【材制｜视角】水下“大鼻子”：舰船的球鼻艏

初原载于 爱学习的 青春材制

2023-03-24

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        船艏，是指船舶前端或近前端部分，在起到减少船身水中阻力、消减海浪冲击、增加船舶稳定性的重要作用的同时，也是船舶重要的美学元素。在经过不断的设计研究、改良变形后，目前，常见的船艏形状有五种：直立型艏、前倾型艏、飞剪型艏、破冰型艏和球鼻型艏。

　　不论是航母军舰，还是普通货船，在船头的位置，我们通常会看到“大鼻子”，这样的结构我们称之为球鼻艏。设计水线以下首前部近似呈球状的船首部。其形式有水滴形，撞角形，圆角形等。

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球鼻艏的由来

　　相传很早以前，有一艘商船在海上航行时触了礁，利斧般的船首被擅了个大凹坑，瘦削的船首两舷，如同蛤蟆愿帮似地鼓了出来，奇怪的是，这艘船反而比正常航行提前几小时到达目的地，这一异乎寻常的现象，引起科学家和造船专家们的浓厚兴趣，从上世纪40 年代开始，一直成为人们的研究课题。荷兰、日本、希腊等国的造船专家，经过千百次试验，终于解开了球鼻艏之谜。二战时期美日等国军舰开始使用球鼻艏，上世纪60年代后球鼻艏才逐渐在商船上流行开来。

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工作原理

　　研究船舶球鼻艏，我们须首先分析船舶航行时所受阻力。船舶在水面高速航行受到各种阻力，例如：兴波阻力、摩擦阻力、粘压阻力、附体阻力、空气阻力、汹涛阻力、污底阻力等等。这些阻力中，兴波阻力和摩擦阻力占大头，对于高速船来说，这两种阻力的占比都各接近一半，占到总阻力的85%左右。

　　船在海中行驶，一般会受到摩擦阻力、兴波阻力，涡流力等。如果船以较慢的速度航行，其主要受到的是摩擦阻力。如果船速较快，会推动海水向前，形成一股股浪花，使水面产生波浪，在船首和船尾附近发出横波和散播。而横波垂直于航行的方向，在船首被挤出船体的海水形成浪花，飘向外面但又回流再四分之一船体上，形成波峰阻力，降低了船速，这就是兴波阻力。

　　球鼻艏最大的作用就是将波峰与波谷相互中和，降低浪花对船向后的推动力。既然波峰会降低船速，那么装了球鼻艏后会形成波谷，把兴波阻力的影响削弱，就使船速得到提升。研究表明，安装球鼻艏后，其主机功率会降低10%~20%，这可是节省了实实在在的燃油。

　　从舒适度的角度来讲，原本的波峰被球鼻艏产生的波谷削弱，也使得船舶的行驶更加平稳。

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球鼻艏利与弊

　　要想球鼻艏达到减租的效果，需要控制船的航速才有积极作用；否则，球鼻艏反而会给船舶的航行带来更大的阻力。

　　在行驶过程的，球鼻艏的存在会使船舶的回旋圈加大，导致船的转向难度增加,使碰撞事故更容易发生。此时球鼻艏撞向其他船只的威力相当于一颗鱼雷。因此球鼻艏更适合远航的船只。

　　从目前现实的角度讲，主要的船只是货轮，因为其体积大，载重高，且船速慢，所以受到的兴波阻力很少，所以货轮一般不安装球鼻艏。研究发现，面对这种货轮，仅用垂直结构的船首，就可以使轮船在不降低船速的情况下增加排水量，从而降低单位货物的运营成本。因此，在综合因素的影响下，船只会选择安装合适的船艏。

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球鼻艏的优化

　　我们已经知道船在水中快速行驶时，主要受到的是兴波阻力，但是摩擦阻力也是不可忽略的，通过对船型参数的选取，以及水中球鼻艏作用程度的计算，发现如果将球鼻艏变小且整体向上仰，有利于减小船的总阻力，更有利于节约能源。

　　运用特种材料制造球鼻艏，增加球鼻艏在水中的耐腐蚀，耐撞性。球鼻艏结构的抗水下爆炸冲击性能直接影响现代水面舰船的战斗力，也是影响舰船生名力的重要因素。钛合金材料极大提升了导流罩结构和支撑结构的抗冲击性能，应在球鼻艏变形较大的区域增加骨材。

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球鼻艏的未来

　　在海洋上行驶，未来的球鼻艏就应努力减小自身带来的操作难度，也可以从船舶的耐波性上入手。球鼻艏表面材制的参数，也会对航行产生影响，如果可以找到更好的材料，同样能提高性能，再者球鼻艏减少阻力的能力是呈曲线型，近似先增加后减少的曲线，含有一个峰值，仅有当船速达到一定值时，才能发挥最大作用，若是球鼻艏的整体结构，位置能够自动发生一定的变化，那么它的箭镞作用将一直保持在最高水平，也能发挥它的最大价值。

参考文献：

【1】中国知网基于CFD和参数化建模的集装箱船球鼻艏优化设计

【2】哔哩哔哩 “球鼻艏是什么？为什么轮船前方有个‘大鼻子’，小设计大玄机”

【3】百度百科 球鼻艏

【4】中国知网 再见球鼻艏

【5】中国知网 水面舰船建阻节能球鼻艏建组效果分析

【6】中国舰船研究 船艏or船首，你了解吗？ 

撰 稿 人：科技协会科创部  席钰杭 张瑞德 陈逸凡

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