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问:航母底窄顶宽为什么不侧翻?

问:为什么航母底下那么窄而上面那么宽却不会侧翻?

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相对于常见的军舰油轮,航母的样子相当独特。她上宽下窄左凸右翘,一边是高耸的舰岛,一边是孤悬的外飘甲板,总担心她平衡困难,侧翻在海里。

自从人类发明船舶以来,船的造型都是上宽下窄,这样设计的目的是为了尽量减小船舶在水中的体积,从降低船舶在水中航行的阻力。

可这样一个300多米长,6、70米宽,甲板面积1.5~2万平方米的巨型“海上机场”机动性、平衡性强着呢!她能在高速航行中急转弯,一侧甲板几乎贴着水面都不会翻,真是一个了不起的工程奇迹。

不过上宽下窄的造型会影响船舶在水中的稳定性,所以人们就尽量将船的重心下移,这样船舶就如同锥子似的扎在水里,稳定性反而更好。

平衡和稳性,是考验船舶好坏的重要指标。这俩做不好,船就会在惊涛骇浪中大幅横摇,甚至倾覆。

目前人类制造难度最高的船舶就是航空母舰,虽然现在最大的航母吨位不过十万吨,这跟动辄几十万吨的运输船没法比,但航母的设计的复杂性和制造难度是运输船所远远不能比拟的,双方的制造难度根本不在一个量级上。

航母也一样,她左右不对称,上下不均匀,物理重心与几何中心不重合。但工程师们想尽各种办法,通过结构设计、重量分布、压载配平等方式让重心平衡;又通过减摇鳍、舭龙骨、减摇水舱、减摇舵等手段增加稳性。

其实不止是在船舶领域,即便放眼整个人类工业领域,航母也是最复杂的工业产品。美国的尼米兹级航母需要十亿个零件,每个零部件都必须达到高标准,其建造难度可想而知。

1、结构设计。

航母说白了就是一个海上移动机场,既然是机场就必须得有跑道,而跑道自然是越大越好。虽然现在美国航母拥有弹射器,可以在短距离内弹射战斗机和轻型预警机,在一定程度上减轻了对甲板跑道长度的刚需。

航母右舷舰岛很重,就算“尼米兹”航母用小型舰岛也有700多吨。于是1952年,英国工程师发明了斜角甲板。通过左舷外飘甲板,既增加了甲板面积,让舰载机分区起降互不干扰,又平衡了航母重心,真是一举两得。

但面积更大的甲板还是可以为航母指挥官提供更大的想象力,起码航母甲板上可以停放更多的战斗机,在战前可将大量战机预先按放到甲板上,免去了开战后升降机来回运载飞机的麻烦,提高战斗机的出动率,而战机的出动率才是一首航母战斗力的体现。

但这只是航母综合平衡中的一小部分,更多的秘密隐藏在船舱中。

因此各国航母都尽量将甲板做大,例如美国的尼米兹级航母的甲板面积就高达1.8万平方米,能装下两个半足球场。(航母甲板越大,放得飞机也就越多,尼米兹级航母甲板通常最多可以放下30架战机)

2、配平和压载水舱。

(为了帮助航母士兵放松心情,美军组织NBA球员在航母甲板上进行比赛,美军航母甲板放下一个篮球场和观众看台是绰绰有余的)

航母看起来上宽下窄,其实水线以下的船体非常宽,干舷也很高,从甲板到水面十几米。“小鹰”号航空母舰甲板有8层,共1500多个舱室。从上到下包含飞行甲板、弹射系统、机库、维修工厂、指挥中心、食品库、士兵舱、行政办公室等等。虽然项目繁多,但重量只占一小部分。

不过由于航母的甲板非常大,因此总给人一种头重脚轻的感觉。但其实航母的稳定性非常高,说是脚下生根也不为过,各种高难度的战术规避动作都不在话下。

而发动机、反应堆、传动系统、弹药补给、燃油淡水这些大吨位家伙都在8层以下的舱室里。淡水、燃油在左右舷侧边舱里边,调整压载水量就能控制平衡。压载水还能增加防护力,抵御鱼雷打击。

(航母上面虽宽,但其实下面也不窄,只是为了克服海水阻力,航母的前面比较窄,所以给人感觉下面非常窄)

3、稳性好,船体宽、干舷高,储备浮力大。

(美军航母进行战略规避训练,在战场上这样的高速急转弯是为了躲避敌人的导弹)

船舶初稳性由很多因素决定,最重要的是重心和稳心相互关系。稳心是船舶浮心曲线的曲率中心,是正浮状态下浮力作用线与小角度横倾时浮力作用线的交点。

其实在船舶设计上所有的船都是一样的,大家重心都在船底,航母也是如此。

航母稳心高重心低,受力倾斜时浮心移动到重心外侧,产生向上的复原力矩,使船恢复到平衡状态。像不倒翁那样,怎么推也推不倒。不过稳心太高也不好,那样横摇周期短晃动频率高。容易晕船,也不利于设备操作,所以会控制在一个适当比例。

为了增强航母的稳定性,航母的动力系统全部安放在船底,其中包括核反应堆、蒸汽涡轮、发电设备、海水淡化设备以及厚重的隔水闸门,这些东西的质量是非常大的,更何况航母的龙骨也在船底,有这些玩意儿压舱底,航母绝对稳如磐石。(福特级航母结构图,该型航母的动力系统和发电系统都在船体最底部)

此外,航母船体宽、干舷高,储备浮力特别大,大倾角稳性(倾斜角度大于10°~15°或上甲板边缘入水)也特别强。所以不管正常航行还是恶劣海况,航母都能保持平衡,减小横摇横倾。

除此以外,航母的底部两侧都设计有水压仓,航母可以通过控制两边水压仓内的水量来灵活调节航母两边的配重。一旦系统检测到航母倾斜的角度过大,就排出侧倾一面水压仓中的水,而另一面水压仓则会注入更多的水,从而帮助航母恢复平衡。(航母两侧的水压仓)

4、各种减摇、平衡设备。

(从这个角度可以看出,航母的抗倾斜能力是非常强的,根本不可能侧翻,炸翻的可能性都几乎没有)

舭龙骨是船舶上普遍应用的减摇装置,位于船舷和船底板连接部分,能增大横摇阻尼,减少约25%~50%的横摇幅度。

这问题在上中学的时候就有过同样的疑问,大型航母甲板宽度可达78米,而吃水线宽度也就在40米左右,这么“头重脚轻”的样子为何不会“翻船”呢?其实道理也很简单,很多人小时候都玩过“不倒翁”,不倒翁能够保持不倒原因就在于其中心很低,不论上部如何摇摆,只要幅度不超出其重心高度就不会倒!严重“头重脚轻”的美国“尼米兹级”核动力航母!船舶设计如何保持稳定性的示意图

在航母船体左右,有一对或多对减摇鳍,像鱼鳍一样减小横摇保持平衡,有固定式、收放式、折叠式三种。减摇鳍受速度影响大,低速时效果不佳。

而对于航母也一样,虽然上层建筑体积庞大,但是大部分是机库、人员居住舱室等,整体质量相对来说并不大,整个船体绝大多数重量集中在水线以下,包括发动机(或者核反应堆)、油库、弹药库、泵阀管道以及用于调整船体平衡的压载水舱等,这样船体的重心就会比较低(一般会保持在吃水线以下),即使上部发生倾斜、摇摆,只要不超过一定的幅度,就不会发生侧翻的现象!英国“皇家方舟号”航母结构剖面图,可见底部基层密布大型设备!美国“福特号”核动力航母的局部结构示意图,底部几层也是布置了大量重型设备!

▲减摇鳍

除了将整个船体的重心设计的尽量低以外,对于类似航母、巡洋舰、大型驱逐舰等水面舰艇,还普遍装有减小摇摆幅度、提升航行稳定性的减摇鳍!这是一种从鱼类身上学习而来的减摇装置,也是“仿生学”应用在军舰设计方面的一个典型案例。当船舶发生摇摆或者海浪的冲击时,通过控制船体底部两侧的减摇鳍装置的动作,可以抵消或者抑制船体的摇摆幅度,进而也可以防止船舶在大的冲击下发生侧翻。船舶减摇鳍结构示意图英国“伊丽莎白女王级”航母系统组成,可见其底部侧面支出了2具减摇鳍翼面

船舷两侧的减摇水舱,在计算机控制下开关阀门,控制压载水横向流动,使其与航母横摇方向相反,周期相同,从而保持平衡。

现代船舶设计是一个复杂的体系,像航空母舰这样的超大型军用舰船,其设计要求和复杂程度远非民用船舶可比,不仅要考虑舰艇本身遭受各种武器打击的能力,还要考虑各种恶劣天气、作战环境的影响,在建造完成后还要进行最大航速下的极限机动性测试、抗爆炸测试等,在经历了“百般蹂躏”后才会交付海军使用!因此,对于航母的抗侧翻能力,完全不必担心!“尼米兹级”核动力航母进行小半径快速机动时发生了大角度倾侧!

此外,控制舵面、移动重物也可以减小横摇。比如法国“戴高乐”号航母上有12块移动金属块,每块重20吨。计算机控制在金属块在滑轨上左右移动,调整航母平衡。

“尼米兹级”核动力航母进行抗爆测试!

▲“戴高乐”号航母上的移动金属块

对于事物的认知都是一个循序渐进的过程,尤其是在军工领域的进步更是不允许有任何的“弄虚作假”,任何一点瑕疵都可能要付出生命、甚至战争胜负的代价!我国经过在“辽宁号”上10年的摸索才真正掌握了航母设计的能力,才有了后续“山东号”等国产航母的快速设计、建造的结果!所谓“厚积薄发”、“积跬步至千里”,相信会有更多的好消息会接踵而来!国产第二艘航母效果图!

舰载机起降、人员设备移动、油料消耗让航母重心不断变化,所以航母上有专人密切关注并及时调整。

欢迎关注“威呐解析”、讨论交流。

综上,通过以上种种方式,航母这个形状奇特的多边几何体保持着强大的平衡和稳性,足以应对各种恶劣海况和敌人攻击,为舰载机提供一个安全平稳的“海上机场”。

(图片源自网络,侵删)

和风漫谈原创文字,欢迎关注。图片来自网络,个人观点,仅供参考。

首先航母在设计中,对于航母的重心有很好的把握,上层部分的外飘看着大,但是大都是空心的外飘箱式结构,而下面看似很窄,但是里面容纳了航母的动力轴系和发动机、锅炉等重量很大的设备,确保了航母始终是重心非常稳定的状态。

额,我不是学船舶相关专业的,专业分析做不到,但是对于这个问题,我可以用物理方面的知识来给大家解释一下,其实不单是航母,其他船只基本上也是“底部窄顶部宽”的倒梯形结构(朱姆沃尔特这个异端除外),那么,为什么这种构造的航母或者其他船只不会侧翻呢?其实这里就涉及到了重心和浮心的问题,因为漂浮在水面上的船只在垂直方向上主要受到重力和浮力的作用(水平方向上的阻力不考虑),当船只静止在水面时,这两个力是作用在同一直线上的,但是方向相反,重力向下,浮力向上,并且重心G(理解为重力的作用点)的位置在浮心F(理解为浮力的作用点)的下面,如下图中的A所示(箭头表示力的方向)当船只在横向的外力作用下向右或者向左倾斜时,重力和浮力的作用点将不再是同一直线上了,如下图中的B、C所示,此时船体在这两个力的共同作用下,就会恢复到正常状态,即恢复到A!

再者说,航母的下面也不见得就比飞行甲板的外飘窄很多,从船头看当然窄了很多,因为船头是尖尖的,要劈开水的阻力的,但是航母的腰线处和船尾处一般宽度就不小了,不分外飘不大的轻型航母甚至在船腰部分达到了舰体和外飘甲板一样宽的程度。比如英国海军的无敌级航母、苏联海军的基辅级航母等。

所以,这就是为什么“底部窄顶部宽”的航母不会侧翻的原因,就是因为船体的重心在下面,而浮心在上面,这样的话在船体倾斜时,在这两个力作用下仍然会恢复到正常的状态,但是,如果船体的重心太高,高过了浮心的话,船体一旦倾斜,那么唯一的下场就是侧翻了,比如像上图中的D所示,当重心在上,浮心在下时,船体只要稍稍倾斜,使这两个力的作用点不在同一直线时,船体就会很快侧翻,因为从图中的受力分析就能看出这两个力的方向只会加大倾斜的角度,直至侧翻!

而像美国那种大型航母,即便是外飘部分很大的,其船体在中部和尾部也已经非常宽了,最宽的比值为40米宽的舰体和70米宽的外飘,两边各多出20米。这20米的箱体结构内几乎是空心的,没有任何设备,被命中后就是一个大窟窿,但是其舰体部分却是大量的水密隔舱构成,而且内部有大量的动力设备和燃料物资,船体重心向下。

因此,不用担心航母会侧翻,其实这种原理有点类似于我们平时玩的不倒翁,不倒翁的重心就是在最下面,所以,我们怎么推有推不倒它,船只也差不多,动力系统、燃料仓等各种轴重都是在水线下面的,因此船只的重心也很低,肯定是低于浮心的,因此,只要不是那种很恐怖海浪,海里的船都没那么容易侧翻!

另外,很多航母在上层建筑中使用了铝合金材料来降低重量,保障重心稳定,比如辽宁舰和002型国产航母,他们都是如此,别看上层建筑巨大,其实由于是铝合金,因此重量很轻,唯一的缺点是铝合金不耐热,但是能够给航母带来很好的航海性能,而在舰体部分则大量采用了特殊的高屈服强度钢材,因此重量较大,也同样保障了重心的稳定。

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