吴凤辉，张玉梅

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

舰船自给力设计要素分析

吴凤辉，张玉梅

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

为全面分析舰船自给力设计要素，以标准规范中的定义为基础，结合舰船设计及使用情况，分析舰船自给力的概念;从食品和淡水两方面阐述自给力的影响因素、设计方法及主要设计参数选取;对舰船自给力研究的未来方向进行展望，提出需重点针对食品高效贮存、食品长时保鲜、海水淡化深度处理等技术进行研究，以在舰船总体资源有限的情况下，为舰员提供新鲜的食品、健康的饮水，提高舰船自给力水平。

舰船;自给力;食品;淡水

自给力，又名自持力，是舰船重要的技术指标之一，其主要用于表征舰在不接受补给的情况下维持一定工作状态的能力［1］。对于舰船自给力设计，国内目前尚无规范或文献对其进行详细规定或阐述，导致在实际工作中无规可循。为促进舰船自给力设计工作的开展，对自给力概念、影响因素、设计方法、参数选取等内容进行总结和分析，为舰船自给力的合理设计提供参考。

1 舰船自给力的概念

在《舰船通用规范》(GJB4000-2000)中，舰船自给力定义为:舰船一次装足设计要求规定的燃料、淡水、食品，能在海上连续活动的最长时间［2］;在俄罗斯有关文献中，舰船自给力定义为:舰船在没有基地物资供应和不进行人员交换的前提下，在海上连续逗留的最长时间。

对照中、俄自给力的定义，两者表述形式虽然不同，但内涵基本一致。参考自给力的定义，结合舰船设计及使用实际，从以下几个方面对舰船自给力的概念进行说明。

1)自给力是舰船自身的固有能力，主要依靠舰的自身装载或制备能力作为保障，其设计不能考虑外界补给和人员更换。

2)自给力反映在特定条件下舰船在海上连续活动的最长时间，是一个时间概念，通常以“昼夜”作为衡量单位。

3)自给力所涉及的要素包括食品、淡水和燃料等，但由于燃料保障主要在续航力中进行考虑，因此自给力设计主要针对食品和淡水，即食品自给力和淡水自给力两个方面。

2 食品自给力的设计

2．1 食品自给力的影响因素

对于人，食品是生存所必需的物资;对于舰，食品属消耗性非可生成资源。因此，食品自给力是舰船自给力的重要方面。食品自给力主要受食品消耗需求和食品保障能力影响。

2.1.1 食品消耗需求的影响因素

舰员的食品消耗需求主要受食品供应标准、人员编制和自给力昼夜数影响。

食品供应标准一般由军方后勤管理部门根据部队任务特点、工作强度、人员层级、营养需求、军费等因素综合制定［3］。其包含若干灶，各类灶对应一套食品构成和数量。部队可参照标准确定灶别，作为正常情况下各类人员的食品供应依据。除正常情况外，舰船还需配备一定量的应急食品，以用于舰员在破损等情况下短期维持生存。应急食品一般应为易于贮存、携带和分发的食品，例如罐头、压缩饼干等。

人员编制主要包含人员构成和人员数量两方面内容［4］。对于人员构成，其会影响食品供应灶别的选取，例如，军官和士兵、舰员和飞行员的食品供应灶别可能存在差异。另外，在人员构成比例、食品供应标准，以及自给力昼夜数一定的情况下，食品消耗需求与人员数量成正比。

食品消耗需求受自给力昼夜数直接影响，在食品供应标准、人员编制一定的情况下，食品消耗需求与自给力昼夜数成正比。

在进行食品自给力设计时，除根据食品供应标准、人员编制和自给力昼夜数直接计算获得的食品消耗需求外，还需考虑一定的食品裕度，以抵消食品损耗等因素的影响。

2.1.2 食品保障能力的影响因素

食品保障能力直接决定于舰上的食品贮存能力，这里的食品贮存能力既包括食品的装载能力，也包括食品的保质能力。

食品的装载能力与食品库容积、食品类型、食品库容积利用率等因素有关。食品库容积主要决定于舰的总布置方案，其净容积也与绝缘、封面板等敷设方式有关;食品类型会影响食品密度，同时也可能导致堆垛方式等的差异，进而影响容积利用率;食品库容积利用率受食品库大小、形状，食品类型、包装形式和堆垛方式等因素影响。

食品保质能力与食品类型及贮存环境有关。不同类型食品的固有保鲜能力往往不同，因此若舰上食品库贮存条件较差，一般宜控制易变质食品(如大叶青菜等)的装载量，以保证舰的自给力水平;在食品一定的情况下，贮存环境将对食品的保质能力产生决定性影响。为提高舰上食品的保质能力，现代舰船一般均设置有低温食品库，而部分新研舰船则设置有专用保鲜食品库，采用低温冷藏、气体成分调节(简称气调)等综合保鲜措施以满足食品的长期贮存需求。

2．2 食品自给力的设计方法

食品自给力设计方法和基本过程如下。

1)根据食品供应标准、人员编制、自给力要求，考虑必要的食品裕度，估算各类食品的重量需求。

2)以食品重量需求为基础，结合各类食品的计算密度，估算各类食品的体积需求。

3)参考母型舰船设计经验，结合舰的实际情况，确定各类食品库的容积利用系数。

4)根据各类食品的体积需求，结合各类食品库的容积利用系数，估算舰船各类食品库的净容积需求。

5)根据各类食品库的净容积需求，参考母型舰绝缘、封面板等材料敷设前后的舱室容积与净容积的比例关系，初步估算各类食品库的舱室容积需求。

6)以各类食品库的舱室容积需求为基础，考虑适当的裕度，在总布置图中初步规划各类食品库的布置方案［5］。

7)以各类食品库的初步布置方案为基础，根据实际情况考虑绝缘、封面板厚度，计算各类食品库的净容积保障能力。

8)将食品库的净容积保障能力和净容积需求进行比较，在保证各类食品均可在相应食品库中装载的前提下，优化冷库设置，直到相互匹配［6］。

食品设计基本流程见图1。

图1 食品自给力设计基本流程

2．3 食品自给力主要设计参数选取

1)食品裕度系数。食品裕度系数是指为抵消食品损耗等不可预期因素而考虑的额外系数。

在食品贮存、运输、制作以及食用过程中，不可避免会因为变质等各类原因而损耗，因此，为抵消相应影响，在食品自给力计算中需考虑一定的裕度系数，称为食品裕度系数。依照舰船设计及使用经验，食品裕度系数一般取为5%～15%。

2)食品计算密度。食品计算密度是指在食品库设计过程中，针对各食品类别所选取的用于食品库容积计算的密度。

在食品自给力设计过程中，一般将食品分为鱼、肉、蔬菜、水果、粮食等类别，分别对应贮存于鱼库、肉库、蔬菜库、水果库、粮食库等食品库。由于各类食品可能覆盖多个品种，且同一品种因包装形式不同也可能产生较大的密度差异，因此，需针对各类食品选取特定的计算密度，以保障食品库设计顺利完成。例如，蔬菜类包含圆白菜、大白菜、葱头、土豆等品种，且可能采用箱装、篓装、散装等多种包装形式，因此食品计算密度可能存在较大不同，但在舰船食品库设计时只选取相对平均的数值作为蔬菜类食品的计算密度，例如取为230 kg/m3。

舰船食品库推荐计算密度［7］选取见表1。

表1 食品计算密度

3)容积利用系数。食品库中需设置必要的通道和冷藏设施用于保障食品的取用和保质。因此，食品库中只有部分空间用于装载食品。食品库内食品体积与食品库净容积的比值称为容积利用系数。

食品库容积利用系数并非固定值，其与食品库大小、食品库形状、食品贮存方式、内部通道宽度要求等因素均有关。一般而言，食品库越大、形状越规则、食品贮存方式越紧凑、内部通道所占比例越小，则容积利用系数越大。

在舰船食品自给力设计过程中，根据舰船设计及使用经验，推荐各类食品库的容积利用系数取值范围［7］见表2。

表2 食品库容积利用系数

3 淡水自给力设计

3．1 淡水自给力的影响因素

与食品类似，淡水也是人类生存所必须的资源，但现代舰船已可利用海水制备淡水，因此其在舰船上属于消耗性可生成资源。淡水自给力主要受淡水消耗需求、淡水保障能力影响。

3.1.1 淡水消耗需求的影响因素

舰船淡水消耗需求一般可分为人员淡水消耗需求和机械设备淡水消耗需求。

人员淡水消耗需求主要与舰上的淡水供应标准和人员编制有关。舰上的淡水供应标准受舰的规模及条件影响，一般而言，若舰的规模较大，且配备海水淡化装置，则供水标准可较一般舰船适当提高。另外，对于执行特殊任务的人员，例如飞行员，为保障其生活和工作质量，其供水标准也可较普通舰员适当提高。除日常用水之外，舰船还需配备一定量的应急淡水，以用于舰员在破损、污染等情况下短期维持生存，应急淡水一般应为易于贮存、携带和分发的瓶装水。

机械设备用淡水主要用于保障舰上各类机械设备的功能实现、状态维护等，其需求量根据机械设备设计及使用情况确定。

3.1.2 淡水保障能力的影响因素

传统舰船的淡水保障主要采用淡水舱贮存方式，其淡水来源于陆上或海上补给，并在舰船使用过程中消耗。对于现代舰船，海水淡化装置已属常用配备，其应用大大提高了舰员的生活质量，增加了舰上淡水的保障能力，同时也减轻了舰总体的设计压力。但是，考虑到海水淡化装置所生产的淡水尚难以适应舰员口味，以及海上制淡需以能源消耗为代价，加之中转、应急保障等需求，因此舰上即使配备海水淡化装置，淡水舱仍为必需。

人员用淡水分正常和非正常两种情况配备。正常情况主要指舰上的海水淡化装置正常工作且污水产生及排放不受限的情况，此时舰上淡水由海水化装置供应;非正常情况主要指舰丧失制淡能力以及污水产生或排放受限的情况，此时舰上淡水由淡水舱供应。

3．2 淡水自给力的设计方法

1)根据舰船标准规范、研制要求，以及舰船实际情况，确定正常情况和非正常情况下的人员淡水供应标准，以及非正常情况的持续时间。机械设备供水量根据实际统计。

2)以正常情况下人员的淡水供应标准为基础，计入机械设备淡水消耗需求，根据海水淡化装置的制淡能力，视情考虑装置备用，确定海水淡化装置的配置。

3)以非正常情况下人员的淡水供应标准为基础，视情计入机械设备淡水消耗需求，根据非正常情况设计持续时间，确定全舰淡水舱装载需求。

4)前述过程主要针对配备海水淡化装置的舰船，对于无海水淡化装置的舰船，全舰淡水舱装载需求根据人员的淡水供应标准、自给力昼夜数以及人员编制等计算确定，并计入机械设备淡水消耗需求。

5)根据淡水舱装载需求，结合总布置限制条件，考虑适当裕度，形成淡水舱布置方案，以保障淡水自给力的实现。

3．3 淡水自给力主要设计参数选取

舰船人员淡水供应量主要根据标准规范和研制要求确定。不同标准规范所规定的人员淡水供应标准存在一定差异，列举人员淡水供应量典型要求见表3。

表3 淡水供应量标准

可以看出，俄罗斯舰艇设计规范、CCS法定检验规则(国际)规定的淡水供应量均不低于100 L/(人·d)，而GJB4000-2000《舰船通用规范》规定的淡水供应量为35 L/(人·d)。各标准规范所规定的人员淡水供应量差异较大的原因是GJB4000-2000规定的是最低日常淡水供水量，主要适用于不具备海水淡化装置的舰船，以及配备海水淡化装置舰船的非正常情况，而俄罗斯舰艇设计规范、CCS法定检验规则(国际)主要针对正常淡水消耗需求。

4 自给力研究展望

1)食品高效贮存技术。由于中西餐差异，国内相同容积食品库所能达到自给力一般远低于欧美舰船，严重影响舰的作战能力［8］。鉴于舰船总体资源有限，有必要针对中餐食品特点，从食品预制、自动贮存等方面开展研究，提高单位容积下的食品装载能力。

2)食品长时保鲜技术。常规冷藏措施可保证15～30 d的食品保鲜需求，而气调保鲜措施可延长保鲜时间约0.5～1.0倍，达到30～45 d［9-10］。若自给力进一步增加，则需在现有技术基础上，充分考虑舰船条件和环境，研究更长久的食品保鲜技术。

3)海水淡化深度处理技术。由于海水淡化装置的产水硬度、pH值、氟含量、硼含量等影响人体健康的指标均与陆地饮用水存在一定差距，加之其他不明因素，导致海水淡化装置的产水尚难以适应舰员饮用需求。针对该问题，需进一步改进海水淡化装置制水工艺，开发饮用水深度处理设备，使海水淡化装置产水转化为有利于人体健康且适宜舰员口味的优质饮用水［11-12］。

5 结束语

国内外舰船自给力文献极少，本文根据舰船研制实际，从宏观到具体，对自给力概念、影响因素、设计方法、参数选取等进行了分析和阐述。文中有助于舰船设计人员更为透彻地理解舰船自给力，从而更好地开展自给力设计工作。

舰船自给力未来研究方面，需重点针对食品高效贮存、食品长时保鲜、海水淡化深度处理等技术进行研究，以在舰船总体资源有限的情况下，为舰员提供更为新鲜的食品、更为健康的饮水，从而提高舰船自给力水平。

［1］邵开文，马运义.舰船技术与设计概论［M］.北京:国防工业出版社，2005.

［2］海军规范所.GJB 4000-2000舰船通用规范［S］.北京:总装备部军标出版社，2000.

［3］总后勤部.GJB 826B-2010ZZ军人食物定量［S］.北京:总后勤部军标出版社，2010.

［4］吴凤辉，熊治国，王涛，等.舰船人员编制的设置与控制［J］.中国舰船研究，2014(5):15-19.

［5］徐青.舰船总体设计流程分析［J］.中国舰船研究，2012，7(5):1-7.

［6］吴凤辉，李景熹，周沙亚，等.舰船总体多方案生成及优选［J］.舰船科学技术，2014，36(5):15-18.

［7］国家国内贸易局.GB 50072-2001冷库设计规范［S］.北京:中华人民共和国建设部出版社，2001.

［8］李爽，田斌斌，徐青，等.水面舰船集成优化设计探讨［J］.中国舰船研究，2013，8(2):1-5.

［9］王世清，姜文利，李凤梅，等.气调库与气调贮藏保鲜技术［J］.制冷与空调，2008，8(1):124-128.

［10］马立卿，余志红，吴靖婕，等.水面舰船膳食处所设计发展分析［J］.船海工程，2010，39(4):144-150.

［11］THOMAS C，TAMES，HYUN-CHULA KIM，BRIAN A. Dempsey.Electrocoagulation pretreatment of seawater prior to ultra filtration:Pilot-scale applications for military water purification systems［J］.Desalination，2010 (250):6-13.

［12］JIA XU，LING G，RUAN，XUE WANG，et al.Ultra filtration as pretreatment of seawater desalination:Critical flux，rejection and resistance analysis［J］.Separation and Purification Technology，2012(85):45-53.

Analysis of Endurance Design Elements for Warships

WU Feng-hui，ZHANG Yu-mei
(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

In order to fully analyze endurance design elements for the warships，combined with instances of warships design and use，the conception of warships endurance is analyzed.From aspects of food and fresh water，influential factors，design method and design parameters choice of endurance are explained.The research development of endurance in future is prospected. In order to provide fresh food and healthy water to the persons in warships，and to improve the level of endurance of warships，it＇s important to researched on the technologies of high availability food reserve，keeping food long time fresh and deep disposal of sea water.

warship;endurance;food;fresh water

U662.2

A

1671-7953(2015)02-0087-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.023

2014-10-16

修回日期:2014-10-26

国防科工项目(JSJC2013207BB01);

海军装备科研项目(072910121)

吴凤辉(1979-)，男，学士，工程师

研究方向:舰船总体

E-mail:Dreamfly701x@163.com