受損航母的穩性研究

洪偉宏

(海軍艦船辦，北京 100073）

受損航母的穩性研究

洪偉宏

(海軍艦船辦，北京 100073）

穩性是影響航母作戰能力的重要因素之一。航母的穩性設計包括水密分艙設計、舷側防護系統。本文研究了美國海軍受損航母穩性要求，并以“約克城”號航母為例進行分析，并對不同進水情況下的穩性進行了建模計算，得出了針對性的處置方法。

航母;穩性;受損

0 引言

在20世紀不到50年的時間里，航母從作戰價值有限的輔助戰艦變為最重要和最有價值的戰艦。而航母在受損情況下的穩性是評判其運行和作戰能力的重要參考標準，水線以下遭遇損毀時的穩性尤其受到關注。本文研究航母在受損情況下的穩性，計算結果以回歸方程和曲線圖的形式給出。

1 受損航母穩性的要求和標準

航母是艦隊中最重要的艦船，但與其他艦船一樣，穩性和浮力受外界因素影響。可能遇到的危險包括船體破損、內部艙室進水和風浪等。

1.1 受損航母穩性要求

受損航母穩性要求并不能保證航母一定不會沉沒，但能增加受損航母的生存能力。

1）穩定性影響因素

對稱進水。出現對稱進水時，航母面臨的基本問題是穩心高度的變化。由于影響穩定的致命因素是穩心高度的減小，當航母機庫甲板等位置出現大量進水時，航母極易傾覆。

非對稱進水。若縱隔壁未受損，航母只有一邊進水，此種情況即為非對稱進水。非對稱進水對于有舷側保護系統的航母尤其危險，因為它會引起很大的傾斜力矩，繼而引起突然和不受控制的橫傾，同時大幅減小航母的復原力臂。這種非對稱進水引起的大傾斜角會使航母極易受到魚雷攻擊:航母存在大角度傾斜時，在高的一端，舷側保護系統以下部分會成為魚雷的攻擊對象，在較低的一端，舷側保護系統以上的部分會面臨同樣的處境。如果這種狀況無法迅速改變，就需要在出現沉船或翻覆危險前棄艦。

風浪。受損航母在受到風浪影響時，其穩性分析以復原力臂曲線和風壓橫傾力臂曲線為基礎。所示，圖1給出了受損航母穩性要求，其中復原力臂線與風壓橫傾力臂線之間的面積用A1和A2表示。

圖1 受損航母穩性要求Fig.1 Requirement of stability for damanged aircraft carrier

由風浪對受損航母造成的風壓橫傾力臂用以下公式計算:

其中，Vwind為受損航母所處環境的風速，kn;A為垂直受風面積，ft2;l為從半吃水深度到航母受風面積中心的距離，m;Δ為排水量，t;θ為傾斜角，(°）。

受損航母能夠無顛覆風險承受的風速為

2）對穩性的基本要求

艦船進水會增加船體重量或減少艦船儲備浮力，從而影響艦船橫向和縱向穩性，增加艦船吃水深度、縱傾和橫傾。對航母穩性的基本要求是:

航母水密分艙進水并出現新水線時，會因不對稱進水出現橫傾角，要保證此橫傾角不會導致非水密開口進水;橫傾斜角不能過大，以保證艦內的物體和各種設備保持原位，否則航母將無法運行;要有足夠大的穩心高度 (GM）和穩性，保證航母不因風浪翻船。總之，航母必須能快速而有效地減小甚至完全消除傾斜角。為此，航母通常裝有獨立于壓艙系統的交叉連接的管道，連接船舷側艙、雙層底艙和舷側保護系統的進水空間。

另外，作戰能力對穩性的要求基于最低的進攻和防御能力。涉及的因素包括快速傾側能力和傾斜度糾正能力。

以下為航母發生進水事故時需要維持的基本穩性標準。這些標準確定了航母維持全部或部分作戰能力的極限傾斜角度:

傾斜角在5°之內，艦載機起飛降落均不受限制;傾斜角超過8°時，飛行活動要受到限制;傾斜角 (橫向和縱向）不超過5°為安全角度。航母壓載艙能夠快速有效地糾正小于20°的傾斜;傾斜角不大于12°時，除直升機作業之外的其他活動可以進行;任何艦載設備必須能在航母發生不大于15°(橫向或縱向）的傾斜時均具備完全作戰能力;任何時候超過20°的傾斜角都非常嚴重，傾斜角超過20°時，允許航母撤出作戰行動或執行棄艦命令;特定情形下，為保持航母生命力，艦載設備和機器需要在20°～25°的傾斜角范圍內仍然保持作戰能力。

1.2 航母穩性設計

航母的設計要求能夠在經受損毀時還能充分維持航行和作戰能力。因為該能力需求對航母的尺寸、艦形、布局和水密分艙的數量有很大影響，所以在航母設計的最初階段就應該確定這一設計需求，并根據這些需求確定水密分艙的長度和布局。

根據美國國防部相關文件，航母應該滿足如下要求:

水線長大于92 m的航母，無論在何處出現損毀，長度達到水線長的15%或21 m(選較大的），航母都需要保持充分的穩性。這種損毀程度通常會影響3～4個水密分艙;在因爆炸引起橫向傳遞的損毀時，損毀會達到艦船內部20%，因此航母需要擁有舷側保護系統;縱向的損毀還未定義，但是這種損毀不會超過損管甲板。損管甲板一般設在結構性水線以上的第一層甲板。

1）水密分艙

航母防水隔壁有2個作用，一是劃分艦上活動區域，二是加固艦體結構。防水隔壁形成的水密分艙解決了航母因水下破損造成的進水問題。在航母因外殼損毀而導致內部進水時，能夠提高航母作戰效率并降低風險。

根據爆炸對軍艦結構模型的影響測試結果以及相關作戰報告，目前每艘航母擁有約300間水密分艙，這些艙室是航母能否在受損情況下保持穩定的決定因素。

根據美國國防部文件，損管甲板以上的水密艙允許設置可以打開的防水門，但通常要保持關閉，而損管甲板以下的水密分艙必須是密封的。

2）舷側保護系統

航母上除了密集布置的水密分艙之外，還有舷側保護系統。該系統位于船體左右舷內，通常由5個縱向隔壁構成，形成4個防水層。其中，2個外側的防水層留空，航母受損時水可以直接進入，而內側的2個裝有各種液體 (重燃料、煤油、水等）。這些縱向隔壁與眾多橫向隔壁共同形成水密分艙，而這些水密分艙在垂直方向上與受力甲板 (通常是機庫甲板）連接。

舷側保護系統圍繞在航母船體周圍，長度約為艦長的2/3，其主要功能是使航母受損后的進水量受到限制，控制在最小量。當航母船體內部進水時，該保護系統增加了內部分隔因素，使航母安全性更高。系統保護的重要部位包括動力裝置、電站、彈藥艙、燃料和補給品等。

2 航母選型建模

選取二戰中美國“埃塞克斯”級航母“約克城”號 (CV-5）作為計算模型進行分析，目的是簡單描述受損穩性分析時要考慮的所有重要因素，所采用的計算方法同樣適用于現代航母。

“約克城”號航母可搭載艦員2 217人，艦載機71架，表1給出該航母的參數。

表1 “約克城”號航母參數列表Tab.1 The parameters of“Yorktown”

2.1 航母基本情況

1）艙室分艙

所選航母有17個橫向防水隔壁，4個縱向防水隔壁。縱向的防水隔壁與航母同長，橫向隔壁的高度為從船底到機庫甲板。這些防水隔壁將航母分隔為大量水密分艙。此外，這些防水隔壁的強度可以承受受損航母大吃水深度的水壓。

2）舷側保護系統

舷側保護系統的縱向長度約占全艦長度的60%，位于艦中。“約克城”號航母的橫截面如圖2所示。

圖2 “約克城”號航母橫截面Fig.2 USSYorktown cross section

2.2 航母進水后的平衡位置

本節將對所選航母模型進行仿真，首先確定進水量，之后找出航母的新的平衡位置。先假設魚雷或水雷的爆炸位置在損管甲板以下。

這種破損會造成航母迅速地不對稱進水，并不斷下沉形成新的水線，此時的排水量與航母總重相等。但是，航母會出現一定角度的橫傾，總傾斜角為30°。更大的角度可能導致連續進水。

受損航母的穩性計算還將考慮受損航母能夠承受的最大風力。

圖3 “約克城”號航母幾何模型Fig.3 USSYorktown geometric model

3 受損航母穩性計算

各種情況進水的計算原理都相同，在此假設爆炸將相鄰艙室的舷側保護系統完全炸毀，并損毀了橫向和縱向的防水隔壁，從而導致鍋爐艙和雙層底中的側壓載箱進水 (見圖4）。必須強調，這種損毀組合只能發生在有舷側保護系統的艙室中，而在艦首和艦尾沒有舷側保護系統的艙室中，爆炸會炸穿縱向的防水壁，從而導致對稱進水。

圖4 艙室橫向進水位置Fig.4 Lateral inlet position of the cabin

在魚雷或水雷與船體接觸的瞬間發生爆炸，航母出現損毀。航母新平衡位置的確定需要考慮所允許的最大風力，其中風吹向航母左側。

3.1 僅有1個艙室進水

仿真計算的損毀位置從艦艏開始，一直移動到艦尾 (見圖5）。基本假設是航母被1枚魚雷擊中，影響到所考慮的艙室，而周圍的橫向隔壁未受損。

圖5 艙室縱向進水位置 (網格代表進水艙室）Fig.5 Longitudinal water inlet position of the cabin

3.2 有2個艙室進水

2個相鄰艙室進水仿真計算的損毀位置同樣從艦首開始，一直移動到艦尾 (見圖5）。2個基本假設如下:

航母被橫向防水隔壁附近的1枚魚雷擊中，導致其損毀，2個相鄰艙室進水;

2枚魚雷分別擊中2個相鄰艙室中部，導致其進水。

3.3 有3個艙室進水

3個相鄰艙室進水仿真計算的損毀位置同樣從艦首開始，一直移動到艦尾 (見圖5）。2個基本假設如下:

航母被2枚魚雷擊中，其中1枚擊中橫向防水隔壁附近的船體縱梁，導致其損毀且與之相鄰的2個艙室均出現進水。第2枚魚雷擊中與上述2個艙室相鄰的艙室中部，因此而出現集中的3個艙室進水的事故。

航母的3個相鄰艙室分別被3枚魚雷擊中中部，導致相鄰3個艙室進水的事故。

3.4 有4個艙室進水

4個相鄰艙室進水仿真計算的損毀位置同樣從艦首開始，一直移動到艦尾 (見圖4d）。3個基本假設如下:

1）航母被2枚魚雷擊中2個不相鄰的橫向防水隔壁，導致2對相鄰艙室進水，引起4個相鄰艙室同時進水;

2）4枚魚雷分別擊中4個相鄰的艙室中部，引起4個相鄰艙室同時進水。

3）1枚魚雷擊中防水隔壁附近，導致相鄰的2個艙室進水，另外2枚魚雷擊中另外2個相鄰艙室，引起4個相鄰艙室同時進水。

計算方法為下面的回歸方程式。

其中，R2的值在0.9～1之間，取該區間的值有利于快速預測航母艙室進水時所預期的平衡位置。φ1和ψ1分別為橫傾和縱傾角度，其標號表示相鄰進水艙室的個數，如φ1表示有1個艙室進水。

圖6和圖7給出了各種位置上的損毀進水造成的航母橫傾和縱傾情況的計算結果。其中，橫軸表示進水位置，不同形式的線條表示進水艙室數量不同時航母的橫傾和縱傾情況。

圖6 平衡位置的橫傾角Fig.6 Horizontal angle of equilibrium position

圖7 平衡位置的縱傾角Fig.7 Vertical angle of equilibrium position

4 結語

本文對所選航母進行了穩性計算，對4組不同的相鄰艙室進水情形進行了仿真。通過研究，可得出以下結論:

航母中部艙室進水時會出現最大程度的橫傾，而艦首或艦尾艙室進水時則會出現最大程度的縱傾。這種結果屬于意料之中，因為艦首和艦尾屬于對稱進水。

當有1個艙室進水時，航母會出現2°～3°的橫傾 (中部的F/G/H/I艙室進水時的橫傾角度會稍微大一些）。這些橫傾角度并不會造成太大問題，因為即使出現8°的橫傾角，某些航空作業仍然可以進行。

只有當2個相鄰艙室進水時橫傾角才會有較明顯的增大，但不會超過15°(救生設備的極限運行角度）。

當航母中部有3個或4個艙室進水時，航母可能會因過大的橫傾而失去運行和作戰能力。此時，需要進行壓艙來緩解橫傾和縱傾。雖然此時的橫傾角度較大，但根據復原力臂線和風壓橫傾力臂線之間的面積，航母還不會出現翻船的危險，因為此時的橫傾角小于翻船最小橫傾角。所以，即使出現大于20°的橫傾，航母仍能達到新的平衡位置。因此，出現上述情況時，艦員應該救援而非棄艦。

［1］BROWN D K，CHALMERSDW.The Management of safety of warships in the UK［R］.RINA Transactions.General Hydrostatics-User's Manual，2005.

［2］KEIL A H.The response of ships to underwater explosions［J］.SNAME Transactions，Vol.69:366-410.

［3］MANNING G C.Theory and technique of ship design［R］.Tehniknjiga，Zagreb，in Croatian，1967.

［4］RUSSO V L，ROBERTSON J B.Standards for stability of ships in damaged condition［R］.SNAME Transactions，Vol.58:478.-566.

［5］SARCHIN T H，GOLDBERG L L.Stability and buoyancy criteria for U.S.surface ships［R］.SNAME Transactions，Vol.70:418-458.

［6］DENISSM.The strike aircraft carrier:considerations in the selection of her size and principal design characteristics［R］.SNAME Transactions，Vol.104:260-304.

［7］Stability standards for surface ships-Part 1，Conventional ships［S］.UK Ministry of Defence，Defence Standard 02-109(NES 109），Issue 1，2000.

［8］UR?IóJ.Ship stability［M］.University of Zagreb:FAMENA，Textbook，in Croatian.

Research on the stability of damaged aircraft carrier

HONGWei-hong
(The Equipment of PLAN，Beijing 100073，China）

Stability is one of the important factors impacting the operational ability.The stability related designs include watertight cabin and the broadside safety system.The papermade some research on the requirement to the damaged aircraft carrier，and take CV-5 as an example.Some computation and simulation aremade for the different condition and brought out some advice.

aircraft carrier;stability;damaged

TP393

A

1672-7649(2015）11-0169-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.11.037

2015-09-10;

2015-10-10

洪偉宏(1972-），男，高級工程師，研究方向為船舶工程。