05.04 艦艇不是隨便設計:噸位、馬力、速度都必須講科學

在現代海軍當中,大型艦艇的優勢是毋庸置疑的,大型艦艇意味著能夠攜帶更多更大型的艦載設備,在海戰當中具有優勢。而艦艇的速度也是必不可少的一點,總所周知,越大型的艦艇想要跑到高速就越難,但是艦艇的噸位,主機功率和航速之間到底是一個怎樣的關係呢?今天我們就來探討一下。

艦艇不是隨便設計:噸位、馬力、速度都必須講科學

要談艦艇的功率肯定就要談艦艇受到的阻力。有一定物理基礎的人都知道,艦艇在水面航行的時候會受到多種阻力的影響,有形狀阻力,摩擦阻力,興波阻力等等,一般來說小船收到的阻力都要小,大船受到的阻力都要大,這個和船體水下部分的最大截面積,船體入水面積,以及船隻外形係數有著各種各樣的關係,不能一概而論,有的時候大船的阻力說不定還比小船小一些。

艦艇不是隨便設計:噸位、馬力、速度都必須講科學

形狀阻力很好理解,船體在水中運動的時候有一個截面,就像一塊板子,這塊板子大阻力就打,板子小阻力就小,所以大多早期高速艦都是非常瘦長的。摩擦阻力就是艦艇入水部位在運動當中和水體摩擦產生的阻力。高速時最主要的部分是興波阻力,能夠佔總阻力的一半以上。簡單一點來理解的話,艦艇在高速航行會在兩側及後方掀起大量的浪花,掀起這些浪花的能量都是由船所提供的,傳遞的方式就是興波阻力。興波阻力的大小和艦艇在水線上的面積息息相關,水線面積大則興波阻力大,可以看到一些高速分體船在水線部分只有細細的一條,這就是為了降低興波阻力。

艦艇不是隨便設計:噸位、馬力、速度都必須講科學

我們從這裡可以看出,艦艇的阻力和艦艇上的各種面積成正相關,而噸位又直接影響到各種面積。眾所周知面積計算是二次方,體積是三次方,所以可以近似地認為阻力和噸位的2/3次方成正相關。

速度方面,摩擦阻力與速度的1.86次方成正比,形狀阻力是2次方,興波阻力是2~4次方,當艦船航速接近/超過行波傳播速度時,興波阻力與速度的4~6次方成正比。一些特殊的船型比如剛才提到的高速分體船除外。所以在一般情況下,可以近似的認為阻力和速度的二次方成正相關。

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那麼接下來就是一個簡單的數學問題了,可以的出艦艇的功率大致和速度的三次方成正相關,和噸位的2/3次方成正相關。也就是說在相同速度之下,噸位的增加對應的功率增加其實不太大,但是在相同噸位之下,要想增加速度就就要功率增加很多才行。所以高速艦艇對於動力系統來說是一個非常大的考驗。舉個簡單的例子,一艘萬噸級驅逐艦要想跑到30節大概需要十萬馬力(以伯克級為例子),如果想要跑到60節,那就需要八十萬馬力以上了。但是如果都只想跑到30節,不到一萬噸的伯克級驅逐艦需要十萬馬力,但是比它重接近10倍的尼米茲級航母只用了26萬馬力,兩倍多一點。所以能看出,在噸位和速度中,對功率影響更大的還是速度。


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