摘 要：为了减小赛艇航行中所受摩擦阻力，以改善其水动力学性能，提高运动员比赛成绩，提出了一种符合国际艇联规定的新型减阻技术.采用高压空气喷涂工艺，将涂料喷涂到赛艇表面，涂料固化后形成聚合物涂层.在深水拖曳水池中，分别对常规水力学光滑的赛艇和涂敷聚合物涂层的赛艇进行了阻力测试.测试结果表明，与常规水力学光滑的赛艇相比，涂敷聚合物涂层的赛艇所受摩擦阻力有所下降；随航速提高，摩擦阻力下降的绝对值呈增长趋势，聚合物涂层的减阻效果更加明显.
关键词：赛艇；聚合物涂层；拖曳水池；减阻
0 引言
赛艇运动，作为一种竞技类水上体育运动，已逐渐为人们了解和关注.赛艇的阻力特性，是影响赛艇运动成绩的重要因素之一.为了提高比赛成绩，现代流体力学方法已被用于赛艇水动力性能的研究.赛艇在航行过程中所受的阻力，可分为摩擦阻力、压差阻力和兴波阻力.各阻力的大小均随航速变化而变化，且变化率各不相同，因此各阻力在总阻力中所占比重也随航速而变化.根据Scrag[1]和Tuck[2]的研究结果，赛艇的粘性阻力（包括摩擦阻力和压差阻力）可以达到85%~90%；葛新发[3]的研究结果表明，在3m/s~5.5m/s的正常航速条件下，单人赛艇的兴波阻力不足7%，而摩擦阻力则占总阻力的87%以上.因此，有效减小赛艇行进中所受摩擦阻力，对于改善赛艇水动力学性能、提高比赛成绩意义重大.
对于减小赛艇表面摩擦阻力的问题，国外尽管已进行了较多的研究，但由于技术保密等原因，其研究成果少见发表.在1984年洛杉矶奥运会和1987年美洲帆船赛上，美国曾将条纹薄膜减阻技术用于划艇和帆船比赛中.2005年，上海市水上运动中心和中国科学院兰州化学物理所等单位，联合研制出一种适用于淡水环境中的减阻剂，该减阻剂通过手工或机械擦涂工艺涂敷于船艇底部，形成纳米膜，可降低摩擦阻力1%~1.5%[4].然而，根据国际赛艇联合会（FISA）的最新规定[5]，赛艇表面不得使用能改变水和水的表层自然状态的任何物质或结构（如肋条等），该规定明确对肋条、减阻剂等现有减阻技术进行了严格限制.因此，有必要研制符合相关规定的新型减阻技术.
本文采用高压空气喷涂工艺，在赛艇表面制备了一种具有二元复合形貌结构的永久性聚合物涂层.在深水拖曳水池中，分别对常规水力学光滑的赛艇和涂敷聚合物涂层的赛艇进行了阻力测试.测试结果表明，聚合物涂层具有一定的减阻效果.
1 聚合物涂层的制备
采用高压空气喷涂工艺，实现赛艇表面聚合物涂层的制备.喷涂所用涂料是由溶剂、微米级金属颗粒、氟碳树脂、低表面能助剂和固化剂等组分构成的混合体系.将上述各组分按一定质量比依次添加并分散均匀，静置熟化15min~30min，即可用于喷涂.喷涂前，对常规水力光滑的赛艇表面进行打磨处理，以保证聚合物涂层在赛艇表面的附着力；同时，在艇身吃水线以上位置，粘贴尺寸为80mm× 40mm×5mm、与艇体材料相同的平板试样，以便对固化后聚合物涂层的表面形貌进行观察和测量.
涂料喷涂在自行研制的自动化喷涂平台上进行，其示意图如图1所示.喷涂时，开启移动平台上的喷枪，变频电机驱动移动平台沿轨道作往复运动，移动平台的运动速度即为喷枪的走枪速度，该速度由变频调速器控制.轨道走向随赛艇外形曲线而变化，以保证在喷涂不同位置时的喷涂距离不变.利用该自动化喷涂平台，可实现对喷涂压力、喷涂距离、走枪速度、液膜厚度、环境温、湿度等工艺参数的控制.喷涂赛艇时的工艺参数如表1所示.
2 聚合物涂层的表面形貌表征
喷涂到赛艇表面的涂料，在24h内室温固化形成聚合物涂层.将涂敷有聚合物涂层的平板试样取下，在美国ADE Phase-shift公司的MicroXAMTM白光干涉三维形貌仪进行表面形貌的观察和测量，其结果如图2所示.同时，采用MicroXAMTM配套分析软件Scanning Probe Image Processor (SPIP)对涂层表面的形貌特征参数，如坑深、当量直径及分布密度等进行统计和分析，获得的结果如表2所示.
由图2(a)可知，涂层表面分布有亚毫米量级的凹坑，呈圆锥形，坑底较为尖锐.图2(b)表明，涂层表面同时还随机分布有许多微米量级的凹坑，呈上宽下窄的梯形，坑底较为平坦.表2中的表面形貌特征参数表明，涂层表面具有两个尺度的结构单元，其中一阶结构为亚毫米量级的锥形坑，二阶结构为微米量级的梯形坑，即该涂层具有典型的二元复合结构.
3 聚合物涂层的减阻性能测试
3.1 试验过程
测试所用赛艇是由富阳市富春江水上运动器材厂提供的2条同批次、同规格的单人赛艇，由碳纤维制作，赛艇表面均为常规水力学光滑.选取其中1条赛艇作对比艇，用于测试常规水力学光滑表面的阻力特性，赛艇编号为1#；另1条赛艇，经打磨处理后，在其表面涂敷聚合物涂层，用于测试聚合物涂层的阻力特性，赛艇编号为2#.
赛艇涂层的阻力测试试验，在中国船舶重工集团公司第702研究所舰船流体与结构性能检测实验室深水拖曳水池进行.试验过程中，拖车在水池两侧平直轨道上行驶，拖车通过水平钢丝带动赛艇前进.钢丝位于水线面上，其中一端和赛艇连接，另一端通过阻力仪（型号：R63，量程：200N，准确度：0.1%）和拖车连接，拖车前进速度即为赛艇速度.同时为保证赛艇直线航行，赛艇艏部和艉部均装有导航架，拖车上的导航杆保证赛艇不偏航，但赛艇可自由升沉及纵倾.每条赛艇压载时测量赛艇首尾吃水，以保证赛艇的初始航行状态一致.试验过程中测量拖车前进速度和赛艇所受静水阻力（总阻力），并进行了2~3个测点复核，以检验测量数据的重复性，保证测量数据准确可靠.图3所示为拖曳试验过程中的赛艇.
3.2 试验结果与分析
试验结果如表3所示，其中V指赛艇速度，R1、R2分别指1#、2#赛艇的总阻力.从表3可以看出，在试验速度范围内，表面常规水力学光滑的1#赛艇与涂敷聚合物涂层的2#赛艇，其阻力存在明显差异.在整个试验速度范围内，2#涂层赛艇的阻力均低于1#常规水力学光滑赛艇的阻力；在3.0 m/s的航速以内，相对于常规水力光滑赛艇所受阻力，涂层赛艇的阻力降低3%以上；在3.5m/s~6.5m/s的航速范围内，涂层赛艇阻力比常规水力光滑赛艇的阻力降低1%~2%；整个航速范围内，最大阻力下降为5 %左右.因此，在同等外形条件下，聚合物涂层具有一定的减阻效果.
从表3的阻力相差绝对值R1-R2可以看出，航速越高，涂层减阻的绝对值即阻力相差绝对值越大.这意味着在实际的比赛过程中保持较高航速时（如加速或冲刺阶段），运动员的功率损耗降低，对于节省运动员体力，提高比赛成绩是十分有利的.同时，从表3的阻力相差相对值(R1-R2)/R1可以看出，航速越低，涂层减阻的相对值即阻力相差相对值越大.这意味着在相同功率条件下，特别是在低航速的起航阶段，赛艇加速更快，从而使运动员在起航时占据一定优势.
涂敷聚合物涂层仅降低赛艇所受摩擦阻力，而不会改变赛艇所受压差阻力和兴波阻力.根据葛新发[3]的研究结果，单人赛艇航行中所受摩擦阻力在总阻力中所占的比例是随航速变化的，如图4所示.因此，根据摩擦阻力在总阻力中所占比例和涂层对赛艇总阻力的减阻率，可以推算出聚合物涂层对赛艇摩擦阻力的减阻率，如图5所示.
可以看出，在低于3m/s航速下，涂层的摩擦阻力减阻率为3.7%；在3m/s~4m/s航速下，摩擦阻力减阻率在2%以上；在4m/s~5.5m/s航速下，摩擦阻阻力减阻率为1.5%左右.试验结果表明，通过在赛艇表面涂覆具有二元复合结构的聚合物涂层，可以有效减小赛艇航行中所受摩擦阻力，即该聚合物涂层具有一定的减阻效果.在下一步的工作中，将深入探讨涂层减阻率与表面形貌之间的关系，通过优化涂层的表面形貌特征参数，进一步提高涂层的减阻性能.
4 结论
1）提出了一种用于改善赛艇水动力学性能的新型减阻技术，该技术通过采用高压空气喷涂工艺，在赛艇表面涂敷永久性聚合物涂层来实现减阻.
2）拖曳水池阻力测试结果表明，在赛艇正常航速范围内，聚合物涂层可有效降低赛艇所受摩擦阻力.与表面常规水力学光滑的赛艇相比，涂敷聚合物涂层的赛艇，更有利于运动员在起航阶段快速加速，在保持较高航速和冲刺阶段降低功率损耗，提高比赛成绩.
3）聚合物涂层的减阻效果明显，制备工艺简单，成本低廉，且符合有关赛事规定，因此，该减阻技术对于改善皮滑艇、帆船等其他船艇的水动力学性能，也有一定的借鉴意义.
参考文献略
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