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总师说船26:铸就梦想——“美国”号快速性数据解密(6.64)
“一个男人和他的船”读后感之六
(2017-12-29)  编辑发布:中国船舶在线  

美海军解密松绑 美国

该书说一直到1977年,美海军才决定解密大船的设计特性。让它们公之于众的是约翰·R·凯恩,已退休的前纽波特纽斯船厂的副总经理,曾经差点因为拒绝向美国潜艇之父的海曼·里科弗尔上将(Admiral Hyman Rickover)透露“美国”号的最高航速而失去饭碗。如今可以自由说话的他在1977年11月3日给美国造船和轮机工程师协会的“汉普顿锚地专栏”发表专文介绍“美国”号。

根据“美国”号邮轮的 美国历史意义工程记录” ,海军宣布解密其技术特性于1968年。这是在吉布斯死后一年,也是“美国”号1969年停运前一年。只不过当时已无人关心此事,又过了10年的1977年,约翰·R·凯恩是首位写文披露该船流体动力设计指导思想及其细节,并加以评论的人。

 

“美国”号船型流体动力设计理念

吉布斯的船型设计理念是 以能获得的最大功率与满足使用需求的最轻排水量结合在一个尽可能修长而光顺的船体型线内,同时保证该船以优良的航海性能。为此必需进一步地认真而细致地考虑到各个细节的完善和改进。 实际上,这与当年战斗舰艇的设计理念十分吻合。

 

 图 1“美国”号型线图横剖面,包括长轴包套型线


凯恩还指出:“美国”号邮轮获得高航速的方法对于达纳尔特·马凯(Donald Mackay),威廉·韦伯(William Webb)或是在飞剪船型盛行时代(clipper ship era)里的任何一个建造师和设计师来说,都不是一件会引起什么惊讶的困难事。确实这并非难事。

 凯恩披露了“美国”号的船型和螺旋桨的型线图,详细给出它的船模阻力和自航试验结果以及船厂与正式交货试验时的实船测速结果,十分宝贵。

“美国历史意义工程记录” 给出该船完工状态的主要要素。现摘自该“记录”的“美国”号的一些主要要素如下:

设计水线长: 286.5m
设计吃水: 9.525m
设计排水量: 45400 long tons = 46128.7 tons
空载排水量: 31311.6 tons

额定功率: 158000马力(最大持续功率的66%,实际运营无需第4套锅炉工作)
最大持续功率: 240000马力
试航最大功率: 247785马力
服务航速: 33 节

我的注释 :对应的功率按船模试验为127000马力,按实船试航则较前者又小约4%,但绝不会超过158000马力)
最高测速航速: 38.32 节
35 节的续航力: 10000 海里
燃油舱装载量: 10481.6 t 燃油
载客数: 2008人
船员: 1093人
可载部队的理论人数: 13035(也有说包括船员在内的总人数为13864)
造价: $7770万美元

 

我的注释 :对凯恩首次披露“美国”号的船型系数,我做出如下摘录与比较:

表1 “美国”号与其他邮轮以及同时代驱逐舰的一些比较

要素与舰船名称

“美国”号邮轮

“美洲”号邮轮

“玛丽皇后”号

苏联56型驱逐舰

建成年份

1952

1940

1936

1956

长宽比

9.26

7.73

8.61

9.516

宽度吃水比

3.248

2.8.5

3.76

3.10

船长型深比

12.66

7.56

11.02

15.94

型深吃水比

2.376

2.91

2.37

1.85

方型系数

0.531

-

0.590

0.503

舯剖面系数

0.950

-

-

0.820

水线面系数

-

-

-

0.757

菱形系数

0.559

-

-

0.614

最大航速V,节

38.30

22.5

30.60

38.0

傅汝德数 Fr="V/(gL)1/2

0.370

0.25

0.285

0.575

 注:计算中“美洲”、“玛丽皇后”号均取总长。

由此可见,吉布斯为“美国”号选取船型方形系数为0.531,菱形系数为0.559, 在同类邮轮中均属小者。长宽比达9.26,船体自然狭窄细长,显而易见,这是为了尽可能减少30节以上高航速段时的船体兴波阻力。“美国”号的傅汝德数超过当时任何一艘邮轮而接近当时的驱逐舰设计实践,其38节航速的傅汝德数达到0.37,必然引起其航行阻力的猛增,需要大幅度的功率才能满足其需求。因此,它装备总功率达24万马力的主机和达到的高航速是当年任何一艘邮轮只能仰望而不能及的。

 

图 2“美国”号型线的侧视图,绘出尾部的单舵以及螺旋桨位置


 吉布斯承认,他设计的“美国”号与德国的“利维坦”号和“欧罗巴”号的长宽比惊人一致。根据网上资料估算,它们的长宽比都达到9.0以上。而与之不同是在他设计的邮轮,主船体的型深和上层建筑却比它们低矮。“美国”号船首前倾,设置小型球鼻则不同于欧洲的邮轮,显出其独特风格。实际上,“美国”号的船型已经很接近当时国际上的驱逐舰设计实践,其船体的刚度也不大。例如表中给出稍晚建成的苏联56型驱逐舰的要素。

 

 图 3“美国”号,1952年7月首航雄姿

 应该说,这一主尺度及其船型系数的设计选取,对当年通行的跨洋邮轮设计,是一个突破;它已向当年高速舰艇设计实践趋近,但是这却对吉布斯出了一个难题,那就是怎样保证其船舶稳性和抗沉性,以及船体和上层建筑的强度。

为此,吉布斯不得不率先、大量采用昂贵、工艺复杂的造船新材料 – 铝合金来建造船舶的全部上层建筑,其次则是尽可能广泛、大量采用铝制品的舾装和内装件,包括后来被证明为有害物质的石棉制品,藉此显著减轻船舶的上部重量。全船几乎不采用任何木材及其制品,除了钢琴和厨房的砧板。吉布斯选择24万马力的主推进系统,其总重量相对较轻,装载上万吨重的燃油,才保证该船合适的重心高度以及必要的稳性。这是吉布斯不得不承受,且秘而不宣的隐情。这个设计决策的代价昂贵,致使没有政府的高额补贴和营运补贴,“美国”号就根本建造不成,营运不成。

我的注释 :例如,较其后10年建成的“法兰西”号邮轮175000马力的总功率、4轴推进的蒸汽轮机动力装置总重量达8000吨之多,可见“美国”号动力装置重量怎么也得在8000-10000吨光景,这将占据了该船31311.6吨空载排水量约30%的重量。

下一篇是系列之六:铸就梦想:“美国”号快速性数据解密(6.65)

 
来源:严宝兴 心系舰船
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