舰艇快速性：静力学解析与应用

什么是舰艇的快速性？图7-1展示了一艘舰艇劈波斩浪、在海面上高速驰骋的景象，这个景象就是舰艇的快速性带给人们最直观的感受。人们往往直观地将舰艇快速性与舰艇所能达到的最大航速联系起来。

图7-1　高速航行的舰艇

舰艇在海洋上航行时，不可避免地会受到海水与空气的阻碍，这种阻碍表现为舰艇阻力。要使舰艇维持一定的速度航行，舰艇上必须有能够产生推力的设备，这种设备是舰艇推进器，而推进器工作消耗的能量又由舰艇的主机来供给。所以舰艇快速性涵盖舰艇阻力和舰艇推进两部分的内容，对舰艇快速性的理解也可以分别从舰艇阻力和舰艇推进的角度进行。从舰艇阻力的角度来讲，一定排水量的舰艇，在既定的主机功率条件下能达到的最大航速越大则快速性越好，因为此情况下舰艇的最大航速越大意味着舰艇的阻力性能越好；从舰艇推进的角度来讲，对于既定的舰艇，达到一定航速所需要的主机功率越小则其快速性越好，因为此情况下舰艇消耗的主机功率越小，舰艇的推进效率越高。

一般决定一艘舰艇快速性的因素主要有舰艇的阻力、主机的输出功率和舰艇推进器水动力效率。

从受力的角度看，舰艇航行受到阻碍舰艇运动的阻力，为了克服舰艇的运动阻力，舰艇推进器就要产生推力，而推进器又是由舰艇主机带动工作的，因此在舰艇航行过程中存在力的传递与平衡关系（见图7-2）；从能量的角度看，舰艇航行呈现出巨大的向前运动能量，这种能量从根源上看是由舰艇主机供给的，但舰艇主机最初提供的是旋转能量，而舰艇推进器恰好起着将主机输出的旋转能量转化为舰艇前进运动能量的作用，因此在舰艇航行过程中也存在能量的转化与平衡关系。无论是力的传递与平衡还是能量的转化与平衡，其中的平衡状态都会受到舰艇航速的巨大影响，船体的阻力、主机的输出功率、推进器的水动力在舰艇前进的过程中构成了相互联系、相互影响的有机整体。

图7-2　舰艇航行中的船体阻力与推进器推力

为了使舰艇前进，主机要输出功率，一般可称之为轴功率，用符号PS表示，如图7-3所示。这个轴功率经过传递，最终转化为舰艇前进需要的有效功率，用符号PE表示。有效功率PE直接与舰艇的航速和该航速下舰艇的阻力相关，即

式中　vs——舰艇的航速；

R——舰艇的阻力。

若按照国际单位制，航速vs的单位应采用米/秒（m/s），舰艇阻力的单位应采用牛顿（N），则有效功率的单位为瓦特（W）。在实际使用中，舰艇的航速主要用节（kn）表示，有

图7-3　舰艇航行中船体需要的有效功率与主机轴功率

舰艇前进过程中，推进主机的输出功率为轴功率PS，但舰艇前进需要的有效功率为PE，二者的比值称为推进系数，用P.C表示，即

P.C反映的是舰艇前进需要的有效功与推进主机所做总功的比值，是一个效率的概念，很显然，P.C不可能大于1，且P.C越大越好。

不同类型的舰艇，有不同的使命任务、不同的外形设计、不同的排水体积，因此要分别配置合适的主机和推进器，并且使它们处于良好的匹配状态，能高效率地推船前进，从而能满足不同的快速性要求。

下面简要列举几种不同舰艇的主尺度和航速数据（需要注意的是所给出的数据为近似数值）如下。

美国“乔治·华盛顿”号核动力航母（见图7-4）：满载排水量约为104200 t，总长约为332.8 m，水线长约为317 m，甲板最大宽度约为76.8 m，水线宽约为40.8 m，最大航速超过30 kn，推进功率约为194 MW。(www.xing528.com)

图7-4　美国“乔治·华盛顿”号核动力航母

英国45型驱逐舰（见图7-5）：满载排水量约为8700 t，总长约为152.4 m，舰宽约为21.2 m，吃水约为5.7 m，最大航速超过32 kn，推进功率约为40 MW。

图7-5　英国45型驱逐舰

美国LCS-1“自由号”滨海战斗舰（见图7-6）：满载排水量约为3500 t，总长约为115 m，舰宽度约为17.5 m，吃水约为3.9 m，最大航速约为47 kn，推进功率约为72 MW。

美国“萨克拉门托”（Sacramento）级综合补给舰（见图7-7）：满载排水量约为53000 t，总长约为242.3 m，舰宽约为32.6 m，吃水约为11.9 m，最大航速约为26 kn，推进功率约为75 MW。

德国214型潜艇（见图7-8）：水下排水量约为1860 t，艇长约为65 m，艇宽约为6.3 m，水下航速约为20 kn，水面航速约为12 kn。

俄罗斯“北风之神”战略导弹核潜艇（见图7-9）：水下排水量约为24000 t，艇长约为170 m，艇宽约为13.5 m，水下航速约为30 kn，水面航速约为15 kn。

图7-6　美国LCS-1“自由号”濒海战斗舰

图7-7　美国“萨克拉门托”级综合补给舰

图7-8　德国214型潜艇

图7-9　俄罗斯“北风之神”战略导弹核潜艇

瑞典“盾牌”级导弹快艇（见图7-10）：满载排水量约为274 t，总长约为47.5 m，艇宽约为14.3 m，吃水约为1.0 m，静水最大航速约为60 kn，三级海况下最大航速为45 kn。

图7-10　瑞典“盾牌”级导弹快艇

本课程对舰艇快速性的研究，主要是从舰艇航行原理的角度来探讨舰艇的阻力性能和推进器的水动力性能，而不涉及主机的工作原理。