探究船舶的奧秘

人類自誕生以來，就渴望探索遠(yuǎn)方。在輪子發(fā)明以前，船就載著勇敢的冒險家們?nèi)ふ掖笱蟊税兜男麓箨憽氖非皶r期的原始木筏，到今天的高科技船舶，船舶經(jīng)歷了幾千年的漫長演變，人類無窮的智慧和創(chuàng)造力也在船舶上得到了完美體現(xiàn)。如今，依然有一群專家，為了使船舶性能達(dá)到更高目標(biāo)，還在不斷努力！今天，我們就一起去體驗體驗船舶研究與設(shè)計工作。

船舶是功臣

我們生活的地球約有71%的表面積被藍(lán)色的海洋所覆蓋，這一巨大的水體蘊含著寶貴的財富。從古到今，人類從未停止過對海洋的探索、開發(fā)和利用。比如，人們通過海洋獲得更便捷的交通路徑；從海洋中獲得豐富的食物來源；以及從海底深處提取稀缺的能源和礦產(chǎn)資源。而這所有的一切，都離不開一種最基本的工具—船舶，它就是人類探索和開發(fā)利用海洋的功臣。

反過來，對海洋的各種類型的探索、開發(fā)和利用，又決定了船舶的不同類型。比如，以交通和航運為目的，需要借助運輸船舶；以捕撈作業(yè)為目的，需要專門的漁業(yè)船舶；以資源勘探、開發(fā)為目的，則需要各類工程船舶和海洋工程平臺……船舶研究和設(shè)計工作，就是探索船舶的奧秘，根據(jù)不同的用途和需求，運用科學(xué)的方法，研制出性能更高且實用、安全的船舶。

船舶的種類還有很多很多，如果你想將來成為一名船舶研究設(shè)計專家，趕緊抽空去圖書館或上網(wǎng)搜索，以了解更多不同用途的船舶。

船舶的性能和結(jié)構(gòu)

想要成為一名小小船舶研究設(shè)計家，如果你還不知道船舶的結(jié)構(gòu)和基本性能，那可不行。所以，我們現(xiàn)在就趕緊補課喲。

從研制工作角度來講，船舶是一個十分廣泛的工程概念，它最簡易的形式，可以追溯到遠(yuǎn)古時期的獨木舟；而最復(fù)雜的形式，便是今天的體積龐大、功能齊備，宛如水上城市般的鋼結(jié)構(gòu)建筑物。這樣龐大的水上建筑，都有什么特性呢？

船舶的基本性能

浮性。不管船舶的外形差異如何顯著，它們都有一個共同的特性，那就是它們都是對水的浮力加以利用的產(chǎn)物。除了浮性，船舶還有以下性能。

穩(wěn)性。船舶在航行時會因為受到風(fēng)、浪等外力的作用而產(chǎn)生傾斜，當(dāng)外力的作用消除時，船舶必須得像“不倒翁”一樣回到之前的平衡狀態(tài)，這種性能稱為船舶的穩(wěn)性。

抗沉性。當(dāng)船舶因事故受損，導(dǎo)致船舶內(nèi)部某些地方進(jìn)水后，仍能保持一定的浮性和穩(wěn)性的能力，就是船舶的抗沉性。增強(qiáng)船舶抗沉性的重要措施是將船舶劃分為多個相互密閉的區(qū)域，保證當(dāng)一個區(qū)域破損時，水不會進(jìn)入到其他區(qū)域。值得一提的是，這個創(chuàng)造性的舉措是由我國古代勞動人民創(chuàng)立的。

快速性。船舶在水中航行時，會受到水對船體的阻力。船舶只有通過有效的推進(jìn)方式才能克服水的阻力前進(jìn)。船舶快速性的內(nèi)容包括兩個方面：一是設(shè)計出阻力盡可能小的船體，二是盡可能地提高推進(jìn)裝置的效率。

耐波性。耐波性研究的是船舶如何在風(fēng)浪中以一定航速安全、舒適地航行的性能。

操縱性。船舶和汽車一樣，必須具備良好的操縱性，以保證船舶在需要的時候具有保持或改變航行狀態(tài)的能力。

為了達(dá)到這些性能，船舶都有哪些基本結(jié)構(gòu)呢？

船舶的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代船舶的性能通常是由合理的船體，以及各種系統(tǒng)、設(shè)備、裝置來實現(xiàn)的。

動力系統(tǒng)是一艘船舶最主要的系統(tǒng)，它由主機(jī)、輔機(jī)、動力管系和推進(jìn)裝置組成，被稱為船舶的“心臟”。其次是電力系統(tǒng)，它通過電站、電網(wǎng)和各種傳感器建立起船舶的“耳目”和“神經(jīng)系統(tǒng)”。還有風(fēng)、水等各種管路，它們是船舶的“循環(huán)系統(tǒng)”。此外，船舶通常裝有的舵設(shè)備、起錨系纜設(shè)備和各類作業(yè)設(shè)備，相當(dāng)于船舶的“四肢”。承載這些系統(tǒng)和設(shè)備的就是船體，它是船舶的“軀干”和“骨架”。

船體的設(shè)計是否合理，決定了船舶性能的優(yōu)劣；系統(tǒng)和設(shè)備在船體上的布置是否得當(dāng)，則關(guān)系到一艘船舶在使用時，能否安全、高效地實現(xiàn)用戶所要求的功能。因此，通過科學(xué)的方法優(yōu)化船舶的性能和功能，是船舶研究設(shè)計人員最主要的工作之一。

以曹沖稱象引申開來

沒聽過《曹沖稱象》這個故事的同學(xué)，舉手。哈哈，沒有舉手的吧。雖然大家對這個故事耳熟能詳，今天也要重溫一下：曹沖將大象趕上船后，在船身與水面的交界處作了一個標(biāo)記，然后將大象趕下船，再往船上添加石塊，等到水線到達(dá)剛才標(biāo)記的位置時，停止添加。這個標(biāo)記實際上意味著船舶兩次裝載時達(dá)到相同浮力的狀態(tài)，因為船舶自身的重量是不變的，因此此時石塊的重量便等于大象的重量了。曹沖就是利用船舶的基本原理——浮力等于船舶加上貨物的重力而稱出了象的重量。

如果你是一位小小船舶研究家，看完故事，就需要再深入思考：如果曹沖所刻標(biāo)記，是在大象上船時正好位于船的前后中心點處（船正好水平地浮在水面上）所畫的，如果后來添加石塊時，放在船尾的石塊比放在船頭的石塊多，造成船尾下沉多一些，船頭往上翹，這時，石塊重量是否和大象重量相等呢？或者，這時我們應(yīng)該怎么做，才能使船達(dá)到裝載大象時同樣的漂浮狀態(tài)呢？

船舶研究設(shè)計原則

船舶研究設(shè)計通常是在各類相關(guān)的公約、規(guī)范、規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下進(jìn)行的。如果新的研究內(nèi)容超出了當(dāng)前規(guī)范或規(guī)則所制定的框架，那么就需要進(jìn)行理論上的探索和多方面的驗證，待研究內(nèi)容成熟以后再轉(zhuǎn)化為規(guī)范、規(guī)則，指導(dǎo)將來的工作。

繁瑣、嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的研究設(shè)計工作

船舶研究設(shè)計是一項技術(shù)密集、任務(wù)量繁重的工作。一種類型的船舶從前期預(yù)研、方案論證到設(shè)計結(jié)束，有可能形成數(shù)千頁的報告、文件和上萬頁的設(shè)計圖紙。對于設(shè)計人員的智力、體力，都是十分嚴(yán)苛的考驗。就我個人的經(jīng)驗而言，這項工作最困難的地方，是如何實現(xiàn)設(shè)計的最優(yōu)化。船舶研究設(shè)計分為多個專業(yè)，各專業(yè)有著不同的要求和特性，而船舶的空間又是有限的，這便意味著各專業(yè)之間存在著相輔相成、相互制約的關(guān)系。即使在各專業(yè)的內(nèi)部，相互制約的內(nèi)容也隨處可見。設(shè)計過程中，專業(yè)間和專業(yè)內(nèi)部的沖突不可避免，需要進(jìn)行大量的協(xié)調(diào)工作，有時候不得不進(jìn)行妥協(xié)和犧牲。舉個例子，船舶設(shè)計得越寬，它在航行時會越穩(wěn)，但同時它的阻力也會變大，油耗會隨之增加。諸如此類的矛盾非常多，怎樣去取舍和平衡，往往是令設(shè)計師們焦頭爛額的大問題。無論是妥協(xié)、取舍還是平衡，目的只有一個，那就是設(shè)計一艘總體上最優(yōu)化的船舶。力學(xué)是船舶研究設(shè)計的理論基礎(chǔ)，包括流體力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等。因此，力學(xué)計算是船舶研究設(shè)計中必不可少的工作。但是，船舶的復(fù)雜性又決定了理論上的計算并不能精確地解答全部問題，這時，模型試驗便成了十分有效的手段。比如，在現(xiàn)階段，船舶設(shè)計師們借助大型的拖曳水池實驗室，利用按比例縮小的木質(zhì)模型，可以得出比理論計算更為精確的船體阻力性能、回轉(zhuǎn)性能的數(shù)據(jù)。

某些條件下，在水中高速旋轉(zhuǎn)的船舶螺旋槳，其表面的水流會產(chǎn)生“氣化”現(xiàn)象（可別小看了這些氣泡，它們可能會給螺旋槳造成嚴(yán)重的損傷），而螺旋槳空泡水筒試驗可以很好地驗證和預(yù)報這一現(xiàn)象。還有的船舶由于船體表面是復(fù)雜的三維曲面，為了使起錨時運動中的錨最終能夠緊密地與船體表面貼合，也需要制作木質(zhì)模型進(jìn)行拉錨試驗。

了解了船舶研究設(shè)計專家們的工作，你會發(fā)現(xiàn)，船舶研究設(shè)計不是一項單純的理論科學(xué)，而是一項實踐I生非常強(qiáng)的工程科學(xué)。所以，將來想要成為船舶研究和設(shè)計專家，從小就要注重培養(yǎng)“小小船舶研究設(shè)計家”的素質(zhì)，有了這些條件，巨輪從你們的筆下駛向遠(yuǎn)洋便指日可待了。親愛的同學(xué)們，你們準(zhǔn)備好了嗎？