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船的形形色色:船也能飛嗎?

船舶是以浮、航水面為主的安全載具。一般滑航型船舶的船速可高達50節左右,當船速增加至100節時,船體會脫離水面而在低空中滑行,有如飛魚般在海面滑翔。
 
 
 
動靜之間—由阿基米德到伯努利

「Eureka!Eureka!」(希臘語,意思是「我找到了!我找到了!」),阿基米德(Archimedes,約公元前287-212年)在洗澡時領悟到「物體在液體中減輕的重量,等於排去液體的重量」這個流體靜力學的基本原理,收錄在他的名著《論浮體》中。其中還研究了旋轉拋物體在流體中的穩定性,這就是著名的「阿基米德原理」,這原理也開創了現代海洋運輸載具的發展。

船舶是以浮、航水面為主的安全載具,包括遠古時期的獨木舟、現代四十餘萬噸的原油輪、可以運載數千位旅客遨遊世界的郵輪等。一般排水型船舶的速度約在10至20節之間,而一節約等於每小時航行1,852公尺。但隨著船舶航行速度的增快,由於流體高速經過船體會產生動力滑航效應,使得阿基米德的流體靜支撐力原理逐漸不足以解釋船舶在水中的行為。

伯努利(Daniel Bernoulli, 1700-1782)對這現象提出了著名的「伯努利法則」,就是「由於流體的能量不變,當流體的速度加快時,流體的壓力就會降低」。這個法則應用甚廣,譬如飛機的飛行也與它有關。一般而言,飛機機翼的上方設計成流線型,而下方是直線型,因此飛機往前飛時,通過機翼上方的空氣流速會比下方快。根據伯努利法則,機翼上方的空氣壓力會小於機翼下方,這樣一來,飛機就能夠往上飛起來了。

高速航行的船舶也是利用這一原理,把船體往上撐高,使船殼浸水部分減少以減低摩擦阻力,船速就可以增快了,不過水線下的船型也須由圓桶型改為平板深V滑航型。一般滑航型船舶的船速可高達50節左右,當船速增加至100節時,船體會脫離水面而在低空中滑行,有如飛魚般在海面滑翔。這型載具就俗稱為「飛翼船」,又稱「地效飛行器」,極速可高達300節。

高性能船舶特性

在1897年以前,船舶的最高航速局限在20節以下,相當於每小時37公里的速度。後來,英國查爾斯帕森士爵士發明了一種特別的推進系統,使其設計的特賓妮亞號船最高曾創造出35節的航速,這是當時的新紀錄。

到了1950年代,由於渦輪機和往復機等動力主機的陸續問市,以致用在軍事及商業等用途上的高速船和水翼船,都可達50節以上的航速。自此之後,船舶在速度及適航性的提升之下,不斷發展出新的船型以達到高性能船舶運輸的目標。

高性能船型更不斷地推陳出新,迄今船種早已由半滑航艇、滑航艇、固定式水翼船、氣墊船、高速雙胴體船,延伸至自動控制式水翼船、小水面雙體船和飛翼船等。並且還融合各式高性能船種的特有優點,開發出跨世紀的複合式高性能船型。

船艇依其在水上航行時,支撐船體重量的水靜浮力(阿基米德原理)及水動升力(伯努利原理)的分布比例,可概分為排水型、半滑航型及全滑航型等3大類。其中排水型船的船體全重支撐力,絕大部分來自靜水浮力,滑航型則大部分支持力量都由水動升力所產生,而半滑航型的特性自然介於上述兩者之間。但事實上,三者間也沒有明顯分界點,想要清楚區別仍屬不易。

滑航船舶具有深V的船型,設計的特色在於有可順利產生流體動升力的船殼滑航表面,且船艉大多是平艉設計,藉以減少摩擦阻力。一般而言,細長船型有利高速航行,但橫向穩定度會不足,因此衍生出穿浪型雙體船或三體船的船型。這一概念近來廣受採用,因它具有寬敞的連結甲板空間及數個細長的船體,非常適合高速航行,船速設計約在25至50節左右。

船舶航行於海上,受到空氣及海水等阻力影響,並以後者占總阻力的大部分。海水阻力是由摩擦阻力及興波阻力兩大主要項目所組成,當船艇在慢速航行時,摩擦阻力幾乎占總阻力的80~90%,但當航速逐漸升高時,船舶興波阻力所占的比例會大幅增加。如果想使高性能船舶在有限馬力下仍能高速航行,有效降低船舶興波阻力是一個必須克服的課題。

要如何降低興波阻力呢?首先應降低船體與水面的接觸面積,依這概念所發展的船型,可分為下列數種。

將主船殼結構與水面分離開來,並由如魚雷狀的水下胴體提供大部分排水量,以流線形板支柱結構作上下連接,儘量減少船艇在水面上的接觸面積,這船型一般稱為小水面雙胴體船。這型船的興波阻力非常小,在波浪中的性能十分優異,水下胴體常搭配控制翼,控制航行的姿態,目前最著名的便是美國軍方在波灣戰爭時所發展出的隱形船艦。但本船型在高速航行時因浸水面積過大,使得摩擦阻力急速升高,因此船速一般約設計在25節以下。

利用水下機翼結構結合滑航艇,在高速航行時所產生的充足水動揚升力,可把船體揚舉脫離水面,這型船舶稱為水翼船。在高速航行時,這船型具有大幅減少興波阻力及摩擦阻力的特色,船速約40~60節,船體與水面間的間隙是航速的主要限制條件。當海況惡劣時,船速會因波浪增加、阻力增大而急速下降,與傳統單胴體船型比較,水翼船舶的設計及生產等成本都較昂貴。

理想上達成高航速、低阻力的最佳方式,就是把船殼與水面完全分離,也就是完全排除水流所產生的阻力,這類就是空氣垂直靜力支撐型船舶。現今這類船型的主要研發方向,在於利用船體與水面間的滯留空氣,形成類似氣墊的效果,以有效支撐船身重量,可水陸兩用,這類船型最被大眾所熟悉的就是氣墊船。氣墊船船速可高達70節,但它航行時受側風影響十分明顯,強風中操控不易,而且由推進風扇所產生的噪音也很大。

另一類是表面效應船,在兩側採用雙體船的細長船體,配合艏艉的氣罩設備,使船體中間充滿滯留空氣,可有效融合氣墊船及雙體船的特性,並增進側風時的操控性。但在惡劣海況中航行時,氣室的壓力分布受波浪影響十分嚴重,目前解決的方法是採用在主甲板上安裝多個主動式控制氣閥,以調整航行姿態,多數應用於軍事艦艇上。
無論在商業或軍事用途上,高速化船艇的科技明顯主導著中小型船艇的研製方向。當然,大型化的發展也極受重視,但高性能船舶在海浪中的適航能力及舒適性,才是主要關鍵。

飛魚傳奇-飛翼船

起初,科學家是從飛行員操作飛機降落時的口述經驗,注意到這一現象,就是飛機在降落時,會獲得額外的向上升力致使落地時間延遲,而且阻力還會降低而呈現速度增加或「滑跤」的感覺。二次世界大戰期間,飛行員已經學會當飛機失去一具引擎動力,或返航缺乏油料時,要儘量貼近水面飛行,以節省油耗來增加航程。

在60年代初,利用地表效應的相關研究,在世界各地悄悄進行著。當時的蘇聯,在高度機密下,建造了數艘重達550噸(波音七四七巨無霸客機也僅約400噸重而已),時速達5百公里的軍事用飛翼船。後來在裏海進行試驗時,被美國的間諜衛星發現,美國人以它龐大體積和絕無僅有的貼近水面飛行方式,稱它為「裏海怪物」。

飛翼船,又稱為「地效飛行器」(WIGs)、「表面效應船」(WISEs)等。目前世界各國針對飛翼船所用的名稱,看法頗為分歧。WIGs是常見的英文名稱縮寫,意思是在地面效應下飛行的飛行器。部分日本人偏好稱它是WISEs,認為它是聰明和具有智慧的新世代飛行器。

飛翼船的載客量可達數千人,若以飛機的一半速度來飛行,則相同距離的油耗量,大約是飛機的五到十分之一,因此可以有效降低運輸的成本。跟飛機或高速船相比,飛翼船具有不可替代的優勢。它有接近飛機的高速度,而無飛機高空墜毀的危險,遇有機械故障或其他意外,隨時可以迫降水面,安全可靠。

飛翼船是船的一種,因為它可以在水面上漂浮及自由航行。有別於水翼船水面下的水翼,飛翼船是一種能夠完全脫離水面,不跟水接觸的船。而不同於氣墊船所利用的「靜壓型」氣墊效應,飛翼船是一種能夠利用飛行時與水面相對運動所產生的「動壓型」氣墊效應的船。但飛翼船不是飛機,因為飛機無法在水面上漂浮及航行。

飛翼船與水上飛機的差別較易混淆,基本上,兩者的不同在於前者具備了利用表面效應起飛或作省油飛行的設計和能力。把飛翼船歸類為船舶的一大原因,是船舶建造法規的要求標準遠比飛機的低,建造成本也可大幅降低。惟一般會要求飛翼船在失去動力或發生機械故障的情況下,須具備安全迫降的能力。

在過去,應用表面效應的飛翼船的發展在俄羅斯最為成熟,不僅有軍用大型的「裏海怪物」及「救援型」、「導彈攻擊型」飛翼船,也有許多中小型軍用或民用的飛翼船開發與使用經驗,相關的科技研究與管理法規也是最成熟的。近年來,中國要求俄羅斯輸出它的技術,在大陸境內進行各式飛翼船的研究開發。在美國,基於軍事需要近年來也傾向發展飛翼船,但是較有成果的也僅止於波音公司而已,還沒有具體的成果與使用經驗。

在國內,過去有中山科學研究院研發出小型實驗用的飛翼船,並公開展示過,但僅止於實驗性質,並沒有進一步使用及管理的研究。在國外,「飛翼船」的相關研究活動歷久不衰,如每兩年固定舉辦的國際研討會,各國專家、學者齊聚一堂,與會人數都維持在200人上下。雖然小型飛翼船的研究、開發案早已屢見不鮮,但應用範圍零散,主要是實驗或私人用途,未具經濟規模,也限制了飛翼船工業的發展。

飛翼船工業的發展停滯不前,主要是缺乏大型投資案。迄今為止,世界各國所建造的中、小型飛翼船,尚未能說服人們相信它所宣稱的效能。而中、小型飛翼船除了性能和效率無法與大型飛翼船相比外,浪高及風速等天氣因素對它的適航性的影響,也顯得相當敏感。至於大型飛翼船的建造,屬於大型的投資計畫,建造越大型的飛翼船,它的地效飛行高度越高,飛行越不受風浪的影響。而且飛翼船越大型,它的氣動效率越高,舒適性和適航性也越佳,越能達到商業化的目標。

藍色高速公路

臺灣的陸上及空中交通飽和、擁塞,蓋機場、建高鐵的土地寸土寸金,且取得不易。飛翼船的速度比火車快,耗油量比飛機少,而使用空間可以跟一般船舶相比。飛翼船是介於一般船舶與飛機之間的交通器具,可在近海或沿岸海域發揮它的高速運輸的特性,也可能發展成為海上新幹線。

試著考慮環繞臺灣一圈的海路航線:臺北到高雄有209海里(387公里),高雄到花蓮205海里(380公里),花蓮到臺北110海里(204公里),順時針或逆時針方向環島繞行一圈航程約971公里。建構時速400公里的大型高速飛翼船,環島航行一圈只需3個小時,而臺北-高雄-花蓮任何兩點之間的飛行時間則都在1個小時以內,因此飛翼船飛行時間與搭乘飛機相差不大,比起高速鐵路則快上許多。且因為各項成本降低的緣故,票價大約只是航空費用的一半。

此外,飛翼船可以貼近海面、冰原或平地飛行,機場可以設在面積最不虞匱乏的海面,因此構築臺灣環島的藍色高速公路並非遙不可及的夢想。讓我們一起期待,搭乘飛翼船遨遊海天的時刻早日到來!
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