受损航母的稳性研究

洪伟宏

(海军舰船办，北京 100073）

受损航母的稳性研究

洪伟宏

(海军舰船办，北京 100073）

稳性是影响航母作战能力的重要因素之一。航母的稳性设计包括水密分舱设计、舷侧防护系统。本文研究了美国海军受损航母稳性要求，并以“约克城”号航母为例进行分析，并对不同进水情况下的稳性进行了建模计算，得出了针对性的处置方法。

航母;稳性;受损

0 引言

在20世纪不到50年的时间里，航母从作战价值有限的辅助战舰变为最重要和最有价值的战舰。而航母在受损情况下的稳性是评判其运行和作战能力的重要参考标准，水线以下遭遇损毁时的稳性尤其受到关注。本文研究航母在受损情况下的稳性，计算结果以回归方程和曲线图的形式给出。

1 受损航母稳性的要求和标准

航母是舰队中最重要的舰船，但与其他舰船一样，稳性和浮力受外界因素影响。可能遇到的危险包括船体破损、内部舱室进水和风浪等。

1.1 受损航母稳性要求

受损航母稳性要求并不能保证航母一定不会沉没，但能增加受损航母的生存能力。

1）稳定性影响因素

对称进水。出现对称进水时，航母面临的基本问题是稳心高度的变化。由于影响稳定的致命因素是稳心高度的减小，当航母机库甲板等位置出现大量进水时，航母极易倾覆。

非对称进水。若纵隔壁未受损，航母只有一边进水，此种情况即为非对称进水。非对称进水对于有舷侧保护系统的航母尤其危险，因为它会引起很大的倾斜力矩，继而引起突然和不受控制的横倾，同时大幅减小航母的复原力臂。这种非对称进水引起的大倾斜角会使航母极易受到鱼雷攻击:航母存在大角度倾斜时，在高的一端，舷侧保护系统以下部分会成为鱼雷的攻击对象，在较低的一端，舷侧保护系统以上的部分会面临同样的处境。如果这种状况无法迅速改变，就需要在出现沉船或翻覆危险前弃舰。

风浪。受损航母在受到风浪影响时，其稳性分析以复原力臂曲线和风压横倾力臂曲线为基础。所示，图1给出了受损航母稳性要求，其中复原力臂线与风压横倾力臂线之间的面积用A1和A2表示。

图1 受损航母稳性要求Fig.1 Requirement of stability for damanged aircraft carrier

由风浪对受损航母造成的风压横倾力臂用以下公式计算:

其中，Vwind为受损航母所处环境的风速，kn;A为垂直受风面积，ft2;l为从半吃水深度到航母受风面积中心的距离，m;Δ为排水量，t;θ为倾斜角，(°）。

受损航母能够无颠覆风险承受的风速为

2）对稳性的基本要求

舰船进水会增加船体重量或减少舰船储备浮力，从而影响舰船横向和纵向稳性，增加舰船吃水深度、纵倾和横倾。对航母稳性的基本要求是:

航母水密分舱进水并出现新水线时，会因不对称进水出现横倾角，要保证此横倾角不会导致非水密开口进水;横倾斜角不能过大，以保证舰内的物体和各种设备保持原位，否则航母将无法运行;要有足够大的稳心高度 (GM）和稳性，保证航母不因风浪翻船。总之，航母必须能快速而有效地减小甚至完全消除倾斜角。为此，航母通常装有独立于压舱系统的交叉连接的管道，连接船舷侧舱、双层底舱和舷侧保护系统的进水空间。

另外，作战能力对稳性的要求基于最低的进攻和防御能力。涉及的因素包括快速倾侧能力和倾斜度纠正能力。

以下为航母发生进水事故时需要维持的基本稳性标准。这些标准确定了航母维持全部或部分作战能力的极限倾斜角度:

倾斜角在5°之内，舰载机起飞降落均不受限制;倾斜角超过8°时，飞行活动要受到限制;倾斜角 (横向和纵向）不超过5°为安全角度。航母压载舱能够快速有效地纠正小于20°的倾斜;倾斜角不大于12°时，除直升机作业之外的其他活动可以进行;任何舰载设备必须能在航母发生不大于15°(横向或纵向）的倾斜时均具备完全作战能力;任何时候超过20°的倾斜角都非常严重，倾斜角超过20°时，允许航母撤出作战行动或执行弃舰命令;特定情形下，为保持航母生命力，舰载设备和机器需要在20°～25°的倾斜角范围内仍然保持作战能力。

1.2 航母稳性设计

航母的设计要求能够在经受损毁时还能充分维持航行和作战能力。因为该能力需求对航母的尺寸、舰形、布局和水密分舱的数量有很大影响，所以在航母设计的最初阶段就应该确定这一设计需求，并根据这些需求确定水密分舱的长度和布局。

根据美国国防部相关文件，航母应该满足如下要求:

水线长大于92 m的航母，无论在何处出现损毁，长度达到水线长的15%或21 m(选较大的），航母都需要保持充分的稳性。这种损毁程度通常会影响3～4个水密分舱;在因爆炸引起横向传递的损毁时，损毁会达到舰船内部20%，因此航母需要拥有舷侧保护系统;纵向的损毁还未定义，但是这种损毁不会超过损管甲板。损管甲板一般设在结构性水线以上的第一层甲板。

1）水密分舱

航母防水隔壁有2个作用，一是划分舰上活动区域，二是加固舰体结构。防水隔壁形成的水密分舱解决了航母因水下破损造成的进水问题。在航母因外壳损毁而导致内部进水时，能够提高航母作战效率并降低风险。

根据爆炸对军舰结构模型的影响测试结果以及相关作战报告，目前每艘航母拥有约300间水密分舱，这些舱室是航母能否在受损情况下保持稳定的决定因素。

根据美国国防部文件，损管甲板以上的水密舱允许设置可以打开的防水门，但通常要保持关闭，而损管甲板以下的水密分舱必须是密封的。

2）舷侧保护系统

航母上除了密集布置的水密分舱之外，还有舷侧保护系统。该系统位于船体左右舷内，通常由5个纵向隔壁构成，形成4个防水层。其中，2个外侧的防水层留空，航母受损时水可以直接进入，而内侧的2个装有各种液体 (重燃料、煤油、水等）。这些纵向隔壁与众多横向隔壁共同形成水密分舱，而这些水密分舱在垂直方向上与受力甲板 (通常是机库甲板）连接。

舷侧保护系统围绕在航母船体周围，长度约为舰长的2/3，其主要功能是使航母受损后的进水量受到限制，控制在最小量。当航母船体内部进水时，该保护系统增加了内部分隔因素，使航母安全性更高。系统保护的重要部位包括动力装置、电站、弹药舱、燃料和补给品等。

2 航母选型建模

选取二战中美国“埃塞克斯”级航母“约克城”号 (CV-5）作为计算模型进行分析，目的是简单描述受损稳性分析时要考虑的所有重要因素，所采用的计算方法同样适用于现代航母。

“约克城”号航母可搭载舰员2 217人，舰载机71架，表1给出该航母的参数。

表1 “约克城”号航母参数列表Tab.1 The parameters of“Yorktown”

2.1 航母基本情况

1）舱室分舱

所选航母有17个横向防水隔壁，4个纵向防水隔壁。纵向的防水隔壁与航母同长，横向隔壁的高度为从船底到机库甲板。这些防水隔壁将航母分隔为大量水密分舱。此外，这些防水隔壁的强度可以承受受损航母大吃水深度的水压。

2）舷侧保护系统

舷侧保护系统的纵向长度约占全舰长度的60%，位于舰中。“约克城”号航母的横截面如图2所示。

图2 “约克城”号航母横截面Fig.2 USSYorktown cross section

2.2 航母进水后的平衡位置

本节将对所选航母模型进行仿真，首先确定进水量，之后找出航母的新的平衡位置。先假设鱼雷或水雷的爆炸位置在损管甲板以下。

这种破损会造成航母迅速地不对称进水，并不断下沉形成新的水线，此时的排水量与航母总重相等。但是，航母会出现一定角度的横倾，总倾斜角为30°。更大的角度可能导致连续进水。

受损航母的稳性计算还将考虑受损航母能够承受的最大风力。

图3 “约克城”号航母几何模型Fig.3 USSYorktown geometric model

3 受损航母稳性计算

各种情况进水的计算原理都相同，在此假设爆炸将相邻舱室的舷侧保护系统完全炸毁，并损毁了横向和纵向的防水隔壁，从而导致锅炉舱和双层底中的侧压载箱进水 (见图4）。必须强调，这种损毁组合只能发生在有舷侧保护系统的舱室中，而在舰首和舰尾没有舷侧保护系统的舱室中，爆炸会炸穿纵向的防水壁，从而导致对称进水。

图4 舱室横向进水位置Fig.4 Lateral inlet position of the cabin

在鱼雷或水雷与船体接触的瞬间发生爆炸，航母出现损毁。航母新平衡位置的确定需要考虑所允许的最大风力，其中风吹向航母左侧。

3.1 仅有1个舱室进水

仿真计算的损毁位置从舰艏开始，一直移动到舰尾 (见图5）。基本假设是航母被1枚鱼雷击中，影响到所考虑的舱室，而周围的横向隔壁未受损。

图5 舱室纵向进水位置 (网格代表进水舱室）Fig.5 Longitudinal water inlet position of the cabin

3.2 有2个舱室进水

2个相邻舱室进水仿真计算的损毁位置同样从舰首开始，一直移动到舰尾 (见图5）。2个基本假设如下:

航母被横向防水隔壁附近的1枚鱼雷击中，导致其损毁，2个相邻舱室进水;

2枚鱼雷分别击中2个相邻舱室中部，导致其进水。

3.3 有3个舱室进水

3个相邻舱室进水仿真计算的损毁位置同样从舰首开始，一直移动到舰尾 (见图5）。2个基本假设如下:

航母被2枚鱼雷击中，其中1枚击中横向防水隔壁附近的船体纵梁，导致其损毁且与之相邻的2个舱室均出现进水。第2枚鱼雷击中与上述2个舱室相邻的舱室中部，因此而出现集中的3个舱室进水的事故。

航母的3个相邻舱室分别被3枚鱼雷击中中部，导致相邻3个舱室进水的事故。

3.4 有4个舱室进水

4个相邻舱室进水仿真计算的损毁位置同样从舰首开始，一直移动到舰尾 (见图4d）。3个基本假设如下:

1）航母被2枚鱼雷击中2个不相邻的横向防水隔壁，导致2对相邻舱室进水，引起4个相邻舱室同时进水;

2）4枚鱼雷分别击中4个相邻的舱室中部，引起4个相邻舱室同时进水。

3）1枚鱼雷击中防水隔壁附近，导致相邻的2个舱室进水，另外2枚鱼雷击中另外2个相邻舱室，引起4个相邻舱室同时进水。

计算方法为下面的回归方程式。

其中，R2的值在0.9～1之间，取该区间的值有利于快速预测航母舱室进水时所预期的平衡位置。φ1和ψ1分别为横倾和纵倾角度，其标号表示相邻进水舱室的个数，如φ1表示有1个舱室进水。

图6和图7给出了各种位置上的损毁进水造成的航母横倾和纵倾情况的计算结果。其中，横轴表示进水位置，不同形式的线条表示进水舱室数量不同时航母的横倾和纵倾情况。

图6 平衡位置的横倾角Fig.6 Horizontal angle of equilibrium position

图7 平衡位置的纵倾角Fig.7 Vertical angle of equilibrium position

4 结语

本文对所选航母进行了稳性计算，对4组不同的相邻舱室进水情形进行了仿真。通过研究，可得出以下结论:

航母中部舱室进水时会出现最大程度的横倾，而舰首或舰尾舱室进水时则会出现最大程度的纵倾。这种结果属于意料之中，因为舰首和舰尾属于对称进水。

当有1个舱室进水时，航母会出现2°～3°的横倾 (中部的F/G/H/I舱室进水时的横倾角度会稍微大一些）。这些横倾角度并不会造成太大问题，因为即使出现8°的横倾角，某些航空作业仍然可以进行。

只有当2个相邻舱室进水时横倾角才会有较明显的增大，但不会超过15°(救生设备的极限运行角度）。

当航母中部有3个或4个舱室进水时，航母可能会因过大的横倾而失去运行和作战能力。此时，需要进行压舱来缓解横倾和纵倾。虽然此时的横倾角度较大，但根据复原力臂线和风压横倾力臂线之间的面积，航母还不会出现翻船的危险，因为此时的横倾角小于翻船最小横倾角。所以，即使出现大于20°的横倾，航母仍能达到新的平衡位置。因此，出现上述情况时，舰员应该救援而非弃舰。

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Research on the stability of damaged aircraft carrier

HONGWei-hong
(The Equipment of PLAN，Beijing 100073，China）

Stability is one of the important factors impacting the operational ability.The stability related designs include watertight cabin and the broadside safety system.The papermade some research on the requirement to the damaged aircraft carrier，and take CV-5 as an example.Some computation and simulation aremade for the different condition and brought out some advice.

aircraft carrier;stability;damaged

TP393

A

1672-7649(2015）11-0169-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.11.037

2015-09-10;

2015-10-10

洪伟宏(1972-），男，高级工程师，研究方向为船舶工程。