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第7章 舰船的基本性能(2)

舰船的摇摆,尤其是横摇剧烈时,对于武器发射的命中率、人员的工作、设备的运转以及船体强度都将产生不良影响。减小舰船的摇摆,可采用消摇设备。舰船上采用消摇设备已有100多年的历史,其形式多种多样,现在被应用的有下列几种:

(1)舭龙骨。舭龙骨装在舯舭部两侧,与外板垂直,呈长条形结构,如图1-2-7所示。它在船舶横向摇摆时产生与摇动方向相反的阻力,从而减小船舶的摇摆幅度。它的长度一般为船长的1/3~2/3,宽度约为船宽的3%~5%,面积约为水线面面积的2%~4%。

图1-2-7舭龙骨(2)稳定鳍。稳定鳍装在船的两舷舭部,做成机翼形式,如图1-2-8所示。平时可收到船体内,遇有摇摆时,可将其伸出并调节到适当角度,使其产生一个与摇摆方向相反的力矩,达到减小摇摆的目的。

图1-2-8稳定鳍(3)消摇水舱。消摇水舱一般由设在船体内部左右两舷的水舱所组成,有两种形式,如图1-2-9所示。其液体数量一般为船舶排水量的2%~4%。当船舶摇摆时,使水舱内液体流动的方向永远与船舶倾斜的方向相反。由于风浪产生的倾侧力矩同水舱所产生的力矩总是相反的,这样就抵消了风浪的倾侧力矩,从而起到减摇的作用。

图1-2-9消摇水舱(4)回转稳定仪。回转稳定仪是根据陀螺的原理来设计的。陀螺在高速旋转时,如果受到外力的作用而产生倾斜时,会产生一种回复到原来位置的力量。根据这一特性,采用一定的结构形式,把它安装在船上,当船摇摆时,高速旋转的陀螺也一起倾侧,它就会产生一个反抗船舶横摇的力量,从而减轻船舶的摇摆。

4.抗沉性

舰船的抗沉性是指舰船在出现一些破损的情况下,如一舱或数舱受损进水等情况,仍能安全漂浮在水面,保持足够的稳性而不致沉没和倾覆的能力。

要使船舶具有很好的抗沉性,最主要的是依靠它留有足够的储备浮力和船舶结构上的双层底与水密隔舱。在船体水密甲板以下的内部空间,是由若干水密隔舱将其分隔成许多舱室的。一旦一舱或数舱受损进水后,不至于蔓延到更多空间,使吃水大量增加。这样,由于储备浮力的存在,使得船舶保持一定的浮力和稳性,船舶才不至于沉没。

现代舰船几乎都设有双层底和水密横舱壁,而将整个船体分成几个单独的水密舱室,并在水线以上留有足够的干舷高度,以保持一定的储备浮力,如图1-2-10所示。这样,当舰船某些部分受损进水后,仍可保持一定的浮态和稳性。

图1-2-10抗沉性良好的大型军舰水密舱室的划分5.快速性舰船的快速性是指舰船在消耗一定功率的情况下能达到较高的航行速度的能力。为了使舰船具有良好的快速性,要求舰船在航行中阻力较小。为此,船体表面要很光滑,船体的外形要设计良好,要成窄长的流线型。另外,螺旋桨的设计也要讲究。船体外形的设计是造船工作者最困难的任务之一。

近100年,航空运输的速度提高了4~8倍,火车的速度提高了1.5~3倍,而水路运输的速度只提高了0.2~0.25倍。为什么水路运输的速度这样落后呢?这是因为船舶是在水中航行的,水分子密度大约是空气分子密度的800倍,因此物体在水中前进所受到的阻力要比在空气中前进所受到的阻力大很多很多倍;又因为物体在流体中运动时,速度越快,阻力越大,阻力的增长与速度平方成正比。

怎样才能提高舰船的速度呢?

一方面,要研究新的船型,尽可能减小水对船的阻力。经过人们反复地实践,不断地提高认识,终于成功地创造出利用水翼产生升力将船体托出水面的水翼船,如图1-2-11所示;利用升力风扇在船底下形成空气垫将船体托出水面的气垫船,如图1-2-12所示;利用水面空气效应而使船体离开水面的气动升力式腾空船,如图1-2-13所示等。它们的速度可达100千米/小时,甚至可达到180千米/小时。有的气垫船还具备两栖性能,既能在水中航行又可以在陆地、沼泽和冰雪上航行。我们相信,在不久的将来还会出现速度更快、更先进的舰船。

图1-2-11水翼船

图1-2-12气垫船图1-2-13气动式腾空船

另一方面,要增加主机功率,提高推进效率。最古老的推进器是桨和篙。后来又发明了橹。橹是在我国使用非常普遍的一种推进器,它的作用原理与螺旋桨颇为相似,效率比桨高。橹的操作是往复运动,要用手摇,比较吃力。后来发明了桨轮,桨轮作旋转运动(轮上的蹼板搏水,推船前进),可用脚踏,比较省力。蒸汽机发明以后,也采用桨轮作为船的推进器,这就是明轮推进器。在浅水中,这种推进器的效率比其他类型的推进器高。因此,现在某些内河还有明轮船舶在航行。现代舰船广泛采用的推进器是螺旋桨。

6.操纵性

舰船的操纵性是指舰船在航行中保持既定航向或在舵的作用下改变航向的能力。保持航向的能力叫做航向稳定性,改变航向的能力叫做灵活性。航向稳定性和灵活性对船体外型的要求是互相矛盾的,比如,瘦长的船体有较好的航向稳定性,但是灵活性就比较差。

对于舰船模型来说,具有良好的操纵性能是很重要的。比赛航速或航向的舰船模型,要求具有良好的航向稳定性;无线电遥控舰船模型,要求具有良好的灵活性。航向稳定性同如下因素有关:

①船体长度同宽度相比越大,航向稳定性越好。

②船体宽度同吃水相比越小,航向稳定性越好。

③船舵面积越大,航向稳定性越好。

④船首的内削度(由上到下形成的斜度)越大,航向稳定性越好。

⑤船体水上部分越矮和上层建筑侧面积越小,航向稳定性越好。因为这种情况对吹侧面风产生的偏航较小。

⑥在相同的行驶距离内,船体的长度越长和排水量越大,航向稳定性越好。

⑦单螺旋桨的舰船,螺旋桨轴同船体中央纵剖面不重合,航向稳定性不好。

⑧船舵轴不在船体中央纵剖面上,如图1-2-14a所示,或船舵面对螺旋桨轴上下不对称,如图1-2-14b所示,航向稳定性不好。

图1-2-14船舵安装不好的情况⑨船体外型左右不对称,航向稳定性不好。

⑩对于双螺旋桨舰船模型,两个螺旋桨的位置不对称,或者两个螺旋桨尺寸不一致,航向稳定性不好。

由于灵活性和航向稳定性对船体外形的要求是互相矛盾的,因此,要使舰船模型具有良好的灵活性,只要采用上述的①②④⑥相反的办法就可以了。应该指出,船舵面积增大,对航向稳定性和灵活性都是有利的。灵活性的好坏一般用最小的回旋圆周直径来表示。回旋圆周直径越小,灵活性就越好。为了能够比较各种长度的模型的灵活性,可以用相对回旋直径来表示。比如船体长1米,回旋直径是5米,那么模型的相对回旋直径就是5米÷1米=5米。

7.回转性

舰船能够随时按照驾驶人员的意图迅速改变航向的性能,叫做舰船的回转性。军用舰艇、内河船舶要求具有良好的回转性。

船舶回转性能的好坏,是以回转直径D来衡量的,如图1-2-15所示。船舶在一定舵角和航速下作回旋运动,船舶重心所划出的轨迹称回旋圈,而回旋圈的半径就叫回旋半径。回旋半径越小,说明船舶的回转性能越好。

图1-2-15船舶的回转半径

为了比较不同长度的船舶的回转性,常以回转直径与船长的比值来表示,海船一般约为船长的5~7倍,内河船一般约为2.5~4倍,回转性能优良的船舶其值还会更小一些,如拖轮仅为1.5~2.3倍。

一般来说,较大的舵角可以获得较小的回旋半径,但最大舵角是有一定限度的,它不能无限增大,否则适得其反,舵角过大,将引起舵上水流的混乱而使舵压力减小。对于最大舵角,不同的船舶有不同的数值,一般为5~35度。

要求舰船达到某一项航海性能是不困难的,但要求各项航海性能同时达到就十分困难了,因为有些航海性能是互相矛盾的。除了航向稳定性和灵活性有矛盾外,稳定性和快速性也有矛盾。例如要提高舰船的稳定性,就要把船体加宽,但船体加宽了,航行阻力就加大,快速性就会受到影响。因此,我们在设计和制作舰船模型的时候,要根据具体模型的特点,满足某几项航海性能要求就可以了。

三、舰船航速的基本概念——节

在16世纪时,虽然海上航行相当发达,但是当时既没有时钟,又没有航程记录仪,所以难以确切判定船的航行速度。有一位聪明的水手想出一个妙法,他在船航行时向海面抛出拖有绳索的浮体,再根据一定时间里拉出的绳索长度来计船速。

那时候,计时使用的还是流沙计时器。为了较准确地计算船速,有时放出的绳索很长,便在绳索的等距离打了许多结,如此整根计速绳上又分成若干节,只要测出相同的单位时间里绳索被拉曳的节数,自然也就测得了相应的航速。于是,“节”成了海船速度的计量单位;相应地,海水流速、海上风速、鱼雷等水中兵器的速度计量单位,国际上也通用“节”。

“节”的代号是英文“knot”的词头,采用“kn”表示。1节等于每小时1海里,也就是每小时行驶1.852千米。

因此,1节(kn)=1海里/小时=1.852千米/小时。

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