09.05 表面“頭重腳輕”實際卻“穩如泰山”,航母穩定性設計大有玄機

航空母艦以及其他現代水面艦艇的設計絕大多數都是“上寬下窄”的外形設計,外觀來看都有“頭重腳輕”的問題,如此設計如何保持穩定性呢?

最重要的原因是包括航母在內的水面艦船設計都會保障其重心位置要處於水線以下,而且要保證在設計範圍內(如搖擺角度、傾斜角度)內時重心與浮心之間能夠形成糾正力矩,從而使得艦艇在正常航行、大幅度機動以及受到攻擊時能夠維持穩定。

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建造中的“福特號”航母,看上去嚴重的“頭重腳輕”


表面“頭重腳輕”實際卻“穩如泰山”,航母穩定性設計大有玄機

“尼米茲級”核動力航母進行高速小半徑機動時發生了大角度的側傾

航空母艦是現代海上作戰的核心,其主要功能就是為艦載機提供遠洋作戰時的起降平臺,因此,寬大的甲板是航空母艦最突出的特徵。為了能夠在可承受範圍內獲得更多的甲板空間,現代航母基本上都會採用“外飄”設計,如美國的“尼米茲級”大型核動力航母,其飛行甲板寬度約76米,而船體寬度卻不到41米,新一代的“福特號”核動力航母飛行甲板寬度達到了78米,船體寬度仍舊不到41米!從前面看“尼米茲級”和“福特級”航母就像是漂浮在海面上的“碟子”、隨時都有側翻的危險,其實航母不僅不會側翻,而且抗搖擺、抗衝擊性、抗沉性等都比一般的水面艦艇強得多,就算傾斜40度以上也不會失穩!

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美國“尼米茲級”核動力航母“布什號”,甲板寬度遠大於船體寬度!


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“遼寧號”航母的甲板寬度也遠超過船體寬度

通過合理的設計,將航母的重心設置到水線以下,同時將浮心設置到水線以上,從而使得航母在發生傾斜是能夠形成自穩定力矩。

航母雖的上層建築看起來體積龐大,但是從質量分配上來說,上層建築的重量要比水線以下的重量小得多。航母上層建築中包括了空曠的機庫、指揮艙室、人員居住艙室以及其他日常生活設施艙室等,“空殼子”較多;而包括動力系統、傳動機構、武器彈藥庫、壓載水艙等,基本上都是充滿機械、金屬裝備的“實心艙室”,如此以來,航母的重心位置就會集中在下層結構中、也就是處於水下以下就不難理解了。

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英國“皇家方舟號”航母結構剖面圖,可見底部基層密佈大型設備!


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船舶重心、浮心以及穩心的相對位置示意圖


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航母縱向剖面圖,兩側設有壓載水

除了合理設計航母的重心、浮心這個基本的要求外,包括航母在內的大中型水面艦艇還會裝備減搖鰭、平衡水艙等,以提升在遇到惡劣海況或者繼續大幅度機動時的穩定性。其中平衡水艙是類似於一個連通器的裝置,在船臺傾斜時由於延遲效應和水艙內的流動性,可以為艦艇提供額外的穩定力矩;減搖鰭則是參考魚類的腹鰭設計一種特殊設備,按照形式不同分為被動定式和主動式兩種,其中主動式減搖鰭能夠根據船體傾斜的情況滑動以增加反向趨穩力矩,在高航速、高海況下作用效果最好。

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減搖平衡水艙示意圖,一般在海上平臺中應用較多


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一種主動式減搖鰭結構示意圖

現代大型軍用艦艇的設計是一項極其複雜的系統工程,尤其是航空母艦這樣動輒數萬噸甚至十萬噸的超大型戰艦,全艦上下數千個隔間、數萬臺/套設備,

如何合理佈局、有序佈置才可以既能滿足作戰要求又能保障平臺穩定性,是一項“高深”的學問。目前各國現役的航母、巡洋艦、驅逐艦等大型水面艦艇,都是經過了數十年甚至數百年不斷實踐積累的經驗的基礎上設計、建造的,航母在定型建造之前都已進行了大量的驗證,別說會發生側翻,就是遭受了巨大的外部衝擊也一樣能夠保持穩定!

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”尼米茲級”核動力航母在服役之前需要進行嚴苛的抗衝擊測試


表面“頭重腳輕”實際卻“穩如泰山”,航母穩定性設計大有玄機

對於大型航母來說,想要用重型武器擊沉都困難,要是會側翻就尷尬了!


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