主导半世纪的船舶设计(下):「波浪线理论」与其如梦似幻的雅緻


译:林中一教授
编修:余海峯博士

延伸阅读:主导半世纪的船舶设计(上):「波浪线理论」与其如梦似幻的雅緻吃水线

葛瑞菲斯在快速帆船的成功,刺激了一股在纽约与波士顿採用向内凹陷吃水线造船的热潮。快速帆船造船者罗伯・马凯(Robert McKay)在一次造访伦敦时简洁的向罗素表示:「我有个秘密,就是我在建造我所有的船时都採用了波浪的原理。我最早是在大英协会(British Association)的出版品里发现了波浪线的说明。」

波浪线成了游艇社群的一个更加招牌的设备。罗素帮英国铁路工程师罗伯・史蒂芬森(Robert Stephenson)建造了一艘波浪线游艇「泰坦尼亚号」(Titania),就是这一艘船让史蒂文森得以加入那个贵气十足的「皇家游艇连」(Royal Yacht Squadron,简称RYS)。1851年的时候,皇家游艇连的会员邀请他们的同级对手「纽约游艇俱乐部」(New York Yacht Club,简称NYYC)的伙伴们到英格兰怀特岛的考斯(Cowes, the Isle of Wight)比赛「一百畿尼杯」(Hundred Guinea Cup/£100 Cup)游艇赛——这是皇家游艇连举办的比赛里的最高殊荣。(译者注:畿尼(Guinea)是英国币值单位,一畿尼等于一英镑,一百畿尼杯的奖盃价值一百畿尼,大约是今天的十万英镑。)

皇家游艇连的好手们不知道,来自纽约由乔治・史悌尔(George Steers)所领导的队伍,已经準备好了他们自己的波浪线游艇来参赛。史悌尔曾经是葛瑞菲斯的造船伙伴,并而且向葛瑞菲司学会了波浪线理论;他完全遵照了波浪线理论建造了他的「美国号」(America)纵帆船(见图4(b))。

在1851年的8月22日,美国号在怀特岛的帆船大赛里稳稳的击败了由14条船所组成的英国船队。美国号的胜利造成了大轰动,数日之后伦敦日报(London Journal)登载了一幅漫画,图中维多利亚女王问道:「那一艘游艇得到第二名?」她得到唯一的回答是:「啊,女王陛下,这个比赛是没有第二名的。」一个星期之后,在另一场比赛里,美国号对上了罗素自己的杰作泰坦尼亚号。再一次,美国号轻鬆获胜。罗素很有风度的承认对方的胜利,并声称史悌尔对于波浪线的运用更胜他一筹。

波浪线赢得了国际的名声而且在美国号大胜之后被广为模仿。1860年的时候罗素被任命为「皇家船舶设计学院」(Royal Institution of Naval Architects)的校长。然而并非所有的帆船玩家都相信波浪线理论。一位在麻省理工学院训练出的工程师,美国人那森诺・贺瑞修夫(Nathanael Herreshoff)明确的摒弃了波浪线以及所有其他所谓的「科学理论」,在船身设计上只认同出自自身经验的自家产品。他工程上的直觉被证明几乎都是对的;自1893年到1920年,他设计并建造了连续五届美国杯的卫冕者,这里面包括了他1903年的杰作「信任号」(Reliance)。这几条船没有一艘有向内凹陷的吃水线特徵。

对于许多研究船舶设计的科学家与工程师,贺瑞修夫的非凡演出其实也不是那幺令人惊讶。早在十多年前那些人之中有几个就已经开始发掘波浪线理论的缺点,而并没有花太久时间就看到那个理论出现了破绽。

波浪线的终结

在那些质疑波浪线理论的诸多科学家与工程师之中,有一位名叫威廉・蓝金(William Rankine)。他自1857年开始,执行了一个为期十年的船舶阻力研究之后,得到了一个结论,就是船舶行进所遭遇的阻力最重要的来源是散流在整个船身周边的「摩擦涡流」(frictional eddies);注意,摩擦涡流的作用不只是在船头与船尾,而在整个船身。但是,蓝金用来计算阻力的理论,虽然后来证明大都是对的,用在处理日常的造船工作时就嫌太複杂了。

又有一位大名威廉・傅如德,曾经一起参与建造大东方号,亦熟悉罗素,也加入了船舶阻力的研究。1865年的时候,他决定要比较一下罗素的尖型波浪线和另一种比较圆的,他说他的想法源自「水鸟的眼光」。他建造了两组大小不同的模型船,一组是有波浪线的「渡鸦」(Raven),另一组船尾是钝形的「天鹅」(Swan),然后把这两种模型船拖在一艘小的工作船后面。实验结果发现,在高速时天鹅表现出的阻力比渡鸦要小,傅如德也开始确信阻力可以依照比例随着船只大小予以预测。

1868年,BAAS委託了更多船舶阻力的研究案,而蓝金和傅如德都参了一脚。在正式的报告里,协会反对使用缩小版模型的行为来预测全尺寸船只结果的作法。但是傅如德基于他所做天鹅与渡鸦的实验结果,并不认同协会的看法。运用了得自皇家海军(Royal Navy)的资金,傅如德在位于托基(Torquay)、他家附近建造了一个模型测试储水池,并且在1871年开始实验。经过十年研究,傅如德和他儿子罗伯(Robert)发展出了船舶阻力的比例定律以老爸名字命名。

经过超过一个世纪的理论与实验的证实之下,傅如德的定律架构里说明了船舶所受的总阻力来自两个可视为独立的因素:

压力,就是在整个船体全长产生能量耗散波浪系统的压力摩擦,就是由水施予船体表面的黏滞阻力。

波浪线理论只有船头与船尾会产生波浪的前提,被一个更基本的理解所取代。这说明行船时产生的波浪,就是整个船体向其周围的水所输送的能量。

到了1890年代,蒸汽动力已经超过风帆成为商船推进的主要方式。船主们开始对增进煤及后来油的效率进行更多的投资。在同一时期,全世界也在纷纷建造傅如德于托基做的实验所用的缩小版模型测试储水池,而模型测试的结果都确认了傅如德所建构的定律。船舶设计所涉及的科学很快也成为了在那些实验设施里工作的工程师与科学家的研究领域(图5)。缩小版模型的实验是相对容易与以及低成本,与傅如德的比例定律相结合后,模型测试对造船者以及海军而言是有成本效益的方式,如此他们能发展有效率的船体形状,同时降低燃料开支。

主导半世纪的船舶设计(下):「波浪线理论」与其如梦似幻的雅緻史帝文理工学院的戴维森实验室(Davidson Laboratory, Stevens Institute of Technology)同意刊出
图5. 一个现代的模型测试储水池、一座用来研究小型模型船流体力学的现代牵引水槽。由于那些流体力学服赝定义明确的比例定律,小型模型可以用来估计远洋航行船只的速率与动力。承蒙史帝文理工学院的戴维森实验室(Davidson Laboratory, Stevens Institute of Technology)同意刊出。

模型测试也逐渐显露其他影响船只速度与动力的因素,包括船身摩擦与流入螺旋桨的水流的形态。这些新考量质疑了所有几何推导出的吃水线有效性。1906年一篇刊登在畅销的《工程学》期刊(Engineering)的论文认为:

该论文明言,这个主题「只能在测试水槽的辅助之下得到阐明」。确实,在1893年由美国造船技师大卫・泰勒(David Taylor)所着的、有影响力的着作《船舶的阻力与螺旋推进器》(Resistance of Ships and Screw Propulsion)中,几乎完全只专注于模型测试结果,而对罗素的波浪线理论一个字都没提到。

故事还没完

虽然罗素的波浪线概念无法存留超过19世纪,但是18世纪明确的理想——最小阻力的几何固体——活了下来。儘管被指出并无物理基础,这种固体可能存在的想法仍继续支配着一些甚至是20世纪的工程师。

在最有名的例子,1934年美国航空工程师大卫・戴维斯(David Davis)申请了一种低阻力机翼设计专利,设计原理完全只基于摆线形状的几何考量。回顾罗素的论点——摆线形是最佳化船尾的形状,戴维斯的专利宣称他的「最有利机翼形状」是「发展自一个公式,该公式是基于一个在流体中同时具有旋转与平移运动的旋转翼所产生的马格努斯效应(Magnus effect)」。

在这里把马格努斯效应扯进来其实是有点暧昧的,因为马格努斯现象只与自旋的物体相干,而戴维斯的机翼并不旋转。但是即便如此,戴维斯的机翼仍然受到了「统一飞机公司」(Consolidated Aircraft Corp)的注意,这家公司当时正在发展一种新式的长程轰炸机——就是后来的B-24。当统一公司测试了戴维斯的机翼之后,发现流经机翼大部分表面的气流都是非湍流的稳定流线,因此大幅降低了阻力。于是飞机公司就採用「老戴机翼」接续製造后来被视为大成功的B-24。好几年之后,大家才了解到这个低阻力背后的物理是所谓的「层流机翼」(laminar-flow airfoils),工程师们也就在那个时候才了解到戴维斯的摆线碰巧落在几种层流机翼形状的其中之一。看来戴维斯发表的机翼比较像是碰巧踩到狗屎般的好运而非出自刻意的设计。

约翰・史考特・罗素与他在造船界半世纪长的主导似乎也颇为相似。然而,即使证据显示他几何构想的基础,事实上只是建筑在沙滩上的一段时间之后,他那个「最小阻力形状」依然风姿不绰。部分魅力可能因为他的理论看来就是那幺简单。但是另一个隐藏在波浪线和其他几何导出形状持久不坠背后的因素,应该是罗素作品的视觉美。这世界事实上没有多少事物能比那些过去岁月中的快速帆船与赛艇优雅的船身还要漂亮。