說說艦船球鼻艏那些事兒

陳晟　陳鴻

前世今生

約在一百年多前，博汝德解釋了魚雷艇在安裝魚雷管后阻力降低的原因，指出這是由于安裝的魚雷管使船首變鈍而引起的消波作用的緣故。D.W.泰勒最先認識到球鼻艏可以減少興波阻力。1907年，他在戰(zhàn)列艦“特拉華”號上裝了一個球鼻艏，結(jié)果在功率不變的情況下提高了航速。為了研究球鼻艏的功效，研究者進行了大量的試驗，但是，研究開始到最終確定球鼻艏可在實船中使用，前后花費了七十年。自20世紀20年代以來，球鼻艏已經(jīng)在現(xiàn)代商船上得到廣泛應(yīng)用，并在20世紀初用于軍艦，但制造工藝復(fù)雜，造價較高，耐波性也差，未能推廣。20世紀60年代，人們發(fā)現(xiàn)其對低速油船、貨船、軍艦有利后球鼻艏才被廣泛應(yīng)用。

“特拉華”號戰(zhàn)列艦圖紙?！疤乩A”號戰(zhàn)列艦最早應(yīng)用了球鼻艏

功能強大

（一）變速速度進一步加快

球鼻艏的設(shè)置大幅度改變了船舶水線以下縱向面積分布，使船舶重心前水線以下面積明顯增大;相應(yīng)地，當(dāng)船舶在水中移動時，球鼻艏將使運動船舶周圍的水壓分布發(fā)生改變。當(dāng)船舶從靜止或較低速度進車加速時，在加速初期由于船速較低，在有球鼻艏和無球鼻艏船舶船首附近形成的興波波高均較低，興波產(chǎn)生的阻力對此兩類船舶的影響沒什么差別。當(dāng)船舶從較高速度持續(xù)加速時情況就不同了，相比較而言在設(shè)有球鼻艏船舶的船首附近形成的興波波高必然會明顯減小;因此，在整個加速過程中，球鼻艏確實有助于提高船舶的加速性能，且有助于提高船舶的額定巡航速度。有球鼻艏船舶的停車減速性能劣于無球鼻艏船舶的停車減速性能，特別是在淺水水域尤其明顯。

（二）推進效率得到提升

自航試驗與實船試驗都表明，安裝球鼻艏以后，艦船螺旋槳的推進效率在靜水中會得到些提高。這主要因為，由于循部壓力降低，故使推力減額降低，高速時伴流系數(shù)有所提高，同時，底部流場變得比較均勻，降低了伴流不均勻?qū)β菪龢挠绊?。?dāng)然，若艦船在波浪中航行，則球鼻艙對推進性能反而不利，一般反映在推力與扭矩有所增加，螺旋槳效率有所下降。安裝球鼻艏后，艦艇的搖擺中心軸前移，雖然艦船整個的縱搖幅度有可能減小，但艦部的運動幅值不一定會減小，有時反而會增加，有可能導(dǎo)致螺旋槳效率的下降。艦船安裝球鼻艏前后，波浪對它的位相角是不相同的，這種位相角的差異往往導(dǎo)致推進效率的下降。根據(jù)資料，滿載時球鼻艏可使主機功率降低10%～2070，壓載時可降低20%～25%。

（三）操縱性能有效提高

設(shè)有球鼻艏船舶的旋回性能優(yōu)于無球鼻首船舶旋回性能。對水移動的船舶向一舷作舵后，船體便開始向某一舷加速偏轉(zhuǎn)，有球鼻艏船舶在加速旋轉(zhuǎn)階段，作用在其船體上的水動力作用點，較作用在同樣主尺度、同樣載況無球鼻艏船體上的水動力作用點更接近船舶首柱。在實際操縱船舶時，駕引人員最直接感受就是向一舷作舵后，在船舶旋轉(zhuǎn)初期有球鼻艏船舶的旋轉(zhuǎn)角速度增幅快，其縱距及旋回初徑較無球鼻船舶的縱距及旋回初徑小。原因有兩個：第一，球鼻本身增加了回轉(zhuǎn)力。日本曾對“紅蒼丸”號進行過實船試驗，安裝球鼻艏以后回旋半徑大大增大。第二，球鼻的消波作用使艦船循部壓力降低，因而使轉(zhuǎn)向心后移，從而減少回轉(zhuǎn)力矩。雖然它有上述兩點不利的影響，但安裝球鼻艏后，艦船艏部的水流狀態(tài)得到了一些改善，這將進一步改善舵的靈敏性，使操縱性又得到些改善?？梢钥闯?，球鼻艏對船舶操縱性能的影響既有利也有弊，作為操船者應(yīng)學(xué)會趨利避害，特別是當(dāng)各種不利因素疊加在一起時，極易導(dǎo)致海上安全事故發(fā)生，操船者事先對此應(yīng)做好應(yīng)對措施。

球鼻艏乍看上去像是一個埋在水線下的“大鼻子”

球鼻艏的設(shè)置大幅度改變了船舶水線以下縱向面積分布，使船舶重心前水線以下面積明顯增大

（四）航行阻力進一步減少

球鼻艏深諳太極之道，用“將錯就錯，以浪克浪”的方法產(chǎn)生一個翻轉(zhuǎn)180度的波，抵消由艦艏產(chǎn)生的波，從而減少能量的損失。船首的“大鼻子”設(shè)計得當(dāng)，可以使船體與球鼻分別形成的波浪的波峰與波谷相遇而相互抵消。將球鼻艏設(shè)計成長度可調(diào)節(jié)的，通過調(diào)節(jié)球鼻艏的長度來控制球鼻艏在艦船航行時產(chǎn)生的水波，根據(jù)艦船的航速來隨時調(diào)節(jié)球鼻艏的長度，使得在任何航速下由球鼻艏產(chǎn)生的水波和船體艏部產(chǎn)生的水波疊加后的水波波幅最小，即使得有船體激起的水波能量最小，從而達到減少興波阻力、提高船速的目的。

外形千奇百怪

起初，球鼻艏的設(shè)計單純就是為了減少興波阻力，但是體形不同的船受到的力也有所差別。“瘦”船受到“興波阻力”更大，“胖”船受到的“碎波阻力”更多，所以球鼻艏需要“私人訂制”。一般說來，不同形狀的球鼻適合不同種類的艦船。

S-V型球鼻艏：SV型球鼻艏于60年代提出并被廣泛使用。其特征是首柱呈S型，球首下部橫剖面呈V型。適用于首部剖面呈V型的船，在較寬廣的速度范圍內(nèi)均能降低船體阻力和提高推進效率，且能顯著改善船首底部的砰擊。此外，SV型球鼻艏還有較好的破冰性能。

水滴型球鼻艏：水滴型球鼻艏從前面看上去像一滴水的水滴型球鼻，出現(xiàn)最早，其特征是體積較小且集中于中下部，此種球鼻艏有利于減小設(shè)計水線的進流角，多用于中、高速艦船。

撞角型球鼻艏：撞角型球鼻艏在船的前端伸出一個長長的尖角的撞角型球鼻，前伸較長，前端較尖，其橫剖面呈圓形或橢圓形、浸深較大，滿載和壓載時降阻效果均較好，適用于豐滿的油船、礦石船和散裝貨船。

“福特”號航母的圓筒型球鼻艏

圓筒型球鼻艏：像圓筒，圓筒體頂端是一個半球或橢圓球的圓筒型球鼻。“福特”號航母則是采用圓筒型球鼻艏，高達60英尺，總重量超過680噸。

其他：扁橢圓狀、柱形、菱形、魚雷形等形狀的球鼻艏。美國DDG1000驅(qū)逐艦球鼻艏不是傳統(tǒng)的球形，而是扁橢圓狀。

結(jié)構(gòu)設(shè)計有奧妙

一艘特定的船，球鼻形狀僅在設(shè)計條件下具有最佳的性能，在非設(shè)計條件它的性能會變差。對于球鼻體積的分布，大部分體積露出水面的球鼻沒有什么效果;縱向分布的體積接近自由表面，則影響動量偏差;縱向體積接近自由表面，則干擾效應(yīng)增大。對于興波阻力大的艦船，球鼻體積應(yīng)集中在縱向，且在循垂線處的球鼻水上部分應(yīng)不超過球鼻艏和船體的連接可以采用直線，流線形體積作用不大。對于碎波阻力大的船，球鼻艏體積沿縱向應(yīng)有一個好的分布，球鼻體的上部可以達到回波波峰。一個側(cè)向形狀良好且前傾的球鼻“鼻梁”可以避免舶回波的波碎，這時，流線形體積起重要作用。如果球鼻艏在壓載狀態(tài)下露出水面很多，則球鼻循的下部，水線進角應(yīng)做得小些。由于在這個區(qū)域內(nèi)有分離的危險，水線的光順不能呈凹形。

球鼻艏的底部鋼結(jié)構(gòu)

球鼻艏的支持骨材

安裝球鼻艏后，艦船艏部的水流狀態(tài)可以得到一些改善

球鼻艏結(jié)構(gòu)外形必須和船體外板光順無縫連接，保持船體的雙曲線型，提高其水動力性能：結(jié)構(gòu)材料必須考慮到聲吶設(shè)備的透聲需要，同時兼顧其強度要求;同時還安考慮到建造成本、加工復(fù)雜程度及是否會產(chǎn)生空泡噪聲等。出于不同的使用需求，各艦船的球鼻舷結(jié)構(gòu)及選材往往有一定的區(qū)別，如增大艙容同時也會增大阻力的聲吶艏、為高速艦船額外加裝減阻節(jié)能球鼻艏的雙球箱結(jié)構(gòu)、美國海軍常用的橡膠材質(zhì)球鼻艏及歐洲強國廣泛采用的金屬鋼架構(gòu)—玻璃鋼/欽合金導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)等。同時部分特種艦船球鼻艏底部也采用透聲材料，以提高聲吶探測性能。

球鼻艏結(jié)構(gòu)按其材料及功能分成導(dǎo)流罩、底部鋼結(jié)構(gòu)、支撐骨材和連接法蘭4個部分。由于聲吶設(shè)備的透聲需要，球鼻艏導(dǎo)流罩內(nèi)未采用任何肘板，只采用環(huán)狀肋骨支撐。為考慮透聲性能，支撐導(dǎo)流罩的骨材多采用多孔設(shè)計，其強度偏低，在導(dǎo)流罩出現(xiàn)明顯變形區(qū)域也發(fā)生了一定的變形。目前，普遍采用玻璃鋼制造球鼻艏的主體導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)，玻璃鋼材料透聲性能較好，但材料易老化，導(dǎo)流罩殼體易損傷而漏水，影響聲吶的正常使用。采用金屬罩殼球鼻艏相對較好，結(jié)合球鼻艏和聲吶設(shè)備的實際狀況，可提高球鼻艏的聲學(xué)性能。“庫茲涅佐夫”級航母艦艏的球鼻艏結(jié)構(gòu)是由鈦合金焊接而成，內(nèi)裝HGK-345型艦殼聲吶，這種球鼻艏具有強度高、剛性好、透聲性能優(yōu)異、內(nèi)部噪音低、質(zhì)量可靠、維修費用低等優(yōu)點，但整個球艦艏最大直徑超過3米，最大允許焊接誤差卻不能超過0.1毫米。相比美國“布什”號航母的全鋼型球鼻艏，“庫茲涅佐夫”級航母采用的鈦合金球鼻艏盡管性能上較先進，但卻制約了航母整體的可建造生與可靠性。

在球鼻艏的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造中，往往需要考慮以下3點要求：保證船體雙曲線型的光順;保持良好的聲學(xué)性能，并為球鼻艏中的聲吶設(shè)備提供必需的工作環(huán)境;其結(jié)構(gòu)強度應(yīng)艦船在各極限海況下仍能具備良好的水密生，從而確保設(shè)備能夠正常運轉(zhuǎn)。此外，在艦船遭受攻擊時，還應(yīng)能較好地保護其內(nèi)部設(shè)備，以提高艦船生命力。特別需要注意的是球鼻艏內(nèi)的后壁，其背面是艙室，正面直接面對聲吶基陣，基陣朝向艦尾方向發(fā)射的聲波經(jīng)過鋼結(jié)構(gòu)反射，就變成了噪聲，因頻率與聲吶的工作頻率相同，在后期的信號處理中，會造成很大困擾。所以，需要在兩面敷設(shè)足夠厚度的阻尼材料，將影響降至最低。但是，減振降噪材料厚度受到材料重量、粘貼性能、構(gòu)架方向等條件的限制。一般兩側(cè)共敷設(shè)鋼板厚度大的阻尼材料，可以吸收大約40%的振動能量。材料太薄，阻尼效果下降很大，成效較低。

民船的球鼻艏是用鋼板做成的，當(dāng)起錨拋錨時，錨或錨鏈偶爾碰一下關(guān)系不大。軍艦的球鼻艏內(nèi)安放聲吶，其外殼材料要求透聲性能好。這樣薄的板材是經(jīng)不起錨或錨鏈碰撞的。為解決這一問題，往往把艦艇艏部做成比較大的前傾，采用一個循錨，取消邊錨。也有采用一個循錨作為主錨，保留個邊錨作為備用錨。當(dāng)然也可采用加大艏部外張的辦法來布置邊錨，并使其錨穴所在剖面盡量避球鼻艏的最大剖面。即使采用上述措施，也仍然給錨布置帶來不少困難。不可使艙柱過份傾斜，否則將會使整個船形顯得很不協(xié)調(diào)，并影響了其他性能。所以從布錨的要求出發(fā)，希望艏部小一些，往前伸的小一些。

美國航母“福特”號，照片中可觀察到半浸入水面的球鼻艏

美國海軍“布什”號航母的球鼻艏正在組裝中

存在問題

球鼻艏設(shè)置的缺點在于它增加了建造的成本和影響了錨泊設(shè)備的布置。球鼻艏的目的是調(diào)整艦船航行時產(chǎn)生的波浪，但目前各大班輪公司實行減速航行后，因海浪波動幅度較以往減小，球鼻艏的存在反而增加了艦船運行阻力。例如，離靠碼頭和起拋錨時容易把球鼻碰壞，增加了建造的成本和影響了錨泊設(shè)備的布置;風(fēng)浪大時，球鼻的效果也不太理想;球鼻本身易受損壞。受多種因素的制約，水面艦船球鼻艏的設(shè)計在減阻方面一直沒有什么大的突破。大型驅(qū)逐艦球鼻舷外形復(fù)雜，對船體減阻節(jié)能特性和聲吶導(dǎo)流罩水聲性能具有顯著而錯綜復(fù)雜的影響。現(xiàn)有的幾種主要大型驅(qū)逐艦采用了作為聲吶導(dǎo)流罩的球鼻艏，這類球鼻艏不具有減阻節(jié)能的功能，有時反而會使阻力增加。

發(fā)展前景大

球鼻艏對船型的影響涉及到艦船設(shè)計、結(jié)構(gòu)、制造和使用等各個方面，因此選用球鼻艏船型時，必須綜合考慮艦船的快速性、耐波性、操縱性、縱傾調(diào)整、結(jié)構(gòu)強度、建造成本及工藝性、航行（包括冰區(qū)航行）和錨泊布置等方面的影響。然而，改善艦船的流體動力性能仍是目前選用與確定球鼻艏船型所考慮的主要因素。

美國海軍水面戰(zhàn)中心研究人員已經(jīng)在DDG-51級驅(qū)逐艦上完成了“眼鏡蛇”流體力學(xué)船首球鼻的測試工作。此次測試旨在優(yōu)化船首球鼻的形狀和體積。在為期2周的測試過程中，對超過20種為DDG-51級驅(qū)逐艦設(shè)計的球鼻艏原型進行了評估，并從中選取了4種進行下一步研制與模型測試，以驗證新設(shè)計在降低燃料消耗、減少發(fā)動機廢氣排放、減小航行阻力等方面的作用。另外，鈦合金由于低密度、耐腐蝕及其出色的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航天、精密儀器、船舶等領(lǐng)域。由于具有極高的機械強度及比合金鋼更優(yōu)秀的聲學(xué)性能，鈦合金球鼻艏正成為未來廣大水面艦艇的首選方案。

編輯：戴嘉琦

美國海軍水面戰(zhàn)中心研究人員在DDG-51級驅(qū)逐艦上完成了“眼鏡蛇”流體力學(xué)船首球鼻的測試工作