靈活型艦船設(shè)計新發(fā)展

李 源

國際市場上對作戰(zhàn)艦船的需求量很大，特別是中、低要求和中、低能力的戰(zhàn)艦。據(jù)2013年7月AMI發(fā)表的國際特別報告稱，至2032年護(hù)衛(wèi)艦、輕巡洋艦、沿海巡邏艦以及快速攻擊艇的需求量總計占到計劃建造項目總量的30%左右。其中護(hù)衛(wèi)艦在小型作戰(zhàn)艦船領(lǐng)域的需求量最大，未來20年內(nèi)，全世界預(yù)計將交付300艘左右的護(hù)衛(wèi)艦，這是一個龐大的市場需求。

護(hù)衛(wèi)艦通常有一個主要的作戰(zhàn)任務(wù)，然后可以拓展至多種任務(wù)，從搜救、沿海巡邏、攔截、商船護(hù)航到遠(yuǎn)征作戰(zhàn)支持，涉及中低威脅等級的防空、反艦、反潛等多項任務(wù)。如在海事安全方面，有搜救、船舶安全、極地操作（非破冰）；在海事安全和海警方面，有執(zhí)法、海洋資源保護(hù)、海洋和環(huán)境保護(hù)、毒品和非法移民攔截、反海盜、人道主義援助、災(zāi)難響應(yīng)；在國家安全和國防方面，有邊境水域巡邏、軍事任務(wù)以及與伙伴國海軍/海警聯(lián)合訓(xùn)練、保護(hù)航運、補給物資和海上基地、對危機/沖突的多任務(wù)支持。

因為有多功能的要求，模塊化設(shè)計成為一個趨勢。美國海軍的瀕海戰(zhàn)斗艦被譽為美海軍首艘真正意義上的模塊化艦船，該艦擁有明確的標(biāo)準(zhǔn)和界面，方便安裝三個作戰(zhàn)任務(wù)包：反水雷、反艦和反潛。也可兼顧其他模塊化任務(wù)包，如海軍特殊作戰(zhàn)或海上攔截。

另一方面，價格合理、按期交付以及按預(yù)算實施是項目成功的關(guān)鍵，因此以一型艦體平臺為基礎(chǔ)，搭載多種載荷形成不同功能艦船的設(shè)計方案是一個不錯的想法。亨廷頓英格爾斯工業(yè)公司（HII）下屬的英格爾斯造船公司的“靈活型護(hù)衛(wèi)艦”設(shè)計概念，利用已經(jīng)證實的設(shè)計方案作為母型，極大地降低了項目風(fēng)險和建造風(fēng)險，增加了成本優(yōu)勢和價格可預(yù)測性。BMT公司也提出了“家族艦”的設(shè)計方案，基于一種母型開發(fā)出三型不同的艦船。以下對這兩種設(shè)計方案進(jìn)行介紹。

表1 2013～2032年世界各地海軍和海岸警衛(wèi)隊項目（單位：艘）

英格爾斯造船公司的“靈活型護(hù)衛(wèi)艦”設(shè)計概念

英格爾斯造船公司提出的“靈活型護(hù)衛(wèi)艦”設(shè)計概念，基于該船廠為美國海岸警衛(wèi)隊建造的“傳奇”級國家安全艦（NSC）。

NSC是美國海岸警衛(wèi)隊的一個創(chuàng)記錄的項目，共計劃采購8艘，首批3艘分別為“Bertholf”號、“Waesche” 號 和“Stratton”號，已于2013年秋季服役。第二批3艘“Hamilton”號、“Janes”號和“Munro”號正在建造。2013年年中，美國國會批準(zhǔn)了“Munro”號的全部采購資金，以及第7艘“Kimball”號的長研制周期的材料研發(fā)資金。2014財年總統(tǒng)預(yù)算中還包括了第7艘艦建造和交付的經(jīng)費。第8艘NSC的經(jīng)費還未落實。

NSC要求85%最大持續(xù)功率下，最高持續(xù)航速28節(jié)以上，12節(jié)時續(xù)航力達(dá)到12000nm，食物供應(yīng)可維持60天。NSC的任務(wù)要求包括國家安全、國防、本土安全。NSC配備了先進(jìn)的指揮控制系統(tǒng)、傳感器、信息交換系統(tǒng)、先進(jìn)的武器系統(tǒng)，能滿足廣泛的多任務(wù)要求。另外，NSC與美海軍的作戰(zhàn)平臺和系統(tǒng)可交互操作，這也是項目研制之初即提出的要求。NSC與美國海軍的許多戰(zhàn)艦具有共同的特性，比如：NSC上配備的MK11057mm艦炮，與LCS上配備的一樣；NSC上配備的“密集陣”Block 1B近防武器系統(tǒng)、12.7mm口徑的機槍、TRS-3D空中搜索雷達(dá)、X波段和S-波段水面搜索和導(dǎo)航雷達(dá)、SPQ-9B火控雷達(dá)、SLQ-32電子對抗系統(tǒng)以及MK46光電/紅外系統(tǒng)在美海軍的許多戰(zhàn)艦上都有配備。

通過以上可以發(fā)現(xiàn)，盡管隸屬于海岸警衛(wèi)隊，NSC事實上是一艘性能非常好的低端多任務(wù)戰(zhàn)斗艦船，除了具備保衛(wèi)領(lǐng)海安全的能力，它還是現(xiàn)代綜合安全防御體系中的一個重要的要素。

不過NSC并非模塊化艦船，英格爾斯公司計劃投入資金以NSC3（第3艘NSC）設(shè)計方案為基礎(chǔ)，盡可能地使用明確的標(biāo)準(zhǔn)和界面以方便將多種不同的任務(wù)載荷引入到NSC平臺上?；A(chǔ)的NSC船體、輪機、電力系統(tǒng)仍保留，除此以外其他的部分都可以討論。

前兩艘NSC的建造過程中，海岸警衛(wèi)隊要求英格爾斯公司對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行修改以獲得更大的疲勞壽命。這些設(shè)計上的修改增加了該艦的疲勞壽命，結(jié)合其他的改進(jìn)，使NSC的排水量從4500t增至4700t，創(chuàng)造了4%、約200t的重量裕量。

2007年，以NSC3為基礎(chǔ)的研究表明，通過改進(jìn)，可以進(jìn)一步將該艦的排水量增至4900t。這項改進(jìn)很重要，因為船廠正試圖為該艦增加作戰(zhàn)系統(tǒng)、傳感器和武器，這些都會增加上部結(jié)構(gòu)的重量，降低穩(wěn)性。為了抵消增加的重量，船廠全方位地尋求減輕重量的方法，最主要的是采用了鋁質(zhì)或復(fù)合材料的輕質(zhì)甲板室。另外，還通過增加最大許用重心高度，橫貫進(jìn)水以及分艙變化來增加穩(wěn)性。不僅如此，設(shè)計團隊還執(zhí)行了后繼的穩(wěn)性分析和縱向強度分析。排水量又增加了100t，但成本增加很少，最終該艦的排水量增至5000t。這些增加的排水量使NSC3的設(shè)計能滿足未來的需求并搭載額外的作戰(zhàn)能力。對該艦的改進(jìn)工作是靈活型護(hù)衛(wèi)艦設(shè)計的開端。

NSC3之后，英格爾斯公司又進(jìn)行了幾艘定制的靈活型護(hù)衛(wèi)艦的設(shè)計建造?！癶aze-gray”號FF4501，母型；能力更強的“海上控制護(hù)衛(wèi)艦”，F(xiàn)F4910，需滿足更困難的海上安全和警衛(wèi)操作；具備多任務(wù)和集群作戰(zhàn)能力的“巡邏護(hù)衛(wèi)艦”FF4921。

1.“haze-gray”號護(hù)衛(wèi)艦FF4501

該艦很好地利用了在NSC3的基礎(chǔ)上增加的200t重量裕量，結(jié)構(gòu)也有所增強，除了FF4501用吊桿起重機取代了龍門起重機（用于小艇和備品的操作）外，保留了NSC3的全部系統(tǒng)和能力。該艦與NSC3實際上相同，但造價更有優(yōu)勢。

圖1 FF4501護(hù)衛(wèi)艦關(guān)鍵性能

2.海上控制護(hù)衛(wèi)艦FF4910

FF4910在FF4501的基礎(chǔ)上能力進(jìn)一步拓展，增強了反潛和反艦?zāi)芰?，排水量達(dá)4900t。主要增加的是位于甲板室前方的艦對艦導(dǎo)彈模塊。另外FF4910配備的是“海拉姆”近防武器系統(tǒng)，取代了“密集陣”Block 1B。針對來自所有水域的先進(jìn)潛艇的威脅，該型設(shè)計還增加了SLQ-25B“水妖”反魚雷系統(tǒng)和可選擇的安裝在甲板上的拖曳陣列聲納系統(tǒng)。

設(shè)計過程中，設(shè)計師優(yōu)化了液艙和水密分艙，從而增加了許用重心和固定的任務(wù)空間。建造材料方面，F(xiàn)F4910為鋼質(zhì)船體，鋁質(zhì)甲板室，“Zumwalt”號戰(zhàn)艦上使用的復(fù)合材料也將在設(shè)計中采用。

圖2 FF4910海上控制護(hù)衛(wèi)艦關(guān)鍵性能

3.巡邏護(hù)衛(wèi)艦FF4921

該艦實際上是一型小型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦，能獨立操作或作為戰(zhàn)斗群中的一員。參與低端遠(yuǎn)征戰(zhàn)斗群作戰(zhàn)時，巡邏護(hù)衛(wèi)艦可與快速部署后勤艦協(xié)同操作。

FF4921型設(shè)計提供了超過400t的重量裕量，排水量達(dá)到4900t。能在較小的船體中實現(xiàn)強勁的作戰(zhàn)能力。該艦的定位為較低端、多任務(wù)的海上控制護(hù)衛(wèi)艦，但增加了當(dāng)?shù)厮蚍揽?、反潛和反艦?zāi)芰?，配備?2單元MK56垂直發(fā)射系統(tǒng)模塊、增強型“海麻雀”導(dǎo)彈、2座“魚叉”艦對艦四聯(lián)裝發(fā)射裝置以及安裝在船體上的拖曳陣列聲納和魚雷。艦上武備進(jìn)行了升級，1座76mm口徑艦炮取代了前期設(shè)計中的57mm口徑艦炮。與前兩型設(shè)計和NSC3不同的是，F(xiàn)F4921的設(shè)計中取消了艦尾跳板，為拖曳陣列聲納和其他作戰(zhàn)系統(tǒng)提供了空間和載荷能力。與海上控制護(hù)衛(wèi)艦一樣，F(xiàn)F4921型設(shè)計采用鋼質(zhì)船體搭配鋁質(zhì)或復(fù)合材料甲板室。

未來，F(xiàn)F4921的升級型設(shè)計能力還能進(jìn)一步增強。如增加SMART-L雷達(dá)和增強作戰(zhàn)系統(tǒng)能力，使艦?zāi)軋?zhí)行彈道導(dǎo)彈防御（BMD）任務(wù)。

圖3 FF4921巡邏護(hù)衛(wèi)艦關(guān)鍵性能

BMT公司的“家族艦”設(shè)計方案

BMT公司希望能設(shè)計一種“家族艦”，基于同一母型，開發(fā)出不同功能和能力的艦船。不同的艦?zāi)苄纬梢粋€家族的關(guān)鍵在于各自的功能是否具有相似的特性。最初得出的這些相似的功能特性有巡邏、水雷戰(zhàn)、海上安全等，這樣形成了具備如下特性的艦船：長度在60米至120米之間；比大型戰(zhàn)斗艦更簡單、更商業(yè)化，但仍然具備軍事特性；有裝備艦載艇和增加無人交通工具的需求；良好的耐波性，適用于沿海至遠(yuǎn)洋；中等航速，20節(jié)至25節(jié)。

最終，BMT公司基于一種母型開發(fā)出了三型設(shè)計，分別是：反水雷巡邏艦，艦長約90米，通過無人交通工具增加相關(guān)能力。較大型的巡邏艦或遠(yuǎn)洋巡邏艦，適合部署在全球氣候溫和的水域或作為大型海岸警衛(wèi)艦。能力更強的巡邏護(hù)衛(wèi)艦，作為傳統(tǒng)型多功能護(hù)衛(wèi)艦的一種更經(jīng)濟的替代方案，可部署在威脅性水域，生存性和能力可按客戶要求定制。

圖4 Venator 90（上）和Venator 110（下）的關(guān)鍵設(shè)施布置圖

1.艦體平臺的開發(fā)

開發(fā)Venator“家族艦”的重點在于基于家族特性開發(fā)基礎(chǔ)船體。最初的研究集中于一系列參數(shù)形式的不同特性，考慮三種船長（90 米、100 米、110 米）和三種長寬比變量，這樣總共產(chǎn)生了9 組參數(shù)，然后對每組參數(shù)在阻力、耐波性和完整穩(wěn)性等方面進(jìn)行評估。

為了平衡這些結(jié)果，將耐波性、阻力和穩(wěn)性等指標(biāo)進(jìn)行排序，如圖5所示。通過圖示發(fā)現(xiàn)，第3號船體是作為基礎(chǔ)船體的不錯選擇，該船體耐波性能良好（與6號和9號大致相當(dāng)），并具有足夠的穩(wěn)性和良好的阻力性能。事實上，該船體并未在某一個方面表現(xiàn)最優(yōu)，但各方面指標(biāo)十分均衡。

圖5 1～9號船體的性能比較

Venator90艦的原始設(shè)計為1號船體，在三型較短的船體（1、4、7號）中，除了耐波性外，其余性能令人滿意，說明這些較小型的設(shè)計不適用于深水航行?；谠摻Y(jié)果，開發(fā)了一型更大、能全球部署的巡邏艦平臺，即3號船體，這也就是Venator110艦。

2.平衡艦船的生存性和能力

增加船舶的生存性是需要增加成本的，因此許多研究目標(biāo)是確定“可支付的”生存性。生存性范圍的兩端分別為OPV和戰(zhàn)斗艦。一艘OPV不會設(shè)計成具備作戰(zhàn)能力，僅需要考慮法規(guī)的要求和船員的安全。一艘戰(zhàn)斗艦則必須具備一定程度的作戰(zhàn)生存性，將能力損失的風(fēng)險降至最低。如果是一艘大型巡邏艦則可能需要參與“低端”戰(zhàn)事，因此與普通OPV相比，需要提升生存性，但是如果提升到護(hù)衛(wèi)艦級別，就將變得成本太高而超出預(yù)算。

艦船的最低要求是在所有情況下保障船員的安全。但是當(dāng)執(zhí)行海上安保任務(wù)時，需要假設(shè)艦船將被單獨部署，如果艦船缺乏防護(hù)措施，任務(wù)可能存在一定的風(fēng)險。因此，對于這種任務(wù)的生存性可以描述為保護(hù)船員再加上對特定威脅（主要是小口徑武器）任務(wù)等級的生存性。生存性有如下幾個等級：小型武器威脅下的人員保護(hù)；指揮和控制功能的保護(hù)；無單點功率故障和推進(jìn)故障；對潛在威脅維持射程優(yōu)勢；遭遇小型武器襲擊或意外損壞后恢復(fù)的能力。

具體到動力和推進(jìn)方案，可以有以下幾種情況：采用單機艙和單發(fā)電機艙，無冗余設(shè)備，不提供艙室損失冗余；分離的機艙布置，將動力和推進(jìn)分別布置，為一艙進(jìn)水或遭遇火災(zāi)情況提供冗余性，但是如果相鄰的艙壁出現(xiàn)破裂則無冗余性；分離的機艙布置并且在艙室間設(shè)置防護(hù)型艙壁，為一艙進(jìn)水或遭遇火災(zāi)情況提供冗余性，同時對斷裂和小型武器威脅具有有限冗余能力；分離的機艙布置且至少一艙隔離，在進(jìn)水、火災(zāi)和武器損壞時提供冗余性，冗余等級與分離的程度一致。

機艙分離可改善生存性，但是這樣的布置對設(shè)計會產(chǎn)生顯著的影響，會增加船體尺度。對于Venator110艦來說，在一個機艙出現(xiàn)火災(zāi)或進(jìn)水的情況下提供動力和推進(jìn)冗余性可以顯著提升操作優(yōu)勢，并且在遭遇事故時能優(yōu)雅降級（指機器或系統(tǒng)在本身已部分毀壞或無效的情況下還能保持有限功能的能力）。對分離艙壁給予一定程度的保護(hù)也將減輕斷裂或小型武器的損害。但是如果機艙分離僅改善船舶面對較大威脅時的生存性，而較大威脅又并非設(shè)計目標(biāo)時，這時機艙分離對設(shè)計的負(fù)面影響將超過得到的益處。在Venator90艦的設(shè)計中，機艙分離并不現(xiàn)實，這種情況下，解決途徑轉(zhuǎn)向僅提供冗余設(shè)備，布置上并不提供冗余。

3、提升能力的靈活性

艦船的不同功能可通過不同的途徑來實現(xiàn)，包括提供固有靈活性，無需物理改裝和外部的輔助即可調(diào)整空間的使用；采用模塊化設(shè)計，在艦上已有的結(jié)構(gòu)限制內(nèi)替換或增加新設(shè)備，或在外部輔助下實現(xiàn)裝艦、連接、試驗和運轉(zhuǎn)；或直接搭配采購一個批次的艦，不同的艦具備不同的能力，若非重大改裝，艦船的功能在整個壽命周期內(nèi)保持不變。這些需根據(jù)實際情況選擇。

對Venator110艦的兩種船型，已通過固有靈活性和模塊化的方式，進(jìn)行進(jìn)一步改善。增加模塊系統(tǒng)需要加裝基礎(chǔ)設(shè)施或預(yù)留空間。最終巡邏艦優(yōu)化為能提供增強的戰(zhàn)略ISAR（逆合成孔徑雷達(dá)）和HADR（休斯公司防空雷達(dá)），巡邏護(hù)衛(wèi)艦?zāi)芴峁┰鰪娦蛻?zhàn)略ISR（情報、監(jiān)視與偵察），并且提升了在威脅區(qū)域的生存性。

世界范圍內(nèi)小型作戰(zhàn)艦艇，特別是護(hù)衛(wèi)艦需求量較大，這種小型戰(zhàn)艦執(zhí)行的任務(wù)不僅局限于作戰(zhàn)，還有搜救、巡邏、執(zhí)法、災(zāi)難救援等等，往往充當(dāng)著多功能艦的角色。正是在這種需求下出現(xiàn)了艦船模塊化的概念。因為具備模塊化的可能，具有相似功能的艦可以以同一艦體平臺為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，最大的優(yōu)點是節(jié)省建造開發(fā)成本，降低項目風(fēng)險和建造風(fēng)險，尤其對于軍貿(mào)來說具有很大的優(yōu)勢。