焦安龍，劉文思

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艦船靜力學(xué)性能考核評(píng)價(jià)指標(biāo)及考核能力需求初探

焦安龍，劉文思

（中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧大連116041）

從艦船靜力學(xué)性能的原理出發(fā)，總結(jié)現(xiàn)有水面艦船浮性、穩(wěn)性、不沉性考核標(biāo)準(zhǔn)，開展艦艇平臺(tái)浮性、穩(wěn)性、不沉性考核方法研究，對(duì)現(xiàn)有考核方法進(jìn)行歸納梳理，分析考核典型艦船平臺(tái)靜水力學(xué)性能的基本能力要求，提出靶場(chǎng)考核裝備建設(shè)需求，對(duì)拓展靶場(chǎng)職能使命，提升新形勢(shì)下靶場(chǎng)試驗(yàn)考核能力具有實(shí)際的意義。

靜力學(xué)性能 考核評(píng)價(jià) 能力建設(shè)

0 引言

艦船浮性、穩(wěn)性、不沉性是艦艇靜水力學(xué)性能的基本構(gòu)成要素，隨著我國(guó)維護(hù)海洋權(quán)益的意識(shí)日益提高，海軍作戰(zhàn)任務(wù)逐步向遠(yuǎn)海拓展，艦船面臨的作戰(zhàn)環(huán)境勢(shì)必日趨復(fù)雜，碰撞、擱淺的概率大大增加；同時(shí)海軍大中型艦船的陸續(xù)服役，基于平臺(tái)的型號(hào)試驗(yàn)任務(wù)越來越多，靶場(chǎng)的使命任務(wù)將由單一作戰(zhàn)模塊的考核，向艦艇作戰(zhàn)平臺(tái)接近實(shí)戰(zhàn)條件下的總體性能考核拓展。而現(xiàn)代艦船廣泛采用薄壁結(jié)構(gòu)，在水中兵器的作用下其被動(dòng)防御能力一般較弱。因此，對(duì)現(xiàn)有艦艇總體性能中浮性、穩(wěn)性、不沉性的考核，直接關(guān)系到艦艇交付使用的產(chǎn)品質(zhì)量，最終決定艦船在實(shí)戰(zhàn)條件下的總體作戰(zhàn)能力和生命力。對(duì)艦艇平臺(tái)浮性、穩(wěn)性、不沉性等艦艇靜水力學(xué)性能指標(biāo)開展針對(duì)性的研究，掌握艦艇平臺(tái)總體性能考核方法對(duì)靶場(chǎng)使命任務(wù)拓展具有重要意義。

1 浮性的考核評(píng)價(jià)

1.1浮態(tài)的表示及計(jì)算方法

艦船在一定載重情況下具有浮于水面（或浸沒水中）保持平衡位置的能力叫做浮性。浮性本身不僅是艦船最基本的航海性能，也是其他各種航海性能得以存在和發(fā)揮的基礎(chǔ)。船舶浮于靜水的平衡狀態(tài)稱為浮態(tài)，可分為正浮狀態(tài)、橫傾狀態(tài)、縱傾狀態(tài)、任意浮態(tài)[1]。

船舶的浮態(tài)可用吃水、橫傾角和縱傾角等參數(shù)表示。由于船舶的正浮、橫傾、縱傾三種浮態(tài)是任意浮態(tài)的特例，因此考慮最一般的任意浮態(tài)下船舶的吃水、橫傾角和縱傾角等參數(shù)計(jì)算方法。

1.2浮態(tài)的考核要求[3]

以靜水力曲線為基準(zhǔn)，通過測(cè)量艦船的吃水、縱傾、橫傾值對(duì)艦船的排水量、重心縱向和橫向位置作預(yù)檢查。

通常對(duì)首制艦船進(jìn)行測(cè)量，由承造船廠組織實(shí)施。水面艦船可以和傾斜試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，潛艇一般在下水后隨即進(jìn)行。與傾斜試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行可用初穩(wěn)性高實(shí)測(cè)值推算，單獨(dú)測(cè)量只能用初穩(wěn)性高理論值推算。

1）重量和浮態(tài)預(yù)計(jì)計(jì)算書

應(yīng)分別按稱重重量和理論重量詳盡計(jì)算測(cè)量狀態(tài)時(shí)艦船的重量和重心，并按靜水力曲線推算出浮態(tài)。

2）試驗(yàn)條件

水面艦艇狀態(tài)按GJB350.2水面戰(zhàn)斗艦艇系泊和航行試驗(yàn)規(guī)程傾斜試驗(yàn)執(zhí)行，潛艇狀態(tài)按GJB38.73執(zhí)行[3-5]。

3）測(cè)量設(shè)施

測(cè)量設(shè)施應(yīng)包括：a)吃水標(biāo)記；b)密度計(jì)；c)基準(zhǔn)平臺(tái)；d)光學(xué)測(cè)傾儀器。

4）浮態(tài)測(cè)量報(bào)告

格式同試驗(yàn)報(bào)告，內(nèi)容要求如下：

a)概況部分應(yīng)明確時(shí)間、地點(diǎn)、氣象條件、測(cè)試水區(qū)水的密度、艦船系泊狀態(tài)；b)艦船載浮狀態(tài)應(yīng)列出測(cè)試時(shí)艦船排水量、重心縱、橫向位置計(jì)算值及排水量占標(biāo)準(zhǔn)排水量（水面艦船）或正常排水量（潛艇）的百分比；c)測(cè)量記錄應(yīng)包括艏、舯、艉吃水實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，縱傾、橫傾值和計(jì)算值，并注明測(cè)量?jī)x器型號(hào)；d)分析與措施應(yīng)推算水面艦船標(biāo)準(zhǔn)排水量、潛艇正常排水量狀態(tài)下的排水量、重心縱橫向位置，求出與理論值差值，并對(duì)差值進(jìn)行分析，查找原因，與訂購(gòu)方協(xié)商后由總體設(shè)計(jì)單位采取相應(yīng)措施，必要時(shí)需調(diào)整固體壓載。

72 穩(wěn)性的考核評(píng)價(jià)

2.1穩(wěn)性的表示及計(jì)算方法

受外力作用偏離其正浮平衡位置而傾斜的船舶，當(dāng)外力消失后能恢復(fù)到原平衡位置的能力稱為艦船穩(wěn)性。具有這種能力的船是穩(wěn)定的，否則是不穩(wěn)定的或隨遇平衡（即能停留在任何傾斜角狀態(tài)）的。

按傾角大小可分初穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性。初穩(wěn)性一般指傾斜角度小于10°～15°或上甲板邊緣開始入水前（取其小者）的穩(wěn)性；大傾角穩(wěn)性一般指傾角大于10°～15°或上甲板邊緣開始入水后的穩(wěn)性。

1）初穩(wěn)性公式和穩(wěn)性高[1,2]

，

稱為初穩(wěn)性公式。

式中，浮心垂向坐標(biāo)z和橫穩(wěn)心半徑可根據(jù)型線圖及型值表相當(dāng)精確地求得，因此問題的關(guān)鍵在于如何精確獲得重心垂向坐標(biāo)z值。

2）大傾角穩(wěn)性[1,2]

初穩(wěn)性所得結(jié)論只適用于橫傾角度小于10°～15°的情況，在艦船在遇到惡劣風(fēng)浪時(shí)，其橫傾角將大大超過上述范圍，這時(shí)便不能用初穩(wěn)性來判斷船舶是否具有足夠的穩(wěn)性。需要研究艦船大傾角穩(wěn)性。

大傾角穩(wěn)性的關(guān)鍵是確定復(fù)原力矩（或復(fù)原力臂），而求復(fù)原力臂的關(guān)鍵是確定艦船橫傾后的浮心位置，因此計(jì)算復(fù)原力臂的途徑一般是根據(jù)水線計(jì)算傾斜后的浮心位置或利用重心移動(dòng)原理計(jì)算傾斜后浮心位置的移動(dòng)距離。靜穩(wěn)性臂隨橫傾角的變化比較復(fù)雜，不能用簡(jiǎn)單的公式來表示。通常根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制成圖，這種圖稱為靜穩(wěn)性曲線圖（如圖2）。它表示船舶在不同傾角時(shí)復(fù)原力矩（或復(fù)原力臂）的大小。

艦船在海上航行時(shí)經(jīng)常受到外力矩的突然作用，如陣風(fēng)的突然吹襲、海浪的猛烈沖擊等。在受到外力矩突然作用后將很快地產(chǎn)生傾斜，且在傾斜過程中具有一定的角速度，即使復(fù)原力矩達(dá)到外力矩，艦船仍然繼續(xù)傾斜，直到外力矩所做的功完全由復(fù)原力矩所做的功抵消時(shí)，船的角速度才變?yōu)榱愣Ｖ箖A斜。

因此，艦船的動(dòng)穩(wěn)性是以復(fù)原力矩所做的功來表達(dá)的。

根據(jù)這個(gè)原理，可通過對(duì)靜穩(wěn)性曲線的積分得出動(dòng)穩(wěn)性曲線（如圖3）計(jì)算出動(dòng)力作用下的動(dòng)橫傾角。

2.2穩(wěn)性考核方法

根據(jù)GJB4000-2000對(duì)穩(wěn)性的考核試驗(yàn)項(xiàng)目包括：

1）傾斜試驗(yàn)

在船舶設(shè)計(jì)階段計(jì)算所得的重量和重心位置，與船舶建成后的實(shí)際重量和重心位置往往有一定差異。重心位置對(duì)于艦船的浮態(tài)和穩(wěn)性卻影響極大，所以每一艘艦船在下水后、建造完工后、經(jīng)現(xiàn)代化改裝后或大修后都照例要用試驗(yàn)的方法來檢驗(yàn)其重心位置，尤其是重心高度。為此而作的試驗(yàn)即稱傾斜試驗(yàn)。傾斜試驗(yàn)應(yīng)確定艦艇實(shí)際初穩(wěn)性高并求得艦艇重心實(shí)際高度。

由于篇幅限制，這里僅列出傾斜試驗(yàn)基本程序，水面艦艇傾斜試驗(yàn)具體試驗(yàn)方法詳細(xì)見GJB350.2[4]。

2）靜水橫搖試驗(yàn)

靜水橫搖試驗(yàn)程序如下：

a)放松纜索，使艦艇能自由搖擺。b)試驗(yàn)人員按照命令反復(fù)奔跑于兩舷間，以使艦艇搖擺。在指揮員發(fā)出“停止”的命令后，試驗(yàn)人員即回到甲板中線面處，此時(shí)艦艇的橫搖角應(yīng)達(dá)到4°以上。c)待艦艇處于自由搖擺時(shí)，觀察員根據(jù)已選定的目標(biāo)，測(cè)定艦艇的靜水自由橫搖周期。d)試驗(yàn)應(yīng)重復(fù)三次。e)試驗(yàn)結(jié)果整理。在試驗(yàn)后整理試驗(yàn)結(jié)果和編制測(cè)試報(bào)告。

3 不沉性的考核評(píng)價(jià)

船破損浸水后仍能保持一定浮態(tài)和穩(wěn)性的能力稱為不沉性。軍用船的不沉性要求較民船更高，因除在航行中可能遭到破損外，還要考慮到作戰(zhàn)中損傷后仍能保持一定的航海性能和戰(zhàn)斗能力。提高不沉性的主要措施是加大干舷和進(jìn)行水密分艙，以及設(shè)置雙層底和邊艙等。在船舶靜力學(xué)中，不沉性問題包括下列兩方面的內(nèi)容[1]：

1）船舶在一艙或數(shù)艙進(jìn)水后浮態(tài)及穩(wěn)性的計(jì)算。2）從保證船舶不沉性的要求出發(fā)，計(jì)算分艙的極限長(zhǎng)度，即可浸長(zhǎng)度的計(jì)算。

3.1不沉性的計(jì)算方法

艦船破損進(jìn)水后，如進(jìn)水量不超過排水量的10%～15%，可應(yīng)用初穩(wěn)性公式來計(jì)算船舶進(jìn)水后的浮態(tài)和穩(wěn)態(tài)，其誤差一般在允許范圍之內(nèi)。計(jì)算船艙進(jìn)水后浮態(tài)和穩(wěn)態(tài)的基本方法有兩種：

1）增加重量法。把破艙后進(jìn)入船內(nèi)的水看成是增加的液體重量。

2）損失浮力法（固定排水量法）。把破艙后的進(jìn)水區(qū)域看成是不屬于船的，即該部分的浮力已經(jīng)損失，損失的浮力借增加吃水來補(bǔ)償。對(duì)于整個(gè)船舶來說，其排水量不變。因此損失浮力法又稱為固定排水量法。

3.2不沉性考核方法

GJB400-2000艦船通用規(guī)范對(duì)從不同排水量艦船在指定最小浸水隔艙數(shù)目的任意相鄰隔艙對(duì)稱或不對(duì)稱浸水時(shí)的最小干舷高、初穩(wěn)心高、橫傾角幾個(gè)方面做出了要求。水面艦船的不沉性計(jì)算應(yīng)按CB/Z265水面艦船不沉性計(jì)算方法進(jìn)行。

依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，不沉性計(jì)算的最終結(jié)果應(yīng)給出艦船破損后的排水量、艏吃水、艉吃水、橫傾角、縱傾角、橫穩(wěn)性高度、靜穩(wěn)性曲線特征值等參數(shù)[6]。

4 考核典型艦船平臺(tái)靜力學(xué)性能的基本能力要求及靶場(chǎng)考核裝備建設(shè)需求分析

4.1實(shí)船試驗(yàn)浮性、穩(wěn)性測(cè)量指標(biāo)及不沉性計(jì)算指標(biāo)

根據(jù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)浮性、穩(wěn)性、不沉性要求的實(shí)船試驗(yàn)分析，水面艦船浮性測(cè)量可以和穩(wěn)性傾斜試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，不沉性則通過計(jì)算進(jìn)行檢驗(yàn)。將浮性、穩(wěn)性實(shí)船試驗(yàn)測(cè)量指標(biāo)及不沉性計(jì)算指標(biāo)歸納見表2:

4.2實(shí)船考核試驗(yàn)建設(shè)需求

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提出的實(shí)船考核試驗(yàn)所需環(huán)境條件、基礎(chǔ)設(shè)施、測(cè)量設(shè)備、技術(shù)文件歸納見表3。

4.3靶場(chǎng)現(xiàn)有環(huán)境條件、基礎(chǔ)設(shè)施、裝設(shè)備、技術(shù)實(shí)力分析

靶場(chǎng)試驗(yàn)海域環(huán)境條件：靶場(chǎng)試驗(yàn)海域具有廣闊的水域、平坦的海底、良好的水文氣象條件，水深一般在40～70 m，很少有臺(tái)風(fēng)；試驗(yàn)海區(qū)距某軍港較近，一般為幾海里至幾十海里，是一年四季都可以進(jìn)行海上試驗(yàn)的理想海域。

靶場(chǎng)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施：包括試驗(yàn)測(cè)試工房，岸基綜合試驗(yàn)樓及武器固定發(fā)射平臺(tái)一座，配套的試驗(yàn)碼頭可?？?00 T級(jí)左右的船舶，在試驗(yàn)碼頭可進(jìn)行中小型水面艦艇試驗(yàn)，水文氣象臺(tái)可以提供試驗(yàn)海域的天氣預(yù)報(bào)，水文測(cè)量設(shè)備可實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向，流速流向，海水深度、溫度、鹽度等參數(shù)，滿足海上試驗(yàn)的各種需要。

5 總結(jié)

本文從典型艦艇的浮性、穩(wěn)性、不沉性的表示及計(jì)算方法、實(shí)船試驗(yàn)考核方法兩方面歸納了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)艦船靜力學(xué)性能考核評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了考核典型艦船平臺(tái)靜力學(xué)性能的實(shí)船考核試驗(yàn)對(duì)測(cè)量設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境條件的基本能力要求，為靶場(chǎng)后續(xù)開展艦艇平臺(tái)總體性能考核試驗(yàn)，開展貼近實(shí)戰(zhàn)化考核研究，深化靶場(chǎng)鑒定使命，服務(wù)戰(zhàn)斗力生成提供參考。

[1] 盛振邦, 劉應(yīng)中. 船舶原理[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2003.

[2] 吳耀祖, 邵中立, 翟守恒等. 艦船原理[M]. 海軍工程大學(xué), 2007.

[3] GJB400-2000艦船通用規(guī)范[S]. 2000.

[4] GJB350.2-87水面戰(zhàn)斗艦艇系泊和航行試驗(yàn)規(guī)程-傾斜試驗(yàn)[S]. 1987.

[5] GJB38.37-2002常規(guī)潛艇系泊、航行試驗(yàn)規(guī)程[S]. 2002.

[6] CB/Z 265-98水面艦船不沉性計(jì)算方法[S]. 1998.

Analysis on Warship’s Hydrostatics Performance Assessment and Capacity Requirements

Jiao Anlong，Liu Wensi

(91439 Unit of PLA, Dalian 116041, Liaoning, China)

U661.2

A

1003-4862（2017）05-0046-05

2016-11-15

焦安龍(1974-), 男，工程師。研究方向：船舶工程。