书城科普读物科学伴你行——陆地漫游
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第18章 轮船时期(3)

有人曾作过计算,一艘巨轮在海上航行,如果遇到7.5万马力的海浪,海浪的一部分能量散失,一部分被反射变为较小的海浪,还有一部分不小的能量,使巨轮产生摇摆,估计这部分能量约有1.1万马力,如果能把它变为船只航行的动力,那就是一举两得,既能得到船只前进的动力,又可减轻船只的摇摆。

1980年夏,挪威的特隆赫姆船模试验所,成功地进行了用波能推动船舶的试验。这项新的试验是电力工程师埃纳·亚科布森在奥斯陆海湾完成的。

波能船有一个特殊装置,该装置是在船体下安装一根轴,轴上有10个金属活动片,类似鱼鳍。金属片在波浪的推动下,上下运动,驱动船舶前进。试验结果表明,摇动幅度达31度时,船在发动机停机的情况下,能获得每小时11海里的航速。波能船在迎浪前进时比顺波而下时的速度更快,因为迎浪前进时,浪涛对金属片的冲击力量更大一些。亚科布森设计的波能船长达50米。

目前不少国家已成功地试制了海浪动力潜艇。实验表明,一艘装有总翼面191.5平方米,长达100米的潜艇,在两米长的海浪冲击下,可以达到常规潜艇的水面巡航速度。

波能船以海浪作动力,前景非常广阔。

装上“翅膀”的快艇

滑行艇在水面航行时,艇底还有相当大的部分表面浸在水中,它影响航速的进一步提高。有人为此提出给快艇装上“翅膀”,让它能“飞”起来的设想。经过多次研究试验,便产生了水翼艇。

水翼艇的艇底形状和冲翼艇相近,不同的只是在艇底装了一副或二副水翼。水翼的形状类似飞机的机翼,其横断面通常采用圆背形或弓形,其作用原理与飞机机翼的作用原理相近。当装有水翼的艇体高速航行时,水流由水翼剖面前端流至后端时,由于水翼与水流之间有一个冲角,水流被水翼面压在下面,从而对翼面产生向上的压力。另一方面,水流经过水翼上面时,水流走的路程较远,流速较快,压力因而降低,这样,水翼就产生向上的升力。

当升力超过艇重时,就将艇体抬出了水面(或部分抬出水面),从而大大减小了水的阻力,提高了船体的航行速度。

水翼艇的分类方法很多,按水翼数目的多少可分为单水翼和双水翼;按水翼与水平面的相对位置可分为割划式、全浸式和浅浸式三种;按控制方式可分为自控和非自控;按载荷分配不同可分为鸡式和鸭式;按翼面水流产生空泡的程度可分为亚空泡和超空泡;按能否收放分为固定与收缩或转折等几种。而大多数人是以割划式、全浸式、浅浸式进行分类的。

割划式水翼具有自稳性,即在风和浪等外力干扰下产生横倾或纵倾时,能自动调节左右舷的升力或整个水翼升力,使艇体恢复平稳。但是,风浪大时,耐波性较差。一般用于内河、湖泊和沿海航行的水翼船舶上。

全浸式水翼较为先进,受波浪的干扰影响小,能将艇体的航速提高到60节左右。不过,当其浸深超过舷长时没有自稳性,必须有一套自动控制系统来保持其飞高和纵向、横向稳定性;又因吃水深且水翼伸出舷外较多而影响排水航行和靠离码头,为此需增设一套水翼上翻机构,因此结构复杂而造价高。一般用于适航性要求高的海洋水翼艇上。

浅浸式水翼介于全浸式与割划式之间,其性能、用途也介于其间。

水翼艇的艇体大多采用铝合金制造,部分采用高强度钢制造,而水翼则采用不锈钢或钛合金制造。其动力装置一般采用轻型高速柴油机或燃气轮机,大多以水螺旋桨推进,只有全浸式自控双水翼艇采用喷水推进器推进。

水翼艇具有良好的快速性。在静水中,与同吨位的排水型艇、滑行艇相比,航速最高。全浸式自控双水翼艇还具有优越的适航性,能比同吨位的其他艇型提高两级海情左右。此外,水翼艇航行时形成的尾浪和航迹较小,传入水下的噪音也较小,对附近其他船舶的影响较小。

尽管如此,水翼艇也存在一些缺点。如向大型化方向发展较困难;因受水翼空泡的限制,航速超过70节以后,再提高航速困难较大;结构复杂、吃水深、宽度大的水翼艇较难操纵。

水翼艇的应用与滑行艇相近,在民用方面,可用作轻型、高速、短途用的客船、客货船、渡船、游艇、体育赛艇、消防艇,在军用方面,可用作导弹艇、鱼雷艇、猎潜艇、巡逻艇等。

20世纪80年代以后,水翼艇正在朝大型化、高速化、水翼自动控制化、燃气轮机化、喷水推进化等方向发展。据介绍,美国正在大刀阔斧地对传统水翼装置进行改进,企图能研制出航速超过80节、1000吨级的远洋水翼船。

形似飞机的冲翼艇

冲翼艇是气垫船的一种。它是一种外型像飞机,艇体两侧有大型机翼,艇尾有大面积的空气方向舵和水平舵,靠空气螺旋桨或喷气发动机推进的船只。它利用安装在船体上的机翼贴近水面或地面飞行时所产生的表面效应升力形成气垫而支持艇重,能在水面航行或腾空低飞,又称飞翼艇。

尽管冲翼艇属于气垫船的一种,但其研制工作却比气垫船早得多,早在20世纪30年代就已经开始了,不过,就是到今天,冲翼艇仍处于试验阶段而未进入实用。

与其他船舶相比,冲翼艇有如下几个特点:(1)具有很高的航速。由于冲翼艇的艇体完全脱离水面,故其所受的阻力小,航速高,可达100~300节;(2)具有优越的适航性。冲翼艇一般离水面几米高飞行,故不受波浪或很少受波浪的影响;(3)具有良好的两栖性。能在水面、地面、雪面、沙漠、沼泽地、草原等飞行,并能飞越一定高度的障碍,比气垫船的两栖性还要好;(4)具有独特的超低空飞行性能,能在30米以内高度上飞行,比飞机的隐蔽性高得多;(5)具有较好的经济性,冲翼艇比同样重量和航速的气垫船和水翼艇所花费的主机功率小;(6)航行中的稳定性、操纵性、可靠性还不高,航程也较短。

冲翼艇的结构为飞机式,艇上的仪器大多数也来自飞机,其外壳一般为铝质。可用作导弹艇、登陆艇、护卫艇等高速攻击艇和客艇、游艇、交通艇等民用船只。

海上连理枝

所谓双体船,就是有两个并列的船体,上部由构架或连续甲板连接的船只,或者是两舷各有一至两个平衡浮筒的单体船。

显而易见,双体船比单体船的稳性好,甲板面积大,用构架连接起来的双体船,两个船体之间便于安装起重装置,这对海上救生及进行其他海上作业是极为重要的。前苏联曾成功地使用过专门打捞失事潜艇用的“公社”号双体客船。20世纪70年代,前苏联造船专家建造了“实验”号双体渔船和“休养”

号江河双体游艇,设计并开始成批生产大型海上双体船和货船。美国海军也建有两艘用于深水救生工作的双体船。

以上所讲的是传统的双体船,在20世纪60年代,一种新型的名叫半潜双体船(又称小水线面双体船)的船型受到了重视。半潜双体船是一种介于潜艇和水面船之间的特殊船型,这种船由下体、水上船体(即上体)、支柱(或称支架)三个主要部分组成。下体是两个全潜于水下、彼此平行且相对称、形状与潜艇或鱼雷相似的浮体,是半潜双体船产生浮力的主要部分。上体是一个完全高出于水面以上,形状大致像一只长方形的箱体,内部是舱室,上面是宽敞的甲板。支柱是穿透水面将上体、下体连成一体的垂直翼状体,它的内部容积可作为上下体之间的通道。每个下体可以由一个或两个,甚至多个支柱与上体相连。支柱的水线面很细瘦,但由于各支柱的水线面分散在左右前后,间隔较大,因此对于船的中线面和船长中点具有足够的面积矩,也就能够充分保证船的纵向和横向的静稳性。支柱的水下体积还提供了小部分浮力。

与其他船舶相比,小水线面双体船有如下几个特点:(1)低的兴波阻力。

双体船的湿表面积约为等排水量单体船的二倍多,所以小水线面双体船的摩擦阻力比常规单体船大一倍以上。形状阻力在较宽的速度范围内几乎保持不变,即使船型局部稍加变化也没有明显的反应。而兴波阻力则无论在船的速度和形状改变时都会非常敏感地引起变化。小水线面双体船的主要排水体积——下体完全潜于水下,支柱露出水面上的水线面积又很小,这样就有效地减少了兴波阻力。特别是高速时,它的优越性更加显露,总阻力显著低于常规的单体船。在30~50节,其阻力优于已有的水面舰船,包括水翼艇和气垫船。(2)良好的耐波性。小水线面双体船完全潜于水中的下体和它的小的水线面使海浪对它扰动力较之常规的单体船大为降低,在波浪中的运动幅度大大地小于常规的单体船,且在风浪中失速小,能保持较高的航速性能。(3)宽敞的甲板面积。随着科学技术和武器的日益发展,水面舰艇特别是巡洋舰、驱逐舰、护卫舰这一类多用途的战斗舰艇,它的有限的甲板面积和舱室容积已经不能满足容纳多种武器和日益复杂的自动控制设备的要求,相比之下,小水线面双体船则具有从首到尾利用率很高的箱形水上船体和宽敞的甲板面积,为设置多种武器和停放直升飞机提供了极为有利的条件。(4)声纳探测效果好。常规水面舰艇的舰体声纳在高速航行或在波涛汹涌的海洋中航行时,本舰的噪声对声纳接收器的干扰很大。在速度超过25节或在舰艇上颠下簸的大浪中,声纳实际上是不起作用的。小水线面双体船由于具备航行稳定、下体全潜于水中、螺旋桨噪音低,外界对声纳干扰小等优异条件,可以更好地搜索、捕获、分辨和跟踪目标,提高了声纳的探测效果,增大了它的使用适应性。另外,小水线面双体船的双体并列形式还便于声纳装置的布置。(5)与常规单体船相比,小水线面双体船由于其船体形状几乎全是平面与圆柱体,从而还具有施工工艺简单、生产成本低、建造周期短等优点。(6)小水线面双体船也存在一些缺点,如结构自重较大,湿表面积过大,低速时总阻力较单体船为高;吃水深,不适宜狭窄和浅水航道航行。

长着“大鼻子”的船

大家都知道,船在水中航行会产生波浪,而波浪又增加了船舶航行的阻力,降低船速,引起船体摇摆,冲击堤岸,影响船舶安全航行,因此,减少和消除波浪的影响是船舶发展中的一件极其重要的事情。

球鼻首船就是为了减少兴波阻力而出现的新船型。乍一看,这种船舶,从外形到内部构造与一般船只没有什么不同,只是在船首装了个埋在水线下的“大鼻子”。

船首的“大鼻子”设计得当,可以使船体与球鼻分别形成的波浪的波峰与波谷相遇而相互抵消,同时,还由于它首部线型改善,水线部分船体曲度缓和,对减少涡流阻力、提高船舶推进效率很有用。

球鼻首船的球鼻形状多种多样:有从前面看上去像一滴水的水滴型球鼻;有在船的前端伸出一个长长的尖角的撞角型球鼻;有像圆筒,圆筒体顶端是一个半球或椭圆球的圆筒形球鼻;还有从侧面看上去是“S”形、正面看上去是“V”形的S—V型球鼻,以及柱形、菱形、鱼雷形等各种形状的球鼻。

一般说来,不同形状的球鼻适合不同种类的船舶,例如,水滴型球鼻比较适用于航速较高的客货船,撞角型球鼻适用于丰满的油船、矿石船和散装货船。

球鼻首船适宜于海上航行,可用做客船、货船、油船。目前,国产新型万吨轮,大多采用的是球鼻首船。

当然,球鼻首船也有不少缺点,例如,离靠码头和起抛锚时容易把球鼻碰坏;风浪大时,球鼻的效果也不太理想;球鼻本身易受损坏。