大家近期都被以下這個國際新聞刷屏, 我們今天的內(nèi)容就這艘萬噸巨輪“浮出水面”開始講起。

“這太不真實(shí)了。”據(jù)英國《衛(wèi)報》、美國哥倫比亞廣播公司（CBS）等多家外媒5月22日報道，挪威一男子一覺醒來后發(fā)現(xiàn)，一艘巨大的集裝箱貨船就“停”在他家的花園里……

報道稱，這艘長135米的集裝箱貨船“闖進(jìn)”他家花園時，赫爾伯格還在睡夢中。但他的一位鄰居親眼看著這艘船以16節(jié)（約30公里/小時）的航速直沖向海岸，撞進(jìn)赫爾伯格家的花園，險些就撞到他的房子。

這條集裝箱“浮出水面，駛?cè)氲孛妗蔽覀兛梢院芮逦乜吹酱碌慕Y(jié)構(gòu)，船頭那個巨大的“紅鼻子”特別引人注目，它又是什么呢？

今天就來聊聊這個“紅鼻子”- 球鼻艏：Bulbous Bow

球鼻艏是船舶設(shè)計(jì)中的一種特殊結(jié)構(gòu)，位于船首水線以下，呈球狀或近似球狀的凸起。它的核心功能是通過流體動力學(xué)優(yōu)化，減少船舶航行時的阻力，提升能效和航速。

球鼻艏是現(xiàn)代造船技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。從泰坦尼克號的照片可以看到當(dāng)時這個大鼻子是不存在的，船首像尖刀一樣劈向海中，這是當(dāng)時很直觀的認(rèn)為能夠減少阻力的流線型設(shè)計(jì)。

那么為什么后來從原來直觀的認(rèn)為“尖刀”型的設(shè)計(jì)更容易航行而設(shè)計(jì)出球型的船艏，原因是：海水阻力。

船舶在洋面高速航行受到各種阻力，包括：流體阻力、興波阻力、摩擦阻力、形狀阻力、空氣阻力、洶濤阻力等等。這些阻力中，興波阻力和摩擦阻力占大頭，對于高速船來說，這兩種阻力的占比都各接近一半，占到總阻力的85%左右。

在水中運(yùn)動的物體受到水的阻礙作用的力，叫做“流體阻力”。這個力究竟有多大呢？也許我們有過這種體驗(yàn)—在游泳池水中試圖大步邁進(jìn)，卻艱難費(fèi)勁難以按照自己的想法前進(jìn)。就其原理來說，水中運(yùn)動的物體所受的流體阻力完全是水的密度所致。也就是說，阻力與密度是成正比的。由于水的密度是空氣的800倍，所以在水中運(yùn)動的物體所受的阻力也就是空氣中的800倍。

*圖源: 船舶圖析 - 池田良穗*

物體在水中運(yùn)動時所受流體阻力的具體形式：一是流體直接與物體表面接觸產(chǎn)生摩擦；二是當(dāng)流體剝離物體表面后，物體尾部所受壓力減小；三是在水面制造波浪。它們被分別稱為摩擦阻力、形狀阻力、興波阻力。這些阻力往往與物體的運(yùn)動速度、形狀大小以及物體所在流體的密度、黏性等諸多因素有著復(fù)雜的關(guān)系。為了研究這些現(xiàn)象，出現(xiàn)了一個專門的學(xué)科——流體力學(xué)。

*圖源: 船舶圖析 - 池田良穗*

現(xiàn)在幸運(yùn)的是，我們已經(jīng)知道了支配復(fù)雜流體運(yùn)動的方程式，即一個十分難以求解的微分方程式——“納維-斯托克斯方程”，由此方程式又導(dǎo)出一個十分重要的定律——“伯努利定律”，此定律表示了添體的速度和壓力之間的關(guān)系。通過伯努利定律，我們可以求知，希體速度越快，其壓力越小；反之，流體的速度越慢，其壓力越大。

*圖源: 船舶圖析 - 池田良穗*

形狀阻力具有流體從物體表面剝離就會迅速增大的特性，因此如何使流體一直沿著物體表面流動而不發(fā)生剝離，就顯得特別重要了。實(shí)際上，如果物體的后半部分十分平滑，就不會產(chǎn)生剝離。流線型作為一種前端是圓弧形、后端平滑地慢慢延長直至最后相交的形狀，就是一種不易產(chǎn)生流體剝離的形狀；而圓形則是一種極易產(chǎn)生剝離的形狀。所受阻力相等的流線型和圓形，兩者大小的差距是巨大的。

摩擦阻力與形狀阻力都是在流體的黏性作用下產(chǎn)生的。它們的區(qū)別在于；形狀阻力作用的方向垂直于水中船體表面，摩擦阻力作用的方向則是沿著物體表面。摩擦阻力的大小與物體的表面積成正比，即表面積越大產(chǎn)生的摩擦阻力就會越大。另外，已與一種叫做“雷諾數(shù)”的參數(shù)有關(guān)。相對而言，在所有的流體阻力中，摩擦阻力這個要素對低速航行的船舶影響最大。

船在水與空氣的界面航行，由船行波產(chǎn)生與船舶前進(jìn)方向相反的阻力，即頭波阻力。由于興波阻力只是產(chǎn)生于水中航行中的船觸，因而在交通工具阻力分析方面，船舶與飛機(jī)、汽車等有著根本的不同。興波阻力對于低速航行的船舶影響并不明顯；它會隨著船舶速度的提高而急劇地增大，這也正是船在高速航行時，會比其他交通工具更消耗燃料的原因。

*圖源: 船舶圖析 - 池田良穗*

重要參數(shù)“傅汝德數(shù)"

海浪蘊(yùn)含看大量的能量—當(dāng)我們在海浪中游泳可以切身感受到波浪的力量；當(dāng)臺風(fēng)掀起滔天大浪或地震造成海嘯，也都是海浪的巨大力量對沿岸建筑造成破壞。其實(shí)，行駛中的船舶也會制造波浪。所謂“興波阻力”，顧名思義就是船舶在水面行駛中制造的波浪產(chǎn)生了與船舶前進(jìn)方向相反的阻力。從另一角度說，行駛中的船舶也會因興波阻力而消耗相應(yīng)能量。

興波阻力與被稱作“傅汝德數(shù)”的參數(shù)有密切關(guān)系。“傅汝德數(shù)”以英國近代造船之父威力阿姆?傅汝德（W. Froude，1810—1879）命名。它是指船的速度除以船長和重力加速度的積的平方根。如果傅汝德數(shù)相等，即使船體大小不同，航行時也會產(chǎn)生完全相同的波形。因此，電影拍攝中使用船舶模型，如果使用了與實(shí)船相同傅汝德數(shù)的模型，就會得到相當(dāng)真實(shí)感的影像。

表示興波阻力的系數(shù)，即“興波阻力系數(shù)”。它將隨著傅汐德數(shù)的增加而變大。①當(dāng)傅汝德數(shù)超過0.3時，興波阻力系數(shù)會急劇增大②當(dāng)傅汝德數(shù)接近0.4時，興波阻力系數(shù)會直線上升這時就會出現(xiàn)一種狀況：無論怎樣增大發(fā)動機(jī)功率，航速也難以提升，這種現(xiàn)象叫做"興波阻力障壁"，③當(dāng)傅汝德數(shù)為 0.5左右的時候，興波阻力系數(shù)達(dá)到最高值，然后緩緩地下降。由此可見，船舶在低速航行時受到的阻力小，它是一種節(jié)能的運(yùn)輸工具，而船舶在高速航行時，由于興波阻力的迅速增大，它就會突然變得十分消耗燃油，甚至比飛飛機(jī)等其他運(yùn)輸于具的單位耗油量都要大很多。所以，使船舶能夠以一個適當(dāng)航行節(jié)數(shù)十分重要。

*圖源: 船舶圖析 - 池田良穗*

興波阻力系數(shù)是波動增加的。其原因就在于船首波和船尾波交互干擾疊加，并且航速的不同使興波阻力時大時小，從而導(dǎo)致興波阻力系數(shù)的波動增加。它反映在興波阻力系數(shù)波動曲線圖中，就是峰谷疊現(xiàn)的走勢。其中，曲線中的波峰值叫做“峰值”，凹下部分叫做“谷值”。在大多數(shù)情況下，“谷值”都被設(shè)定為船舶的正常航行速度。

*圖源: 船舶圖析 - 池田良穗*

為了減小興波阻力，許多船的最前端往往被設(shè)計(jì)成尖尖的細(xì)長形狀，這個形狀與能夠減小形狀阻力的流線型不同。當(dāng)然，在水下航行的船艇如潛水艇不存在產(chǎn)生興波阻力問題，它們采用流線型船體更為合適，例如，最新研發(fā)的水滴型潛水艇就更接近于標(biāo)準(zhǔn)的流線型。而對于浮在水面上的船舶，現(xiàn)在更多的是把船體與水面接近的前端設(shè)計(jì)成尖尖的形狀，而水下較深的部分采用流線型就仿佛埋在水線下的大鼻子，這就是“球鼻艏”。如果在船頭加裝一個球鼻艏，球形的設(shè)計(jì)會擾亂水流，在船頭的波浪以下，形成一股與之運(yùn)動方向相反的波浪；兩股浪相互作用，動能抵消，水流變得平靜，阻力自然也就會慢慢減弱。

這種混合形狀的船體設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)的主流。據(jù)全球海事能效的數(shù)據(jù)，一個新的球鼻艏固定價值為100000美元，外加250000美元至700000美元的材料成本，給中型輪船裝一個鼻子差不多要花費(fèi)100萬美元。雖然一個球鼻艏裝下來要花費(fèi)上百萬，但對于輪船來說，等航速下，它可以減少船的阻力，降低主機(jī)功率，從而節(jié)省燃油，提高自己的航運(yùn)效率, 差不多一年半就能將這些成本收回來。

戴維·W·泰勒（David W. Taylor）的奠基性貢獻(xiàn)
美國海軍工程師泰勒在1910年代通過船模試驗(yàn)池（David Taylor Model Basin）的研究，首次系統(tǒng)分析了船體形狀與阻力的關(guān)系，提出了船首水動力優(yōu)化的理論框架。他的工作為球鼻艏的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，被視為這一技術(shù)的重要先驅(qū)。盡管泰勒的理論奠定了基礎(chǔ)，但球鼻艏的廣泛應(yīng)用直到20世紀(jì)中葉才逐漸成熟。

在日本歷史上，船舶制造業(yè)屬于核心產(chǎn)業(yè)。早在明治時代，為追趕世界步伐，海運(yùn)業(yè)和造船業(yè)一并被列入社會經(jīng)濟(jì)的核心產(chǎn)業(yè)。其后，這兩大產(chǎn)業(yè)共同成長一度達(dá)到世界最高水平。二戰(zhàn)結(jié)束后，在日本產(chǎn)業(yè)毀滅殆盡的歷史背景下，最先恢復(fù)和振興的兩大產(chǎn)業(yè)依舊是海運(yùn)業(yè)和造船業(yè)。自1957年日本超越了英國躍居世界造船量首位，持續(xù)50余年之久一直保持著世界造船量第一的位置，這在世界產(chǎn)業(yè)界是罕見的。現(xiàn)在，日本99%進(jìn)出口貨物依靠船舶運(yùn)輸，世界航運(yùn)外籍船的12%（DWT）屬日本船運(yùn)公司，世界大約6.6%商船由日本造船廠建造。

1950年代，日本造船工程師（西岡常一、吉田文二等）在商船設(shè)計(jì)中大規(guī)模引入球鼻艏，顯著降低了大型船舶的興波阻力，提升了燃油效率。這一時期的技術(shù)改進(jìn)使其成為現(xiàn)代貨輪、油輪和郵輪的標(biāo)準(zhǔn)配置。

1958年，西岡團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的首艘球鼻艏散貨船“Golden Maru”下水，相比傳統(tǒng)船型節(jié)省燃油12%，震驚業(yè)界。這一成就標(biāo)志著日本從“技術(shù)追隨者”向“自主創(chuàng)新者”的轉(zhuǎn)型。

1982年，三井造船為商船三井建造的“櫻花號”散貨船，采用全球首個“智能球鼻艏”——通過傳感器監(jiān)測海浪，自動調(diào)節(jié)壓載水以優(yōu)化球鼻艏浸沒深度，節(jié)能效果提升25%。

球鼻艏并非由日本三井集團(tuán)發(fā)明，但商船三井（MOL）和三井造船通過技術(shù)創(chuàng)新和工程實(shí)踐，推動了該技術(shù)在現(xiàn)代船舶中的大規(guī)模應(yīng)用。兩者在節(jié)能船型開發(fā)、多技術(shù)整合（如空氣潤滑+球鼻艏）以及全球化船舶制造中展現(xiàn)了日本造船業(yè)的領(lǐng)先地位。

商船三井（Mitsui O.S.K. Lines, MOL）和三井造船（Mitsui E&S Shipbuilding，原大阪三井造船）。這兩家公司在球鼻艏技術(shù)的優(yōu)化和推廣中發(fā)揮了重要作用，尤其是在節(jié)能船舶設(shè)計(jì)和創(chuàng)新船型開發(fā)領(lǐng)域。

商船三井在2008年曾排名全球第一擁有最多船隊(duì)的航運(yùn)公司(擁有各類商船845艘，總載重噸位達(dá)5,434萬重量噸)，現(xiàn)在仍運(yùn)營全球最大的LNG船隊(duì),管理如此大的船隊(duì), 所以長期致力于船舶能效提升。球鼻艏是其船隊(duì)中大型散貨船、油輪和集裝箱船的標(biāo)準(zhǔn)配置，用于降低興波阻力并減少燃油消耗。

*MOL運(yùn)營的2萬TEU級集裝箱船MOL Triumph號,采用定制化球鼻艏，以適應(yīng)高速航行和復(fù)雜海況*

作為日本老牌造船企業(yè)，三井造船需要鞏固其在散貨船、LNG船等領(lǐng)域的優(yōu)勢地位，同時應(yīng)對韓國和中國造船業(yè)的競爭。公司提出“Neo（新紀(jì)元）”概念，目標(biāo)是開發(fā)新一代節(jié)能船型，將能效提升20%以上。

21世紀(jì)初，國際海事組織（IMO）開始強(qiáng)化環(huán)保法規(guī)（如船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI），同時航運(yùn)公司面臨油價上漲和減排壓力。傳統(tǒng)船舶設(shè)計(jì)（包括早期球鼻艏）的節(jié)能潛力已接近極限，急需突破性方案。作為日本老牌造船企業(yè)，三井造船需要鞏固其在散貨船、LNG船等領(lǐng)域的優(yōu)勢地位，同時應(yīng)對韓國和中國造船業(yè)的競爭。公司提出“Neo”概念，目標(biāo)是開發(fā)新一代節(jié)能船型，將能效提升20%以上。三井造船聯(lián)合東京大學(xué)、九州大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和船模試驗(yàn)池對船體線型進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化：

• 球鼻艏的再設(shè)計(jì)：在傳統(tǒng)球鼻艏基礎(chǔ)上，開發(fā)了不對稱球鼻艏和可變形球鼻艏（根據(jù)載貨量調(diào)整形狀），減少不同吃水狀態(tài)下的興波阻力。

• 船尾流場優(yōu)化：重新設(shè)計(jì)船尾結(jié)構(gòu)，與高效螺旋槳匹配，降低渦流損失。

• 輕量化與材料創(chuàng)新：采用高強(qiáng)度鋼和復(fù)合材料減輕船體重量，同時通過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化（如蜂窩狀骨架）提升強(qiáng)度與載貨量平衡。

• 能源回收系統(tǒng)：引入廢熱回收裝置（WHR），將主機(jī)排氣熱量轉(zhuǎn)化為電能，供船舶輔助系統(tǒng)使用。

2012年，三井造船推出首艘Neo系列散貨船原型，載重量約8萬噸，主要技術(shù)特征包括：

• 混合型球鼻艏：結(jié)合固定球鼻與可伸縮導(dǎo)流板，適應(yīng)不同航速。

• 空氣潤滑系統(tǒng)：在船底釋放微氣泡，減少船體與水的摩擦阻力。

• 智能縱傾控制：通過實(shí)時調(diào)整壓載水分布，保持最佳航行姿態(tài)。

在亞洲至澳大利亞航線上，該船相比同類傳統(tǒng)船型燃料消耗降低18%，二氧化碳排放減少20%，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論的可行性。

“Neo Series”子型號擴(kuò)展(根據(jù)船型和用途進(jìn)一步細(xì)化)：

Neo-LNG Carrier：針對液化天然氣運(yùn)輸船，優(yōu)化球鼻艏與艙罐布局，減少晃蕩效應(yīng)導(dǎo)致的能量損失。

Neo-Panamax：針對巴拿馬運(yùn)河新船閘設(shè)計(jì)的集裝箱船，通過球鼻艏與船體線型匹配，提升狹窄航道中的操縱性。

*MOL Benefactor第一艘NEO-Panamax船(10,000TEUS) 2016年7月1日首次通過巴拿馬運(yùn)河 圖源: panamatura*

Neo系列成為三井造船的核心產(chǎn)品，累計(jì)接單超過100艘（截至2020年），客戶包括商船三井（MOL）、日本郵船（NYK）等巨頭。Neo系列的成功推動了全球造船業(yè)向“綠色巨型化”發(fā)展，其技術(shù)理念被中國、韓國船廠借鑒。

任何的設(shè)計(jì)都不是完美無缺的，球鼻艏存在淺水區(qū)適應(yīng)性缺陷,2021年3月23日，中國臺灣長榮海運(yùn)旗下的“長賜號”（Ever Given）貨輪在蘇伊士運(yùn)河南段遭遇強(qiáng)風(fēng)沙塵暴，船體失控橫向擱淺。該船長400米，寬59米，排水量22萬噸，其球鼻艏直接嵌入運(yùn)河?xùn)|岸，船尾幾乎觸碰到西岸，導(dǎo)致運(yùn)河雙向交通中斷6天，影響全球貿(mào)易鏈并造成約400艘船舶滯留。球鼻艏作為船首水下突出結(jié)構(gòu)，在淺水區(qū)更易與河床接觸，成為擱淺的直接物理誘因。

*圖源：REDDIT*

*圖源：POPULAR MECHANICS*

2018年，三菱重工年輕工程師團(tuán)隊(duì)開發(fā)“AI球鼻艏生成系統(tǒng)”，輸入航線、載貨量和環(huán)保要求后，AI可自動生成最優(yōu)球鼻艏形狀，從長鼻或到短鼻，以適應(yīng)不同吃水深度或航行速度，設(shè)計(jì)周期從數(shù)月縮短至幾天。

球鼻艏在節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)大于此，與沒有加裝球鼻艏的船只相比，改裝過的船，滿載時的主機(jī)功率可以降低10%-20%，燃油消耗量平均減少6%，一年下來單船的運(yùn)營成本可節(jié)省上千萬元。

球鼻艏的歷史是一部科學(xué)與實(shí)踐交織的進(jìn)化史：從早期碰撞事故的偶然啟示，到泰勒的實(shí)驗(yàn)室研究，再到二戰(zhàn)的軍事驗(yàn)證和民用的全球推廣，最終演變?yōu)楝F(xiàn)代船舶的節(jié)能標(biāo)配。其發(fā)展不僅體現(xiàn)了流體動力學(xué)的進(jìn)步，更折射出工業(yè)時代人類對自然規(guī)律的深度駕馭。

球鼻艏是船舶工程中科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合體，既需要精密計(jì)算，又依賴實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。它深刻詮釋了人類如何通過技術(shù)創(chuàng)新駕馭海洋。其未來發(fā)展將繼續(xù)圍繞節(jié)能、智能和多功能化展開，助力全球航運(yùn)業(yè)邁向零碳時代。

參考文獻(xiàn)：

船舶圖析 - 池田良穗 - 李僑(譯)

作者：Kris Yu 曾任職商船三井，達(dá)飛輪船