进距。船的极限速度不能超过V水，即V气的1/9。
螺旋桨船尾推气，推力只有推水的1/9，推力严重不足，滑失严重，最终所走路程等于抽进距。
通过套筒螺旋桨或喷气发动机从船头前下方抽气，就能借助大气压来做功，在推力和大气作用力的共同作用下，最终所走路程大于抽进距。当大气压所提供的助动力大于水的阻力时，船的极限速度是V气，即V水的９倍。
二、关于超空泡、音爆及音障
超空泡：水中运动的物体前进时，物体后的水也以同样的速度填补留下的空穴，压强下降；当压强降至气化压，水分子变为气态。
水从液态变为气态，体积增大，对物体尾部压强有补偿，对速度有贡献。水下航行器进入无增阻状态，增大动力，全部用于加速，提速显著。消耗能量把超空泡引导到部头是错误的。把能量用于加速才对。水下超空泡行驶，节能显著。
水上运动的物体，不会有超空泡现象，而是随着速度的增大，物体尾部水面不断下降。达到克服水阻峰值的速度后，物体尾部完全没有水，全是空气。用手指划水，可以体验。
水阻峰值：水上运动的物体，尾部完全没有水时，水阻达到峰值。水阻峰值的大小等于物体前壁受到的水压力。
F水阻=（1/2）ρ水gH吃水S=（1/2）ρ水gH吃水H吃水L宽=（1/2）ρ水g L宽H吃水 2
水阻峰值跟宽度、吃水深度的平方成正比，跟长度无关。所以船应尽可能地增加长度，减少宽度、吃水深度，特别是吃水深度。
水阻峰值航速：水上运动物体最低点的背部水压为零时的速度。
水阻达到峰值的航速（克服水阻峰值的航速）：
1/2ρ水V2=ρ水gH吃水
V=（2gH吃水）1/2
吃水3米时，克服水阻峰值的航速：
V=（2gH吃水）1/2=（2×9.8×3）1/2=7.67m/s
音爆：飞机（气体中运动的物体）前进时，飞机后的气体也以机速填补留下的空穴，气压下降；当机速达到音速时，气压降至离子态压，气体分子变为离子态。也就是说气态气体分子运动速度的极限是音速，超过将变为离子态。离子态气体分子以光速（离子速度）填补空穴并碰撞产生音爆。空穴被以光速填补，压强不再下降，阻力不再增大，进入无增阻运动状态；气阻达到峰值。增加动力将全部用于加速度。超音速飞行，节能显著。
音障：发动机扇叶前面的气体分子也以光速进来，扇叶前压升高导致推力下降。
音爆何时消失：当飞行器上升到环境气压也是离子态压时（到达电离层），音爆消失。到达电离层才超音速，不会有音爆现象。
音爆破坏环境，克服水阻峰值航速至亚音速，是高速船舶理想航速。
气阻峰值：气体中运动的物体的速度达到音速时，气阻达到峰值。
F气阻峰值=1/2ρ气V音速 2S
当船克服水阻峰值和气阻峰值，突破音速后，将进入无增阻运动状态。再增加的动力，将全部用于加速，航速将不断增大直至第一宇宙速度，脱离水面。
三、关于气阻的计算
由于压力传递的原因，水叠加了大气的压力。因此大气阻力对水下部分仍然有效，计算大气阻力的作用面积应包括水下部分，即船的截面积。
子弹水下射程短是因为水叠加了大气的压力（阻力）。水下的子弹尾部的负压峰值：水压+大气压。
四、水动、气动各自的优劣势
（1）水动的优劣势及水阻、气阻
水动的优势是推力大；劣势是速度慢。
水的阻力跟吃水深度的平方成正比例关系。吃水深度越浅，水阻力越小。
在排水量确定的前提下，船的设计应该首先增大长度，然后是增加宽度。尽可能地减少吃水深度。考虑到水叠加气阻，就更应控制吃水深度以节省能耗。
水动过推：航速已克服水阻峰值，仍然用螺旋桨推水的方式去克服风阻提速。
吃水深度越大，水阻达到峰值的航速越大，越不容易出现过推，推进效率越高。吃水越浅越严重。
螺旋桨推水，进速只有推气的1/9。过推，浪费了大量能源。
（2）气动的优劣势
气动的优势是速度快；劣势是推力小。
大气的阻力跟船的速度的平方成正比例关系。速度越大阻力越大，而且通过水的叠加传递到船的水下部分。因此，必须合理设计船的速度，以节省能耗。
气动滑失：由于气动推力只有水动的1/9，导致滑失率大。船的吃水深度越大滑失越严重。
水阻跟吃水深度的平方成正比例关系，气阻跟船的速度的平方成正比例关系，当水阻等于气阻时是理想状态，即吃水深度跟航速存在理想关系。
(3)水动、气动的配合
理想方案：先用水动克服水阻峰值和设计航速的气阻，然后气动加速到设计的航速。
水动功率不变，增加水动泵的数量或加大水动泵的口径，可以获得更大的推力。
气动功率不变，减小气动风扇或涡喷发动机的口径，可以获得更大的速度。
五、亚音速水上飞船
1）亚音速水上飞船的理想吃水深度
（一）船尾空气负压：P气负=1/2ρ气V2
（二）空气阻力：F气阻= P气负S横截=1/2ρ气V2S横截
（三）水阻峰值：F水阻= P水S截水=1/2ρ水gH吃水S截水
（四）空气阻力等于水阻峰值，是理想吃水深度
F气阻= F水阻
1/2ρ气V2S横截=1/2ρ水gH吃水S截水
H吃水=ρ气V2S横截/（ρ水gS截水）
（1）截水面积取横截面积的一半（考虑到水上要空间，取水上、水下高度相等或截面积相等。当然也可以减少水上面积，比如：水上1/3，水下2/3）。
H吃水=ρ气V2S横截/（ρ水gS截水）=ρ气V2S横截/（ρ水g1/2S横截）=2ρ气V2/（ρ水g）=2V2ρ气/ρ水/g
220m/s对应的吃水深度
H吃水=2V2ρ气/ρ水/g=2×2202×1.29/1000/9.8=12.743m
水上12.743米，显然太高。
（2）截水面积取横截面积的2/3。
H吃水=ρ气V2S横截/（ρ水gS截水）=3/2V2ρ气/ρ水/g
220m/s对应的吃水深度
H吃水=3/2V2ρ气/ρ水/g=3/2×2202×1.29/1000/9.8=9.56m
水上9.56/2=4.78米，显然还是高。
（3）截水面积取横截面积的3/4。
H吃水=ρ气V2S横截/（ρ水gS截水）=4/3V2ρ气/ρ水/g
220m/s对应的吃水深度
H吃水=4/3V2ρ气/ρ水/g=4/3×2202×1.29/1000/9.8=8.495m
水上8.495/3=2.832米，这个高度适中。但显然我们可以进一步减少驾驶舱的宽度来减少截风面积，提高截水面积占比。
33.53米宽的巴拿马型船，驾驶舱的宽度，显然可以减至4-5米，甚至更小。
当然，除了驾驶舱，水上还有其它截风面积。2.832米，取1/3是0.943米。我们还可以适当减小这个统一露水高度去补偿驾驶舱的高度而不增加总截风面积。也就是说，在截风面积占比1/4的基础上再取1/3，即截风面积占比1/12，截水面积占比11/12。
（3）截水面积取横截面积的11/12。
H吃水=ρ气V2S横截/（ρ水gS截水）=12/11V2ρ气/ρ水/g
220m/s对应的理想吃水深度
H吃水=12/11V2ρ气/ρ水/g=12/11×2202×1.29/1000/9.8=6.95m
因此，我们得到亚音速水上飞船的理想吃水深度计算公式：
H吃水=12/11V2ρ气/ρ水/g
220m/s亚音速水上飞船的理想吃水深度：6.95m
2）用理想吃水深度设计亚音速水上飞船
船头气动力采用最小半径涡轮喷气发动机。如TWP100T。
①7.4万吨亚音速水上飞船
吃水：6.95m m，干舷：0.2m，总高：9.35m，长：320.04m，宽：33.53m，截水面积：S截水=33.53×6.95=233m2，横截面积：S横截=254.2m2（按截水面积占比11/12计），排水：74000t，设计航速：220m/s
（一）根据设计时速计算船头气动功率。
船头气动力采用最小半径涡轮喷气发动机。如TWP100T。
（二）根据船的横截面积、时速，计算空气负压、空气阻力。
220m/s时，船尾空气负压：P气负=1/2ρ气V2=（1/2）×1.29×2202=31218pa
空气阻力：F气阻= P气负S横截（压力传递，取横截面积）=31218×254.2=7935615.6n
（三）根据船的截水面积、吃水深度，计算水阻峰值。
水阻峰值：F水阻= P水S截水=1/2ρ水gHS截水=1/2×1000×9.8×6.95×233=7934815n
50m/s时，总阻力：F总阻= F气阻+ F水阻=7935615.6+7934815=15870430n
（四）根据泵的口径、数量，计算推力克服总阻力需要的流速。
泵径6.65m，共5台。
F=ρ水SV2
V=(F/(ρ水S))1/2=(15870430/(1000×3.14×(6.65/2)2×5))1/2=9.563m/s
（五）根据总阻力、流速，效率按0.76计算船尾水动功率。
15870430×9.563/0.76=199695950.2W=199696KW（271586.6马力）
（六）计算动力总功率
动力总功率：P总=P水+ P扇=199696KW+涡喷功率
加大水动泵的总功率，可以进一步提高航速到涡轮喷气发动机的喷气速度。
7.4万吨船也能跑出亚音速。
②3380吨亚音速水上飞船
长：70m，宽：7m，吃水：6.95m，干舷：0.1m，总高：9.35m，排水：3380t，截水面积：S截水=7×6.95=48.65m2，横截面积：S横截=53.08m2（按截水面积占比11/12计），设计航速：220m/s
（一）根据设计时速计算船头气动功率。
船头气动力采用最小半径涡轮喷气发动机。如TWP100T。
（二）根据船的横截面积、时速，计算空气负压、空气阻力。
220m/s时，船尾空气负压：P气负=1/2ρ气V2=（1/2）×1.29×2202=31218pa
空气阻力：F气阻= P气负S横截（压力传递，取横截面积）=31218×53.08=1657051.44n
（三）根据船的截水面积、吃水深度，计算水阻峰值。
水阻峰值：F水阻= P水S截水=1/2ρ水gHS截水=1/2×1000×9.8×6.95×48.65=1656775.75n
总阻力：F总阻= F气阻+ F水阻=1657051.44+1656775.75=3313827.19n
（四）根据泵的口径、数量，计算推力克服总阻力需要的流速。
泵径6.9m，共1台。
F=ρ水SV2
V=(F/(ρ水S))1/2=(3313827.19/(1000×3.14×(6.9/2)2×1))1/2=9.4164m/s
（五）根据总阻力、流速，效率按0.76计算船尾水动功率。
3313827.19×9.4164/0.76=41058318.9W=41058.9KW（55840马力）
（六）计算动力总功率
动力总功率：P总=P水+ P扇=41058.9KW+涡喷功率
加大水动泵的总功率，可以进一步提高航速到涡轮喷气发动机的喷气速度。
3）用吃水深度不超过3米设计亚音速水上飞船，跟理想吃水深度进行对比：
①3万吨亚音速水上飞船
吃水：2.8m，干舷：0.2m，总高：5.5m，长：320.04m，宽：33.53m，截水面积：S截水=33.53×2.8=93.884m2，截风面积：S截风=33.53×2.7=90.531m2，横截面积：S横截=33.53×5.5=184.415m2，排水：29890t，设计航速：220m/s。
（一）根据设计时速计算船头气动功率。
船头气动力采用最小半径涡轮喷气发动机。如TWP100T。
（二）根据船的横截面积、时速，计算空气负压、空气阻力。
220m/s时，船尾空气负压：P气负=1/2ρ气V2=（1/2）×1.29×2202=31218pa
空气阻力：F气阻= P气负S横截（压力传递，取横截面积）=31218×184.415=5757067.47n
（三）根据船的截水面积、吃水深度，计算水阻峰值。
水阻峰值：F水阻= P水S截水=1/2ρ水gHS截水=1/2×1000×9.8×2.8×93.884=1288088.48n
50m/s时，总阻力：F总阻= F气阻+ F水阻=5757067.47+1288088.48=7045155.95n
（四）根据泵的口径、数量，计算推力克服总阻力需要的流速。
泵径2.75m，共12台。
F=ρ水SV2
V=(F/(ρ水S))1/2
=(7045155.95/(1000×3.14×(2.75/2)2×12))1/2=9.945m/s
（五）根据总阻力、流速，效率按0.76计算船尾水动功率。
7045155.95×9.945/0.76=92189573.6W=92189.6KW
（六）计算动力总功率
动力总功率：P总=P水+ P扇=92189.6KW+涡喷功率
加大水动泵的总功率，可以进一步提高航速到涡轮喷气发动机的喷气速度。
②1100吨亚音速水上飞船
长：84m，宽：8m，吃水：2m，干舷：0.1m，总高：4.2m，排水：1100t，截水面积：S截水=8×2=16m2，截风面积：S截风=8×2.2=17.6m2，横截面积：S横截=8×4.2=33.6m2，设计航速：220m/s。
（一）根据设计时速计算船头气动功率。
船头气动力采用最小半径涡轮喷气发动机。如TWP100T。
（二）根据船的横截面积、时速，计算空气负压、空气阻力。
220m/s时，船尾空气负压：P气负=1/2ρ气V2=（1/2）×1.29×2202=31218pa
空气阻力：F气阻= P气负S横截（压力传递，取横截面积）=31218×33.6=1048924.8n
（三）根据船的截水面积、吃水深度，计算水阻峰值。
水阻峰值：F水阻= P水S截水=1/2ρ水gHS截水=1/2×1000×9.8×2×16=156800n
总阻力：F总阻= F气阻+ F水阻=1048924.8+156800=1205724.8n
（四）根据泵的口径、数量，计算推力克服总阻力需要的流速。
泵径1.95m，共4台。
F=ρ水SV2
V=(F/(ρ水S))1/2
=(1205724.8/(1000×3.14×(1.95/2)2×4))1/2=10.049m/s
（五）根据总阻力、流速，效率按0.76计算船尾水动功率。
1205724.8×10.049/0.76=15942537.52W=15942.54KW
（六）计算动力总功率
动力总功率：P总=P水+ P扇=15942.54KW+涡喷功率
加大水动泵的总功率，可以进一步提高航速到涡轮喷气发动机的喷气速度。
理想与非理想吃水深度推进效率比较
（单位排水量的消耗功率）
Figure DEST_PATH_IMAGE004
显然，理想吃水深度推进效率更高，更节能。
4）客货混载，充分发挥亚音速水上飞船的优势
(一)纯客运亚音速水上飞船的缺陷
纯客运亚音速水上飞船，必须设置大大的压水舱来达到航行需要的吃水深度（动力水泵泵口露出水面，会增加水泵扬程，消耗水泵动能，动力减少，航速下降），浪费了大量能源。
(二)纯货运亚音速水上飞船的缺陷
纯货运亚音速水上飞船，船头驾驶舱后至船尾的空间不利用来做客舱，也是浪费。把船头驾驶舱延长到船尾，并没有增加截风面积增加阻力。
（三）客货混载亚音速水上飞船，是最理想的方案
客货混载亚音速水上飞船的设计：
中间是狭长的客舱，两侧是货舱。
客舱、货舱水密隔离。
两侧分别设置多个货舱，舱与舱之间水密隔离，并加水密顶盖。
水密顶盖：有胶密封圈，通过卡锁装置打开、锁定。
六、高速水上飞船
我们也可以从吃水深度去求理想航速。
F气阻= F水阻
1/2ρ气V2S横截=1/2ρ水gH吃水S截水
V=（ρ水gH吃水S截水/（ρ气S横截））1/2
当水上水下面积相等时，即：S截水=1/2S横截
V=（ρ水gH吃水S截水/（ρ气S横截））1/2=（1/2ρ水gH吃水/ρ气）1/2
水上水下各2米、2.2米、2.5米、2.8米、3米是常用尺寸，对应的理想航速是：
2米：87.16m/s，2.2米：91.4m/s，2.5米：97.45m/s，2.8米：103.13m/s，3米：106.75m/s。
水下1.5米、1.8米时，水上可取水下1.5倍，即S横截/S横截=2/5，
V=（2/5ρ水gH吃水/ρ气）1/2
1.5米：67.51m/s，1.8米：73.96m/s，1.5米以下，水上高度统一取2.2米。
合并上述数据后得到如下理想航速表：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
船要高速，必须有相应的吃水深度配合。
吃水太浅，高速时能耗效率下降。同时，吃水太深，水阻跟吃水深度的平方成正比，能耗效率也下降。吃水1-3米，航速50-100m/s，是高速水上飞船较好的选择。
①3万吨100m/s巴拿马型水上飞船
吃水：2.8m，干舷：0.2m，总高：5.5m，长：320.04m，宽：33.53m，截水面积：S截水=33.53×2.8=93.884m2，截风面积：S截风=33.53×2.7=90.531m2，横截面积：S横截=33.53×5.5=184.415m2，排水：29928t。
设计航速：采用吃水2.8米对应的理想航速100m/s
1）根据设计时速计算船头气动功率。
直径0.15米、面积0.0177平方米的射流风机，流速100m/s时，效率按0.9计算船头气动功率
0.9P扇=ρ气S扇V3=1.29×0.0177×1003
P扇=1.29×0.0177×1003/0.9=25370W =25.4KW
推力：F扇=ρ气S扇V2=1.29×0.0177×1002=228.33n
2）根据船的横截面积、时速，计算空气负压、空气阻力。
100m/s时，船尾空气负压：P气负=1/2ρ气V2=（1/2）×1.29×1002=6450pa
空气阻力：F气阻= P气负S横截（压力传递，取横截面积）
=6450×184.415=1189476.75n
3）根据船的截水面积、吃水深度，计算水阻峰值。
水阻峰值：F水阻= P水S截水=1/2ρ水gHS截水=1/2×1000×9.8×2.8×93.884=1288088.48n
50m/s时，总阻力：F总阻= F气阻+ F水阻=1189476.75+1288088.48=2477565.23n
4）根据泵的口径、数量，计算推力克服总阻力需要的流速。
泵径2.75m，共12台。
F=ρ水SV2
V=(F/(ρ水S))1/2=(2477565.23/(1000×3.14×(2.75/2)2×12))1/2=5.898m/s
5）根据总阻力、流速，效率按0.76计算船尾水动功率。
2477565.23×5.898/0.76=19227210W=19227KW
6）计算动力总功率
动力总功率：P总=P水+ P扇=19227+25.4=19252.4KW
3万吨船，360公里/小时，功率消耗还不到2万KW。
②158吨50m/s水上飞船
按理想吃水深度设计，实现能耗最优。
长：40m，宽：4m，吃水：1m，干舷：0.2m，总高：3.4m，排水：158t，截水面积：S截水=4×1=4m2，截风面积：S截风=4×2.2=8.8m2，横截面积：S横截=4×3.4=13.6m2，设计航速：50m/s。
（一）根据设计时速计算船头气动功率。
直径0.15米、面积0.0177平方米的射流风机，流速50m/s时，效率按0.9计算船头气动功率
0.9P扇=ρ气S扇V3=1.29×0.0177×503
P扇=1.29×0.0177×503/0.9=3171.25W =3.2KW
推力：F扇=ρ气S扇V2=1.29×0.0177×502=57.08n
（二）根据船的横截面积、时速，计算空气负压、空气阻力。
50m/s时，船尾空气负压：P气负=1/2ρ气V2=（1/2）×1.29×502=1612.5pa
空气阻力：F气阻= P气负S横截（压力传递，取横截面积）=1612.5×13.6=21930n
（三）根据船的截水面积、吃水深度，计算水阻峰值。
水阻峰值：F水阻= P水S截水=1/2ρ水gHS截水=1/2×1000×9.8×1×4=19600n
总阻力：F总阻= F气阻+ F水阻=21930+19600=41530n
（四）根据泵的口径、数量，计算推力克服总阻力需要的流速。
泵径0.95m，共4台。
F=ρ水SV2
V=(F/(ρ水S))1/2=(41530/(1000×3.14×(0.95/2)2×4))1/2=3.8282m/s
（五）根据总阻力、流速，效率按0.76计算船尾水动功率。
41530×3.8282/0.76=209190W=209.2KW
（六）计算动力总功率
动力总功率：P总=P水+ P扇=209.2+3.2=212.4KW(289马力)
七、太阳能水上飞船
太阳能总功率小，不建议高速和吃水太深。从上面分析，吃水0.4米，速度20m/s是太阳能水上飞船的理想值。如下太阳能水上飞船按20m/s来设计。
①450-500吨太阳能水上飞船
用途：游艇、客运、渔船，长：74.7-84m，宽：8m，吃水：0.8m，干舷：0.12m，舱顶留空0.2m，太阳能支架、太阳能板0.1m，总高：3.5m，排水：450-500t，截水面积：S截水=8×0.8=6.4m2，截风面积：S截风=8×2.4=19.2m2，横截面积：S横截=8×3.2=25.6m2，设计航速：20m/s
（一）根据设计时速计算船头气动功率。
直径0.15米、面积0.0177平方米的射流风机，流速20m/s时，效率按0.9计算船头气动功率
0.9P扇=ρ气S扇V3=1.29×0.0177×203
P扇=1.29×0.0177×203/0.9=202.96W =0.203KW
推力：F扇=ρ气S扇V2=1.29×0.0177×202=9.13n
（二）根据船的横截面积、时速，计算空气负压、空气阻力。
20m/s时，船尾空气负压：P气负=1/2ρ气V2=（1/2）×1.29×202=258pa
空气阻力：F气阻= P气负S横截（压力传递，取横截面积）=258×25.6=6604.8n
（三）根据船的截水面积、吃水深度，计算水阻峰值。
水阻峰值：F水阻= P水S截水=1/2ρ水gHS截水=1/2×1000×9.8×0.8×6.4=25088n
总阻力：F总阻= F气阻+ F水阻=6604.8+25088=31692.8n
（四）根据泵的口径、数量，计算推力克服总阻力需要的流速。
泵径0.75m，共10台。
F=ρ水SV2
V=(F/(ρ水S))1/2=(31692.8/(1000×3.14×(0.75/2)2×10))1/2=2.6791m/s
（五）根据总阻力、流速，效率按0.76计算船尾水动功率。
31692.8×2.6791/0.76=111721.3W=111.8KW
（六）计算动力总功率
动力总功率：P总=P水+ P扇=111.8+0.203=112KW
太阳能板面积:船长74.7米时，排水450吨，太阳能板面积597.6平方米，发电功总率：89.64KW，一天按发电10小时计共发电：896.4KWH，可供112KW电动机工作8小时。船长84米时，排水509吨，太阳能板面积672平方米，发电功总率：100.8KW，一天按发电10小时计共发电：1008KWH，可供112KW电动机工作9小时。按8小时计，还有富余电力供其它用途。
②75-250吨太阳能水上飞船
用途：游艇、客运、渔船，长：28-84m，宽：8m，吃水：0.4m，干舷：0.12m，舱顶留空0.2m，太阳能支架、太阳能板0.1m，总高：3.1m，排水：75-250t，截水面积：S截水=8×0.4=3.2m2，截风面积：S截风=8×2.7=21.6m2，横截面积：S横截=8×2.9=23.2m2，设计航速：20m/s。
（一）根据设计时速计算船头气动功率。
直径0.15米、面积0.0177平方米的射流风机，流速20m/s时，效率按0.9计算船头气动功率
0.9P扇=ρ气S扇V3=1.29×0.0177×203
P扇=1.29×0.0177×203/0.9=202.96W =0.203KW
推力：F扇=ρ气S扇V2=1.29×0.0177×202=9.13n
（二）根据船的横截面积、时速，计算空气负压、空气阻力。
20m/s时，船尾空气负压：P气负=1/2ρ气V2=（1/2）×1.29×202=258pa
空气阻力：F气阻= P气负S横截=258×23.2=5985.6n
（三）根据船的截水面积、吃水深度，计算水阻峰值。
水阻峰值：F水阻= P水S截水=1/2ρ水gHS截水=1/2×1000×9.8×0.4×3.2=6272n
总阻力：F总阻= F气阻+ F水阻=5985.6+6272=12257.6n
（四）根据泵的口径、数量，计算推力克服总阻力需要的流速。
泵径0.35m，共20台。
F=ρ水SV2
V=(F/(ρ水S))1/2=(12257.6/(1000×3.14×(0.35/2)2×20))1/2=2.525m/s
（五）根据总阻力、流速，效率按0.76计算船尾水动功率。
12257.6×2.525/0.76=40724.3W=40.73KW
（六）计算动力总功率
动力总功率：P总=P水+ P扇=40.73+0.203=40.94KW
太阳能板面积:船长28米时，224平方米，发电功总率：33.6KW，一天按发电10小时计共发电：336KWH，可供40.94KW电动机工作8.2小时。船长84米时，672平方米，发电功总率：100.8KW，一天按发电10小时计共发电：1008KWH，可供40.94KW电动机工作24.6小时。按8小时计，还有大量富余电力供其它用途。
八、吃水深度小于、大于理想吃水深度时，推进效率都将下降
上面我们探讨了亚音速时吃水深度小于理想吃水深度时的情况，下面我们再来探讨太阳能水上飞船吃水深度大于理想吃水深度时的情况。
增加250吨太阳能水上飞船跟500吨太阳能水上飞船的对比数据。
Figure DEST_PATH_IMAGE008
结论：吃水深度小于、大于理想吃水深度时，推进效率都将下降。
八、现有技术产品对比
(一)产品数据对比
1)水动力对比：
产品名称：World is not Enough 航速：70节 功率：20600马力
（1）3万吨船也能跑出97节。功率消耗还不到9850KW（13392马力）。
（2）1100吨亚音速货运水上飞船，427节，15942.54KW+最小涡喷功率（21675.82马力+最小涡喷功率）。
如此强劲的动力，还离亚音速太远的原因：上文提到的水动过推。
能耗跟速度的三次方成正比，可知头喷气尾喷水水上飞船的节能提速效果。
2)气动力对比：
产品名称：诺曼底 航速：未知 功率：300马力
158吨50m/s水上飞船，总功率：212.4KW(289马力)，小于300马力。
如此浅的吃水深度，速度还是没能达到50m/s的原因：①上文提到的气动滑失。②动力风扇的直径大推力大，但进速自然就小了。
（二）纯喷水驱动跟头喷气尾喷水驱动的技术理论数据对比
（1）158吨50m/s水上飞船
总阻力：41530n，头喷气尾喷水总功率：212.4KW(289马力)
纯喷水功率：
流速50m/s产生41530n推力需要的泵口面积：
F泵=ρ水S泵V2=41530n
S泵=41530/ρ水/V2=41530/1000/502=0.016612m2
面积0.016612平方米的轴流泵，流速50m/s时，效率按0.76计算动力功率：
P泵=ρ水S泵V3/0.76=1000×0.016612×503/0.76=2732236.8w=2732.2kw
能耗对比：212.4/2732.2=0.0777
节能超过92%。
（2）3万吨100m/s巴拿马型水上飞船
总阻力：2477565.23n，头喷气尾喷水总功率：19252.4KW
纯喷水功率：
流速100m/s产生2477565.23n推力需要的泵口面积：
F泵=ρ水S泵V2=2477565.23n
S泵=2477565.23/ρ水/V2=2477565.23/1000/1002=0.247756523m2
面积0.247756523平方米的轴流泵，流速100m/s时，效率按0.76计算动力功率：
P泵=ρ水S泵V3/0.76=1000×0.247756523×1003/0.76=325995425w=325995.4kw
能耗对比：19252.4/325995.4=0.059
节能超过94%。
（三）结论
头喷气尾喷水水上飞船的节能提速效果显著。航速越高，节能效果超显著。50m/s以上时，节能超过92%。
九、其它问题的解决方案
(1)关于粘性阻力、摩擦阻力等：以上讨论没有考虑这些阻力，因为：①这些阻力较小，跟水阻峰值和气阻比，可以忽略。②外形的减阻作用，可以抵消这些阻力。③增大水动总功率可以获得更大推力，克服这些阻力。
（2）防撞
防撞胶囊管：充气的密封胶软管。在太阳能板顶支架四周、船尖头前、下焊接小环，用绳子穿过小环将防撞胶囊管固定。绳子固定的好处是碰撞后能自然复位，破损后更换方便。其它船在四周、船尖头前、下焊接小环，用绳子穿过小环将防撞胶囊管固定。
（3）船的外形
船头：尖圆。水平切面是尖圆，减少阻力。尖圆：三个相切的等圆围成的部分加上一个半圆。船尾：船尾平直，排满水动泵。甲板上舱前壁：V+圆，减少阻力。挡风玻璃是V形。甲板上舱后壁：圆，减少阻力。船底：水平，1.前进时不会产生抬高船头的升力。减少纵向摇摆；2.侧向风浪不会产生将一侧抬高的升力，减少横向摇摆。船顶：水平，迎风不会产生抬高或压低船头的作用力。减少纵向摇摆。
(4)管内舵
安装在轴流驱动泵出水管道内，由转动轴、舵板组成；舵板后是椭圆，椭圆直径是管口直径的21/2倍，前是圆台+正方形；正方形的边长是管口半径的21/2倍；左、右转最大角度45°。转动轴通过传动装置连接手动控制台或智能控制台。
（5）三层船体
三层船体由金属双层壳、泡沫填充层、木板、密封填充料、防滑地坪胶组成。三层船体防撞能力强，更安全。
（6）为什么船尾不能直接用螺旋桨
直接用螺旋桨，航速超过螺旋桨进速时，螺旋桨空转。速度进一步增大就变成船头气动力装置接着螺旋桨前进，不但不能提供动力，还增加了阻力。轴流泵向下吸水，航速超过泵速，不影响吸水。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是头喷气尾喷水水上飞船原理示意图，图中部件：A：船体、B：船舱、C：船尾水动力装置、D：船头气动力装置、E：管内舵、F：防撞胶囊管。
图2是船尾水动力装置原理示意图，图中部件：G：轴流泵、G1：轴流泵1、G2：轴流泵2、G3：轴流泵3、G4：轴流泵4、H：换向器、H1：换向器1、H2：换向器2、H3：换向器3、H4：换向器4、I：倒档换向器、J：动力源、K1：传动轴1、K2：传动轴2、K3：传动轴3。
图3是船头气动力装置原理示意图，图中部件：L：射流风机、M：涡轮喷气发动机。
图4是管内舵原理示意图，图中部件：N：带法兰管道、O：舵板、P：舵轴、Q1：上轴承、Q2：下轴承、R：转向杆、R1：转向杆1、R2：转向杆2、R3：转向杆3、R4：转向杆4、S1：转向传动杆1、S2：转向传动杆2。
图5是三层船体原理示意图，图中部件：T：金属双层壳、U：泡沫填充层、V：木板、W：密封填充料、X：防滑地坪胶、Y：护栏、Z：甲板。
图6是防撞胶囊管原理示意图，图中部件：a1:船头防撞胶囊管、a2：两侧防撞胶囊管。
图7是亚音速水上飞船原理示意图，图中部件：b:驾驶舱、c:涡轮喷气发动机c、d:V形挡风玻璃、e1:前左压水舱、e2:前右压水舱、e3:后左压水舱、e4:后右压水舱。
图8是亚音速客货混载水上飞船原理示意图，图中部件：f:客舱、g1:货舱1、g2:货舱2、g3:货舱3、g4:货舱4、g5:货舱5、g6:货舱6。
图9是高速水上飞船原理示意图，图中部件：h:射流风机h。
图10是太阳能水上飞船原理示意图，图中部件：i:四周安装防撞胶囊管的太阳能发电装置、j:支架。
图11是借助大气压做功原理示意图，图中部件：1：活塞，2：空气，3：水。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
首先，头喷气尾喷水水上飞船，由船体、船舱、船尾水动力装置、船头气动力装置、管内舵、防撞胶囊管组成。
进一步，船尾水动力装置，由轴流泵、换向器、倒档换向器、动力源、传动轴组成，一个动力源带动一台以上轴流泵，船尾水动力装置跟现有轴流推进泵相反，现有轴流推进泵通过减少泵径获得更大速度；而船尾水动力装置是增大泵径获取更大推力。
进一步，船头气动力装置，亚音速水上飞船用最小口径涡轮喷气发动机；非亚音速水上飞船用射流风机；船头气动力装置跟现有船用气动推进器相反，现有船用气动推进器增大风扇直径获取更大推力，而船头气动力装置是减少风扇直径获取更大速度；
进一步，管内舵，由带法兰管道、舵板、舵轴、上轴承、下轴承、转向杆、转向传动杆组成；舵板后是椭圆，椭圆直径是管口直径的21/2倍，前是圆台+正方形；正方形的边长是管口半径的21/2倍；左、右转最大角度45°；多个管内舵通过转动轴、传动装置连接手动控制台或智能控制台。
进一步，船体是三层船体，由金属双层壳、泡沫填充层、木板、密封填充料、防滑地坪胶组成。
进一步，防撞胶囊管是充气的密封胶软管；太阳能水上飞船在太阳能板顶支架四周、船尖头前、下焊接小环，用绳子穿过小环将防撞胶囊管固定；绳子固定的好处是碰撞后能自然复位，破损后更换方便；其它船在四周、船尖头前、下焊接小环，用绳子穿过小环将防撞胶囊管固定。
进一步，亚音速水上飞船的船体头尖圆尾平直；船舱前壁：V+圆，减少阻力，挡风玻璃是V形；舱后壁：圆，减少阻力；船底：水平；舱顶：水平，货舱有顶盖；多台水动泵直线并排在船尾；多个管内舵通过传动装置连接到驾驶室，同步转向；船头气动采用最小口径涡轮喷气发动机。
进一步，亚音速客货混载水上飞船的中间是狭长的客舱，两侧是货舱；客舱、货舱水密隔离；两侧分别设置多个货舱，舱与舱之间水密隔离，并加水密顶盖；水密顶盖：有胶密封圈，通过卡锁装置打开、锁定。
进一步，高速水上飞船的船体头尖圆尾平直；船舱前壁：V+圆，减少阻力，挡风玻璃是V形；舱后壁：圆，减少阻力；船底：水平；舱顶：水平；多台水动泵直线并排在船尾；多个管内舵通过传动装置连接到驾驶室，同步转向；船头气动采用最小口径射流风机。
进一步，太阳能水上飞船的船体头尖圆尾平直；船舱前壁：V+圆，减少阻力，挡风玻璃是V形；舱后壁：圆，减少阻力；船底：水平；舱顶水平，隔空后安装太阳能板；多台水动泵直线并排在船尾；多个管内舵通过传动装置连接到驾驶室，同步转向；船头气动采用最小口径射流风机。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种头喷气尾喷水水上飞船，其特征是：由船体、船舱、船尾水动力装置、船头气动力装置、管内舵、防撞胶囊管组成；充分发挥水动、气动的优势，先用水动克服水阻峰值和设计航速的气阻，然后气动加速到设计的航速。
2.根据权利要求1所述的船尾水动力装置，其特征是：由轴流泵、换向器、倒档换向器、动力源、传动轴组成，一个动力源带动一台以上轴流泵，船尾水动力装置跟现有轴流推进泵相反，现有轴流推进泵通过减少泵径获得更大速度；而船尾水动力装置是增大泵径获取更大推力。
3.根据权利要求1所述的船头气动力装置，其特征是：亚音速水上飞船用最小口径涡轮喷气发动机；非亚音速水上飞船用射流风机；船头气动力装置跟现有船用气动推进器相反，现有船用气动推进器增大风扇直径获取更大推力，而船头气动力装置是减少风扇直径获取更大速度。
4.根据权利要求1所述的管内舵，其特征是：由带法兰管道、舵板、舵轴、上轴承、下轴承、转向杆、转向传动杆组成；舵板后是椭圆，椭圆直径是管口直径的21/2倍，前是圆台+正方形；正方形的边长是管口半径的21/2倍；左、右转最大角度45°；多个管内舵通过转动轴、传动装置连接手动控制台或智能控制台。
5.根据权利要求1所述的船体，其特征是：三层船体由金属双层壳、泡沫填充层、木板、密封填充料、防滑地坪胶组成。
6.根据权利要求1所述的防撞胶囊管，其特征是：防撞胶囊管是充气的密封胶软管；太阳能水上飞船在太阳能板顶支架四周、船尖头前、下焊接小环，用绳子穿过小环将防撞胶囊管固定；绳子固定的好处是碰撞后能自然复位，破损后更换方便；其它船在四周、船尖头前、下焊接小环，用绳子穿过小环将防撞胶囊管固定。
7.根据权利要求1所述的头喷气尾喷水水上飞船，其特征是：亚音速水上飞船的船体头尖圆尾平直；船舱前壁：V+圆，减少阻力，挡风玻璃是V形；舱后壁：圆，减少阻力；船底：水平；舱顶：水平，货舱有顶盖；多台水动泵直线并排在船尾；多个管内舵通过传动装置连接到驾驶室，同步转向；船头气动采用最小口径涡轮喷气发动机。
8.根据权利要求1所述的头喷气尾喷水水上飞船，其特征是：亚音速客货混载水上飞船的中间是狭长的客舱，两侧是货舱；客舱、货舱水密隔离；两侧分别设置多个货舱，舱与舱之间水密隔离，并加水密顶盖；水密顶盖：有胶密封圈，通过卡锁装置打开、锁定。
9.根据权利要求1所述的头喷气尾喷水水上飞船，其特征是：高速水上飞船的船体头尖圆尾平直；船舱前壁：V+圆，减少阻力，挡风玻璃是V形；舱后壁：圆，减少阻力；船底：水平；舱顶：水平；多台水动泵直线并排在船尾；多个管内舵通过传动装置连接到驾驶室，同步转向；船头气动采用最小口径射流风机。
10.根据权利要求1所述的头喷气尾喷水水上飞船，其特征是：太阳能水上飞船的船体头尖圆尾平直；船舱前壁：V+圆，减少阻力，挡风玻璃是V形；舱后壁：圆，减少阻力；船底：水平；舱顶水平，隔空后安装太阳能板；多台水动泵直线并排在船尾；多个管内舵通过传动装置连接到驾驶室，同步转向；船头气动采用最小口径射流风机。
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