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世界科技全景百卷书: 未来船舶
自动化船舶 很早以前，造船工程师和船工就盼望着有这么一天：繁杂的人工劳动被机器代替，操作人员只需设计好航行路径，在操作台按动指令按钮，船舶就能自动行进、自动工作。 大家知道，现代船舶上有各种各样的设备，有引导航行的导航设备，有装卸货物的起降设备，有操舵、抛锚、起锚的设备，有作为动力的机电设备等等。在军舰上，还有各种武器装备。除此之外，还有不少用来通风、取暖、灭火、堵漏的设备。而这些设备的操作，均需花费大量人力。 为了减轻船员的体力劳动，从60年代开始，自动化船舶出现了。 自动化船舶上，遇到其他船只和暗礁时，能够自动改变航向，避免碰撞；船上的机械设备在无人操作时能依照人们预先的指令自动测量、调节，一旦发生故障，就会自动排除；航海荧光屏上，随时显示船位、航速及海上气象情况；自动启动发电机，自动开车、自动停车；当船体进水时，排水系统和堵漏系统自动工作；当出现火灾时，消防系统将根据火灾的不同而自动开启不同的灭火装置。除此之外，还有许多自动化设施，如冷藏室中自动开启制冷装置、自动通气，舱室里的自动报警装置。 自动化的核心是传感器和电子计算机及其他自动测量仪器，比如自动化动力操纵装置，将机舱内的设备控制系统集中到控制台上，操纵人员根据需要预先设定航向、航速及特殊情况下的应急方案，一旦机器发生故障，传感器将故障情况“感应”给计算机，计算机根据预先设定的应急方案，操纵机器采用应急措施。又如武器自动化系统，当雷达等测量设备探测到敌方目标后，计算机很快就可“感知”，极短时间内找出应急方案，命令导弹、鱼雷、深水炸弹、火炮等其中一种武器或几种武器进攻敌方目标。 自动化船舶的根本目的是减少船员，减轻船员的体力劳动，保证船舶航行的安全，进一步向无人船舶方向发展。 海洋能源船 大家都知道海洋能，那是一类包括波浪能、海流能、潮汐能、海水温差能在内的各种能量的集体。海洋能源船也就成了包括海洋波浪能船、海流能船、潮汐能船、海水温差能船的综合体。 海水温差能船是利用海域表层热海水与海洋深处冷海水温差来驱动机械工作，进而产生电能的船舶，大家知道，海水温差发电的概念早在100多年前就已经提出来了。1930年，古巴在某海湾建造了一个海水温差发电的试验装置，该装置操纵简单，发电功率为22千瓦。不过，过去由于矿物燃料价格低，海水温差发电成本比火力发电成本还高，显示不出其经济上的优越性。近年来，海水温差发电再一次得到人们的重视。 按工作原理分，海水温差发电分成开式循环和闭式循环两种系统。 在开式循环系统中。把压力减小到0.03个大气压，使热海水沸腾（突然蒸发），其蒸汽驱动汽轮机，然后这种蒸汽在冷凝器中由冷海水进行冷却。循环往复，推动汽轮机运转，带动发电机发电。 在闭式循环系统中，蒸发器里的蛇形管内装着液态氨，从海洋表层泵入的热海水通过蒸发器，使管内液氨蒸发成氨蒸汽，驱动一个汽轮机，作功后的氨蒸汽进入冷凝器内的管中，再被冷海水冷却成氨液，氨泵把氨液泵入蒸发器内，再次蒸发，开始第二次循环，如此循环往复，汽轮机带动电机运转，发出电能。 现在，已建成了不少专门用温差能发电的海水温差发电船，发出的电可通过水下电缆向陆地输送，也可直接在海上制造工业产品或将所发生的电能储备在氨燃料电池中。 海洋波也是一种能量的载体。早在几十年前，人们就提出了海洋波浪发电的设想，日本曾在70年代末建造了第一艘试验用的波浪能发电船“海明”号，该船长80米、宽12米、高7.8米、重500吨，只安装3台涡轮发电机组，每组发电量200千瓦。目前全世界约有400个输出功率为60瓦的波浪发电装置用于浮标上。波浪能发电很简单，现就浮筒式波浪发电船的原理加以介绍。浮筒式波浪发电船的活塞门经缆绳系于海底，当浮筒随波浪上下运动时，由于阀门的作用，水被不断压向高压舱，高压舱中的水经喷管推动透平的叶轮，从而驱动透平发电机发电。 全世界有许多巨大的海流，蕴藏着无尽的能量，如加利福尼亚海流的流速为2.2万米/天。海流发电船的外形像一艘经过改装的驳船，通过系泊设备与永久性系泊浮筒联接，在船的两侧装有反应轮，海流使反应轮转动，驱动船上的发电机发电。 潮汐发电船与波浪、海流发电原理相近。 以上介绍的温差发电船、波浪发电船、海流发电船和潮汐发电船实际上就是浮动的海上发电站。但是，造船专家现在已作出这样的设想，既然海洋能源能发电，那么也一定能够成为船舶航行的动力。目前，部分国家已开始建造真正意义上的、能驰骋大洋的海洋能源试验船。 没有舵和桨的船 稍有常识的人都知道，只要是机动船，没有一艘是没有舵和桨的，民用船舶是这样，就更不用说那些为了军事目的的军舰了。因为，舵是保证船舶航行及军舰机动作战必不可少的工具。而桨呢？正像人们行走的一双脚一样，它正是船舶前进的“脚”。 应该承认，无论是在茫茫大洋还是在滔滔江河里，到目前为止，我们还远没有看到一艘既没桨又无舵的机动船。所以，当看到“没有舵和桨的船”这个题目后，人们不免会产生疑问，必然想问一问，是不是果真能造出这种既没桨又无舵的船。 在这里可以肯定地告诉大家，既没桨又无舵的船不仅能造出来，而且用作军舰后，作战威力将超过现有各种类型的作战军舰。 既无舵又无桨的船舶建造原理很简单，它就是我们在中学物理中学过的电磁原理。科学家们将这种即将在烟波浩森的大洋上出现的奇怪船舶称为“超导电磁船”。 萌生建造超导电磁船的念头始于本世纪60年代初。当时，科学家和工程师们对原有的排水型船舶和螺旋桨推进系统，以及柴油机和燃气轮机等推进原动机的巨大噪声怀着极端的不满，期望能利用电磁原理制造出一种推进效率高、噪声小的新型推进装置。 科学家们的试验是成功的，一系列的试验结果表明，船舶推进系统正大踏步地向我们走来。1966年，美国科学家在威斯汀豪斯研究所进行了第一次电磁船模试验。接着前苏联、日本、前联邦德国等纷纷进行了这一试验。1970年，我国科学工作者也用一艘长3.59米的电磁船模进行了一次电磁推进试验，在试验中曾获得过0.65米/秒的航速。之后，各国科学家都在奋发努力，并取得了一些令人欣喜的成果。 不过，由于海水导电率很低，且电流在海水中传输易产生热损耗，一般的磁场根本产生不了多大的磁推力，只有强磁场才能提供推动船体运行的磁力。科学家们的试验表明，当海水中的磁场强度达到10个特斯拉时，电磁船才有可能与常见推进装置相抗衡，可常用磁体一般只能产生2个特斯拉的磁场强度，这样就减慢了电磁船降生的进程。 当科学走入80年代，超导技术得到了迅猛的发展，于是，电磁推进动力装置也获得了令人难以置信的发展。因为，超导电磁系统不需要铁芯、线圈内绕组的许用电流很大，故可降低能源损耗，从而获得极强的磁场。 超导电磁推进船舶其实并不复杂，简单地说，其原理是这样的：在船体底部设置超导电磁线圈，尔后在船体两侧设置若干电极，当超导电磁线圈通电时，就会在船体四周产生强大的磁场，此时，通电的电极板使船体四周的海水带上了电，产生了一种电磁推力，作用于海水。同样，海水也将给船体一股反向作用力，从而推动船体前进。 由于超导电磁军舰直接利用海水对船体的反向作用力，故船体本身无需运用螺旋桨推进。此外，由于电磁力的大小和方向与电磁场的方向与极板间的夹角有关，只要能够控制极板与线圈的夹角的大小，就可控制超导船舶航行的方向和速度。于是，超导电磁推进船舶也就无须运用船舵导向了。 由于超导电磁船型取消了螺旋桨和舵，故减少了水阻力和摩擦阻力，从而使船舶本身的推进效率提高20％～30％。这样，船舶的航行速度可高达100海里/小时以上。另外，由于电磁传播的速度相当于光速，故超导电磁船可以瞬时起动、瞬时停止、瞬时改变方向，进而使以超导电磁原理建成的船舶机动性大增。 1991年8月，世界上第一艘超导电磁推进船“大和一号”在日本神户港开始海上航行。“大和一号”用铝合金制造，并覆盖透明合成树脂，船长30米，宽10米，高2.5米，排水量185吨，最高速度每小时15公里左右，配备10位乘务人员。 可以相信，随着超导技术研制的日益深入以及超导电磁装置的日益完善，超导船舶邀游大洋的时代已经为期不远了。 超级船 这里所说的超级船，实际上就是造船工程师们为我们展现的21世纪的海上豪华巨型客轮。据专家估计，按照目前的发展趋势，到21世纪，将会出现10多条这类超级船，其中包括5艘7万吨级的巨轮。 目前，世界上已有几艘这类超级豪华巨轮，最先进、吨位最大的要数在加勒比海航行的“海上霸主”号。这艘总重达7.4万吨的船中之王，拥有一个五层楼高的内厅，内厅设置两个玻璃升降台，能接纳250人的游乐室设置在距海面足有12层楼高的顶层。整艘客轮可供近2300名游客尽情享受海上旅行的无限乐趣。 造船工程师们认为，今后生产的轮船将是“海上霸主”号的两倍甚至三倍，网球场、沙滩、船体内港这些本来只能在陆上拥有的设施，都将“移植”到轮船上。这样做的最终目的仍然是为了增强游轮的魅力，吸引众多的游客去海上度假。 据报道，德国造船商已经结成了一个国际性的联合组织，开始研制一艘可容纳5600名乘客的超级船——“凤凰世界城”号，它的吨位相当于“海上霸主”号的三倍，其新奇之处在于延伸的船尾可以遮成一个港，供4艘400人的客轮或供应船停泊。饭店自然不可缺少，它由3座8层高的建筑物构成，其顶部高出船甲板达1234英尺，设计者专门设计了热带花园、公园、散步区、咖啡厅和带有棕榈树的小湖泊。此外，还有一块真正的沙滩。 当许多着眼于未来的新奇、巧妙的设计方案在欧洲纷纷问世的同时，日本的许多著名工业集团也在探索自己的巨型客轮制造方法。一个叫民帮·柯康的组织已与挪威的造船家联合建造了一种多功能的可容纳3000名乘客的MACS号航海船。这种船与“凤凰世界城”号有一个共同之处，它延伸的船尾同样巧妙地形成了一个内港。看来，这一点将是所有超级船的一个共同特点。 有消息说，法国已经设计出了一种海岛船。顾名思义，海岛船如同悬水小岛一般，它的显著特点一是形体庞大而且不再是通常见到的头尖尾平的狭长型，而是不规则的圆型；二是船上的建筑物酷如自然，难见人工雕琢的痕迹，旅游者置身其间，仿佛在真正的海岛上一般。在船上岛形的平台甲板上，有一个被旅馆环绕着的湖，还有摩托艇码头，至于网球场、风景区、商业区、花园和游乐场等设施更是应有尽有。此外，海岛船的平台下面还悬挂着小船，供人们出“岛”旅游。 可以预料，超级船之间的相互竞争，必将会刺激超级船的不断改进和发展。 可爱的袖珍船 可以这样说，不论是过去、现在还是将来，都不会出现比这艘船还要小的船了：在岸上可以一个人扛上肩，在水中它仅能乘一个人，还得站着。 至今它还没有一个正式的名称，以它戏水的人常常将它称之为“水鞋”，因为在茫茫大海中，它实实在在像一只鞋。 “水鞋”的甲板呈椭圆形，只有一张写字桌那么大，几乎贴着水面，它的甲板是水密的，上面既没有舷墙，也没有舱室，只有两个系船环，光溜溜的留不住一点水。因此，即使波浪将它覆盖，也不必担心沉没。 也许有人要提出这样一个疑问：“水鞋”太轻、太小，人又站着，重心很高，极易船翻人亡。其实，这个问题在“水鞋”设计之初就已经解决了。 “水鞋”的设计者们将“水鞋”的重心设计得很低，把横截面设计成T字形并在下端加放固定压载，这样，整艘船——“水鞋”的重心就很低了，根据物理学理论得知，共稳性就大大增强了。 “水鞋”船体极为独特，“水鞋”的推进方式也很独特。“水鞋”的驾驶者既不摇橹也不划桨，而是双手各拿一根独特的滑水杖，快速用力地向水面撑去，靠其产生的反作用力推船前进。 滑水杖与滑雪杖相类似，不少人认为滑水杖的发明受到了滑雪杖的启发，不过，由于水面是液体，故滑水杖的设计更为精巧。它的下端像滑雪杖一样也有一个圆盘，为使滑水杖离水时圆盘不致带起很多水而产生阻力，圆盘背面应是倾斜的，而另一种滑水杖更为独特，像鸭蹼划水一样，撑出去时迎面积增加，收回来时迎面积缩小。 “水鞋”正在受到航海爱好者的喜爱。1978年秋天，有个美国航海爱好者自制了一只“水鞋”，从英国多维尔出发，横渡了英吉利海峡。 |
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