馮振玉 浙江欣海船舶設(shè)計研究院 總工程師

《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》（以下簡稱《IS規(guī)則》）與《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》（以下簡稱《國內(nèi)規(guī)則》）對船舶氣象衡準(zhǔn)的要求有所不同。在《IS規(guī)則》中，氣象衡準(zhǔn)并沒有航區(qū)的劃分，其臨界衡準(zhǔn)數(shù)對應(yīng)的極限抗風(fēng)能力，應(yīng)是唯一的。而《國內(nèi)規(guī)則》氣象衡準(zhǔn)歷來都按三種類型的航區(qū)分別進行要求，每類航區(qū)的臨界衡準(zhǔn)都對應(yīng)著不同的極限抗風(fēng)能力（其具體數(shù)值見表3）。但在《國內(nèi)規(guī)則》完整穩(wěn)性的1.1.2又同時規(guī)定，如果滿足《IS規(guī)則》的穩(wěn)性要求，對遠(yuǎn)海航區(qū)的大部分船舶也可以等效認(rèn)可。這種等效認(rèn)可為什么避開近海和沿海航區(qū)？各種臨界氣象衡準(zhǔn)的極限抗風(fēng)能力，究竟相差多少？以下就來分析《IS規(guī)則》臨界氣象衡準(zhǔn)的極限抗風(fēng)能力，并與《國內(nèi)規(guī)則》的衡準(zhǔn)進行類比。

《IS規(guī)則》氣象衡準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型

《IS規(guī)則》氣象衡準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型如圖1所示，其物理意義是：船舶失去控制并處在橫風(fēng)橫浪的狀態(tài)下進行諧搖。其中，受定常風(fēng)（風(fēng)壓力臂lw1）的作用，船舶會向下風(fēng)舷橫傾一個φ0角來與定常風(fēng)壓保持平衡；另受波浪的作用，船舶會以φ0角為中心左右橫搖。當(dāng)船舶自平衡角φ0向上風(fēng)舷搖至最大角度φ1即將回?fù)u時，恰巧受到一陣突風(fēng)（風(fēng)壓力臂lw2=1.5lw1）吹向下風(fēng)舷，此時，用船舶的抵抗傾覆能量b與風(fēng)浪聯(lián)合作用下的傾覆能量a之比K=b/a，來衡量船舶抵抗風(fēng)浪的能力，并稱K為“氣象衡準(zhǔn)數(shù)”。其中a和b分別為標(biāo)注在圖1中劃有不同方向斜線區(qū)域的面積。

在該數(shù)學(xué)模型中所謂的一陣突風(fēng)，相對于天氣預(yù)報來說，應(yīng)是指最大風(fēng)力的陣風(fēng)。

天氣預(yù)報中風(fēng)級與風(fēng)速的關(guān)系

天氣預(yù)報的風(fēng)級與風(fēng)速對應(yīng)的范圍，以及全發(fā)展海況所需的時間和波高的關(guān)系見表1，其中，風(fēng)級與風(fēng)速兩者之間的關(guān)系為：

式中：N—蒲氏風(fēng)級；

V—距離海平面10m高處的平均風(fēng)速，m/s 。

從表1可以看出，每級風(fēng)的風(fēng)速大小都有一定的范圍，故在預(yù)報船舶的可抗風(fēng)級時，應(yīng)以可抗某級風(fēng)的最大風(fēng)速為準(zhǔn)，以便覆蓋該級風(fēng)速的全部范圍。

圖1 突風(fēng)與橫搖

表1 天氣預(yù)報的風(fēng)級、風(fēng)速以及全發(fā)展海況所需的時間和波高

規(guī)則中風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系

規(guī)則中風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系為：

式中：P—風(fēng)壓，kg/m2；

CS—船舶形狀修正系數(shù)，一般取CS=1.2；

ρ—空氣的質(zhì)量密度，取15℃的ρ=0.1251 kg.s2/m4；

V—風(fēng)速，m/s 。

將確定的參數(shù)值代入，并按1kg=9.8N更換風(fēng)壓單位，上述關(guān)系式可以簡化成：

《IS規(guī)則》所設(shè)定的風(fēng)壓

在該規(guī)則中設(shè)定的定常風(fēng)壓，分成固定值與可變值兩大類：具體數(shù)值見表2的P1。

在《IS規(guī)則》的數(shù)學(xué)模型中，設(shè)定陣風(fēng)風(fēng)壓力臂lw2與定常風(fēng)風(fēng)壓力臂lw1之間有l(wèi)w2=1.5lw1的關(guān)系。由于風(fēng)壓力臂與風(fēng)壓成正比，陣風(fēng)風(fēng)壓P2與定常風(fēng)風(fēng)壓P1之間的關(guān)系同樣是P2=1.5P1。再利用公式（3），可以反推出設(shè)定陣風(fēng)風(fēng)壓P2所對應(yīng)的風(fēng)速V，其結(jié)果見表2。

《IS規(guī)則》氣象衡準(zhǔn)抗風(fēng)能力的預(yù)報

一是按K=1進行臨界預(yù)報。剛好滿足K=1時稱為臨界氣象衡準(zhǔn)，臨界衡準(zhǔn)所對應(yīng)的風(fēng)級為極限風(fēng)級，按極限風(fēng)級預(yù)報抗風(fēng)能力應(yīng)是無可挑剔的。因為既然其數(shù)學(xué)模型規(guī)定允許K=1，按允許值解析出的答案進行預(yù)報也是理所當(dāng)然的。況且，在《IS規(guī)則》序言第3條已經(jīng)明確指明：“在制定本規(guī)則時，已基于最新技術(shù)和知識考慮到一系列的影響，諸如‘癱船’狀態(tài)、對受風(fēng)面積大的船舶的風(fēng)力影響、橫搖特征、惡劣海況等”。意即該數(shù)學(xué)模型中已經(jīng)考慮了若干不利因素的影響，故按其解析的答案進行預(yù)報應(yīng)是科學(xué)可信的，不必另行多慮。

從表2中P2對應(yīng)的極限風(fēng)級N可以看出，滿足《IS規(guī)則》臨界氣象衡準(zhǔn)的船舶，至少可以抗陣風(fēng)10級（只能取整，因天氣預(yù)報的風(fēng)級只有整數(shù)）。對于船長小于45m的漁船，風(fēng)壓取值的變化是按實際情況考慮了風(fēng)速梯度變化后的放寬。即距離海平面6m以下時，考慮了空氣的粘性阻力，風(fēng)速隨高度的不同而呈現(xiàn)梯度性的變化。至于表列中的N低于10.9的各個風(fēng)級，是規(guī)則設(shè)定風(fēng)壓所對應(yīng)風(fēng)速的風(fēng)級，即考慮風(fēng)速梯度變化后的相當(dāng)風(fēng)級。若反過來換算成天氣預(yù)報的風(fēng)速，同樣對應(yīng)的也是陣風(fēng)10級。

表2 《IS規(guī)則》對船長不小于24m船舶設(shè)定的風(fēng)壓及其對應(yīng)陣風(fēng)的風(fēng)速與風(fēng)級

二是按K＞1的實況進行預(yù)報。當(dāng)K＞1時，表明船舶可抗的風(fēng)級“有可能”超過了《IS規(guī)則》設(shè)定風(fēng)壓的風(fēng)級。之所以說“有可能”超過，是因為《IS規(guī)則》尚有對平衡角φ0的限制，該φ0又與船型的特點及風(fēng)級的風(fēng)速密切相關(guān)。只有當(dāng)各項限制全部滿足時，才能確定其可抗的風(fēng)級，具體應(yīng)按下述步驟確定：

（1）在K值最小裝載工況的突風(fēng)與橫搖圖（見圖1）上，調(diào)整lw2逐步增大，使b和a的面積相等或者使φ0達(dá)到限定值（兩者以先到者為準(zhǔn)）。該逐步調(diào)整的原則是：φ1應(yīng)保持不變；lw1同步調(diào)整并保持lw1=lw2/1.5；φ0隨著lw1的增加而增加；當(dāng)φ0達(dá)到限定值（取甲板邊緣浸水角的80%與16°中的較小者）時或者當(dāng)b和a的面積相等時，調(diào)整lw2的工作即行結(jié)束。

（2）量取調(diào)整結(jié)束時陣風(fēng)的風(fēng)傾力臂lw2（m）；

（3）計算陣風(fēng)的風(fēng)壓

式中：Δ—排水量，t；A—水線以上受風(fēng)面積之和，m2；Z—受風(fēng)面積中心至平均吃水一半處的距離，m；

（4）用公式（3）計算陣風(fēng)的風(fēng)速：VW2=（PW2/0.7356）0.5（m/s）；

（5）在表1的最大風(fēng)速中，插值出VW2所對應(yīng)的陣風(fēng)風(fēng)級NW2；

（6）將插值出的風(fēng)級NW2，舍去小數(shù)部分，即可預(yù)報為該船K＞1的可抗陣風(fēng)的風(fēng)級。

《IS規(guī)則》與《國內(nèi)規(guī)則》臨界氣象衡準(zhǔn)可抗風(fēng)級的對比

按照前述的步驟，同樣可以求出《國內(nèi)規(guī)則》臨界氣象衡準(zhǔn)的極限抗風(fēng)級別，其與《IS規(guī)則》臨界氣象衡準(zhǔn)的極限抗風(fēng)級別對比見表3：

從表3可以看出，就臨界氣象衡準(zhǔn)的極限抗風(fēng)能力而言，《IS規(guī)則》與《國內(nèi)規(guī)則》的三個航區(qū)相比，是一低、一高、一持平：即其較國內(nèi)遠(yuǎn)海航區(qū)要求低，風(fēng)速低了10.7m/s、風(fēng)級低了2.4級；其較國內(nèi)沿海航區(qū)要求高，風(fēng)速高了9.8m/s、風(fēng)級高了2.4級；其較國內(nèi)近海航區(qū)基本持平，風(fēng)速高0.5m/s、風(fēng)級高0.1級。

由此可以推斷，前述《國內(nèi)規(guī)則》1.1.2“對遠(yuǎn)海航區(qū)某些船舶若符合《IS規(guī)則》可以等效認(rèn)可其完整穩(wěn)性”的規(guī)定，實質(zhì)上是對遠(yuǎn)航航區(qū)氣象衡準(zhǔn)的一種放寬，比較務(wù)實地考慮了遠(yuǎn)海航區(qū)常見的營運工況，以降低過高的風(fēng)級要求。所謂務(wù)實，一是國內(nèi)航行船舶的航線距岸有限，只有極少數(shù)的船只涉及到規(guī)則所規(guī)定的遠(yuǎn)海航區(qū)；二是憑借現(xiàn)在的綜合科技手段，完全可以保障國內(nèi)航行的船舶不會遭遇到遠(yuǎn)海航區(qū)暴風(fēng)的襲擊。

如果再大膽一點，《國內(nèi)規(guī)則》直接引用《IS規(guī)則》的穩(wěn)性衡準(zhǔn)，肯定是更令人稱贊的務(wù)實。一般而言，能夠滿足國際航行要求的船舶，國內(nèi)航行應(yīng)該沒有問題，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)目前還不宜超越國際標(biāo)準(zhǔn)，因國內(nèi)自身的技術(shù)條件還說不清楚。若如此務(wù)實好處有三：一是降低了對船舶風(fēng)壓的拔高要求（海南島東、南的遠(yuǎn)海航區(qū)，包括臺灣以東海域，其惡劣天氣狀況不會超過南太平洋和北大西洋），明顯能取得巨大的節(jié)能效益；二是對沿海航區(qū)大量的中小型船舶提高了標(biāo)準(zhǔn)，對減少多發(fā)事故的船舶提供了更可靠的技術(shù)保障；三是去繁從簡，統(tǒng)一了衡準(zhǔn)。何樂而不為呢。

表3 《IS規(guī)則》與《國內(nèi)規(guī)則》臨界氣象衡準(zhǔn)時可抗陣風(fēng)的風(fēng)級

特別提示

盡管船舶的氣象衡準(zhǔn)只與風(fēng)力有關(guān)，而波浪力只與結(jié)構(gòu)強度有關(guān)，但必須明確指出，船長必須依據(jù)本船的特點和具體尺度來靈活地應(yīng)對所在航區(qū)的浪高，這個道理應(yīng)是極其淺顯的。另外，氣象衡準(zhǔn)數(shù)的大小，并不代表船舶安全系數(shù)的高低。在惡劣的海況下，船舶的安全往往取決于船長的航海技藝。為此，《IS規(guī)則》里明確地寫有警示：“符合穩(wěn)性衡準(zhǔn)并不保證船舶由于忽視周圍環(huán)境而傾覆或免除船長的責(zé)任。因此，船長應(yīng)謹(jǐn)慎從事，掌握良好的航海技術(shù)，密切注意季節(jié)、天氣預(yù)報和航行區(qū)域，根據(jù)周圍環(huán)境，適當(dāng)調(diào)整航速和航向”。并在第5章的規(guī)定中，詳細(xì)地闡述了防止船舶傾覆的操作要領(lǐng)。同樣，《國內(nèi)規(guī)則》也有“船舶穩(wěn)性計算雖已符合本章的要求，但船長仍應(yīng)注意船舶裝載和氣象、海況等情況，謹(jǐn)慎駕駛和操作。在船舶遭遇特殊情況或緊急情況而采取應(yīng)變措施時，應(yīng)注意船舶的穩(wěn)性，防止發(fā)生傾覆的危險”的警示性規(guī)定。對規(guī)則的相關(guān)規(guī)定，不僅船長需要牢記，船舶專業(yè)人員也都應(yīng)有清醒的認(rèn)識，既不能忽視航行的海況，也不能隨意拔高船舶的氣象衡準(zhǔn)，要兼顧船舶營運效能和船舶設(shè)計能效的要求，共同提高船舶的能效指數(shù)。