互动科普

未来的快船

David L．Gilcs *

远洋货船的新颖设计有可能在不久以后使其速度提高一倍。

 （有缺失）

成正比的．然而，船只的最大速度也会因船壳的体积而异．因此，从弗劳德时代起，造船技师一直是用速长比(以节表示的速度除以以英尺表示的长度的平方根)来描述不同大小的船只的相对性能．

弗劳德指出了船只的速长比一般都是略小于海浪(其遘教比为1．25)的速长比的几个原因。他指出，最重要的是系留浪所施加的产生波浪的阻力(现称为波阻或压阻，waveorpressuredrag)．尽管从理论上讲，700英尺长的现代远洋货轮其航速应能达到34节，但事实上其在静水中的临界速率却仅为23节左右，其速长比为0．87．按照弗劳德的观点，在来自系留浪的压阻变得重要的情况下的速度(在上例中为23节)代表着造船技师不敢超越的可达到的顶点．如今，大多数传统船舶的设计者也把这一限度看作确定不变的速度极限．事实上，传统的船只不可能在不花费过量的动力和燃料同巨大的有关水阻力作斗争的情况下行驶得更快．

然而，传统的船舶并非唯一的选择。几个世纪以前，北欧的海盗就发现了一种方法，它能降低压阻，提高船的航速其实，他们只是使其船舶的形状变得较为细长．这些长船所产生的波浪较小，因而其航速可以比船壳体积和船帆面积虽与之相同但船形较为短宽的船只更快．长船的稳定性比宽船差，运载力也比后者要小．然而，在以后的岁月里，造船技师继续为军舰和客船设计狭窄的船壳．在这样做的过程中，他们发现了公海上的另一个速度极限——航速超过30节时，大型船只的螺旋桨便开始出现涡凹现象，也就是说，船只前表面的压力变得很低，使海水足以沸腾起来，于是就引起了强烈的足以使船壳破裂的振动．

打破速度极限

面对着压阻和涡凹现象，在许多年的时间里，造船技师一直认为，集装箱船的航速注定会很慢。事实上，为了平衡大而重的载荷，货船的船壳必须有相当大的相对于长度的宽度。因此，几乎没有一个造船技师打算为货船创造速度更快的船壳，或者是为之研制新颖的推进装置。于是便有了这样的定论：由于远洋货轮跑不快，它就没必要跑快。

造船技师所面临的这一僵局与本世纪50年代的飞机设计师们面对的差不多。当时，飞机设计师们发现，随着飞机的速度逼近音速，它所遇到的阻力也大大上升了。此时，飞机推进系统的效率也降低了。然而，空气动力学家没有向挫折低头，而是努力减弱压阻效应，并积极发挥大胆踏人未知领域所能换来的优势。事实证明，他们找到的解决办法——喷气发动机外加新颖的机翼设计一一是理想的：高空的低空气密度使得螺旋桨和活塞发动机失去了用武之地，但喷气发动机却能在那里运转自如。即使在飞机的航速逼近音速的情况下，从新型机翼上流过的较为稀薄的气流所产生的压阻也较小。

在现代航海技术领域，也有两个新生事物，它们在航海领域所起的作用堪与航空领域的喷气发动机媲美，这就是燃气轮机和喷水机(waterjet)。上述两项新发明已应用于许多小型客船和汽车渡轮．现在似乎可行的是，将这两种新型装置按比例扩大到一定的大小，使之能以高速驱动大型船舶。诸如通用电气公司和罗尔斯一罗伊斯公司等公司如今正在研制适宜的燃气轮机，它是由同类型的航空发动机、船用发动机和发电机改制成的。与同重量、同体积的船用柴油发动机相比，这种最新型的燃气轮机无需多用燃料就能产生大得多的动力。此外，燃气轮机每马力所排放的氧化硫仅为柴油发动机的4，氧化氮仅为柴油发动机的5。

喷水机是仿照水电工业所采用的大型水轮发电机制成的。在水轮发电机中，流动的水驱动一台发电机。而在喷水机中，这一过程则被颠倒过来了——一台独立的发动机驱动水轮机的叶片，从而产生出推动船只的强劲水流。喷水机用于高速巡航很理想，因为和螺旋桨不同的是，喷水机的效率会随着速度的提高而提高。此外，喷水机高速运转时也不会产生涡凹现象，因为这种用喷水机驱动的船下面的压力足以使水上注到喷水机中，并能防止喷水机叶片上形成气泡。

若是上述新技术只是将传统船舶推入较深的水域，那么投入更大动力的领域就不太值得。因此，造船技师眼下正在忙于试验三种可能的船壳设计方案，和现代飞机的机翼一样，这类船壳设计足以使船所遇到的阻力减低到能够使船只得益于喷水机的水平。一些造船技师希望能将双体船(又叫多体船)放大，双体船壳的汽车渡轮和客轮已在避风水域(shelteredwaters)~tJ下佳绩，其速长比达到了2．5左右。这类设计在一些方面就等于是海上的“飞机翅膀，由于其表面积较小，重量较轻，所遇到的阻力也就比其它任何一种类型的船壳都要小。

多体船由两个或更多的狭窄船体构成，上面用甲板跨接起来。双体船虽然使船的稳定性得以提高，但却容易分裂开，尤其是在波涛汹涌的外海水域。而其狭窄的船身的有限浮性还意味着这类船舶必定很轻，这必然只会进一步损害船的强度。由于上述原因，到目前为止尚不清楚的是，多体船能否在巨浪中载运大量货物。

第二种更为传统的建造速度更快的船舶的方法需要放大传统的。驱逐舰式(destroyer)船壳，亦称。船身细长的单体船壳。由于船身既狭又轻，这类船舶航行时的压阻最小。据笔者测算，一艘空载的900英尺长的狭长船身单体船在静水中的航速可达33节左右，其速长比给人以深刻印象，达1．1。然而，由于这类船只船身太狭长，其浮性和稳定性都很有限。因此，许多专家担心，船身狭长的单体船极易左右摇摆翻滚，尤其是在载有高高的一堆堆集装箱在波涛汹涌的海面上航行的情况下。

事实上，狭长的船身的单体船对气候的依赖性很强。尽管这类船只在静水中能够达到相当高的速度，但大浪几乎可以使之停滞不前。要在30英尺高的波浪中破浪前进，这类船只所需要的动力大得到了螺旋桨无法提供的地步。而速度和由此而来的狭长船身单体船下的压力不足以证明应当采用喷水机。由于这个原因，笔者认为，按航空学的术语来说，狭长船身的单体船就等于是以透平驱动螺旋桨发动机(亦即所谓的。螺桨发动机)为动力的飞机——两者的速度都太低而无法得益于真正的喷气(水)机，并且都很容易受气候影响，这使得它们用于商业用途不大可靠。

就货船的第三种新式船壳设计——处于中试阶段的单体船(即。快船)——而言，速度实际上是所有条件下的可靠性的关键。一家名为。快船大西洋(FastShipAtlan．ic)的公司希望能从2000年起以这种船舶从事欧洲和美国费城之间的航运服务。通过与麻省理工学院海洋工程系的合作，研究人员正在设法弄清船壳为这种形状的货船在海上和商业上将具有怎样的出色性能。

其实，上述这种船壳的基本设计并不是什么新东西。目前，快船大西洋公司正在洽购来自笔者的公司桑尼克罗夫特·贾尔斯公司(Thornycroft，Giles&Company)的专利，并且我们已在较小的海船和客船上和几个船模试验池中测试过这种船壳。快船有一个深深的V字形的有利于劈波斩浪的船头，一个宽而浅的船尾，船尾在水下有一个略为中凹的剖面。当快船以约为1的速长比航行时，这一流体动力曲面便在船尾处产生出一个第二重人造波峰，该波峰有助于抬高船的尾端，从而减小船尾的下坐幅度。第二重浪还能缩短波谷，因而能够遏制来自系留浪的压阻。

由于第二重浪会在船壳下产生越来越大的压力，它也能极度缩小海洋大浪所产生的阻力。因此，这种形状的船壳所产生的高效升力也使快船成为喷水机的理想应用对象，并使得快船的稳定性能够随着航速的上升而提高。相反，传统的船只则往往会颠簸、横滚和左右摇摆，并受到各种猛烈撞击船壳的作用。从理论上讲，快船应能保持速度和稳定性，并在不发生猛烈撞击的情况下达到超过2的速长比。然而，实际上，现有的螺旋桨推进系统使得750英尺长的快船的最大航速被限制在45节左右，并使得其速长比只能达到1．5左右。

海上的波音707飞机

由于稳定性良好，即使是在恶劣的气候条件下，快船也很容易保持速度。因此，笔者满怀敬意地提出，快船就是航海领域的波音707——为世界提供广泛、经常而不受坏天气影响(因为它有能力高飞在风暴之上)的服务从而引来喷气机时代的客机。强风和巨浪能使普通的集装箱船的航速从23节降低到17节左右，从而使得横越大西洋的时问比通常情况下增加两天。在同样的条件下，船身狭长的单体船的航速会从33节降低到29节左右，因而横越大西洋需多用半天以上．快船的航速通常为40节左右，因而几乎不会多耗时间．在海洋大浪的影响下，快船的航速最多降低2，因而横越大西洋需要多耗的时间不会超过2小时。

和早期的波音707一样，快船的造价最初或许会很昂贵．要使船速达到传统船舶的两倍，快船就需要获得巨量动力，因而费用会大大增加。然而，尽管要多花钱，但早期的乘客仍然成群结队地涌向喷气式客机，因为这类飞机的速度更高，安全可靠性更强，服务次数更多，更为舒适。这些好处引来了大量乘客，以致于很快收入就超过了增加的投资。结果，喷气式客机的机票费降得比速度较慢的螺旋桨发动机驱动的客机预计机票费还低。因此，快船的支持者相信，这类船只的安全可靠性、快速和利润率同样将会抵消增加的费用。正如同喷气式客机一样，快船的发动机、船壳材料及其它方面的技术改进将不断降低其成本和费用。

然而，为了有助于确保快船的竞争率，快船的制造商目前正在采取其它几项步骤：首先，他们正在研制高效装卸系统，这类系统应能增加快船的航次和提高其利润率。此外，这类系统将使快船可以每个航次仅停靠一个港口。结果，快船上的所有集装箱均能立即装卸，并避免在中途口岸耽搁。

这些改进应能使欧美城市问的总运送时间减少到1周或更短(在目前情况下，欧美城市间的这类货运要花14~35天才能抵达目的地)。此外，快船还将拥有卡车和火车一类能够缩短日程的辅助工具，这样码头工人就可以利用上述设备装卸进出口货物．这样一个无缝运输网络会使总的门到门运输费用降低到接近目前的集装箱运输的水平．

海运新技术和岸上新作法应给海运业带来种种改进，它们应能有助于全球经济在21世纪实现其全部潜力。这些改进还很有可能使船舶恢复其作为世界贸易驱动力的地位。此外，快船及其未来的姊妹船很有可能在今后50年内给环球货运带来种种好处，它们将毫不逊色于过去半个世纪里工程技术人员发明了空运人员和货物的新技术之后所带来的好处。

图1 如同本图所呈现的这艘船一样，快船有可能早在2000年在美国和欧洲之间渡运货物。由于船壳设计创新和推选系统功率强大，快船的航速可达传统货船的两倍。因此，重要的货物应能在数日而不是数周之内横跨大西洋。

图2系留浪是在船只驶过水域的过程中产生的．在一定的速度下，系留浪会变得与船只本身一样长．若是船只努力提高航速，系留浪就会延长，船就会。下坐．系留浪给船壳施加的阻力非常之大，以致船既无法上升到波脊之上，也无珐跑在波浪的前面，却要下沉到波谷之中．事实上，船只的最大速度取决于其长度和形状．一般说来，形状较狭长的船只航速较快．在船的长度相同的情况下，较狭的单体船比传统单体船航速要快，因为它的排水量较小．换句话说较细的单体船所能达到的速长比较高．快船能够达到更高的速长比，因为其船尾有一个中凹的沟槽．这一流体动力曲面能够产生二次波浪，它能缩短头次系留浪的长度．

图3算流体动力学——造船技师从航空每域借用的一种技术方法—显示出沿船壳分布的压差·较低的压差表现为较低的阻力和较高的速长比．双体船(上)的船壳狭长而轻便，几乎未表现出压差．快船(中)方法的船壳不仅宽得多，同时也重得多，其所表—现出的压差为中度．传统的单体船(下)则表现出巨大的压差．

图4]虽说逆浪能使任何船只的航速降低，但相比之下，快船所受到的影响要小得多．例如，当足够的典型的大西洋海浪高度达到5米时(at线所示)，集装箱船的航速就要降低6节，并且要延迟两天才能到达(蓝线所示)．在同样情况下，船身细长的单体船航速要降低4节。并且要延迟半天多才能到达(绿线所示)．然而，快船的航速下降幅度不会超过2％，这样其到达时间最多延迟2小时(红线表示)．

图5传统的螺旋桨无法使船的航速达到30节以上，因为它们会开始产生涡凹现象一一船头表面的压力降得过低，于是这里的水便开始沸腾而激起有害的振动.相反，喷水机的效率实际上会随着速度的上升变得更高.目前的喷水机(见照片)的规格约为快船所需装备的60%.快船的船头不会产生涡凹现象，因为船壳下越来越大的压力会迫使水上注到保持着高压的喷水机中，从而使之无法产生起泡沸腾.