2021年10月24日,印度人望眼欲穿的“印度制造”航母維克蘭特号終于在阿拉伯東部海域進行了第二次海上試驗,據說測試獲得了“圓滿成功”。然而一段由直升機跟蹤拍攝的視訊卻顯示出一個有意思的現象:這艘标準排水量達4萬噸的中型航母在海上一颠一颠地跑,像是一路在“磕頭”!
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 維克蘭特号海試時發生縱搖
與其它國家相同,印度航母選擇了一個風平浪靜的日子進行第二次海試,目的在于檢驗艦船動力系統的可靠性以及高速航行能力,從視訊畫面看海面相對平靜,浪高在1米以下、偶見白色浪花,屬于二級海況。
對于總長達262米的航空母艦而言,自然條件已足夠完美,為什麼軍艦航行卻激起一連串波浪?
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 航母縱搖激起有規律的波浪
造成這一現象的直接原因是航母在航行過程中發生了縱向搖動,簡稱縱搖。
當海況惡劣時,艦船在海上航行會産生搖擺,或左右大幅擺動,或前後上浪,哪怕是萬噸大驅,也不可避免地在波峰浪谷間被抛起跌落,險象環生。
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 驅逐艦在波峰浪谷間航行
美國核動力航母在高海況條件下航行時,所有艦載機必須固定,甲闆不能站人,飛機起降活動停止。這是因為劇烈起伏和縱向搖動不僅給飛行帶來風險,還可能連累艦員掉入大海。
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 美國航母在高海況下航行
然而維克蘭特号遇到的麻煩遠不止這些,一艘航空母艦在二級海況時依然一步三磕頭,就意味着即便是風平浪靜,印度艦載機飛行員在着艦時也有可能拍死在甲闆上。
問題到底出在哪裡呢?讓我們試着從維克蘭特号的設計與制造上找找原因。
在印度國産航母漫長的制造過程中,有細心的印度網友發現一個很特别的細節:這艘航母艦艏水線以下沒有裝球鼻艏!
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 維克蘭特号艦艏像一把刀
與美國航母前邊頂個巨大的球不同,維克蘭特号航母的艦艏像刀刃般一直延伸到船底。有朋友說這樣做,航行時的阻力最小,還有人稱這樣有利于撞開厚厚的冰層。
印度洋沒有冰山,維克蘭特号的主要任務是看家護院,将印度洋變成“印度的洋”,它沒能力跑去北極溜達,也沒必要到南極耀武揚威,是以“破冰”一說基本不成立。那麼,不裝球鼻艏真的可以更快嗎?
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 美國福特号航母巨大的球鼻艏
船舶在水面上航行,它的快慢跟動力大小有關,同時也與受到水的阻力大小有關。阻力越大,航速越慢。水的阻力大緻分為抗波阻力和水的摩擦阻力,而抗波阻力又包含破浪阻力與興波阻力。小船可以采用盡量減少與水的接觸面來減小阻力;但大船隻能采用改變船底的流線型來降低阻力。
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 快艇因興波阻力在海面上跳躍前進
當船舶高速航行時,船艏切開水流并将水擠向四周,這時就會在船的側面産生一種弓形波,弓形波産生的渦流反過來作用于船體,一方面将船艏向上推,同時擠壓船的側方,産生越來越大的浪花。
通過在船艏加裝一個球鼻艏來改變船體沿線的壓力分布,突出的圓球會先于船體産生一個水波,這個波的波谷剛好與船體産生的波峰反相,于是兩個波互相抵消,可以最大限度地克服興波阻力,進而提升船舶的航行速度、或者在同樣高速航行時節省燃油。
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 球鼻艏通過産生反相位波消除激波
需要注意的是,通過球鼻艏造波來抵消船艏興波,隻對高速航行的大船有用。如果船的水線長度小于15米,或者船的航速本來就不快,隻有幾節或十幾節,球鼻艏不僅不能減少阻力,反而還因為增加了破浪阻力和浸潤區面積而拖累航行。
曾經有許多超大型集裝箱船、散貨船和油輪在設計時也采用了巨大的球鼻艏,但最新型的貨船都逐漸取消了球鼻艏,改用傳統的刀刃形船艏,這也說明球艏在低速船舶上作用有限。
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 一些低速率商船正在取消球鼻艏
商用大型船舶取消球艏的另兩個原因是:球鼻艏無論從設計還是建造上都更加複雜、造價也高許多,畢竟降低造價就等于多賺錢;有球艏的船轉向不那麼靈活,發生碰撞時大多是水線下的球鼻受損,并且船舶抛錨時經常會受到阻礙,為了不讓沉重的大鐵錨撞到船體,錨機裝置需要重新布局,并且要設計突出船體的錨唇。
軍用艦船不同,航空母艦的速度常常在30節左右,有些艦船甚至高于30節,當船舶在水中以如此高的速度航行時,興波阻力會占到船舶總阻力的40~50%,這是必須要考慮的因素。
球鼻艏的另一個重要作用是增加縱搖阻尼,減輕船舶的縱向搖擺。
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 船舶縱搖
船舶航行中發生縱搖,一方面是前下方興波阻力将船艏向上擡,另一個原因就是船的重心與漂心不在同一個鉛垂線上。
軍用艦船的水線剖面通常是狹長的子彈形,船舶設計者和制造商需要格外小心地為艦船配重,以使它的重心與漂心重合。如果二者不在同一個鉛垂線,那麼隻要水面有起伏,船就會不可避免地發生縱搖。維克蘭特号應該就是這種情況。
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 維克蘭特号重心與漂心不重合
有些驅逐艦或護衛艦會通過在船體外側設定自動控制的鳍來降低搖擺幅度,但航空母艦過于龐大,一般不會裝減搖鳍,也無法通過船内的壓載水艙來控制姿态。現代航母的建造不僅考驗一個國家的設計能力,對整個工業體系也要求極高。
航空母艦造出來不是在遊泳池裡開的,你得讓它到大海裡去稱王稱霸,要讓艦載機從上面起飛和降落。如果一艘航母在二級海況時都搖擺不停,誰能指望它在更高海況下參加作戰?
軍艦高速航行需要球鼻艏來提升速度和保持穩定性,這是所有船舶設計者都明白的常識性問題。作為維克蘭特号的設計主導者,印度海軍設計局當然明白球鼻艏的重要性。但是航母球鼻艏并非随随便便在前邊頂一個球就了事,這牽涉到複雜的流體力學,需要通過科學計算和反複實驗驗證來進行确定。
維克蘭特号海試不停“磕頭”,印度艦載機飛行員有大麻煩了 蘇式航母也有球艏
維克蘭特号不裝球鼻艏的真正原因在其制造商,由于球鼻艏的制造極其複雜,你需要将幾厘米厚的高強度鋼闆彎成需要的三維曲面再焊接成一個球體,整個過程不能出現絲毫差錯,否則将造成嚴重後果。科欽造船廠缺乏必要的制造裝置和技術人員,設計人員也樂得省事,畢竟刀刃形船艏是一塊鋼闆焊到底,既省錢,大家也少麻煩。
然而未來印度海軍飛行員駕駛艦載機在這不停“磕頭”的航母上起降,是很考驗技術和運氣的,如果出事,輕則起落架折斷,重則機毀人亡。這真不是開玩笑!
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