为啥052d的最大航速才30节左右？和二战的战列舰差不多
posted on 05 Oct 2021 under category 工程技术
正如民航飞机的最大飞行速度受到音障的限制一样，常规排水型船舶的最大航速受到行波消散速度的制约，也存在一个理论极限，可类比音障，称为 “波障”。
船舶在水中运动时产生的行波波长与船只水线长度相当，传播速度则与波长的 1/2 次方成正比，为即
速度 (米/秒) = [(水线长 x 重力加速度) / (2 x 圆周率)] 的 1/2 次方，
将速度单位转换为节后，可近似得出以下结论
行波传播速度 = 2.43 x 水线长的 1/2 次方
低速航行时，行波传播速度远大于航速，能量迅速消散，波高很低，船舶总阻力由以摩擦阻力为代表的粘滞阻力主导，随着航速提高，兴波阻力逐步增大，中等航速时与摩擦阻力平飞秋色。中低速航行时，阻力与航速的 2 次方成正比，推进功率因此与航速的 3 次方成正比。
高速航行，船速接近行波传播速度，即波障时，船首波 (兴波阻力的主要制造者) 无法及时消散，能量不断叠加，波高迅速增大，兴波阻力主宰阻力构成，并成航速的 4-5 次方增长，推进功率于是以航速的 5-6 次方提升。
正如只要动力够充沛，砖头也能突破音障一样，常规排水船舶也能靠巨大的推进功率使航速达到波障以上，但代价实在太大，假设某船型的波障速度为 30 节，则航速增加 10%，达到 33 节需要 61-77% 的额外功率。所以高速船舶必须使用排水型之外的船型。
滑行体和半滑行体一方面利用冲压力将船体抬出水面，减少浸润面积，从而降低阻力，另一方面滑行/半滑行状态下船体事实上骑行于船首波之上，而不象常规排水型船舶一样徒劳无益地试图推开或 “翻越” 船首波，航速得以大幅度增加。半滑行体的理论最大航速 (阻力急剧增大的节点) 大约是水线长的 5.4-5.5 倍，此航速以上必须使用滑行体。由于单位船底的冲压力是有限的 (就如同机翼翼载不能无限增大一样)，滑行体只适用于小型船舶，3000 吨的 LCS-1 “自由” 级只能使用半滑行体，其船体水线长为 98.8 米，理论最大航速因此不超过 54-55 节，试航中跑出的 47 节相当于飞机的马赫 0.86。
半滑行体即使高速航行时，抬出水面的船体也是有限的，突破波障的更重要原因在于船体骑在了首波之上。但这样一来，半滑行舰只必须推着能量水平相当高的大型船首波向前移动，功率消耗很大，LCS-1 “自由” 的推进功率远在 LCS-2 “独立” 之上由此便不难理解了。
穿浪体利用狭窄锋利的船首将行波切开，达到减阻效果，由于船首体积小，占船体总浮力比例小，船体不会在船首波作用下抬头埋尾，而是破浪前进，原理与超音速飞机的尖锐机头颇为相似。小水线面船的大部分浮力由潜体产生，水线截面比穿浪体更小，形状更为狭长，减阻效果也就更好。
气垫船完全脱离水面，没有任何兴波阻力。水翼船和表面效应船与水面接触的面积很小，兴波阻力也就极低。上述船型因此均能达到远在波障速度之上的较高航速。
球鼻首能产生与船首波相互抵消的行波，减阻效果可达 15%，但对波障速度没有明显作用。水面战舰的任务航速范围极宽，无法针对所谓典型航速设计球鼻首，且在首部安装声纳导流罩的需要，也使为巡洋舰，驱逐舰，护卫舰等配备球鼻首很不现实。但任务航速范围较狭窄，且通常不配备大型声纳基阵的航空母舰，大型两栖舰，补给舰等可使用球鼻首。
大型船舶通常将最大航速控制在波障的 3/4 以内，避开兴波阻力的高指数上升区。波障的存在使得长度较短的排水型舰只必须消耗巨大的推进功率才能达到航空母舰等大型战舰的航速水平。
水线长 317 米的 CVN-68 “尼米兹” 级航母的波障速度约为 43 节，以 31.5 节设计航速移动时，相当于飞行器的马赫 0.73，仍处于中等航速区间，194 兆瓦的推进功率绰绰有余 (实际上 130 兆瓦就够了)。
相比之下，水线长 142 米的 DDG-51 “伯克” 级的波障速度大约是 29 节，31.5 节航速需要的推进功率比 29 节时高出 51-64%！故而尽管 “伯克” 的排水量仅为 “尼米兹” 的 1/10，推进功率却高达 75+ 兆瓦，功率密度是后者的 4 倍。
水线长 161.2 米的 CG-47 ‘提康德罗加” 级导弹巡洋舰波障速度为 30.9 节，32.5 节全速航行时需要 29-35 % 的额外推进功率，排水量比 “伯克” 级略高，但推进功率只有 63 兆瓦。
由于波障的存在，大型战舰的高速功率密度明显低于中小型战舰。
“伯克” 级的波障速度是 29 节，跑到 30 余节时动力消耗异常巨大，与战斗机开加力的情形类似。
CG-47 ‘提康德罗加” 级导弹巡洋舰的波障速度为 30.9 节，比 “伯克“ 级高出近 2 节，因此最大航速下的动力消耗明显低于短胖的 ”伯克“ 级。
Queen Mary 2 邮轮，全长 345 米，水线宽 41 米，尺度与 MD 超级航空母舰相似，安装了效率极高的减阻球鼻首，配备 4 台 “美人鱼” 外挂电动推进吊舱，总功率 86 兆瓦，最大航速 30 节。动力系统由 2 台 25 兆瓦的 LM2500 和 4 台 16.8 兆瓦的瓦锡兰16V 46C-CR 柴油机组成，总输出电功率约 117 兆瓦，高出推进功率的部分主要由电气系统消耗，另有一小部分为传输损失。
054A 型导弹护卫舰的水线长大约是 120 米，波障速度为 27 节，推进功率 22.8 兆瓦，尺寸和吨位类似的 FFG-7 “佩里” 级水线长 124 米，推进功率 31 兆瓦，波障速度 27 节，最大航速 29 节。很显然，054A 的最大航速基本没有可能超过 28 节。
051B/C，052B/C 的长度与 “伯克” 相似，波障速度 29 节，动力则远不如 “伯克” 强劲，不过船型与 “伯克” 相比更为修长，可降低兴波阻力，最大航速或许能达到 31 节。
长 397 米，宽 56 米，满载排水量超过 17 万吨的 Edith Maersk 号巨型集装箱船，波障速度高达 48 节左右，其 25.2 节的巡航速度只及波障的 52.5%，此时兴波阻力尚未主宰阻力构成，80 兆瓦的推进功率便满足了如此庞然大物的动力需要。
由于接近和突破波障速度时兴波阻力急剧增大，航速 30 余节的万吨级驱逐舰的动力消耗，有可能超过航速 28 节的 4 万吨级航空母舰。印度建造中的 4 万吨 “维克兰特” 号航空母舰配备 4 台 LM2500+ 燃气轮机，总功率可能达到 80-100 兆瓦，船长 262 米，水线长应不小于 240 米，波障速度近 38 节，跑到 28 节只相当于马赫 0.74，阻力构成与 32 节航速的 MD 超级航空母舰相当，动力消耗不超过 MD 航母的 60% (阻力构成相似，船型接近时，阻力与浸润面积成正比，即与吨位的 2/3 次方成正比)，4 台 LM2500+ 提供的输出功率完全能够满足需要。
全部没入水中的潜艇不产生兴波阻力，高航速时功率仍以航速的 3 次方增长，且潜艇基本不受恶劣海况影响，攻击型核潜艇的实际航速往往超过设计速度与其相似或略高的水面战舰。
注意：本文中的高速功率计算完全忽略了水面舰只阻力构成中的摩擦阻力等成分，略为偏高，实践经验显示波障附近的阻力增幅略低于航速的 4 次方，所需功率增长相应地不超过航速的 5 次方，尽管如此，波障造成的额外动力消耗仍是十分惊人的。FFG-7 “佩里” 级 只需 1 台 LM2500 即可轻松跑出 25 节，却必须将 2 台 LM2500 开足马力才能达到 29 节的设计最大航速。
此外正如突破音障后阻力会有所下降一样，航速超过波障区 (大约是波障速度的 0.9-1.2 倍) 后兴波阻力也会出现一定程度的降低，因此二战时的排水型驱逐舰依靠超强的动力，细长的船型，能跑出接近 40 节的高航速，但消耗的动力也是惊人的，功率密度接近 LCS-1 “自由” 号，且高速稳定性很差。
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