互动科普

船舶是人类生活中必不可少的交通工具。很早以来，人们就开始乘船往来于各个岛屿之间。目前，国际贸易总运量的2/3、中国进出口货运总量的90%以上，都是利用海上运输。专家认为，大型油轮的能源效率甚至比飞机高1000倍，为了保护地球环境，推进节能减排，有必要进一步提高船运的地位。

通常，船舶的用途不同，所采用的技术也不相同。现在，研究人员正在积极开发面向未来的新一代船舶。让我们一起来了解一下“今日之船”与“未来之船”在技术方面有什么不同吧。

首先，第一个关键词是“高速化”。前文曾介绍过的双体船及水翼船，都属于追求“更高速”的超高速船。通常，我们把航行速度高于35节（约65公里/小时）的船称为“超高速船”。

世界上最大的客船

“海洋绿洲”（Oasis of the Seas）号，是世界上最大最豪华的邮轮，吨位高达22万吨，堪称“海上巨无霸”。吨位是用来表示船舶大小的重要指标，但它并不是指船舶的重量，而是指船舶的容积，是由船体总容积按照特定公式计算得出的。“海洋绿洲”号的造价高达14亿美元（2006年），是世界上最昂贵的邮轮。它拥有游乐园等各种豪华娱乐设施，甚至可以举办滑冰表演。

要实现“超高速”，必须“降服”波浪

我们大概都有这样的感受：在游泳池里行走，要比在陆地上行走困难许多。这是由于水中的阻力远远大于空气中的阻力的缘故，而作用于运动物体的阻力，与周围流体的密度成正比。水的密度大约是空气密度的800倍，所以我们在水中感到的阻力，也是空气中阻力的800倍。类似地，船舶在水中航行，也必须要克服巨大的阻力，而如果想进一步提高航行速度，还必须设法减少这些阻力。

船舶遇到的阻力可以分为三类。第一类，就是在行船时，船体表面与水之间产生的“摩擦阻力”。第二类，船舶在航行中会掀起“船行波”，这些波再作用于船体，使推动船舶前进的一部分能量被白白浪费，就是所谓的“兴波阻力”。第三类，是船尾的涡流产生的阻力，称为“黏压阻力”（或“涡流阻力”），船体越宽这个阻力就越大。

兴波阻力，是船舶高速航行必须要克服的一大障碍。在船舶低速行驶时，兴波阻力较小，影响不大；但当船舶高速航行时，兴波阻力会急剧增大。当船舶超过某一速度（因船而异）后，即便再增大发动机的输出功率，也无法提高船速。这种现象称为“兴波阻力墙”，是每艘船都会遇到的现象。因此，减少兴波阻力、降低“兴波阻力墙”的影响，对实现船舶的超高速航行至关重要。

超高速船采用了各种减小兴波阻力的技术，而前文所介绍的球鼻艏，就是可以减少兴波阻力的构造之一。

把瘦长的船连接到一起，或者让船体浮在水面

减小兴波阻力的方法之一，就是缩减船体宽度。专家告诉我们，船体横剖面急剧变化的地方，所引起的波浪也比较大；如果船形瘦长、横剖面变化缓慢，就可以减小兴波阻力。但是，船体太窄了也不行，那样一来，船的稳定性就会变差，很容易被横浪打翻。

双体船则非常巧妙地解决了这一难题。典型的双体船由两条瘦长的单体船（片体）组成，上部用甲板桥连接。前文所介绍的“Natchan Rera”号的船形如此瘦长，就是减小兴波阻力而高速航行的“秘诀”。

此外，超高速水翼船的应用也非常广泛。它的水翼没入水中，高速航行时产生的浮力可以把船身抬离水面航行。因为整个船体完全脱离水面，只有小小的水翼留在水中，也就极大地减少了来自水的阻力。在高速航行时，它所需的发动机功率仅为普通船舶的1/3。

也许有人会担心，船浮在水面上行驶，能平稳吗？其实，全浸式水翼船可以像飞机那样控制水翼，行驶起来非常平稳，根本不用担心。比如，某著名飞机制造商开发的全浸式喷射水翼船，简直就和飞机一样，通过多个传感器采集信息，并用计算机自动控制水翼动作，从而保持船体姿态，减少摇摆。

减小阻力也是节能的关键技术

近年来，随着原油价格上涨，开发更高效更节能船舶的需求越来越大。要想“高速”，就必须消耗更多的能源，而这与“节能”的要求是背道而驰的。不过，如果能够减小阻力，就能同时实现“高速”和“节能”，也即消耗同样的能量，能够获得更快的速度。

“空气润滑系统”是一项非常有趣的技术，适用于货船而不是客船。它从船底强力排放空气，气泡会沿着船底流向船尾，并在船底与海水之间形成气泡层，从而增强了与海水的“润滑”效果，减小了船体与海水之间的摩擦阻力。

世界上第一艘采用了“空气润滑系统”的船，是日本的“Yamatai”号，与传统船舶相比，它可以节能10%。那么，是不是所有的船将来都会装上“空气润滑系统”呢？答案并非那么简单。原来，向船底吹送空气同样也要消耗能源，所以，只有那些吃水（船没入水中的部分）浅、船底宽的船，在装上这套系统后才能取得很好的效果。也就是说，这项技术只适合特定的货船。

（本文发表于《科学世界》2013年第3期）