舰船建筑学
1769 年,圣三一号(Santísima Trinidad)
舰船建筑学,即造船工程,是设计在水面或水中使用的各类船舶的专业。
这门被称为舰船建筑学的高级设计艺术,诞生于文艺复兴与启蒙运动时期。它的出现,标志着船舶设计从工匠传统中脱离出来,开始将抽象数学应用于船舶设计、在图纸上绘制方案,并以更理性的方式进行整体设计。
从古代到文艺复兴,船舶设计只有一种传统:在这种民间技艺中,造船大师掌控着从选材伐木到船只下水的绝大多数生产流程,设计只是这门手艺的一部分。它依赖实践经验、审美意识,以及对水动力线型的敏锐眼光。
早期一些造船师会以适航性优秀的实船为范本进行模仿。最初,他们的设计借鉴自然形态,比如鱼类和水鸟的水下轮廓。英语中形容船只“鳕鱼头、鲭鱼尾”(船头钝圆、船尾瘦削)的说法,便源自这一设计传统。
当某些木船以出色的适航性闻名后,造船工匠便会复制它们的线型来建造新船。因此,中世纪欧洲各地的船只能够被归入如柯克船之类的通用类型,也就不足为奇。这种以手艺为基础的设计方式,在部分国家一直延续到 19 世纪。
纵观历史,舰船建筑学始终与政府造船计划紧密相连,因为新设计方法与配套体系的开发需要巨额资金投入。
威尼斯造船师是最早尝试用理论方法取代工匠式设计的群体。到 15 世纪初,他们已将加莱桨帆船的设计推向顶峰。为保留先进设计,威尼斯人发展出一套公式化方法:只需给出龙骨、船首柱、船尾柱和船舯剖面的尺寸,就能通过这套名为六分比例法的体系,从少数基本比例推导出其余的船体线型。
威尼斯人精通绘图,并将部分设计保留在图纸上。他们把数学方法记录在最早的造船专著中。从 15 世纪中后期开始,威尼斯造船师亲手撰写并传抄了多部此类著作。
其他海洋国家的造船师也开始发展自己的精密方法。16 世纪,西班牙造船师迭戈·加西亚·德·帕拉西奥出版了《航海术指南》,这是第一部大量印刷发行的造船专著。
欧洲早期这场发展理论造船方法并将其成书保存的运动,正式脱离了工匠式设计传统。此前,培养新一代工匠大师依靠的是学徒制与实操经验,而非书本知识。威尼斯人与西班牙人开启的这一进程,最终实现了船舶设计与建造的分离。
到 17 世纪,法国与西班牙、英国、荷兰争夺海上霸权。法王路易十四渴望海上贸易与海军强权,财政总监兼海军大臣让-巴普蒂斯特·柯尔贝尔全力满足这一目标。1661 年至 1683 年去世前,柯尔贝尔扩充了法国战舰的规模与数量、改进海军军官训练,并下令绘制大量海图以提升航行水平。
1666 年,他创立法兰西科学院,成为包括航海与船舶设计在内的科学研究平台。1680 年,柯尔贝尔召集法国顶尖造船师,研究如何最大化战舰的航速、机动性与火炮布置效率。该小组为各级战舰制定了标准尺寸,淘汰了民间承包商大量依靠经验的做法。
18 世纪,柯尔贝尔推动航海与造船的政策结出设计研究的果实。法国实验者率先使用船模试验池测试船型性能。此外,科学院还为船舶设计课题设立奖项,例如减小船舶横摇与纵摇的最佳方法、不依靠风帆推进船只的方案等。
法国的舰船建筑学著作成为当时世界公认的顶尖文献:
- 土伦海军学院耶稣会教授保罗·霍斯特于 1697 年撰写《舰船建造理论》,运用静力学与力学原理,为后世舰船建筑学著作奠定基础。
- 1746 年,皮埃尔·布盖完成影响深远的《舰船论》,创立了计算面积的梯形法则,成为现代舰船建筑学中许多流体静力学计算的基础。
- 1752 年,舰船建筑师与教师迪阿梅尔·迪蒙索出版《舰船建筑学基础》,该书被公认为 18 世纪最优秀的造船学著作之一,并被译为荷兰语、德语与英语。
法国是最早建立舰船建筑学专业教育机构的国家。柯尔贝尔在任期间,于布雷斯特、罗什福尔海军船厂创办海军建造学校,开始将船舶设计师与造船工匠分离,使舰船建筑学向工程学科转变。1765 年,法国进一步成立海军工程应用学校,专门培养海军建造师,这是世界上第一所系统教授船舶设计科学的学校。
英国在舰船建筑学上的起步晚于法国。英国人向来以拥有欧洲顶尖造船工匠著称,菲尼亚斯·佩特、安东尼·迪恩等英国造船大师均以战舰设计闻名。但如果不是依赖海外贸易与皇家海军的影响,英国或许不会启动造船工艺的理性化进程。18、19 世纪,英国必须控制维系经济的海上生命线,并依靠强大海军保护这些关键补给线。
拿破仑战争期间,英国开始采纳舰船建筑学的方法与体系。由于担心法国战舰设计优势会改变海上力量平衡,英国造船师与海军人员将重心转向战舰设计。一批英国顶尖数学家在法国人提出的原理之上,进一步完善了造船理论。
1790 年代,马克·博福伊上校开展了为期五年的研究,测试不同木质形体在水中的阻力。这是英国首次严肃研究流体形体的水阻力。1796 年,博福伊还牵头成立舰船建筑学改进学会,由民间人士与海军人员组成,共同推动船舶设计与建造研究。
在此期间,皇家船厂官员塞缪尔·本瑟姆与罗伯特·塞平斯对战舰建造方法做出了重大贡献。本瑟姆的多项举措中,包括为皇家海军造船工匠创办船厂学校。
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