再大的船相比海洋还是一个小点,就连10万吨级航母和30万吨级的油轮都会在航行中被海浪颠簸。当然,一般来说越大的船也就意味着适航性/耐波性越好,虽然这不完全是事实。
如果仅考虑船体的平衡,我们只需要考虑在X和Y轴心上的摆动(左右摆动和前后摆动)。由于船的长度远高于船的宽度,滚动摇晃通常要比俯仰摇晃更严重。因此,减轻滚动摇晃的工作会在船舶设计中优先于减轻俯仰摇晃。通常情况下,在滚动摇晃方面合格的船也意味着它符合俯仰摇晃的要求。
在仔细计算船的适海性之前,工程师必须首先确保下图的GM距离位于0.5m - 8m之内。GM小于0m就等于翻船,而GM太高会对船员和乘客不舒适、损坏货物和损坏船体结构。一般情况下,搭载客人的船只都会有比较低的GM距离(但是GM太低了会翻船),因为这样会延长横摇周期,乘客在航行时会感受到“软”。相比,GM太高会缩短横摇周期,导致乘客在航行时会感受到“硬”。因此,船员无论在港口还是在航行时都必须检测船上搭载的货物和燃油量,根据货物和燃油的重量适当调整压载舱里的水位,以便确保GM能保持在即安全又舒适的位置。人类历史上所有的翻船事件几乎都是由于GM太低所造成的,请读到这里的航海家们切记GM的重要性,千万不要使船超载或者忽略压载舱里的水位。你的老板不懂可以跟他解释,这意味着确保人命的安全!
假设船的GM处于合格状态,船体本身在无协助下就能够保持一定程度上的平衡。同时,船体的水下形状也可以影响船在海浪中的平衡,不同角度打来的海浪会给船造成不同程度上的摇动。船体水下形状的设计实际上是一种艺术和科学的结合体,目前还没有一个通用的数学公式可以创造出适航性最佳的船体来(目前都是依靠人的摸索和模型测试)。当然,更麻烦的是在调整船体的过程中需要同时考虑适航性、阻力、尺寸和吨位。在船体的设计中,尺寸/吨位 -> 重量评估 -> 适航/阻力 的设计循环通常会消耗船舶设计项目中的一大部分时间。
除了船体之外,船本身配备的船舵也可以在自动化操作系统的协助下协助船在航行中保持平衡。
这可能听起来很奇怪,船舵不是用来控制方向的吗?怎么也可以控制船的平衡了?这是因为:
当然,用这种方法保持船的平衡效率不高,而且会干涉到船的航行方向。但是由于每艘船都已经配有舵,这是一种廉价的保持平衡方式,目前在货轮和油轮上都很流行。
提高船舶适航性的特殊装置
刚才讲完了最基本的,现在我来给大家讲解一下船上用来保持平衡的特殊装置。平衡装置主要分为两种:(1)被动式稳定系统、(2)主动式稳定系统。
船上最常见的被动式稳定系统是舭龙骨 (bilge keel),它几乎在所有的大小型船只上都能见到。舭龙骨 (bilge keel)通常是最便宜而且性价比较高的平衡装置。
另一种被动式稳定系统是被动式减摇鳍 (passive fin stabilizer ):
再讲一下主动式稳定系统,由于空间和价格因素,通常只有大型船只才安装这种装置。最常见的主动式稳定系统是位于船体侧面的主动式减摇鳍 (active fin stabilizer ),在不用的时候它会藏在船体内部,用的时候则会像翅膀一样伸出来。减摇鳍会像飞机翅膀上的操纵面 一样对船的滚动进行微调整:
轮船的减摇鳍虽看起来小,但是由于海水的密度是空气的835倍,飞机的翅膀/操纵面相比机身体积必须造的大,轮船的“翅膀”相比船体可以造的小。另外,轮船仅需要用减摇鳍对其滚动做出微调整,飞机则需要依靠翅膀和操纵面形成升力和大幅度横摇动作。
另一种主动式稳定系统是主动式减摇水舱(active roll stabilization tank),这种系统会随着船体的摇动不断切换水在船体侧面的位置,然后依靠水的重量使船在航行中保持平衡:
题主你需要的可能是一个海洋平台,这也算船舶定义内的。
一般的船舶虽然可以吨位很大,但毕竟你飘啊飘我摇啊摇无根的野草,加了辅助装置后,仍然会摇荡。
而海洋平台下面多半连接着钻井设备和管线,要求摇荡越小越好。所以有一种TLP张力腿平台(Tension Leg Platform),它的水面部分是这样的:
好像看不出与普通船舶有多大区别,无非是浮力分散到了四个柱子上,看上去就很稳,能克服“摇”。但是怎么克服垂向的“荡”(升沉)呢?所谓冰山一角,它的水下部分是这样的:
这种平台原始的浮力是大于重力的,所以安装的时候下面的系泊线会有一个“预张力”,与过剩的浮力平衡,让平台老老实实地立在这个地方。
当平台遇到波浪,水面升高时浮力变大,系泊线上的拉力也变大;水面降低时浮力变小,但仍然大于重力,系泊线上的拉力还是与过剩的浮力平衡。
所以理论上这种平台在波浪中是完全没有垂向位移的,任你波浪滔天,我就在这里,不悲不喜。
这个原理很简单,但是运用到这样大规模的结构物上,还是很惊艳的。