说说舰船球鼻艏那些事儿

2018-01-21 01:16:30 航空世界 2018年5期

陈晟 陈鸿

前世今生

约在一百年多前,博汝德解释了鱼雷艇在安装鱼雷管后阻力降低的原因,指出这是由于安装的鱼雷管使船首变钝而引起的消波作用的缘故。D.W.泰勒最先认识到球鼻艏可以减少兴波阻力。1907年,他在战列舰“特拉华”号上装了一个球鼻艏,结果在功率不变的情况下提高了航速。为了研究球鼻艏的功效,研究者进行了大量的试验,但是,研究开始到最终确定球鼻艏可在实船中使用,前后花费了七十年。自20世纪20年代以来,球鼻艏已经在现代商船上得到广泛应用,并在20世纪初用于军舰,但制造工艺复杂,造价较高,耐波性也差,未能推广。20世纪60年代,人们发现其对低速油船、货船、军舰有利后球鼻艏才被广泛应用。

“特拉华”号战列舰图纸。“特拉华”号战列舰最早应用了球鼻艏

功能强大

(一)变速速度进一步加快

球鼻艏的设置大幅度改变了船舶水线以下纵向面积分布,使船舶重心前水线以下面积明显增大;相应地,当船舶在水中移动时,球鼻艏将使运动船舶周围的水压分布发生改变。当船舶从静止或较低速度进车加速时,在加速初期由于船速较低,在有球鼻艏和无球鼻艏船舶船首附近形成的兴波波高均较低,兴波产生的阻力对此两类船舶的影响没什么差别。当船舶从较高速度持续加速时情况就不同了,相比较而言在设有球鼻艏船舶的船首附近形成的兴波波高必然会明显减小;因此,在整个加速过程中,球鼻艏确实有助于提高船舶的加速性能,且有助于提高船舶的额定巡航速度。有球鼻艏船舶的停车减速性能劣于无球鼻艏船舶的停车减速性能,特别是在浅水水域尤其明显。

(二)推进效率得到提升

自航试验与实船试验都表明,安装球鼻艏以后,舰船螺旋桨的推进效率在静水中会得到些提高。这主要因为,由于循部压力降低,故使推力減额降低,高速时伴流系数有所提高,同时,底部流场变得比较均匀,降低了伴流不均匀对螺旋桨的影响。当然,若舰船在波浪中航行,则球鼻舱对推进性能反而不利,一般反映在推力与扭矩有所增加,螺旋桨效率有所下降。安装球鼻艏后,舰艇的摇摆中心轴前移,虽然舰船整个的纵摇幅度有可能减小,但舰部的运动幅值不一定会减小,有时反而会增加,有可能导致螺旋桨效率的下降。舰船安装球鼻艏前后,波浪对它的位相角是不相同的,这种位相角的差异往往导致推进效率的下降。根据资料,满载时球鼻艏可使主机功率降低10%~2070,压载时可降低20%~25%。

(三)操纵性能有效提高

设有球鼻艏船舶的旋回性能优于无球鼻首船舶旋回性能。对水移动的船舶向一舷作舵后,船体便开始向某一舷加速偏转,有球鼻艏船舶在加速旋转阶段,作用在其船体上的水动力作用点,较作用在同样主尺度、同样载况无球鼻艏船体上的水动力作用点更接近船舶首柱。在实际操纵船舶时,驾引人员最直接感受就是向一舷作舵后,在船舶旋转初期有球鼻艏船舶的旋转角速度增幅快,其纵距及旋回初径较无球鼻船舶的纵距及旋回初径小。原因有两个:第一,球鼻本身增加了回转力。日本曾对“红苍丸”号进行过实船试验,安装球鼻艏以后回旋半径大大增大。第二,球鼻的消波作用使舰船循部压力降低,因而使转向心后移,从而减少回转力矩。虽然它有上述两点不利的影响,但安装球鼻艏后,舰船艏部的水流状态得到了一些改善,这将进一步改善舵的灵敏性,使操纵性又得到些改善。可以看出,球鼻艏对船舶操纵性能的影响既有利也有弊,作为操船者应学会趋利避害,特别是当各种不利因素叠加在一起时,极易导致海上安全事故发生,操船者事先对此应做好应对措施。

球鼻艏乍看上去像是一个埋在水线下的“大鼻子”

球鼻艏的设置大幅度改变了船舶水线以下纵向面积分布,使船舶重心前水线以下面积明显增大

(四)航行阻力进一步减少

球鼻艏深谙太极之道,用“将错就错,以浪克浪”的方法产生一个翻转180度的波,抵消由舰艏产生的波,从而减少能量的损失。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。将球鼻艏设计成长度可调节的,通过调节球鼻艏的长度来控制球鼻艏在舰船航行时产生的水波,根据舰船的航速来随时调节球鼻艏的长度,使得在任何航速下由球鼻艏产生的水波和船体艏部产生的水波叠加后的水波波幅最小,即使得有船体激起的水波能量最小,从而达到减少兴波阻力、提高船速的目的。

外形千奇百怪

起初,球鼻艏的设计单纯就是为了减少兴波阻力,但是体形不同的船受到的力也有所差别。“瘦”船受到“兴波阻力”更大,“胖”船受到的“碎波阻力”更多,所以球鼻艏需要“私人订制”。一般说来,不同形状的球鼻适合不同种类的舰船。

S-V型球鼻艏:SV型球鼻艏于60年代提出并被广泛使用。其特征是首柱呈S型,球首下部横剖面呈V型。适用于首部剖面呈V型的船,在较宽广的速度范围内均能降低船体阻力和提高推进效率,且能显著改善船首底部的砰击。此外,SV型球鼻艏还有较好的破冰性能。

水滴型球鼻艏:水滴型球鼻艏从前面看上去像一滴水的水滴型球鼻,出现最早,其特征是体积较小且集中于中下部,此种球鼻艏有利于减小设计水线的进流角,多用于中、高速舰船。

撞角型球鼻艏:撞角型球鼻艏在船的前端伸出一個长长的尖角的撞角型球鼻,前伸较长,前端较尖,其横剖面呈圆形或椭圆形、浸深较大,满载和压载时降阻效果均较好,适用于丰满的油船、矿石船和散装货船。

“福特”号航母的圆筒型球鼻艏

圆筒型球鼻艏:像圆筒,圆筒体顶端是一个半球或椭圆球的圆筒型球鼻。“福特”号航母则是采用圆筒型球鼻艏,高达60英尺,总重量超过680吨。

其他:扁椭圆状、柱形、菱形、鱼雷形等形状的球鼻艏。美国DDG1000驱逐舰球鼻艏不是传统的球形,而是扁椭圆状。

结构设计有奥妙

一艘特定的船,球鼻形状仅在设计条件下具有最佳的性能,在非设计条件它的性能会变差。对于球鼻体积的分布,大部分体积露出水面的球鼻没有什么效果;纵向分布的体积接近自由表面,则影响动量偏差;纵向体积接近自由表面,则干扰效应增大。对于兴波阻力大的舰船,球鼻体积应集中在纵向,且在循垂线处的球鼻水上部分应不超过球鼻艏和船体的连接可以采用直线,流线形体积作用不大。对于碎波阻力大的船,球鼻艏体积沿纵向应有一个好的分布,球鼻体的上部可以达到回波波峰。一个侧向形状良好且前倾的球鼻“鼻梁”可以避免舶回波的波碎,这时,流线形体积起重要作用。如果球鼻艏在压载状态下露出水面很多,则球鼻循的下部,水线进角应做得小些。由于在这个区域内有分离的危险,水线的光顺不能呈凹形。

球鼻艏的底部钢结构

球鼻艏的支持骨材

安装球鼻艏后,舰船艏部的水流状态可以得到一些改善

球鼻艏结构外形必须和船体外板光顺无缝连接,保持船体的双曲线型,提高其水动力性能:结构材料必须考虑到声呐设备的透声需要,同时兼顾其强度要求;同时还安考虑到建造成本、加工复杂程度及是否会产生空泡噪声等。出于不同的使用需求,各舰船的球鼻舷结构及选材往往有一定的区别,如增大舱容同时也会增大阻力的声呐艏、为高速舰船额外加装减阻节能球鼻艏的双球箱结构、美国海军常用的橡胶材质球鼻艏及欧洲强国广泛采用的金属钢架构—玻璃钢/钦合金导流罩结构等。同时部分特种舰船球鼻艏底部也采用透声材料,以提高声呐探测性能。

球鼻艏结构按其材料及功能分成导流罩、底部钢结构、支撑骨材和连接法兰4个部分。由于声呐设备的透声需要,球鼻艏导流罩内未采用任何肘板,只采用环状肋骨支撑。为考虑透声性能,支撑导流罩的骨材多采用多孔设计,其强度偏低,在导流罩出现明显变形区域也发生了一定的变形。目前,普遍采用玻璃钢制造球鼻艏的主体导流罩结构,玻璃钢材料透声性能较好,但材料易老化,导流罩壳体易损伤而漏水,影响声呐的正常使用。采用金属罩壳球鼻艏相对较好,结合球鼻艏和声呐设备的实际状况,可提高球鼻艏的声学性能。“库兹涅佐夫”级航母舰艏的球鼻艏结构是由钛合金焊接而成,内装HGK-345型舰壳声呐,这种球鼻艏具有强度高、刚性好、透声性能优异、内部噪音低、质量可靠、维修费用低等优点,但整个球舰艏最大直径超过3米,最大允许焊接误差却不能超过0.1毫米。相比美国“布什”号航母的全钢型球鼻艏,“库兹涅佐夫”级航母采用的钛合金球鼻艏尽管性能上较先进,但却制约了航母整体的可建造生与可靠性。

在球鼻艏的结构设计与制造中,往往需要考虑以下3点要求:保证船体双曲线型的光顺;保持良好的声学性能,并为球鼻艏中的声呐设备提供必需的工作环境;其结构强度应舰船在各极限海况下仍能具备良好的水密生,从而确保设备能够正常运转。此外,在舰船遭受攻击时,还应能较好地保护其内部设备,以提高舰船生命力。特别需要注意的是球鼻艏内的后壁,其背面是舱室,正面直接面对声呐基阵,基阵朝向舰尾方向发射的声波经过钢结构反射,就变成了噪声,因频率与声呐的工作频率相同,在后期的信号处理中,会造成很大困扰。所以,需要在两面敷设足够厚度的阻尼材料,将影响降至最低。但是,减振降噪材料厚度受到材料重量、粘贴性能、构架方向等条件的限制。一般两侧共敷设钢板厚度大的阻尼材料,可以吸收大约40%的振动能量。材料太薄,阻尼效果下降很大,成效较低。

民船的球鼻艏是用钢板做成的,当起锚抛锚时,锚或锚链偶尔碰一下关系不大。军舰的球鼻艏内安放声呐,其外壳材料要求透声性能好。这样薄的板材是经不起锚或锚链碰撞的。为解决这一问题,往往把舰艇艏部做成比较大的前倾,采用一个循锚,取消边锚。也有采用一个循锚作为主锚,保留个边锚作为备用锚。当然也可采用加大艏部外张的办法来布置边锚,并使其锚穴所在剖面尽量避球鼻艏的最大剖面。即使采用上述措施,也仍然给锚布置带来不少困难。不可使舱柱过份倾斜,否则将会使整个船形显得很不协调,并影响了其他性能。所以从布锚的要求出发,希望艏部小一些,往前伸的小一些。

美國航母“福特”号,照片中可观察到半浸入水面的球鼻艏

美国海军“布什”号航母的球鼻艏正在组装中

存在问题

球鼻艏设置的缺点在于它增加了建造的成本和影响了锚泊设备的布置。球鼻艏的目的是调整舰船航行时产生的波浪,但目前各大班轮公司实行减速航行后,因海浪波动幅度较以往减小,球鼻艏的存在反而增加了舰船运行阻力。例如,离靠码头和起抛锚时容易把球鼻碰坏,增加了建造的成本和影响了锚泊设备的布置;风浪大时,球鼻的效果也不太理想;球鼻本身易受损坏。受多种因素的制约,水面舰船球鼻艏的设计在减阻方面一直没有什么大的突破。大型驱逐舰球鼻舷外形复杂,对船体减阻节能特性和声呐导流罩水声性能具有显著而错综复杂的影响。现有的几种主要大型驱逐舰采用了作为声呐导流罩的球鼻艏,这类球鼻艏不具有减阻节能的功能,有时反而会使阻力增加。

发展前景大

球鼻艏对船型的影响涉及到舰船设计、结构、制造和使用等各个方面,因此选用球鼻艏船型时,必须综合考虑舰船的快速性、耐波性、操纵性、纵倾调整、结构强度、建造成本及工艺性、航行(包括冰区航行)和锚泊布置等方面的影响。然而,改善舰船的流体动力性能仍是目前选用与确定球鼻艏船型所考虑的主要因素。

美国海军水面战中心研究人员已经在DDG-51级驱逐舰上完成了“眼镜蛇”流体力学船首球鼻的测试工作。此次测试旨在优化船首球鼻的形状和体积。在为期2周的测试过程中,对超过20种为DDG-51级驱逐舰设计的球鼻艏原型进行了评估,并从中选取了4种进行下一步研制与模型测试,以验证新设计在降低燃料消耗、减少发动机废气排放、减小航行阻力等方面的作用。另外,钛合金由于低密度、耐腐蚀及其出色的力学性能,被广泛应用于航天、精密仪器、船舶等领域。由于具有极高的机械强度及比合金钢更优秀的声学性能,钛合金球鼻艏正成为未来广大水面舰艇的首选方案。

编辑:戴嘉琦

美国海军水面战中心研究人员在DDG-51级驱逐舰上完成了“眼镜蛇”流体力学船首球鼻的测试工作