科考船總體設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究

葉 松，周樹道，李 爭

(1.國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；2.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

科考船是探索和觀測海洋的重要工具，其主要指用于調(diào)查研究海洋水文、地質(zhì)、氣象、生物等特殊任務(wù)的船舶。科考船大多具有較高的綜合性能，作為海洋科學(xué)考察活動的平臺，相關(guān)科研人員需要對其所采集的實驗數(shù)據(jù)、樣本等進(jìn)行第一時間的收集整理[1]，保證科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。船舶內(nèi)集成了多種先進(jìn)的航海儀器及科考設(shè)備[2]，包括操縱性良好的推進(jìn)系統(tǒng)[3-8]、動力定位系統(tǒng)[9]、導(dǎo)航設(shè)備系統(tǒng)和滿足科學(xué)考察及實驗需求的科學(xué)探測分析等實驗室儀器設(shè)備[10]。

1 科考船發(fā)展現(xiàn)狀

人類對海洋的探索一直在發(fā)展，對海洋的探索活動在20 世紀(jì)以來蓬勃發(fā)展。截至2018 年，美國擁有科考船252 艘，歐盟擁有148 艘，俄羅斯擁有116 艘，日本擁有107 艘。美國作為世界上擁有科考船最多的國家，其科考船具有門類詳細(xì)、功能齊全、管理規(guī)范等特點[11]；美國科考船以噸位和自持力為標(biāo)準(zhǔn)劃分，發(fā)展了近岸級（Local class）、區(qū)域級（Regional class）、大洋級（Ocean class）、全球級（Global class）等4 級科考船[12]，如表1 所示。

表1 美國科考船分級Tab.1 American classification of research vessel

20 世紀(jì)80-90 年代，蘇聯(lián)為實現(xiàn)其海洋戰(zhàn)略，建造了大量的海洋調(diào)查船，包括當(dāng)時世界上最大的45 000 t的“尤里·加加林”號海洋調(diào)查船。1991 年12 月蘇聯(lián)解體，俄羅斯作為獨聯(lián)體的核心國和主導(dǎo)國，繼承了蘇聯(lián)海軍的絕大多數(shù)裝備和設(shè)施，其中包括大量的海洋調(diào)查船。但自蘇聯(lián)解體以后，在近20 年的時間內(nèi)，俄羅斯沒有建造一艘新海洋調(diào)查船，而繼承自蘇聯(lián)的海洋調(diào)查船由于缺少經(jīng)費的支持無法維持日常工作，甚至由于缺乏日常的維修保養(yǎng)進(jìn)而導(dǎo)致很多調(diào)查船無法正常服役。直到2011 年，俄羅斯首次建造的海洋調(diào)查船Akademik Tryoshnikov 號才在圣彼得堡下水。

日本由于其特殊地理位置，十分重視對本國周邊海域各海洋要素的觀察測量活動，早在20 世紀(jì)20 年代，日本便開始借助船舶進(jìn)行氣象觀測。自20 世紀(jì)60 年代開始，日本大力發(fā)展科考船項目，從功能單一的用于保障航道安全的水深測量船，發(fā)展到目前具備海底地形、海底構(gòu)造、海洋氣象、海洋水文、地球物理、極地科考等專業(yè)參數(shù)測量的多功能綜合海洋調(diào)查船。這些海洋調(diào)查船不同學(xué)科、不同專業(yè)領(lǐng)域的任務(wù)可互相交叉，在完成主要使命的同時，還具備通用海洋參數(shù)測量能力[13]。

中國海洋調(diào)查船的歷史始自1956 年。20 世紀(jì)60 年代初至70 年代末，是中國海洋調(diào)查船發(fā)展較快的一段時期。中國先后建造和改裝了一批遠(yuǎn)洋調(diào)查船，主要有“實踐”系列、“科學(xué)”系列、“實驗”系列、“海洋”系列和“向陽紅”系列等綜合或?qū)I(yè)的遠(yuǎn)洋調(diào)查船[14]。海洋調(diào)查船術(shù)語國家標(biāo)準(zhǔn)中將從事海洋科學(xué)調(diào)查研究和管理的船舶分為22 類[15]，包括綜合調(diào)查船、地球物理勘探船、極地考察船、地質(zhì)調(diào)查船等。國家海洋調(diào)查船隊在2012-2019 年間，規(guī)模由19 艘發(fā)展為37 艘，已初步形成海洋水體環(huán)境、海洋地質(zhì)、海洋油氣資源、漁業(yè)資源等多專業(yè)調(diào)查能力，調(diào)查范圍涵蓋近海、深遠(yuǎn)海以及極地[16]。

1.1 極地科考

南北兩極是地球變化的驅(qū)動器、全球氣候變化的冷源，因此極地科考關(guān)系著全球變化和人類的未來。極地地區(qū)常年被冰層覆蓋，并且極端的氣候條件使得極地科考尤為困難。破冰船是一種專門用于在結(jié)冰的水面上開辟航道的特種船舶，破冰船的設(shè)計建造強(qiáng)有力地支撐了極地探索及北極航線等的發(fā)展[17]。已有50 多個國家在南極建立了100 多個科學(xué)考察站，對南極開展多學(xué)科考察研究，在這個過程中，各國的極地破冰船作出了巨大的貢獻(xiàn)。表2 給出了國外典型的極地破冰船。

表2 國外典型極地破冰船Tab.2 Foreign typical icebreaker

中國極地科考船的發(fā)展較晚，隨著中國極地事業(yè)的不斷發(fā)展，航行在大海之上、冰雪之間的極地考察船，也從“向陽紅10”號、“極地”號、“雪龍”號到“雪龍2”號不斷升級換代。

1.2 海洋環(huán)境考察

海洋面積遠(yuǎn)大于陸地，是決定全球氣候的重要因素之一，對海洋環(huán)境的考察研究有利于持續(xù)性的發(fā)展。海洋環(huán)境考察涉及到海洋水文氣象環(huán)境、海洋地質(zhì)、海洋生物等多個方面，因此為全面對海洋環(huán)境進(jìn)行考察和研究，各國設(shè)計并建造了各種專用和綜合科考船，用來保障相應(yīng)海洋環(huán)境考察任務(wù)的順利進(jìn)行，如美國的Sikuliaq 號、日本的“凌風(fēng)丸”號、中國的“科學(xué)”號等。

表3 部分海洋環(huán)境考察船及其主要任務(wù)Tab.3 Partial marine environment research vessels and major mission

海洋環(huán)境考察船主要執(zhí)行海洋環(huán)境考察任務(wù)，船上綜合了水文、生物、氣象等領(lǐng)域研究的需求，配備各類測量、取樣、分析及輔助支撐等儀器設(shè)備，能在很大程度上滿足各國對海洋環(huán)境考察的任務(wù)。

1.3 海洋資源調(diào)查

隨著時代的發(fā)展，陸地資源的開采利用過多，海洋資源的重要性愈發(fā)凸顯，海洋資源充分開發(fā)利用是未來發(fā)展的大趨勢。人類從未停止探索海洋資源的腳步，從僅限于魚類捕撈到現(xiàn)在的海洋資源全面利用這一過程中，對海洋資源的探索及認(rèn)知是堅實基礎(chǔ)。

海洋資源調(diào)查任務(wù)需求的增加推動了各類專用或綜合資源調(diào)查船的發(fā)展，如中國的“淞航”號、印度的Samudra Ratnakar 號、冰島的Arni Fridriksson 號、日本的Kaimei 號、韓國的Tamhae II 號、俄羅斯的Professor Logatchev 號等。

表4 部分資源調(diào)查用途船舶Tab.4 Partial vessels used on resource survey

這些資源調(diào)查船設(shè)有相應(yīng)的實驗室，如漁業(yè)資源實驗室、漁業(yè)生物實驗室等，并且配備各類先進(jìn)的回聲測深儀、漁業(yè)拖網(wǎng)、地質(zhì)采樣和水文采樣設(shè)備，以滿足在執(zhí)行海洋資源調(diào)查任務(wù)中的需要。

2 科考船設(shè)計特點

2.1 船型設(shè)計選擇

海洋科考船的設(shè)計船型包含單體、雙體和小水線面雙體（SWATH）船型等。

1）單體船型因其經(jīng)典成熟，對負(fù)載變化的適應(yīng)能力強(qiáng)，空船重量占設(shè)計排水量的比重較小且吃水較淺，結(jié)構(gòu)設(shè)計與建造相對簡單，可適用各級別海域，而被廣泛應(yīng)用于各類科考船設(shè)計。

2）雙體船型具有寬敞的甲板面積，利于調(diào)查設(shè)備布置。但橫搖周期短，舒適性略差。國外一般設(shè)計用于沿?；蚪＃ㄅ潘考s200～400 t）的科考船（如法國的L’Europe 號），我國則鮮有設(shè)計案例。

3）小水線面雙體（SWATH）船型具有卓越的耐波性，對波浪的運動響應(yīng)很小，高海況時橫搖角度小、失速小，被稱之為全天候船型，并具有雙體船的布置面積優(yōu)勢。但其結(jié)構(gòu)設(shè)計相對復(fù)雜，空船重量占排水量的比較大（近70%），負(fù)載變化引起吃水的變化量大。已用于科考船中各類潛水作業(yè)保障船、水下系統(tǒng)研究試驗船、近海測繪船、水聲綜合考察船、水聲監(jiān)聽船（如美國的“無暇”號、中國的“沈括”號）等。

圖1 “沈括”號橫剖面線型示意圖[18]Fig.1 Body plan of Shen Kuo ship

4）三體船型是處于發(fā)展中的船型，兼具單體船對負(fù)載變化的適應(yīng)能力強(qiáng)以及SWATH 船型的耐波性強(qiáng)、甲板面積大的優(yōu)勢；其性能特點有待進(jìn)一步發(fā)掘。

2.2 總體設(shè)計

1）作業(yè)海域、船舶噸位與總布置特征?？瓶即瑸橐环N布置地位型船，其主尺度確定優(yōu)先考慮實驗室和作業(yè)甲板布置面積的需求。

表5 科考船總布置特征Tab.5 General arrangement of research vessels

航行于兩極海域作業(yè)的科考船，通常具備0.9～1.2 m厚/2～3 kn 的破冰能力。全球科考船類型抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：截至2010 年，海洋學(xué)研究類科考船的平均總噸約為1 862 GT，水文測量類科考船的平均總噸約為1 652 GT，地震勘探船平均總噸約為3 330 GT。平均值數(shù)據(jù)反映了科考船作業(yè)海域的數(shù)量關(guān)系。中國近十多年來建造的科考船有大型化的趨勢，即面向遠(yuǎn)海與兩極海域。

2）續(xù)航力。航行于沿?；蚪５目瓶即s1 000～5 000 n mile 不等，遠(yuǎn)海（洋）海域科考船約8 000～14 000 n mile，兩極海域科考船的續(xù)航力約14 000～21 000 n mile。

3）定員。大多數(shù)科考船的定員（包括船員與科學(xué)家）不足60 人。大型三維地震勘探船、大型鉆探船或遠(yuǎn)洋破冰科考船的定員則會大于60 人。

4）其他。按規(guī)范定義船長若小于85 m，可用救生筏替代救生艇。燃油艙容積若小于600 m3可不設(shè)雙殼保護(hù)。國際船級社組織對環(huán)保及大氣排放控制的要求同樣適用于科考船。實驗室內(nèi)對桌面物品的系固有特殊的系固槽道的考慮。作業(yè)甲板（包括部分實驗室地面）對移動調(diào)查設(shè)備或集裝箱的系固，通常采取密集均布地腳螺栓的方案。

2.3 性能設(shè)計

阻力性能是經(jīng)典問題。近代科考船設(shè)計，長寬比（L/B）降低至4.5～5.5（專業(yè)地震勘探船甚至更低），船寬和水線面增加、橫搖角度減小，使作業(yè)安全性得以提升。伴隨形成阻力增加，油耗上升，最直接的節(jié)能、減阻方法就是降低航速。因此國外一般中小型科考船的設(shè)計航速為12～14 kn，經(jīng)濟(jì)航速約8～10 kn。4 000 總噸以上科考船的設(shè)計與經(jīng)濟(jì)航速再提高約1～2 kn。

耐波性設(shè)計應(yīng)是科考船設(shè)計的關(guān)注點。通過預(yù)估算、船模試驗求證，判斷預(yù)定作業(yè)海況下橫搖、縱搖、垂蕩幅值（首、舯、尾）、垂蕩加速度是否滿足安全作業(yè)要求，輔助用于主尺度的確定。

防船首氣泡對水下設(shè)備干擾。設(shè)計的重點是船長1/3 范圍內(nèi)的首部線型，并與阻力問題做統(tǒng)籌考慮。結(jié)合各類科考船長寬比（L/B）與寬度吃水比（B/T），由此產(chǎn)生一些獨特的線型設(shè)計（如“深海一號”載人潛水器支持母船采用斧型首設(shè)計，挪威用X 型首用于物探船設(shè)計）。

控制水下輻射噪聲。對從事水聲研究類的科考船需從3 個方面重點控制水下輻射噪聲，即螺旋槳噪聲、機(jī)電設(shè)備噪聲和船體結(jié)構(gòu)振動噪聲。近年來交流或直流靜音推進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用取得了好的效果。

2.4 推進(jìn)形式與電站配置

因航行工況、綜合節(jié)能、動力定位、噪聲控制與航速選擇的多樣性考慮，科考船的推進(jìn)形式已由常規(guī)柴油機(jī)軸槳推進(jìn)，演進(jìn)到多種電力推進(jìn)形式，如軸槳電力推進(jìn)、吊艙、舵槳、可伸縮全回轉(zhuǎn)槳、長軸可調(diào)螺距導(dǎo)管槳、直翼推進(jìn)電力推進(jìn)等。發(fā)電機(jī)配置數(shù)量從常規(guī)的兩用一備模式，向多發(fā)電機(jī)組、無備用機(jī)組模式優(yōu)化，在功率管理系統(tǒng)控制下使得電站處于經(jīng)濟(jì)合理的負(fù)荷狀態(tài)。

2.5 科考功能及其配套設(shè)備設(shè)計

1）船載實驗室與數(shù)據(jù)中心?？瓶即O(shè)實驗室（或移動集裝箱實驗室）支持海洋科學(xué)研究與調(diào)查，有水文、化學(xué)、生物、物理、地質(zhì)地貌、氣象等實驗室。中小型科考船也有一個較大的綜合濕實驗室、一個干實驗室和數(shù)據(jù)中心兼顧各類試驗需求；樣品庫、科考設(shè)備間是常用配置。

2）甲板操控支撐設(shè)備（支持在4 級海況下安全作業(yè)）。收放水下探測設(shè)備的各類起重設(shè)備（尾門架、舷側(cè)A 架、液壓折臂吊等），絞車（CTD 絞車、地質(zhì)絞車、月池配套絞車等），移動搭載調(diào)查設(shè)備及其系固系統(tǒng)和維護(hù)保養(yǎng)系統(tǒng)等；專用于兩級地區(qū)的破冰科考船，還設(shè)有直升機(jī)飛行支持、保障系統(tǒng)，未來還包括對水上無人機(jī)的起降與維護(hù)系統(tǒng)。

3）大氣與水下探測設(shè)備系統(tǒng)。搭載用于對水體、大氣、海底和深海的科學(xué)探測設(shè)備，如系留氣艇或小火箭探空、氣象走航式連續(xù)探測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、底棲生物采集系統(tǒng)、電視抓斗、深海鉆機(jī)等。

圖2 英國James Cook 號科考船設(shè)備布置Fig.2 Equipment arrangement of British ship James Cook

3 科考船關(guān)鍵技術(shù)

科考船的關(guān)鍵技術(shù)往往體現(xiàn)在其獨有的船型功能特征和科考設(shè)備與系統(tǒng)的綜合能力。

1）總體集成技術(shù)。從功能與投入、船型主尺度優(yōu)化、學(xué)科專業(yè)配套、科考設(shè)備配置、空間利用與協(xié)調(diào)、平面關(guān)系、人機(jī)工學(xué)、未來功能擴(kuò)展升級等多角度有機(jī)融合，實現(xiàn)科考船綜合功能目標(biāo)。

2）線型設(shè)計技術(shù)?？瓶即阅芘c線型設(shè)計密切相關(guān)。一款優(yōu)秀的線型設(shè)計是CFD 等軟件優(yōu)化和經(jīng)驗判斷相結(jié)合，可兼顧穩(wěn)性、耐波性、減阻、消波并減少首部氣泡對船底聲學(xué)設(shè)備的干擾。

3）聲學(xué)探測相關(guān)技術(shù)。包括深水多波束、單波束、分裂波束和地震信號電纜等研制方面的技術(shù)。因各專業(yè)公司細(xì)節(jié)程序、材料、工藝的不同，造成成像質(zhì)量、探測范圍和使用壽命方面的較大差異。

4）水下調(diào)查取樣設(shè)備技術(shù)。溫鹽深（CTD）剖面探測器、長柱狀取樣器、水下鉆機(jī)、ROV、AUV 等搭載配套設(shè)備技術(shù)。

5）水面操控支撐設(shè)備技術(shù)。要確保由A 型架、倒L 架、伸縮（或折臂）吊機(jī)、絞車、液壓動力單元、導(dǎo)向滑輪、承重纜或信號電纜等組成的水面操控支撐設(shè)備系統(tǒng)，可在4 級甚至5 級海況下安全穩(wěn)定地作業(yè)，技術(shù)的關(guān)鍵在于對于恒張力或波浪補(bǔ)償控制系統(tǒng)的程序設(shè)計。搭載無人機(jī)的安全起降技術(shù)，將成為下一個技術(shù)難點。

6）水下輻射噪聲控制技術(shù)。進(jìn)行水聲學(xué)研究的科考船，對控制船舶自身噪聲有特殊的要求。要達(dá)到目標(biāo)效果，涉及對低噪聲螺旋槳、低噪聲機(jī)電設(shè)備（如交、直流靜音電機(jī)）和設(shè)備隔振甚至總體系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)的組合應(yīng)用。

7）傳輸速率/帶寬（通道）技術(shù)。伴隨5G 和衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，科考船的信息傳輸技術(shù)能力必將大幅度地提升。利用大數(shù)據(jù)等手段，改善海上實時分析質(zhì)量，提升科考效率。

8）能源利用相關(guān)技術(shù)，包括節(jié)能技術(shù)與新能源技術(shù)。基于對科考船航行作業(yè)工況的分析，用柴電推進(jìn)的科考船已經(jīng)逐步替代了純內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)的科考船，伴隨形成一系列與電推相關(guān)的推進(jìn)設(shè)備技術(shù)、傳輸技術(shù)與控制技術(shù)，如低噪聲吊艙槳、直流母排和動力定位技術(shù)等。而對風(fēng)能、波浪能、太陽能、雙燃料等技術(shù)的應(yīng)用也必將成為未來型科考船的關(guān)鍵技術(shù)之一。

9）環(huán)保技術(shù)。國際間對于船舶燃?xì)馀欧诺南拗疲俪煽瓶即c其他類型船舶執(zhí)行同樣的燃?xì)馀欧艠?biāo)準(zhǔn)并使用新的處理技術(shù)。

10）海水制淡、食品保鮮方面的單項技術(shù)。反滲透制淡裝置的滲透膜技術(shù)決定了其使用壽命；冰溫或氣調(diào)保鮮方面的控制技術(shù)，決定了蔬菜保鮮的時間等。

11）從智能化到智慧型科考船的發(fā)展技術(shù)。少量科考船正在按照CCS 智能船的設(shè)計規(guī)范，將智能航行、智能機(jī)艙、智能船體、智能集成平臺、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)運用于科考船設(shè)計與建造，而未來向智慧型科考船發(fā)展的趨勢也不可阻擋。

4 結(jié) 語

科考船集成了當(dāng)前船舶及各學(xué)科最先進(jìn)的各項技術(shù)，正伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。本文闡述了科考船的發(fā)展、設(shè)計特點及關(guān)鍵技術(shù)，為了解并探索科考船的未來發(fā)展方向提供了參考，對未來科考船的總體設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展具有借鑒意義。