艏搖

艏搖（yaw）或稱垂搖，是指浸於水中的物體繞船體垂直軸的旋轉振盪運動。通常，可以把這種船舶的艏搖運動視為除了操舵不良外，還由下列三個因素引起的結果：（1）船體上的靜壓力不平衡；（2）海浪中水的軌圓運動；（3）陀螺作用。

基本介紹

• 中文名：艏搖
• 外文名：yaw
• 套用：笛卡爾直角坐標系
• 含義：船首的搖擺
• 一級學科：船舶工程
• 二級學科：船舶術語

基本概念

艏搖套用於笛卡爾直角坐標系，是一個船業、數學的名詞。

船舶的艏-艉（前後）方向稱縱向，用X來表示。左-右舷（左右）方向稱橫向，用Y來表示。船的上甲板-船艙底（上下）方向稱垂直方向，用Z來表示。前後方向的晃動（竄動、盪）稱為縱盪，左右方向的晃動（竄動、盪）稱為橫盪，上下方向的晃動（竄動、盪）稱為垂盪。左右方向搖擺叫橫搖，前後方向搖擺叫縱搖，船艏左右搖擺叫艏搖。晃動（盪）是平移，船的各個位置移動距離是一樣的。搖擺（搖）是繞著一個看不見的軸在轉。船的各個位置搖擺的角度是一樣的，但位移距離不同。船在水裡，實際盪和搖是同時發生的，只是人為地把他分為不同情況的組合。所謂六個自由度，就是在笛卡爾直角坐標系內，沿三個軸移動和繞三個軸轉動六種運動形式，稱為六個自由度。

產生原因

艏搖是對於通過艦船重心的垂直軸的角運動。通常，可以把這種運動視為除了操舵不良外，還由下列三個因素引起的結果：

（1）船體上的靜壓力不平衡；

（2）海浪中水的軌圓運動；

（3）陀螺作用。

通常在海浪上，艦船左右兩舷的波形並不相同，因此，艦船水下部分一舷的壓力中心縱向和垂直位置，與另一舷的壓力中心縱向和垂直位置並不重合。這就產生對於垂直軸的旋轉力偶或艏搖趨勢，以及橫傾力矩。由於波形是隨航行海區而變的，因此，這種艏搖力偶大小和方向也在不斷變化，從而產生振盪。這種振盪是在波浪通過艦船的表觀周期內發生的。最好通過預測運動和採用補償舵效的辦法來修正。

除了上述引起艏搖的靜力外，波浪中水的軌圓旋轉也產生動艏搖作用。我們記得，波峰處的水質點，是在軌圓頂點處向著波浪前進方向移動的，而在波谷處它們是在軌圓底點處，向著波浪前進的相反方向移動。因此，艦船在艉斜浪海上，或與船舶夾成一定角度的海浪上運動時，就會受到艏搖力偶(見圖1)。

圖1

當波浪通過艦船時，艏部從波峰變成波谷，艉部從波谷變成波峰，這個艏搖力偶就改變方向。最終結果是，艏搖振盪周期與波浪遭遇周期相同。

在由這種水動力和軌圓運動引起的艏搖情況下，舵效補償是比較困難的。這是因為舵附近的每個半波長水流，運動方向就與船相同，而且由舵所產生的迴轉力偶急劇減小。如果舵不是在螺旋槳尾流中，這種操縱能力的損失則是特別危險的。如果海浪太大，而且這種動艏搖發展到嚴重程度，在多螺旋槳艦船上，最好的解決辦法就是降低螺旋槳轉速。在某些情況下，艉傾載入還可能有所幫助。

當艦船在海浪上縱搖並受到橫搖作用時，就對於因縱搖引起的動軸產生橫搖運動。這種同時發生在兩個平面內的角運動，就使陀螺作用產生在第三個平面內，即艏搖運動。

幸而，陀螺力偶所產生的這種艏搖運動，通常是不大的，因為控制這種運動所需的速度和舵角，都比控制其它原因所引起的艏搖運動要小。

減搖裝置

近幾世紀來，克服艦船在海浪上的激烈運動，並試圖設計以減小橫搖和縱搖為主的減搖裝置，一直是艦船設計師進展不大順意的一個領域。減小縱橫搖和艏搖運動，一直是大量研究和許多零星發明的目標。在過去許多減搖裝置中，例如十九世紀初葉英吉利海峽渡船上懸掛在平衡環上的旅客餐室，由於種種原因僅取得部分成功。近年來才有幾項值得注意的成就，成功地把劇烈的橫搖減小到幾乎可以忽略的程度，且在經濟上證明是合算的。但是，機械問題尚未完全解決，實際上，還沒有出現更有效的簡單減搖裝置。

為了減少船舶的搖盪，除了在裝載和操縱方面採取措施以外，在船舶設計與建造中，都裝設必要的減搖裝置。目前採用的減搖裝置有下列幾種。

舭龍骨

舭龍骨板是裝設在舭部外側、沿著水流方向的一塊長條板，如圖2(a)所示。舭龍骨的作用是減小船舶橫搖和艏搖。由於減搖效果較好，製造簡單，幾乎所有的船舶均裝設有舭龍骨。

圖2

舭龍骨板的長度為船長的1/4～1/3，寬度為200～600 mm(大型船更大些)，近似垂直於舭部列板，其外緣不超出船的半寬線與船底基線所圍的範圍，以免受到碼頭和海底等碰損。在結構形式上，舭龍骨有連續式的和間斷式的兩種結構。連續式結構簡單，適用於航速不很高的船。間斷式結構適用於高速船，其優點是對船舶的航行阻力較小，而對橫搖阻力較大。為了防止舭龍骨損壞時使船體外板受損，舭龍骨一般不直接焊接在舭部外板上，而是用一塊覆板將兩者連線起來。

舭龍骨雖然裝設在船中部很長的一段範圍內，但在結構上它不參與船舶的總縱彎曲，僅承受船舶橫搖時的水動壓力。

圖2(b)是一艘船裝設舭龍骨和無舭龍骨時的橫搖角θ曲線，由圖中可明顯看出舭龍骨的減搖效果，而且船在航行時舭龍骨的減搖效果更好一些。

減搖鰭

減搖鰭，一般是一個長約為3.0 m、寬為1.5 m的長方體，剖面為機翼型，安裝在船中央附近兩舷的舭部。在船內設定操縱機構，根據需要可將減搖鰭收進船內或伸出舷外。並且可調整機翼剖面相對於水流的攻角，使兩舷的減搖鰭所產生的升力形成一個阻礙船舶橫搖的力偶矩，如圖3(a)所示，並使力偶矩方向的改變與船舶橫搖同步，這樣可有效地減小船舶橫搖。因減搖鰭需配備有自動操縱系統，造價高。目前只有在大型豪華客船上或軍艦上才設定。

圖3

減搖水艙

如圖3(b)所示，在船內橫向設定“U”形水艙，當船在橫搖時，使水艙的水位移動與船的橫搖之間有一個相位差。這樣，水的重力所形成的力矩可減小船舶的橫搖和艏搖。

上述U形減搖水艙內的水與舷外水不連通時，則稱閉式減搖水艙。若減搖水艙內的水與舷外水相通時，稱開式減搖水艙。如水艙內的水左右舷流動是可以控制的，稱為主動式減搖水艙；而不能控制水的流動的，稱為被動式減搖水艙。