航空母舰以及其他现代水面舰艇的设计绝大多数都是“上宽下窄”的外形设计,外观来看都有“头重脚轻”的问题,如此设计如何保持稳定性呢?
建造中的“福特号”航母,看上去严重的“头重脚轻”
“尼米兹级”核动力航母进行高速小半径机动时发生了大角度的侧倾
航空母舰是现代海上作战的核心,其主要功能就是为舰载机提供远洋作战时的起降平台,因此,宽大的甲板是航空母舰最突出的特征。为了能够在可承受范围内获得更多的甲板空间,现代航母基本上都会采用“外飘”设计,如美国的“尼米兹级”大型核动力航母,其飞行甲板宽度约76米,而船体宽度却不到41米,新一代的“福特号”核动力航母飞行甲板宽度达到了78米,船体宽度仍旧不到41米!从前面看“尼米兹级”和“福特级”航母就像是漂浮在海面上的“碟子”、随时都有侧翻的危险,
美国“尼米兹级”核动力航母“布什号”,甲板宽度远大于船体宽度!
“辽宁号”航母的甲板宽度也远超过船体宽度
通过合理的设计,将航母的重心设置到水线以下,同时将浮心设置到水线以上,从而使得航母在发生倾斜是能够形成自稳定力矩。航母虽的上层建筑看起来体积庞大,但是从质量分配上来说,上层建筑的重量要比水线以下的重量小得多。航母上层建筑中包括了空旷的机库、指挥舱室、人员居住舱室以及其他日常生活设施舱室等,“空壳子”较多;而包括动力系统、传动机构、武器弹药库、压载水舱等,基本上都是充满机械、金属装备的“实心舱室”,如此以来,航母的重心位置就会集中在下层结构中、也就是处于水下以下就不难理解了。
英国“皇家方舟号”航母结构剖面图,可见底部基层密布大型设备!
船舶重心、浮心以及稳心的相对位置示意图
航母纵向剖面图,两侧设有压载水
除了合理设计航母的重心、浮心这个基本的要求外,包括航母在内的大中型水面舰艇还会装备减摇鳍、平衡水舱等,以提升在遇到恶劣海况或者继续大幅度机动时的稳定性。其中平衡水舱是类似于一个连通器的装置,在船台倾斜时由于延迟效应和水舱内的流动性,可以为舰艇提供额外的稳定力矩;减摇鳍则是参考鱼类的腹鳍设计一种特殊设备,按照形式不同分为被动定式和主动式两种,其中主动式减摇鳍能够根据船体倾斜的情况滑动以增加反向趋稳力矩,在高航速、高海况下作用效果最好。
减摇平衡水舱示意图,一般在海上平台中应用较多
一种主动式减摇鳍结构示意图
现代大型军用舰艇的设计是一项极其复杂的系统工程,尤其是航空母舰这样动辄数万吨甚至十万吨的超大型战舰,全舰上下数千个隔间、数万台/套设备,如何合理布局、有序布置才可以既能满足作战要求又能保障平台稳定性,是一项“高深”的学问
”尼米兹级”核动力航母在服役之前需要进行严苛的抗冲击测试
对于大型航母来说,想要用重型武器击沉都困难,要是会侧翻就尴尬了!