美泰勒模型试验水池曾发展出58种新型潜艇壳体

美泰勒模型试验水池曾发展出58种新型潜艇壳体

中国网 作者：知远


大卫-泰勒模型水池全景图。

　　导读：大卫8226;泰勒模型水池位于马里兰州西贝斯塞斯达，是海军水面武器中心卡德洛克分部。在世界同类试验水池中最大的一个，大卫8226;泰勒模型水池的目的就是通过研究模型为船舶性能提供精确可靠的预计。它包括一个浅水池、深水池和一个高速水池。通过结合先进的牵引车、造浪器和测量设备，工程师们可以确定长船舶的适航性和推进特性，模型最长可达40英尺。自从投入运营以来，该设施为海军、海岸警卫队、航海管理局和海上作业在造船方面的发展提供了关键支持。



　　引言

　　大卫8226;泰勒模型水池是美国海军部门构思、设计和建造的，用最现代最先进的方法来建造和测试船舶模型。这些模型代表了美海军、其他政府部门和美商船所有型号与尺寸的舰船。运行在大型船舶水中在特殊环境下，他们在水中的行为可以被密切研究，牵引和驱动的力可以被精确测定。当大型模型水槽针对模型开展上述工作时，在建造船舶之前，用相对较小的花费，提供设计师关于船舶性能的预测，精确到百分之几以内。尽可能频繁地向船舶设计者提供这种预测，则相应地，船舶方案修改次数也多，这就提高了船舶性能。对于模型水池来说确认这种变化，只需要少量花费来改变船舶模型。这项研究变得如此重要，以至于很少，若是有的话，海军舰只或商船不经过仔细地模型预选研究而直接生产，无论是国内或其他国家。

　　历史和发展


大卫-泰勒先生。



新完工的模型试验水池内部一览，1898。

　　大卫8226;泰勒1864年3月4日在出生位于弗基尼亚州路里沙县的父亲的农场里，是亨利和玛利8226;小泰勒）（沃森8226;泰勒）的儿子。使国会确信拖曳水池和模型测试对我国国防使命的具大价值，海军指挥官泰勒设计并监造了华盛顿船厂的模型试验水池。他掌管了15年。

　　1896年国会拨款100，000美元用于建造模型试验水池，地点位于华盛顿船厂，监造者是一位年轻有为的海军建造师，名字叫大卫8226;沃森泰勒。

　　模型试验水池是一件艺术品，4台450马力马达驱动的牵引架，牵引着模型和照相设备，工程师们可以研究涡流与波兴阻力是如何产生的。

　　少将泰勒从1914年至1922年担任首席设建造师和建造维修局局长，在此期间他一直负责海军飞机和舰船的设计和建造。所有海军以及许多民用船舶，总计超过1000多种的设计进行了测试。在模型试验水池他还设计并监造了海军首座风洞，为推动美国的航空的研究和发展做出了突出贡献。

　　泰勒在测试时坚持用木制模型而不是象其他人员那样用更为便宜石腊，他的模型经常使用白皮松，足以抵抗华盛顿夏天的炎热和潮湿所导致的翘曲。但是他们也更昂贵，80美元一个，比较而言，石腊只要50美分一个，而且可以循环使用。这些用于模型试验水池的模型今天还存在卡德洛克。

　　水池本体深14英尺，宽42英尺，长470英尺，是同类中最长的。位于院子东南角的砖结构建筑内，充满了几百万加仑的水，它们来自城市自来水主管路，经过明矾的处理，以凝结掉所有污泥，然后经过一个简单的沙滤，电力来自于木工车间，使水池能很好地过滤水。一个木制带状的格栅逐步沉于水中形成一个人工海滩，用来破浪和缓和水体。85年后的今天，中心使用了类似的装置。

　　尽管早年的模型试验水池引起了成功和技术进步，但是在空中和海洋力量不断崛起的时代，改变是必须的。当模型试验水池建造的时候，它是同类中最大和最好的装置。但是1929年，海军上校欧内斯特F8226;艾格特，模型试验水池的主管，写信给首席建造师“从1910年代起，……，在1896年看来足够的设施显得越来越不再……。”

　　模型试验水池有缺点，这是大卫8226;泰勒完全认识到的。自然泉水侵害了水池沙岩基础，靠近安那卡斯梯尔河，使设施受制于周期性的洪水。

　　到19世纪30年代，水池对于研究来说越来越显得力不从心，在重要的回转测试中，模型撞上狭窄水池的边缘。牵引架牵引模型的速度小于等于15节。对于浅水池的暂时性改造阻碍了其它工作开展，而且基础释放出的沉淀物使测试中的精确测量变得不可能。

　　海军上校欧内斯特F8226;艾格特，模型试验水池的主管（1920-1924 and 1928-1938）、海军少将乔治H8226;洛克、以及海军建造和维修局的后任主管爱漠利S8226;兰德（1923-1937），都知道水池的体格恶化与技术过时的情况。

　　1933年，海军建造和维修局局长兰德开始展开了密集的游说，以建造新的模型水池。通过寻求来自政治家、联邦局、专业的技术和工程社团、商船建造公司的支持，再加上海军部长克劳德A8226;斯万森，兰德试图说服内政部长哈罗德8226;伊克斯把水池建设纳入公共设施项目。总统福兰克林8226;罗斯福拒绝了这一建议，因为他认为民众不接受为海军拨更多的款。

　　兰德视大卫8226;泰勒为他的“教父、灵感和朋友”，并且在做出重要的决定前都咨询他。通过以病中的泰勒（1932年身体部分瘫痪）的名字来命名水池的倡议与对新设施的需求的二者相结合，兰德确保了批准与经费方面的支持。他手写的备忘录表明了他作为海军首席建造师的最后工作就是以大卫8226;泰勒的名字命名水池。当罗斯福总统把签署模型水池法案的笔送给他做纪念品时，兰德很高兴。

　　海军上校欧内斯特F8226;艾格特起草了新研究设施的计划，海军上校哈罗8226;桑托斯和模型水池的工作人员从事了模型水池的详细设计。

　　海军建造和维修局对新水池提出了如下需求：

　　●环境方面：最小的噪音、地面振动、烟尘和脏污。

　　●地点方面：方便华盛顿海军办公室出入。

　　●足够的场地以容纳两倍的工作区域。

　　●坚硬不屈的基础，最好是岩床用于墙和导轨支撑。

　　●一组单独的模型水池，每个设计成独特的功能。

　　●每个模型水池可以实现以恒速牵引模型8秒钟。

　　●足够的淡水充满水池。

　　一个距华盛顿特区15英里，位于马里兰州卡德洛克的地点满足这些标准。


自东向西看深水池内部。


牵引水池内景。

　　1937年9月8日，海军新的模型水池破土动工。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，海军少将泰勒在他的妻子、孩子和同事的陪同下参加了以他的名字“大卫8226;泰勒”命名的设施命名仪式。命名仪式后运行了几个月，到那时，工作人员已从华盛顿海军船厂转到了新的设施，设备也已全部安装到位。今天的试验水池依然沿用了他的名字，以作为对这位卓越的海军舰船建造和海洋工程师的活的纪念。

技术背景

　　大卫8226;泰勒模型试验水池拥有足够大的空间来容纳设备以应对各种型号的研究模型来获得最高精度数据和可靠性，以及最大的好处。



大卫8226;泰勒模型试验水池建在海军水面战斗中心的卡德洛克分部，从建造、概念和取向上来说都是一件艺术品，它有5个水池，实现对研究模型所对应的船舶的性能进行精确与可靠的预测与评估。
　　在一个1886英尺长、51英尺宽、22英尺深的巨大水池内，大型船舶的模型可以自主推进或被牵引前进。

　　另一个短一点的水池内（303英尺长，51英尺宽，10英尺深），可以用来测试拖船、驳船、汽艇和其它浅水船的模型。

　　有个特殊的水池（1168英尺长，21英尺宽，10英尺深），可用来测试摩托艇、巡逻艇和其它类似的快艇对应的高速模型。

　　一个小的模型水池（142英尺长，10英尺宽，5 1/2英尺深）用来测试特殊模型和非常规的研究问题。

　　水池特性表






　　为满足牵引模型的牵引架的速度的统一要求，装于水池壁上的牵引架运行导轨必须更加直，而且水平度要比最好的铁轨还要高。实际上，为消除重力对牵引架运动的影响，从常理来说，轨道并不是直的，而是与地球曲率相吻合。

　　为确保轨道安放时既直又平，用来支持轨道的水池壁是直接建在岩床上的巨大混凝土结构。

　　根据基本授权法的条款，可以为海军舰船和海上工程、私营公司和个人政府其它部门或其它国家提供模型测试。

　　设施的每个部件都是不遗余力精心设计制造的，所以能够高效经济的完成各项试验。

　　“大卫8226;泰勒”模型试验水池的目标就是为研究模型提供精确可靠的评估与预测，在这一领域世界上没有能比得上的同类设施。

　　贡献和意义

　　水池的许多关键区域的调查都是在大卫W8226;泰勒指导下进行的，包括推进器、船艏设计、通气扇以及海军航空。推进器研究占了泰勒很多时间。

　　一项早期模型试验水池取得的著名成果是发明球鼻艏，因为水阻力的主要来源总是大型的船艏，研究人员提出了一个革命性的设想，把水线下的船艏部分前移并向后卷，这一概念很成功，全世界都采纳了，今天这种球鼻艏的改进型还在使用。

　　“大卫8226;泰勒”模型试验水池发展了一系列新型潜艇壳体，这58种壳体可以使潜艇以远远超WWⅡ型艇等常规潜艇以及它的前辈们的航速进行水下操作。这58种艇体形成于40年代后期至50年代初期，被证明是成功的发展，并由此引发了高速潜艇的开发。“青花鱼”级潜艇，速度超过30节，就是其中一种原型。伴随着核能的发展，在“鹦鹉螺号”上得了测试。真正的高速潜艇成为当时可潜水水面舰艇的替代选择。SSN 585 “飞鱼”级高速核攻击潜艇是世界上第一个投入部署的核潜艇，这一革命性的发展重写了潜艇战，并在全世界被同盟国和敌对家家纷纷效仿。

　　随着海军水面作战中心卡德洛克分部和马省理工学院共同发展的表面提升理论，50年代末寻找大侧斜螺旋桨的全尺寸应用的途径开始了。这项基础研究和大量其它研究项目关系到实现大侧斜螺旋桨，必要的研究、分析，螺旋桨设计和验证试验。大约在10年时间内，不断增加尺寸：一开始在流体力学领域，然后是在螺旋桨安装和结构力学领域。结果是大侧旋螺旋桨的设计大大减少了船体和潜艇上的激发的液体振动水平。70年代初期，大侧旋螺旋桨开始应用，胶所未有地削弱了在商船和军舰上激发的液体振动，这些结果验证了水中和船上的生活空作区域内的低噪音。这一技术也大大减少了结构、设备、尾轴振动，并随之而来的维护出支减少，居住性能提高。美海军的首次应用是70年代中期的FFG-7佩里级护卫舰。现在大侧斜螺旋桨广泛应用于全世界的军舰和商船。

　　60年代后期，“大卫8226;泰勒”模型试验水池在小型水面双体概念船的基础技术和设计发展中起着领导角色。小型水面双体船固有的航道超机动性在TAGOS 19（胜利号水声监测船）得到了清楚的验证，它可以在冬季7级海况下执行重要任务，在这些天气和海况下，大部分与胜利号水声监测船相仿的单体船执行任务被严重受限或完全排除执行任务可能。小型水面双体船提高了舒适性和直升机灵活性。无疑它的采购成本更接近于单体船而不是水翼艇、汽垫船和地效船一类的先进概念船。小型水面双体船促使“海影”低探测概念验证船的出现，它的出现是为水面舰艇在船体控制、自动化、结构和减员、适航性和信号控制方面开发新技术。自从小型水面双体船为海军开发以来，被世界广泛采纳并应用于不断增长的商业方面。抗浪性和全天侯操作能力大受欢迎的近海服务船和其它应用也从小型水面双体船吸收很多优点。创新的结构设计能力包括安装在胜利号水声监测船上的特有的转向系统和一些半主动、主动控制概念系统也得到了发展。90年代中期，全世界大约建造了40艘军用和商用小型水面双体船。

　　另外，在海军水面作战中心卡德洛克分部，一个名叫查理8226;道森的数理学家，发明了一种革命性的数学计算方法，称作“道森方法”，完全改变并提高了流体力学家在快速精确计算船舶开氏波的能力，这种方法在60年末和70年代初得了进一步发展，已经被视为在计算波阻和开氏波特性方面革命性的一步。相对以前方法，这一方法需船壳周围有更多的奇点，但是受惠于奇点的简化，这一方法允许非线性的自由表面计算，现在这一方法已在全世界得到应用。包含道森方法的规范在设计包括球鼻艏在内的高效船体形式经常用到，也用在遥感水面船舶尾迹的开氏波形式的计算中。它在解决船舶抗浪性的问题时用的越来越多。在解决船舶抗浪性的问题时，道森方法的演化在船舶运动、波浪中船舶前进中产生的辐射波领域等的计算方面均有相似的进展。

　　作者：James M. Scott