水面艦船初穩(wěn)性高指標要求研究

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、浪等）作用下偏離平衡位置而傾斜，當外力消失后恢復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)外船舶相關標準、規(guī)范都對初穩(wěn)性高提出了明確的限值要求，以確保設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規(guī)定，在艦船交付過程中也是按照該限值指標進行考核驗證。總體上來說，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會在水面艦船上裝載固體壓載，用以降低重心，使初穩(wěn)性高滿足標準的要求。

在水面艦船實際使用中，會產(chǎn)生一些疑問，如標準中的限值指標是怎么提出來的？該指標能否適當減小？該指標是不是越大越好？針對上述疑問，本文分析了設定水面艦船初穩(wěn)性高指標要求的必要性，以及確定初穩(wěn)性高指標要求應考慮的因素。研究出初穩(wěn)性高指標的取值范圍要求，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?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。

設定初穩(wěn)性高指標要求主要考慮以下因素：

（1）保證水面艦船安全。在出現(xiàn)破損進水、燃油消耗、不適當?shù)卦诟呶患虞d、結冰、甲板上浪等情況時，其初穩(wěn)性將會不同程度降低。如果原來設計時水面艦船初穩(wěn)性高較差，降低又嚴重，可能使初穩(wěn)性高變?yōu)樨撝担瑥亩鴮е屡灤瑑A覆或者漂浮于某個傾角上，給航行安全帶來極大風險。

（2）滿足特殊作業(yè)使用要求。在水面艦船使用訓練中，如果經(jīng)常會進行人員集中于某一舷、舷側起吊重物或全速滿舵回轉等作業(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，導致無法進行正常作業(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)性高指標是非常必要的。如何通過合理設定初穩(wěn)性高指標，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)性高指標應考慮的因素

從設立初穩(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)性高具體指標取值時也應當從這兩方面來分析。

2.1 保證水面艦船安全應考慮因素

在水面艦船出現(xiàn)破損進水、燃油消耗、甲板上浪、結冰、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)性高時也應該重點考慮上述因素。而在實際設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)行任務的要求，可以根據(jù)不同情況提出結冰穩(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)樨撝档目赡苄圆淮?，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?shù)母呶患虞d，是一個使用方面的問題，應當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、舷側起吊重物或全速滿舵回轉等作業(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，舷側吊起重物則僅對設有吊桿的起重船等才有意義。因此，全速滿舵回轉時的橫傾角是我們應當重點考慮的因素，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)性高指標的取值范圍

3.1 國內(nèi)外標準規(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《船舶與海上設施法定檢驗技術規(guī)則》國際航行海船法定檢驗技術規(guī)則（2014）［2］規(guī)定“船舶初穩(wěn)性高度（GM0）應不小于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)性高應不小于0.3 m”。國際海事組織（IMO）的穩(wěn)性衡準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)外標準中對于船舶初穩(wěn)性要求，單從初穩(wěn)性高衡準要求來看，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》與其他標準、規(guī)范的穩(wěn)性校核體系與衡準差異造成，不能僅從初穩(wěn)性高取值這一單一指標評價孰優(yōu)孰劣，還需從與之相關的船舶性能來分析。

3.2 初穩(wěn)性高指標的閾值區(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時最大橫傾角的要求，即全速滿舵回轉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，復原能力越強，但是水面艦船在風浪中航行時，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，所以在水面艦船設計時應兼顧艦船穩(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］：

在水面艦船設計時，為使艦船的固有周期避開其航行海區(qū)的風浪周期，那么水面艦船的橫搖周期應該大于波浪周期，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，而重心高與裝載有關。目前對水面艦船的裝載分為“空載”、“標準”、“正?！?、“滿載”、“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)，目前尚無一致公認的規(guī)定。基于傳統(tǒng)的做法和實踐經(jīng)驗，目前多數(shù)還是以標準排水量時的載重狀態(tài)作為初穩(wěn)性的衡量標準。

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。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。當然，此上限值只是最大極限值，實際設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 語

初穩(wěn)性高衡準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。所以在水面艦船設計時通常會在標準要求的基礎上留有一定設計裕度。在保證水面艦船穩(wěn)性性能的同時，應當綜合考慮初穩(wěn)性高與橫搖周期的關系，以確保橫搖周期處于合理范圍內(nèi)。