江苏科技大学 - 图文

江苏科技大学

本 科 毕 业 设 计（论文）

学 院 船舶与海洋工程 专 业 船舶与海洋工程 学生姓名 梁 x x 班级学号 指导教师 教授

二零一零年六月

江苏科技大学本科毕业论文

高速无人艇设计与运动性能初步分析

The design of high-speed unmanned craft and preliminary analysis

of motion performance

毕业设计（论文）题目： 高速无人滑行艇设计与运动性能初步分析

一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等） (1) 针对高速无人滑行艇的设计特点及性能要求等开展调研分析，了解研究动态，重点关注滑行艇运动性能预报及流体动力的计算方法与相关公式，并撰写综述报告； (2) 开展无人艇初步设计，确定主尺度、主要参数，以及其他功能模块； (3) 在此基础上，利用Maxsurf软件完成高速无人滑行艇的设计及流体性能的初步计算分析； (4) 以滑行艇前进、升沉及纵摇运动为目标开展滑行艇流体性能的初步分析，并考虑风载荷因素建立滑行艇三自由度运动预报模型； (5) 编制运动预报程序，开展滑行艇三自由度运动预报，分析高速滑行艇的运动特点； (6) 完成相关内容的外文翻译一篇； (7) 撰写毕业论文。

二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等） 1. 毕业设计论文一份； 2. 滑行艇三自由度运动预报程序一套； 3. 外文译文一篇。 三、完成日期及进度 自2010年4月12日起至 2009年6月18日止 进度安排： 4.12-4.18 查阅资料、撰写综述报告 4.19-4.25 完成滑行艇的方案设计 4.26-5.9 利用Maxsurf软件完成滑行艇的流体性能初步计算 5.10-5.23 建立滑行艇三自由度运动预报数学模型 5.24-6.6 编制程序，开展滑行艇运动性能预报 6.7-6.13 整理论文、打印 6.14-6.18 毕业答辩 四、同组设计者（若无则留空）：

五、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）: 1.盛振邦，刘应中.船舶原理（上下册），上海交通大学出版社，2003 2.吴秀恒.船舶操纵性与耐波性，人民交通出版社，1999 3.陈书海，近海攻击利器-高速攻击艇，国防工业出版社，2004 4.黄彩虹，军用快艇，人民出版社，1996 5.董祖舜，快艇动力学，华中理工大学出版社，1991 6.邵世明，高速艇动力学，上海交通大学出版社，1990 7.蒯挺适，军用快艇设计基础知识，国防工业出版社，1992 8.奚伟.翼滑艇运动智能控制仿真初步研究，江苏科技大学硕士论文，2006年 系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管领导： （签章） 年 月 日 江苏科技大学本科毕业设计（论文）

摘 要

高速无人滑行艇具有高速、隐身、智能等优点，因而能够用于灵活作战，目前，国外已有多种水面高速无人艇应用于军事领域，特别是以美国为代表的西方国家已将其列为重要的发展方向；国内在水面高速无人艇技术方面的研究还处在初级阶段，近年来研制出的无人驾驶船也只是应用于探测天气，为了更好低完善我国海军作战体系，带动相关军工业的发展。

本文进行的主要工作有：

一、 针对目前国内外的高速无人艇研究发展现状展开了调查研究，并对我国

目前滑行艇阻力、稳性、耐波性和新艇型的开发进行简单的介绍。 二、 从任务需求出发，结合现有条件，利用Maxsurf软件进行单体滑行艇模

型的设计，并对模型进行了流体性能的初步计算分析。

三、 进行了推进器的设计，并对喷水推进器的种种要素对各个性能的影响进

行了分析。

四、 以滑行艇前进、升沉及纵摇运动为目标开展滑行艇流体性能的初步分析。 五、 建立了船前进、升沉、纵摇三自由度运动数学模型，开展了滑行艇三自

由度运动预报，分析了高速滑行艇运动特点。

关键词：无人滑行艇 性能分析 三自由度运动数学模型 运动预报

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Abstract

Unmanned Surface Vehicle (USV) has some good properties such as high-speed, stealth, intelligence, etc, which can be used for flexible operations, currently, there are many foreign high-speed unmanned surface vessels in the military field, especially the United States as the representative of the Western countries have their as an important direction of development; domestic high-speed unmanned craft on the water technology research is still at the initial stage, developed in recent years of unmanned boat only apply detect the weather, in order to better improve our naval combat system of low, promote the development of military-industrial related. This major work carried out are:

First，A view of the current domestic and foreign research and development of high-speed unmanned craft launched a survey on the current situation, and introduce resistance, stability, seakeeping, and the development of new hull of our country current planing boat.

Second, from the mission requirements, combined with existing conditions, use of Maxsurf single planing hull model of software design, and model the performance of the preliminary calculation of fluid analysis.

Third, for the propeller design, and all the elements of water jet propulsion of individual performance was analyzed.

Fourth, in order to slide the boat forward, heave and pitch motion targeting of planing craft a preliminary analysis of fluid properties.

Fifth, the establishment of the boat forward, heave, pitch three degrees of freedom mathematical model, carried out three-DOF motion planing prediction of high-speed planing craft motor.

Keywords: unmanned planing crafts; Performance Analysis; numeral model of three

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degrees of freedom movement; report Exercise of crafts.

目 录

第1章 绪论 ........................................................................................ 1

1.1引言 .......................................................................................................................... 1 1.2课题背景 ................................................................................................................. 2

1.2.1国外发展 ...................................................................................................... 2 1.2.2国内发展 ...................................................................................................... 4 1.2.3我国对于改善阻力性能的各种特殊措施方面的研究 .............................. 4 1.2.4我国对滑行艇关于耐波性的研究 .............................................................. 5 1.2.5我国对滑行艇关于稳性方面的研究 .......................................................... 5 1.2.6我国对滑行艇新艇型的开发与研究 .......................................................... 6 1.3论文研究的目的与意义 ......................................................................................... 6 1.4论文主要内容 ......................................................................................................... 7

第2章 高速滑行艇maxsurf建模 ..................................................... 8

2.1滑行艇的maxsurf建模 ......................................................................................... 8

2.1.1单体滑行艇的主尺度 .................................................................................. 8 2.1.2单体滑行艇的maxsurf建模视图 .............................................................. 8 2.1.3利用muxsurf对艇静止在水面时基本计算 ............................................ 10 2.1.4利用Hydromax对艇静止在水面时基本计算 .......................................... 11

第3章 推进器设计 .......................................................................... 17

3.1喷水推进器的概要 ............................................................................................... 17 3.2喷水推进器较常规螺旋桨推进技术的优点 ....................................................... 17 3.3喷水推进器的工作机理 ........................................................................................ 18 3.4喷水推进器理论 ................................................................................................... 20 3.5影响喷水推进器性能的重要参数 ....................................................................... 21

3.5.1建立喷水推进器计算模型 ........................................................................ 21 3.5.2重要参数 .................................................................................................... 21

第4章 滑行艇流体性能初步分析 ................................................... 27

4.1引言 ....................................................................................................................... 27 4.2滑行艇水动力计算概述 ....................................................................................... 27 4.3滑行艇纵向受力分析 ........................................................................................... 28 4.4滑行平板的流体动力分析 ................................................................................... 29

4.4.1姆雷（Murry）法估算滑行艇的阻力 ...................................................... 30 4.5模型阻力计算 ....................................................................................................... 34 4.6滑行艇在静水中垂荡运动 ................................................................................... 38 4.7滑行艇在静水中纵摇运动 ................................................................................... 40 4.8滑行艇的纵向运动稳定条件 ............................................................................... 41

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第5章 滑行艇三自由度运动预报 ................................................... 42

5.1滑行艇纵向运动耦合方程的数学模型 ............................................................... 42

5.1.1坐标系的选取 ............................................................................................ 42 5.1.4 作用于滑行艇的非惯性类水动力（矩） ............................................... 44 5.2滑行艇所受各非惯性力（矩）的具体计算 ........................................................ 44 5.3高速滑行艇运动特点 ........................................................................................... 48

结 论 ................................................................................................ 49 致 谢 ................................................................................................ 50 参考文献 .............................................................................................. 51

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第1章 绪论

1.1引言

在过去十几年中，微电子技术、光电技术、计算机、通信、信息处理、新材料等高技术的发展,为无人机及其机载设备等提供了良好的发展条件，无人驾驶运载工具开始真正呈现复兴的势头。无人机也逐渐发展成可提供兵力倍增作战能力的系统方面过度。迄今为止，人们大多都将注意力集中在出尽风头的无人驾驶航空器（UAV）上。

确实，无人驾驶航空器既可以执行远程空中监视，也可执行有限的攻击任务，而且直升机昨晚巡逻装备表现出色，令人叹服；但与水面无人艇相比，无人驾驶航空器目前在使用和回收方面还存在巨大困难，直升机的使用费用又非常昂贵，补充装备所需费用甚至更高??而无人艇确恰恰相反。不但具有很多突出的特点，教之运用环境，无人艇更是独具特色。

所谓智能无人水面艇（USV）,就是指那些依靠遥控或自主方式在水面航行的小型无人化、智能化作战平台。它们可以通过大型舰艇携载,等到达预定地点后加以施放,也可以直接在近岸实现保护己方打击敌方的作用。无人水面艇作为一种新概念武器,较之传统水面舰艇具有一些突出的特点: ? 功能模式多样化 ? 作战行动灵活化 ? 艇体结构隐蔽化 ? 作战人员零伤亡 ? 网络作战中心化

[1]

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图1-1 美国”水虎鱼“无人拖带艇”

正是智能无人水面艇（USV）具有这么多突出特点，带动了无人艇的多向发展，它们在未来海洋国土安全发挥越来越大的作用。国内外都十分重视该领域的研究，并逐渐在军事和其他方面得到应用。

1.2课题背景 1.2.1国外发展

无人水面艇虽然被认为是一种新概念武器, 但其作战使用确可以一直追溯到第二次世界大战期间。在第二次世界大战诺曼底登陆战役期间,盟国为了实现其战略欺骗和作战掩护的目的,曾设计出一种形如鱼雷的无人水面艇,该艇上载有大量的烟幕剂,可按预先设定的航向机械地驶往欺骗海域,从而造成舰艇编队登陆的假相,同时盟军还利用大型舰艇携带其到达预定海域而后释放并引导其进入计划登陆的海滩施放烟幕,直至动力耗尽或被摧毁为止。

在二战后期,美国海军也曾研制过一系列无人驾驶火箭扫雷艇,即在小型登陆艇上加装无线电控制的操舵装置和扫雷火箭弹,用于浅海雷区作业。二战结束后至五六十年代,苏联曾研制过小型遥控式无人水面艇,用于向敌舰发动自杀式的撞击爆炸性攻击,而美国同期开发的一些无人艇则主要用于搜集海上核试验后的环境数据。由于技术上的滞后,无人水面艇的发展在后来的30年间没有大的突破。

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图1-2 美国“幽灵卫士”

直到1991 年海湾战争后,真正意义上的无人水面艇的开发才随着制导和控制技术的日渐成熟而被重新提上日程。美、法、日、以等国纷纷投入巨资发展这一装备(见表1-1) ,其作战系统也实现了由固定式向模块化的转变,作战功能也由单一的反舰、掩护编队、扫雷作战扩展到反恐、缉私、打击海盗、搜捕、通信等新兴领域。

表1-1各国无人水面艇参数表

艇 名 海上猫头鹰 斯巴达侦察兵 幽灵卫士 海虎鱼 蓝色骑士 海上斗士 保护者 尺寸/m 3 7 8 8 制造/制造国 试验时间 美国 美国 美国 美国 美国 美国 1993 2002 2003 2003 2003 2005 2005 续航力 最大航速 功 能 雷区侦察、浅海监视、海上拦截 模块化、反水雷、情报、反舰、反潜 10h/12kn45 、24h/5kn 8h/28kn >24h >24h 20~40h >24h >4000nm 3950nm 50 >40 海上警戒和防护 >40 水面靶标 >10 可水上、水下远程猎雷 50 大型攻击艇 >50 扫雷、反潜作战、摧毁水面舰艇或运送突击队 40 模块化:海上兵力保护、情报监视和侦察、反水雷战、电子战和精确打击 监视、侦察、反水雷战和电子战 近岸情报侦察与监视、电子战电子侦察 半潜式反水雷艇 喷水推进,海上情报侦察和反水雷 AN \\ WLD – 1 7 80 9 40．4 美国 以色列 2003 海星 黄貂鱼 FDS —3 OT—91 11 8 以色列 2005 以色列 2005 1999 2005 10h > 8h > 20h > 20h

40 40 12 40 8.3 法国 4.4 日本 3

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1.2.2国内发展

在水面高速无人艇方面的研究目前我国还处于起步阶段。根据相关记载相似的研究如下：1972年中华造船厂曾经建造了一艘无人遥控扫雷艇，但其技术早已经落伍。2002年我过北方某基地装备通信修理厂将一艘退役导弹快艇改装为无人遥控靶船，通过远距离的遥控指挥，实现对靶船航速、航向、灯光信号识别等要素的战术控制，2008年，中国航天科工集团公司所属沈阳航天新光集团宣布，由该集团研制成功的中国第一艘无人驾驶海上探测船“天象一号”目前正在青岛，为北京奥运会的青岛奥帆赛提供气象保障服务，目前从所见报道分析，我国对水面无人舰艇尚未进行系统的研究，还停留在对现有舰艇改装为遥控靶船任务的阶段，在真正意义上的自主航行的无人艇方面，与欧美有着非常明显的差距。

但是在刚性充气艇方面，我国有过多项相关研究。蚁口招发工程船务有限公司根据市场调查和对欧美90年代充气艇的充分研究，依据海上救生艇的设计要求和制造工艺要求，于1996年制定了“小鲸”牌充气艇系列和充气艇制造的企业标准，并于年末成功作出了一批样艇和完成试航性能测定。随着中国的崛起，特别是2000年北京取得奥运会的申办权之后，使用国产刚性充气艇的呼声很高。上海和福建曾经有船厂尝试生产刚性充气艇，结果因为关键的技术和材料没有过关而失败了。到了2004年初北京准备接棒奥运，北京奥运会的工作用艇也被提到了议事日程上来。北京奥运筹办委会呼吁国人生产自己的奥运船艇，并列出了刚性充气艇这个空缺项目，希望国内有厂家能够研制生产。作为南方最大的玻璃钢船生产企业江龙船舶和招发船务联手制造的这一艘植入法兰西技术的刚性充气艇，从外观，内在技术，都能达到标准，可谓是一步登天[2]。

1.2.3我国对于改善阻力性能的各种特殊措施方面的研究

我国还广泛开展了对改进滑行艇阻力性能的各种附加措施的研究，井取得了不少成果．如在滑行艇上加装尾压浪板或尾楔形板[3]．文献[5]还推荐采用双楔形板，它可以比通常的单楔形板获得更好的减阻效果．文献[6]则表明其耐波性也是良好的．华中理工大学杨素珍等人研究了滑行艇底面空气润滑的减阻效果，这是在滑行艇底部通过成排小孔导入空气，使其附着底部浸湿表面，以减小摩擦阻力的措施，称之为“导风

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垫气”(SAFACUB)技术，文献[7]介绍了他们的研究成果。大量的研究集中在减少圆舭快艇阻力的措施上．很多文献都讨论了圆舭艇上加装尾压浪板的减阻效果，并分析了减阻机理．有些还利用实艇试验结果分折了尾压浪板对推进性能的影响．文献[8]进行了防溅条对圆舭快艇性能影响的研究．研究表明，在一定速度范围内，合理安装防溅条有可能使阻力下降．这与NPL的研究结论是一致的[4]。

1.2.4我国对滑行艇关于耐波性的研究

关于滑行艇在波浪中运动性能预报方面，在zanin的非线性运动方程的基础上，哈尔滨船舶工程学院的戴仰山等人提出了在规则波与不规则波中运动与弯矩预报方法．预报同时采用频域与时域两种方法计算，通过对系列62模型的计算．并将结果与Fridsma的试验结果进行了比较，表明在中等海况下．当航速不太高时(V/≤4)运动响应预报与试验结果符合得较好，垂向加速度则稍差．其变化规律尚一致，而阻力增值则差别甚大。当波高很大或航速很高(V/≤ 6)时，误差较大，这可能是由于非线性影响甚强所致。同时计算还表明．频域与时域计算结果的误差是相当的．从而说明在中等海况及中等速度下．采用频域计算是可行的。对于大波高及高航速时的强非线性影响目前尚无足够精度的预报方法．关于圆舭快艇在波浪中的运动性能预报，海军工程学院的彭英声和董祖舜采用切片法KKJ法和STF法)对Fn ≤ 0.85的圆舭快艇作了计算，并将结果与模型试验结果进行了比较 。结果表明，即使对于如此高的航速．采用切片法预报纵向运动，仍可以获得相当满意的结果．因此目前在中国．对圆舭快艇在波浪中的纵向运动响应仍普遍采用切片法。CSSRC的顾懋祥等在计算砰击响应时计及了水弹性的影响．并采用时域方法，这样可以更详细地显示砰击的作用时机及范围．但计算量显著地增加了。

此外，采用防溅条，或首压浪条以及尾压浪板等也可在一定程序上改善耐波性。

1.2.5我国对滑行艇关于稳性方面的研究

在滑行艇的交船试航中偶有发现静水中正直漂浮的艇在高速航行时产生横倾的现象．经检查发现是由于艇体左右不对称引起的，有的艇虽然艇体各部分的尺寸均在公差允许范围之内，但误差均为同向，其影响叠加后就可能使艇倾斜．这类情况在实用中是不难解决的，最简便的办法是改变舭防溅条尺寸以进行调节。但也有些艇并未

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发现有不对称超差而航行时倾斜，武汉船舶设计所李国佩等人对此进行了研究[4]，他们的研究表明，有些艇在高速航行时，底都会出现负压区，正是这一负压区．引起负扶正力矩使稳度下降，造成横顺。这就给艇底请行面形状设计提出了附加要求，当然对此尚需进一步深入研究。

海军工程学院的张纬康等研究了滑行艇及圆舭快艇回转时的横烦及稳性问题，提出了回转时横倾角估算公式，井进行了实艇检验。

1.2.6我国对滑行艇新艇型的开发与研究

鉴于常规滑行艇耐波性不足，使用范围受到很大限制．因此开发滑行新艇型，以提高其耐波性就成了滑行艇发展的趋势。哈尔滨船舶工程学院的苏永昌， 赵连恩等研究开发了新式槽道型滑行艇[4]。

此外，CSSRC及上海沪东造船厂都对深V型艇型进行了研究，文献[9]介绍了深 型艇的性能与设计特点。

1.3论文研究的目的与意义

目前在我国研究高速水面无人艇具有十分重大的意义：

第一：为顺应现代武器发展的历史潮流，我国开展满足不同战术使命需求的高速无人水面艇已迫在眉睫，现代武器系统正朝着智能化、无人化等方面结构设计，无人艇正顺应这个发展趋势。目前水面无人艇正处在飞速发展阶段。无人艇已被公认为未来争夺信息优势，实施精准攻击，完成战场特殊任务的重要手段之一，西方国家都十分重视该领域的研究，并逐渐在军事和其他方面得到应用。

第二：无人水面艇作为一种新概念武器，与一般舰艇相比有着得天独厚的优势，它费用比较低，应用广泛，顺应发展潮流。且能与大型舰艇相互配合，协同作战，因此我国针对无人水面艇的研究、发展已到刻不容缓的程度。

第三，研制和开发水面高速无人艇也是维护国家统一、保卫国家主权的需要。我国是世界上唯一一个没有实现国家统一的大国，为维护国家统一的台海战争爆发的可能性始终存在。水面高速无人艇系统的建立，将在未来可能的台海战争中为大部队登录扫清海上障碍、建立快速海上通道以及快速布置多个水面信息站点，进行网络、电子干扰、信息中继以集群方式对重点目标进行控制。发挥不可比拟的作用[2]。

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第四，未来战场是信息战，无人艇在这个领域中也有它的很多优势：无人水面艇在“军事欺骗”任务中实现佯动掩护；无人水面艇在“实体摧毁”目的下完成对敌杀伤；无人水面艇在“网电一体战”环境下进行组网联通；无人水面艇在“指挥控制战”模式下完成编队指控??

第五，无人艇其成本较低，风险比较小，可大批量装备海军，以较低的成本迅速弥补我军在非对称作战体系中的不足，提高我军在海上的作战能力。如果形成产业规划还能带动某一地区的经济发展，为我国的经济发展供出一份力量。

1.4论文主要内容

本论文主要内容有：

（1）针对高速无人滑行艇的设计特点及性能要求等开展调研分析，开展无人艇初步设计，确定主尺度、主要参数，以及其他功能模块。

（2）在此基础上，利用Maxsurf软件完成高速无人滑行艇的设计及流体性能的初步计算分析；

（3）高效节能特种推进器的选定，以及优化推进器，改善推进效率。 （4）以滑行艇前进、升沉及纵摇运动为目标开展滑行艇流体性能的初步分析，并考虑风载荷因素简历滑行艇三自由度运动预报模型；

（5）编制运动预报程序，开展滑行艇三自由度运动预报，分析高速滑行艇的运动特点。

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第2章 高速滑行艇maxsurf建模

2.1滑行艇的maxsurf建模

2.1.1单体滑行艇的主尺度

滑行艇长L=6.00m 滑行型宽B=2.08m 滑行型深D=1.60m 设计吃水t=0.48m

静止在水中的满载排水水量Δ=1.85t

2.1.2单体滑行艇的maxsurf建模视图

图2-1四个视窗的模型截图

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图2- 2 纵剖面图

图2-3横剖面图

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图2-4半宽水线图

图2-5立体视图

2.1.3利用muxsurf对艇静止在水面时基本计算

排水量Displacement:1.85t 水线之下容量Volume:1.81m3

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进水深度Immersed depth:0.48m 设计水线长Lwl:5.38m

水下湿表面积Waterplane area:5.87m2 棱形系数Cp:0.608 方形系数Cb:0.455 中横剖面系数Cm:0.772 水线面系数Cwp:0.71 浮心高度KB

0.299m

每厘米吃水吨数TPc:0.06t/cm 每厘米纵倾力矩MTc:0.019t.m

2.1.4利用Hydromax对艇静止在水面时基本计算

用Hydromax建模分析计算，得到如下报告： Loadcase - Loadcase1（计算状态） Damage Case - Intact Free to Trim

Relative Density (specific gravity) = 1.025; (Density = 1.0252 tonne/m^3) Fluid analysis method: Use corrected VCG Item Name Quantity Weight Long.Artonne m m Vert.Arm m Trans.Arm m FS Mom. tonne.m Lightship 1 Total Weight= 0.9250 2.760 760 FS corr.=0 VCG fluid=0.064 0.064 0.000 00 0.000 0 0.9250 LCG=2.VCG=0.064 TCG=0.0FSM Type

Heel to Starboard degrees Displacement tonne Draft at FP m 0.335 0.293 11

-30.0 0.9250 -20.0 0.9250 -10.0 0.9250 0.271 0.0 0.9250 0.264 10.0 0.9250 0.271 20.0 0.9250 0.293 江苏科技大学本科毕业设计（论文）

Draft at AP m WL Length m Immersed Depth m WL Beam m Wetted Area m^2 Waterpl. Area m^2 Prismatic Coeff. Block Coeff. LCB from Amidsh. (+ve fwd) m VCB from DWL m GZ m LCF from Amidsh. (+ve fwd) m TCF to zero pt. m Max deck inclination deg Trim angle (+ve by stern) deg 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 -0.381 30.0 -0.251 20.0 -0.122 10.0 0.000 0.4 0.122 10.0 0.251 20.0 -0.121 -0.356 -7.316 -0.118 -0.245 -7.354 -0.115 -0.125 -7.383 -0.113 0.000 -7.393 -0.115 0.125 -7.383 -0.118 0.245 -7.354 0.335 4.875 0.357 1.360 5.571 4.794 0.584 0.381 -7.240 0.293 4.897 0.341 1.357 5.585 4.781 0.589 0.398 -7.240 0.271 4.889 0.321 1.369 5.621 4.814 0.594 0.420 -7.239 0.264 4.861 0.309 1.374 5.635 4.831 0.599 0.437 -7.239 0.271 4.889 0.321 1.369 5.621 4.814 0.594 0.420 -7.239 0.293 4.897 0.341 1.357 5.585 4.781 0.589 0.398 -7.240

Heel to Starboard degrees Displacement tonne Draft at FP m Draft at AP m WL Length m Immersed Depth m WL Beam m Wetted Area m^2 Waterpl. Area m^2 Prismatic Coeff. Block Coeff. LCB from Amidsh. (+ve fwd) m VCB from DWL m GZ m LCF from Amidsh. (+ve fwd) m TCF to zero pt. m Max deck inclination deg Trim angle (+ve by stern) deg 12

30.0 0.9250 0.335 0.335 4.875 0.357 1.360 5.571 4.794 0.584 0.381 -7.240 -0.121 0.356 -7.316 0.381 30.0 0.0 40.0 0.9250 0.403 0.403 4.811 0.365 1.402 5.630 4.913 0.576 0.367 -7.239 -0.121 0.460 -7.281 0.518 40.0 0.0 50.0 0.9250 0.505 0.505 4.677 0.358 1.539 5.875 5.261 0.567 0.350 -7.235 -0.116 0.571 -7.259 0.674 50.0 0.0 60.0 0.9250 0.671 0.671 4.475 0.328 1.610 6.256 5.617 0.559 0.382 -7.226 -0.105 0.714 -7.218 0.817 60.1 0.0 70.0 0.9250 0.926 0.926 4.223 0.296 1.479 6.416 5.425 0.589 0.489 -7.211 -0.103 0.836 -7.133 0.862 70.1 0.0 80.0 0.9250 1.460 1.460 4.458 0.341 1.352 6.384 5.008 0.577 0.439 -7.193 -0.114 0.906 -7.083 0.877 80.0 0.0 江苏科技大学本科毕业设计（论文）

Heel to Starboard degrees Displacement tonne Draft at FP m Draft at AP m WL Length m Immersed Depth m WL Beam m Wetted Area m^2 Waterpl. Area m^2 Prismatic Coeff. Block Coeff. LCB from Amidsh. (+ve fwd) m VCB from DWL m GZ m LCF from Amidsh. (+ve fwd) m TCF to zero pt. m Max deck inclination deg Trim angle (+ve by stern) deg 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.877 90.0 0.853 100.0 0.797 109.9 0.703 119.9 0.577 129.9 0.430 139.9 -0.131 0.917 -7.048 -0.147 0.872 -7.035 -0.159 0.778 -7.015 -0.163 0.647 -7.012 -0.161 0.488 -7.043 -0.152 0.313 -7.093 0.9250 N/A N/A 5.144 0.440 1.231 6.375 4.627 0.529 0.323 -7.175 0.9250 -0.105 -0.105 5.670 0.514 1.110 6.324 4.253 0.516 0.279 -7.161 0.9250 -0.620 -0.620 5.969 0.558 0.994 6.311 3.995 0.529 0.272 -7.154 0.9250 -0.860 -0.860 5.979 0.574 0.918 6.357 3.876 0.567 0.286 -7.157 0.9250 -1.015 -1.015 5.951 0.563 0.879 6.449 3.882 0.610 0.307 -7.168 0.9250 -1.130 -1.130 5.934 0.525 0.882 6.642 4.052 0.655 0.328 -7.186 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 140.0

Heel to Starboard degrees Displacement tonne Draft at FP m Draft at AP m WL Length m Immersed Depth m WL Beam m Wetted Area m^2 Waterpl. Area m^2 Prismatic Coeff. Block Coeff. LCB from Amidsh. (+ve fwd) m VCB from DWL m GZ m LCF from Amidsh. (+ve fwd) m 13

150.0 0.9250 -1.221 -1.221 5.924 0.463 0.932 6.978 4.446 0.707 0.353 -7.208 -0.136 0.133 -7.158 160.0 0.9250 -1.295 -1.295 5.920 0.372 1.060 7.606 5.229 0.773 0.386 -7.231 -0.114 -0.031 -7.243 170.0 0.9250 -1.349 -1.349 5.919 0.263 1.398 9.062 6.978 0.876 0.415 -7.248 -0.083 -0.133 -7.399 180.0 0.9250 -1.357 -1.357 5.920 0.259 2.031 10.717 8.788 0.871 0.290 -7.250 -0.055 0.000 -7.543 江苏科技大学本科毕业设计（论文）

TCF to zero pt. m Max deck inclination deg Trim angle (+ve by stern) deg 0.0 0.0 0.0 0.0 0.277 150.0 0.139 160.0 0.073 170.0 0.000 179.5

Graph:

1Max GZ = 0.92 m at 87 deg.0.750.5GZ m0.250-0.25-0.504080Heel to Starboard deg.120160 2.1.4.1大倾角稳性(横倾)

Resultes:

14

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Graph:

2.1.4.2平衡分析

Resultes:

15

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Graph:

2.1.4.3垂向静水力

Graph:

16

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第3章 推进器设计

3.1喷水推进器的概要

喷水推进装置的研究可以追溯到300多年以前，1661年Toogood与Hayes就获得了英国的专利。此后有关喷水推进装置的研究一直没有停止过。国际上有不少专门组织机构科研单位对喷水推进器喷水推进装置以及影响喷水推进性能的各种因素做了大量的研究和试验使喷水推进技术近几十年来有了突破性的发展.喷水推进已被广泛采用在高性能舰船上.为满足特殊用途和高性能需要一些新型喷水推进器及装置也相继出现。

英国皇家造船工程学会分别于1994 年1998 年2001 年和2004 年组织并召开了国际喷水推进会议，这是专门交流近期世界各国喷水推进研究成果的国际性学术会议。[10]

20世纪70年代以来喷水推进泵的水平有了较大的发展，主要体现在一下三个方面

[11]

：

1. 泵的比转速范围增加

50年代的轴流泵比转速范围是500-1000，而20世纪60年代轴流泵比转速达到1600仍有很高的效率，而到了70年代轴流泵比转速可以高达3000，这对于采用轻型高速主机是有利的。

2. 泵的汽蚀比转速增加

泵的汽蚀比转速定义为，其中Hr为汽蚀余量，它反应了泵的空泡特性，通常C值在800-1100的范围，在泵前串联诱导轮后可以使C值高达3000。

3. 泵的功率增加

20世纪60年代末，单泵组的功率多为二三千瓦，而1975年交付试验的PHM导弹水翼艇单泵组功率达到11900kW（16200马力），瑞士研制的PT250水翼艇单泵组功率达到20600kW（28000马力）。

3.2喷水推进器较常规螺旋桨推进技术的优点

a) 推进效率高

17

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传统的螺旋桨在旋转时不仅产生推力，而且产生无用的扭矩。在航速较高时，螺旋桨还容易产生空泡，从而导致效率损失。而喷水推进装置的导管起到了分割流场，产生推力增值的作用，可以达到更高的效率。

b) 操纵性好

喷水推进船舶的操纵不需要改变主机转速，而主要依靠改变喷射水流方向来实现船舶的转向和倒航。因而，在一定的主机转速下，喷水推进船舶可以做到无级变速、驻航和倒航。如果采用双机双桨，还可以实现船舶横移。

c) 噪声低

噪声低喷水推进装置的动叶轮在泵壳内均匀流场中工作，可推迟空泡的产生，从而减小叶片的振动和噪声。而且，由于喷水推进装置的传动结构简单，可明显减低内部噪音，船体振动量也会有所降低。

3.3喷水推进器的工作机理

喷水式舰船推进装置包含有吸水装置、输水装置和喷水装置。吸水装置位于舰船的首部，含有吸水口、吸水口防护罩、吸水口开关，吸水口开设在舰船的首部，吸水口防护罩罩住吸水口的开口部分，联接在舰船的壳体上，吸水口开关的进水端联接吸水口的收口端，其出水端与输水装置中的输水管的前端相联，增压泵的出水端与增压输水管的前端相联。输水装置中的增压泵可为一个或多个，视舰船的长度、大小和增压的实际需要配置，若为多个，则从第一级到最后一级依次串联（一个增压泵为一级增压，多个增压泵则为多级增压）。喷水装置位于舰船的尾部，含有喷水机、调向阀门、正向喷头及开关、逆向喷头及开关，喷水机的进水端与增压输水管的出水端相联，其出水端与调向阀门的进水相联，调向阀门的两个出水端分别与正向喷头开关的进水端相联，正向喷头的出水端伸出舰船尾部正面壳体，出水喷射入承载舰船的后面水体中，逆向喷头的出水端伸出舰船尾部侧面壳体，出水喷射入承载舰船的侧面水体中。

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图3-1喷水推进装置工作流程示意图

吸水装置、输水装置、喷水装置依次联接共同构成一套完整的喷水式舰船推进装置，吸水口、增压泵、喷水机、调向阀门等是其中的关键部件，吸水口呈喇叭型，开口端与舰船首部的壳体相联，利用舰船首部壳体曲成半开放的集水凹槽，凹槽迎水面有防护罩，吸水口的收口端位于舰船壳体内，与吸水口开关的进水端相联。吸水口此种设计既有利于增压泵主动吸水，又有利于消减舰船首部的兴波阻力。增压泵包含有泵体、叶轮、轴和动力，叶轮装在轴上，轴与动力相联。喷水机含有机壳、喷射轴和动力，喷射轴为锥状螺旋体，安装在锥状机壳内并与动力相联。喷水机的主要功能是产生高压高速水流，通过喷头喷射而出，使舰船获得强大的反冲动力。调向阀门含有球形阀体、球弧形阀瓣、圆柱形阀轴、进水端、正向出水端、侧向出水端、底座，阀瓣紧套在阀体内，通过阀轴转动改变出水方向，在关闭侧向出水端的同时开启正向出水端，或在开启侧向出水端的同时关闭正向出水端，使来自喷水机的高压水流或从正向喷头喷出，或从逆向喷头喷出，从而使舰船或前进、或转向、或倒退，达到调向目的。喷水式舰船推进装置中的吸水口开关和喷头开关（包括正向喷头开关和逆向喷头开关）主要因安全考虑而设置，为直通式开关，这些开关一旦关闭，即可阻止外界水体进入喷水式舰船推进装置，有利于设备的随时维修。

喷水式舰船推进装置中的吸水装置、输水装置、喷水装置依次联接安装在舰船壳体的底面上。具体到每一艘喷水式舰船，可以根据实际需要组成一套或数套喷水式舰船推进装置，按照合适的规格和结构方式，组合成实用的喷水式舰船推进装置，按照合适的规格和结构方式，组合成实用的喷水式舰船推进系统。

喷水式舰船的操纵简便灵活，利用动力系统调速，利用调向阀门调向，可实现无舵操纵。与传统的有舵操纵的螺桨式舰船相比，无舵操纵的喷水式舰船的机动性能要强得

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多，而且减少了许多不必要的能量和功率损耗，其潜在的经济价值和军事价值不可低估。

3.4喷水推进器理论

喷水推进系统的理想推力为Ti,则Ti应等于单位时间内动量的增量

Ti,=

则有效功为Ti，而输入功为动能的增量，即因此理想效率有

为喷射速度与来流速度之比，即一般来说>，>1，<1，只有当=时=1。对于喷水推进器能量损失为

此损失可称为损射损失。

在实际流体中，喷水推进系统有多种损失，主要是管道系统和泵自身都有水力损失。

设原动主机的功率为Np，水泵连轴节处的传送效率为，则推进泵的收到功率是

水泵的主要作用是把机械能变为水力能，主要参数是流量Q和杨程H,因此，水泵的输出功率为, 水泵的效率为

管道系统在输入的功率后，输出推动船前进的功率为。因此，管道系统效率为

喷水推进系统的推进效率为。

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3.5影响喷水推进器性能的重要参数 3.5.1建立喷水推进器计算模型

图3-2 加导叶喷水推进器计算模型

喷水推进模型包括进水段、动叶轮区域、导叶区和出水段，其中动叶轮和导叶的数目分别为：6个和7个，轮毂比为0．4，进口直径为200 mm，转速为1 450 r／min．该叶轮模型以X轴为旋转。

3.5.2重要参数

1、叶片安装角

当改变喷水推进的叶片安装角时，性能曲线也要随之变化。在一定转速下，把各个叶片安装角所对应的性能曲线包括H—Q曲线、一Q曲线和N—Q曲线绘制在同一张图上，便得到喷水推进的通用特性曲线[12]。

喷水推进在最佳工况时叶片的装角度西角作为零度，叶片可向正的方向转动，即函角为正值，冲角加大；也可向负的方向转动，垂为负值，冲角减小．正角为叶片安装角增大的方向，流量增大；负角为叶片安装角减小的方向，流量减小．分别计算了叶片安装角为一4o、一2o、0o、+2o、+4o 的喷水推进在不同流量工况下的性能曲线见图3-5、3-6、3-7。随着叶片角度的增大，扬程、功率逐步增加。小流量工况时，负叶片安装角效率较高，当流量增大，安装角越大，效率越高。可见运行中叶片安装

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角在一定范围内调整可以扩大喷水推进的高效工作区。

图3-5不同叶片角时的流量--扬程性能曲线

图3-6不同叶片角时的流量--功率性能曲线

图3-7不同叶片角时的流量--效率性能曲线

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2、轮毂比

喷水推进的轮毂比d为叶轮轮毂直径d与叶轮外径D的比值(d=d／D)。轮毂比是一个重要的结构参数，对喷水推进性能的影响很大。不同比转速的模型泵，流量基本相同而扬程相差很大，轮毂比起了很大的作用。由图3-8、3-9、3-10可以看到，小流量工况下，轮毂比为o．45时扬程较大，但是随着流量增大，轮毂比为O．35的喷水推进扬程很快超过轮毂比为o．4和o．45的喷水推进。从小流量到较大流量，轮毂比为o．35的喷水推进功率最大，轮毂比为o．4的次之，轮毂比为O．45的最小。在小于设计流量附近的工况下，轮毂比为o．45的喷水推进效率最大，轮毂比为O．4的次之，轮毂比为O．45的最小。当流量大于设计流量附近区，轮毂比为o．35的喷水推进效率最大，轮毂比为o．45的喷水推进效率随着流量的增大下降非常明显．总体来看，设计轮毂比为o．4的喷水推进高效范围区较大。

图3-8不同轮毂比时的流量一扬程性能曲线

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图3-9不同轮毂比时的流量一功率性能曲线

图3-10不同轮毂比时的流量一效率性能曲线

另外，比转速低的喷水推进，叶轮的叶片数较多，考虑强度和便于安装，以及对性能参数上的要求，轮毂比d要取大值；反之，轮毂比取小些。要特别注意的是，轮毂比减小受到结构强度方面的限制。此外，对于动叶可调节喷水推进，考虑叶片调节机构在轮毂体内的布置，轮毂比要适当取得大一些。

3、叶片数

合理的选择叶片数Z对喷水推进的性能影响是显著的。通过改变喷水推进的叶片数，研究叶片数对喷水推进性能的影响．由于只改变叶片数，反映的是叶栅稠密度的变化，故其他参数均保持不变。为了便于比较，计算过程中，导叶保持不变．在设计转速咒---1 450 r／min下，对叶片数Z一3、4、5、6、7、8的性能进行计算比较，如图3-11～3-12。

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图3-11同叶片数时的流量一扬程性能曲线

图3-12同叶片数时的流量一功率性能曲线

图3-13不同叶片数时的流量一效率性能曲线

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数值模拟的结果表明[12]：

1)随着叶片数的增加，扬程、功率和效率都逐渐增加，其中效率变化较缓，一般在1％左右。可见，叶片数的变化对喷水推进效率影响不大。

2)喷水推进的叶片数从3叶变化到8叶的过程中，流量一扬程曲线在大流量趋于一点，这是由于大流量时，叶型趋于单翼型绕流，因为动叶轮的翼型是一样的，大流量时，必然趋于一点，叶片数越多(即z／￡越大)，Q—H曲线斜率越大，曲线越陡，最大扬程增高，6种叶片数最高效率点流量基本不变。

3)由图11可以看出扬程、功率和效率增加的幅度随着叶片数的不断增加逐渐变小．当叶片数增加到8时，喷水推进的扬程、功率相对于叶片数为7时都开始下降，特别在大流量工况下，叶片数为8时，效率出现大幅下降。这是因为，叶轮旋转过程中，相邻叶片的相互干扰产生了涡流，叶片数的增加加剧了涡流的产生，这将引起叶栅升力系数的下降，并使流道内的流动损失迅速上升。当叶片数增加到一定个数时，由于摩擦面积增大，能量损失增加，扬程、效率将会逐渐下降．当然，如果叶片数过少，由叶片的基本方程式可以看出，每个叶片的负荷增大，从而使流动性能变坏，导致喷水推进的扬程、效率降低，这从叶片数为3时的性能曲线可以看出。

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第4章 滑行艇流体性能初步分析

4.1引言

宇宙间，从微观领域到宏观领域的万物，其再复杂的运动都可以用六自由度运动耦合方程来描述。船舶当然也不例外。

现假设某一船的航行状态： A. 静水中； B. 直航； C. 无转向；

D. 无横向外力或者横向外力矩扰动。

则在上述“理想情况”下，该船就不会有横向的线速度和角速度，也就不会产生横荡、艏摇与横摇。换句话说，在理想状态下，横荡、艏摇与横摇这3种横向运动可以跟纵荡、升沉和纵摇这3种纵向运动解耦。

在上述4条假设的基础上，如果再假设： E. 没有纵向外力或者纵向外力矩扰动。

则船在这种“理想状况”下也不会产生升沉和纵摇，而是将保持某一航速以稳定的航态继续直航。

然而，对于滑行艇这类非常规变排水量船来说，其运动特性决定了推进、升沉和纵摇这3种纵向运动是它本身所固有的，不可能像上述假设的那样通过创造所谓的“理想状况”来加以避免；而且这3种运动要么一个都不产生，要产生的话必然同时产生；也就是说它们不仅不能解耦，而且还是强解耦的，分开单独考虑就反映不了滑行艇这类排水量船的航行特点。

4.2滑行艇水动力计算概述

滑行艇以排水状态航行时，其水阻力计算基本上与普通的排水航行船只相同。但当它起飞后滑行于水的自由表面上，仅部分艇底与水面接触，从而支承面和浸湿面积随速度增大而减小。此时，适用于排水航行船只的阻力计算方法对滑行艇已不适用。

进入过渡状态后，随着艇速的增加，艇首逐渐抬起，摩擦阻力成正比地随浸湿面

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积的减小而减少，此时，艇阻力的急剧增长主要是由于喷溅阻力和兴波阻力的增大而引起。过渡状态阶段的阻力曲线呈驼峰形状。处在阻力峰值区域航行的艇是不经济的，对动力装置和推进装置的运行带来不利影响。所以，设计良好的艇大都避开这个阻力峰区。当运动速度达到> 3时，艇首抬出水面并开始沿自由表面滑行，艉纵倾减小，阻力越过峰值后迅速下降，这是由于除摩擦阻力减小外，兴波阻力也减小了[13]。

滑行状态是指艇越过起飞阻力峰以后的航行状态。但严格地讲，只有少数赛艇能达到全滑行状态，大部分的实用艇仍然处于“亚滑行状态”。此时，艇的大部分重量依靠艇底水流产生的流体动举力来支撑，排水体积产生的浮力只占很小一部分。对滑行艇来说，其速度有一个下限：当用傅汝德数来衡量时，A．B．Marry认为FrB> 2可作为滑行速度的下限。

4.3滑行艇纵向受力分析

静止时

滑行艇静止时只受铅垂向下的重力mg和铅垂向上的浮力BH，并且由于要满足静平衡，所以我们很容易就知道BH等于mg，且两者的作用点G和B在同一条铅垂线上（见下图4-1）

图4-1滑行艇静止时受力

航行时

当主机开始发出动力，逐渐使艇有了航速u，由于艇体前部的所受水压力，产生一个向上的升力，使艇升高了某一段距离；又因为这个升力对艇的重心有一水平力臂，所以产生一个力矩，使艏部向上转动了某一个角度。那一段距离的升高和那一个角度的转动，改变了艇的状态，使得艇的排水体积变了，从而浮力也变了；同时，艇体后部的滑行面由于跟着艇艏绕重心转动了那一角度，所以也产生了升力。而且，这些力

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的产生或改变都引起了力矩的产生和改变。从而引起了升沉和纵摇，升沉和纵摇改变了艇体的排水体积和湿面积，而这两大因素的改变，直接影响了船体的直航总阻力，从而改变了航速u，u一变，又影响了升力的大小，升力变了，又跟着变，结果又间接影响了浮力。

·G Rt ·BH Tp LH Mh

图4-2滑行艇航行时受力

直到变化到某一姿态，艇体各个方向所受合外力为零，这个姿态就是动平衡点，滑行艇就会保持这一姿态，稳定的航行下去，直到下次受到外界扰动。

4.4滑行平板的流体动力分析

最简单的滑行艇是一块半浸湿的矩形平板，沿着水面以小冲角a运动，前进速度为u，其载荷为G。此时，平板上作用有垂直于平板的水动压力P和平行于平板表面的水粘性摩擦力R 。此外，作用于平板的还有平板排开水的浮力D。将水动压力P和摩擦力R 的合力Q分解成垂直于水平面的升力L和平行于水平面的阻力R ，则有：

(4.4-1)

在垂直于水平面的z轴上有力的平衡方程：

G=L+D (4.4-2) 此等式表明，艇的载荷G (相当于艇在静止吃水时的排水量△)被流体动举力和小部分浮力所平衡。正如前面所述，艇达到起飞速度后，浮力所占的比例很小。将上述

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诸力再投影到平板的平面上，得到力的平衡方程：

(4.4-3)

(3)式中的G 相当于艇在静止吃水时的排水量△，用△ 来置换G，于是得到阻力的常

见表达式

（4.4-4）

因通常不小于0．985，所以，在小冲角的情况下，取摩擦阻力部份的≈1不会引起过大误差，所以，水动阻力的表达式可以写成：

(4.4-5)

Q v P L R Rf 静水面 L

图4-3滑行平板水动力分析

4.4.1姆雷（Murry）法估算滑行艇的阻力

这个方法主要是通过一系列滑行艇平板试验，给出了几个滑行参数的具体函数关系、分别为：

（1）滑行面压力中心位置的函数关系：

?/l?K?n （4.4-6）

式中

K?f(???)?0.84?0.015??m （4.4-7）

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