水面舰船初稳性高指标要求研究

王宇飞 吴睿锋 朱 韬

（海军研究院 上海200235）

引 言

稳性是保证舰船航行安全的一项十分重要的性能。水面舰船在外力（如风、浪等）作用下偏离平衡位置而倾斜，当外力消失后恢复到平衡位置的能力称作稳性。水面舰船横倾角度小于15°的稳性称为初稳性。国内外船舶相关标准、规范都对初稳性高提出了明确的限值要求，以确保设计船舶具有较好的初稳性。在GJB 4000-2000《舰船通用规范》［1］中，对不同排水量水面舰船初稳性高的下限值有相应规定，在舰船交付过程中也是按照该限值指标进行考核验证。总体上来说，目前已交付的水面舰船均能很好地符合该项性能。

在水面舰船服役中，随着维修或加改装工作，水面舰船重心的提高使初稳性高减小甚至不满足GJB 4000-2000《舰船通用规范》的规定，有时为满足要求甚至会在水面舰船上装载固体压载，用以降低重心，使初稳性高满足标准的要求。

在水面舰船实际使用中，会产生一些疑问，如标准中的限值指标是怎么提出来的？该指标能否适当减小？该指标是不是越大越好？针对上述疑问，本文分析了设定水面舰船初稳性高指标要求的必要性，以及确定初稳性高指标要求应考虑的因素。研究出初稳性高指标的取值范围要求，以期为水面舰船交付和使用中对初稳性高的考核验证提供帮助。

1 设定初稳性高要求的必要性

水面舰船稳性受舰船尺度和船体外形，船宽、干舷和上层建筑等因素影响较大，这些是舰船的固有属性。在水面舰船使用过程中，船上载荷的移动或增减，都可以引起舰船重量、重心位置以及浮力、浮心位置发生变化而影响稳性。如果初稳性较差，抑或不恰当的使用或者误操作，都可能使水面舰船稳性降低甚至失去稳性。

设定初稳性高指标要求主要考虑以下因素：

（1）保证水面舰船安全。在出现破损进水、燃油消耗、不适当地在高位加载、结冰、甲板上浪等情况时，其初稳性将会不同程度降低。如果原来设计时水面舰船初稳性高较差，降低又严重，可能使初稳性高变为负值，从而导致舰船倾覆或者漂浮于某个倾角上，给航行安全带来极大风险。

（2）满足特殊作业使用要求。在水面舰船使用训练中，如果经常会进行人员集中于某一舷、舷侧起吊重物或全速满舵回转等作业，若初稳性高的值过小，可能使作业过程中舰船倾角过大，引起人员不安全感，导致无法进行正常作业，甚至影响武器的有效使用。

由此可见，水面舰船研制的初稳性高指标是非常必要的。如何通过合理设定初稳性高指标，在确保安全的前提下，有效提高武器的使用率，是值得深入研究的问题。

2 确定初稳性高指标应考虑的因素

从设立初稳性高要求的必要性分析可知，初稳性高对保证水面舰船安全和特殊作业具有十分重要的作用，所以在确定初稳性高具体指标取值时也应当从这两方面来分析。

2.1 保证水面舰船安全应考虑因素

在水面舰船出现破损进水、燃油消耗、甲板上浪、结冰、高位加载或者加改装等，均会出现稳性高下降的情况，所以在确定初稳性高时也应该重点考虑上述因素。而在实际设计中主要考虑存在自由液面的液体舱内自由液面影响，对结冰、随浪等因素未专门考虑，这是考虑到因其对水面舰船稳性影响虽然较大，但并非所有舰船均有在冰区执行任务的要求，可以根据不同情况提出结冰稳性要求，采取提高稳性的措施或限制其使用范围和条件。对于随浪的因素，就实际情况而言，单纯因随浪中的损失而使初稳性变为负值的可能性不大，特别是“随浪”和“破损”也不可能同时存在，在考虑水面舰船破损后的初稳性储备问题后，“随浪”问题就迎刃而解了。至于不适当的高位加载，是一个使用方面的问题，应当在水面舰船使用中尽量加以限制。

2.2 保证水面舰船特殊作业应考虑因素

在上述分析中，特殊作业主要考虑人员集中在某一舷、舷侧起吊重物或全速满舵回转等作业情况下水面舰船的横倾角。对人员集中于某一弦对专门运载人员的交通船才有一定的意义，舷侧吊起重物则仅对设有吊杆的起重船等才有意义。因此，全速满舵回转时的横倾角是我们应当重点考虑的因素，尤其在某些武器的作业使用中，对水面舰船全速满舵回转时横倾角会有一定的限制要求；但是水面舰船的初稳性高不是根据回转的要求决定的，所以只能用作一个比较重要的校核要求。

3 初稳性高指标的取值范围

3.1 国内外标准规范中初稳性高要求

GJB 4000-2000《舰船通用规范》规定了不同排水量水面舰船的初稳性高下限值。我国海事局《船舶与海上设施法定检验技术规则》国际航行海船法定检验技术规则（2014）［2］规定“船舶初稳性高度（GM0）应不小于0.15 m”。中国船级社《水面舰艇入级规范》（2011）［3］规定：“水面舰艇在规定的各装载情况下，经自由液面修正后初稳性高应不小于0.3 m”。国际海事组织（IMO）的稳性衡准A749（18）对所有船舶的初稳性高要求为：经自由液面修正后的不小于0.15 m。［4］

综合分析国内外标准中对于船舶初稳性要求，单从初稳性高衡准要求来看，GJB 4000-2000《舰船通用规范》与民船规范、国外规范尚有一定的差异，这主要是因《舰船通用规范》与其他标准、规范的稳性校核体系与衡准差异造成，不能仅从初稳性高取值这一单一指标评价孰优孰劣，还需从与之相关的船舶性能来分析。

3.2 初稳性高指标的阈值区间

3.2.1 初稳性高的下限值

初稳性高的下限是从保障水面舰船安全和特殊作业使用要求两个方面限定的。如果舰船初稳性过小，舰船在较小外力作用下发生较大倾斜，重力和浮力所形成的力偶距过低，使舰船回复缓慢，极易造成人员的不安全性。从作业使用要求来看，舰船全速满舵回转所要求的横倾角最大值也决定了初稳性高的下限取值。前期研制实践证明，设计中为保证水面舰船安全所要求的最小初稳性一般均能达到，实际上多数是从水面舰船作业使用要求来校核舰船初稳性高的下限取值。

GJB 4000-2000《舰船通用规范》中提出水面舰船全速满舵回转时最大横倾角的要求，即全速满舵回转时的横倾角计算式为：

3.2.2 初稳性高的上限值

对水面舰船稳性来说，并非初稳性高越大越好。虽然初稳性高越大，复原能力越强，但是水面舰船在风浪中航行时，会发生剧烈摇摆。这是因为船舶的横摇周期大小与初稳性高的平方根成反比。初稳性高越小，横摇周期越大，摇摆的速度和加速度越小，横摇就缓和；反之横摇就剧烈。而舰船的固有摇荡周期（尤其是横摇周期）是评价舰船耐波性的一个重要因素，所以在水面舰船设计时应兼顾舰船稳性和摇荡，全面考虑问题。

舰船的横摇固有周期可按式（3）近似估算［5］：

在水面舰船设计时，为使舰船的固有周期避开其航行海区的风浪周期，那么水面舰船的横摇周期应该大于波浪周期，通常会选择（Tw为波浪周期）。按照此约束条件，可从以下式（4）获得：

3.3 初稳性高取值范围分析

从式（2）可以看出，水面舰船在主尺度及典型作业使用要求确定后，其初稳性高的下限值仅与重心高ZG有关，而重心高与装载有关。目前对水面舰船的装载分为“空载”、“标准”、“正常”、“满载”、“最大”等5种状态，至于什么装载下的状态是最差状态，目前尚无一致公认的规定。基于传统的做法和实践经验，目前多数还是以标准排水量时的载重状态作为初稳性的衡量标准。

从式（5）可以看出，水面舰船在主尺度确定后，其初稳性高的上限值仅与其活动区域的波浪有关。如在沿海航行的舰船，沿海波浪波长约为60 m，波浪周期约为6.2 s，由此可计算得出初稳性高的上限值约为0.01B2。当然，此上限值只是最大极限值，实际设计时还要考虑自由液面影响，同时兼顾改善舰船的耐波性。

4 结 语

初稳性高衡准要求对水面舰船具有重要意义，由于特殊作业使用要求，对初稳性高取值有一定的取值范围要求。在水面舰船船体线型和主尺度确定的条件下，初稳性高主要取决于重心高度，而服役过程中的燃油食品等消耗、现代化改装等因素将会引起重心高度降低。所以在水面舰船设计时通常会在标准要求的基础上留有一定设计裕度。在保证水面舰船稳性性能的同时，应当综合考虑初稳性高与横摇周期的关系，以确保横摇周期处于合理范围内。