海洋科考船與“中山大學(xué)”號(hào)

花栗鼠

人類從事海洋科考已有100多年歷史，雖然只完成不到5%探索，但算上3.61億平方千米的地球海洋面積，整個(gè)探索的工作量還是很可觀的。工欲善其事，必先利其器，而人類探索海洋的“器”，就是海洋科考船。前不久，我國最大的海洋綜合科考實(shí)習(xí)船“中山大學(xué)”號(hào)在上海長興島下水。我們就來談?wù)勱P(guān)于它的故事。

海洋科考船的歷史

海洋科考的開端

1872年12月21日，英國“挑戰(zhàn)者”號(hào)（HMS Challenger）從樸次茅斯啟程，歷時(shí)713天，航行了近7萬海里，進(jìn)行了492次深海探測，133次海底挖掘，263次水溫測定，發(fā)現(xiàn)了超過4000種先前未知的物種，這在當(dāng)時(shí)堪稱“對(duì)我們星球的了解上最偉大的進(jìn)步”，也是海洋科考的發(fā)端。然而當(dāng)時(shí)的“挑戰(zhàn)者”號(hào)卻只是條經(jīng)過改造，增加了若干實(shí)驗(yàn)室的舊軍艦。事實(shí)上，直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，科學(xué)家們都是將其他類型船舶改造后用于海洋科考。

不止于“船”

隨著海洋科考的發(fā)展，海洋科考者們開始意識(shí)到他們所需要的不僅是一艘“船”那么簡單。專業(yè)的海洋科考船應(yīng)該是一個(gè)綜合的海上科學(xué)平臺(tái)，它需要可以對(duì)特定海區(qū)的水文、地質(zhì)，生物、氣象等進(jìn)行連續(xù)的觀測以及實(shí)驗(yàn)，改裝的舊船已難以滿足海洋科考的需求。世界上許多國家在20世紀(jì)50年代末，都開始設(shè)計(jì)制造專門的海洋科考船。英國的“發(fā)現(xiàn)”，德國的“太陽”，我國的“科學(xué)”和“向陽紅”，都是這一時(shí)期開始設(shè)計(jì)建造并入役的，它們共同承擔(dān)了50～80年代間海洋科考的重任。

新一代的科考船

近年來隨著海洋科考工作進(jìn)一步發(fā)展，研究內(nèi)容包括了諸如海洋在全球氣候變化中的回饋交互作用這樣的復(fù)雜課題，大型電腦、浮標(biāo)平臺(tái)、衛(wèi)星、無人機(jī)、深潛艇等新技術(shù)成為科考標(biāo)配手段。但早期科考船在這諸多方面都有所欠缺，以我國早期的科考船為例，船速偏快，動(dòng)力機(jī)組油耗大，減振降噪措施有限，實(shí)驗(yàn)設(shè)備探測深度和范圍較小，制約了遠(yuǎn)洋科考的數(shù)據(jù)探測。而缺乏數(shù)據(jù)處理、整合和傳輸能力，使得很多實(shí)驗(yàn)需要返航后在陸上實(shí)驗(yàn)室才能完成，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的精度和效率。在這種情況下，我國20世紀(jì)80年代后開始了新一代科考船的設(shè)計(jì)與建造，而“中山大學(xué)”號(hào)，便是我國新一代科考船序列中的最新銳產(chǎn)品。

“中山大學(xué)”號(hào)有啥不同

綜合參數(shù)更適合科考

下面是我國自行設(shè)計(jì)并建造的第一艘專業(yè)遠(yuǎn)洋科考船“向陽紅09”（1978年出廠/2006年改造）與“中山大學(xué)”號(hào)的一些參數(shù)對(duì)比。

如表格中所示，“中山大學(xué)”號(hào)在噸位以及續(xù)航力方面都全面領(lǐng)先老前輩。而考慮到減噪的目的，偏快的航速也被降了下來（作為對(duì)照，美國的“羅納德布朗”號(hào)相關(guān)參數(shù)是12節(jié)/15節(jié)）。至于顯著加寬的船體，使得“中山大學(xué)”號(hào)的可用空間也明顯優(yōu)于老前輩。

除此之外，根據(jù)目前披露的消息，“中山大學(xué)”號(hào)將搭載大氣觀測、海洋生物采集、地質(zhì)調(diào)查設(shè)備，利用無人機(jī)與無人艇的集群式作業(yè)，實(shí)現(xiàn)海陸空一體化移動(dòng)探測。船上的固定實(shí)驗(yàn)室便有760平方米，艉甲板還有610平方米的作業(yè)平臺(tái)，可搭載十余個(gè)移動(dòng)集裝箱式實(shí)驗(yàn)?zāi)K。這樣的資源配置明顯優(yōu)于只有一干一濕兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室，且大量實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備需要科研人員自行攜帶的“向陽紅09”。

搭配多項(xiàng)新銳技術(shù)

“中山大學(xué)”號(hào)在建造過程中，還采用了諸多先進(jìn)技術(shù)。其中被公開報(bào)道出來的包括以下幾個(gè)：

L型全回轉(zhuǎn)低噪推進(jìn)器

常見的船舶推進(jìn)器是Z型推進(jìn)器，其主要結(jié)構(gòu)是安裝在水平面上，靠兩級(jí)錐齒輪傳動(dòng)連接的螺旋槳。而L型推進(jìn)器，則是將傳動(dòng)軸排成L型垂直安裝，還可以進(jìn)行360°全方向驅(qū)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)移除了額外的機(jī)械傳動(dòng)齒輪組和傳動(dòng)軸，構(gòu)造更加緊湊，傳動(dòng)效率高于傳統(tǒng)的Z型結(jié)構(gòu)，工作時(shí)也會(huì)更加安靜。

輪緣永磁側(cè)推

該技術(shù)將驅(qū)動(dòng)螺旋槳電機(jī)集成在環(huán)形導(dǎo)管內(nèi)，把軸向驅(qū)動(dòng)改成徑向驅(qū)動(dòng)，使永磁電機(jī)定子固定在環(huán)形罩殼上，槳葉（轉(zhuǎn)子）則通過滑動(dòng)軸承安裝在環(huán)形罩殼內(nèi)部。這不僅提升了傳動(dòng)效率，也避免了電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生空泡、漩渦以及艙室振動(dòng)噪音，降低了對(duì)科考船測量工作產(chǎn)生的干擾。

直流母排+儲(chǔ)能蓄電池

它解決的是推進(jìn)器電機(jī)組的聯(lián)動(dòng)問題。用銅排母線形式，將電機(jī)組在變頻器里相互關(guān)聯(lián)，形成直流電公共母線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并接入儲(chǔ)能蓄電池來充分利用能量。因此不僅盡可能避免多電機(jī)傳動(dòng)產(chǎn)生的能量浪費(fèi)，提高了系統(tǒng)用電效率，還提升了船舶操縱穩(wěn)定性與安全性。

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“中山大學(xué)”號(hào)在艏部安裝兩套輪緣永磁側(cè)推裝置，艉部則有兩套L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，驅(qū)動(dòng)這些推進(jìn)器的電機(jī)組大多數(shù)時(shí)間處于不同的工作狀態(tài)。

全航速主動(dòng)式減搖鰭

傳統(tǒng)固定式減搖鰭①一般對(duì)船舶航速有較高要求，其原理是和飛機(jī)機(jī)翼一致，一旦喪失速度就無法產(chǎn)生升力，因此無法在零航速條件下生效。而全航速減搖鰭可以在任意航速下實(shí)現(xiàn)減搖效果。“中山大學(xué)”號(hào)安裝的是哈工大自主研發(fā)的全航速收放式減搖鰭，能在最大五級(jí)海況（浪高2.5～4米的高海況）下實(shí)現(xiàn)船體全航速減搖。

①減搖鰭

安裝在船舶上的主動(dòng)式減搖裝置?？梢詼p少90%以上的船舶橫向搖晃，保持船身穩(wěn)定。

“中山大學(xué)”號(hào)的誕生，不僅為海洋科學(xué)事業(yè)添磚加瓦，也為國家海疆的安全出力。中山大學(xué)從2016年（南海仲裁案發(fā)生的時(shí)間）開始實(shí)施了“南?？茖W(xué)考察”的綜合計(jì)劃，現(xiàn)在已經(jīng)完成了8個(gè)航次，累計(jì)航行13000余海里，未來也將繼續(xù)深入研究南海及周邊的氣象與地質(zhì)問題。而“中山大學(xué)”號(hào)將成為中大海洋學(xué)者手中的一把神兵，在科學(xué)考察與海洋戰(zhàn)略方面兩開花。畢竟在這個(gè)陸地資源已經(jīng)接近過度開發(fā)的時(shí)代，海洋的未來就是全人類的未來，而南海的未來，也必將與我國的未來牢不可分。