艏摇

浸于水中的物体绕船体垂直轴的旋转振荡运动

艏摇（yaw）或称垂摇，是指浸于水中的物体绕船体垂直轴的旋转振荡运动。通常，可以把这种船舶的艏摇运动视为除了操舵不良外，还由下列三个因素引起的结果：（1）船体上的静压力不平衡；（2）海浪中水的轨圆运动；（3）陀螺作用。

基本概念

艏摇应用于笛卡尔直角坐标系，是一个船业、数学的名词。

船舶的艏-艉（前后）方向称纵向，用X来表示。左-右舷（左右）方向称横向，用Y来表示。船的上甲板-船舱底（上下）方向称垂直方向，用Z来表示。前后方向的晃动（窜动、荡）称为纵荡，左右方向的晃动（窜动、荡）称为横荡，上下方向的晃动（窜动、荡）称为垂荡。左右方向摇摆叫横摇，前后方向摇摆叫纵摇，船艏左右摇摆叫艏摇。晃动（荡）是平移，船的各个位置移动距离是一样的。摇摆（摇）是绕着一个看不见的轴在转。船的各个位置摇摆的角度是一样的，但位移距离不同。船在水里，实际荡和摇是同时发生的，只是人为地把他分为不同情况的组合。所谓六个自由度，就是在笛卡尔直角坐标系内，沿三个轴移动和绕三个轴转动六种运动形式，称为六个自由度。

产生原因

艏摇是对于通过舰船重心的垂直轴的角运动。通常，可以把这种运动视为除了操舵不良外，还由下列三个因素引起的结果：

（1）船体上的静压力不平衡；

（2）海浪中水的轨圆运动；

（3）陀螺作用。

通常在海浪上，舰船左右两舷的波形并不相同，因此，舰船水下部分一舷的压力中心纵向和垂直位置，与另一舷的压力中心纵向和垂直位置并不重合。这就产生对于垂直轴的旋转力偶或艏摇趋势，以及横倾力矩。由于波形是随航行海区而变的，因此，这种艏摇力偶大小和方向也在不断变化，从而产生振荡。这种振荡是在波浪通过舰船的表观周期内发生的。最好通过预测运动和采用补偿舵效的办法来修正。

除了上述引起艏摇的静力外，波浪中水的轨圆旋转也产生动艏摇作用。我们记得，波峰处的水质点，是在轨圆顶点处向着波浪前进方向移动的，而在波谷处它们是在轨圆底点处，向着波浪前进的相反方向移动。因此，舰船在艉斜浪海上，或与船舶夹成一定角度的海浪上运动时，就会受到艏摇力偶(见图1)。

当波浪通过舰船时，艏部从波峰变成波谷，艉部从波谷变成波峰，这个艏摇力偶就改变方向。最终结果是，艏摇振荡周期与波浪遭遇周期相同。

在由这种水动力和轨圆运动引起的艏摇情况下，舵效补偿是比较困难的。这是因为舵附近的每个半波长水流，运动方向就与船相同，而且由舵所产生的回转力偶急剧减小。如果舵不是在螺旋桨尾流中，这种操纵能力的损失则是特别危险的。如果海浪太大，而且这种动艏摇发展到严重程度，在多螺旋桨舰船上，最好的解决办法就是降低螺旋桨转速。在某些情况下，艉倾加载还可能有所帮助。

当舰船在海浪上纵摇并受到横摇作用时，就对于因纵摇引起的动轴产生横摇运动。这种同时发生在两个平面内的角运动，就使陀螺作用产生在第三个平面内，即艏摇运动。

幸而，陀螺力偶所产生的这种艏摇运动，通常是不大的，因为控制这种运动所需的速度和舵角，都比控制其它原因所引起的艏摇运动要小。

减摇装置

近几世纪来，克服舰船在海浪上的激烈运动，并试图设计以减小横摇和纵摇为主的减摇装置，一直是舰船设计师进展不大顺意的一个领域。减小纵横摇和艏摇运动，一直是大量研究和许多零星发明的目标。在过去许多减摇装置中，例如十九世纪初叶英吉利海峡渡船上悬挂在平衡环上的旅客餐室，由于种种原因仅取得部分成功。近年来才有几项值得注意的成就，成功地把剧烈的横摇减小到几乎可以忽略的程度，且在经济上证明是合算的。但是，机械问题尚未完全解决，实际上，还没有出现更有效的简单减摇装置。

为了减少船舶的摇荡，除了在装载和操纵方面采取措施以外，在船舶设计与建造中，都装设必要的减摇装置。采用的减摇装置有下列几种。

舭龙骨

舭龙骨板是装设在舭部外侧、沿着水流方向的一块长条板，如图2中(a)所示。舭龙骨的作用是减小船舶横摇和艏摇。由于减摇效果较好，制造简单，几乎所有的船舶均装设有舭龙骨。

舭龙骨板的长度为船长的1/4～1/3，宽度为200～600 mm(大型船更大些)，近似垂直于舭部列板，其外缘不超出船的半宽线与船底基线所围的范围，以免受到码头和海底等碰损。在结构形式上，舭龙骨有连续式的和间断式的两种结构。连续式结构简单，适用于航速不很高的船。间断式结构适用于高速船，其优点是对船舶的航行阻力较小，而对横摇阻力较大。为了防止舭龙骨损坏时使船体外板受损，舭龙骨一般不直接焊接在舭部外板上，而是用一块覆板将两者连接起来。

舭龙骨虽然装设在船中部很长的一段范围内，但在结构上它不参与船舶的总纵弯曲，仅承受船舶横摇时的水动压力。

图2中(b)是一艘船装设舭龙骨和无舭龙骨时的横摇角θ曲线，由图2中（b）可明显看出舭龙骨的减摇效果，而且船在航行时舭龙骨的减摇效果更好一些。

减摇鳍

减摇鳍，一般是一个长约为3.0 m、宽为1.5 m的长方体，剖面为机翼型，安装在船中央附近两舷的舭部。在船内设置操纵机构，根据需要可将减摇鳍收进船内或伸出舷外。并且可调整机翼剖面相对于水流的攻角，使两舷的减摇鳍所产生的升力形成一个阻碍船舶横摇的力偶矩，如图3中(a)所示，并使力偶矩方向的改变与船舶横摇同步，这样可有效地减小船舶横摇。因减摇鳍需配备有自动操纵系统，造价高。只有在大型豪华客船上或军舰上才设置。

减摇水舱

如图3中(b)所示，在船内横向设置“U”形水舱，当船在横摇时，使水舱的水位移动与船的横摇之间有一个相位差。这样，水的重力所形成的力矩可减小船舶的横摇和艏摇。

上述U形减摇水舱内的水与舷外水不连通时，则称闭式减摇水舱。若减摇水舱内的水与舷外水相通时，称开式减摇水舱。如水舱内的水左右舷流动是可以控制的，称为主动式减摇水舱；而不能控制水的流动的，称为被动式减摇水舱。

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