從“東方之星”傾覆淺談船舶的穩(wěn)定性

丁雁生

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2015年6月1日“東方之星”傾覆，把船舶穩(wěn)定性問題嚴(yán)峻地擺在我們面前。船舶的穩(wěn)定性是船舶在可預(yù)見的作用下不會傾覆，傾側(cè)力消失后能恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力。
人們通常稱船舶的質(zhì)量中心為重心（這里用符號P表示）。漂在水里時，船舶有一個浮力中心，人們則稱之為浮心（這里用符號Q表示）。重力作用于重心，沿鉛垂線向下；浮力作用于浮心，沿鉛垂線向上；兩者大小相等。
力學(xué)知識告訴我們，如果重心P位于浮心Q的下方，船體傾側(cè)后，浮力對重心的力矩一定會使船體回復(fù)到平衡狀態(tài)。因此，重心低于浮力的船舶是穩(wěn)定平衡的。對于重心P在浮心Q上方的船舶，在規(guī)定條件下可以實現(xiàn)相對穩(wěn)定的平衡，背離該規(guī)定條件就會失穩(wěn)。
據(jù)筆者近幾日了解的情況，江輪“東方之星”的重心在浮心上面，業(yè)內(nèi)人士形容它“上重下輕”，所以它的穩(wěn)定是有附帶條件的。
下面結(jié)合“東方之星”來討論船舶的重心P位置高于浮心Q位置時的平衡問題。
先要明確幾個概念。（1）漂浮在水面的船舶，由于風(fēng)和浪的作用，通常處于搖擺狀態(tài)。搖擺的幅度與浪的波長和波幅正相關(guān)。對于長度遠大于波長的船，主要是左右搖擺？？橫搖。當(dāng)波長遠小于船寬時，船舶基本不搖擺。（2）船舶的抗風(fēng)能力與船舶承受的風(fēng)力有關(guān)，風(fēng)力與風(fēng)速的平方、船體迎風(fēng)面積成正比。抗風(fēng)能力還與船體順風(fēng)方向的尺度相關(guān)：迎風(fēng)或背風(fēng)時，船舶的迎風(fēng)面積最小，順風(fēng)向的尺度最大，抗風(fēng)能力最強；側(cè)風(fēng)時，船舶迎風(fēng)面積最大，順風(fēng)向的尺度最小，抗風(fēng)能力最弱。（3）船舶橫搖時，其排水量不變，但是浮力中心的位置在不斷改變，而重心是否變化則取決于船上物體是否移動。如果物體固定在船體上不動，那重心便不會改變；若船上的物體可能移動，那重心便可能改變。當(dāng)重心和浮心不在一條垂線時，浮力對重心的力矩，使船體發(fā)生與橫搖反向或同向的旋轉(zhuǎn)。如果發(fā)生同向旋轉(zhuǎn)，可能導(dǎo)致船體傾覆。（4）船底是不透水的，船舶甲板以上部分不一定對水密封，通常內(nèi)河船舶甲板以上的艙室只檔風(fēng)雨，不水密。正常條件下不允許船體搖擺到船艙進水，進水意味著船舶遭遇沉沒的威脅。
“東方之星”船長76.5米，型寬（即設(shè)計水線面的寬度）11米，型深（即船底到甲板的尺度）3.1米，吃水深度2.5米左右，排水量可達2200噸（76.5m′11 m′2.5 m =2104m³）。甲板上有四層艙室。從照片估計，甲板以上的船體高約12米，加上型深，船主體的高度約15米（不計頂棚上面的結(jié)構(gòu)物）；甲板以上船體寬度約12米，略大于型寬。據(jù)此，將船體橫截面簡化如下圖所示，a為高度，b為船體總寬，c為型深，d為吃水深。圖中h為重心P到船底的距離，q為船體傾角（船體中心線相對于鉛垂線的夾角）。正常航行時船舶處于平衡狀態(tài)（參見下圖情況1）。在航行中受到風(fēng)浪作用發(fā)生橫搖，假定在某一時刻船體向右傾斜。如果船上的物體不移動，重心P的位置就不會有變化。由于左側(cè)一部分船體露出水面，右側(cè)同樣體積的船體浸入水中，因此浮心Q向右移動（參見下圖情況2、3、4）?，F(xiàn)具體說明如下。

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情況1：重心P（紅色圓點）與浮心Q（綠色圓點）在同一條鉛垂線時，船體正直，處于平衡態(tài)。梯形ABCD表示被淹沒部分的船體。
情況2：船體右傾，淹沒部分ABCD的面積與情況1相等。如果重心比較低，或者船身比較寬，浮心向右移動就相對比較大，浮力作用線就會移到重力作用線的右側(cè)。這時候，浮力對重心的力矩會使船體回復(fù)到正常狀態(tài)。由于型深c與吃水深d僅差0.6米，型寬11米而船寬約12米，可以估算出允許的最大擺角q_cr在6度上下。
情況3：浮心類似于情況2，但是向右吹的風(fēng)使船向右倒，擺角q大于q_cr，右舷開始進水，淹沒部分ABCD的面積可能比情況1大。若浮力矩不能抵御風(fēng)力矩，這時船體繼續(xù)右傾。持續(xù)的右傾將導(dǎo)致船體傾覆。
情況4：右舷開始大量進水，淹沒部分ABCD的面積比情況1大。浮力向右移動相對較小，浮力作用線在重力作用線的左側(cè)。這時候，浮力對重心的力矩會繼續(xù)使船體向右傾斜，船體也將發(fā)生傾覆。
后面三種情況中，前一種是穩(wěn)定的，后兩種是不穩(wěn)定的。如果船上物體未固定，順勢滑移，將使后兩種情況更容易發(fā)生?！皷|方之星”遭遇的正是情況3，在狂風(fēng)中急轉(zhuǎn)掉頭導(dǎo)致側(cè)傾并且側(cè)面迎風(fēng)，要害是它的重心P過高，只能抗8~10級風(fēng)。
說到急轉(zhuǎn)掉頭，還需要補充說明船舶在行進中轉(zhuǎn)彎的現(xiàn)象。通常，船舶沿縱軸前行，轉(zhuǎn)彎時船體底部受水阻滯而船體上部因慣性繼續(xù)向前，造成船體向前進方向側(cè)傾。因此，上部高大的輪船不宜在高速前進中急轉(zhuǎn)彎?！皷|方之星”在狂風(fēng)大雨中右舷潲雨，船體向左傾斜，左轉(zhuǎn)彎可以糾正這一傾斜，不料矯枉過正，反而發(fā)生右傾，而轉(zhuǎn)向180度的船體在狂風(fēng)之中更加右傾，浮力矩加風(fēng)力矩使船體加速傾覆。
因此，為了使船舶具有良好的穩(wěn)定性，要設(shè)法增加船體的型寬，并且盡可能降低船舶的重心位置。值得注意的是，類似“東方之星”的游輪還有多少？為了提高這類船舶的抗風(fēng)能力和誤操作時的安全裕度，是否應(yīng)當(dāng)把高層的客艙拆除？
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