世界先進(jìn)科考船圖譜

中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八所 孫鳳鳴 劉方琦

海洋覆蓋了全球71%的面積，而人類(lèi)對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)還不到5%。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界各國(guó)逐漸開(kāi)始意識(shí)到海上資源開(kāi)發(fā)、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境的重要性，加強(qiáng)對(duì)海洋進(jìn)行探索，科考船作為人類(lèi)調(diào)查和研究海洋的重要載體工具也有了新的需求和發(fā)展。

科考船發(fā)展概況

廣義上說(shuō)，科考船既包括由政府或研究機(jī)構(gòu)建造運(yùn)營(yíng)的用于水文測(cè)量、海洋科學(xué)研究、極地研究、漁業(yè)調(diào)查的科考船，也包括由油氣公司建造運(yùn)營(yíng)的用于油氣探測(cè)的地球物理地震調(diào)查船。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦海洋學(xué)設(shè)施委員會(huì)（FOFC）的海洋科考船分級(jí)規(guī)則，按照船的大小、續(xù)航力、及調(diào)查能力一般可分為全球級(jí)（Global）、大洋級(jí)（Ocean）、區(qū)域級(jí)（Regional）和近岸級(jí)（Coastal）。

從科考船隊(duì)規(guī)模來(lái)看，美國(guó)、歐盟、日本、俄羅斯等世界主要經(jīng)濟(jì)體的科考船船隊(duì)規(guī)模遠(yuǎn)大于中國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前美國(guó)的各類(lèi)科考船船隊(duì)規(guī)模超過(guò)約250艘，歐盟總計(jì)302艘，俄羅斯和日本也分別超過(guò)100艘。我國(guó)自2012年開(kāi)始組建國(guó)家海洋調(diào)查船隊(duì)，通過(guò)不斷發(fā)展壯大，船隊(duì)數(shù)量已從最初的19艘增至50艘。

顯然我國(guó)科考船隊(duì)的規(guī)模要滿足全球海洋調(diào)查常態(tài)化、業(yè)務(wù)化和廣泛開(kāi)展海洋調(diào)查國(guó)際合作的需求，這些船舶數(shù)量和功能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此近年來(lái)我國(guó)逐漸加大了對(duì)科考船的投入，從而催生了一輪新建科考船熱潮。截至2017年8月，我國(guó)正在設(shè)計(jì)或建造的海洋科考船約10艘，新建、在建數(shù)量均居世界首位。

科考船技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

不同調(diào)查需求都對(duì)應(yīng)著各自獨(dú)特的調(diào)查手段，這就要求船舶這一平臺(tái)應(yīng)當(dāng)具備適應(yīng)各種調(diào)查能力的航行狀態(tài)?？瓶即鶕?jù)其調(diào)查能力的需求對(duì)船舶通常有如下幾方面的特定技術(shù)要求：

1、動(dòng)力定位能力?？瓶即ǔ＞哂泻Ｑ笊?、海洋地質(zhì)等調(diào)查作業(yè)能力，需要釋放水下機(jī)器人，或者各種取樣設(shè)備、測(cè)量設(shè)備等，這些作業(yè)對(duì)船舶的定位能力和定位精度有一定的要求，根據(jù)不同的作業(yè)能力要求船舶能夠保持一定的位置或一定的航向，在作業(yè)狀態(tài)下不可偏離水下儀器釋放位置太遠(yuǎn)，因此通常海洋科學(xué)考察船會(huì)要求具備動(dòng)力定位能力。

2、靈活的操作性能?？瓶即瑪y帶的多種科考儀器及設(shè)備，需要操縱船舶在調(diào)查取樣結(jié)束后需要順利回收，因此要求船舶應(yīng)當(dāng)具有靈活的操縱性能。

3、航速航行性能。具有海洋地球物理調(diào)查系統(tǒng)、深海環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)等調(diào)查能力的科考船要求具有較好的低速航行性能。比如在約5節(jié)航速下進(jìn)行地震勘測(cè)氣爆測(cè)量、深海拖曳操作等。

4、電站的冗余度。科考船上配置的科考設(shè)備要正常工作，需要船上提供足夠電力負(fù)荷，因此，科考船需要電站有一定的冗余度。

5、低噪聲、低振動(dòng)性能?？瓶即瑪y帶大量探測(cè)設(shè)備，對(duì)船舶自身噪聲要求比較高。為了不影響船舶探測(cè)設(shè)備的測(cè)量精度，故科考船要盡可能地從船型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選用低振動(dòng)、低噪聲的設(shè)備等方面考慮，降低船舶的自身噪聲。

國(guó)內(nèi)外先進(jìn)科考船

——美國(guó)“Sikuliaq”號(hào)極地科考船

為了推進(jìn)北極地區(qū)研究，阿拉斯加費(fèi)爾班克大學(xué)在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的支持下建造了一艘在阿拉斯加地區(qū)運(yùn)行的科考船，并命名為“Sikuliaq”號(hào)，意為年輕的海冰。

圖1：美國(guó)“Sikuliaq”號(hào)極地科考船

該 船 長(zhǎng)79．6m， 寬15．85m，深8．5m，滿載吃水5．715m，可搭載24名科學(xué)家和20名船員。采用柴電推進(jìn)，配備2臺(tái)MTU 16V-4000和2臺(tái)MTU 12V-4000柴 油發(fā)動(dòng)機(jī)，總功率6220KW，推進(jìn)系統(tǒng)為2臺(tái)Wartsila Icepod2500吊艙推進(jìn)器。為提高低航速時(shí)的操縱性能，該船還配備了艏側(cè)推器。靜水下的最大航速為14．2kn，在2kn的時(shí)速下可緩慢通過(guò)0．76m（2．5 ft）厚的一年冰，破冰等級(jí)為PC5。自持力為45天，最大航程為18000nm（10kn航速下）。

圖2：英國(guó)“RRS Sir David Attenborough”號(hào)極地科考船

船上首尾均配有起重機(jī)，采用DPS1動(dòng)力定位系統(tǒng)，并安裝了冰級(jí)加強(qiáng)多波束聲納系統(tǒng)和聲學(xué)多普勒流速剖面儀（75kHz和150kHz），具有較長(zhǎng)的取芯能力。該船噪音小，便于開(kāi)展魚(yú)類(lèi)研究，且十分堅(jiān)固，適合航行于充滿浮冰的北極海域。船上配備有1萬(wàn)米長(zhǎng)纜線的現(xiàn)代化絞車(chē)，包括深海牽引絞車(chē)、溫鹽深測(cè)控絞車(chē)、水文絞車(chē)。研究人員可以從海底直接采集樣本，遠(yuǎn)程操控一套軟管式絞車(chē)，來(lái)升降科研設(shè)備，操縱研究?jī)x器以探查水柱和海底，還可以向全球各地的教室實(shí)時(shí)傳送信息。

—— 英 國(guó)“RRS Sir David Attenborough”號(hào)極地科考船

英國(guó)南極調(diào)查局目前正在英國(guó)Cammell Laird 船廠建造一艘新型極地科考船“RRS Sir David Attenborough”號(hào)，用以接替“RRS Ernest Shackleton” 號(hào)和“RRS James Clark Ross”號(hào)在南、北極的工作，預(yù)計(jì)將于2019年交付，船舶造價(jià)約為2億英鎊。

該船由羅·羅設(shè)計(jì)，船長(zhǎng)128m，寬24m，自持力為60天（極區(qū)），可搭載30名以上船員和60名科學(xué)家。采用柴電推進(jìn)，主機(jī) 由2臺(tái)Bergen B33：45L6A和2臺(tái)Bergen B33：45L9A柴 油 發(fā)電機(jī)組成，并配備2組2500kW電池，螺旋槳為雙軸槳葉調(diào)距槳，艏艉各有兩個(gè)推進(jìn)器。最大航速為17．2kn，13kn航速下的最大航程為19000nm，超過(guò)英國(guó)到羅瑟拉科考站的往返距離或繞南極大陸兩圈。3kn航速下可破1m厚冰，破冰等級(jí)為PC4（推進(jìn)系統(tǒng)為PC5）。

船上裝備了大量專業(yè)科考設(shè)備和儀器，且擁有先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室，可以進(jìn)行海洋、海底和大氣研究。通過(guò)水下機(jī)器人和水下滑翔機(jī)收集海洋環(huán)境和生物數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到船上的實(shí)驗(yàn)室中，同時(shí)空中機(jī)器人和船載環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可提供詳細(xì)的極地環(huán)境信息。為滿足日益發(fā)展的科研需求，實(shí)驗(yàn)室空間被設(shè)計(jì)為可重構(gòu)，并為集裝箱式的實(shí)驗(yàn)室模塊設(shè)計(jì)擴(kuò)展位。

圖3：德國(guó)“Atair II”號(hào)LNG燃料科考船

——德國(guó)“Atair II”號(hào)LNG燃料科考船

圖4：瑞典“Svea”號(hào)科考調(diào)查船

“Atair II”號(hào)是德國(guó)海事與水文管理局建造的全球首艘以LNG為燃料的科考船，預(yù)計(jì)2020年交付，代替服役已超過(guò)30年的“Atair”號(hào)科考船。該船將主要用于水文調(diào)查和沉船搜索，并將在北海和波羅的海進(jìn)行海洋環(huán)境觀察，同時(shí)還承擔(dān)導(dǎo)航和雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)測(cè)試平臺(tái)。

康士伯格獲得該船的總包合同，其中水文調(diào)查設(shè)備系統(tǒng)包、動(dòng)力定位系統(tǒng)、綜合船橋系統(tǒng)、布放回收系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)以及導(dǎo)航系統(tǒng)等由康士伯格提供，船體優(yōu)化、設(shè)計(jì)以及調(diào)查設(shè)備和系統(tǒng)布置工作由一家名為T(mén)echnolog Services的公司負(fù)責(zé)，目前在德國(guó)Fassmer船廠進(jìn)行建造。船長(zhǎng)74m，船寬17m，吃水為5m，可為18名船員和15名科學(xué)家提供膳宿。該船入級(jí)DNV GL，并將獲得SILENT R船級(jí)符號(hào)。由于設(shè)計(jì)環(huán)境友好，“Atair II”號(hào)幾乎不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生影響，同時(shí)聲吶設(shè)備工作也將不受主機(jī)噪音干擾，為船上的科考工作提供了理想的環(huán)境。為應(yīng)用LNG燃料，“Atair II”號(hào)配備了2臺(tái)1110Kw的Wartsila 20DF主機(jī)，1臺(tái)6缸 Wartsila 20柴油機(jī)，及2套廢氣清潔系統(tǒng)，同時(shí)采用Wartsila LNGPac燃 料 系 統(tǒng)。燃料艙儲(chǔ)氣量為130m3，可滿足10天左右的燃?xì)庀牧俊?/p>

——瑞典“Svea”號(hào)科考調(diào)查船

瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)正在建造的“Svea”號(hào)科考調(diào)查船，主要用于魚(yú)群調(diào)查及水質(zhì)監(jiān)測(cè)，其他用途還包括收集環(huán)境變化影響相關(guān)數(shù)據(jù)、研究海洋生物多樣性、研究海洋富營(yíng)養(yǎng)化、研究CO2對(duì)海水酸化的影響、研究海水氧化和脫氧等，預(yù)計(jì)2019年4月可建成交付。

船長(zhǎng)為69．5m，寬15．8m，吃水5．4m，可搭載15名船員和13名科學(xué)家。該船采用Skipsteknisk AS 公司的ST367型設(shè)計(jì)，滿足ICES 209水下輻射噪聲標(biāo)準(zhǔn)。為將對(duì)環(huán)境的影響降到最低，該船將使用可再生燃料（一種氫化植物油）。設(shè)置2個(gè)升降鰭板（Drop Keel）儀器艙，用于布置多波束/單波束回聲測(cè)深儀和聲納。

圖5：日本“Kaimei”號(hào)海洋調(diào)查船

——日本“Kaimei”號(hào)海洋調(diào)查船

圖6：海洋地質(zhì)八號(hào)三維物探船

“Kaimei”號(hào)是日本海洋科學(xué)技術(shù)中心目前最新的海洋調(diào)查船，該船由三菱重工下關(guān)造船廠建造，于2016年3月完工交付，建造費(fèi)用207億日元。

該 船 船 長(zhǎng)100．5m， 型 寬20．5m，型深9m，吃水6m，總噸位5747t，航速12kn，續(xù)航力9000nm，定員65人，其中科研人員38人，裝備DPS動(dòng)力定位系統(tǒng)，采用綜合電力推進(jìn)方式，設(shè)有兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)，兩臺(tái)輔助發(fā)電機(jī)，兩臺(tái)功率2400kW的電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)尾部?jī)膳_(tái)全回轉(zhuǎn)舵槳，船首設(shè)有一臺(tái)可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和首側(cè)推。

“Kaimei”號(hào)上裝備了3000米4纜三維地震測(cè)量系統(tǒng)，高分辨率300米20纜三維地震測(cè)量系統(tǒng)，12000米二維地震測(cè)量系統(tǒng)；裝備了多種海底資源取樣裝置，包括海底巖芯取樣鉆機(jī)（BMS），適用水深為3000m、鉆深能力為30m，以及海底抓斗，鉆孔直徑為60mm，適用水深6000m，容量為1m3。還裝備了12000米CTD采水裝置，3000米級(jí)ROV，多波束聲吶測(cè)深系統(tǒng)（MBES），流速流向儀，海洋大氣觀測(cè)系統(tǒng)，重力儀，磁力儀等調(diào)查設(shè)備。設(shè)有5個(gè)實(shí)驗(yàn)室?？梢酝瓿珊５踪Y源分布，生成環(huán)境的調(diào)查；大氣及海洋環(huán)境變化的調(diào)查和古環(huán)境變動(dòng)的解釋；海底地殼結(jié)構(gòu)探測(cè)，以及對(duì)地震海嘯防災(zāi)、減災(zāi)研究。

——“海洋地質(zhì)八號(hào)”三維物探船

“海洋地質(zhì)八號(hào)”是國(guó)內(nèi)第一艘完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維物探調(diào)查船。該船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)、雙導(dǎo)管可調(diào)螺距槳和全船雙殼體設(shè)計(jì)。配備6根地震電纜，并可根據(jù)用戶需求方便地?cái)U(kuò)展至8纜。設(shè)計(jì)引入先進(jìn)的環(huán)保理念，滿足中國(guó)船級(jí)社（CCS）關(guān)于環(huán)保的CLEAN船級(jí)符號(hào)的要求，具有CCS舒適性船級(jí)符號(hào)COMF（NOISE 3）和COMF（VIB 3)。該船于2017年10月14日完成試航，于2017年11月28日交付。

“海洋地質(zhì)八號(hào)”總長(zhǎng)88m，寬20．4m，型深8m，結(jié)構(gòu)吃水6．2m，最大航速15．4kn，在經(jīng)濟(jì)航速12．1kn下續(xù)航力為16000nm。該船的整個(gè)電站采用“四臺(tái)主發(fā)電機(jī)+一臺(tái)停泊發(fā)電機(jī)組”模式，系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定，可保障船舶在任何航行條件、工況下的用電需求。五臺(tái)發(fā)電機(jī)組均采用雙層隔振技術(shù)，實(shí)船測(cè)試效果振動(dòng)數(shù)據(jù)均低于船級(jí)社設(shè)定的舒適性標(biāo)準(zhǔn)COMF（NOISE 3）和 COMF（VIB 3）。

“海洋地質(zhì)八號(hào)”適用于全球海域，冰區(qū)加強(qiáng)B級(jí)。這是世界第一艘六纜高精度短道距地震電纜三維物探船，引進(jìn)了國(guó)際最先進(jìn)的高分辨短道距三維地震測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了6纜（可拓展為8纜）高精度短道距地震電纜三維（四維）地震作業(yè)能力；同時(shí)，通過(guò)配置配套國(guó)際先進(jìn)地球物理裝備，使該船整體調(diào)查與勘探能力，可以滿足全海域水合物調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和重點(diǎn)海域油氣資源調(diào)查等任務(wù)的需要。

圖7：雪龍2號(hào)效果圖

——“雪龍2號(hào)”極地破冰船

圖8：“嘉庚號(hào)”科考船

“雪龍2號(hào)”為中國(guó)新一代極地科考船。船舶總長(zhǎng)122．5m、型寬22．3m、結(jié)構(gòu)吃水8．3m，裝載能力約為4500t，最大航速16．8kn?？纱钶d科考人員和船員共90人，續(xù)航力為20000nm，自持力在額定人員編制情況下可達(dá)60天。

“雪龍2號(hào)”融合了國(guó)際新一代考察船的技術(shù)、功能需求和綠色環(huán)保理念，采用國(guó)際先進(jìn)的船艏船艉雙向破冰船型設(shè)計(jì)，并具備全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)系統(tǒng)，DP-2動(dòng)力定位系統(tǒng)和沖撞破冰能力，可實(shí)現(xiàn)極區(qū)原地360°自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并可突破極區(qū)20米當(dāng)年冰冰脊，船舶機(jī)動(dòng)能力大幅提升，能夠滿足全球無(wú)限航區(qū)航行需求。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足PC3要求，艏向能在覆蓋有0．2米厚積雪的1．5米厚冰層上以2～3節(jié)的速度連續(xù)破冰。同時(shí)，全船發(fā)電機(jī)組均配備了廢氣清洗系統(tǒng)，注重對(duì)極地環(huán)境的保護(hù)。

“雪龍2號(hào)”將加裝智能機(jī)艙，這是我國(guó)首次在科學(xué)考察船上配套智能機(jī)艙系統(tǒng)，也是我國(guó)首次在電力推進(jìn)船舶中加裝智能機(jī)艙。智能機(jī)艙加裝主要包括柴油機(jī)健康管理、電力推進(jìn)健康管理、輔助系統(tǒng)健康管理和智能機(jī)艙集成平臺(tái)四部分。旨在交船時(shí)獲得CCS智能機(jī)艙（i-ship M）標(biāo)志，通過(guò)感知平臺(tái)建設(shè)、數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)艙，為船員提供機(jī)艙狀態(tài)、健康情況、輔助決策，降低船員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高船舶運(yùn)營(yíng)效能。

——“嘉庚號(hào)”科學(xué)考察船

“嘉庚號(hào)”為廣船國(guó)際有限公司為廈門(mén)大學(xué)建造的全球頂級(jí)科考船。船長(zhǎng)77．7m，型寬16．24m，設(shè)計(jì)吃水5．2m，滿載排水量3450t，最大航速不小于14kn，續(xù)航力不小于10000nm，載員為54人。

“嘉庚號(hào)”在動(dòng)力推進(jìn)方面配置AFE有源前端驅(qū)動(dòng)的綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，設(shè)雙軸雙定距槳、雙襟翼舵、1臺(tái)艏側(cè)推、2臺(tái)艉側(cè)推，具備DP1級(jí)動(dòng)力定位能力。在水下輻射噪聲控制方面，滿足DNV GL的SILENT A+S指標(biāo)。為控制噪聲，通過(guò)低噪螺旋槳設(shè)計(jì)、低速超靜音推進(jìn)電機(jī)選型，以及低噪音變頻風(fēng)機(jī)、專業(yè)消音器及消音百葉窗的三重控制，使得振動(dòng)滿足CCS最高的振動(dòng)舒適度等級(jí)要求，全船80%的船員住艙空氣噪聲僅45分貝左右，并配備了聲吶自噪聲監(jiān)控系統(tǒng)。

在科考方面設(shè)置專屬潔凈實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)集成采水器、絞車(chē)和集裝箱式實(shí)驗(yàn)室的可移式船載痕量金屬潔凈水樣采集及分析測(cè)試系統(tǒng)，在國(guó)際上首次采用升降鰭板上設(shè)置走航超潔凈（痕量金屬無(wú)沾污）海水采集系統(tǒng)。

伴隨著“一帶一路”倡議的提出，科考船項(xiàng)目將成為我國(guó)“十三五”期間的一大亮點(diǎn)。未來(lái)5年，我國(guó)將大力發(fā)展深海探測(cè)、大洋鉆探、海底資源開(kāi)發(fā)利用、海上作業(yè)保障等裝備、系統(tǒng)；推動(dòng)深?？臻g站、大型浮式作業(yè)結(jié)構(gòu)物開(kāi)發(fā)和工程化；突破“龍宮一號(hào)”深海試驗(yàn)平臺(tái)建造關(guān)鍵技術(shù)，在北極合作新建岸基觀測(cè)站，在南極新建科考站，新建破冰船；逐步形成全球海洋立體觀測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，國(guó)家海洋調(diào)查船隊(duì)正在組織開(kāi)展“海洋調(diào)查船分類(lèi)與分級(jí)”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制工作，統(tǒng)一海洋調(diào)查船術(shù)語(yǔ)及定義、分類(lèi)方法、分級(jí)方法， 預(yù)計(jì)海洋調(diào)查船的需求將呈現(xiàn)序列化的發(fā)展趨勢(shì)，而不是點(diǎn)狀發(fā)展。

隨著人類(lèi)對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)不斷加深，我們已經(jīng)迎來(lái)了“大科考時(shí)代”，裝備更高端、更先進(jìn)；對(duì)海洋的研究向深海和極地拓展；平臺(tái)融合、數(shù)據(jù)融合正在促進(jìn)海洋科學(xué)研究的產(chǎn)出。因而，新一代的科考船將向著平臺(tái)通用化、系統(tǒng)智能化、裝備專業(yè)化發(fā)展，使海洋調(diào)查船隊(duì)結(jié)構(gòu)配置不斷完善和提升?；诖?，國(guó)外船廠、設(shè)計(jì)公司已經(jīng)著手研發(fā)系列化的科考船設(shè)計(jì)，如達(dá)門(mén)船廠提出了多功能輔助船概念，旨在為海洋調(diào)查、潛水支援、魚(yú)雷回收、ROV和UAV布放回收、海上搜救及其他海岸警衛(wèi)隊(duì)職能提供一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)。我國(guó)也應(yīng)在這方面加強(qiáng)研究，在對(duì)船體基本性能和技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建完善的科考船平臺(tái)、設(shè)備和系統(tǒng)體系。