书城科普穿越时空的现代交通(新编科技大博览·B卷)
14741000000027

第27章 水上交通篇(8)

水运业完成客货运输时船舶运力的增长,有赖于船舶航速的提高,而在现有的新一代船型中,速度最快的就是地效翼船。无论从何种指标看,地效翼船在运输效率方面的优势都是无可置疑的。

为了发挥地效翼船的快速性、经济性的优势,特别强调应当在地效区内低空飞行。还应注意的是,地效翼船的短暂升空飞行只能在应急情况和特殊场合不得已而为之。

此外,地效翼船还有其他一些缺点。地效翼船在运行时,除巡航工作外,还可以呈排水状态在水中浮航,在进出港口时少不了这种工作。这时便会受港区水文气象条件的限制。还有起飞和降落时,虽说时间短暂,但也会造成受力构件超负荷。排水状态下浮航时,地效翼船不够灵活的特点便显露出来了:尺寸特别宽大,机动性差;此时同样有耐波性问题。过大的船体尺度,易遭波浪拍击,于结构强度和设备寿命不利。

地效翼船作为航运工具中的一枝新花,当它以15~20千米时速进行排水状态航行时,欲作机动航行当无限制,其航行状态与水上飞机差异不大。但当地效翼船在3~5米高适用的水面上空以400千米每小时的速度飞行时,便不可以急剧改变航向和航速,因而,其机动性也就受到限制。因此有人提议应当划出一个专供地效翼船飞行的地带,其他船舶不应进入这一地带。在划定地效翼船航行地带时,应当考虑能用无线电导航设备、卫星导航系统、无线电导航台、雷达确定其方位,以保障航行安全。

由于地效翼船本身的特性,使得它在海上的航线所需考虑的问题便要复杂得多。比如,途中和终点是否处在地震活动带、航线所在区域的地磁学特性、洋底地貌等等,都是必须考虑的问题。此外,航线区还应当能方便地接收到气象及导航信息、数据等。各个区域实际客流量及经济上的承受能力,也是关系到新型高速船舶投入航班营运成败的关键之一。经各种指标的综合比较后认为,东南亚是少数几个比较适合最先开辟地效翼船客运航线的地区之一。

曾几何时,人们还对“里海怪物”的试航感到新奇和惊讶,如今,则有越来越多的人们希望早日利用地效翼船这一科技成果,为人类创造更多的效益。

超导电磁船

20世纪末期,海上出现了一种没有螺旋桨、没有舵的“怪船”,这就是超导电磁船。我们不禁要问,没有螺旋桨靠什么前进?没有舵,船又怎样把握方向呢?

我们首先要了解一下超导电磁船的基本原理。我们知道,利用超导体在超导状态时电阻为零的特点,把超导材料制成线圈,通上强大的电流,这时,就会在海水中产生强大的磁场,因为线圈不会发热,所以不用担心会被烧坏,这样,就可以把线圈的功率做得足够大。

同时,在海水中设置电极,利用海水的导电特性,形成通电回路,使海水带电。这样带电的海水在强大的磁场的作用下,产生了使海水发生运动的电磁力,而船体就在反作用力的推动下向相反方向运动。超导电磁船依靠电磁力作用前进,所以它根本不需要螺旋桨。

超导电磁船所获得的推力与通过海水的电流大小、超导线圈产生的磁场强度成正比。

我们只要控制进入超导线圈和电极的电流大小和方向,就可以控制船的速度和方向;并且可以做到瞬时启动、瞬时改变方向、瞬时停止,可见,超导电磁船具有其他船舶无法比拟的机动性。

超导电磁船不仅速度快,不受气候影响,推进效率高,控制性能好,而且噪声小,结构简单,易于维修。难怪它一问世,就有人把它称为“理想之舟”。超导电磁推动系统适用于各种用途的船舶,人们只要在海底埋好导体,就可以像列车在铁轨上运行一样为这类船导航。因此,也可以把超导电磁船比喻为“海上的火车”。

1990年7月,日本的三菱重工神户造船厂建造了一艘长30米、宽10米、排水量185吨的船体。1991年9月,又完成了两组超导电磁推进装置的安装工作,这艘船被定名为“大和1号”。1992年6月16日,在神户港附近海域,“大和1号”进行了直进、右转、左转等航行试验,时速11千米。人们评价这是造船技术上的一次革命,标志着新一代的船舶将以全新的面貌登上海洋运输的舞台。

超导体对低温环境的要求非常苛刻,超导电磁船的推广遇到了复杂的技术问题,超导体的成本和工作条件是限制它推广的最主要的原因。不过,人们相信,随着更为优良的超导材料的出现,这种“理想之舟”终究会变成“现实之舟”。一切都将取决于新超导材料的研制工作。

21世纪的潜冰船

横渡北冰洋穿越北极是从欧洲到美洲的最短航道,许多航海家都梦想着开辟这条航线,但是这条航线被终年不化的冰层所阻挡,船舶无法航行,只有飞机可以飞越。从欧洲到美洲的货船只能绕远道穿越大西洋走巴拿马运河。20世纪80年代末,人们想到制造一种潜冰船,让船在冰下航行,以打通这条北极的冰下航道。

设想中的这种新型潜冰船的船体与超级油轮大致相同,船上部的船员室和操纵台在下潜之前可收进船体之中。潜冰船的潜水深度一船在几十米左右。采用塑料充气箱,减少船体上浮所必需的水柜数量。

潜冰船没有螺旋桨,设计者们决定采用普通履带做推进器。履带安装在潜冰船顶上,使整只船倒挂在冰层的底面航行。潜冰船将装设许多条履带,每一条履带都有各自独立的传动系统并由单独的计算机控制,以保证潜冰船始终有部分履带紧贴着冰层,大量单独控制的履带将使潜冰船即使在北冰洋不很平坦的冰层底面航行也会非常平稳。

在冰层底面有许多倒悬着的“冰山”,潜冰船的现代化导航系统会自动避开那些最深的“冰山”群。必要时,伸缩式蒸汽超声波割冰刀将为潜冰船割除这些倒立的冰笋。

目前,潜冰船还存在着一些设计难题,如在冰层底面航行时,履带式推进器能否实用是个疑问;能收进船体的伸缩式驾驶台难以与船体密合;现代技术一时还无法提供合适的制造塑料充气箱的材料,等等。但设计师们正在努力攻关,争取将这种船尽快设计出来。

水翼艇

影响船速的一个主要原因是水的阻力相当大,再先进的发动机也无法像飞机克服空气阻力那样容易。于是,人们设想着建造一种在水面上飞行的船,以克服船体过多沉入水下遇到的阻力。水翼艇就是一种行驶在空气跟海水的界面上的船只。最先想到水翼艇并进行研究的发明家,是19世纪中期的一个叫拉米斯的法国牧师。19世纪90年代,俄国血统的法国人德朗贝尔,开始用当时刚发明的汽油发动机为他的“水上飞机”提供动力。他在塞纳河上用模型水翼艇进行了试验,但是它不能从水里抬起头来。

飞艇设计师意大利人福拉尼尼1905年建造了一艘小水翼艇,并在专利说明书上阐明了水前苏联的拉基塔级水翼船,在前苏联内河航行中起了重要的作用。前苏联曾开辟150多条航线,有300多条水翼船,年输送20000万次翼艇的科学技术原理。1911年,他用最新的模型水翼艇在马乔列湖为来访的美国贵宾贝尔做了表演。贝尔根据福拉尼尼的专利,开始建造他自己设计的水翼艇。这艘水翼艇于1918年创造了每小时114.3千米的航行纪录。这些水翼船和大多数高速航船平掠过水面不同,它们靠潜在水中的水翼支持而行。船底的薄片水翼在船停泊时完全没入水中,船开始运动时,水流经过弯曲的水翼,产生上举力,船走得越快,产生的升力越大,当水翼在水中升起时,把船体完全推离水面。由于阻碍消除,船的速度大大提高,由于船体不受波浪干涉,行驶更为平衡。

在第二次世界大战期间,一些德国发明家改进了水翼艇。战后,英国风琴师胡克又作了进一步的改进。意大利20世纪50年代开始大量建造水翼艇,美国和前苏联设计出了自己的大型军用和客运水翼艇。在欧洲,水翼船已成为司空见惯的交通工具,尤其在陆上交通常感不足的前苏联更是如此。前苏联的航运线上有数百艘这种船,最大的可载旅客300人,速度达40节。美国水翼船比较少见,因为许多水上交通线狂风随时会卷起险浪,使用普通船舶比较经济。但美国海军已成功地在风浪水域试验了几艘水翼船。其中一艘“平景”号1968年由洛克希德公司建成,是世界上最大的水翼船。它用两具飞机喷射发动机来推进,在平静的水中速度超过40节。

未来船舶技术

发展未来船舶技术,在不太长的时期内可望取得如下成果:

超级技术定期船

这是把船本身的浮力、水中船翼的升力和气垫船的空气压力适当组合构成复杂支撑型的一种新概念。根据这种新概念设计的超级技术定期船载货量为1000吨,速度为每小时50海里,它能在大洋中航行,即使遇到4~6米高海浪的恶劣天气,也能在无支援的情况下安全航行。

超级技术定期船是拥有极高耐天候性能的船舶,因为它速度快,在21世纪可能被用作国际定期航班,从而成为未来海上的主要交通工具之一,预计到2010年可实用化。

当今世界对超级技术定期船的研究,日本的水平遥遥领先。从1989年起,日本就进行大规模的研究,并致力于建造这种船舶的模型。

超级技术定期船冲浪飞艇

冲浪飞艇像滑翔机一样有滑动双翼,一旦达到某种速度,利用空气的压力,船体就会腾空离开水面数十厘米,并以每小时70~80公里的速度高速飞行。这种冲浪飞艇既可供数人乘坐作冲浪娱乐享用,也可作为游艇供数十名游客乘坐观光,是一种未来的高速娱乐观光用新型船艇。

冲浪飞艇技术研究的关键在于船体轻微化技术,低噪声、功率大、重量轻的发动机以及实现船体的大型化等技术。

对冲浪飞艇的开发研究,德国的水平领先于美国和日本。在德国,可载数十人的大型观光飞艇正在走向商品化。

智能船

智能船是依靠高技术,使陆船、人、船一体化的综合航行系统的船只。智能船不仅能随时准确获取来自陆地的支援信息和航行中的船内的各种信息,而且还能把高水平船长的驾驶、指挥技术智能化,从而使智能船即使在没有船长的情况下,也能像训练有素、经验丰富的船长指挥时一样安全驾驶。

智能船的实用化到2010年可望实现。智能船的实用化研究,必须开发高水平的人工智能系统、高性能的自动驾驶系统、高水平的卫星通信系统、综合航行支援系统、船内作业的机器人化等。

智能船的开发将对船舶航行人工智能系统的开发、船舶航行用卫星通信系统的设计及制造业、电气产业、通用设备产业带来有利影响。

对智能船的开发研究,日本的水平遥遥领先于美国和欧共体,而美、欧的水平基本相当。