受損航母的穩(wěn)性研究

洪偉宏

(海軍艦船辦，北京 100073）

受損航母的穩(wěn)性研究

洪偉宏

(海軍艦船辦，北京 100073）

穩(wěn)性是影響航母作戰(zhàn)能力的重要因素之一。航母的穩(wěn)性設(shè)計(jì)包括水密分艙設(shè)計(jì)、舷側(cè)防護(hù)系統(tǒng)。本文研究了美國(guó)海軍受損航母穩(wěn)性要求，并以“約克城”號(hào)航母為例進(jìn)行分析，并對(duì)不同進(jìn)水情況下的穩(wěn)性進(jìn)行了建模計(jì)算，得出了針對(duì)性的處置方法。

航母;穩(wěn)性;受損

0 引言

在20世紀(jì)不到50年的時(shí)間里，航母從作戰(zhàn)價(jià)值有限的輔助戰(zhàn)艦變?yōu)樽钪匾妥钣袃r(jià)值的戰(zhàn)艦。而航母在受損情況下的穩(wěn)性是評(píng)判其運(yùn)行和作戰(zhàn)能力的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，水線(xiàn)以下遭遇損毀時(shí)的穩(wěn)性尤其受到關(guān)注。本文研究航母在受損情況下的穩(wěn)性，計(jì)算結(jié)果以回歸方程和曲線(xiàn)圖的形式給出。

1 受損航母穩(wěn)性的要求和標(biāo)準(zhǔn)

航母是艦隊(duì)中最重要的艦船，但與其他艦船一樣，穩(wěn)性和浮力受外界因素影響?？赡苡龅降奈ｋU(xiǎn)包括船體破損、內(nèi)部艙室進(jìn)水和風(fēng)浪等。

1.1 受損航母穩(wěn)性要求

受損航母穩(wěn)性要求并不能保證航母一定不會(huì)沉沒(méi)，但能增加受損航母的生存能力。

1）穩(wěn)定性影響因素

對(duì)稱(chēng)進(jìn)水。出現(xiàn)對(duì)稱(chēng)進(jìn)水時(shí)，航母面臨的基本問(wèn)題是穩(wěn)心高度的變化。由于影響穩(wěn)定的致命因素是穩(wěn)心高度的減小，當(dāng)航母機(jī)庫(kù)甲板等位置出現(xiàn)大量進(jìn)水時(shí)，航母極易傾覆。

非對(duì)稱(chēng)進(jìn)水。若縱隔壁未受損，航母只有一邊進(jìn)水，此種情況即為非對(duì)稱(chēng)進(jìn)水。非對(duì)稱(chēng)進(jìn)水對(duì)于有舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)的航母尤其危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)引起很大的傾斜力矩，繼而引起突然和不受控制的橫傾，同時(shí)大幅減小航母的復(fù)原力臂。這種非對(duì)稱(chēng)進(jìn)水引起的大傾斜角會(huì)使航母極易受到魚(yú)雷攻擊:航母存在大角度傾斜時(shí)，在高的一端，舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)以下部分會(huì)成為魚(yú)雷的攻擊對(duì)象，在較低的一端，舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)以上的部分會(huì)面臨同樣的處境。如果這種狀況無(wú)法迅速改變，就需要在出現(xiàn)沉船或翻覆危險(xiǎn)前棄艦。

風(fēng)浪。受損航母在受到風(fēng)浪影響時(shí)，其穩(wěn)性分析以復(fù)原力臂曲線(xiàn)和風(fēng)壓橫傾力臂曲線(xiàn)為基礎(chǔ)。所示，圖1給出了受損航母穩(wěn)性要求，其中復(fù)原力臂線(xiàn)與風(fēng)壓橫傾力臂線(xiàn)之間的面積用A1和A2表示。

圖1 受損航母穩(wěn)性要求Fig.1 Requirement of stability for damanged aircraft carrier

由風(fēng)浪對(duì)受損航母造成的風(fēng)壓橫傾力臂用以下公式計(jì)算:

其中，Vwind為受損航母所處環(huán)境的風(fēng)速，kn;A為垂直受風(fēng)面積，ft2;l為從半吃水深度到航母受風(fēng)面積中心的距離，m;Δ為排水量，t;θ為傾斜角，(°）。

受損航母能夠無(wú)顛覆風(fēng)險(xiǎn)承受的風(fēng)速為

2）對(duì)穩(wěn)性的基本要求

艦船進(jìn)水會(huì)增加船體重量或減少艦船儲(chǔ)備浮力，從而影響艦船橫向和縱向穩(wěn)性，增加艦船吃水深度、縱傾和橫傾。對(duì)航母穩(wěn)性的基本要求是:

航母水密分艙進(jìn)水并出現(xiàn)新水線(xiàn)時(shí)，會(huì)因不對(duì)稱(chēng)進(jìn)水出現(xiàn)橫傾角，要保證此橫傾角不會(huì)導(dǎo)致非水密開(kāi)口進(jìn)水;橫傾斜角不能過(guò)大，以保證艦內(nèi)的物體和各種設(shè)備保持原位，否則航母將無(wú)法運(yùn)行;要有足夠大的穩(wěn)心高度 (GM）和穩(wěn)性，保證航母不因風(fēng)浪翻船?？傊侥副仨毮芸焖俣行У販p小甚至完全消除傾斜角。為此，航母通常裝有獨(dú)立于壓艙系統(tǒng)的交叉連接的管道，連接船舷側(cè)艙、雙層底艙和舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)的進(jìn)水空間。

另外，作戰(zhàn)能力對(duì)穩(wěn)性的要求基于最低的進(jìn)攻和防御能力。涉及的因素包括快速傾側(cè)能力和傾斜度糾正能力。

以下為航母發(fā)生進(jìn)水事故時(shí)需要維持的基本穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)確定了航母維持全部或部分作戰(zhàn)能力的極限傾斜角度:

傾斜角在5°之內(nèi)，艦載機(jī)起飛降落均不受限制;傾斜角超過(guò)8°時(shí)，飛行活動(dòng)要受到限制;傾斜角 (橫向和縱向）不超過(guò)5°為安全角度。航母壓載艙能夠快速有效地糾正小于20°的傾斜;傾斜角不大于12°時(shí)，除直升機(jī)作業(yè)之外的其他活動(dòng)可以進(jìn)行;任何艦載設(shè)備必須能在航母發(fā)生不大于15°(橫向或縱向）的傾斜時(shí)均具備完全作戰(zhàn)能力;任何時(shí)候超過(guò)20°的傾斜角都非常嚴(yán)重，傾斜角超過(guò)20°時(shí)，允許航母撤出作戰(zhàn)行動(dòng)或執(zhí)行棄艦命令;特定情形下，為保持航母生命力，艦載設(shè)備和機(jī)器需要在20°～25°的傾斜角范圍內(nèi)仍然保持作戰(zhàn)能力。

1.2 航母穩(wěn)性設(shè)計(jì)

航母的設(shè)計(jì)要求能夠在經(jīng)受損毀時(shí)還能充分維持航行和作戰(zhàn)能力。因?yàn)樵撃芰π枨髮?duì)航母的尺寸、艦形、布局和水密分艙的數(shù)量有很大影響，所以在航母設(shè)計(jì)的最初階段就應(yīng)該確定這一設(shè)計(jì)需求，并根據(jù)這些需求確定水密分艙的長(zhǎng)度和布局。

根據(jù)美國(guó)國(guó)防部相關(guān)文件，航母應(yīng)該滿(mǎn)足如下要求:

水線(xiàn)長(zhǎng)大于92 m的航母，無(wú)論在何處出現(xiàn)損毀，長(zhǎng)度達(dá)到水線(xiàn)長(zhǎng)的15%或21 m(選較大的），航母都需要保持充分的穩(wěn)性。這種損毀程度通常會(huì)影響3～4個(gè)水密分艙;在因爆炸引起橫向傳遞的損毀時(shí)，損毀會(huì)達(dá)到艦船內(nèi)部20%，因此航母需要擁有舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng);縱向的損毀還未定義，但是這種損毀不會(huì)超過(guò)損管甲板。損管甲板一般設(shè)在結(jié)構(gòu)性水線(xiàn)以上的第一層甲板。

1）水密分艙

航母防水隔壁有2個(gè)作用，一是劃分艦上活動(dòng)區(qū)域，二是加固艦體結(jié)構(gòu)。防水隔壁形成的水密分艙解決了航母因水下破損造成的進(jìn)水問(wèn)題。在航母因外殼損毀而導(dǎo)致內(nèi)部進(jìn)水時(shí)，能夠提高航母作戰(zhàn)效率并降低風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)爆炸對(duì)軍艦結(jié)構(gòu)模型的影響測(cè)試結(jié)果以及相關(guān)作戰(zhàn)報(bào)告，目前每艘航母擁有約300間水密分艙，這些艙室是航母能否在受損情況下保持穩(wěn)定的決定因素。

根據(jù)美國(guó)國(guó)防部文件，損管甲板以上的水密艙允許設(shè)置可以打開(kāi)的防水門(mén)，但通常要保持關(guān)閉，而損管甲板以下的水密分艙必須是密封的。

2）舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)

航母上除了密集布置的水密分艙之外，還有舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)位于船體左右舷內(nèi)，通常由5個(gè)縱向隔壁構(gòu)成，形成4個(gè)防水層。其中，2個(gè)外側(cè)的防水層留空，航母受損時(shí)水可以直接進(jìn)入，而內(nèi)側(cè)的2個(gè)裝有各種液體 (重燃料、煤油、水等）。這些縱向隔壁與眾多橫向隔壁共同形成水密分艙，而這些水密分艙在垂直方向上與受力甲板 (通常是機(jī)庫(kù)甲板）連接。

舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)圍繞在航母船體周?chē)L(zhǎng)度約為艦長(zhǎng)的2/3，其主要功能是使航母受損后的進(jìn)水量受到限制，控制在最小量。當(dāng)航母船體內(nèi)部進(jìn)水時(shí)，該保護(hù)系統(tǒng)增加了內(nèi)部分隔因素，使航母安全性更高。系統(tǒng)保護(hù)的重要部位包括動(dòng)力裝置、電站、彈藥艙、燃料和補(bǔ)給品等。

2 航母選型建模

選取二戰(zhàn)中美國(guó)“埃塞克斯”級(jí)航母“約克城”號(hào) (CV-5）作為計(jì)算模型進(jìn)行分析，目的是簡(jiǎn)單描述受損穩(wěn)性分析時(shí)要考慮的所有重要因素，所采用的計(jì)算方法同樣適用于現(xiàn)代航母。

“約克城”號(hào)航母可搭載艦員2 217人，艦載機(jī)71架，表1給出該航母的參數(shù)。

表1 “約克城”號(hào)航母參數(shù)列表Tab.1 The parameters of“Yorktown”

2.1 航母基本情況

1）艙室分艙

所選航母有17個(gè)橫向防水隔壁，4個(gè)縱向防水隔壁?？v向的防水隔壁與航母同長(zhǎng)，橫向隔壁的高度為從船底到機(jī)庫(kù)甲板。這些防水隔壁將航母分隔為大量水密分艙。此外，這些防水隔壁的強(qiáng)度可以承受受損航母大吃水深度的水壓。

2）舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)

舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)的縱向長(zhǎng)度約占全艦長(zhǎng)度的60%，位于艦中?！凹s克城”號(hào)航母的橫截面如圖2所示。

圖2 “約克城”號(hào)航母橫截面Fig.2 USSYorktown cross section

2.2 航母進(jìn)水后的平衡位置

本節(jié)將對(duì)所選航母模型進(jìn)行仿真，首先確定進(jìn)水量，之后找出航母的新的平衡位置。先假設(shè)魚(yú)雷或水雷的爆炸位置在損管甲板以下。

這種破損會(huì)造成航母迅速地不對(duì)稱(chēng)進(jìn)水，并不斷下沉形成新的水線(xiàn)，此時(shí)的排水量與航母總重相等。但是，航母會(huì)出現(xiàn)一定角度的橫傾，總傾斜角為30°。更大的角度可能導(dǎo)致連續(xù)進(jìn)水。

受損航母的穩(wěn)性計(jì)算還將考慮受損航母能夠承受的最大風(fēng)力。

圖3 “約克城”號(hào)航母幾何模型Fig.3 USSYorktown geometric model

3 受損航母穩(wěn)性計(jì)算

各種情況進(jìn)水的計(jì)算原理都相同，在此假設(shè)爆炸將相鄰艙室的舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)完全炸毀，并損毀了橫向和縱向的防水隔壁，從而導(dǎo)致鍋爐艙和雙層底中的側(cè)壓載箱進(jìn)水 (見(jiàn)圖4）。必須強(qiáng)調(diào)，這種損毀組合只能發(fā)生在有舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)的艙室中，而在艦首和艦尾沒(méi)有舷側(cè)保護(hù)系統(tǒng)的艙室中，爆炸會(huì)炸穿縱向的防水壁，從而導(dǎo)致對(duì)稱(chēng)進(jìn)水。

圖4 艙室橫向進(jìn)水位置Fig.4 Lateral inlet position of the cabin

在魚(yú)雷或水雷與船體接觸的瞬間發(fā)生爆炸，航母出現(xiàn)損毀。航母新平衡位置的確定需要考慮所允許的最大風(fēng)力，其中風(fēng)吹向航母左側(cè)。

3.1 僅有1個(gè)艙室進(jìn)水

仿真計(jì)算的損毀位置從艦艏開(kāi)始，一直移動(dòng)到艦尾 (見(jiàn)圖5）。基本假設(shè)是航母被1枚魚(yú)雷擊中，影響到所考慮的艙室，而周?chē)臋M向隔壁未受損。

圖5 艙室縱向進(jìn)水位置 (網(wǎng)格代表進(jìn)水艙室）Fig.5 Longitudinal water inlet position of the cabin

3.2 有2個(gè)艙室進(jìn)水

2個(gè)相鄰艙室進(jìn)水仿真計(jì)算的損毀位置同樣從艦首開(kāi)始，一直移動(dòng)到艦尾 (見(jiàn)圖5）。2個(gè)基本假設(shè)如下:

航母被橫向防水隔壁附近的1枚魚(yú)雷擊中，導(dǎo)致其損毀，2個(gè)相鄰艙室進(jìn)水;

2枚魚(yú)雷分別擊中2個(gè)相鄰艙室中部，導(dǎo)致其進(jìn)水。

3.3 有3個(gè)艙室進(jìn)水

3個(gè)相鄰艙室進(jìn)水仿真計(jì)算的損毀位置同樣從艦首開(kāi)始，一直移動(dòng)到艦尾 (見(jiàn)圖5）。2個(gè)基本假設(shè)如下:

航母被2枚魚(yú)雷擊中，其中1枚擊中橫向防水隔壁附近的船體縱梁，導(dǎo)致其損毀且與之相鄰的2個(gè)艙室均出現(xiàn)進(jìn)水。第2枚魚(yú)雷擊中與上述2個(gè)艙室相鄰的艙室中部，因此而出現(xiàn)集中的3個(gè)艙室進(jìn)水的事故。

航母的3個(gè)相鄰艙室分別被3枚魚(yú)雷擊中中部，導(dǎo)致相鄰3個(gè)艙室進(jìn)水的事故。

3.4 有4個(gè)艙室進(jìn)水

4個(gè)相鄰艙室進(jìn)水仿真計(jì)算的損毀位置同樣從艦首開(kāi)始，一直移動(dòng)到艦尾 (見(jiàn)圖4d）。3個(gè)基本假設(shè)如下:

1）航母被2枚魚(yú)雷擊中2個(gè)不相鄰的橫向防水隔壁，導(dǎo)致2對(duì)相鄰艙室進(jìn)水，引起4個(gè)相鄰艙室同時(shí)進(jìn)水;

2）4枚魚(yú)雷分別擊中4個(gè)相鄰的艙室中部，引起4個(gè)相鄰艙室同時(shí)進(jìn)水。

3）1枚魚(yú)雷擊中防水隔壁附近，導(dǎo)致相鄰的2個(gè)艙室進(jìn)水，另外2枚魚(yú)雷擊中另外2個(gè)相鄰艙室，引起4個(gè)相鄰艙室同時(shí)進(jìn)水。

計(jì)算方法為下面的回歸方程式。

其中，R2的值在0.9～1之間，取該區(qū)間的值有利于快速預(yù)測(cè)航母艙室進(jìn)水時(shí)所預(yù)期的平衡位置。φ1和ψ1分別為橫傾和縱傾角度，其標(biāo)號(hào)表示相鄰進(jìn)水艙室的個(gè)數(shù)，如φ1表示有1個(gè)艙室進(jìn)水。

圖6和圖7給出了各種位置上的損毀進(jìn)水造成的航母橫傾和縱傾情況的計(jì)算結(jié)果。其中，橫軸表示進(jìn)水位置，不同形式的線(xiàn)條表示進(jìn)水艙室數(shù)量不同時(shí)航母的橫傾和縱傾情況。

圖6 平衡位置的橫傾角Fig.6 Horizontal angle of equilibrium position

圖7 平衡位置的縱傾角Fig.7 Vertical angle of equilibrium position

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)所選航母進(jìn)行了穩(wěn)性計(jì)算，對(duì)4組不同的相鄰艙室進(jìn)水情形進(jìn)行了仿真。通過(guò)研究，可得出以下結(jié)論:

航母中部艙室進(jìn)水時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大程度的橫傾，而艦首或艦尾艙室進(jìn)水時(shí)則會(huì)出現(xiàn)最大程度的縱傾。這種結(jié)果屬于意料之中，因?yàn)榕炇缀团炍矊儆趯?duì)稱(chēng)進(jìn)水。

當(dāng)有1個(gè)艙室進(jìn)水時(shí)，航母會(huì)出現(xiàn)2°～3°的橫傾 (中部的F/G/H/I艙室進(jìn)水時(shí)的橫傾角度會(huì)稍微大一些）。這些橫傾角度并不會(huì)造成太大問(wèn)題，因?yàn)榧词钩霈F(xiàn)8°的橫傾角，某些航空作業(yè)仍然可以進(jìn)行。

只有當(dāng)2個(gè)相鄰艙室進(jìn)水時(shí)橫傾角才會(huì)有較明顯的增大，但不會(huì)超過(guò)15°(救生設(shè)備的極限運(yùn)行角度）。

當(dāng)航母中部有3個(gè)或4個(gè)艙室進(jìn)水時(shí)，航母可能會(huì)因過(guò)大的橫傾而失去運(yùn)行和作戰(zhàn)能力。此時(shí)，需要進(jìn)行壓艙來(lái)緩解橫傾和縱傾。雖然此時(shí)的橫傾角度較大，但根據(jù)復(fù)原力臂線(xiàn)和風(fēng)壓橫傾力臂線(xiàn)之間的面積，航母還不會(huì)出現(xiàn)翻船的危險(xiǎn)，因?yàn)榇藭r(shí)的橫傾角小于翻船最小橫傾角。所以，即使出現(xiàn)大于20°的橫傾，航母仍能達(dá)到新的平衡位置。因此，出現(xiàn)上述情況時(shí)，艦員應(yīng)該救援而非棄艦。

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Research on the stability of damaged aircraft carrier

HONGWei-hong
(The Equipment of PLAN，Beijing 100073，China）

Stability is one of the important factors impacting the operational ability.The stability related designs include watertight cabin and the broadside safety system.The papermade some research on the requirement to the damaged aircraft carrier，and take CV-5 as an example.Some computation and simulation aremade for the different condition and brought out some advice.

aircraft carrier;stability;damaged

TP393

A

1672-7649(2015）11-0169-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.11.037

2015-09-10;

2015-10-10

洪偉宏(1972-），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇肮こ獭?/p>