从“东方之星”倾覆浅谈船舶的稳定性

丁雁生

？
2015年6月1日“东方之星”倾覆，把船舶稳定性问题严峻地摆在我们面前。船舶的稳定性是船舶在可预见的作用下不会倾覆，倾侧力消失后能恢复到正常状态的能力。
人们通常称船舶的质量中心为重心（这里用符号P表示）。漂在水里时，船舶有一个浮力中心，人们则称之为浮心（这里用符号Q表示）。重力作用于重心，沿铅垂线向下；浮力作用于浮心，沿铅垂线向上；两者大小相等。
力学知识告诉我们，如果重心P位于浮心Q的下方，船体倾侧后，浮力对重心的力矩一定会使船体回复到平衡状态。因此，重心低于浮力的船舶是稳定平衡的。对于重心P在浮心Q上方的船舶，在规定条件下可以实现相对稳定的平衡，背离该规定条件就会失稳。
据笔者近几日了解的情况，江轮“东方之星”的重心在浮心上面，业内人士形容它“上重下轻”，所以它的稳定是有附带条件的。
下面结合“东方之星”来讨论船舶的重心P位置高于浮心Q位置时的平衡问题。
先要明确几个概念。（1）漂浮在水面的船舶，由于风和浪的作用，通常处于摇摆状态。摇摆的幅度与浪的波长和波幅正相关。对于长度远大于波长的船，主要是左右摇摆？？横摇。当波长远小于船宽时，船舶基本不摇摆。（2）船舶的抗风能力与船舶承受的风力有关，风力与风速的平方、船体迎风面积成正比。抗风能力还与船体顺风方向的尺度相关：迎风或背风时，船舶的迎风面积最小，顺风向的尺度最大，抗风能力最强；侧风时，船舶迎风面积最大，顺风向的尺度最小，抗风能力最弱。（3）船舶横摇时，其排水量不变，但是浮力中心的位置在不断改变，而重心是否变化则取决于船上物体是否移动。如果物体固定在船体上不动，那重心便不会改变；若船上的物体可能移动，那重心便可能改变。当重心和浮心不在一条垂线时，浮力对重心的力矩，使船体发生与横摇反向或同向的旋转。如果发生同向旋转，可能导致船体倾覆。（4）船底是不透水的，船舶甲板以上部分不一定对水密封，通常内河船舶甲板以上的舱室只档风雨，不水密。正常条件下不允许船体摇摆到船舱进水，进水意味着船舶遭遇沉没的威胁。
“东方之星”船长76.5米，型宽（即设计水线面的宽度）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，排水量可达2200吨（76.5m′11 m′2.5 m =2104m³）。甲板上有四层舱室。从照片估计，甲板以上的船体高约12米，加上型深，船主体的高度约15米（不计顶棚上面的结构物）；甲板以上船体宽度约12米，略大于型宽。据此，将船体横截面简化如下图所示，a为高度，b为船体总宽，c为型深，d为吃水深。图中h为重心P到船底的距离，q为船体倾角（船体中心线相对于铅垂线的夹角）。正常航行时船舶处于平衡状态（参见下图情况1）。在航行中受到风浪作用发生横摇，假定在某一时刻船体向右倾斜。如果船上的物体不移动，重心P的位置就不会有变化。由于左侧一部分船体露出水面，右侧同样体积的船体浸入水中，因此浮心Q向右移动（参见下图情况2、3、4）。现具体说明如下。

？
？
情况1：重心P（红色圆点）与浮心Q（绿色圆点）在同一条铅垂线时，船体正直，处于平衡态。梯形ABCD表示被淹没部分的船体。
情况2：船体右倾，淹没部分ABCD的面积与情况1相等。如果重心比较低，或者船身比较宽，浮心向右移动就相对比较大，浮力作用线就会移到重力作用线的右侧。这时候，浮力对重心的力矩会使船体回复到正常状态。由于型深c与吃水深d仅差0.6米，型宽11米而船宽约12米，可以估算出允许的最大摆角q_cr在6度上下。
情况3：浮心类似于情况2，但是向右吹的风使船向右倒，摆角q大于q_cr，右舷开始进水，淹没部分ABCD的面积可能比情况1大。若浮力矩不能抵御风力矩，这时船体继续右倾。持续的右倾将导致船体倾覆。
情况4：右舷开始大量进水，淹没部分ABCD的面积比情况1大。浮力向右移动相对较小，浮力作用线在重力作用线的左侧。这时候，浮力对重心的力矩会继续使船体向右倾斜，船体也将发生倾覆。
后面三种情况中，前一种是稳定的，后两种是不稳定的。如果船上物体未固定，顺势滑移，将使后两种情况更容易发生。“东方之星”遭遇的正是情况3，在狂风中急转掉头导致侧倾并且侧面迎风，要害是它的重心P过高，只能抗8~10级风。
说到急转掉头，还需要补充说明船舶在行进中转弯的现象。通常，船舶沿纵轴前行，转弯时船体底部受水阻滞而船体上部因惯性继续向前，造成船体向前进方向侧倾。因此，上部高大的轮船不宜在高速前进中急转弯。“东方之星”在狂风大雨中右舷潲雨，船体向左倾斜，左转弯可以纠正这一倾斜，不料矫枉过正，反而发生右倾，而转向180度的船体在狂风之中更加右倾，浮力矩加风力矩使船体加速倾覆。
因此，为了使船舶具有良好的稳定性，要设法增加船体的型宽，并且尽可能降低船舶的重心位置。值得注意的是，类似“东方之星”的游轮还有多少？为了提高这类船舶的抗风能力和误操作时的安全裕度，是否应当把高层的客舱拆除？
？