打开主菜单
輪機室發動機

輪船指用機械發動機推動的隻,多用鋼鐵製造。舊時輪船是以蒸汽推動外部明輪輪槳的蒸汽船,現代輪船多用渦輪發動機,而内燃機和核動力也成爲輪船新的動力來源。。

2016年為止,全世界的商船英语merchant ship超過49,000艘,其載重噸位將近18億噸,其中有28%是油輪、43%是散货船、13%是貨櫃船[1]。海軍也會利用大型船隻進行海战或是运输和支援陆上的部队英语sealift。2016年為止,在全世界104個海軍當中,北韓朝鮮人民軍海軍有最多水面船隻(967)、接著是中华人民共和国中国人民解放军海军(714)、美國海軍(415)、伊朗海军(398)及俄罗斯海军(352)。前五十大的海軍平均軍艦數量為88艘[2]

歷史编辑

轮船一般有狭义和广义两种用法,轮船的推进有两种方式,一种是原始的以人力踩踏木轮推进,一种是以螺旋浆推进。狭义的轮船是指用汽轮机推进的船只,即蒸汽船。1807年,美国人罗伯特·富尔顿建造了世界上第一艘蒸汽机动力的轮船。在这里,轮成为以连续运动代替间歇运动的机械。[3]

近代轮船发展史上,第一艘成功的有蒸汽机动力的蒸汽船于1776年在法国下水。1807年,美国发明家和工程师罗伯特·富尔顿是第一个成功的将蒸汽轮船投入商业使用的人。不过20世纪涡轮发动机投入使用后,以蒸汽機为动力的轮船就逐渐被其淘汰。

種類编辑

因為船是依照相同的航行結構原理所設計的,其分類會依其功能來分類(這也是Paulet和Presles建議的分類法)[4]。以下是一些船隻設計師大致認同的分類[來源請求]

有驅動動力的拖網漁船英语fishing trawler围网渔船英语Seine fishing延绳漁船拖釣船英语Trolling (fishing)工廠船
電纜船英语Cable layer
拖船挖泥船英语dredger打撈船、引水船英语Pilot boat
浮動旱塢、起重機船载驳船英语Lighter aboard ship
  • 乾貨船:流动货轮、散货船、货物运输船、集装箱船、驳船,Ro-Ro船、冷藏货船,木材运输船,畜牧和轻型车辆船
  • 液貨船:油船、液化气貨船、化学物質貨船。
  • 客船
定期船、邮轮和特殊貿易客船(STP ships)
海峽渡轮、沿海渡轮和海港渡轮

結構编辑

在任何大小及用途的船隻中,都有一些類似的元素。船都會有船体,也都會有推進系統,早期輪船的推進系統是蒸汽機,現代輪船多用渦輪發動機,有些也用內燃機或是核反應爐。大部份的船隻也都有駕駛系統。輪船也會有隔間,貨艙,上層建築,以及錨和絞車之類的設備,不過不一定每艘船都有。

船体编辑

 
船体需要承受海上惡劣的環境,圖中的是在惡劣天氣下的冷藏船英语reefer ship

船要浮在水中,其重量需要比船體等體積的水要輕[5]。。船隻可能只有一個船體(單體船,monohull),也有可能有二個船體(雙體船、catamaran)甚至三個船體(三體船英语trimaran、trimaran)。超過三個船體的船很少見,不過有實驗曾經用到五個船體。多船體的船,各船體一般會彼此平行,而且會用剛性臂連接。

船体可分為許多部份,船首是船体最前面的部份,許多船會有球狀船首龙骨是船体的最下方,從船的最前面延伸到最後面。船體的最後面稱為船尾,許多船後方有平坦的區域,稱為方艉英语transom (nautical)。常見的船體附件有推進用的螺旋槳,控制方向的,避免船隻橫搖的穩定器英语Stabilizer (ship)。其他船體的特點和船隻用途有關,例如漁具及聲納

船体會考慮許多流體靜力學流體動力學的要求,最重要的流體靜力學要求是可以支撐整艘船的重量,在載重不均勻分佈時也可以維持穩定。流體動力學的限制包括可以承受波浪的震動、氣候的影響以及擱淺的影響等。

較早期的船(或是遊樂船)可能會用木製的船體。現今的船多半使用鋼為船體材料,快速船隻可能會使用鋁,帆船及遊樂船常用複合材料,有些船是混凝土船英语Concrete ship,以混凝土為船體材料。

推進系統编辑

 
輪船的引擎室

船的推進系統英语propulsion systems可以分為三類:人力、航行或是機械推進。輪船一般是指機械推進的船隻。

機械推進系統一般會包括馬達或是引擎等動力源,動力源會帶動螺旋槳,也有些會帶動葉輪波浪推进鳍英语Wave power ship。最早期的動力源是蒸汽机,後來就改用两冲程循环四冲程循环的柴油引擎、舷外马达,較快的船會使用燃氣渦輪發動機军舰破冰船會使用核反應器英语Nuclear marine propulsion,目前也嘗試用在商船上,例如NS Savannah英语NS Savannah

最傳統的螺旋槳有固定螺距和可控螺距螺旋槳,後來也有一些變化,例如反向旋轉和噴嘴式推進器。大部份的船隻只有一個推進器,不過有些大型船隻會到四個推進器,加上橫向推進器英语bow thruster,以便在港內航行。推進器是透過推進軸和主引擎連接,若是中速或是高速的引擎,會加上減速箱。有些現代的輪船有柴电动力系統,船上有發電機產生電力,再用電力帶動馬達及推進器。

轉向系統编辑

 
渡輪的舵和螺旋桨

若船舶的兩側都有推進系統,例如一些外輪船[6],就不需要轉向系統。不過大部份用單一推進器驅動的船,就需要有轉向系統。最常見的轉向系統是,是在船尾水下的平面。在船要轉向時,會轉動舵,以產生側向力。舵可以透過舵操縱桿英语tiller、手輪或是電子油壓系統來驅動。自動駕駛系統會結合機械的舵以及導航系統。有時會用导管螺旋桨英语Ducted propeller來轉向。

有些推進系統本身都有可轉向的特性,例如舷外馬達英语outboard motor船首推進器英语bow thruster以及Z-Drive船英语Z-drive

貨艙、艙室及上層建築编辑

大型船隻會有多個甲板和艙室。漁船和貨船通常具有一個至多個貨艙。大型的輪船會有輪機室、廚房英语galley (kitchen)及許多的工程艙。船上會有儲存油料、機油及淡水的油槽及水槽。壓載艙可以調整船的俯仰,並且調整其穩定性。

上層建築(船艛建築)是在甲板上方的結構。在現代的貨船上,上層建築一般是在船的後方。在客船和軍艦上,上層建築會延伸到船的前面。

設備编辑

船舶上的設備會受到許多因素的影響,例如時代、設計、航行區域以及用途。以下是一些常用到的設備:

  • 桅杆可以安放天線、導航燈、雷達應答器、霧信號燈,以及法規上要求的類似設備。
  • 錨具英语Ground tackle設備包括錨泊絞車、錨機以及錨。船在淺水中繫泊英语mooring (watercraft)時會用到錨,一般會用繩索或是鏈條和船連接。較大型的船隻會用锚链筒英语hawsepipe來操作鏈條。
  • 貨物設備包括有起重机吊臂,可以用來裝貨以及卸貨。
  • 安全設備包括有救生艇、救生筏(Life raft)及救生衣,是在緊急情形時使用。

設計考量编辑

流體靜力學编辑

船浮在水面的水位,會使船舶排開的水重量等於船舶的重量,因此船舶的重量會等於水的浮力。當船吃水的深度變深時,船的重量不變,但其船體排開的水會因此變多,因此浮力會增加。若船的載重平均分配,船的浮力也會沿著船長及船寬英语Beam (nautical)均勻分佈。船舶的穩定性會考慮其水力靜力英语Initial stability,以及在移動、横摇及浮仰時,以及受到風和浪影響時的船穩定性英语Ship stability。船若有穩定性問題,可能會造成異常的横摇及浮仰,甚至會造成傾覆和下沉[來源請求]

流體動力學编辑

 
德國戰列艦Schlesien的鳥瞰圖,其中有39°的开尔文船波,是船舶通過水中的特徵
 
船舶沿著三個軸的運動: 1. 升沈,2. 搖擺,3. 縱移,4. 迴轉, 5. 俯仰,6. 側搖

船在水中的前進會受到水阻力的影響。阻力會分為幾個成份,主要的是水在船體的阻力以及造波抵抗力英语wave making resistance。為了降低阻力,提昇船的速度,需要減少船的浸水面積,使用可以產生較小振幅波浪的浸沒式船體。因此,高速的船往往會有較斜的船身,其船舶附體也會較少及較小。若定期維護船體或用生物附着塗料,去除船體上附著的海洋生物及藻類,也可以減少水的阻力。球狀船首等先進設計也可以減少波浪阻力。

有個觀察造波阻力的簡單方式,是看船體和开尔文船波之間的關係,若船的速度比浪的傳播速度慢,浪會快速的在船邊消散。若船頭產生浪的速度比消散的速度要快,其振幅會增加。因為水無法以夠快的速度離開船體,船體需要越過或穿過船首波浪,因此隨著速度的上昇,其阻力會依指数函数上昇。

船體速度英语hull speed的公式如下:

 

若考慮米制單位,速度如下:

 

其中L為在水中的長度,單位是英尺或公尺,而船體速度的單位是(每小時1海里)。

若船的速度超過船體速度的0.94倍,船會越過大部份的bow wave英语bow wave,船體只被二個浪的浪尖所支持,在水中會略為沈降。若船的速度超過船體速度的1.34倍,浪的波長其實比船身還長,並且船尾不再受到尾流的支撐,因此船尾會往上,船頭會上昇,船體會越過船本身產生的船首波,阻力會開始快速上昇。有可能以超過船體速度1.34倍的的速度來驅動排水型船隻,但其成本可能會過高。大部份的船隻都會在船體速度以下的速度行進。

若是有足夠資金的大型項目,可以用船體測試池來測試船體阻力,或是透過计算流体力学的工具來計算。

船也會受到波濤涌浪英语sea swell的影響,也會受到天气的影響。這些造成的船隻運動會影‵響船上的設備及乘客,最好可以加以控制。側搖的運動可以透過壓載艙或是穩定器英语Stabilizer (ship)來控制。俯仰很難控制,而且若是船首浸入海浪中(稱為拍底,Pounding),會格外的危險。有時為了使劇烈的側搖或俯仰可以停止,船隻需要改變速度或是航向。

透過21世紀的科學研究證實[7][8],若考慮分叉点记忆英语bifurcation memory的影響,有時船舶的穩定性會快速下降。有影響的有有機動能力強的船舶,飛機和受控水下航行器,這些在特定應用下的穩態時會設計為不穩定。在設計船隻以及在臨界條件控制時,需要列入考慮。

參考資料编辑

  1. ^ Hoffmann, Jan; Asariotis, Regina; Benamara, Hassiba; Premti, Anila; Valentine, Vincent; Yousse, Frida, Review of Maritime Transport 2016 (PDF), United Nations: 104, 2016, ISBN 978-92-1-112904-5, ISSN 0566-7682 
  2. ^ Editors. Total Navy Ship Strength by Country. globalfirepower.com. 2016 [2017-02-26]. 
  3. ^ De Rebus Bellicis (anon.), chapter XVII, text edited by Robert Ireland, in: BAR International Series 63, part 2, p. 34
  4. ^ Paulet, Dominique; Presles, Dominique. Architecture navale, connaissance et pratique. Paris: Éditions de la Villette. 1999. ISBN 2-903539-46-4 (法语). 
  5. ^ Boats – Why do they float?. Environmental Involvement for Young People. [15 November 2012]. 
  6. ^ 幾乎所有單引擎的外輪船,外輪沒有加上離合器,是永久性的耦合,因此無法用來轉向。只有一些有分離引擎的船才可以轉向。不過英國皇家海軍為了要有較好的操控性,自1970年代起開始使用带桨的柴油电动港口拖船
  7. ^ Feigin, M I. Проявление эффектов бифуркационной памяти в поведении динамической системы [Manifestation of the bifurcation memory effect in behaviour of dynamic system]. Soros Educational Journal (journal). 2001, 7 (3): 121–27. (原始内容存档于November 30, 2007) (俄语).  已忽略未知参数|url-status= (帮助)
  8. ^ Feigin, M; Kagan, M. Emergencies as a manifestation of effect of bifurcation memory in controlled unstable systems. International Journal of Bifurcation and Chaos (journal). 2004, 14 (7): 2439–47. ISSN 0218-1274. doi:10.1142/S0218127404010746. 
  • 現代漢語實用詞典編委會. 現代漢語實用詞典. 南方出版社. 1996. ISBN 7-80609-126-2. 
  • 現代漢語詞典審定委員會. 現代漢語詞典(第5版). 商務印書館. 2005. ISBN 7-100-04385-9.