探究船舶的奧秘

人類自誕生以來，就渴望探索遠方。在輪子發明以前，船就載著勇敢的冒險家們去尋找大洋彼岸的新大陸。從史前時期的原始木筏，到今天的高科技船舶，船舶經歷了幾千年的漫長演變，人類無窮的智慧和創造力也在船舶上得到了完美體現。如今，依然有一群專家，為了使船舶性能達到更高目標，還在不斷努力！今天，我們就一起去體驗體驗船舶研究與設計工作。

船舶是功臣

我們生活的地球約有71%的表面積被藍色的海洋所覆蓋，這一巨大的水體蘊含著寶貴的財富。從古到今，人類從未停止過對海洋的探索、開發和利用。比如，人們通過海洋獲得更便捷的交通路徑；從海洋中獲得豐富的食物來源；以及從海底深處提取稀缺的能源和礦產資源。而這所有的一切，都離不開一種最基本的工具—船舶，它就是人類探索和開發利用海洋的功臣。

反過來，對海洋的各種類型的探索、開發和利用，又決定了船舶的不同類型。比如，以交通和航運為目的，需要借助運輸船舶；以捕撈作業為目的，需要專門的漁業船舶；以資源勘探、開發為目的，則需要各類工程船舶和海洋工程平臺……船舶研究和設計工作，就是探索船舶的奧秘，根據不同的用途和需求，運用科學的方法，研制出性能更高且實用、安全的船舶。

船舶的種類還有很多很多，如果你想將來成為一名船舶研究設計專家，趕緊抽空去圖書館或上網搜索，以了解更多不同用途的船舶。

船舶的性能和結構

想要成為一名小小船舶研究設計家，如果你還不知道船舶的結構和基本性能，那可不行。所以，我們現在就趕緊補課喲。

從研制工作角度來講，船舶是一個十分廣泛的工程概念，它最簡易的形式，可以追溯到遠古時期的獨木舟；而最復雜的形式，便是今天的體積龐大、功能齊備，宛如水上城市般的鋼結構建筑物。這樣龐大的水上建筑，都有什么特性呢？

船舶的基本性能

浮性。不管船舶的外形差異如何顯著，它們都有一個共同的特性，那就是它們都是對水的浮力加以利用的產物。除了浮性，船舶還有以下性能。

穩性。船舶在航行時會因為受到風、浪等外力的作用而產生傾斜，當外力的作用消除時，船舶必須得像“不倒翁”一樣回到之前的平衡狀態，這種性能稱為船舶的穩性。

抗沉性。當船舶因事故受損，導致船舶內部某些地方進水后，仍能保持一定的浮性和穩性的能力，就是船舶的抗沉性。增強船舶抗沉性的重要措施是將船舶劃分為多個相互密閉的區域，保證當一個區域破損時，水不會進入到其他區域。值得一提的是，這個創造性的舉措是由我國古代勞動人民創立的。

快速性。船舶在水中航行時，會受到水對船體的阻力。船舶只有通過有效的推進方式才能克服水的阻力前進。船舶快速性的內容包括兩個方面：一是設計出阻力盡可能小的船體，二是盡可能地提高推進裝置的效率。

耐波性。耐波性研究的是船舶如何在風浪中以一定航速安全、舒適地航行的性能。

操縱性。船舶和汽車一樣，必須具備良好的操縱性，以保證船舶在需要的時候具有保持或改變航行狀態的能力。

為了達到這些性能，船舶都有哪些基本結構呢？

船舶的結構

現代船舶的性能通常是由合理的船體，以及各種系統、設備、裝置來實現的。

動力系統是一艘船舶最主要的系統，它由主機、輔機、動力管系和推進裝置組成，被稱為船舶的“心臟”。其次是電力系統，它通過電站、電網和各種傳感器建立起船舶的“耳目”和“神經系統”。還有風、水等各種管路，它們是船舶的“循環系統”。此外，船舶通常裝有的舵設備、起錨系纜設備和各類作業設備，相當于船舶的“四肢”。承載這些系統和設備的就是船體，它是船舶的“軀干”和“骨架”。

船體的設計是否合理，決定了船舶性能的優劣；系統和設備在船體上的布置是否得當，則關系到一艘船舶在使用時，能否安全、高效地實現用戶所要求的功能。因此，通過科學的方法優化船舶的性能和功能，是船舶研究設計人員最主要的工作之一。

以曹沖稱象引申開來

沒聽過《曹沖稱象》這個故事的同學，舉手。哈哈，沒有舉手的吧。雖然大家對這個故事耳熟能詳，今天也要重溫一下：曹沖將大象趕上船后，在船身與水面的交界處作了一個標記，然后將大象趕下船，再往船上添加石塊，等到水線到達剛才標記的位置時，停止添加。這個標記實際上意味著船舶兩次裝載時達到相同浮力的狀態，因為船舶自身的重量是不變的，因此此時石塊的重量便等于大象的重量了。曹沖就是利用船舶的基本原理——浮力等于船舶加上貨物的重力而稱出了象的重量。

如果你是一位小小船舶研究家，看完故事，就需要再深入思考：如果曹沖所刻標記，是在大象上船時正好位于船的前后中心點處（船正好水平地浮在水面上）所畫的，如果后來添加石塊時，放在船尾的石塊比放在船頭的石塊多，造成船尾下沉多一些，船頭往上翹，這時，石塊重量是否和大象重量相等呢？或者，這時我們應該怎么做，才能使船達到裝載大象時同樣的漂浮狀態呢？

船舶研究設計原則

船舶研究設計通常是在各類相關的公約、規范、規則、標準的指導下進行的。如果新的研究內容超出了當前規范或規則所制定的框架，那么就需要進行理論上的探索和多方面的驗證，待研究內容成熟以后再轉化為規范、規則，指導將來的工作。

繁瑣、嚴謹、細致的研究設計工作

船舶研究設計是一項技術密集、任務量繁重的工作。一種類型的船舶從前期預研、方案論證到設計結束，有可能形成數千頁的報告、文件和上萬頁的設計圖紙。對于設計人員的智力、體力，都是十分嚴苛的考驗。就我個人的經驗而言，這項工作最困難的地方，是如何實現設計的最優化。船舶研究設計分為多個專業，各專業有著不同的要求和特性，而船舶的空間又是有限的，這便意味著各專業之間存在著相輔相成、相互制約的關系。即使在各專業的內部，相互制約的內容也隨處可見。設計過程中，專業間和專業內部的沖突不可避免，需要進行大量的協調工作，有時候不得不進行妥協和犧牲。舉個例子，船舶設計得越寬，它在航行時會越穩，但同時它的阻力也會變大，油耗會隨之增加。諸如此類的矛盾非常多，怎樣去取舍和平衡，往往是令設計師們焦頭爛額的大問題。無論是妥協、取舍還是平衡，目的只有一個，那就是設計一艘總體上最優化的船舶。力學是船舶研究設計的理論基礎，包括流體力學、材料力學、彈性力學和結構力學等。因此，力學計算是船舶研究設計中必不可少的工作。但是，船舶的復雜性又決定了理論上的計算并不能精確地解答全部問題，這時，模型試驗便成了十分有效的手段。比如，在現階段，船舶設計師們借助大型的拖曳水池實驗室，利用按比例縮小的木質模型，可以得出比理論計算更為精確的船體阻力性能、回轉性能的數據。

某些條件下，在水中高速旋轉的船舶螺旋槳，其表面的水流會產生“氣化”現象（可別小看了這些氣泡，它們可能會給螺旋槳造成嚴重的損傷），而螺旋槳空泡水筒試驗可以很好地驗證和預報這一現象。還有的船舶由于船體表面是復雜的三維曲面，為了使起錨時運動中的錨最終能夠緊密地與船體表面貼合，也需要制作木質模型進行拉錨試驗。

了解了船舶研究設計專家們的工作，你會發現，船舶研究設計不是一項單純的理論科學，而是一項實踐I生非常強的工程科學。所以，將來想要成為船舶研究和設計專家，從小就要注重培養“小小船舶研究設計家”的素質，有了這些條件，巨輪從你們的筆下駛向遠洋便指日可待了。親愛的同學們，你們準備好了嗎？