由于大多数商船存在空载和满载工况，船舶在空载（轻载）时，吃水会变浅，船舶螺旋桨会暴露，造成推进效率下降，以及重心变化，造成船舶航行不稳。
压载水系统作为一种能有效控制船舶横倾、纵倾、吃水、稳性的系统被广泛在商船上，因此，现今的商船一般都设有压载水舱（注：也有无压载水舱的船）。
压载水舱的主要作用是：在空船航行的起航港将水舱灌满海水， 以保持船舶在航时的平稳； 当抵达目的港装载货物时， 再将水舱的水排出。
压载水示意
传统压载水舱存在的问题
然而这种传统概念的压载水舱存在较大缺陷：首先是，当船舶压入压载水航行时，因为水舱装满海水而加大重量，使船舶油耗增加； 其次是，船舶从A海域装入海水，再在B海域排出，会使A海域的生物随船舶到达B海域，造成外来生物入侵。
据相关统计，全球每年的压载水用量巨大 ，在100亿吨级以上，这种大规模改变海洋生物原有栖息地行为，势必会造成大规模的外来生物入侵。
也正因此，国际航行船舶压载水排放引发的外来生物入侵问题，被全球环保基金组织( GEF) 列为海洋的四大危害之一。
压载水造成海洋生物迁移的示意
为了有效控制船舶压载水污染所带来的危害，国际海事组织（IMO）于2004年通过了《国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》，并于2017年9月8日正式生效。
在此大背景下，船舶安装的压载水系统，必须按照国际海事组织程序获得国家有关部门的认可，达标后才能排放。
目前， 船东、经营管理者等大都依赖于压载水处理技术，如加热、电解以及紫外线处理等技术。
但是这些压载水处理技术不光费时费力，还增加了船舶的建造和运营成本，这无疑对本来就盈利压力巨大的航运业，更是雪上加霜。
船舶正在利用重力排顶边舱的压载水
无压载水船舶的设计思路
为了解决现有压载水的困局，有学者就独辟蹊径提出了无压载水船型概念。
传统的压载水，能保证船舶的航行安全，主要是因为在船舶空载（轻载）时增加了船舶重力，保障了吃水和稳性。
但是我们换一种思维：既然是增加了重力，我们也可以认为压载水是“漏入”船舶里的水，压载水实际是减小了船舶浮力，而不是增加重力。
这样我们就得到了无压载水船舶的设计思路。
目前国际上主流的无压载水船型理念有美国的贯通流系统、荷兰的单一结构船身设计以及日本的V形船身设计。
今天笔者先从美国的贯通流系统讲起。
船舶的平衡力
贯通流系统的工作原理
所谓贯通流系统( Though Flow System Hull)，就是用来替代水线以下纵向结构的传统型压载水舱。
其结构特点是：把原来的封闭式的压载水舱改为前后开放式，在船头水线下设置进水口， 在船尾设有排水口， 海水不断地从船首进口处涌入， 再迅速地从船尾排水口排出， 既可以起到压水舱作用， 又可以减少船舶的负荷。
这种设计概念可以看成是为了减小船舶的浮力， 而不是去增加船舶的重力。
利用船首和船尾进出口水流的不同压力，控制贯通压水舱的水流速度。
而在贯通流压水舱内穿越而过的海水始终是当地海域中的海水， 因此不会把海水从一个地方带到另一个地方， 从而符合国际海事组织(IMO) 有关海洋环境保护的规定。
贯通流系统和普通压载水系统的对比
贯通流系统的优势
在贯通流系统的探索方面，美国密西根大学成功研发出采用贯通流理念的无压载水舱货船模型。
该模型的取消压载水舱， 代之以2条开放的大型管道做水流箱。
当空船出港时，将大型管道的前后盖子打开， 海水流入， 船舶出航后海水从管道自前向后流动，保持船舶平衡； 货船载货航行时，关上前后盖子将海水放掉。
据密西根大学的科研人员在大型水槽中对这种新型船舶进行的试验表明：这种船舶不仅能保持良好的稳性，而且由于船底安装的2条大型管道中海水自前向后流动，水流对螺旋桨水动力性能也起到了一定的优化作用，能提高航速并达到节省燃油和减排的目的。
试验数据表明，贯通流理念下的无压载水船舶最多可以节省母船型7.3% 的动力。
贯通流系统船模
贯通流系统的缺陷
一是，船体内部贯通的管路需要超高强度，同时大型化船舶则需要更大尺寸的管路，这将对船舶内部结构与设备的布局以及空间产生很大程度影响。
二是，船舶处于不同的装载情况时，需要对自身的压载量进行调整。
贯通流系统的设计无法实现对船舶在不同装载情况的压载量调节。
三是，在空载状态下，贯通流系统中管路可以实现全流通。
然而，在满载状态下，针对管路中流通海水的排空存在较大困难，会对满载工况产生影响。
贯通流系统难以适应大型船舶
参考文献：《无压载水舱船舶的研究进展》，《无压裁和低压载水船舶》，《V型无压载水小型LNG运输船设计研究》,《一种无压载水船船型参数探讨》，《一种无压载水船型设计新思路》
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作者：小船人的梦想 2020年3月13日
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