探究船舶的奥秘

人类自诞生以来，就渴望探索远方。在轮子发明以前，船就载着勇敢的冒险家们去寻找大洋彼岸的新大陆。从史前时期的原始木筏，到今天的高科技船舶，船舶经历了几千年的漫长演变，人类无穷的智慧和创造力也在船舶上得到了完美体现。如今，依然有一群专家，为了使船舶性能达到更高目标，还在不断努力！今天，我们就一起去体验体验船舶研究与设计工作。

船舶是功臣

我们生活的地球约有71%的表面积被蓝色的海洋所覆盖，这一巨大的水体蕴含着宝贵的财富。从古到今，人类从未停止过对海洋的探索、开发和利用。比如，人们通过海洋获得更便捷的交通路径；从海洋中获得丰富的食物来源；以及从海底深处提取稀缺的能源和矿产资源。而这所有的一切，都离不开一种最基本的工具—船舶，它就是人类探索和开发利用海洋的功臣。

反过来，对海洋的各种类型的探索、开发和利用，又决定了船舶的不同类型。比如，以交通和航运为目的，需要借助运输船舶；以捕捞作业为目的，需要专门的渔业船舶；以资源勘探、开发为目的，则需要各类工程船舶和海洋工程平台……船舶研究和设计工作，就是探索船舶的奥秘，根据不同的用途和需求，运用科学的方法，研制出性能更高且实用、安全的船舶。

船舶的种类还有很多很多，如果你想将来成为一名船舶研究设计专家，赶紧抽空去图书馆或上网搜索，以了解更多不同用途的船舶。

船舶的性能和结构

想要成为一名小小船舶研究设计家，如果你还不知道船舶的结构和基本性能，那可不行。所以，我们现在就赶紧补课哟。

从研制工作角度来讲，船舶是一个十分广泛的工程概念，它最简易的形式，可以追溯到远古时期的独木舟；而最复杂的形式，便是今天的体积庞大、功能齐备，宛如水上城市般的钢结构建筑物。这样庞大的水上建筑，都有什么特性呢？

船舶的基本性能

浮性。不管船舶的外形差异如何显著，它们都有一个共同的特性，那就是它们都是对水的浮力加以利用的产物。除了浮性，船舶还有以下性能。

稳性。船舶在航行时会因为受到风、浪等外力的作用而产生倾斜，当外力的作用消除时，船舶必须得像“不倒翁”一样回到之前的平衡状态，这种性能称为船舶的稳性。

抗沉性。当船舶因事故受损，导致船舶内部某些地方进水后，仍能保持一定的浮性和稳性的能力，就是船舶的抗沉性。增强船舶抗沉性的重要措施是将船舶划分为多个相互密闭的区域，保证当一个区域破损时，水不会进入到其他区域。值得一提的是，这个创造性的举措是由我国古代劳动人民创立的。

快速性。船舶在水中航行时，会受到水对船体的阻力。船舶只有通过有效的推进方式才能克服水的阻力前进。船舶快速性的内容包括两个方面：一是设计出阻力尽可能小的船体，二是尽可能地提高推进装置的效率。

耐波性。耐波性研究的是船舶如何在风浪中以一定航速安全、舒适地航行的性能。

操纵性。船舶和汽车一样，必须具备良好的操纵性，以保证船舶在需要的时候具有保持或改变航行状态的能力。

为了达到这些性能，船舶都有哪些基本结构呢？

船舶的结构

现代船舶的性能通常是由合理的船体，以及各种系统、设备、装置来实现的。

动力系统是一艘船舶最主要的系统，它由主机、辅机、动力管系和推进装置组成，被称为船舶的“心脏”。其次是电力系统，它通过电站、电网和各种传感器建立起船舶的“耳目”和“神经系统”。还有风、水等各种管路，它们是船舶的“循环系统”。此外，船舶通常装有的舵设备、起锚系缆设备和各类作业设备，相当于船舶的“四肢”。承载这些系统和设备的就是船体，它是船舶的“躯干”和“骨架”。

船体的设计是否合理，决定了船舶性能的优劣；系统和设备在船体上的布置是否得当，则关系到一艘船舶在使用时，能否安全、高效地实现用户所要求的功能。因此，通过科学的方法优化船舶的性能和功能，是船舶研究设计人员最主要的工作之一。

以曹冲称象引申开来

没听过《曹冲称象》这个故事的同学，举手。哈哈，没有举手的吧。虽然大家对这个故事耳熟能详，今天也要重温一下：曹冲将大象赶上船后，在船身与水面的交界处作了一个标记，然后将大象赶下船，再往船上添加石块，等到水线到达刚才标记的位置时，停止添加。这个标记实际上意味着船舶两次装载时达到相同浮力的状态，因为船舶自身的重量是不变的，因此此时石块的重量便等于大象的重量了。曹冲就是利用船舶的基本原理——浮力等于船舶加上货物的重力而称出了象的重量。

如果你是一位小小船舶研究家，看完故事，就需要再深入思考：如果曹冲所刻标记，是在大象上船时正好位于船的前后中心点处（船正好水平地浮在水面上）所画的，如果后来添加石块时，放在船尾的石块比放在船头的石块多，造成船尾下沉多一些，船头往上翘，这时，石块重量是否和大象重量相等呢？或者，这时我们应该怎么做，才能使船达到装载大象时同样的漂浮状态呢？

船舶研究设计原则

船舶研究设计通常是在各类相关的公约、规范、规则、标准的指导下进行的。如果新的研究内容超出了当前规范或规则所制定的框架，那么就需要进行理论上的探索和多方面的验证，待研究内容成熟以后再转化为规范、规则，指导将来的工作。

繁琐、严谨、细致的研究设计工作

船舶研究设计是一项技术密集、任务量繁重的工作。一种类型的船舶从前期预研、方案论证到设计结束，有可能形成数千页的报告、文件和上万页的设计图纸。对于设计人员的智力、体力，都是十分严苛的考验。就我个人的经验而言，这项工作最困难的地方，是如何实现设计的最优化。船舶研究设计分为多个专业，各专业有着不同的要求和特性，而船舶的空间又是有限的，这便意味着各专业之间存在着相辅相成、相互制约的关系。即使在各专业的内部，相互制约的内容也随处可见。设计过程中，专业间和专业内部的冲突不可避免，需要进行大量的协调工作，有时候不得不进行妥协和牺牲。举个例子，船舶设计得越宽，它在航行时会越稳，但同时它的阻力也会变大，油耗会随之增加。诸如此类的矛盾非常多，怎样去取舍和平衡，往往是令设计师们焦头烂额的大问题。无论是妥协、取舍还是平衡，目的只有一个，那就是设计一艘总体上最优化的船舶。力学是船舶研究设计的理论基础，包括流体力学、材料力学、弹性力学和结构力学等。因此，力学计算是船舶研究设计中必不可少的工作。但是，船舶的复杂性又决定了理论上的计算并不能精确地解答全部问题，这时，模型试验便成了十分有效的手段。比如，在现阶段，船舶设计师们借助大型的拖曳水池实验室，利用按比例缩小的木质模型，可以得出比理论计算更为精确的船体阻力性能、回转性能的数据。

某些条件下，在水中高速旋转的船舶螺旋桨，其表面的水流会产生“气化”现象（可别小看了这些气泡，它们可能会给螺旋桨造成严重的损伤），而螺旋桨空泡水筒试验可以很好地验证和预报这一现象。还有的船舶由于船体表面是复杂的三维曲面，为了使起锚时运动中的锚最终能够紧密地与船体表面贴合，也需要制作木质模型进行拉锚试验。

了解了船舶研究设计专家们的工作，你会发现，船舶研究设计不是一项单纯的理论科学，而是一项实践I生非常强的工程科学。所以，将来想要成为船舶研究和设计专家，从小就要注重培养“小小船舶研究设计家”的素质，有了这些条件，巨轮从你们的笔下驶向远洋便指日可待了。亲爱的同学们，你们准备好了吗？