方馨悦，黄 胜，张 超，廖全蜜

(1．哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨150001;2．总装备部汽车试验场，江苏 南京210028)

0 引 言

大型船舶作为高度机动的海上飞机场和海军基地，它的出现受到了各国海军的重视。对大型船舶来说，在战争中最重要的任务是夺取制海权和制空权，而大型船舶的快速性很大程度决定了它在战争中的地位和作战使命［1］。本文在保证某大型船舶其他性能不变的前提下改善其快速性，对未来大型船舶的发展具有重要意义。本文的工作基于船体设计软件Maxsurf 完成［2］。

1 排水量不变时长宽比变化对快速性的影响

1.1 长宽比对快速性的影响

对于航速较高的船舶，当排水量、航速给定后，船长的改变会使阻力发生相应的变化，将总阻力最低的船长定义为最佳船长。在最佳船长范围内，船长的增加会降低船的总体阻力［3］。

根据资料统计，大型船舶的Lω/Bω值在7.10 ～8.10［4］范围内。在此范围内，保证模型排水量不变，对船长、船宽进行仿似变换，得到如表1 所示方案。

表1 排水量不变船型变换方案Tab.1 Ship transformation scheme with constant displacement

根据表1 中的5 种模型方案，在Maxsurf 设计软件Hullspeed 模块［5］中计算得出32 kn 航速下的阻力曲线，如图1 所示。从图1 可看出，该大型船舶在排水量不变，Lω/Bω在7.20 ～8.10 范围内变化时，随着Lω/Bω增加，总阻力变小。

图1 设计航速下Lω/Bω 阻力曲线图Fig.1 Lω/Bωresistance curve of designed speed

1.2 飞行甲板宽对最小宽度的限制

大型船舶作为可以携带大量舰载机的特殊舰船，需要考虑Lω/Bω的变化对稳性、舱室布置、机库内飞机摆放及飞行甲板飞机布列的影响，因此飞行甲板的布列约束主尺度的变换。

大型船舶最小设计水线宽与飞行甲板宽有关，国外斜角甲板大型船舶的水线宽与飞行甲板宽的比值约为0.525。飞行甲板的宽度由降落跑道宽度和停机区取得足够面积确定。而最小设计水线宽需通过尾部降落跑道的宽度确定。

图2 航渡状态下尾部降落跑道飞机布列Fig.2 The aircraft arrangement on the tail landing runway under the navigation state

考虑到航渡状态下尾部降落跑道的布列，如图2所示，至少摆放4 架折叠后的F －18。折叠后的F －18 的宽度为8.38 m，遵循飞行甲板布列舰载机静态停放时的空间要求，停放在停机区内技术站位上的舰载机相互之间的安全间距不小于750 mm［6］，因此根据航渡状态下尾部至少摆放4 架飞机确定最小尾部降落跑道宽度为35.8 m。该大型船舶尾部降落跑道的宽度为37.9 m，飞行甲板的宽度为72.3 m，近似的取比例关系，当降落跑道宽度为35.8 m 时，飞行甲板的宽度为68.3 m。该大型船舶设计水线宽与飞行甲板的宽度为0.544［7］，因此优化后的水线宽为37.2 m。

1.3 机库宽对最小宽度的限制

机库的宽度与大型船舶的大小、总体布局对机库宽度的限制等因素有关，一般为设计水线宽度的72% ～80%［8］。通常大型船舶的机库宽度都不延伸到两舷，在机库侧壁与舰舷之间留出一定宽度的空间，供布置舰船的纵向通道、舰船动力装置的进排气道，以及服务于舰载机维护维修的舱室和航空备件库等。该大型船舶的机库宽/设计水线宽的值为0.827，超出了机库与设计水线宽的统计范围。对于该大型船舶来说，基于机库布列的考虑，设计水线宽已经为最小值，设计水线宽为39.4 m。

2 基于模型方形系数的优化

方形系数的选取主要考虑它对阻力的影响［9］。因此在对大型船舶航速进行优化时，需要考虑方形系数变化对总阻力的影响。

表2 同一船型方形系数变化方案Tab.2 The scheme of block coefficient variation in same ship

通过对模型进行仿似变换，计算不同航速下5种模型的阻力与功率，如图3 所示。

图3 不同方形系数的航速功率曲线Fig.3 Speed power curve of different block coefficient

从图3 可知，对应于方形系数最小的船型阻力性能最好。随着方形系数增加，船型的阻力明显增大。

3 排水量的变化对其功率变化的影响

不考虑机库、飞行甲板的布列对主尺度的影响，现对该大型船舶进行仿似变换得到不同吨级的船型，设计水线长与设计水线宽在7.66 ～7.82 之间选取，吃水按照设计水线宽与平均吃水之比在3.45 ～3.77之间进行选取，得到如表3 所示方案。

表3 不同吨排水量船型变换方案Tab.3 Scheme of different ton displacement ship

将表3 建立的船型进行计算，绘制不同航速下功率曲线图。

由图4 可以得出结论:航速略大于35 kn 时，各吨级功率曲线汇交到一点，随着航速继续增加，小吨级所需要的功率大于大吨级的功率。国外研究发现，当大型船舶航速为35 kn 时，其排水量对推进功率的影响很小［10］，本文的研究结果与国外研究结果相符。

4 优化船型的性能分析

在主尺度的分析中，在统计范围内取最大的Lω/Bω值阻力性能最好。因此新船的Lω/Bω值为8.10，即Lω= 8.10 Bω，设计水线宽的最小值为39.4 m。从快速性的角度出发，增加吃水可以提高螺旋桨的性能。取设计水线宽/吃水比为3.45，因此Bω=3.45 T ;方形系数Cb取为统计范围内的最小值0.58。

满载排水量的计算公式为:

Δ = Lω× Bω× T × Cb×1.025。

当吃水一定时，型深的大小反映了干舷的大小，根据统计资料型深与吃水比，确定优化船型的型深为29.7 m。

优化方案中的船长为319.2 m，当新船速长比处于1.0 ～1.1 范围内时［10］，算得新船的航速为32.4 ～35.6 kn 之间，综合考虑排水量优化中得到的经济航速35 kn，将新船的最大航速取为35 kn。

根据以上分析，得出一艘新船型的主尺度如表4所示。机库及飞行甲板尺寸根据设计水线长与设计水线宽的统计规则选取最佳值，如表5 所示。

表4 优化船型与母型主尺度比较Tab.4 The comparison of principal dimensions between optimized ship type and parent pattern

表5 优化船型与母型飞行甲板及机库尺度比较Tab.5 The comparison of the flight deck scale and hangar scale between optimized ship and parent pattern

根据估算公式分别计算母型船和优化船型的横摇周期、升沉周期、初稳心高，校合新船的初稳性及耐波性，结果如表6 所示。

表6 估算公式结果比较Tab.6 The comparison of estimation formula results

由表4 ～表6 可知:新船的航速得到优化，最大航速从32 kn 增加到35 kn，排水量增加5 000 t 左右，机库内增加5 架飞机，大型船舶的作战性能得到提高，且初稳性和耐波性与原型相比无变化。

计算优化后的船型阻力性能。图5 为大型船舶原型与优化船型功率阻力曲线对比图。

图5 大型船舶原型与优化船型航速功率比较图Fig.5 The comparison chat between parent pattern and optimized ship of speed power curve

由图5 可看出，优化船型在最大航速35 kn 时，所需功率小于母型，所以新船在航速上得到优化。

5 结 语

排水量不变时，在设计航速下阻力随着长宽比的增加而减小，可通过增加大型船舶号的长宽比使航速得到优化。然而大型船舶作为特殊舰船，需要考虑到舰载机在机库内的摆放及飞行甲板的布列，对设计水线宽度加以限制，通过分析，认为最小设计水线宽为39.4 m。在水线长与水线宽不变的前提下，阻力随方形系数的增加而增大。在保证长宽比在统计范围内变换大型船型的排水量，航速在35 kn 时，排水量的变化对功率影响很小。优化后的船型在保证了初稳性和耐波性的前提下，携带飞机的数量增加，且航速从32 kn 增加到35 kn，相同航速下所需功率减少，明显提高了大型船舶的作战性能。

［1］杨璞．世界航空母舰大观［M］．北京:科学普及出版社，1993:12 －14．

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