从东方之星事故聊船舶原理和安全

崔荣昊

2015年6月1日深夜，由南京开往重庆的“东方之星”号客船突遇龙卷风倾覆，最终12人获救，442人遇难。突如其来的沉船事件再次警醒世人，安全永远是重中之重。下面笔者将为大家介绍一下船舶原理和安全防护。

怎样保持平衡？

随着时间的推移，船舶一直在发展衍化。它们大小不同、动力不同、形状更是五花八门。但无论如何变化，它们都遵守着一个基本的原理：浸入静止流体（气体或液体）中的物体受到一个浮力，其大小等于该物体所排开的流体重量，方向垂直向上并通过所排开流体的形心（抽象几何体中心）——阿基米德原理：F=ρ（F为浮力，ρ为液体密度，V为排开液体的体积）。

如图1，船的重力是由船舶本身跟部分重量所组成，如船体构件、机电设备、货物、人员、行李等重量。这些重量会形成一个垂直向下的合力G，而合力G便是船舶的重力。作用点A称为船舶的重心。当船舶漂浮于水面一定位置时，船体浸水表面每一个点都受到水的压力，这些压力都垂直于船体表面，大小与浸水深度成正比。从图中可以看出，船舶水下部分压力的水平分力互相抵消，垂直分力则形成一个垂直向上的合力F，此合力F就是支撑船舶漂浮于一定位置的浮力，合力的作用点B称为船舶的浮心。因此船舶保持平衡的必然条件是：

（1）重量与浮力的大小相等而方向相反，即G=F=ρV。

（2）重心A和浮心B在同—条铅垂线上。

两种假设状况

如果条件（1）不满足：

①当重力G大于浮力F时（例如船正在装货），船体就会下沉增加排开水获得支撑新增加这部分重力的浮力，船舶形态重新达到平衡。

②当浮力F大于重力G时（例如船正在卸货），船体就会上浮减少排开水去除支撑新减少这部分重力的浮力，船舶形态重新达到平衡。

如果条件（2）不满足：

船舶在航行过程中，经常会受到风浪等各种外力干扰，从而产生倾斜。

如图2所示是船舶的横剖面，该船在外力F（风浪、其他船舶撞击等）作用下缓慢地倾斜成一个小角度，水线由正常状态时的WL变成倾斜后的WL，船的重量在倾斜前后没有改变，船的重心保持在原来的位置，故船的排水体积的大小不变。但由于水线变化，船体的排水（水下）体积形状已经改变，故浮心由原来位置B点移动到B点。此时浮心和重心不再位于同一铅垂线上，因而浮力和重力形成一个力偶，促使船恢复到原来的平衡位置。自重心A作直线AC垂直于通过B的垂线（就是浮力线），则力偶的距就是：

M称为船的复原力矩。当外力力矩小于M恢复力矩时，在外力取消后船舶会恢复到原先正常形态，外力力矩大于M恢复力矩时，船舶就会继续倾斜达到极限值后反扣造成事故。从公式中我们可以看出AC越大船舶抵抗倾斜的能力会越大，那我们是不是可以把AC使劲往大了做就行了？事实不是这样的，因为受外界环境影响，像航道的水深，闸门航道的宽度都会对船体的尺寸做出限制。而且随着AC的增大，船舶的摇摆周期会变短，遇到风浪时会急剧摇摆，并不适合生活工作。因此AC数值选取要适当，这也就决定了船舶存在倾斜极限，当遇到超过这个极限的情况就会发生事故。船舶安全设计

船舶的基本原理大概就是这些。那么为了航行安全，船舶做了哪些设置呢？

首先，丛设计时就会进行大量的强度和原理计算，并把设计的图纸提交给船级社进行校验保证从源头上安全。在船体结构上，其船艏部会设置一道水密的防撞舱壁，当艏部发生碰撞破损时，可以保证海水不会侵入到后面的舱室。而压载水舱也是为了船舶安全而设置的独特结构。

如图3，这是典型的散货船横剖面图，ABCD四个位置就是其所设置的压载水舱。我们可以看到压载舱占了好大一片位置，如果把这些位置空出来是不是又可以拉更多的货物了，可为什么偏偏要设置压载舱呢？

船底两边的压载水舱会有管道与外界的水域相连，压载水舱之间也有管道相连。船舶空载时吃水很浅，抵御风浪的能力很差，这时候就可以往压载水舱里充水增加船舶的吃水使船舶稳定下来，运输货物再把水排出来。有时装载货物分布不均匀导致船舶向一侧倾斜，这时就可以往另一侧充压载水平衡回来。当一侧发生事故时也可以通过调节压载水使船舶达到平衡不至于沉没，所以为了安全牺牲一部分运载能力是值得的。

船舶灾难的预防

火灾是船舶最危险的事故之一。船舶无论是在港内还是在海上航行，无论是在营运还是在修理，都有可能发生火灾。火灾发生的主要原因在于可燃物质的存在（如燃油等）、火源的存在（如锅炉、电源）、人为因素（吸烟、违章作业）、自然因素（货物的自燃、雷击、静电火花等）。随着航运规模的扩大，船舶尺度的增加，火灾引起的损失也在增大。现代船舶在建造时运用了大量的防火材料，在可能发生火灾的场所都设有感应探头，舱室里还装灭火装置，初期的火灾系统会自动识别、报警和扑灭。

根据规范要求，船舶必须配备救生设备。当船舶遇险时，这些设备会为遇险人员提供生命保障，大致可以分为以下几类：（1）公用救生设备：救生艇、救助艇、救生筏等供多人使用的设备。（2）个人救生设备：救生圈、救生衣、保温用具等供个人使用的设备。（3）降落和登乘设备：将救生艇筏从其存放位置安全转移到水上的设施和人员登入救生艇筏的装置。（4）通讯信号设备：闪光灯、烟火、无线电通讯设备等。我们登船时要对这些设备有些认识，发生紧急情况时可以快速地利用这些设备逃生。

船舶不仅仅是交通工具，也是人类赖以生存的宝物，甚至像《2012》里演的那样成为人类的希望。请大家理性看待这次突发事件，多多支特船舶的发展。