科考船总体设计及关键技术研究

2021-07-06周树道

舰船科学技术 2021年6期

叶松，周树道，李争

(1.国防科技大学气象海洋学院，江苏南京 211101；2.中国船舶集团有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引言

科考船是探索和观测海洋的重要工具，其主要指用于调查研究海洋水文、地质、气象、生物等特殊任务的船舶。科考船大多具有较高的综合性能，作为海洋科学考察活动的平台，相关科研人员需要对其所采集的实验数据、样本等进行第一时间的收集整理[1]，保证科学的严谨性。船舶内集成了多种先进的航海仪器及科考设备[2]，包括操纵性良好的推进系统[3-8]、动力定位系统[9]、导航设备系统和满足科学考察及实验需求的科学探测分析等实验室仪器设备[10]。

1 科考船发展现状

人类对海洋的探索一直在发展，对海洋的探索活动在20 世纪以来蓬勃发展。截至2018 年，美国拥有科考船252 艘，欧盟拥有148 艘，俄罗斯拥有116 艘，日本拥有107 艘。美国作为世界上拥有科考船最多的国家，其科考船具有门类详细、功能齐全、管理规范等特点[11]；美国科考船以吨位和自持力为标准划分，发展了近岸级（Local class）、区域级（Regional class）、大洋级（Ocean class）、全球级（Global class）等4 级科考船[12]，如表1 所示。

表1 美国科考船分级Tab.1 American classification of research vessel

20 世纪80-90 年代，苏联为实现其海洋战略，建造了大量的海洋调查船，包括当时世界上最大的45 000 t的“尤里·加加林”号海洋调查船。1991 年12 月苏联解体，俄罗斯作为独联体的核心国和主导国，继承了苏联海军的绝大多数装备和设施，其中包括大量的海洋调查船。但自苏联解体以后，在近20 年的时间内，俄罗斯没有建造一艘新海洋调查船，而继承自苏联的海洋调查船由于缺少经费的支持无法维持日常工作，甚至由于缺乏日常的维修保养进而导致很多调查船无法正常服役。直到2011 年，俄罗斯首次建造的海洋调查船Akademik Tryoshnikov 号才在圣彼得堡下水。

日本由于其特殊地理位置，十分重视对本国周边海域各海洋要素的观察测量活动，早在20 世纪20 年代，日本便开始借助船舶进行气象观测。自20 世纪60 年代开始，日本大力发展科考船项目，从功能单一的用于保障航道安全的水深测量船，发展到目前具备海底地形、海底构造、海洋气象、海洋水文、地球物理、极地科考等专业参数测量的多功能综合海洋调查船。这些海洋调查船不同学科、不同专业领域的任务可互相交叉，在完成主要使命的同时，还具备通用海洋参数测量能力[13]。

中国海洋调查船的历史始自1956 年。20 世纪60 年代初至70 年代末，是中国海洋调查船发展较快的一段时期。中国先后建造和改装了一批远洋调查船，主要有“实践”系列、“科学”系列、“实验”系列、“海洋”系列和“向阳红”系列等综合或专业的远洋调查船[14]。海洋调查船术语国家标准中将从事海洋科学调查研究和管理的船舶分为22 类[15]，包括综合调查船、地球物理勘探船、极地考察船、地质调查船等。国家海洋调查船队在2012-2019 年间，规模由19 艘发展为37 艘，已初步形成海洋水体环境、海洋地质、海洋油气资源、渔业资源等多专业调查能力，调查范围涵盖近海、深远海以及极地[16]。

1.1 极地科考

南北两极是地球变化的驱动器、全球气候变化的冷源，因此极地科考关系着全球变化和人类的未来。极地地区常年被冰层覆盖，并且极端的气候条件使得极地科考尤为困难。破冰船是一种专门用于在结冰的水面上开辟航道的特种船舶，破冰船的设计建造强有力地支撑了极地探索及北极航线等的发展[17]。已有50 多个国家在南极建立了100 多个科学考察站，对南极开展多学科考察研究，在这个过程中，各国的极地破冰船作出了巨大的贡献。表2 给出了国外典型的极地破冰船。

表2 国外典型极地破冰船Tab.2 Foreign typical icebreaker

中国极地科考船的发展较晚，随着中国极地事业的不断发展，航行在大海之上、冰雪之间的极地考察船，也从“向阳红10”号、“极地”号、“雪龙”号到“雪龙2”号不断升级换代。

1.2 海洋环境考察

海洋面积远大于陆地，是决定全球气候的重要因素之一，对海洋环境的考察研究有利于持续性的发展。海洋环境考察涉及到海洋水文气象环境、海洋地质、海洋生物等多个方面，因此为全面对海洋环境进行考察和研究，各国设计并建造了各种专用和综合科考船，用来保障相应海洋环境考察任务的顺利进行，如美国的Sikuliaq 号、日本的“凌风丸”号、中国的“科学”号等。

表3 部分海洋环境考察船及其主要任务Tab.3 Partial marine environment research vessels and major mission

海洋环境考察船主要执行海洋环境考察任务，船上综合了水文、生物、气象等领域研究的需求，配备各类测量、取样、分析及辅助支撑等仪器设备，能在很大程度上满足各国对海洋环境考察的任务。

1.3 海洋资源调查

随着时代的发展，陆地资源的开采利用过多，海洋资源的重要性愈发凸显，海洋资源充分开发利用是未来发展的大趋势。人类从未停止探索海洋资源的脚步，从仅限于鱼类捕捞到现在的海洋资源全面利用这一过程中，对海洋资源的探索及认知是坚实基础。

海洋资源调查任务需求的增加推动了各类专用或综合资源调查船的发展，如中国的“淞航”号、印度的Samudra Ratnakar 号、冰岛的Arni Fridriksson 号、日本的Kaimei 号、韩国的Tamhae II 号、俄罗斯的Professor Logatchev 号等。

表4 部分资源调查用途船舶Tab.4 Partial vessels used on resource survey

这些资源调查船设有相应的实验室，如渔业资源实验室、渔业生物实验室等，并且配备各类先进的回声测深仪、渔业拖网、地质采样和水文采样设备，以满足在执行海洋资源调查任务中的需要。

2 科考船设计特点

2.1 船型设计选择

海洋科考船的设计船型包含单体、双体和小水线面双体（SWATH）船型等。

1）单体船型因其经典成熟，对负载变化的适应能力强，空船重量占设计排水量的比重较小且吃水较浅，结构设计与建造相对简单，可适用各级别海域，而被广泛应用于各类科考船设计。

2）双体船型具有宽敞的甲板面积，利于调查设备布置。但横摇周期短，舒适性略差。国外一般设计用于沿海或近海（排水量约200～400 t）的科考船（如法国的L’Europe 号），我国则鲜有设计案例。

3）小水线面双体（SWATH）船型具有卓越的耐波性，对波浪的运动响应很小，高海况时横摇角度小、失速小，被称之为全天候船型，并具有双体船的布置面积优势。但其结构设计相对复杂，空船重量占排水量的比较大（近70%），负载变化引起吃水的变化量大。已用于科考船中各类潜水作业保障船、水下系统研究试验船、近海测绘船、水声综合考察船、水声监听船（如美国的“无暇”号、中国的“沈括”号）等。

图1 “沈括”号横剖面线型示意图[18]Fig.1 Body plan of Shen Kuo ship

4）三体船型是处于发展中的船型，兼具单体船对负载变化的适应能力强以及SWATH 船型的耐波性强、甲板面积大的优势；其性能特点有待进一步发掘。

2.2 总体设计

1）作业海域、船舶吨位与总布置特征。科考船为一种布置地位型船，其主尺度确定优先考虑实验室和作业甲板布置面积的需求。

表5 科考船总布置特征Tab.5 General arrangement of research vessels

航行于两极海域作业的科考船，通常具备0.9～1.2 m厚/2～3 kn 的破冰能力。全球科考船类型抽样调查数据显示：截至2010 年，海洋学研究类科考船的平均总吨约为1 862 GT，水文测量类科考船的平均总吨约为1 652 GT，地震勘探船平均总吨约为3 330 GT。平均值数据反映了科考船作业海域的数量关系。中国近十多年来建造的科考船有大型化的趋势，即面向远海与两极海域。

2）续航力。航行于沿海或近海的科考船约1 000～5 000 n mile 不等，远海（洋）海域科考船约8 000～14 000 n mile，两极海域科考船的续航力约14 000～21 000 n mile。

3）定员。大多数科考船的定员（包括船员与科学家）不足60 人。大型三维地震勘探船、大型钻探船或远洋破冰科考船的定员则会大于60 人。

4）其他。按规范定义船长若小于85 m，可用救生筏替代救生艇。燃油舱容积若小于600 m3可不设双壳保护。国际船级社组织对环保及大气排放控制的要求同样适用于科考船。实验室内对桌面物品的系固有特殊的系固槽道的考虑。作业甲板（包括部分实验室地面）对移动调查设备或集装箱的系固，通常采取密集均布地脚螺栓的方案。

2.3 性能设计

阻力性能是经典问题。近代科考船设计，长宽比（L/B）降低至4.5～5.5（专业地震勘探船甚至更低），船宽和水线面增加、横摇角度减小，使作业安全性得以提升。伴随形成阻力增加，油耗上升，最直接的节能、减阻方法就是降低航速。因此国外一般中小型科考船的设计航速为12～14 kn，经济航速约8～10 kn。4 000 总吨以上科考船的设计与经济航速再提高约1～2 kn。

耐波性设计应是科考船设计的关注点。通过预估算、船模试验求证，判断预定作业海况下横摇、纵摇、垂荡幅值（首、舯、尾）、垂荡加速度是否满足安全作业要求，辅助用于主尺度的确定。

防船首气泡对水下设备干扰。设计的重点是船长1/3 范围内的首部线型，并与阻力问题做统筹考虑。结合各类科考船长宽比（L/B）与宽度吃水比（B/T），由此产生一些独特的线型设计（如“深海一号”载人潜水器支持母船采用斧型首设计，挪威用X 型首用于物探船设计）。

控制水下辐射噪声。对从事水声研究类的科考船需从3 个方面重点控制水下辐射噪声，即螺旋桨噪声、机电设备噪声和船体结构振动噪声。近年来交流或直流静音推进电机的应用取得了好的效果。

2.4 推进形式与电站配置

因航行工况、综合节能、动力定位、噪声控制与航速选择的多样性考虑，科考船的推进形式已由常规柴油机轴桨推进，演进到多种电力推进形式，如轴桨电力推进、吊舱、舵桨、可伸缩全回转桨、长轴可调螺距导管桨、直翼推进电力推进等。发电机配置数量从常规的两用一备模式，向多发电机组、无备用机组模式优化，在功率管理系统控制下使得电站处于经济合理的负荷状态。

2.5 科考功能及其配套设备设计

1）船载实验室与数据中心。科考船设实验室（或移动集装箱实验室）支持海洋科学研究与调查，有水文、化学、生物、物理、地质地貌、气象等实验室。中小型科考船也有一个较大的综合湿实验室、一个干实验室和数据中心兼顾各类试验需求；样品库、科考设备间是常用配置。

2）甲板操控支撑设备（支持在4 级海况下安全作业）。收放水下探测设备的各类起重设备（尾门架、舷侧A 架、液压折臂吊等），绞车（CTD 绞车、地质绞车、月池配套绞车等），移动搭载调查设备及其系固系统和维护保养系统等；专用于两级地区的破冰科考船，还设有直升机飞行支持、保障系统，未来还包括对水上无人机的起降与维护系统。

3）大气与水下探测设备系统。搭载用于对水体、大气、海底和深海的科学探测设备，如系留气艇或小火箭探空、气象走航式连续探测与数据采集系统、底栖生物采集系统、电视抓斗、深海钻机等。

图2 英国James Cook 号科考船设备布置Fig.2 Equipment arrangement of British ship James Cook

3 科考船关键技术

科考船的关键技术往往体现在其独有的船型功能特征和科考设备与系统的综合能力。

1）总体集成技术。从功能与投入、船型主尺度优化、学科专业配套、科考设备配置、空间利用与协调、平面关系、人机工学、未来功能扩展升级等多角度有机融合，实现科考船综合功能目标。

2）线型设计技术。科考船性能与线型设计密切相关。一款优秀的线型设计是CFD 等软件优化和经验判断相结合，可兼顾稳性、耐波性、减阻、消波并减少首部气泡对船底声学设备的干扰。

3）声学探测相关技术。包括深水多波束、单波束、分裂波束和地震信号电缆等研制方面的技术。因各专业公司细节程序、材料、工艺的不同，造成成像质量、探测范围和使用寿命方面的较大差异。

4）水下调查取样设备技术。温盐深（CTD）剖面探测器、长柱状取样器、水下钻机、ROV、AUV 等搭载配套设备技术。

5）水面操控支撑设备技术。要确保由A 型架、倒L 架、伸缩（或折臂）吊机、绞车、液压动力单元、导向滑轮、承重缆或信号电缆等组成的水面操控支撑设备系统，可在4 级甚至5 级海况下安全稳定地作业，技术的关键在于对于恒张力或波浪补偿控制系统的程序设计。搭载无人机的安全起降技术，将成为下一个技术难点。

6）水下辐射噪声控制技术。进行水声学研究的科考船，对控制船舶自身噪声有特殊的要求。要达到目标效果，涉及对低噪声螺旋桨、低噪声机电设备（如交、直流静音电机）和设备隔振甚至总体系统设计等关键技术的组合应用。

7）传输速率/带宽（通道）技术。伴随5G 和卫星技术的发展，科考船的信息传输技术能力必将大幅度地提升。利用大数据等手段，改善海上实时分析质量，提升科考效率。

8）能源利用相关技术，包括节能技术与新能源技术。基于对科考船航行作业工况的分析，用柴电推进的科考船已经逐步替代了纯内燃机推进的科考船，伴随形成一系列与电推相关的推进设备技术、传输技术与控制技术，如低噪声吊舱桨、直流母排和动力定位技术等。而对风能、波浪能、太阳能、双燃料等技术的应用也必将成为未来型科考船的关键技术之一。

9）环保技术。国际间对于船舶燃气排放的限制，促成科考船与其他类型船舶执行同样的燃气排放标准并使用新的处理技术。

10）海水制淡、食品保鲜方面的单项技术。反渗透制淡装置的渗透膜技术决定了其使用寿命；冰温或气调保鲜方面的控制技术，决定了蔬菜保鲜的时间等。

11）从智能化到智慧型科考船的发展技术。少量科考船正在按照CCS 智能船的设计规范，将智能航行、智能机舱、智能船体、智能集成平台、远程控制等技术运用于科考船设计与建造，而未来向智慧型科考船发展的趋势也不可阻挡。