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战 舰

一份关于战斗舰艇的

建造，防护，稳性，转向等方面

的教科书

作者：Edward L. Attwood

作者简介：英国皇家海军工程师会员，格林威治皇家海军学校前海军工程讲师，《船舶工程理论教程》和《当代主力舰》的作者，船舶建造几何学教材“Laying off”的联合作者。

本书有大量图表。

1917年第六版

 

翻译：弗林

纯属个人业余爱好，仅供交流学习使用；个人水平有限，难免与原意存在偏差，个人的额外注释以【】标出。

 

第二十二章

战舰的整体设计考量

一艘舰船需要执行的任务显然会对其设计产生决定性的影响。像英国海军这样规模庞大的海军所承接的任务有很多种，不存在能执行所有任务的单一舰种。要在一艘船上兼顾很高的航速、厚重的装甲防御跟强大的武备是不可能的，除非把船造的超级大。所以必须要对性能做出取舍，如果我们牺牲一部分防御和火炮来确保高航速和巨大的燃煤或者燃油载量，我们就得到了一艘巡洋舰；如果我们降低航速来将防御和武器的性能最大化，我们就得到了一艘战列舰。如果我们需要一种能够长时间停留在海上不用入坞维护的舰艇，我们必须对这种舰艇用木料和铜质来包裹(sheathed)舰体，为此我们要接受相比一般的钢制外壳的舰艇而言会增加造价且降低航速的代价。而对于岸防舰，只需要中等程度的燃煤载量和较浅的吃水。对于一些海军来说这类舰艇是很有价值的；不过，英国海军在这些年间时不时会造一些小型战列舰【此处猜测指本书第一版1904年前英国建造的部分前无畏舰在试图牺牲部分性能来减少吨位降低造价】。

战舰的设计是几乎离不开在之前的战舰上积累的经验和数据的。当一型新的战舰设计的主要特征由上级(authorities)给出后，海军造船师要完成这些设计并尽可能达到所有这些要求。在战舰设计专业上的经验是很重要的资质，因为在这上面要面对的情况跟在设计商用轮船时是完全不同的。

在任何一艘战舰的设计上，有很多方面或多或少地需要保证。其中一些为：——

1. 结构强度，包括整体和局部。本书之前已经做了一定深度的介绍【见第一章】。

2. 稳性。——这是一个非常重要的性质。一艘战舰必须在承受了一定程度的损伤之后仍然保留足够的稳性。这就是为什么战舰的稳心高度要求比商用轮船要高。在大倾角下的稳心同样需要仔细考虑，因为此时舰船的重心(C.G.)位于高处(?)。对确保最经济的推进效率的问题总是让位来优先保证战舰具有足够的稳性。

3. 航速。——这取决于舰艇的任务需求。在近几年间【猜测以本书第一版日期为准】战舰的航速得到了显著提高，这是因为采用了水管锅炉，提高了蒸汽压力和动力转速，以及采用了蒸汽轮机。

4. 操纵性。——对于舰艉和舵面形状对舰艇转向性能的影响在前面已经讨论过了。在其他因素相同的条件下，更短的舰船比更长的舰船有更好的操纵性。

5. 居住性。——这点很重要，因为只有船员保持良好的健康状况才能发挥出战舰应有的性能。一艘具有高干舷的战舰跟低干舷战舰相比有更好的居住性，乘员住舱有更好的通风和采光。

6. 方便转运燃煤和弹药。

7. 造价和维护的经济性。——这两点有时候是相互冲突的。一艘钢壳船会比一艘带了防垢层的船有更便宜的造价，因为省去了防垢所需的外层和金属艏柱(?)等部位的价格。然而，一艘带防垢层的舰船在维护费用上要显著低于一般的钢壳船，因为这些舰船不会迅速长垢，不需要频繁入坞维护。

8. 自持力。——一艘战舰搭载的燃煤和弹药等消耗品会决定这艘战舰能保持多长时间的作战能力。燃煤的搭载量会决定战舰的作战半径。

9. 生存性。——这包括由装甲带和甲板提供的防御，以及细密的舱室分划。

10. 武器。——用来攻击的装备——火炮，鱼雷，撞角。

对于在设计的初步阶段，威廉·怀特说过（《船舶工程指南》，Manual of Naval Architecture）：——

“在设计初步阶段，设计工作必须是暂定的，会不断被修正。舰船设计的很多性能特征都是相互关联的。在开始时，我们并不确定舰船的尺寸、形状和排水量。当然这些因素会决定动力系统要输出多少功率才能达到要求的航速，也决定了舰体的结构重量，以及某些设备的重量。当完成一艘舰船的设计时，重量的总和，包括舰体结构、动力装置、设备、燃煤等项目，必须等于给定吃水线下的排水量。要解决结合这么多未知的相关因素的问题是很难的，我们不得不依赖于经验。通过经验、数据记录和模型试验，我们可以较好地解决舰船设计的问题。首先我们会估计大概的尺寸和舰体形状。然后我们根据建造的方式和舰船的类型来估算舰体重量。我们也会基于之前舰艇的海试记录或者模型试验的结构来给出对所需动力功率的估计。然后我们就可以基于动力功率来推算主机和锅炉的重量，进而计算每小时的燃煤消耗量，从而推出要达到给定航速下的续航里程要求需要多少吨燃煤。将舰体、设备、动力系统、燃煤以及设定的载重量等这些项目的初步估计重量累计起来，得到的结果应该要和所暂定估计的排水量相近。如果这一求和超过或者少于预设的排水量，就必须对之前所假定的舰体尺寸进行修正，以维持设计的平衡。在对舰体尺寸修改之后，舰体重量、设备、动力系统和燃煤的重量都要重新估算。最终我们应该确保各项重量的总和与舰体形状和尺寸所反映的排水量达到平衡。如果没有对之前的设计案例或者经验方法做出巨大的改变，初步的设计工作是可以迅速进展的。在其他情况下，要选择最为合适的舰体尺寸和形状，有可能会考虑很多各种各样的设计。”

对于一型设计完成的战舰来说，总排水量[1]由以下部分的重量组成：——

1. 基本配件；

2. 武器；

3. 动力系统；

4. 工程师备件；

5. 燃煤；

6. 对舰体和武器的装甲防御；

7. 舰体，包括结构和舾装；

8. 设计余量。

    

1. 基本配件。——这些包括淡水、食物储备（包括面包和酒）、官员仓库（包括军官起居室、枪械库和出纳员的船员服装）、官员与水兵及其个人物品、船锚、缆绳、桅杆与绳索、小艇、准尉仓库和防护网[1]。

2. 武器。——在武器的详细信息被确定之后，全体武器的重量可以被估计的很精确。其中一个重要的相关参数是每门炮的备弹数量。

 

[1]对于重量分配的案例，见本书第298页。

 

3. 动力系统。——当指示马力(I.H.P.)得到初步设定之后[1]，工程师会对动力系统所需的重量进行估计。动力系统的重量取决于几种因素，包括使用的锅炉类型、蒸汽机的转速和冲程与活塞的速度、锅炉的强压程度等。对于当前最大的单台往复式蒸汽机（15,000指示马力），最大转速为120【应该是每分钟转速rpm】；对于功率较小的蒸汽机，可以达到更高的转速；于是功率为6250指示马力的蒸汽机可以达到180转，而4900马力的蒸汽机能达到250转。驱逐舰所采用的蒸汽机还能达到更快的转速。在近几年的设计上，水管锅炉的使用产生了巨大影响，在动力系统重量跟之前相当的条件下可以输出更大的功率。蒸汽轮机的应用已经对近期的战舰设计产生了很大的影响。详见附录中对无畏号战列舰的描述。

 

[1]见本书第二十一章。

 

4. 工程师备件。——这些备件的数量取决于动力功率和战舰的服役情况。

5. 燃料。——英国海军战舰的设计惯例是在设计排水量中包括一定重量的燃料。这一排水量被称为设计排水量(legend weight)。君权级战列舰和威严级(Majestic)、可畏级、邓肯级、纳尔逊勋爵级，以及无畏级战列舰，在设计排水量下均搭载900吨燃料。而燃煤的最大搭载量远高于这一数值，在近期的战列舰上超过2000吨，而在无畏号上达到了2700吨。所有的官方航速测试会将战舰保持在对应设计排水量的吃水下。不过有时候会在战舰建成之前就进行海试，以检验承包商的动力系统性能。这些测试只需要针对指示马力来验收，不需要特别考虑航速，进行测试的时候也不用刻意将战舰用压舱物来达到通常吃水线，只需要确保螺旋桨正常浸没。

6. 装甲和甲板防御。——用于防御的重量可以分为这些项目：——

(a) 侧舷装甲带，用于保护浮力和稳性；

(b) 对武器的竖直装甲防御；以及

(c) 甲板防御。

在近期一型战列舰上，这些项目的重量分配比例如下：(a)为38%，(b)34%，(c)28%。这些数字明显反映出要对武器提供充足的防御需要付出如此巨大比例的装甲重量。这些装甲包括炮座装甲和炮廓装甲(casemates)，但是不计入炮盾，炮盾重量是算进武器里面的。对于炮座提供了特别厚重的防护。在邓肯号战列舰上，侧舷装甲带为7英寸，但是炮座装甲为11英寸。这一巨大差别的原因是，每一个炮座代表了战舰的火力的很大一部分。一发炮弹如果是击穿了装甲带，也许不怎么严重；但是如果击穿了炮座装甲，这就有可能直接摧毁战舰差不多一半的火力。【在英国的无畏舰上情况似乎就不太一样了】

现代战列舰设计的一个特征是，其装甲防御区域比之前的设计明显增加了，相应削减了装甲厚度。这些在第十三章已经讲的很详细了。装甲材质的改进对巡洋舰设计也产生了巨大影响。一直到王冠级(Diadem)巡洋舰的设计，装甲防御最好的方式被认为是在水线布置一个较厚的防御甲板，如图例21和22所示。然而，随着克努伯装甲的诞生，这种防御系统在克雷西号上被修改，采用了覆盖超过一半舰体长度的较宽的6英寸装甲带，与厚甲板和舰艏的防御相结合（见图例136和137）。这种装甲防御设计一直沿用到现今的一等巡洋舰上。

7. 舰体。——舰体重量包括——

(a) 结构重量；以及

(b) 不承担结构强度的配件等重量。

在大型战舰上，舰体的总重量在排水量的占比在35-40%，并且要做到对材料最仔细设计的布置和最好的工艺，我们才能将舰体重量压低到这一程度。大型商用轮船的舰体重量占比要明显高于这一数值；值得注意的是，一艘战舰的舰体重量有差不多一半都用在几乎不承担结构强度的配件等部位上。

在建造战舰时尽可能减轻重量是很重要的，我们可以在不降低结构强度的条件下通过一些方法来较好实现减重。在战舰的舰体上会大量使用减重的空洞。如图例47所示的轻量内衬(liner)就是一个没有降低结构强度而减轻了重量的例子。对于这些单个部件上的少量减重看起来意义不大，但是将所有部件的这些减重累计起来能够节省相当大的重量。

在近期的舰船上通过移除了之前具有的重复部件(duplications)等实现了大量减重。一个例子是废除了舵机的应急舵具(relieving tackles)。目前使用的无杆锚可以省去之前所需的锚架(cathead)、锚爪架(bill-boards)等部件的大量重量。近期的战舰通过移除了弹药库的木衬和灯箱、移除木甲板以及简化水泵布局等手段节省了大量重量。

8. 设计余量。——这项是在设计阶段预留的重量，为建造时的变更或者增设留出余量。除了先前设计重量已经包括的部分之外的额外重量不得超过这一余量(?)，并且要特别告知海军部征求同意。

节省或增加重量对战舰设计的影响[1]。——值得注意的是在某一项所节省的重量对整个设计的减重效果是要远远大于其本身的数值的。假设在任何一项，比如设备这块，可以节省50吨的重量；这一减重会对设计的各个部分都产生影响。更轻的舰船会降低相同航速所需的功率；于是减轻了主机等部位的重量，并减少了人员编制。这样又可以降低舰体尺寸，从而减轻舰体重量，且再次降低了功率需求。这些影响会叠加迭代下去，最终我们会发现，节省50吨设备重量可以在整体设计上节省100吨或者更多的重量。

 

[1]详见海军造船副主任(I.N.A., 1903)怀廷编写的“现代新型配件对战舰的尺寸和造价的影响”(The effect of modern accessories on the size and cost of warships)。

 

一个极端案例：采用两个56英尺（约17米）的小艇（每艘18吨）替代之前的37英尺（约11米）小艇（每艘9吨），会对大型舰船总共增加约150吨重量。单纯在小艇上增加的重量不过18吨。但是更重的小艇会需要更坚固的桅杆(?)和起重机，以及更重的电力或者液压动力的吊艇架，也需要特别的存放；结果这些项目加起来会增加70吨重量。然后就会导致跟搭载更轻小艇的设计相比总共需要增加150吨重量。

战舰设计的稳性。——除了要将排水量固定在设计指标附近，我们同时还要计算该设计在水平方向和竖直方向的重心位置。重心的竖直位置将决定战舰能否保持足够的稳性，而其水平位置会影响战舰建成时的纵倾状态。

以下表对一艘小型巡洋舰的数据计算为例：——

总重2650英吨

重心距离水线上方0.89英尺

横向稳心距离水线上方2.9英尺

稳心高度为2.9-0.89=2英尺

 

于是在设计排水量下该舰的稳心高度被估算为2英尺，舰体的形状必须确保在2650英吨排水量下浮力中心位于长度中点后方11.8英尺，从而让这些舰船处于所需要的吃水和纵倾状态。并且，其横向稳心必须位于设计水线上方2.9英尺，以确保该舰有2英尺的稳心高度。

这一参数（稳心高度）决定了舰艇初始状态的稳定性。但是，也需要对“稳性曲线”进行计算，以确保舰船在大倾斜角下具有足够的稳性。

对于重量和舰体重心的详细计算是一个长期且复杂的过程，尽管这一般是在设计定型之后去完成，我们在设计的初步阶段也有必要对此给出估计。对于这点来说，在之前的战舰上做过的倾斜实验的数据是非常有价值的。对海军的舰艇进行倾斜实验在现在已经成为惯例，这不仅是为了检验这些舰船自身的稳性，同时也是为后续的设计提供参考数据。由造船厂填写的D.283表(?)以及由舰船的官员填写的D.211表给海军部的设计人员提供了重量方面十分宝贵的信息(?)。

战舰设计向现代的演化呈现出增加重量的趋势，采用了位于上甲板由厚重的炮盾防护的装甲炮台(armoured battery)以及更重的火炮。这一变化趋势使得需要仔细计算战舰的稳性，因为这种变化会增加战舰重心的高度。这一变化的影响可以从爱丁堡公爵号和更大排水量的德雷克号的舰宽上得到反映。

德雷克号，长500英尺x宽71英尺x吃水26英尺x14,100英吨；2门9.2英寸炮，具有炮盾；16门6英寸炮，位于炮廓。

爱丁堡公爵号，长480英尺x宽73.5英尺x吃水27英尺x13,550英吨；6门9.2英寸炮，具有炮盾；10门6英寸炮，位于炮台(battery)。

我们在第17章节讲过，舰船的宽度对其横向稳性的位置具有显著的影响。对于那些重心高的舰船设计来说，其横向稳性也必须足够高，来确保应有的稳心高度。

功率与航速。——给定任意航速估算所需功率的算法我们在第22章里讲过了。基于需要达到的航速来说，一艘舰船的长度对其动力功率的效率有最显著的影响。比如说一艘船要跑15节，那对于这艘船来说，我们不能直接确定15节到底是高速还是低速，除非给出舰船的尺寸或者长度。对于一艘150英尺长（约45.7米）的舰船来说，15节已经算高速了，但对于一艘500英尺长（152.4米）的舰船来说这不过是相当中等的航速。一种衡量航速的方法是跟舰体长度的平方根作比较。当这一比值，即航速除以长度的平方根大于一(unity)的时候，我们就认为这个航速相对这艘船来说算高速了，需要付出很大的功率代价来实现。值得注意的是，对于大西洋班轮来说，随着航速的提升，其舰体长度也相应增加，从而将航速跟舰体长度平方根的比值基本维持恒定。于是我们可以看下表数据——

而当我们去看巡洋舰的数据时，我们会发现它们的最高航速相对其尺寸而言是明显偏高的。于是我们可以看下表：

单独考虑推进的经济性的话，毫无疑问增加巡洋舰的舰体长度会有利于这一点，但是最好不要让它们超出必要的长度范围，因为一艘更长的船会需要更重的构件(scantlings)也需要更充分的装甲防御，同时也增大了目标面积，而且转向性能更差。单独为了节省功率去过度拉长舰体会很大程度地牺牲其他方面的性能。当然，如果必须达到非常高的航速的话，就要接受巨大舰体长度的相应代价。

对“朱诺”号和“风信子”号(Hyacinth)的对比。——将这两艘船作比较是很有意思的，因为它们具有相同的尺寸和排水量，但是重量分配不一样，这就使得它们的性能有很大差别。

于是我们可以看到，风信子号跟朱诺号相比具有更快的航速和更强的火炮，而排水量相同。这一差异的原因在于其动力系统的类型。朱诺号使用155磅压力的筒式锅炉，其主机为39英寸（1米）冲程、每分钟140转。风信子号使用300磅蒸汽压力的水管锅炉，其主机为30英寸（0.76米）冲程、每分钟180转。

后者的动力系统在通常最大负载下比前者多了25%的功率输出，而得益于使用水管锅炉、提高蒸汽压力和增加主机转速，其动力重量还要更轻。其主机也更低，从而可以直接塞在防御甲板下方，这就节省了对气缸需要相应抬高的装甲防御重量。在动力和装甲上节省的重量就可以用于将朱诺号的6门4.7英寸炮替换为6门6英寸炮，于是就得到了一艘战斗力显著增强的战舰。

对“托帕兹”号(Topaze)和“森蒂纳尔”号(Sentinel)的对比。——近期的两个三等巡洋舰设计，托帕兹号和森蒂纳尔号，它们在排水量上差不多，不过性能差别很大。下表展示了这两艘战舰的性能诸元：

在后者的例子上，我们看到这艘船只有12磅炮和更小的火炮这样薄弱的火力，在设计吃水下仅仅搭载150吨燃煤。其动力可输出17,000指示马力推动该舰达到25节航速。所以为了达到25节的高速，这艘战舰只有很小的载重。而在前者的例子上，这艘战舰可以搭载4英寸炮和更多的燃煤，但是相应地只能实现21.75节航速。我们可以看到将航速从21.75节增加到25节，或者说增加15%的航速，意味着需要增加差不多75%的动力功率。

重量分配。——皇家海军的舰船重量分配细要暂时没有公开，不过菲利普·瓦茨爵士，K.C.B.，提供了1905年7月I.N.A.之前一型1905年战列舰设计的重量分配比，如下：——

设备，4%；兵装，19%；动力系统，10.5%；燃煤，5.5%；装甲，26%；舰体，35%。

下表展示了给日本海军建造的一些舰船的重量分配，该表取自后来的海军上将萨索，海军建造协会会长(Director of the Naval Construction Corps)。

【注：原文此处可能部分日本舰名拼写有误，可能存在偏差】

以上就是本期专栏的全部内容了。个人精力有限，不定期更新。有想法或建议欢迎在评论区留言。