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轮船

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轮机室发动机

轮船指用机械发动机推动的船只,多用钢铁制造。旧时轮船是以蒸汽推动外部明轮桨轮英语Paddle wheel蒸汽船,现代轮船多用涡轮发动机,而内燃机和核动力也成为轮船新的动力来源。。

2016年为止,全世界的商船超过49,000艘,其载重吨位将近18亿吨,其中有28%是油轮、43%是散货船、13%是货柜船[1]。海军也会利用大型船只进行海战或是运输和支援陆上的部队英语sealift。2016年为止,在全世界104个海军当中,朝鲜朝鲜人民军海军有最多水面船只(967)、接着是中华人民共和国中国人民解放军海军(714)、美国海军(415)、伊朗海军(398)及俄罗斯海军(352)。前五十大的海军平均军舰数量为88艘[2]

历史

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轮船一般有狭义和广义两种用法,轮船的推进有两种方式,一种是原始的以人力踩踏木轮推进,一种是以螺旋浆推进。狭义的轮船是指用汽轮机推进的船只,即蒸汽船。1807年,美国人罗伯特·富尔顿建造了世界上第一艘蒸汽机动力的轮船。在这里,轮成为以连续运动代替间歇运动的机械。[3]

近代轮船发展史上,第一艘成功的有蒸汽机动力的蒸汽船于1776年在法国下水。1807年,美国发明家和工程师罗伯特·富尔顿是第一个成功的将蒸汽轮船投入商业使用的人。1865年,中国第一艘蒸汽轮船黄鹄号投入使用[4]

种类

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因为船是依照相同的航行结构原理所设计的,其分类会依其功能来分类(这也是Paulet和Presles建议的分类法)[5]。以下是一些船只设计师大致认同的分类[来源请求]

有驱动动力的拖网渔船围网渔船延绳渔船拖钓船工厂船
电缆船英语Cable layer
拖船挖泥船英语dredger打捞船、引水船英语Pilot boat
浮动旱坞、起重机船载驳船英语Lighter aboard ship
  • 干货船:流动货轮、散货船、货物运输船、集装箱船、驳船,Ro-Ro船、冷藏货船,木材运输船,畜牧和轻型车辆船
  • 液货船:油船、液化气货船、化学物质货船。
  • 客船
定期船、邮轮和特殊贸易客船(STP ships)
海峡渡轮、沿海渡轮和海港渡轮

结构

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在任何大小及用途的船只中,都有一些类似的元素。船都会有船体,也都会有推进系统,早期轮船的推进系统是蒸汽机,现代轮船多用涡轮发动机,有些也用内燃机或是核反应堆。大部分的船只也都有驾驶系统。轮船也会有隔间,货舱,上层建筑,以及锚和绞车之类的设备,不过不一定每艘船都有。

船体

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船体需要承受海上恶劣的环境,图中的是在恶劣天气下的冷藏船

船要浮在水中,其重量需要比船体等体积的水要轻[6]。船只可能只有一个船体(单体船,monohull),也有可能有二个船体(双体船、catamaran)甚至三个船体(三体船英语trimaran、trimaran)。超过三个船体的船很少见,不过有实验曾经用到五个船体。多船体的船,各船体一般会彼此平行,而且会用刚性臂连接。

船体可分为许多部分,船首是船体最前面的部分,许多船会有球状船首龙骨是船体的最下方,从船的最前面延伸到最后面。船体的最后面称为船尾,许多船后方有平坦的区域,称为方艉英语transom (nautical)。常见的船体附件有推进用的螺旋桨,控制方向的,避免船只横摇的稳定器英语Stabilizer (ship)。其他船体的特点和船只用途有关,例如渔具及声纳

船体会考虑许多流体静力学流体动力学的要求,最重要的流体静力学要求是可以支撑整艘船的重量,在载重不均匀分布时也可以维持稳定。流体动力学的限制包括可以承受波浪的震动、气候的影响以及搁浅的影响等。

较早期的船(或是游乐船)可能会用木制的船体。现今的船多半使用钢为船体材料,快速船只可能会使用铝,帆船及游乐船常用复合材料,有些船是混凝土船英语Concrete ship,以混凝土为船体材料。

推进系统

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轮船的引擎室

船的推进系统英语propulsion systems可以分为三类:人力、或是机械推进。轮船一般是指机械推进的船只。

机械推进系统一般会包括马达或是引擎等动力源,动力源会带动螺旋桨,也有些会带动叶轮波浪推进鳍。最早期的动力源是蒸汽机,后来就改用两冲程循环四冲程循环的柴油引擎、舷外马达,较快的船会使用燃气涡轮发动机军舰破冰船会使用核能船舶推进器英语Nuclear marine propulsion,目前也尝试用在商船上,例如NS Savannah英语NS Savannah

最传统的螺旋桨有固定螺距和可控螺距螺旋桨,后来也有一些变化,例如反向旋转和喷嘴式推进器。大部分的船只只有一个推进器,不过有些大型船只会到四个推进器,加上横向推进器英语bow thruster,以便在港内航行。推进器是透过推进轴和主引擎连接,若是中速或是高速的引擎,会加上减速箱。有些现代的轮船有柴电动力系统,船上有发电机产生电力,再用电力带动马达及推进器。

转向系统

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渡轮的舵和螺旋桨

若船舶的两侧都有推进系统,例如一些外轮船[7],就不需要转向系统。不过大部分用单一推进器驱动的船,就需要有转向系统。最常见的转向系统是,是在船尾水下的平面。在船要转向时,会转动舵,以产生侧向力。舵可以透过舵操纵杆英语tiller、手轮或是电子油压系统来驱动。自动驾驶系统会结合机械的舵以及导航系统。有时会用导管螺旋桨英语Ducted propeller来转向。

有些推进系统本身都有可转向的特性,例如舷外马达英语outboard motor船首推进器英语bow thruster以及Z-Drive船英语Z-drive

货舱、舱室及上层建筑

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大型船只会有多个甲板和舱室。渔船和货船通常具有一个至多个货舱。大型的轮船会有轮机室、厨房英语galley (kitchen)及许多的工程舱。船上会有储存油料、机油及淡水的油槽及水槽。压载舱可以调整船的俯仰,并且调整其稳定性。

上层建筑(船艛建筑)是在甲板上方的结构。在现代的货船上,上层建筑一般是在船的后方。在客船和军舰上,上层建筑会延伸到船的前面。

设备

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船舶上的设备会受到许多因素的影响,例如时代、设计、航行区域以及用途。以下是一些常用到的设备:

  • 桅杆可以安放天线、导航灯、雷达应答器、雾信号灯,以及法规上要求的类似设备。
  • 锚泊索具英语Ground tackle设备包括锚泊绞车、锚机以及锚。船在浅水中系泊英语mooring (watercraft)时会用到锚,一般会用绳索或是链条和船连接。较大型的船只会用锚链筒英语hawse pipe来操作链条。
  • 货物设备包括有起重机吊臂,可以用来装货以及卸货。
  • 安全设备包括有救生艇、救生筏(Life raft)及救生衣,是在紧急情形时使用。

设计考量

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流体静力学

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船浮在水面的水位,会使船舶排开的水重量等于船舶的重量,因此船舶的重量会等于水的浮力。当船吃水的深度变深时,船的重量不变,但其船体排开的水会因此变多,因此浮力会增加。若船的载重平均分配,船的浮力也会沿着船长及船宽均匀分布。船舶的稳定性会考虑其水力静力英语Initial stability,以及在移动、横摇及浮仰时,以及受到风和浪影响时的船稳定性英语Ship stability。船若有稳定性问题,可能会造成异常的横摇及浮仰,甚至会造成倾覆和下沉[来源请求]

流体动力学

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德国战列舰Schlesien的鸟瞰图,其中有39°的开尔文船波,是船舶通过水中的特征
船舶沿着三个轴的运动: 1. 升沈,2. 摇摆,3. 纵移,4. 回转, 5. 俯仰,6. 侧摇

船在水中的前进会受到水阻力的影响。阻力会分为几个成分,主要的是水在船体的阻力以及造波抵抗力英语wave making resistance。为了降低阻力,提升船的速度,需要减少船的浸水面积,使用可以产生较小振幅波浪的浸没式船体。因此,高速的船往往会有较斜的船身,其船舶附体也会较少及较小。若定期维护船体或用生物附着涂料,去除船体上附着的海洋生物及藻类,也可以减少水的阻力。球状船首等先进设计也可以减少波浪阻力。

有个观察造波阻力的简单方式,是看船体和开尔文船波之间的关系,若船的速度比浪的传播速度慢,浪会快速的在船边消散。若船头产生浪的速度比消散的速度要快,其振幅会增加。因为水无法以够快的速度离开船体,船体需要越过或穿过船首波浪,因此随着速度的上升,其阻力会依指数函数上升。

船体速度英语hull speed的公式如下:

若考虑米制单位,速度如下:

其中L为在水中的长度,单位是英尺或米,而船体速度的单位是(每小时1海里)。

若船的速度超过船体速度的0.94倍,船会越过大部分的bow wave英语bow wave,船体只被二个浪的浪尖所支持,在水中会略为沈降。若船的速度超过船体速度的1.34倍,浪的波长其实比船身还长,并且船尾不再受到尾流的支撑,因此船尾会往上,船头会上升,船体会越过船本身产生的船首波,阻力会开始快速上升。有可能以超过船体速度1.34倍的的速度来驱动排水型船只,但其成本可能会过高。大部分的船只都会在船体速度以下的速度行进。

若是有足够资金的大型项目,可以用船体测试池来测试船体阻力,或是透过计算流体力学的工具来计算。

船也会受到波涛涌浪的影响,也会受到天气的影响。这些造成的船只运动会影‵响船上的设备及乘客,最好可以加以控制。侧摇的运动可以透过压载舱或是稳定器英语Stabilizer (ship)来控制。俯仰很难控制,而且若是船首浸入海浪中(称为拍底,Pounding),会格外的危险。有时为了使剧烈的侧摇或俯仰可以停止,船只需要改变速度或是航向。

透过21世纪的科学研究证实[8][9],若考虑分叉点记忆英语bifurcation memory的影响,有时船舶的稳定性会快速下降。有影响的有有机动能力强的船舶,飞机和受控水下航行器,这些在特定应用下的稳态时会设计为不稳定。在设计船只以及在临界条件控制时,需要列入考虑。

延伸阅读

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[在维基数据]

维基文库中的相关文本:清史稿·卷150》,出自赵尔巽清史稿

参考资料

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  1. ^ Hoffmann, Jan; Asariotis, Regina; Benamara, Hassiba; Premti, Anila; Valentine, Vincent; Yousse, Frida, Review of Maritime Transport 2016 (PDF), United Nations: 104, 2016 [2017-09-15], ISBN 978-92-1-112904-5, ISSN 0566-7682, (原始内容 (PDF)存档于2019-02-09) 
  2. ^ Editors. Total Navy Ship Strength by Country. globalfirepower.com. 2016 [2017-02-26]. (原始内容存档于2018-01-25). 
  3. ^ De Rebus Bellicis (anon.), chapter XVII, text edited by Robert Ireland, in: BAR International Series 63, part 2, p. 34
  4. ^ 无锡人设计了“亚洲第一巨舰”定远号. [2020-11-26]. (原始内容存档于2021-01-26). 
  5. ^ Paulet, Dominique; Presles, Dominique. Architecture navale, connaissance et pratique. Paris: Éditions de la Villette. 1999. ISBN 2-903539-46-4 (法语). 
  6. ^ Boats – Why do they float?. Environmental Involvement for Young People. [15 November 2012]. (原始内容存档于2014-09-21). 
  7. ^ 几乎所有单引擎的外轮船,外轮没有加上离合器,是永久性的耦合,因此无法用来转向。只有一些有分离引擎的船才可以转向。不过英国皇家海军为了要有较好的操控性,自1970年代起开始使用带桨的柴油电动港口拖船
  8. ^ Feigin, M I. Проявление эффектов бифуркационной памяти в поведении динамической системы [Manifestation of the bifurcation memory effect in behaviour of dynamic system]. Soros Educational Journal (journal). 2001, 7 (3): 121–27. (原始内容存档于November 30, 2007) (俄语). 
  9. ^ Feigin, M; Kagan, M. Emergencies as a manifestation of effect of bifurcation memory in controlled unstable systems. International Journal of Bifurcation and Chaos (journal). 2004, 14 (7): 2439–47. ISSN 0218-1274. doi:10.1142/S0218127404010746. 
  • 现代汉语实用词典编委会. 現代漢語實用詞典. 南方出版社. 1996. ISBN 7-80609-126-2. 
  • 现代汉语词典审定委员会. 現代漢語詞典(第5版). 商务印书馆. 2005. ISBN 7-100-04385-9.