美泰勒模型試驗水池曾發展出58種新型潛艇殼體
中國網 作者:知遠
大衛-泰勒模型水池全景圖。
導讀:大衛8226;泰勒模型水池位於馬裏蘭州西貝斯塞斯達,是海軍水麵武器中心卡德洛克分部。在世界同類試驗水池中最大的一個,大衛8226;泰勒模型水池的目的就是通過研究模型為船舶性能提供精確可靠的預計。它包括一個淺水池、深水池和一個高速水池。通過結合先進的牽引車、造浪器和測量設備,工程師們可以確定長船舶的適航性和推進特性,模型最長可達40英尺。自從投入運營以來,該設施為海軍、海岸警衛隊、航海管理局和海上作業在造船方麵的發展提供了關鍵支持。
引言
大衛8226;泰勒模型水池是美國海軍部門構思、設計和建造的,用最現代最先進的方法來建造和測試船舶模型。這些模型代表了美海軍、其他政府部門和美商船所有型號與尺寸的艦船。運行在大型船舶水中在特殊環境下,他們在水中的行為可以被密切研究,牽引和驅動的力可以被精確測定。當大型模型水槽針對模型開展上述工作時,在建造船舶之前,用相對較小的花費,提供設計師關於船舶性能的預測,精確到百分之幾以內。盡可能頻繁地向船舶設計者提供這種預測,則相應地,船舶方案修改次數也多,這就提高了船舶性能。對於模型水池來說確認這種變化,隻需要少量花費來改變船舶模型。這項研究變得如此重要,以至於很少,若是有的話,海軍艦隻或商船不經過仔細地模型預選研究而直接生產,無論是國內或其他國家。
曆史和發展
大衛-泰勒先生。
新完工的模型試驗水池內部一覽,1898。
大衛8226;泰勒1864年3月4日在出生位於弗基尼亞州路裏沙縣的父親的農場裏,是亨利和瑪利8226;小泰勒)(沃森8226;泰勒)的兒子。使國會確信拖曳水池和模型測試對我國國防使命的具大價值,海軍指揮官泰勒設計並監造了華盛頓船廠的模型試驗水池。他掌管了15年。
1896年國會撥款100,000美元用於建造模型試驗水池,地點位於華盛頓船廠,監造者是一位年輕有為的海軍建造師,名字叫大衛8226;沃森泰勒。
模型試驗水池是一件藝術品,4台450馬力馬達驅動的牽引架,牽引著模型和照相設備,工程師們可以研究渦流與波興阻力是如何產生的。
少將泰勒從1914年至1922年擔任首席設建造師和建造維修局局長,在此期間他一直負責海軍飛機和艦船的設計和建造。所有海軍以及許多民用船舶,總計超過1000多種的設計進行了測試。在模型試驗水池他還設計並監造了海軍首座風洞,為推動美國的航空的研究和發展做出了突出貢獻。
泰勒在測試時堅持用木製模型而不是象其他人員那樣用更為便宜石臘,他的模型經常使用白皮鬆,足以抵抗華盛頓夏天的炎熱和潮濕所導致的翹曲。但是他們也更昂貴,80美元一個,比較而言,石臘隻要50美分一個,而且可以循環使用。這些用於模型試驗水池的模型今天還存在卡德洛克。
水池本體深14英尺,寬42英尺,長470英尺,是同類中最長的。位於院子東南角的磚結構建築內,充滿了幾百萬加侖的水,它們來自城市自來水主管路,經過明礬的處理,以凝結掉所有汙泥,然後經過一個簡單的沙濾,電力來自於木工車間,使水池能很好地過濾水。一個木製帶狀的格柵逐步沉於水中形成一個人工海灘,用來破浪和緩和水體。85年後的今天,中心使用了類似的裝置。
盡管早年的模型試驗水池引起了成功和技術進步,但是在空中和海洋力量不斷崛起的時代,改變是必須的。當模型試驗水池建造的時候,它是同類中最大和最好的裝置。但是1929年,海軍上校歐內斯特F8226;艾格特,模型試驗水池的主管,寫信給首席建造師“從1910年代起,……,在1896年看來足夠的設施顯得越來越不再……。”
模型試驗水池有缺點,這是大衛8226;泰勒完全認識到的。自然泉水侵害了水池沙岩基礎,靠近安那卡斯梯爾河,使設施受製於周期性的洪水。
到19世紀30年代,水池對於研究來說越來越顯得力不從心,在重要的回轉測試中,模型撞上狹窄水池的邊緣。牽引架牽引模型的速度小於等於15節。對於淺水池的暫時性改造阻礙了其它工作開展,而且基礎釋放出的沉澱物使測試中的精確測量變得不可能。
海軍上校歐內斯特F8226;艾格特,模型試驗水池的主管(1920-1924 and 1928-1938)、海軍少將喬治H8226;洛克、以及海軍建造和維修局的後任主管愛漠利S8226;蘭德(1923-1937),都知道水池的體格惡化與技術過時的情況。
1933年,海軍建造和維修局局長蘭德開始展開了密集的遊說,以建造新的模型水池。通過尋求來自政治家、聯邦局、專業的技術和工程社團、商船建造公司的支持,再加上海軍部長克勞德A8226;斯萬森,蘭德試圖說服內政部長哈羅德8226;伊克斯把水池建設納入公共設施項目。總統福蘭克林8226;羅斯福拒絕了這一建議,因為他認為民眾不接受為海軍撥更多的款。
蘭德視大衛8226;泰勒為他的“教父、靈感和朋友”,並且在做出重要的決定前都谘詢他。通過以病中的泰勒(1932年身體部分癱瘓)的名字來命名水池的倡議與對新設施的需求的二者相結合,蘭德確保了批準與經費方麵的支持。他手寫的備忘錄表明了他作為海軍首席建造師的最後工作就是以大衛8226;泰勒的名字命名水池。當羅斯福總統把簽署模型水池法案的筆送給他做紀念品時,蘭德很高興。
海軍上校歐內斯特F8226;艾格特起草了新研究設施的計劃,海軍上校哈羅8226;桑托斯和模型水池的工作人員從事了模型水池的詳細設計。
海軍建造和維修局對新水池提出了如下需求:
●環境方麵:最小的噪音、地麵振動、煙塵和髒汙。
●地點方麵:方便華盛頓海軍辦公室出入。
●足夠的場地以容納兩倍的工作區域。
●堅硬不屈的基礎,最好是岩床用於牆和導軌支撐。
●一組單獨的模型水池,每個設計成獨特的功能。
●每個模型水池可以實現以恒速牽引模型8秒鍾。
●足夠的淡水充滿水池。
一個距華盛頓特區15英裏,位於馬裏蘭州卡德洛克的地點滿足這些標準。
自東向西看深水池內部。
牽引水池內景。
1937年9月8日,海軍新的模型水池破土動工。在卡德洛克建造的新的模型水池是世界上最好的。1940年11月4日,海軍少將泰勒在他的妻子、孩子和同事的陪同下參加了以他的名字“大衛8226;泰勒”命名的設施命名儀式。命名儀式後運行了幾個月,到那時,工作人員已從華盛頓海軍船廠轉到了新的設施,設備也已全部安裝到位。今天的試驗水池依然沿用了他的名字,以作為對這位卓越的海軍艦船建造和海洋工程師的活的紀念。
技術背景
大衛8226;泰勒模型試驗水池擁有足夠大的空間來容納設備以應對各種型號的研究模型來獲得最高精度數據和可靠性,以及最大的好處。
大衛8226;泰勒模型試驗水池建在海軍水麵戰鬥中心的卡德洛克分部,從建造、概念和取向上來說都是一件藝術品,它有5個水池,實現對研究模型所對應的船舶的性能進行精確與可靠的預測與評估。
在一個1886英尺長、51英尺寬、22英尺深的巨大水池內,大型船舶的模型可以自主推進或被牽引前進。
另一個短一點的水池內(303英尺長,51英尺寬,10英尺深),可以用來測試拖船、駁船、汽艇和其它淺水船的模型。
有個特殊的水池(1168英尺長,21英尺寬,10英尺深),可用來測試摩托艇、巡邏艇和其它類似的快艇對應的高速模型。
一個小的模型水池(142英尺長,10英尺寬,5 1/2英尺深)用來測試特殊模型和非常規的研究問題。
水池特性表
為滿足牽引模型的牽引架的速度的統一要求,裝於水池壁上的牽引架運行導軌必須更加直,而且水平度要比最好的鐵軌還要高。實際上,為消除重力對牽引架運動的影響,從常理來說,軌道並不是直的,而是與地球曲率相吻合。
為確保軌道安放時既直又平,用來支持軌道的水池壁是直接建在岩床上的巨大混凝土結構。
根據基本授權法的條款,可以為海軍艦船和海上工程、私營公司和個人政府其它部門或其它國家提供模型測試。
設施的每個部件都是不遺餘力精心設計製造的,所以能夠高效經濟的完成各項試驗。
“大衛8226;泰勒”模型試驗水池的目標就是為研究模型提供精確可靠的評估與預測,在這一領域世界上沒有能比得上的同類設施。
貢獻和意義
水池的許多關鍵區域的調查都是在大衛W8226;泰勒指導下進行的,包括推進器、船艏設計、通氣扇以及海軍航空。推進器研究占了泰勒很多時間。
一項早期模型試驗水池取得的著名成果是發明球鼻艏,因為水阻力的主要來源總是大型的船艏,研究人員提出了一個革命性的設想,把水線下的船艏部分前移並向後卷,這一概念很成功,全世界都采納了,今天這種球鼻艏的改進型還在使用。
“大衛8226;泰勒”模型試驗水池發展了一係列新型潛艇殼體,這58種殼體可以使潛艇以遠遠超WWⅡ型艇等常規潛艇以及它的前輩們的航速進行水下操作。這58種艇體形成於40年代後期至50年代初期,被證明是成功的發展,並由此引發了高速潛艇的開發。“青花魚”級潛艇,速度超過30節,就是其中一種原型。伴隨著核能的發展,在“鸚鵡螺號”上得了測試。真正的高速潛艇成為當時可潛水水麵艦艇的替代選擇。SSN 585 “飛魚”級高速核攻擊潛艇是世界上第一個投入部署的核潛艇,這一革命性的發展重寫了潛艇戰,並在全世界被同盟國和敵對家家紛紛效仿。
隨著海軍水麵作戰中心卡德洛克分部和馬省理工學院共同發展的表麵提升理論,50年代末尋找大側斜螺旋槳的全尺寸應用的途徑開始了。這項基礎研究和大量其它研究項目關係到實現大側斜螺旋槳,必要的研究、分析,螺旋槳設計和驗證試驗。大約在10年時間內,不斷增加尺寸:一開始在流體力學領域,然後是在螺旋槳安裝和結構力學領域。結果是大側旋螺旋槳的設計大大減少了船體和潛艇上的激發的液體振動水平。70年代初期,大側旋螺旋槳開始應用,膠所未有地削弱了在商船和軍艦上激發的液體振動,這些結果驗證了水中和船上的生活空作區域內的低噪音。這一技術也大大減少了結構、設備、尾軸振動,並隨之而來的維護出支減少,居住性能提高。美海軍的首次應用是70年代中期的FFG-7佩裏級護衛艦。現在大側斜螺旋槳廣泛應用於全世界的軍艦和商船。
60年代後期,“大衛8226;泰勒”模型試驗水池在小型水麵雙體概念船的基礎技術和設計發展中起著領導角色。小型水麵雙體船固有的航道超機動性在TAGOS 19(勝利號水聲監測船)得到了清楚的驗證,它可以在冬季7級海況下執行重要任務,在這些天氣和海況下,大部分與勝利號水聲監測船相仿的單體船執行任務被嚴重受限或完全排除執行任務可能。小型水麵雙體船提高了舒適性和直升機靈活性。無疑它的采購成本更接近於單體船而不是水翼艇、汽墊船和地效船一類的先進概念船。小型水麵雙體船促使“海影”低探測概念驗證船的出現,它的出現是為水麵艦艇在船體控製、自動化、結構和減員、適航性和信號控製方麵開發新技術。自從小型水麵雙體船為海軍開發以來,被世界廣泛采納並應用於不斷增長的商業方麵。抗浪性和全天侯操作能力大受歡迎的近海服務船和其它應用也從小型水麵雙體船吸收很多優點。創新的結構設計能力包括安裝在勝利號水聲監測船上的特有的轉向係統和一些半主動、主動控製概念係統也得到了發展。90年代中期,全世界大約建造了40艘軍用和商用小型水麵雙體船。
另外,在海軍水麵作戰中心卡德洛克分部,一個名叫查理8226;道森的數理學家,發明了一種革命性的數學計算方法,稱作“道森方法”,完全改變並提高了流體力學家在快速精確計算船舶開氏波的能力,這種方法在60年末和70年代初得了進一步發展,已經被視為在計算波阻和開氏波特性方麵革命性的一步。相對以前方法,這一方法需船殼周圍有更多的奇點,但是受惠於奇點的簡化,這一方法允許非線性的自由表麵計算,現在這一方法已在全世界得到應用。包含道森方法的規範在設計包括球鼻艏在內的高效船體形式經常用到,也用在遙感水麵船舶尾跡的開氏波形式的計算中。它在解決船舶抗浪性的問題時用的越來越多。在解決船舶抗浪性的問題時,道森方法的演化在船舶運動、波浪中船舶前進中產生的輻射波領域等的計算方麵均有相似的進展。
作者:James M. Scott