舰船在江河湖海中航行,为了适应水上运输或执行各种航行、战斗和水上作业等任务的需要,必须具备一定的使用性能和航海性能,才能保证安全有效地航行。舰船模型同真实的舰船相比,结构要简单得多,又没有恶劣的自然条件影响。但是,为了使舰舶模型安全、稳定、快速地在水面上航行,也要对舰船的航海性能有所了解。
一、舰船的使用性能
1.民用舰船的使用性能
载重量——船舶的运输能力。
载货吨位或容积——船内所有能利用的空间。
专用设备——根据船舶的用途而专门配备的各种设备,如装卸设备、系留设备、救生设备、捕捞设备、观察通讯设备和军用舰艇的各种武器装备等。
航行速度——船舶航行的快慢、续航力,即船舶一次加足燃料、淡水和食品后连续航行的时间。
居住性——旅客、船员在船上生活条件的优劣等。
2.军用舰艇的使用性能和航行
性能(又叫做舰艇的战斗力)
攻击力——舰艇利用本身配置的各种武器装备如火炮(包括机枪)、鱼雷、水雷、深水炸弹、导弹等向敌人实施攻击。
防御能力——舰艇利用自己的构造和设备如各个战位的装甲结构、双层底、防雷舱、保护色、烟幕施放器、破雷卫,防毒设施及各种损害管制设备等防敌攻击、保障安全的能力。
观察能力和通讯能力——艇在执行任务时为了尽快发现目标,统一指挥战斗,保证互相协同作战而应用如雷达、光学仪器、红外线夜视仪、声呐、各种无线电通讯器材、各种视觉及其他通讯方法的能力。
二、舰船的航海性能
舰船在海上航行必须具备以下条件:
第一,能够装载规定数量的载重而浮在水面上。
第二,当受风浪冲击,以及旅客、货物在舰船上移动时,舰船只产生一定的倾侧而不致倾覆;当外力作用消失时,舰船有回复到它原来正浮状态的能力。
第三,舰船在海上发生触礁、碰撞或遭受敌人攻击而致损伤等事故时,仍能保持不沉不翻的浮态。
第四,应有较高的航速和消耗较小的机器功率。
第五,有较好的航向稳定性和敏转性。
第六,在波涛汹涌的海面上航行时,不致有猛烈的摇摆,以免船员、旅客晕船和妨碍舰船机器设备的正常运转及武器的准确发射。
综上所述,能够正常航行的舰船必须要有足够的结构强度和良好的航海性能。舰船的航海性能指标如下:
1.漂浮性
舰船的漂浮性是指舰船在满载的时候仍能漂浮在水面上的能力。
舰船漂浮在水面上,一方面受到船体本身的重力作用,另一方面受到水的浮力作用。船体受到的重力和浮力大小相等,方向相反,作用在同一条直线上。重力的作用中心叫做重心,它取决于船体和货物的重量分布情况。浮力的作用中心叫做浮心,它取决于船体浸没在水中的几何形状,它是船体在水下部分的几何中心。
图1-2-1重力和浮力的平衡如果船体的重心在船体中央,船体呈水平状态漂浮在水面上,这时候浮心也在船体的中央,如图1-2-1a所示;如果船体的重心移到船体前部,船体向前倾斜,浮心也移到前部,如图1-2-1b所示;如果船体的重心移到船体后部,船体向后倾斜,浮心也移到后部,如图1-2-1c所示。
根据阿基米德定律,舰船受到的浮力等于它所排开的水的重量。在体积相同的情况下,如果船体比较轻,浸没在水面以下的体积就比较小,或者说吃水浅;如果船体比较重,浸没在水面以下的体积就比较大,或者说吃水深。当船体重量增大到一定程度后,整个船体就会淹没在水面以下,甚至下沉。为了使舰船有足够的漂浮能力,一般舰船浸没在水面以下的体积大约只占船体体积的1/2。
如图1-2-2所示,a重力、d压力、c浮力,舰船在水中受到水压力的作用时,左右两舷的压力相互平衡,船底的压力D与船只本身的重量P相平衡。由阿基米德定律可知:浮体的重量等于它排开同体积水的重量,即D=ρV=P图1-2-2水压力沿横剖面分布情况式中:ρ——水的比重,单位为吨/立方米,ρ(淡水)=1吨/立方米,ρ(海水)=1.025吨/立方米;V——船的排水体积,单位为立方米。
已知舰船模型的线型图,其排水体积V可按公式求得:
V=δLBT
式中:δ——方形系数(也称排水体积系数);L——设计水线长;B——设计水线宽;T——设计吃水。
如果没有供参考的方形系数值,不便用上式求排水体积,也可从体型图求出每个横剖面面积,并将每个横剖面面积值按站号标在直角坐标系中(纵坐标代表横剖面面积值,横坐标代表船长),如图1-2-3所示,绘出横剖面面积曲线,再用梯形法求出横剖面面积曲线与横坐标所围成的图形的面积值,即为舰船模型的排水体积V。
图1-2-3横剖面面积曲线舰船的平衡条件为:
第一,重力P与浮力D作用在同一垂直线上;
第二,排水量等于船的全部重量,P=D。
舰船必须在载重水线以上留有若干水密体积,以备在特殊情况下,例如航行在风浪险恶的海面或遭敌攻击而破损浸水时,仍然具有一定的浮力而免于沉没。该水密体积称为储备浮力,如图1-2-4所示。
图1-2-4储备浮力(图中阴影部分为储备浮力)储备浮力的多少一般可用静浮满载水线至干舷甲板垂直范围内所有沧水不能进入处的总容积乘以海水的密度来表示。因此,在运输舰船的舷侧都画有载重线的标志,各港口的港务局必须监督每艘出港的舰船吃水不超过载重线标志,使其保持足够的储备浮力,保证航行安全。
在不同的航线和季节,由于海上风浪情况不同,允许具有不同的储备浮力。一般在夏季的热带水面或淡水区域,因风浪较小,干舷可小些;冬季,特别是在波浪滔天的北大西洋区域航行,干舷应增大些。为了保证船舶有足够的干舷,其吃水不应超过一定限度,为此,在船舶船体中部两舷都标绘出载重符号——载重线标志,如图1-2-5所示。
图1-2-5船舶吃水线与载重标志它指示船舶在不同航区、季节时的最大吃水标志。圆环两边的字母代表核定载重线标志的船舶检验机构名称的缩写:
ZC——中华人民共和国船舶检验局
AB——美国船级社
LR——英国劳氏船级社
JG——日本船级社
BV——法国船级社
PC——前苏联船舶登记局
NV——挪威船级社
图中横线旁的各个字母代表的含义为:
RQ——热带淡水区载重线
Q——淡水区载重线图中符号
R——热带载重线
X——夏季载重线
D——冬季载重线
DBB——北大西洋冬季载重线
2.稳定性
舰船的稳定性是指舰船在有限的倾侧力作用下不倾覆,倾侧力消失后能回复到正常状态的能力。例如,在海上航行的船舶在波浪的作用下,其摇摆不能过于急速,如果摇摆过于急速,会破坏船体结构,会使操作困难,对于军舰来说还会影响炮火射击的效果。
舰船在航行中受到侧面的风浪作用会产生倾侧。假设船体向右倾侧,如果船上货物不移动,重心位置就不会有变化。但由于左面一部分体积露出水面,右面同样大小的体积浸入水中,因此浮心向右移动,此时会出现3种如图1-2-6所示的3种情况:
图1-2-6船舶的稳定性如果重心比较低,或者船身比较宽,浮心向右移动相对比较大,浮力作用线就会移到重力作用线的右侧。这时候,浮力的力矩会使船体回复到正常状态,如图1-2-6a所示,这种浮力的力矩称为复原力矩,其作用的平衡状态称为稳定平衡。
如果重心比较高,或者船身较窄,浮心向右移动相对比较小,浮力作用线在重力作用线的左侧。这时候,浮力的力矩会继续使船体倾侧,如图1-2-6b所示,这种力矩称为倾覆力矩,其作用的平衡称为不稳定平衡。
另外,如果重心在浮心的下面,船体倾侧后,浮力的力矩一定会使船体回复到正常状态,称为中性平衡,见图1-2-6c。因此,重心、低于浮心的舰船一定是稳定的。但是,需要注意的是1-2-6图中的b和c的情况在实际舰船上是不允许出现的。
从图1-2-6中可以看到,浮力作用线同船体的中心线相交于M点,M点叫做稳心。当稳心高于重心的时候,舰船是稳定的,当稳心低于重心的时候,舰船是不稳定的。稳心到重心的距离叫做稳心高度,稳心高度越大,船体的稳定性越好。一般舰船在倾侧10~15度的情况下,稳心高度大约从零点几米到几米。舰船模型的稳心高度可以按比例缩短。
那么,如何才能使舰船具有良好的稳性呢?
第一,应尽量降低舰船的重心;
第二,增加船宽;
第三,保持一定的干舷。
但是,还需要注意船宽过大、重心过低的舰船,重力与浮力作用线之间离很大,因而形成的复原力矩也会很大,这样的舰船在波涛汹涌的海面上左右摇摆频率较高,对人员工作和设备运行不利。
3.摇摆性
舰船在外力作用下,产生左右横摇和前后摇摆的运动,称为摇摆性。舰船摇摆的方式主要有3种:
(1)横向摇摆:指船舶的横向惯性力矩与复原力矩交互作用绕纵向轴而产生的摆动。
(2)纵向摇摆:指船舶纵向惯性力矩与纵向复原力矩相互作用绕横向轴而产生的摇摆。
(3)垂向摇摆:即升降运动,指船舶垂直方向运动的惯性与浮力相互作用而产生的运动。