英语原文共 22 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
第一章
引言 高性能海洋船舶
主题
本书介绍了各种高性能海洋船舶,旨在使读者熟悉这些船舶的不同类型、区分它们的方法及原因、包括历史背景在内的设计和性能背景以及现有的各种概念各自的发展前景在哪里。尽管书中涉及到了一些水动力学的基础知识，但这并不是一本详细介绍该学科的教科书。编写本书的目的在于扩大人们对可供选择的船舶的认识，以实现商用、军用或娱乐方面的高效高速的海洋运输。
每章都有明确的论文和书目索引，以防读者想要在想要进一步探索时却难以定位。在书末列出了更多总体性的参考资料，包括书籍，期刊和可以用开头进行搜索的网络位置。高性能海洋船舶的设计和性能综合了水动力学和空气动力学两个学科的知识，故读者可以发现这两个领域的参考文献在本书中均有所体现。
速度之激情
早在十八世纪，发明家们就提出了借助风力加快船舶在水中航速的理念；与此同时，空中飞行器的相关试验也逐渐起步。随着机械动力的出现，依赖风力作为首选动力的航海家们体会到了前所未有的自由。海上交通工具不断发展，发明家们逐渐意识到，相比于在水中推进，水面滑行能达到更高的速度。在碟形船舶下方安装喷气推进器，使这曾用于飞机的动力方式在船上得以实现，船上还安装了浮体，使船舶可以从水面起飞，并至少在水面平静时，提供了比粗糙场地上更为容易的起飞跑道。尽管在二十世纪初，一些“业余者”们的研发经历了许多失败，但是当气垫船在水面成功实现滑行或起飞时，发明家们无比兴奋。
在水面上高速航行像是有魔力一样，尤其是在平静的水面上。当你处于河口或湖泊中央的他水面高速航行时，你会感觉自己像暂停了一样，只有掠过脸颊的风才能提醒你自己是有速度的。在气垫船，快艇和一些小型地效翼船上均会有此感受。在小波上航行则像是在鹅卵石上骑车一样，感受与此完全不同。这种颠簸在小船和清醒气垫船上都有所体现，地效翼船因其航行高度可以隔绝这种影响。在恶劣海况中，每种船舶的体验都是不同的。双体船和气垫船的感受就和单体船明显不同。就我个人观点而言，当船体高频率振动时，人们头晕恶心的感觉会更轻，横摇所引起的人的中耳的平衡机制的紊乱也有所缓和。
什么是高性能？其含义随时间而不断变化着。相比于机械动力船，风力船就可以算是高性能船舶了。速度是一个重要因素，尽管通常它与尽可能平稳地横穿波浪联系在一起被考虑。本书的主体是可以高速航行的海洋船舶，主要应用于发动机驱动的船舶，虽然在十九世纪，发动机驱动船只的引入是使航海家们在规划行程时能减少对风力和风向的依赖。与通常的曲折航线不同，这种方式使船舶可以向目的地直线航行而缩短航行时间。需要突出的一点是，过去几十年来，风力船——尤其是多体船在速度方面有惊人的优势。在本书中我们不对其进行主要讨论，因其更容易被认为是科技发展的一个独立分支。从图1.1的三体水翼艇中可以看出，该方面所取得的成就已经相当显著。
高性能船舶是怎么来的呢？驱动力来自于航运市场对航速提高的不断要求，虽然这种驱动在军用和商用船舶之间发生着变换，但自机动船舶诞生之日起，就从未停止过。除商业运输外，用机械功率驱动船舶高速航行对发明家、富豪和贵族们都有不小的吸引力。十九世纪欧美有地位的人物或家族都会建造自己的游艇以供娱乐，机械动力的问世为之提供的极大的便利。追溯到十九世纪初，大型轮船上开始安装蒸汽机以驱动桨轮，并逐渐在航行结束时使用。随着体积的减小和效率的提高，蒸汽机在小型船舶上也得到了应用。一种实用的用途是提供拖力来实现大船在港口内或港口之间的操纵，取代了小型划艇的方式。如图1.2所示，特纳的画作《战斗的特姆瑞尔》就是一个例子，从那时起，这艘拖轮拖着战舰“无敌”与“特拉法加的胜利”号并肩作战。
这个时期的高航速在10节左右，快船和一些高速商船能达到十几节的速度，但大多数船的航速就要低得多。在十九世纪的最初几十年中，欧美就已经成立了游艇俱乐部，他们每年都会为会员们举行赛船会，并鼓励为了赢得比赛而进行的竞争和设计的发展。在英国，皇家游艇舰队在游艇和摩托艇的发展中起了关键的作用。最初摩托艇是被禁止参加比赛的，但在十九世纪二十年代末，苏格兰北方游艇俱乐部在克莱德举办的年度赛艇比赛中设立了蒸汽游艇的挑战，这便使得这种类型的船得以发展。第一艘是为艾瑟顿·史密斯先生建造的船，120英尺长，航速可以达到16节。
英国皇室建造过几艘明轮船，第一艘是“维多利亚和阿尔波特”号，建造于1843年，200英尺长。图1.3展示的是其第二艘明轮船，图1.4是第三艘，建于十九世纪末，可使用螺旋桨推进。这些船只的发展遵循了提供高质量住宿的趋势，并为可能设想的航行提供了舒适的旅程。对于欧洲贵族来说，这主要是白天的游船旅行，或是短途的海岸旅行，而到了十九世纪末，它已经开始运送贵宾和他们的随行人员前往国外进行正式访问。图1.4显示了“维多利亚和阿尔伯特”号访问挪威的克里斯蒂亚尼亚(现在的奥斯陆)。到20世纪中叶，这些船只才开始被用于环球航行，并反映了小型客班轮的发展，先于大规模航空旅行的到来。
由于对富豪和名人仍然具有吸引力，这种类型的船舶还在不断发展。在二十世纪中期，面向富有客户的追求高速度的船舶和速度较慢的长途船舶的建造之间出现了分歧，这些长途船舶可以驻扎在地中海航行一段时间，然后在加勒比地区穿越大西洋航行一段巡航时间。在巡航地点之间对速度的要求主要是能把船主快速送往美丽或隐居之地，之后再以高速返回。回溯到十九世纪八十年代，1882年，查尔斯·帕森斯爵士在英国发明了反应式汽轮机，不久之后，他制造了100英尺长的“Turbinia”示范船，如图1.5，在其2000马力的涡轮机的驱动下，这艘船能以34节的速度进行高速航行，为蒸汽轮机作了一次成功的演示，给陆上工业应用带来了大笔生意。英国皇家海军是非常难得的客户，在1897年维多利亚女王的钻石禧年之际，在怀特岛外的Spithead海峡，Turbinia在海军集装舰队之间进行了高速航行，对其造成了不小的干扰。这一结果正合查尔斯之意，给他做了广告。Turbinia现在位于英格兰纽卡斯尔的海事博物馆，请参阅本书末尾的资源了解位置详情。
当时用往复式蒸汽机驱动的炮艇的设计和建造已经可以实现，这种船可以控制大英帝国的沿海/河口/河流偏远地区，皇家海军利用这一点建造了相当大数量的船只，并把它们部署在英国之外的遥远的中国长江和南美地区。
在帕森斯推出涡轮机的同时，燃油内燃式发动机也被发明了出来，汽车问世了。 1886年，Gotleib Daimler在24英尺的发射中安装了1.5马力的汽油发动机，以展示其使用。这是新的潮流的开始，私人船主们为了获得高航速在船上安装了越来越大的发动机。在19世纪到20世纪之交，航速上升了20节；在20世纪的第一个十年间，航速又上升了30节。第一次世界大战见证了飞机发动机的快速发展并在此后不久就为快艇爱好者提供了机会。在此期间组织了近岸快艇比赛，进一步促进了发展。800甚至上千马力的发动机被安装在了船上，船速可达100英里/小时。
第二次世界大战带来了重量轻的发动机，例如在著名的喷火战斗机中使用的劳斯莱斯梅林发动机，这种紧凑型发动机的功率约为2,500马力。当它在英国的唐纳德坎贝尔被安装在一艘快艇上后，它在瑞士的马焦雷湖上把世界水上速度记录提高到了130英里/小时。可以安全达到这一航速的船型已经从单体船向三点式水上飞机转变。
为高速竞争而建造的船只已经成为一种特殊的设计方法，并为特定的挑战而优化。20世纪40年代，深水海岸课程的竞争推动了深V单体船的发展，而围绕较小的封闭课程的竞赛推动了水上飞机的发展;一开始采用浅V底船型的多级单壳，后来发展到双体船结构，有阶梯侧船体和翼型中心结构。在20世纪50年代，绝对速度记录船从大型往复式发动机和螺旋桨驱动转向飞机喷气推进，而离岸赛艇则在无限制的比赛类别中转向水面螺旋桨和燃气轮机推进。为续航力而储存燃料不是赛船的控制因素，所以功率和推力的传送决定了船速所能达到的极限。极限是由波浪中的船舶稳性定义的，以避免船被抛得太远。就速度记录船而言，关注的波浪只是水面上的涟漪。
如果我们回溯到19世纪中期，当蒸汽推进被引入到帆船中以提高它们的服务航速时，军方支持造船师和造船工程师们进行螺旋推进器的试验，以提高桨轮的性能。考虑到桨轮需要一艘直立的船，以及总是把船向一边或另一边倾斜的船帆之间的矛盾，这是很有趣的。如果船的风帆都是卷起的，我们只能通过波浪来应对。如果机械动力用于离开和进入港口，海洋中不转的桨实际上会造成阻力，这对两侧都装有桨轮的轮船来说是一个严重的问题。
螺旋桨对波浪和船的横摇的反应不敏感。最初的螺旋桨直径较大，转速较慢，由安装在尾部船中的往复式蒸汽机驱动。如图1.6，勇士号战舰是一个例子，它是1860英国皇家海军建造的螺旋桨驱动蒸汽机和风帆结合的战舰之一。想要参观它的话可以到英国的朴次茅斯，因为它已经被修复，并作为一个工作博物馆展出。对功率增加的需求促进了蒸汽轮机驱动的发展，最初是由于直至二十世纪初的第一次世界大战的军方需求，之后是由于想要以最快的速度从欧洲抵达纽约来赢得蓝绶带的横穿大西洋的客班船的竞争。石油取代煤成为燃料，因为它更可以紧凑地储存在船的储罐中，被泵入燃烧器。最初的涡轮机又大又重，适合于非常大的船只，但不适合炮艇，所以这些较小的船开始由往复式蒸汽动力而使用柴油发动机。在小型高速船上，高速柴油机逐渐取代了中低速柴油机，如巡逻艇，作为快速部署防御潜艇的力量，在二战中得到了发展和完善。
巡逻艇的船体与圆润的低速船型不同，他们有平坦的底部，在某些情况下船身为阶梯形，以减小高速滑行时的阻力。这些单体船可以达到50节的高航速，但要达到这样的速度，需要相当大的发动机功率。20世纪40年代，巡逻艇由大型往复式发动机驱动，当燃气轮机一经发明并用于飞机上后，它也被安装在巡逻艇上，使速度达到极限。在此之前，他们借鉴了飞机技术，使用往复式航空发动机作为提供轻型动力的手段，尽管这意味着它们的范围相对较小。
用于驱动这些高速船的螺旋桨由大型低速的设计演变成更小的螺旋形桨叶螺旋桨，后来更像涡轮机上的叶片。透平尼亚（Turbinia）是一个有趣的例子，帕森斯在三根倾斜的螺旋桨轴上安装了几个螺旋桨，以此使螺旋桨低速转动，避免空化，并使有效功率合理分配。造船工程师们花了几十年来完善螺旋桨的设计，使其在空泡现象下能良好运行，见参考文献 [1-3, 1-4]。
在海浪中乘坐滑行艇会让船员感到很不舒服。在汹涌的海浪中乘船就像乘坐没有弹簧的马车在鹅卵石上行驶一样。当海况更加恶劣的时候，船甚至会脱离水面，像海豚的跳跃一样。用这些船当作客船，服务航速就要低一些，大约在20-30节之间。以这种速度航行时,波浪也会造成压力脉冲,但是与高速时的震击力不同。二十世纪前半叶，许多不同的船型被设计了出来,在对推进系统和与之匹配的船体的关注下,推进效率逐步提高。船体的形状也随着倾斜的刨面和“阶梯式”的形式发展起来，“阶梯式”经证明是水上飞机的最佳选择。在过去的50年里，设计师们继续对双体船进行尝试，并更多使用喷水推进而不是敞水螺旋桨推进。
在速度范围达30节的情况下，在滑行升力有限的情况下，可以考虑更有效地优化水面以下的船型，从而减小阻力和垂向运动响应。这使得极瘦长船的固有的横摇稳定性有限，解决这个问题的方法是使船体的水下部分近似于潜艇的形状，并将水线面最小化。事实证明，对于双体船，这种方案是最佳的，因此促进了小水线面双体船的发展。这种船型在开阔海域有波浪的海况下，中速运行时性能良好。当速度范围达到35节以上时，就要讨论穿浪双体船这个概念了。这一船型的最佳速度范围同样很窄（傅汝德数范围），当超过这个速度范围时，所需动力急剧增加。这一概念可以按比例扩大船体规模的优势在商业上取得了巨大成功，也因此推动了近三十年来快速渡轮的发展。在阶梯形形成使船舶可以在分散的小的支撑表面上有效行驶以后，单体船的速度可以安全达到80节左右。双体船对横向稳定性有利，然而当航速更高时，采用中央船体和两侧安装向前的浮体（安置翼）来构成三点式支撑更为稳定。这是英国坎贝尔一家在20世纪30年代至60年代在他们的水上速度记录船中采用的。
在佛罗里达大沼泽地使用的“飞艇”的建造者则采取了相反的行动。基本上说，就是将汽车或轻型飞机发动机安装在一个浅浅的平底驳船的尾部，就像船体驱动一个大的空气螺旋桨，图1.8。这些船在很浅的水域航行速度可达50节。这很令人兴奋，但它们不适合开放水域!它们被用于狩猎、捕鱼和旅游，自20世纪50年代开始发展。
我们关注的是单体故事的主线。20世纪初，意大利的福拉尼尼(Forlanini)等拓荒者尝试用水翼船支持船只，试图将船体与水面分开，从而提高速度。这项工作由瑞士的冯·舍尔特男爵和俄罗斯的阿列克谢耶夫共同推进，实现了商用客船。在20世纪50年代至80年代，亚历克斯耶夫的撇油船在生产线上大量建造，以帮助加速俄罗斯河流动脉的通讯，而冯·舍尔特尔的远洋水翼则在同一时期改变了斯堪的纳维亚半岛和地中海沿岸许多沿海乘客的连接的面貌。第五章将介绍更多这方面的内容。首先，如果我们要加快速度，我们必须减少阻力，同时要保持船体的稳定，这让我们对可行的船型进行探索
运动阻力：水和空气中的阻力
空气的密度是谁的密度的1/800，所以飞机在空中飞行的阻力也比船小得多。只有当它的飞行速度接近声速时，所受到的阻力才开始以明显的高速率增加，这是因其机头和机翼导边的压力波所造成的。
汽车的重量由车轮支撑。当它的轮胎充足气并在平整的地面上行驶时，车轮滚动的阻力增加很缓慢。运动阻力的其它组成部分是车身形状的空气阻力，以及车轮和传动轴在轴承上的阻力。这些阻力成分随前进速度的增长也相当缓慢。空气阻力是最主要的因素，特别是对于时速超过160公里的高速汽车来说，虽然在汽车上安装的大部分电力都是为了使它能从静止加速。
船艇与飞机和汽车不同。根据阿基米德原理，静止时船的重量由水面以下船体的排水体积所提供的浮力所平衡。当一艘船开始运动时，它水线以下部分所受的水阻力就和汽车所受的空气阻力一样，在船舶的速度大到在水中产生垂向反力（动压力）把船舶从水中抬起之前，这一理论都是正确的。当空气动压力可以平衡船的
全文共5950字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[16203]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
