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【材制｜視角】水下“大鼻子”：艦船的球鼻艏

2023-03-26 19:41 作者:青春材制 0人讀過 | 我要投稿

初原載于愛學習的青春材制

2023-03-24

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????????船艏，是指船舶前端或近前端部分，在起到減少船身水中阻力、消減海浪沖擊、增加船舶穩(wěn)定性的重要作用的同時，也是船舶重要的美學元素。在經(jīng)過不斷的設(shè)計研究、改良變形后，目前，常見的船艏形狀有五種：直立型艏、前傾型艏、飛剪型艏、破冰型艏和球鼻型艏。

　　不論是航母軍艦，還是普通貨船，在船頭的位置，我們通常會看到“大鼻子”，這樣的結(jié)構(gòu)我們稱之為球鼻艏。設(shè)計水線以下首前部近似呈球狀的船首部。其形式有水滴形，撞角形，圓角形等。

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球鼻艏的由來

　　相傳很早以前，有一艘商船在海上航行時觸了礁，利斧般的船首被擅了個大凹坑，瘦削的船首兩舷，如同蛤蟆愿幫似地鼓了出來，奇怪的是，這艘船反而比正常航行提前幾小時到達目的地，這一異乎尋常的現(xiàn)象，引起科學家和造船專家們的濃厚興趣，從上世紀40?年代開始，一直成為人們的研究課題。荷蘭、日本、希臘等國的造船專家，經(jīng)過千百次試驗，終于解開了球鼻艏之謎。二戰(zhàn)時期美日等國軍艦開始使用球鼻艏，上世紀60年代后球鼻艏才逐漸在商船上流行開來。

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工作原理

　　研究船舶球鼻艏，我們須首先分析船舶航行時所受阻力。船舶在水面高速航行受到各種阻力，例如：興波阻力、摩擦阻力、粘壓阻力、附體阻力、空氣阻力、洶濤阻力、污底阻力等等。這些阻力中，興波阻力和摩擦阻力占大頭，對于高速船來說，這兩種阻力的占比都各接近一半，占到總阻力的85%左右。

　　船在海中行駛，一般會受到摩擦阻力、興波阻力，渦流力等。如果船以較慢的速度航行，其主要受到的是摩擦阻力。如果船速較快，會推動海水向前，形成一股股浪花，使水面產(chǎn)生波浪，在船首和船尾附近發(fā)出橫波和散播。而橫波垂直于航行的方向，在船首被擠出船體的海水形成浪花，飄向外面但又回流再四分之一船體上，形成波峰阻力，降低了船速，這就是興波阻力。

　　球鼻艏最大的作用就是將波峰與波谷相互中和，降低浪花對船向后的推動力。既然波峰會降低船速，那么裝了球鼻艏后會形成波谷，把興波阻力的影響削弱，就使船速得到提升。研究表明，安裝球鼻艏后，其主機功率會降低10%~20%，這可是節(jié)省了實實在在的燃油。

　　從舒適度的角度來講，原本的波峰被球鼻艏產(chǎn)生的波谷削弱，也使得船舶的行駛更加平穩(wěn)。

03

球鼻艏利與弊

　　要想球鼻艏達到減租的效果，需要控制船的航速才有積極作用；否則，球鼻艏反而會給船舶的航行帶來更大的阻力。

　　在行駛過程的，球鼻艏的存在會使船舶的回旋圈加大，導致船的轉(zhuǎn)向難度增加,使碰撞事故更容易發(fā)生。此時球鼻艏撞向其他船只的威力相當于一顆魚雷。因此球鼻艏更適合遠航的船只。

　　從目前現(xiàn)實的角度講，主要的船只是貨輪，因為其體積大，載重高，且船速慢，所以受到的興波阻力很少，所以貨輪一般不安裝球鼻艏。研究發(fā)現(xiàn)，面對這種貨輪，僅用垂直結(jié)構(gòu)的船首，就可以使輪船在不降低船速的情況下增加排水量，從而降低單位貨物的運營成本。因此，在綜合因素的影響下，船只會選擇安裝合適的船艏。

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球鼻艏的優(yōu)化

　　我們已經(jīng)知道船在水中快速行駛時，主要受到的是興波阻力，但是摩擦阻力也是不可忽略的，通過對船型參數(shù)的選取，以及水中球鼻艏作用程度的計算，發(fā)現(xiàn)如果將球鼻艏變小且整體向上仰，有利于減小船的總阻力，更有利于節(jié)約能源。

圖5 ?優(yōu)化前、后船體球鼻艏形狀對比
（注:上邊為初始的船型形狀，下邊為優(yōu)化后的船型形狀。）

　　運用特種材料制造球鼻艏，增加球鼻艏在水中的耐腐蝕，耐撞性。球鼻艏結(jié)構(gòu)的抗水下爆炸沖擊性能直接影響現(xiàn)代水面艦船的戰(zhàn)斗力，也是影響艦船生名力的重要因素。鈦合金材料極大提升了導流罩結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，應(yīng)在球鼻艏變形較大的區(qū)域增加骨材。

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球鼻艏的未來

　　在海洋上行駛，未來的球鼻艏就應(yīng)努力減小自身帶來的操作難度，也可以從船舶的耐波性上入手。球鼻艏表面材制的參數(shù)，也會對航行產(chǎn)生影響，如果可以找到更好的材料，同樣能提高性能，再者球鼻艏減少阻力的能力是呈曲線型，近似先增加后減少的曲線，含有一個峰值，僅有當船速達到一定值時，才能發(fā)揮最大作用，若是球鼻艏的整體結(jié)構(gòu)，位置能夠自動發(fā)生一定的變化，那么它的箭鏃作用將一直保持在最高水平，也能發(fā)揮它的最大價值。