战舰坚不可摧,揭秘中国战舰不翻船的6大秘技及成就

【军武次位面】作者：鹤飞天际

船舶在海上航行时，会受到风浪等外力扰动从而产生各种摇摆运动。这种运动可以分为横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡、垂荡(或升沉) 。船舶剧烈地摇荡运动会使航行性能变坏，使船舶操纵困难，导致舰员出现身体不适；剧烈的横摇可能使舱内物品移动，引起船舶倾斜，甚至导致翻船；激烈的纵摇将会造成飞车现象，对主机工作有害，还会引起船首底部的砰击，出现船体抨击应力及局部流体冲击力，对船体结构有害。对于军舰来说剧烈的摇荡会严重影响军舰战斗力的发挥，例如降低舰炮与导弹的命中率、舰员操作困难、影响舰载机安全起降。

▲风浪中航行的军舰

为了减小船舶摇荡，提高船舶耐波性，人们研发了各种类型的船舶减摇装置，由于常规排水型船舶宽度远小于长度，其横摇不良影响最大，减摇效果也最佳，目前常见的船舶减摇装置主要以减轻横摇为目的。人类从19世纪初的帆船年代的舭龙骨开始，就已经开始了船舶减摇的努力和斗争，前后共提出了350余种不同类型的减摇装置，目前常见的船舶减摇装置主要有舭龙骨、减摇水舱、减摇鳍、减摇陀螺、舵减摇等几种。目前国外知名的减摇装置生产企业包括美国Flume Stabilization Systems公司、德国英特灵（Intering）公司、英国罗尔斯-罗伊斯（Rolls-Royces）公司、日本STABILO公司、日本JFE公司、日本三菱重工、美国Seakeeper公司、澳大利亚Halcyon公司、澳大利亚SEA GYRO公司、意大利芬坎蒂尼（Fincantieri）公司、德国斯凯孚博隆福斯工业（SKF Blohm Voss）公司、美国昆腾（Quantum）公司、英国ABT-TRAC公司、英国Brown公司等。国内的主要研究生产单位为中船重工704所等。

一、舭龙骨

是一种装于船中两舷舭部外侧，与舭部外板垂直的长条形板材，长度一般为船长的1/3～1/2，可以间断布置，其结构形式有单板和双板两种。在船横摇时扰动船体周围的流场,使船产生附加阻尼，通过增加横摇阻尼来达到减摇的目的。它在任何情况下都有效减摇效果，效果大约为20%~25%。舭龙骨结构简单、造价低、效能高、没有运动部件、便于维护，被广泛的应用到各类船舶。

▲正在下水的DDG1000，可以看到其舭龙骨

1979年在宁波发现了一艘宋代海船，该船装有舭龙骨,该舭龙骨的安装部位以及长宽等尺寸,都与现代船舶的要求大致相符。欧洲在19世纪早期的帆船时代开始应用舭龙骨，19世纪70年代开始相关理论研究。舭龙骨的制造简单，通常由船厂自行完成，简单的舭龙骨甚至可以由一根球扁钢制成。

▲舭龙骨

二、减摇鳍

减摇鳍出现的历史相对较晚，世界上第一套减摇鳍装置于1923年由日本三菱重工长崎造船所的元良信太郎设计，同年安装在客轮“睦丸”号蒸汽机船上，取得了良好的减摇效果。后来这一专利转让给苏格兰的布朗兄弟公司。布朗兄弟又与威廉·丹尼兄弟公司协作，对原专利进行了研究和改进，于1934年在2000吨级渡船“Isleofsork”号上安装了首套减摇鳍装置，效果极佳，其后，各海洋强国也先后研制生产了多种减摇鳍装置。我国20世纪60年代完成了第一款减摇鳍的研制，目前以中船重工704所的产品应用最为广泛，至今实际装船上千套。

在各种减摇装置中，减摇鳍的减摇效果最好，最高可达90%，广泛应用到各类船舶上。减摇鳍构造主要包括机翼型的鳍(至少一对) 转鳍的液压传动装置和电气控制系统。船舶在航行中，当两鳍向相反方向偏转而具有相反的冲角时，水流就在两鳍片上产生一对反向升力，就会形成一个减摇力矩，减摇力矩等于或大于波浪作用于船的横摇力矩，就能有效地减轻船舶的横摇。

▲减摇鳍减摇原理

减摇鳍可分为减摇鳍有不可收式（或固定式）减摇鳍和可收放式减摇鳍两大系列。可收式又有伸缩式和折叠式两种。固定式减摇鳍装置的鳍一直伸出在舷外，按控制规律转动，产生升力。其主要优点是结构简单，占用船内空间小，体积小、重量轻、可靠性高，广泛应用于各类船舶，特别是军舰。但该鳍的升力系数较收放式鳍的升力系数小，因而在面积相等航速一样的情况下，升力较小；在航行时会增加阻力，且由于鳍一直伸出在舷外，也容易损坏。

▲704所固定式减摇鳍

▲印度海军“特里苏尔”号护卫舰2014年丢失了一只减摇鳍

▲“特里苏尔”号的减摇鳍和舭龙骨

可收放式减摇鳍的鳍在大型船舶遇风浪需要减摇时放出舷外，在控制信号作用下转鳍，产生稳定力矩，不用鳍时，将鳍收进舱内其主要优点是鳍的升力系数较大，静水航行时鳍收进船舱，不产生附加阻力；缺点是多了一个收放机构，故需占用一定的船内空间，因此该型装置主要装在较胖船型的大型船舶上。

▲704所的折叠式减摇鳍，带有襟翼

折叠式减摇鳍，采用将鳍向船首或船尾旋转90º的方法把鳍纳入位于两舷的鳍箱。伸缩式减摇鳍其鳍箱与船宽平行，与船长垂直。通过位于船壳上的一个鳍箱开口，长方形的减摇鳍能垂直于船舷向外伸出，或向内收缩。在减摇鳍完全伸出后，还能实现转动，以获得最佳角度。与折叠式减摇鳍相比，伸缩式减摇鳍的鳍箱开口小，只有折叠式减摇鳍的40%大小，这能有效降低舰船的航行阻力。横置的鳍箱使得所占用的船长方向体积大大减少，为舰船设计者提供了更多的选择方式。此外，伸缩式减摇鳍重量相对较轻，收缩的长度也可以灵活配置。

▲704所研发的伸缩式减摇鳍

研究设计高性能水动力翼型，使其较其他翼型升力更高，阻力更低，空泡性能更好是所有翼型研究者永远的追求。各种新型翼型减摇鳍在不断发展中，包括襟翼鳍，鱼尾鳍等。

▲罗罗设计的矩形鱼尾型减摇鳍

▲斯凯孚博隆福斯工业（SKF Blohm Voss）公司生产的减摇鳍，翼型可提高空泡性能

常规减摇鳍有一个较大的缺点，鳍所产生的用来减摇的力矩跟航速平方成正比，所以在低速情况下减摇效果很差，零航速时甚至没有减摇效果。1998年Quantum公司推出了世界第一款零航速减摇鳍，之后多家公司陆续研制成功了零航速减摇鳍。零航速减摇鳍在系泊和航行都能减摇，理论上它在零航速时可以达到与航行时同样的减摇效果。

三、减摇水舱

1880年,英国海军在一艘早期潜艇上,为了减少潜艇在水面航行时的摇摆,装上了减摇水舱。这是一种被动式平面减摇水舱，由于占用空间大、噪声高等原因，后来被淘汰。真正使减摇水舱发展成为一种实用的减摇装置的是1911年德国人弗拉姆发明的被动式U型减摇水舱。发展至现在减摇水舱出现了多种类型，包括被动式U型减摇水舱，可控被动式U型减摇水舱,主动式U型减摇水舱等,目前应用最多的是可控式U型被动减摇水舱。

可控被动式减摇水舱当船在波浪的作用下发生横摇时，水舱内的水将随船被动摇荡。水舱控制装置将按照指令及时动作，调节舱内水的振荡周期和相位，使舱内水产生的力矩总是与波浪力矩大约反向（相位差大约为180度），对船起减摇作用。

▲704所生产的减摇水舱

减摇水舱最大的优点是其减摇效果跟航速没有直接关系，可以在任何航速下减摇。对被动水舱而言，还具有功率小，成本低等优点。美国Flume Stabilization Systems公司已为超过1500条船提供了被动减摇水舱，Intering公司提供了大约600套，英国Rolls-Royces公司270多套，日本的STABILO公司大约为200套，日本JFE公司约130套（不包括军舰）。但减摇水舱存在减摇效率相对较低、占用空间大、低频扰动下易增摇等缺点，一定程度上限制了其发展。

▲装备日本STABILO株式会社减摇水舱的日本海上自卫队海洋观测舰

由于减摇鳍在低航速时减摇效果较差，而减摇水舱虽然减摇效果没有减摇鳍高，但减摇水舱的减摇效果跟航速大小没关系，如果能够将二者组合起来，按一定规则协调一起工作，则二者能够优劣互补，在全航速范围内实现完美的减摇效果。目前各厂家陆续研制出舱-鳍联合减摇系统。减摇鳍与减摇水舱联合控制，不但能在全航速范围内减摇，还能有效减少减摇鳍规格尺寸。而鳍与水舱结合，也可有效提高减摇鳍的减摇效果。

四、减摇陀螺

利用陀螺转子产生阻摇的稳定力矩使舰艇减小摇摆。陀螺的旋转力（旋转力矩）与船舶的横向摇摆呈相反方向，从而起到抑制摇摆的效果。减摇陀螺的减摇效果一般为33%~47%。因安装方便，噪音低，减摇能力跟航速无关，且无舷外部件而在小型游艇上应用较多见。世界上减摇陀螺主要厂商有美国Seakeeper公司，澳大利亚Halcyon公司，日本的三菱重工，另一家澳大利亚公司SEA GYRO公司。目前上述公司在减摇陀螺上进行了大量的研发投入，使得减摇陀螺技术取得了可喜的进步，单台设备能够提供的稳定力矩越来越大。减摇陀螺在需要全航速（包括零航速）减摇的小型军舰上也有较大的潜在需求，美国海军就曾于1992年在Worden号巡洋舰上安装了陀螺减摇装置用于测试。意大利就在排水量为41700t的豪华班轮Conte Di Savoia上安装了一套陀螺减摇装置，这表明未来减摇陀螺的使用范围会越来越广。

▲Seekeeper公司的减摇陀螺

▲江苏华阳重工股份有限公司自主研制减摇陀螺在浙海科01船上进行试验

▲美国海军莱希级沃登号巡洋舰，曾用于减摇陀螺的测试

五、舵减摇

由于作用在舵上的水动力的作用中心与船重心之间存在一定高度差，转舵时不仅会产生改变航向的艏摇力矩，同时还会产生横摇力矩。另外，由于船体绕艏摇轴的质量惯性矩比船体绕横摇轴的质量惯性矩大得多，一般为几倍至数十倍，因此横摇的自摇周期比艏摇周期小，这种差异变现为横摇对操舵的响应比艏摇快。舵减摇的原理正是基于这两点差异，在航向控制舵（低频）上叠加横摇减摇操舵（高频），正确控制舵的动作（包括幅度、方向、相位），有效地利用舵产生的横摇力矩部分抵消波浪产生的横摇扰动力矩，实现在控制航向的同时减小横摇。

舵减摇理论于1972年被首次提出来，并进行了实船试验，至20世纪90年代初国外已有定型产品出售。舵减摇对某些特殊船舶减摇效果可达50%~70%。与鳍减摇装置相比，舵减摇具有造价低，所占空间小，使用和维修方便，以及便于对原来没有配备减摇装置的现役船舶进行加装改造等优点。舵减摇缺点是需要很大的功率和舵速，民用船舶的舵机必须进行改造方可安装。另外，舵减摇控制器对船舶参数高度敏感，船舶参数的变化都会使减摇效果下降，甚至使减摇控制失败。

▲Blohm+Vossindustries公司研制的新型转舵机构，为舵减摇的实用化奠定了基础。

工程师们通过对算法的改进、提高转舵机构的可靠性等方法促进了舵减摇控制系统的使用范围，德国Blohm+Voss industries公司为荷兰海军、韩国海军和德国海军的22艘军舰配备了舵减摇系统。我国中船重工702所也对舵减摇系统进行了研究，并于1999年在某护卫舰上对舵减摇控制器进行了实船海试，获得了成功，其减摇效果超过了50%。

在舵减摇理论提出的同时，工程师们也开始考虑舵鳍联合减摇系统，1994年3月，英国皇家海军一艘装备了舵鳍联合控制器的护卫舰进行了第一次海上试验，结论表明：对舵机不进行任何的改造，利用舵辅助鳍减摇，同样可以提高减摇效果。1999年，美海岸警卫队借助已经在WMEC901级舰上安装的舵减摇装置的基础上，研究舵鳍联合减摇系统的情况。结果表明，对于装备普通舵和减摇鳍的舰船，利用现有舵机设备进行多输入多输出的舵鳍联合控制，能在保证航向保持控制精度的同时提高减摇效果。目前舵鳍联合减摇系统已经开始在各类船舶上实船应用。法国戴高乐号航母上就采用了一对12平方米的减摇鳍和一对19平方米舵减摇进行联合减摇。

▲戴高乐号核动力航空母舰，采用舵鳍联合减摇，不过其试航时螺旋桨叶片断裂已经牢牢印在了人们的心里。

六、减纵摇装置

因常规排水型船舶，纵摇惯性矩和纵摇阻尼要远大于横摇阻尼，使得船的纵摇响应要比横摇小，对船舶安全性的影响远小于横摇，也使得减纵摇的代价和难度远远高于减横摇。不过工程师们一直在研究减纵摇技术，早在1879年英国亨特船厂德E·德鲁西特就在一艘汽轮上装了一对艏鳍以减小纵摇。1955年至1990年美国、英国、前苏联等国均对减纵摇进行研究和实船试验，结果表明，船舶纵摇是可以进行抑制的，加装艏鳍的减摇效果可达30%~40%。国内哈尔滨工程大学也从90年代后开始研究减纵摇技术，并于2002年在一条400t的船上进行了耐波性试验，迎浪下减摇效果29%~40%。除了艏鳍以外，减纵摇装置还有半潜首，截流板等装置。

▲南海救201近海高速双体救助船采用了自控式截流板减摇系统，在航速为20kn~30kn横浪状态横摇角减少大约为40%,迎浪状态减少纵摇约30%。

对于高速船而言，纵摇和纵倾问题严重影响到了航行安全。进入二十一世纪后，高速艇和游艇等高性能船舶市场快速增长，船舶减纵摇技术又受到了前所未有的重视。且随着现代控制技术及其他相关学科技术的发展，减纵摇技术已经不局限于安装艏鳍这一种方法，且在减纵摇的同时，通过姿态控制系统调节，往往还能减横摇、减少垂荡、控制横倾和纵倾，性能卓越的新产品新技术层出不穷。

▲高速穿浪型双体船（夏威夷渡轮）上的T型翼减纵摇装置

参考资料：

《船舶减摇技术现状及发展趋势》

《船舶耐波性》

《对宁波古船的研究》

《技术控：船艇减摇装置大解析》

《伟大工程巡礼：夏威夷超级渡船》

《穿浪型近海快速救助船自控式截流板减摇系统》

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