王宇飛 吳睿鋒 朱 韜

（海軍研究院 上海200235）

引 言

穩(wěn)性是保證艦船航行安全的一項十分重要的性能。水面艦船在外力（如風(fēng)、浪等）作用下偏離平衡位置而傾斜，當(dāng)外力消失后恢復(fù)到平衡位置的能力稱作穩(wěn)性。水面艦船橫傾角度小于15°的穩(wěn)性稱為初穩(wěn)性。國內(nèi)外船舶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范都對初穩(wěn)性高提出了明確的限值要求，以確保設(shè)計船舶具有較好的初穩(wěn)性。在GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》［1］中，對不同排水量水面艦船初穩(wěn)性高的下限值有相應(yīng)規(guī)定，在艦船交付過程中也是按照該限值指標(biāo)進(jìn)行考核驗證?？傮w上來說，目前已交付的水面艦船均能很好地符合該項性能。

在水面艦船服役中，隨著維修或加改裝工作，水面艦船重心的提高使初穩(wěn)性高減小甚至不滿足GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》的規(guī)定，有時為滿足要求甚至?xí)谒媾灤涎b載固體壓載，用以降低重心，使初穩(wěn)性高滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在水面艦船實際使用中，會產(chǎn)生一些疑問，如標(biāo)準(zhǔn)中的限值指標(biāo)是怎么提出來的？該指標(biāo)能否適當(dāng)減??？該指標(biāo)是不是越大越好？針對上述疑問，本文分析了設(shè)定水面艦船初穩(wěn)性高指標(biāo)要求的必要性，以及確定初穩(wěn)性高指標(biāo)要求應(yīng)考慮的因素。研究出初穩(wěn)性高指標(biāo)的取值范圍要求，以期為水面艦船交付和使用中對初穩(wěn)性高的考核驗證提供幫助。

1 設(shè)定初穩(wěn)性高要求的必要性

水面艦船穩(wěn)性受艦船尺度和船體外形，船寬、干舷和上層建筑等因素影響較大，這些是艦船的固有屬性。在水面艦船使用過程中，船上載荷的移動或增減，都可以引起艦船重量、重心位置以及浮力、浮心位置發(fā)生變化而影響穩(wěn)性。如果初穩(wěn)性較差，抑或不恰當(dāng)?shù)氖褂没蛘哒`操作，都可能使水面艦船穩(wěn)性降低甚至失去穩(wěn)性。

設(shè)定初穩(wěn)性高指標(biāo)要求主要考慮以下因素：

（1）保證水面艦船安全。在出現(xiàn)破損進(jìn)水、燃油消耗、不適當(dāng)?shù)卦诟呶患虞d、結(jié)冰、甲板上浪等情況時，其初穩(wěn)性將會不同程度降低。如果原來設(shè)計時水面艦船初穩(wěn)性高較差，降低又嚴(yán)重，可能使初穩(wěn)性高變?yōu)樨?fù)值，從而導(dǎo)致艦船傾覆或者漂浮于某個傾角上，給航行安全帶來極大風(fēng)險。

（2）滿足特殊作業(yè)使用要求。在水面艦船使用訓(xùn)練中，如果經(jīng)常會進(jìn)行人員集中于某一舷、舷側(cè)起吊重物或全速滿舵回轉(zhuǎn)等作業(yè)，若初穩(wěn)性高的值過小，可能使作業(yè)過程中艦船傾角過大，引起人員不安全感，導(dǎo)致無法進(jìn)行正常作業(yè)，甚至影響武器的有效使用。

由此可見，水面艦船研制的初穩(wěn)性高指標(biāo)是非常必要的。如何通過合理設(shè)定初穩(wěn)性高指標(biāo)，在確保安全的前提下，有效提高武器的使用率，是值得深入研究的問題。

2 確定初穩(wěn)性高指標(biāo)應(yīng)考慮的因素

從設(shè)立初穩(wěn)性高要求的必要性分析可知，初穩(wěn)性高對保證水面艦船安全和特殊作業(yè)具有十分重要的作用，所以在確定初穩(wěn)性高具體指標(biāo)取值時也應(yīng)當(dāng)從這兩方面來分析。

2.1 保證水面艦船安全應(yīng)考慮因素

在水面艦船出現(xiàn)破損進(jìn)水、燃油消耗、甲板上浪、結(jié)冰、高位加載或者加改裝等，均會出現(xiàn)穩(wěn)性高下降的情況，所以在確定初穩(wěn)性高時也應(yīng)該重點考慮上述因素。而在實際設(shè)計中主要考慮存在自由液面的液體艙內(nèi)自由液面影響，對結(jié)冰、隨浪等因素未專門考慮，這是考慮到因其對水面艦船穩(wěn)性影響雖然較大，但并非所有艦船均有在冰區(qū)執(zhí)行任務(wù)的要求，可以根據(jù)不同情況提出結(jié)冰穩(wěn)性要求，采取提高穩(wěn)性的措施或限制其使用范圍和條件。對于隨浪的因素，就實際情況而言，單純因隨浪中的損失而使初穩(wěn)性變?yōu)樨?fù)值的可能性不大，特別是“隨浪”和“破損”也不可能同時存在，在考慮水面艦船破損后的初穩(wěn)性儲備問題后，“隨浪”問題就迎刃而解了。至于不適當(dāng)?shù)母呶患虞d，是一個使用方面的問題，應(yīng)當(dāng)在水面艦船使用中盡量加以限制。

2.2 保證水面艦船特殊作業(yè)應(yīng)考慮因素

在上述分析中，特殊作業(yè)主要考慮人員集中在某一舷、舷側(cè)起吊重物或全速滿舵回轉(zhuǎn)等作業(yè)情況下水面艦船的橫傾角。對人員集中于某一弦對專門運載人員的交通船才有一定的意義，舷側(cè)吊起重物則僅對設(shè)有吊桿的起重船等才有意義。因此，全速滿舵回轉(zhuǎn)時的橫傾角是我們應(yīng)當(dāng)重點考慮的因素，尤其在某些武器的作業(yè)使用中，對水面艦船全速滿舵回轉(zhuǎn)時橫傾角會有一定的限制要求；但是水面艦船的初穩(wěn)性高不是根據(jù)回轉(zhuǎn)的要求決定的，所以只能用作一個比較重要的校核要求。

3 初穩(wěn)性高指標(biāo)的取值范圍

3.1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中初穩(wěn)性高要求

GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》規(guī)定了不同排水量水面艦船的初穩(wěn)性高下限值。我國海事局《船舶與海上設(shè)施法定檢驗技術(shù)規(guī)則》國際航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則（2014）［2］規(guī)定“船舶初穩(wěn)性高度（GM0）應(yīng)不小于0.15 m”。中國船級社《水面艦艇入級規(guī)范》（2011）［3］規(guī)定：“水面艦艇在規(guī)定的各裝載情況下，經(jīng)自由液面修正后初穩(wěn)性高應(yīng)不小于0.3 m”。國際海事組織（IMO）的穩(wěn)性衡準(zhǔn)A749（18）對所有船舶的初穩(wěn)性高要求為：經(jīng)自由液面修正后的不小于0.15 m。［4］

綜合分析國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對于船舶初穩(wěn)性要求，單從初穩(wěn)性高衡準(zhǔn)要求來看，GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》與民船規(guī)范、國外規(guī)范尚有一定的差異，這主要是因《艦船通用規(guī)范》與其他標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的穩(wěn)性校核體系與衡準(zhǔn)差異造成，不能僅從初穩(wěn)性高取值這一單一指標(biāo)評價孰優(yōu)孰劣，還需從與之相關(guān)的船舶性能來分析。

3.2 初穩(wěn)性高指標(biāo)的閾值區(qū)間

3.2.1 初穩(wěn)性高的下限值

初穩(wěn)性高的下限是從保障水面艦船安全和特殊作業(yè)使用要求兩個方面限定的。如果艦船初穩(wěn)性過小，艦船在較小外力作用下發(fā)生較大傾斜，重力和浮力所形成的力偶距過低，使艦船回復(fù)緩慢，極易造成人員的不安全性。從作業(yè)使用要求來看，艦船全速滿舵回轉(zhuǎn)所要求的橫傾角最大值也決定了初穩(wěn)性高的下限取值。前期研制實踐證明，設(shè)計中為保證水面艦船安全所要求的最小初穩(wěn)性一般均能達(dá)到，實際上多數(shù)是從水面艦船作業(yè)使用要求來校核艦船初穩(wěn)性高的下限取值。

GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》中提出水面艦船全速滿舵回轉(zhuǎn)時最大橫傾角的要求，即全速滿舵回轉(zhuǎn)時的橫傾角計算式為：

3.2.2 初穩(wěn)性高的上限值

對水面艦船穩(wěn)性來說，并非初穩(wěn)性高越大越好。雖然初穩(wěn)性高越大，復(fù)原能力越強(qiáng)，但是水面艦船在風(fēng)浪中航行時，會發(fā)生劇烈搖擺。這是因為船舶的橫搖周期大小與初穩(wěn)性高的平方根成反比。初穩(wěn)性高越小，橫搖周期越大，搖擺的速度和加速度越小，橫搖就緩和；反之橫搖就劇烈。而艦船的固有搖蕩周期（尤其是橫搖周期）是評價艦船耐波性的一個重要因素，所以在水面艦船設(shè)計時應(yīng)兼顧艦船穩(wěn)性和搖蕩，全面考慮問題。

艦船的橫搖固有周期可按式（3）近似估算［5］：

在水面艦船設(shè)計時，為使艦船的固有周期避開其航行海區(qū)的風(fēng)浪周期，那么水面艦船的橫搖周期應(yīng)該大于波浪周期，通常會選擇（Tw為波浪周期）。按照此約束條件，可從以下式（4）獲得：

3.3 初穩(wěn)性高取值范圍分析

從式（2）可以看出，水面艦船在主尺度及典型作業(yè)使用要求確定后，其初穩(wěn)性高的下限值僅與重心高ZG有關(guān)，而重心高與裝載有關(guān)。目前對水面艦船的裝載分為“空載”、“標(biāo)準(zhǔn)”、“正?！薄ⅰ皾M載”、“最大”等5種狀態(tài)，至于什么裝載下的狀態(tài)是最差狀態(tài)，目前尚無一致公認(rèn)的規(guī)定?；趥鹘y(tǒng)的做法和實踐經(jīng)驗，目前多數(shù)還是以標(biāo)準(zhǔn)排水量時的載重狀態(tài)作為初穩(wěn)性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

從式（5）可以看出，水面艦船在主尺度確定后，其初穩(wěn)性高的上限值僅與其活動區(qū)域的波浪有關(guān)。如在沿海航行的艦船，沿海波浪波長約為60 m，波浪周期約為6.2 s，由此可計算得出初穩(wěn)性高的上限值約為0.01B2。當(dāng)然，此上限值只是最大極限值，實際設(shè)計時還要考慮自由液面影響，同時兼顧改善艦船的耐波性。

4 結(jié) 語

初穩(wěn)性高衡準(zhǔn)要求對水面艦船具有重要意義，由于特殊作業(yè)使用要求，對初穩(wěn)性高取值有一定的取值范圍要求。在水面艦船船體線型和主尺度確定的條件下，初穩(wěn)性高主要取決于重心高度，而服役過程中的燃油食品等消耗、現(xiàn)代化改裝等因素將會引起重心高度降低。所以在水面艦船設(shè)計時通常會在標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上留有一定設(shè)計裕度。在保證水面艦船穩(wěn)性性能的同時，應(yīng)當(dāng)綜合考慮初穩(wěn)性高與橫搖周期的關(guān)系，以確保橫搖周期處于合理范圍內(nèi)。