航母海试之路之操纵性实验

  随着中国航母平台的海试，越来越多的军迷朋友开始关注海试的具体内容。顾名思义海试就是通过航行，测验船舶性能，对于军用船舶，还有武器，探测等系统的测试。而第一步海试，往往是针对船舶平台本身性能进行的测试。我的超大第一帖就打算谈谈海试具体内容和目的。
  船舶业内人士都知道，写航行试验大纲是很痛苦的，内容繁杂，而且船东要求和习惯各异，但是大体来说，船舶平台海试分为快速性试验，稳性试验，经济性试验等几大板块。我是做船体的，所以第一章想谈谈操纵性试验
                                   从舵开始说起
  大海航行靠舵手，这个大家都知道，对于舵，大家也都有个初步的了解。从定义来说，舵是通过压强差，诱使船舶改变航向的设备。
舵系统通常由，舵，舵机，操舵设备，转舵设备，止舵设备组成。舵本身包括，舵叶，舵柄，舵承等组成。
舵一般分为三大类，平衡舵，不平衡舵，半平衡舵。
平衡舵是指舵杆离舵叶边缘有一定距离，且舵杆轴线前部的面积延舵高分布，这样操纵力矩较小，可以减小舵机功率。在民船上普遍使用。
反之，只有舵杆轴线前的舵面积只占一部分的就是半平衡舵，采用这种舵通常由船舶尾部线形影响。
而不平衡舵就是舵杆基本布置在舵叶一缘附近，所以操舵力矩大，但是因为在舵叶部分受损的情况下仍可操纵，所以军船使用较多。
其他的分类法包括按舵支撑形式分为多支撑舵，双支撑舵，悬挂舵。按舵叶剖面分为平板舵和复板舵，这里就不一一介绍了。
接下来说说操舵的原理，当船以v速度行驶时，水流来向速度为v，当舵产生偏角时，我们可以把舵看成机翼，舵角就相当于飞机机翼的攻角，一旦产生偏转，根据努百利方程（飞机党熟悉吧），叶面流线对称性就会破坏，机翼一侧表面流速增加，流线增长，压力降低，一侧流速降低，流线变短，压力降低。这里认为压力都是延接触面法向，就形成了舵上总水压力p（其实还要考虑水的摩擦力，但是说起来就要动用专业知识和高等数学了，我不是专家，这也就是一篇科普文，所以这里就忽略了）。把p按延舵叶中心线方向和垂直于中心线方向分解，即可得到舵叶切向力和法向力，这个法向力即可用于产生舵杆偏转力矩。
                                 话说操纵性
操纵性是按驾驶者意图改变或保持航向的能力，可反映在三个方面，航向稳定性即船舶受外力干扰下，仍能保持航向的能力。回转性即船舶做圆周运动的能力。转首性即船舶改变航向的能力。
应该说回转性和稳定性是矛盾的，舵系设计就是寻找其中的平横，，由于作业环境，用途等的不同，对于操纵性的要求也不同。航母来说为了反潜，必须走z字形来规避攻击，同时在起降舰载机时，又必须保持航行稳定，方便其着舰，所以设计上比较困难。
接上文舵的介绍，舵的力矩通过舵杆传递到船体后，船舶航向的改变又可分为两大阶段。舵叶偏转的时间大概是10s左右，但是这个时间内，舵产生的偏转力矩较小，船舶的航速微微减小，航向轻微改变。舵转角完成到进入定常回转称为过度阶段，过度阶段中偏转力矩使船舶重心发生旋转。我们再把船看成机翼，伴随会转运动，速度会和机翼偏离一条直线，这时候机翼会产生一个攻角（船舶上叫漂角），机翼产生的升力（船舶上叫水动力）作用于中心线上一点，通常在重心稍前。把升力分解正交，一个力会使航速降低，另一个力使船发生横向位移。所以舵只是船舶偏转的一个诱因，真正产生偏转力矩的海试船舶本身
接下来进入第二阶段，称为定常回转阶段，在第二阶段船舶转向角速度，和漂角不断增加，而所受阻尼也在增大，当某一时刻，恰好阻力和水动力的两个分立达到动态平衡，恰好维持其做圆周运动时，即可认为其进入定常回转阶段，也就是打圈圈，这个圈圈的半径就是其大角度回转能力，专业上叫做满载全航速定常回转圈半径。
操纵性跟线形，上建，吃水都有很大关系。通常用定常回转圈直径比上船长来粗略比较转首能力和回转能力，一般在3-10左右，这个值越小，转向能力越强。这里可以粗略的说下，某国航母科研用平台大概在3.8左右。
                               操纵性海试
说了这么多，终于切入正题了。我这里先列出一份航行试验大纲的操纵性试验部分，仅供参考。勿对号入座。
迥转试验
迥转试验之目的是测定船舶在最大舵角时迥转直径，各种航速下的最大迥转横倾角。
3.4.1迥转试验条件：
      迥转试验应在一定的气象条件和海况下进行，主机转速应保持稳定5-10分钟。
    试验内容：
在主机满负荷的情况下作左及右15°回转试验，记录回转直径、时间及最大横倾角。
3.5惯性试验
惯性试验的目的是决定在各种主机转速下船舶的停止距离和时间，以及船舶的风压偏位角。
3.5.1试验条件
试验应在良好的气象条件和海况下进行，试验前，应保持航行、航速以及主机转速的稳定，试验期间，舵角应保持在正中位置。
3.5.2试验内容与次数
全速前进        ——        停止
        半速前进        ——        停止
        全速前进        ——        全速倒后
        全速前进        ——        半速倒后

     记录每次试验的时间和滑行距离
3.6 t航向稳定性试验
试验的目的是决定船舶保证航向的能力。
3.6.1试验条件
试验应在风力不超过BF2，海浪不超过第2级以及水流平稳的条件下进行。
   试验之前应记录船的吃水、风向、风速以及水流等情况。
3.6.2试验的内容与次数
当船舶在主机全速和舵停止在正中位置3-10分钟之后，每10秒阅读和记录罗径/GPS读数一次。连续此状态3-5分钟。这种试验顺水逆水各做一次。
3.6.3
船舶全速前进时决定保持航向稳定时的操舵频率，记录每分钟操舵的次数及最大舵角，连续记录3-5分钟，顺水逆水各做一次。

航母平台海试是极其复杂的，期间要进行数次这样的实验，一点前提条件的修改，如主机功率的改变都将推翻此前所有的数据。
上面乱糟糟一团，非专业人士很难看出什么，所以我来讲解一下。操纵性实验，尤其是军船，大体测量以下几个指标
战术回转半径，指回转实验中船舶转动180度后重心与初始位置的距离，这是军船回转性的重要指标（民船只有拖船这些才有比较严格的要求）。一般战术回转半径在0.9定常回转半径左右
进距；通常是船舶转向达到90度后，船舶重心与初始位置的纵向距离，表示船舶快速改变航向（比如防碰）时的能力，一般在0.5-1.0定常回转半径之间。
正向横距；船舶偏转90度时，重心与初始位置横向距离，大概在0.5-0.7之间
反向横距；是过渡阶段船舶重心离开回转重心的最大距离。货船一般小于二分之一船宽，但是航母长宽比很大（相对民船），所以这个值比较大，也就是为什么瓦妈航母平台出港时要拖船伴随的原因，自己码头里碰到什么东西撞坏了可伤不起。
当然最重要的数据还是定常回转半径
航向稳定性一般在常规海况，保持航向稳定取平均操舵率和操舵角来衡量。棒子有艘喷水船就是这个数据伤不起，有木有？而被某国军事杂志讥笑为不能走直线。
最后说说瓦妈（如有不同意见，肯定是你对）
瓦妈的母体1143.6舰的船体是原产国在其基辅级航妈中间添加一个30m长的箱型船体而成，这个技术叫做中段拉长，对于重心的影响较易测算。瓦妈原产国虽然有世界第二大水池，但是没有高性能计算机，对于流体的研究远不如某超级大国，所以线形相对比较糟糕，反观某大国，其提康德罗家级巡洋舰居然没要减摇鳍，足见其对于船体的自信。对于瓦妈也是如此。
其经过千辛万苦到达某东方大国后，此国对于其进行了比较全面的修复和改造，调整了舱室布局，船体结构，武器系统等等方面，但是对于船体线形基本没有修改（换减摇鳍除外），所以操纵性方面比较在乎航向稳定性，而且本身舵机功率不足，所以不可能太完美。
我个人的修改意见包括，使用测推，使用助转向减摇鳍，改进舵叶剖面等。
  随着中国航母平台的海试，越来越多的军迷朋友开始关注海试的具体内容。顾名思义海试就是通过航行，测验船舶性能，对于军用船舶，还有武器，探测等系统的测试。而第一步海试，往往是针对船舶平台本身性能进行的测试。我的超大第一帖就打算谈谈海试具体内容和目的。
  船舶业内人士都知道，写航行试验大纲是很痛苦的，内容繁杂，而且船东要求和习惯各异，但是大体来说，船舶平台海试分为快速性试验，稳性试验，经济性试验等几大板块。我是做船体的，所以第一章想谈谈操纵性试验
                                   从舵开始说起
  大海航行靠舵手，这个大家都知道，对于舵，大家也都有个初步的了解。从定义来说，舵是通过压强差，诱使船舶改变航向的设备。
舵系统通常由，舵，舵机，操舵设备，转舵设备，止舵设备组成。舵本身包括，舵叶，舵柄，舵承等组成。
舵一般分为三大类，平衡舵，不平衡舵，半平衡舵。
平衡舵是指舵杆离舵叶边缘有一定距离，且舵杆轴线前部的面积延舵高分布，这样操纵力矩较小，可以减小舵机功率。在民船上普遍使用。
反之，只有舵杆轴线前的舵面积只占一部分的就是半平衡舵，采用这种舵通常由船舶尾部线形影响。
而不平衡舵就是舵杆基本布置在舵叶一缘附近，所以操舵力矩大，但是因为在舵叶部分受损的情况下仍可操纵，所以军船使用较多。
其他的分类法包括按舵支撑形式分为多支撑舵，双支撑舵，悬挂舵。按舵叶剖面分为平板舵和复板舵，这里就不一一介绍了。
接下来说说操舵的原理，当船以v速度行驶时，水流来向速度为v，当舵产生偏角时，我们可以把舵看成机翼，舵角就相当于飞机机翼的攻角，一旦产生偏转，根据努百利方程（飞机党熟悉吧），叶面流线对称性就会破坏，机翼一侧表面流速增加，流线增长，压力降低，一侧流速降低，流线变短，压力降低。这里认为压力都是延接触面法向，就形成了舵上总水压力p（其实还要考虑水的摩擦力，但是说起来就要动用专业知识和高等数学了，我不是专家，这也就是一篇科普文，所以这里就忽略了）。把p按延舵叶中心线方向和垂直于中心线方向分解，即可得到舵叶切向力和法向力，这个法向力即可用于产生舵杆偏转力矩。
                                 话说操纵性
操纵性是按驾驶者意图改变或保持航向的能力，可反映在三个方面，航向稳定性即船舶受外力干扰下，仍能保持航向的能力。回转性即船舶做圆周运动的能力。转首性即船舶改变航向的能力。
应该说回转性和稳定性是矛盾的，舵系设计就是寻找其中的平横，，由于作业环境，用途等的不同，对于操纵性的要求也不同。航母来说为了反潜，必须走z字形来规避攻击，同时在起降舰载机时，又必须保持航行稳定，方便其着舰，所以设计上比较困难。
接上文舵的介绍，舵的力矩通过舵杆传递到船体后，船舶航向的改变又可分为两大阶段。舵叶偏转的时间大概是10s左右，但是这个时间内，舵产生的偏转力矩较小，船舶的航速微微减小，航向轻微改变。舵转角完成到进入定常回转称为过度阶段，过度阶段中偏转力矩使船舶重心发生旋转。我们再把船看成机翼，伴随会转运动，速度会和机翼偏离一条直线，这时候机翼会产生一个攻角（船舶上叫漂角），机翼产生的升力（船舶上叫水动力）作用于中心线上一点，通常在重心稍前。把升力分解正交，一个力会使航速降低，另一个力使船发生横向位移。所以舵只是船舶偏转的一个诱因，真正产生偏转力矩的海试船舶本身
接下来进入第二阶段，称为定常回转阶段，在第二阶段船舶转向角速度，和漂角不断增加，而所受阻尼也在增大，当某一时刻，恰好阻力和水动力的两个分立达到动态平衡，恰好维持其做圆周运动时，即可认为其进入定常回转阶段，也就是打圈圈，这个圈圈的半径就是其大角度回转能力，专业上叫做满载全航速定常回转圈半径。
操纵性跟线形，上建，吃水都有很大关系。通常用定常回转圈直径比上船长来粗略比较转首能力和回转能力，一般在3-10左右，这个值越小，转向能力越强。这里可以粗略的说下，某国航母科研用平台大概在3.8左右。
                               操纵性海试
说了这么多，终于切入正题了。我这里先列出一份航行试验大纲的操纵性试验部分，仅供参考。勿对号入座。
迥转试验
迥转试验之目的是测定船舶在最大舵角时迥转直径，各种航速下的最大迥转横倾角。
3.4.1迥转试验条件：
      迥转试验应在一定的气象条件和海况下进行，主机转速应保持稳定5-10分钟。
    试验内容：
在主机满负荷的情况下作左及右15°回转试验，记录回转直径、时间及最大横倾角。
3.5惯性试验
惯性试验的目的是决定在各种主机转速下船舶的停止距离和时间，以及船舶的风压偏位角。
3.5.1试验条件
试验应在良好的气象条件和海况下进行，试验前，应保持航行、航速以及主机转速的稳定，试验期间，舵角应保持在正中位置。
3.5.2试验内容与次数
全速前进        ——        停止
        半速前进        ——        停止
        全速前进        ——        全速倒后
        全速前进        ——        半速倒后

     记录每次试验的时间和滑行距离
3.6 t航向稳定性试验
试验的目的是决定船舶保证航向的能力。
3.6.1试验条件
试验应在风力不超过BF2，海浪不超过第2级以及水流平稳的条件下进行。
   试验之前应记录船的吃水、风向、风速以及水流等情况。
3.6.2试验的内容与次数
当船舶在主机全速和舵停止在正中位置3-10分钟之后，每10秒阅读和记录罗径/GPS读数一次。连续此状态3-5分钟。这种试验顺水逆水各做一次。
3.6.3
船舶全速前进时决定保持航向稳定时的操舵频率，记录每分钟操舵的次数及最大舵角，连续记录3-5分钟，顺水逆水各做一次。

航母平台海试是极其复杂的，期间要进行数次这样的实验，一点前提条件的修改，如主机功率的改变都将推翻此前所有的数据。
上面乱糟糟一团，非专业人士很难看出什么，所以我来讲解一下。操纵性实验，尤其是军船，大体测量以下几个指标
战术回转半径，指回转实验中船舶转动180度后重心与初始位置的距离，这是军船回转性的重要指标（民船只有拖船这些才有比较严格的要求）。一般战术回转半径在0.9定常回转半径左右
进距；通常是船舶转向达到90度后，船舶重心与初始位置的纵向距离，表示船舶快速改变航向（比如防碰）时的能力，一般在0.5-1.0定常回转半径之间。
正向横距；船舶偏转90度时，重心与初始位置横向距离，大概在0.5-0.7之间
反向横距；是过渡阶段船舶重心离开回转重心的最大距离。货船一般小于二分之一船宽，但是航母长宽比很大（相对民船），所以这个值比较大，也就是为什么瓦妈航母平台出港时要拖船伴随的原因，自己码头里碰到什么东西撞坏了可伤不起。
当然最重要的数据还是定常回转半径
航向稳定性一般在常规海况，保持航向稳定取平均操舵率和操舵角来衡量。棒子有艘喷水船就是这个数据伤不起，有木有？而被某国军事杂志讥笑为不能走直线。
最后说说瓦妈（如有不同意见，肯定是你对）
瓦妈的母体1143.6舰的船体是原产国在其基辅级航妈中间添加一个30m长的箱型船体而成，这个技术叫做中段拉长，对于重心的影响较易测算。瓦妈原产国虽然有世界第二大水池，但是没有高性能计算机，对于流体的研究远不如某超级大国，所以线形相对比较糟糕，反观某大国，其提康德罗家级巡洋舰居然没要减摇鳍，足见其对于船体的自信。对于瓦妈也是如此。
其经过千辛万苦到达某东方大国后，此国对于其进行了比较全面的修复和改造，调整了舱室布局，船体结构，武器系统等等方面，但是对于船体线形基本没有修改（换减摇鳍除外），所以操纵性方面比较在乎航向稳定性，而且本身舵机功率不足，所以不可能太完美。
我个人的修改意见包括，使用测推，使用助转向减摇鳍，改进舵叶剖面等。