艦船靜力學(xué)性能考核評價指標及考核能力需求初探

焦安龍，劉文思

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艦船靜力學(xué)性能考核評價指標及考核能力需求初探

焦安龍，劉文思

（中國人民解放軍91439部隊，遼寧大連116041）

從艦船靜力學(xué)性能的原理出發(fā)，總結(jié)現(xiàn)有水面艦船浮性、穩(wěn)性、不沉性考核標準，開展艦艇平臺浮性、穩(wěn)性、不沉性考核方法研究，對現(xiàn)有考核方法進行歸納梳理，分析考核典型艦船平臺靜水力學(xué)性能的基本能力要求，提出靶場考核裝備建設(shè)需求，對拓展靶場職能使命，提升新形勢下靶場試驗考核能力具有實際的意義。

靜力學(xué)性能 考核評價 能力建設(shè)

0 引言

艦船浮性、穩(wěn)性、不沉性是艦艇靜水力學(xué)性能的基本構(gòu)成要素，隨著我國維護海洋權(quán)益的意識日益提高，海軍作戰(zhàn)任務(wù)逐步向遠海拓展，艦船面臨的作戰(zhàn)環(huán)境勢必日趨復(fù)雜，碰撞、擱淺的概率大大增加；同時海軍大中型艦船的陸續(xù)服役，基于平臺的型號試驗任務(wù)越來越多，靶場的使命任務(wù)將由單一作戰(zhàn)模塊的考核，向艦艇作戰(zhàn)平臺接近實戰(zhàn)條件下的總體性能考核拓展。而現(xiàn)代艦船廣泛采用薄壁結(jié)構(gòu)，在水中兵器的作用下其被動防御能力一般較弱。因此，對現(xiàn)有艦艇總體性能中浮性、穩(wěn)性、不沉性的考核，直接關(guān)系到艦艇交付使用的產(chǎn)品質(zhì)量，最終決定艦船在實戰(zhàn)條件下的總體作戰(zhàn)能力和生命力。對艦艇平臺浮性、穩(wěn)性、不沉性等艦艇靜水力學(xué)性能指標開展針對性的研究，掌握艦艇平臺總體性能考核方法對靶場使命任務(wù)拓展具有重要意義。

1 浮性的考核評價

1.1浮態(tài)的表示及計算方法

艦船在一定載重情況下具有浮于水面（或浸沒水中）保持平衡位置的能力叫做浮性。浮性本身不僅是艦船最基本的航海性能，也是其他各種航海性能得以存在和發(fā)揮的基礎(chǔ)。船舶浮于靜水的平衡狀態(tài)稱為浮態(tài)，可分為正浮狀態(tài)、橫傾狀態(tài)、縱傾狀態(tài)、任意浮態(tài)[1]。

船舶的浮態(tài)可用吃水、橫傾角和縱傾角等參數(shù)表示。由于船舶的正浮、橫傾、縱傾三種浮態(tài)是任意浮態(tài)的特例，因此考慮最一般的任意浮態(tài)下船舶的吃水、橫傾角和縱傾角等參數(shù)計算方法。

1.2浮態(tài)的考核要求[3]

以靜水力曲線為基準，通過測量艦船的吃水、縱傾、橫傾值對艦船的排水量、重心縱向和橫向位置作預(yù)檢查。

通常對首制艦船進行測量，由承造船廠組織實施。水面艦船可以和傾斜試驗同時進行，潛艇一般在下水后隨即進行。與傾斜試驗同時進行可用初穩(wěn)性高實測值推算，單獨測量只能用初穩(wěn)性高理論值推算。

1）重量和浮態(tài)預(yù)計計算書

應(yīng)分別按稱重重量和理論重量詳盡計算測量狀態(tài)時艦船的重量和重心，并按靜水力曲線推算出浮態(tài)。

2）試驗條件

水面艦艇狀態(tài)按GJB350.2水面戰(zhàn)斗艦艇系泊和航行試驗規(guī)程傾斜試驗執(zhí)行，潛艇狀態(tài)按GJB38.73執(zhí)行[3-5]。

3）測量設(shè)施

測量設(shè)施應(yīng)包括：a)吃水標記；b)密度計；c)基準平臺；d)光學(xué)測傾儀器。

4）浮態(tài)測量報告

格式同試驗報告，內(nèi)容要求如下：

a)概況部分應(yīng)明確時間、地點、氣象條件、測試水區(qū)水的密度、艦船系泊狀態(tài)；b)艦船載浮狀態(tài)應(yīng)列出測試時艦船排水量、重心縱、橫向位置計算值及排水量占標準排水量（水面艦船）或正常排水量（潛艇）的百分比；c)測量記錄應(yīng)包括艏、舯、艉吃水實測值和計算值，縱傾、橫傾值和計算值，并注明測量儀器型號；d)分析與措施應(yīng)推算水面艦船標準排水量、潛艇正常排水量狀態(tài)下的排水量、重心縱橫向位置，求出與理論值差值，并對差值進行分析，查找原因，與訂購方協(xié)商后由總體設(shè)計單位采取相應(yīng)措施，必要時需調(diào)整固體壓載。

72 穩(wěn)性的考核評價

2.1穩(wěn)性的表示及計算方法

受外力作用偏離其正浮平衡位置而傾斜的船舶，當外力消失后能恢復(fù)到原平衡位置的能力稱為艦船穩(wěn)性。具有這種能力的船是穩(wěn)定的，否則是不穩(wěn)定的或隨遇平衡（即能停留在任何傾斜角狀態(tài)）的。

按傾角大小可分初穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性。初穩(wěn)性一般指傾斜角度小于10°～15°或上甲板邊緣開始入水前（取其小者）的穩(wěn)性；大傾角穩(wěn)性一般指傾角大于10°～15°或上甲板邊緣開始入水后的穩(wěn)性。

1）初穩(wěn)性公式和穩(wěn)性高[1,2]

，

稱為初穩(wěn)性公式。

式中，浮心垂向坐標z和橫穩(wěn)心半徑可根據(jù)型線圖及型值表相當精確地求得，因此問題的關(guān)鍵在于如何精確獲得重心垂向坐標z值。

2）大傾角穩(wěn)性[1,2]

初穩(wěn)性所得結(jié)論只適用于橫傾角度小于10°～15°的情況，在艦船在遇到惡劣風(fēng)浪時，其橫傾角將大大超過上述范圍，這時便不能用初穩(wěn)性來判斷船舶是否具有足夠的穩(wěn)性。需要研究艦船大傾角穩(wěn)性。

大傾角穩(wěn)性的關(guān)鍵是確定復(fù)原力矩（或復(fù)原力臂），而求復(fù)原力臂的關(guān)鍵是確定艦船橫傾后的浮心位置，因此計算復(fù)原力臂的途徑一般是根據(jù)水線計算傾斜后的浮心位置或利用重心移動原理計算傾斜后浮心位置的移動距離。靜穩(wěn)性臂隨橫傾角的變化比較復(fù)雜，不能用簡單的公式來表示。通常根據(jù)計算結(jié)果繪制成圖，這種圖稱為靜穩(wěn)性曲線圖（如圖2）。它表示船舶在不同傾角時復(fù)原力矩（或復(fù)原力臂）的大小。

艦船在海上航行時經(jīng)常受到外力矩的突然作用，如陣風(fēng)的突然吹襲、海浪的猛烈沖擊等。在受到外力矩突然作用后將很快地產(chǎn)生傾斜，且在傾斜過程中具有一定的角速度，即使復(fù)原力矩達到外力矩，艦船仍然繼續(xù)傾斜，直到外力矩所做的功完全由復(fù)原力矩所做的功抵消時，船的角速度才變?yōu)榱愣Ｖ箖A斜。

因此，艦船的動穩(wěn)性是以復(fù)原力矩所做的功來表達的。

根據(jù)這個原理，可通過對靜穩(wěn)性曲線的積分得出動穩(wěn)性曲線（如圖3）計算出動力作用下的動橫傾角。

2.2穩(wěn)性考核方法

根據(jù)GJB4000-2000對穩(wěn)性的考核試驗項目包括：

1）傾斜試驗

在船舶設(shè)計階段計算所得的重量和重心位置，與船舶建成后的實際重量和重心位置往往有一定差異。重心位置對于艦船的浮態(tài)和穩(wěn)性卻影響極大，所以每一艘艦船在下水后、建造完工后、經(jīng)現(xiàn)代化改裝后或大修后都照例要用試驗的方法來檢驗其重心位置，尤其是重心高度。為此而作的試驗即稱傾斜試驗。傾斜試驗應(yīng)確定艦艇實際初穩(wěn)性高并求得艦艇重心實際高度。

由于篇幅限制，這里僅列出傾斜試驗基本程序，水面艦艇傾斜試驗具體試驗方法詳細見GJB350.2[4]。

2）靜水橫搖試驗

靜水橫搖試驗程序如下：

a)放松纜索，使艦艇能自由搖擺。b)試驗人員按照命令反復(fù)奔跑于兩舷間，以使艦艇搖擺。在指揮員發(fā)出“停止”的命令后，試驗人員即回到甲板中線面處，此時艦艇的橫搖角應(yīng)達到4°以上。c)待艦艇處于自由搖擺時，觀察員根據(jù)已選定的目標，測定艦艇的靜水自由橫搖周期。d)試驗應(yīng)重復(fù)三次。e)試驗結(jié)果整理。在試驗后整理試驗結(jié)果和編制測試報告。

3 不沉性的考核評價

船破損浸水后仍能保持一定浮態(tài)和穩(wěn)性的能力稱為不沉性。軍用船的不沉性要求較民船更高，因除在航行中可能遭到破損外，還要考慮到作戰(zhàn)中損傷后仍能保持一定的航海性能和戰(zhàn)斗能力。提高不沉性的主要措施是加大干舷和進行水密分艙，以及設(shè)置雙層底和邊艙等。在船舶靜力學(xué)中，不沉性問題包括下列兩方面的內(nèi)容[1]：

1）船舶在一艙或數(shù)艙進水后浮態(tài)及穩(wěn)性的計算。2）從保證船舶不沉性的要求出發(fā)，計算分艙的極限長度，即可浸長度的計算。

3.1不沉性的計算方法

艦船破損進水后，如進水量不超過排水量的10%～15%，可應(yīng)用初穩(wěn)性公式來計算船舶進水后的浮態(tài)和穩(wěn)態(tài)，其誤差一般在允許范圍之內(nèi)。計算船艙進水后浮態(tài)和穩(wěn)態(tài)的基本方法有兩種：

1）增加重量法。把破艙后進入船內(nèi)的水看成是增加的液體重量。

2）損失浮力法（固定排水量法）。把破艙后的進水區(qū)域看成是不屬于船的，即該部分的浮力已經(jīng)損失，損失的浮力借增加吃水來補償。對于整個船舶來說，其排水量不變。因此損失浮力法又稱為固定排水量法。

3.2不沉性考核方法

GJB400-2000艦船通用規(guī)范對從不同排水量艦船在指定最小浸水隔艙數(shù)目的任意相鄰隔艙對稱或不對稱浸水時的最小干舷高、初穩(wěn)心高、橫傾角幾個方面做出了要求。水面艦船的不沉性計算應(yīng)按CB/Z265水面艦船不沉性計算方法進行。

依據(jù)該標準，不沉性計算的最終結(jié)果應(yīng)給出艦船破損后的排水量、艏吃水、艉吃水、橫傾角、縱傾角、橫穩(wěn)性高度、靜穩(wěn)性曲線特征值等參數(shù)[6]。

4 考核典型艦船平臺靜力學(xué)性能的基本能力要求及靶場考核裝備建設(shè)需求分析

4.1實船試驗浮性、穩(wěn)性測量指標及不沉性計算指標

根據(jù)對標準規(guī)范中對浮性、穩(wěn)性、不沉性要求的實船試驗分析，水面艦船浮性測量可以和穩(wěn)性傾斜試驗同時進行，不沉性則通過計算進行檢驗。將浮性、穩(wěn)性實船試驗測量指標及不沉性計算指標歸納見表2:

4.2實船考核試驗建設(shè)需求

對標準規(guī)范提出的實船考核試驗所需環(huán)境條件、基礎(chǔ)設(shè)施、測量設(shè)備、技術(shù)文件歸納見表3。

4.3靶場現(xiàn)有環(huán)境條件、基礎(chǔ)設(shè)施、裝設(shè)備、技術(shù)實力分析

靶場試驗海域環(huán)境條件：靶場試驗海域具有廣闊的水域、平坦的海底、良好的水文氣象條件，水深一般在40～70 m，很少有臺風(fēng)；試驗海區(qū)距某軍港較近，一般為幾海里至幾十海里，是一年四季都可以進行海上試驗的理想海域。

靶場現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施：包括試驗測試工房，岸基綜合試驗樓及武器固定發(fā)射平臺一座，配套的試驗碼頭可停靠500 T級左右的船舶，在試驗碼頭可進行中小型水面艦艇試驗，水文氣象臺可以提供試驗海域的天氣預(yù)報，水文測量設(shè)備可實時實地測量風(fēng)速風(fēng)向，流速流向，海水深度、溫度、鹽度等參數(shù)，滿足海上試驗的各種需要。

5 總結(jié)

本文從典型艦艇的浮性、穩(wěn)性、不沉性的表示及計算方法、實船試驗考核方法兩方面歸納了現(xiàn)有標準對艦船靜力學(xué)性能考核評價指標，分析了考核典型艦船平臺靜力學(xué)性能的實船考核試驗對測量設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境條件的基本能力要求，為靶場后續(xù)開展艦艇平臺總體性能考核試驗，開展貼近實戰(zhàn)化考核研究，深化靶場鑒定使命，服務(wù)戰(zhàn)斗力生成提供參考。

[1] 盛振邦, 劉應(yīng)中. 船舶原理[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2003.

[2] 吳耀祖, 邵中立, 翟守恒等. 艦船原理[M]. 海軍工程大學(xué), 2007.

[3] GJB400-2000艦船通用規(guī)范[S]. 2000.

[4] GJB350.2-87水面戰(zhàn)斗艦艇系泊和航行試驗規(guī)程-傾斜試驗[S]. 1987.

[5] GJB38.37-2002常規(guī)潛艇系泊、航行試驗規(guī)程[S]. 2002.

[6] CB/Z 265-98水面艦船不沉性計算方法[S]. 1998.

Analysis on Warship’s Hydrostatics Performance Assessment and Capacity Requirements

Jiao Anlong，Liu Wensi

(91439 Unit of PLA, Dalian 116041, Liaoning, China)

U661.2

A

1003-4862（2017）05-0046-05

2016-11-15

焦安龍(1974-), 男，工程師。研究方向：船舶工程。