轮船

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轮船指用机械发动机推动的船只，多用钢铁制造。旧时轮船是以蒸汽推动外部明轮的桨轮的蒸汽船，现代轮船多用涡轮发动机，而内燃机和核动力也成为轮船新的动力来源。

2016年为止，全世界的商船超过49,000艘，其载重吨位将近20亿吨，其中有28%是油轮、43%是散货船、13%是货柜船。海军也会利用大型船只进行海战或是海上运输。2016年为止，在全世界104个海军当中，北韩的朝鲜人民军海军有最多水面船只（967）、接着是中华人民共和国的中国人民解放军海军（714）、美国海军（415）、伊朗海军（398）及俄罗斯海军（352）。前五十大的海军平均军舰数量为88艘。

## 历史

轮船一般有狭义和广义两种用法，轮船的推进有两种方式，一种是原始的以人力踩踏木轮推进，一种是以螺旋浆推进。狭义的轮船是指用汽轮机推进的船只，即蒸汽船。1807年，美国人罗伯特·富尔顿建造了世界上第一艘蒸汽机动力的轮船。在这里，轮成为以连续运动代替间歇运动的机械。

近代轮船发展史上，第一艘成功的有蒸汽机动力的蒸汽船于1776年在法国下水。1807年，美国发明家和工程师罗伯特·富尔顿是第一个成功的将蒸汽轮船投入商业使用的人。1865年，中国第一艘蒸汽轮船黄鹄号投入使用。

## 种类

因为船是依照相同的航行结构原理所设计的，其分类会依其功能来分类（这也是Paulet和Presles建议的分类法）。以下是一些船只设计师大致认同的分类：

- 高速艇：多体船（包括穿浪型船）、小水平面双体船体（SWATH）、表面效应船及气垫船、水翼船、地面效应船（WIG）
- 海上钻井船：钻井平台供应船、管道层，住宿和起重机驳船、非潜式或半潜式钻机、石油平台、浮式生产储油卸油装置
- 渔船

有驱动动力的拖网渔船、围网渔船、延绳渔船、拖钓船及工厂船。

- 港湾作业船只

电缆船

拖船、挖泥船、打捞船、引水船

浮动旱坞、起重机船、载驳船。

- 干货船：流动货轮、散货船、货物运输船、集装箱船、驳船，Ro-Ro船、冷藏货船，木材运输船，畜牧和轻型车辆船
- 液货船：油船、液化气货船、化学物质货船。
- 客船

定期船、邮轮和特殊贸易客船（STP ships）

海峡渡轮、沿海渡轮和海港渡轮

- 休闲艇
- 特殊用途船只：气象船及研究船、深海测量船及破冰船
- 潜水器：工业侦勘、科学研究、旅游及水文调查。
- 军舰：包括水面舰艇及潜艇

## 结构

在任何大小及用途的船只中，都有一些类似的元素。船都会有船体，也都会有推进系统，早期轮船的推进系统是蒸汽机，现代轮船多用涡轮发动机，有些也用内燃机或是核反应炉。大部分的船只也都有驾驶系统。轮船也会有隔间，货舱，上层建筑，以及锚和绞车之类的设备，不过不一定每艘船都有。

### 船体

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船要浮在水中，其重量需要比船体等体积的水要轻。船只可能只有一个船体（单体船，monohull），也有可能有二个船体（双体船、catamaran）甚至三个船体（三体船、trimaran）。超过三个船体的船很少见，不过有实验曾经用到五个船体。多船体的船，各船体一般会彼此平行，而且会用刚性臂连接。

船体可分为许多部分，船首是船体最前面的部分，许多船会有球状船首。龙骨是船体的最下方，从船的最前面延伸到最后面。船体的最后面称为船尾，许多船后方有平坦的区域，称为方艉。常见的船体附件有推进用的螺旋桨，控制方向的舵，避免船只横摇的稳定器 (船只)。其他船体的特点和船只用途有关，例如渔具及声纳。

船体会考虑许多流体静力学及流体动力学的要求，最重要的流体静力学要求是可以支撑整艘船的重量，在载重不均匀分布时也可以维持稳定。流体动力学的限制包括可以承受波浪的震动、气候的影响以及搁浅的影响等。

较早期的船（或是游乐船）可能会用木制的船体。现今的船多半使用钢为船体材料，快速船只可能会使用铝，帆船及游乐船常用复合材料，有些船是混凝土船，以混凝土为船体材料。

### 推进系统

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船的推进系统可以分为三类：人力、帆或是机械推进。轮船一般是指机械推进的船只。

机械推进系统一般会包括马达或是引擎等动力源，动力源会带动螺旋桨，也有些会带动叶轮或波浪推进鳍。最早期的动力源是蒸汽机，后来就改用两冲程循环或四冲程循环的柴油引擎、舷外马达，较快的船会使用燃气涡轮发动机。军舰及破冰船会使用核能船舶推进器，目前也尝试用在商船上，例如萨凡纳号核动力船。

最传统的螺旋桨有固定螺距和可控螺距螺旋桨，后来也有一些变化，例如反向旋转和喷嘴式推进器。大部分的船只只有一个推进器，不过有些大型船只会到四个推进器，加上弓推进器，以便在港内航行。推进器是透过推进轴和主引擎连接，若是中速或是高速的引擎，会加上减速箱。有些现代的轮船有柴电动力系统，船上有发电机产生电力，再用电力带动马达及推进器。

### 转向系统

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若船舶的两侧都有推进系统，例如一些外轮船，就不需要转向系统。不过大部分用单一推进器驱动的船，就需要有转向系统。最常见的转向系统是舵，是在船尾水下的平面。在船要转向时，会转动舵，以产生侧向力。舵可以透过舵操纵杆、手轮或是电子油压系统来驱动。自动驾驶系统会结合机械的舵以及导航系统。有时会用导管螺旋桨来转向。

有些推进系统本身都有可转向的特性，例如舷外马达、船首推进器以及Z-Drive船。

### 货舱、舱室及上层建筑

大型船只会有多个甲板和舱室。渔船和货船通常具有一个至多个货舱。大型的轮船会有轮机室、船上厨房及许多的工程舱。船上会有储存油料、机油及淡水的油槽及水槽。压载舱可以调整船的俯仰，并且调整其稳定性。

上层建筑（船艛建筑）是在甲板上方的结构。在现代的货船上，上层建筑一般是在船的后方。在客船和军舰上，上层建筑会延伸到船的前面。

### 设备

船舶上的设备会受到许多因素的影响，例如时代、设计、航行区域以及用途。以下是一些常用到的设备：

- 桅杆可以安放天线、导航灯、雷达应答器、雾信号灯，以及法规上要求的类似设备。
- 锚泊索具设备包括锚泊绞车、锚机以及锚。船在浅水中系泊时会用到锚，一般会用绳索或是链条和船连接。较大型的船只会用锚链筒来操作链条。
- 货物设备包括有起重机及吊臂，可以用来装货以及卸货。
- 安全设备包括有救生艇、救生筏（Life raft）及救生衣，是在紧急情形时使用。

## 设计考量

### 流体静力学

船浮在水面的水位，会使船舶排开的水重量等于船舶的重量，因此船舶的重量会等于水的浮力。当船吃水的深度变深时，船的重量不变，但其船体排开的水会因此变多，因此浮力会增加。若船的载重平均分配，船的浮力也会沿着船长及船宽均匀分布。船舶的稳定性会考虑其初稳性，以及在移动、横摇及浮仰时，以及受到风和浪影响时的船稳定性。船若有稳定性问题，可能会造成异常的横摇及浮仰，甚至会造成倾覆和下沉。

### 流体动力学

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船在水中的前进会受到水阻力的影响。阻力会分为几个成分，主要的是水在船体的阻力以及造波抵抗力。为了降低阻力，提升船的速度，需要减少船的浸水面积，使用可以产生较小振幅波浪的浸没式船体。因此，高速的船往往会有较斜的船身，其船舶附体也会较少及较小。若定期维护船体或用生物附着涂料，去除船体上附着的海洋生物及藻类，也可以减少水的阻力。球状船首等先进设计也可以减少波浪阻力。

有个观察造波阻力的简单方式，是看船体和开尔文船波之间的关系，若船的速度比浪的传播速度慢，浪会快速的在船边消散。若船头产生浪的速度比消散的速度要快，其振幅会增加。因为水无法以够快的速度离开船体，船体需要越过或穿过船首波浪，因此随着速度的上升，其阻力会依指数函数上升。

船体速度的公式如下：

$$\mbox{knots} \approx 1.34 \times \sqrt{L \mbox{ft}}$$

若考虑米制单位，速度如下：

$$\mbox{knots} \approx 2.5 \times \sqrt{L \mbox{m}}$$

其中L为在水中的长度，单位是英尺或米，而船体速度的单位是节（每小时1海里）。

若船的速度超过船体速度的0.94倍，船会越过大部分的船首波，船体只被二个浪的浪尖所支持，在水中会略为沈降。若船的速度超过船体速度的1.34倍，浪的波长其实比船身还长，并且船尾不再受到尾流的支撑，因此船尾会往上，船头会上升，船体会越过船本身产生的船首波，阻力会开始快速上升。有可能以超过船体速度1.34倍的的速度来驱动排水型船只，但其成本可能会过高。大部分的船只都会在船体速度以下的速度行进。

若是有足够资金的大型项目，可以用船体测试池来测试船体阻力，或是透过计算流体力学的工具来计算。

船也会受到波涛及涌浪的影响，也会受到风及天气的影响。这些造成的船只运动会影‵响船上的设备及乘客，最好可以加以控制。侧摇的运动可以透过压载舱或是稳定器 (船只)来控制。俯仰很难控制，而且若是船首浸入海浪中（称为拍底，Pounding），会格外的危险。有时为了使剧烈的侧摇或俯仰可以停止，船只需要改变速度或是航向。

透过21世纪的科学研究证实，若考虑分叉点记忆的影响，有时船舶的稳定性会快速下降。有影响的有有机动能力强的船舶，飞机和受控水下航行器，这些在特定应用下的稳态时会设计为不稳定。在设计船只以及在临界条件控制时，需要列入考虑。