CN101357682A - 四联体航空母舰及四联体船型 - Google Patents

Abstract

本发明为“四联体航空母舰”和“四联体船型”四联体航空母航是一种全新概念的航空母舰。它的主要特征是：其船体由四艘呈长方形对称分布排列的主船体分体(亦称分船体)，通过钢箱梁、上甲板、机库甲板、辅助层甲板、飞行甲板等上层建筑结构联为一体，形成一艘完整的航母。四联体船是由四联体航空母舰派生出的一种全新概念的新船型。四联体船型的主要特征与四联体航空母舰的船型特征大体相同。区别主要表现在上层建筑有所不同。四联体船的四艘分船体仍然由钢箱梁、上甲板、上层建筑结构联为一体，形成一艘完整的船舶。作为民用用途的四联体船型比较适合用于大型集装箱船和大型远洋客轮的设计。在动力方案方面。四联体航空母舰宜采用核动力。(当然，必要时也可采用常规动力)。采取四艘分船体同时布置核反应堆以蒸汽轮机推进，每个分船体以双轴双桨同时推进。民用四联体船宜采用常规动力方案。四联体船在稳性和耐波性方会显著优于单体船。在相同排水量的情况下四联体船的上甲板可以比单体船宽广得多。这有利于四联体船向大型化、超大型化方向发展。

Description

四联体航空母舰及四联体船型

技术领域

本发明涉及一种全新概念的四联体航空母舰及一种全新概念的四联体船型。

背景技术

自航空母舰诞生以来近百年了，其间经历了一个不断演变完善的过程。目前全世界现有的航空母舰无论大小均为单体船型，其中美国的航母技术最为成熟，其在航空母舰的设计、建造、维护保养，乃至战术使用都处于世界领先水平。为增加高海情下航母的稳性，改善航行性能，进一步提高航母的技术、战术水平。美国人在不断增大航母的排水量。通过增加排水量可以改善单体船在高海情下的稳性及其它各项航行性能指标。但单体船自身的船型特点决定了这种改善是较有限的，不是根本性的。同时不断加大的主船体也给设计建造带来了相当大的难度。很久以来人们一直梦想一种能解决这些问题的理想船型。经过许多科学家、工程师不断努力，上世纪七十年代一种叫小水线面双体船的新船型的船舶，终于在美国设计完成并建造出来。人们很快被它的优良的航行性能所折服，可以说它从根本上解决了船舶的横向稳性问题。于是人们对于它未来广阔的用途前景作了种种预测，尤其是对它可用于航母的船型设计作了比较乐观的预测。但差不多三十年来小水线面，双体船的理论及设计建造技术日趋成熟，但目前小水线面双体船仍是在民用方面较多，并取得很好的效果，在军用方面，特别是用于航母设计还鲜有报道，是什么原因呢？我个人的观点以为小水线面双体船的船型特点决定了它不适合铺设固定翼飞机要求的超长的飞行甲板，这是其一，其二小水线面双体船对载荷变化十分敏感，航空母舰的航空油料、淡水等物资的动态变化十分巨大，它是无法适应的。不过把它作为直升机航母，以为是很合适的。另一种与四联体船性能相似的船型是一种叫高速穿浪船的双体船。速度可达45节以上。它的性能从实质上讲与小水线面双体船是相同的。为了减少纵摇，穿浪船在中央船体首部设计了一V型船首，平时不接触水面，在纵摇严重时才接触水面，以调整船姿态。目前澳大利亚、美国等对该船型十分重视，美国海军投入巨资研究。该船型与小水线面双体船一样无法铺设超长甲板，纵稳不够理想。

发明内容

针对小水线面双体船无法铺设超长飞行甲板，以及纵向稳性还不够理想等不足，我提出了四联体船型和四联体航空母舰的概念。四联体船型最初的设想就是专门用于航空母舰设计。但后来的分析发现这种船型用于大型集装箱船，大型远洋客轮等民用船舶也非常合适，并会取得十分理想的效果。实际上四联体船型主要改善了单体船在高海情下的航行性能和正常作业问题。解决单体船和各种类型双体船在作为大型、超大型航空母舰设计时，铺设300米以上甚至400米以上超长飞行甲板所遇到的设计建造困难。解决高海情下舰载飞机的起飞着舰问题。

所谓四联体船是由四艘呈长方形对称分布排列的主船体分体(或叫分船体)，通过上甲板、钢箱梁、联结层甲板，上层建筑等结构联为一体，形成一艘完整的船舶。而所谓四联体航空母舰就是以四联体船型为总体方案设计的航空母舰。基本特征是四艘(个)呈长方形对称分布的主船体分体通过钢箱梁、上甲板、机库甲板、辅助层甲板、飞行甲板等上层建筑联为一体组成一艘完整的航母。所谓主船体分体(或分船体)其实质就是一艘传统的单体船的主船体部分。在特殊要求的情况下分船体可以设计成特殊的单体船。就作为航母设计而言，分船体的设计首先要考虑快速性。第二要考虑适于装置核反应堆，大功率汽轮机。第三要考虑四艘分船体为航母提供足够的排水量。第四分船体的型深要保证航母有足够吃水深度以满足安装大直径螺旋桨的需要，同时分船体有足够干舷以使上甲板底面离海面有足够高度，防止高海情下巨浪对甲板的冲击。也可以使舰载机某些情况下起飞速度偏低时不致于触水失速。总之分船体的船体型线的具体设计是应该综合考虑各方面的因素来确定。而不能片面追求某一方面的性能。四联体船和四联体航空母舰采用的四艘分船体。可以是完全相同的单船体，或者前排两艘，后排两艘分别两两相同。采用大的长宽比设计，以保证船的快速性。

在动力方案方面，有多种方案可供考虑。但建议四联体船型用于航空母舰设计时，还是采用核动力方案最佳。因为续航力是航母重要的战术指标之一。采取四艘分船体分别布置核反应堆，以蒸汽轮机，用双轴双螺旋桨同时推进。如果以四联体船型为方案设计中、小型航母，并作为护航航母使用，则可以仅在后排两分船体中布置核动力装置。而前排两艘分船体可以主要用来布置航空燃油舱和储备淡水舱。不论哪种类型的四联体航母，把布置核动力装置、蒸汽轮机、发电机等装置后的分船体剩余空间设计成航空燃油储备舱。而上甲板，飞机库两侧除飞机升降平台的剩余空间应布置淡水舱，人员生活舱，飞行员待机室等。大型集会场所、集体餐厅、邮局、娱乐场所、消防室、零部件维修加工车间均可考虑布置在飞行甲板层结构之下的辅助层。当然任何一个完善的设计都必须在给出完整的设计要求和具体的技术、性能指标之后，在依据具体情况结合这些具设计要求及指标加上科学合理的研究分析，才能最终确定。因此，以上谈的只能作为具体设计时的一个参考，而不能作为一个固定模式或最终模式。民用四联体船宜采用常规动力方案。其发动机、传动轴、螺旋桨的布置方案也可有多种，可根据具体设计要求由设计人员灵活决定。

关于船舵与航向控制方案，四联体船采用后一组两个分船体的船尾各设置一个船舵，以双船舵调整控制航向。而当船舶要进行大角度或回转性的调整航向时，还可采取一侧分船体加速，而另一侧分船体发动机减速停车，甚至倒车来实现船舶的大角度转向或作小半径圆周运动。

关于舰载机的起飞着舰方案。设计超大型四联体航空母舰，有一个重要的目标，就是要让航空母舰抛弃蒸汽弹射器，让舰载机直接从航母起飞。如果舰载机不再需要蒸汽弹射器就能直接从航母起飞，其优越性是不言而喻的。这个目标能不能实现呢？答案是肯定的，如果我们以四联体为船型方案，以我国现有的造船技术，我们完全可以建造超大型四联体航母，其飞行甲板可以长达600米，甚至更长。如果配以特别研制的舰载机，是能够实现这一目标的，而舰载机起飞距离能低于300米的话，那么飞行甲板长度在480米以上的航母均可以考虑不要蒸汽弹射器。

关于舰岛的布置位置有两种选择。当飞行甲板宽度在110米，长度在480米以上时可以考虑布置在飞行甲板前端居中位置，而低于这个标准，仍然按传统办法，布置在飞行甲板右侧或左侧，靠前部布置为宜，飞机升降平台依据航母大小设计4-6个为宜。

由于本发明主要是提出一种新船型。有关四联体航空母舰的各种搜索雷达、火控雷达、导航系统、通信系统、武器系统和其它各种辅助、后勤系统等等，均不是本发明涉及的内容。因此，在这里就不作论述。其方案和设计可由设计人员在具体的设计工作中根据具体的设计要求来加以论证解决。

四联体船型和四联体航空母舰同现有的船型和航母相比有许多突出的优点。就船型而言，常规的单体船型在稳性、耐波性、抗沉性、操纵性是无法相比的，都大大逊色于四联体船型。相同排水量下，四联体船型的甲板面积可以比单体船成倍增加，十分有利于各种舱室及各种上层建筑的布局设计。这一优点在四联体船型应用于航母设计时将显得尤为突出有利。四联体船同性能与它十分相似的小水线面双体船相比也有不少优点。小水线面双体船由于支柱水线面狭小，导致了它对载荷变化十分敏感，这就使它不太适宜常规货物运输。而四联体船的四个分船体采用常规船体，水线面较大，就不存在这个问题。同时由于受到小截面积支柱的影响，小水线面双体船在装配维修方面比较困难，不如四联体船方便，小排水量的小水线面双体船尤其如此。更重要的一点，四联体船的船型特点决定了它可以拥有比小水线面双体船大1-2倍，甚至更多的甲板面积，更有利于向大型化、超大型化方向发展。

四联本船型应用于航空母舰设计时，其各种优越性能将更加突出的表现出来。这是由它船型结构的特点产生的独特效果。海洋环境是十分恶劣，而且变化无常，现代的海洋观测预报手段已十分先进，但海洋预报准确率远不能达到100％。特别是对热带风暴形成的时间，行走的路径，影响的范围不能准确预报。因此，航行于茫茫海洋中的船舶难免不遇上几次风暴和巨浪，这个时候就是几万吨的巨轮也会诚惶诚恐，摇摆不定，巨轮也显得渺小了。而排水量相对较小的小水线面双体船在同样环境下的表现会好得多。这已为行多有关实际使用中的小水线面双体船的性能报道所证实。四联体船左、右两侧分别设计分船体的结构形式与小水线面双体船分左、右两侧设计水下船体的形式，在实质上是一样的。因而也会取得相同的效果。那么单体船型为什么耐波性不佳呢？这其实是一个很简单的物理原理。绝大多数单体船不论大小其船体横截面水下部分是比较圆滑的。接近于圆弧状，可以近似地把它看成一个回转体。而圆形的物体在水中是最不稳定的，好比一根圆木在水中，一受到点外力它就会作滚转运动。这主要是因为水无法在圆滑物体滚转运动表面的反方向上形成有效阻力。这种运动在单体船舶上就表现为船体以纵向轴线为轴心作横向摇恍。这种横向摇恍剧烈时会严重影响船舶的正常作业和航行，并使船舶寿命降低，甚至直接损坏一些设备和结构。也会使航母的舰载机无法正常起降。而双体船和四联体船几乎不存在这个问题，或者说这个问题轻微得多。这主要是双体船和四联体船存在左、右两侧存在分船体，虽然分船体底面截线也是圆滑的，但两侧的分船体通过上甲板、上层建筑等结构已联为一个牢固的整体，这时任何一个分船体都不能绕自身的纵向轴线作横向回转，而只能绕整个大船体的中心轴线作回转，而整个大船体底面不再是一个回转体。而是两个分开的牢固联结的U型曲面，任何一个曲面，在外力作用下有绕大船体中心轴线作回转运动的趋势时，曲面(分船体)底部就会受到水强大的直接阻力，这个力是分船体受风浪等外力作用，吃水深度变化加上部分水摩擦力形成的，分船体吃水加大带来的浮力变化远远大于风浪等作用力。并且由于两分船体分开，与大船体中心轴线有较大的距离，这又加大了阻止船舶横摇的阻力矩。所以，双体船和四联体船耐波性十分优良。

上述问题除了可以用物理学理论分析解释外，还可以通过两个简单的实验来形象地说明。我们可以将一根圆木(并不要求十分圆，只要有一点圆滑曲线就行)放入水池中，用手指触碰一下木棒或在附近搅起大的波浪，圆木就会(剧烈)摇恍不停。如果我们将两根相似的圆木，用两块木板分别将两根圆木两端用钉子牢固固定(注意：两根圆木应该分开一段距离)。然后放入水池中，用手推圆木或用东西在附近搅起更大的波浪，你可以发现两根圆木再不会横向摇恍。为了让实验更准确一些，我们要以将圆木换成单体船模型、双体船模、四联体船模型，重复上述实验，你会发现结果完一样。

以上主要是通过横摇，从横向来评价各种船型的耐波性，那么从纵摇来评价船舶的耐波性又如何呢？实际上船舶产生纵摇与横摇的物理学原理是一样的。可以近似地的把船的纵截面看作是一个被加宽了几倍的横截面。由于纵向比横向尺寸宽了好几倍，一般船舶的纵向稳性是没有问题的。而纵向耐波性也肯定的比横向要好，需指出一点，现代船舶为追求快速性和美观，船首设计得十分前倾，当船遇到较大波浪，会受到一个波浪的顶托作用，这对耐波性是不利的。球鼻首能起部分消减作用。从纵向来看双体船实质上耐波性和单体船没有多大差别，小水线面双体船由于采用了水下潜体和小水线的设计，情况好了很多。而四联体船是从另一思路解决纵摇问题，它在纵向采取串列双体结构，这使得四联体船纵向耐波大大优于其它任何船型。

四联体特殊的船型结构为它带来另一突出优点就是它可以铺设比传统船舶长得多宽得多的甲板。这一优点在用于航母设计时将会显得更加突出。四联体航空母舰飞行甲板的长度可以比传统航母长两倍、三倍甚至更多，宽度也可以大上一两倍。以现有技术建造飞行甲板长度为400米至600米，宽度为90米至130米的四联体航母是可行的。理论上，只要建造技术和材料允许，飞行甲板的长度和宽度还可加大，因此四联体航母可以彻底抛弃笨重且难于控制的蒸汽弹射器，使四联体航空母舰成为真正的海上游动机场。

附图说明

本说明书的附图是示意性的。主要反映四联体船型的基本特征，以及将该船型应用于航空母舰设计和大型集装箱船、远洋客轮设计的基本形式。

图1是以仰视角度绘制的反映四联体船型基本特征的一幅正等轴测图。其中A1、A2、B3、B4分别代表两组四艘主船体分体。C为联结层，它可以是一层或多层结构，根据需要和强度要求而定，承担船舶的整体强度。

图2为一种四联体航空母舰的侧向示意图，图中舰岛、各种雷达、设备，包括舰载机也都是示意。

图3为四联体航空母舰的府视图。图中虚线部分为四艘(个)主船体分体水平分布位置。

图4为一种四联体航空母舰前视示意图，舰岛位于飞行甲板中间的情形。采用这种布局形式的优点是船舶的对称性、平衡性极好，飞机在舰岛两侧起飞，互不干扰。但要求飞行甲板有足够的宽度，否则仍将舰岛置于飞行甲板侧部位置。

图5、图6、图7为又一型大型四联体航母的三面基本视图。图5、6、7中的舰载机已被放大一倍，数字9为编号区。

图8、图9为一种四联体远洋客轮船型的一种基本形式示意图。

图10、图11、图12为一种四联体集装箱船的三面示意图。

图13、图14、图15为另一种四联体航空母舰的三面示意图，舰岛位于飞行甲板右侧。首端飞行甲板设有助飞滑跃角。滑跃角a的度数为3-6°，不能太大或太小。太大下滑力可能会影响飞机加速，太小则起不到助飞的作用。

具体实施方式

航空母舰工程是现代工程中最为庞大、最为复杂的系统工程。它是完成绝不是几个人，一两个中小企业所能实现的。它往往要举全国之力，动员成百上千的科研、设计单位和厂家，通过合理组织，有效协调，大力合作，才有可能把这一庞大、复杂的系统工程完成好。这里我要特别指出的是在研究设计航空母舰，尤其是设计四联体航空母舰过程中将会遇到大量繁琐、复杂的技术问题，这些问题只有在研究设计的具体过程中才能发现并加以解决。因此，在没有任何的航母建造计划下，在没有任何具体的设计要求，技术指标的前提下，凭空谈论航母的实施方式，实在是纸上谈兵。有很大的主观臆断性。但为了给大家一个基本参考，尽我所能预见的因素，提出如下一些实施建议。

我们知道飞行甲板的长度和宽度是航空母舰两个非常重要的参数，而四联体船型十分有利飞行甲板的加长加宽，因此，在设计四联体航空母舰时，要着力突出这两个参数。我建议设计四联体航母时，其飞行甲板的长度可在400米至800米之间考虑，而宽度可在90米至160米之间考虑。图2、图3、图4是按1∶2000比例绘制的一艘四联体航空母舰三面基本视图。其飞行甲板长度为480米，宽度为112米。还可适当加宽加长。前一组分船体长120米，宽20米，后一组分船体长136米，宽20米，最大吃水13米。图5、图6、图7是按1∶2000比例绘制的另一艘四联体航母(注：舰载机比例已被放大一倍)，与图2、3、4大体相同，飞行甲板长均为480米，而宽度减少为100米。分船体(主船体分体)宽度减少为18米，长度则有所增加，主要是为了强调快速性。图13、14、15是一艘较小的四联体航母。上层岛式建筑位于甲板右侧，飞行甲板长432米，首端有4°的助飞角a，宽度为100米。

如果需要，飞行甲板的长度完全可以选择600米甚至800米。这样四联体航母完全可以抛弃蒸汽弹射器，而采用直接起飞的方式。这就简化了航母设计和建造难度，却大大加快了舰载机放飞速度。其意义是非凡的。

设计分船体时主要应当综合考虑以下几方面因素：1、快速性；2、四个分船体的排水量应满足整艘航母的浮力需求并有足够储备；3、分船体的大小应考虑有利于装配、维护核反应堆和汽轮机等设备。并留有舱室装载航母主要的淡水和航空汽油。以便将航母的主要重量物质往下移，以降低重心；4、四个分船体在联接层下的分布位置，应当考虑到航母整体平衡和联接层的受力情况。

在设计分船体与联结层底面甲板(也可以把它看作覆盖四艘分船体的上甲板)的连接处时十分重要，在大风浪、高海情下，这个部位的集中应力会十分巨大。不能只靠一条连通焊缝、焊接了事。而应通过结构上的特殊处理来增加强度，保证安全。具体的做法是：让部分助骨、强助骨以及部分舷顶列板(相于每间隔一段距离对舷顶列板进行延伸)贯穿联结层底面(也就是上甲板)，而与联结层内的舱壁、钢箱梁等结构牢固焊接。其余部与联结层底面甲板，也就是上甲板牢固焊接。这样形成一个联结层底面与分船体舷顶列板、肋骨等相互交错贯穿，牢固连接的结构形式，可大大提高强度。

以中国现有的造船技术，建造四联体航空母舰并不是什么难事。不过现有的任何一个船台和船坞都无法建造如此庞大的四联体航母。我们还必须建造一个专用的干船坞。以建造一艘飞行甲板长为600米，宽为120米的四联体航空母舰为例。我们应当选择一个U形海湾建筑长宽尺度为700×180米的大型干船坞，深度应低于海平面15米，通海闸门可为侧向滑动式。选择U形海湾可减少土石方的挖掘工程量。但同时选址也应综合考虑原材料、设备及配套厂家的运输协作方便问题。干船坞的建设属于另外一个技术问题，这里不再作详细论述。

Claims (2)

1. 本发明提出了一种全新概念的四联体航空母舰，并由此产生了一种新的船型——四联体船型。

   1、四联体航空母舰的主要特征是：其船体由四艘呈长方形对称分布的主船体分体(亦称分船体)，通过上甲板、钢箱梁、机库甲板、辅助层甲板、飞行甲板等上层建筑结构联为一体，形成一艘完整的航空母舰。
2. 2、四联体船型的主要特征是：其船体由四艘呈长方形对称布局的主船体分体(亦称分船体)，通过上甲板、钢箱梁、联结层甲板、上层建筑等结构联为一体，形成一艘完整的船舶。

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