无压载水船与超低压载水船

据了解，目前无压载水或少压载水船舶的开发是一条可行性很高的解决问题的途径，但相关研究还都处于开发阶段，尚未进入实船建造领域。

    2001年日本造船技术中心提出了一种完全不需要搭载压载水的无压载水船舶（NOBS）的概念方案。2003年，为了最终能进行实船建造，该方案被列入国家工程项目，由国土交通省指导，旧运输设施整备事业团、铁道建设运输设施整备支援机构和日本财团提供援助，日本造船研究协会正式开始了研究开发。2005年该研究工作由日本船舶技术研究协会接手，委托日本造船技术中心、三菱重工、IHIMU和日本海事协会继续进行。
    对于NOBS船，首先要研究是否有这样一种船型，在无压载水的情况下能够保证一定的吃水，让船舶能够安全航行。最后的研究结论表明，采用V型船底的倾斜式船型，也能在空载无压载水的情况下保证必要的吃水，同时加大船体宽度，以弥补在满载吃水时减少的排水量，如图1所示。主尺度的其他数据，除船深略浅外，船体长度、满载吃水和载货量则与常规船型保持一致。
    研究人员选定的对象船型是无压载水化后获益最大的大型油船（苏伊士型和VLCC）。研究目标是使NOBS型油船在无压载水、空载状态下与常规船型的有压载水、空载状态（搭载相当于满载排水量30%～40%的压载水）相比具有相同的推进效率和适航性，以及满足必要的经济性。随后研究人员制作了数艘长6.2米的模型船，对其进行静水中的推进效率、波浪载荷等相关水池试验，并得出以下结论。
    1、NOBS船在空载状态下，其首柱底部的海浪砰击频率和冲击压力，以及螺旋桨空转的情况，与同条件下常规船型相同。
    2、在船体结构强度方面，满足日本海事协会的最新结构标准《油船的结构强度准则》。
    3、与常规船型相比，NOBS船在满载状态下的推进效率略有恶化，但是空载状态下有了大幅改善，从总体来看提升了6%的推进效率。

-->

    4、操纵性方面，NOBS船具有优良的航向稳定性，并满足IMO的操纵性能标准。
    5、由于NOBS船加宽了船体宽度，纵向弯矩也有所加大，这增加了船体结构的重量，建造成本有所上升，但是实际上可用提高推进效率来弥补这方面的不利因素。

主尺度比较
    苏伊士油船和VLCC分别由三菱重工和IHIMU设计，最终主尺度如表1所示，船体布置图则如图2和图3所示。

-->

-->

-->

推进效率
    输出功率方面，船模试验的结果表明苏伊士型降低了5%～7%，VLCC降低了6％～7%，平均降低了6%以上。图4所示为功率曲线图，细线代表常规船型的性能，取同类船的平均值。如图所示，NOBS船在满载时所需推进功率稍有增加，但是在空载航行时由于已不需要大量的压载水，十分节省能源。
    另外，从螺旋桨的伴流分布测算结果来看，倾斜船底并未产生异常伴流，船底周围流场的圆周方向变化十分平稳。

-->

波浪中的性能
    研究人员采用切片法计算船体在波浪中的纵摇运动，配合模型试验得出的结果是，NOBS船型的纵摇情况与常规船型相同。
    另外自由横摇试验的结果是，NOBS船的横摇周期较小，约为常规船型的2/3。并且NOBS船即使安装了舭龙骨，其横摇特性也没有显著变化。图5为计算和试验结果与常规船型的对比。

-->

波浪纵向弯矩特性
    对4米的船模在规则波和不规则波中进行模型试验得出的结果如图6所示，图中的●○分别代表常规船型、NOBS船型的满载状态，▲△为空载状态。实线、点线为来自海浪砰击载荷推定系统的计算结果（采用不会引起海浪砰击的微波高来计算，刚体）。
    满载状态下NOBS船的纵向弯矩较常规船型大。而在空载状态下，规则波中的试验结果表明NOBS船的纵向弯矩与常规船型相当，在不规则波中则略小。

-->

图6 船体纵向弯矩特性

波浪中首柱底部海浪的砰击和航行阻力增量
    常规船型在搭载压载水时，船首的吃水能保证不会露出船底。NOBS船在空载状态下船首吃水在3米左右，采用V型船首形状，使其在砰击水面时砰击力较小。图7为不规则波中砰击压力测算结果，横轴为波数，纵轴为该波数下的最大砰击压力。NOBS船与常规船型并没有太大的差异，但是船首吃水方面，NOBS船为3米，常规船型为5.84米，从这点上来看，采用V型船首的NOBS船在应对砰击压力方面性能较为优秀。后来在规则波中的试验表明，NOBS船的空载状态首柱底部海浪的砰击压力与常规船型搭载压载水状态的砰击压力相当。
    不过横摇和纵摇同时发生的情况下，是否会引起海浪砰击呢？为此，对空载状态下的NOBS船做了斜向规则波的波浪试验。结果表明，即使波长、波向发生了变化，其砰击压力的最大值与波向在χ=180°（首波）时相同。
    为了测试遭遇极端暴风雨天气时的航行安全性，要加深NOBS船的船首吃水，为此搭载了相当于常规船型压载水量的1/4压载水，对首柱底部海浪的砰击压力进行了试验。结果表明让NOBS船空载状态时和暴风雨压载水状态时受到同一冲击压力，其最高波高限制平均增加了1.5米，这相当于常规船型的重压载状态。
    另外，作为实船性能评价之一，对NOBS船进行了不规则波中的航行阻力增量试验。结果是，NOBS船满载状态下的阻力增量与常规船型相比增大了14%，而空载状态下减小了17%，综合来看可以认为大致持平。

-->

-->

-->

图9 3种船型中横剖面形状的比较

操纵性能
    图8为NOBS型苏伊士油船与其他肥大型船的稳态转向特性对比。如图所示常规肥大型船的稳态转向特性有时十分不稳定，NOBS型则十分稳定。

NOBS船的不足
    虽然NOBS船型是无需任何压载水的革命性船型，并且具有很高的可行性。不过其肥大型船身，龙骨平坦的部分宽度较小，船底倾斜度较大，这些问题在实际建造中可能十分有难度，具备NOBS船建造能力的船坞设备、接岸设施等基础设施的问题需要进一步解决。

    为了能早日实现无压载水船舶的实船建造，人们寄望于先建造出符合现有基础设施能力的船型。为此，开发出了一款在不改变常规船型主尺度的基础上可大量减少压载水装载的船型。如图9所示，龙骨的宽度较宽，船底倾斜度也控制在较小的范围内。

-->

VLCC和散货船的MIBS开发
    MIBS船的研究为日本国土交通省的“减少船舶二氧化碳排放技术的研究开发计划”之一，由大岛造船所和名村造船所自2009年起开始进行，日本财团和日本船舶技术研究协会也提供了援助，主要在日本造船技术中心进行水池试验。研究人员选择收益最大的VLCC和散货船作为开发对象，并以能够直接投入生产为目标展开研发工作。

-->

-->

-->

    NOBS船型是以零压载水为目标，主要都是以肥大型尺度为研究对象，不过根据主尺度选择的不同，诞生了各种版本。以苏伊士油船为例，如图10所示为在固定长度下，船宽和吃水的选择表。研究人员考虑到基础设施和航运方面的要求，结合必要的压载水量和节能需求来决定最终的主尺度。以此为基础，MIBS船的开发对象选择了如表2所示的主尺度，并经过了CFD模拟后，制作了数艘长6.2米的模型船进行了水池试验。各船型的效果图如图11，布置图如图12和图13。
    MIBS船的开发工作已进入最终阶段，以目前所发表的研究内容来看，如表2数据所示，MIBS船与常规船型相比减少了60%～70%的压载水用量，功率消耗则降低了12%～15%。

-->

其他船型NOBS/MIBS的开发
    MIBS船型是利用现有的基础设施，不改变常规船型基本主尺度的前提下大量减少压载水使用量的一种船型。对需要大量压载水的油船来说是最有效果的，对其他类型的船舶也同样适用。这里举一个集装箱船的研究示例。该船LPP为219米，宽32.2米，深22.5米，吃水9.14米，排水量21000t，集装箱搭载量2100TEU。集装箱船需要较高的复原性，因此很多场合需要大量压载水，在该例中，常规集装箱船型满载状态下通常需要8000t的压载水，而采用MIBS船型则只需要2000t，在结构吃水状态下常规需要的4000t压载水也完全不需要。