吳鳳輝，張玉梅

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

艦船自給力設計要素分析

吳鳳輝，張玉梅

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

為全面分析艦船自給力設計要素，以標準規(guī)范中的定義為基礎，結合艦船設計及使用情況，分析艦船自給力的概念;從食品和淡水兩方面闡述自給力的影響因素、設計方法及主要設計參數(shù)選取;對艦船自給力研究的未來方向進行展望，提出需重點針對食品高效貯存、食品長時保鮮、海水淡化深度處理等技術進行研究，以在艦船總體資源有限的情況下，為艦員提供新鮮的食品、健康的飲水，提高艦船自給力水平。

艦船;自給力;食品;淡水

自給力，又名自持力，是艦船重要的技術指標之一，其主要用于表征艦在不接受補給的情況下維持一定工作狀態(tài)的能力［1］。對于艦船自給力設計，國內目前尚無規(guī)范或文獻對其進行詳細規(guī)定或闡述，導致在實際工作中無規(guī)可循。為促進艦船自給力設計工作的開展，對自給力概念、影響因素、設計方法、參數(shù)選取等內容進行總結和分析，為艦船自給力的合理設計提供參考。

1 艦船自給力的概念

在《艦船通用規(guī)范》(GJB4000-2000)中，艦船自給力定義為:艦船一次裝足設計要求規(guī)定的燃料、淡水、食品，能在海上連續(xù)活動的最長時間［2］;在俄羅斯有關文獻中，艦船自給力定義為:艦船在沒有基地物資供應和不進行人員交換的前提下，在海上連續(xù)逗留的最長時間。

對照中、俄自給力的定義，兩者表述形式雖然不同，但內涵基本一致。參考自給力的定義，結合艦船設計及使用實際，從以下幾個方面對艦船自給力的概念進行說明。

1)自給力是艦船自身的固有能力，主要依靠艦的自身裝載或制備能力作為保障，其設計不能考慮外界補給和人員更換。

2)自給力反映在特定條件下艦船在海上連續(xù)活動的最長時間，是一個時間概念，通常以“晝夜”作為衡量單位。

3)自給力所涉及的要素包括食品、淡水和燃料等，但由于燃料保障主要在續(xù)航力中進行考慮，因此自給力設計主要針對食品和淡水，即食品自給力和淡水自給力兩個方面。

2 食品自給力的設計

2．1 食品自給力的影響因素

對于人，食品是生存所必需的物資;對于艦，食品屬消耗性非可生成資源。因此，食品自給力是艦船自給力的重要方面。食品自給力主要受食品消耗需求和食品保障能力影響。

2.1.1 食品消耗需求的影響因素

艦員的食品消耗需求主要受食品供應標準、人員編制和自給力晝夜數(shù)影響。

食品供應標準一般由軍方后勤管理部門根據(jù)部隊任務特點、工作強度、人員層級、營養(yǎng)需求、軍費等因素綜合制定［3］。其包含若干灶，各類灶對應一套食品構成和數(shù)量。部隊可參照標準確定灶別，作為正常情況下各類人員的食品供應依據(jù)。除正常情況外，艦船還需配備一定量的應急食品，以用于艦員在破損等情況下短期維持生存。應急食品一般應為易于貯存、攜帶和分發(fā)的食品，例如罐頭、壓縮餅干等。

人員編制主要包含人員構成和人員數(shù)量兩方面內容［4］。對于人員構成，其會影響食品供應灶別的選取，例如，軍官和士兵、艦員和飛行員的食品供應灶別可能存在差異。另外，在人員構成比例、食品供應標準，以及自給力晝夜數(shù)一定的情況下，食品消耗需求與人員數(shù)量成正比。

食品消耗需求受自給力晝夜數(shù)直接影響，在食品供應標準、人員編制一定的情況下，食品消耗需求與自給力晝夜數(shù)成正比。

在進行食品自給力設計時，除根據(jù)食品供應標準、人員編制和自給力晝夜數(shù)直接計算獲得的食品消耗需求外，還需考慮一定的食品裕度，以抵消食品損耗等因素的影響。

2.1.2 食品保障能力的影響因素

食品保障能力直接決定于艦上的食品貯存能力，這里的食品貯存能力既包括食品的裝載能力，也包括食品的保質能力。

食品的裝載能力與食品庫容積、食品類型、食品庫容積利用率等因素有關。食品庫容積主要決定于艦的總布置方案，其凈容積也與絕緣、封面板等敷設方式有關;食品類型會影響食品密度，同時也可能導致堆垛方式等的差異，進而影響容積利用率;食品庫容積利用率受食品庫大小、形狀，食品類型、包裝形式和堆垛方式等因素影響。

食品保質能力與食品類型及貯存環(huán)境有關。不同類型食品的固有保鮮能力往往不同，因此若艦上食品庫貯存條件較差，一般宜控制易變質食品(如大葉青菜等)的裝載量，以保證艦的自給力水平;在食品一定的情況下，貯存環(huán)境將對食品的保質能力產生決定性影響。為提高艦上食品的保質能力，現(xiàn)代艦船一般均設置有低溫食品庫，而部分新研艦船則設置有專用保鮮食品庫，采用低溫冷藏、氣體成分調節(jié)(簡稱氣調)等綜合保鮮措施以滿足食品的長期貯存需求。

2．2 食品自給力的設計方法

食品自給力設計方法和基本過程如下。

1)根據(jù)食品供應標準、人員編制、自給力要求，考慮必要的食品裕度，估算各類食品的重量需求。

2)以食品重量需求為基礎，結合各類食品的計算密度，估算各類食品的體積需求。

3)參考母型艦船設計經驗，結合艦的實際情況，確定各類食品庫的容積利用系數(shù)。

4)根據(jù)各類食品的體積需求，結合各類食品庫的容積利用系數(shù)，估算艦船各類食品庫的凈容積需求。

5)根據(jù)各類食品庫的凈容積需求，參考母型艦絕緣、封面板等材料敷設前后的艙室容積與凈容積的比例關系，初步估算各類食品庫的艙室容積需求。

6)以各類食品庫的艙室容積需求為基礎，考慮適當?shù)脑６龋诳偛贾脠D中初步規(guī)劃各類食品庫的布置方案［5］。

7)以各類食品庫的初步布置方案為基礎，根據(jù)實際情況考慮絕緣、封面板厚度，計算各類食品庫的凈容積保障能力。

8)將食品庫的凈容積保障能力和凈容積需求進行比較，在保證各類食品均可在相應食品庫中裝載的前提下，優(yōu)化冷庫設置，直到相互匹配［6］。

食品設計基本流程見圖1。

圖1 食品自給力設計基本流程

2．3 食品自給力主要設計參數(shù)選取

1)食品裕度系數(shù)。食品裕度系數(shù)是指為抵消食品損耗等不可預期因素而考慮的額外系數(shù)。

在食品貯存、運輸、制作以及食用過程中，不可避免會因為變質等各類原因而損耗，因此，為抵消相應影響，在食品自給力計算中需考慮一定的裕度系數(shù)，稱為食品裕度系數(shù)。依照艦船設計及使用經驗，食品裕度系數(shù)一般取為5%～15%。

2)食品計算密度。食品計算密度是指在食品庫設計過程中，針對各食品類別所選取的用于食品庫容積計算的密度。

在食品自給力設計過程中，一般將食品分為魚、肉、蔬菜、水果、糧食等類別，分別對應貯存于魚庫、肉庫、蔬菜庫、水果庫、糧食庫等食品庫。由于各類食品可能覆蓋多個品種，且同一品種因包裝形式不同也可能產生較大的密度差異，因此，需針對各類食品選取特定的計算密度，以保障食品庫設計順利完成。例如，蔬菜類包含圓白菜、大白菜、蔥頭、土豆等品種，且可能采用箱裝、簍裝、散裝等多種包裝形式，因此食品計算密度可能存在較大不同，但在艦船食品庫設計時只選取相對平均的數(shù)值作為蔬菜類食品的計算密度，例如取為230 kg/m3。

艦船食品庫推薦計算密度［7］選取見表1。

表1 食品計算密度

3)容積利用系數(shù)。食品庫中需設置必要的通道和冷藏設施用于保障食品的取用和保質。因此，食品庫中只有部分空間用于裝載食品。食品庫內食品體積與食品庫凈容積的比值稱為容積利用系數(shù)。

食品庫容積利用系數(shù)并非固定值，其與食品庫大小、食品庫形狀、食品貯存方式、內部通道寬度要求等因素均有關。一般而言，食品庫越大、形狀越規(guī)則、食品貯存方式越緊湊、內部通道所占比例越小，則容積利用系數(shù)越大。

在艦船食品自給力設計過程中，根據(jù)艦船設計及使用經驗，推薦各類食品庫的容積利用系數(shù)取值范圍［7］見表2。

表2 食品庫容積利用系數(shù)

3 淡水自給力設計

3．1 淡水自給力的影響因素

與食品類似，淡水也是人類生存所必須的資源，但現(xiàn)代艦船已可利用海水制備淡水，因此其在艦船上屬于消耗性可生成資源。淡水自給力主要受淡水消耗需求、淡水保障能力影響。

3.1.1 淡水消耗需求的影響因素

艦船淡水消耗需求一般可分為人員淡水消耗需求和機械設備淡水消耗需求。

人員淡水消耗需求主要與艦上的淡水供應標準和人員編制有關。艦上的淡水供應標準受艦的規(guī)模及條件影響，一般而言，若艦的規(guī)模較大，且配備海水淡化裝置，則供水標準可較一般艦船適當提高。另外，對于執(zhí)行特殊任務的人員，例如飛行員，為保障其生活和工作質量，其供水標準也可較普通艦員適當提高。除日常用水之外，艦船還需配備一定量的應急淡水，以用于艦員在破損、污染等情況下短期維持生存，應急淡水一般應為易于貯存、攜帶和分發(fā)的瓶裝水。

機械設備用淡水主要用于保障艦上各類機械設備的功能實現(xiàn)、狀態(tài)維護等，其需求量根據(jù)機械設備設計及使用情況確定。

3.1.2 淡水保障能力的影響因素

傳統(tǒng)艦船的淡水保障主要采用淡水艙貯存方式，其淡水來源于陸上或海上補給，并在艦船使用過程中消耗。對于現(xiàn)代艦船，海水淡化裝置已屬常用配備，其應用大大提高了艦員的生活質量，增加了艦上淡水的保障能力，同時也減輕了艦總體的設計壓力。但是，考慮到海水淡化裝置所生產的淡水尚難以適應艦員口味，以及海上制淡需以能源消耗為代價，加之中轉、應急保障等需求，因此艦上即使配備海水淡化裝置，淡水艙仍為必需。

人員用淡水分正常和非正常兩種情況配備。正常情況主要指艦上的海水淡化裝置正常工作且污水產生及排放不受限的情況，此時艦上淡水由海水化裝置供應;非正常情況主要指艦喪失制淡能力以及污水產生或排放受限的情況，此時艦上淡水由淡水艙供應。

3．2 淡水自給力的設計方法

1)根據(jù)艦船標準規(guī)范、研制要求，以及艦船實際情況，確定正常情況和非正常情況下的人員淡水供應標準，以及非正常情況的持續(xù)時間。機械設備供水量根據(jù)實際統(tǒng)計。

2)以正常情況下人員的淡水供應標準為基礎，計入機械設備淡水消耗需求，根據(jù)海水淡化裝置的制淡能力，視情考慮裝置備用，確定海水淡化裝置的配置。

3)以非正常情況下人員的淡水供應標準為基礎，視情計入機械設備淡水消耗需求，根據(jù)非正常情況設計持續(xù)時間，確定全艦淡水艙裝載需求。

4)前述過程主要針對配備海水淡化裝置的艦船，對于無海水淡化裝置的艦船，全艦淡水艙裝載需求根據(jù)人員的淡水供應標準、自給力晝夜數(shù)以及人員編制等計算確定，并計入機械設備淡水消耗需求。

5)根據(jù)淡水艙裝載需求，結合總布置限制條件，考慮適當裕度，形成淡水艙布置方案，以保障淡水自給力的實現(xiàn)。

3．3 淡水自給力主要設計參數(shù)選取

艦船人員淡水供應量主要根據(jù)標準規(guī)范和研制要求確定。不同標準規(guī)范所規(guī)定的人員淡水供應標準存在一定差異，列舉人員淡水供應量典型要求見表3。

表3 淡水供應量標準

可以看出，俄羅斯艦艇設計規(guī)范、CCS法定檢驗規(guī)則(國際)規(guī)定的淡水供應量均不低于100 L/(人·d)，而GJB4000-2000《艦船通用規(guī)范》規(guī)定的淡水供應量為35 L/(人·d)。各標準規(guī)范所規(guī)定的人員淡水供應量差異較大的原因是GJB4000-2000規(guī)定的是最低日常淡水供水量，主要適用于不具備海水淡化裝置的艦船，以及配備海水淡化裝置艦船的非正常情況，而俄羅斯艦艇設計規(guī)范、CCS法定檢驗規(guī)則(國際)主要針對正常淡水消耗需求。

4 自給力研究展望

1)食品高效貯存技術。由于中西餐差異，國內相同容積食品庫所能達到自給力一般遠低于歐美艦船，嚴重影響艦的作戰(zhàn)能力［8］。鑒于艦船總體資源有限，有必要針對中餐食品特點，從食品預制、自動貯存等方面開展研究，提高單位容積下的食品裝載能力。

2)食品長時保鮮技術。常規(guī)冷藏措施可保證15～30 d的食品保鮮需求，而氣調保鮮措施可延長保鮮時間約0.5～1.0倍，達到30～45 d［9-10］。若自給力進一步增加，則需在現(xiàn)有技術基礎上，充分考慮艦船條件和環(huán)境，研究更長久的食品保鮮技術。

3)海水淡化深度處理技術。由于海水淡化裝置的產水硬度、pH值、氟含量、硼含量等影響人體健康的指標均與陸地飲用水存在一定差距，加之其他不明因素，導致海水淡化裝置的產水尚難以適應艦員飲用需求。針對該問題，需進一步改進海水淡化裝置制水工藝，開發(fā)飲用水深度處理設備，使海水淡化裝置產水轉化為有利于人體健康且適宜艦員口味的優(yōu)質飲用水［11-12］。

5 結束語

國內外艦船自給力文獻極少，本文根據(jù)艦船研制實際，從宏觀到具體，對自給力概念、影響因素、設計方法、參數(shù)選取等進行了分析和闡述。文中有助于艦船設計人員更為透徹地理解艦船自給力，從而更好地開展自給力設計工作。

艦船自給力未來研究方面，需重點針對食品高效貯存、食品長時保鮮、海水淡化深度處理等技術進行研究，以在艦船總體資源有限的情況下，為艦員提供更為新鮮的食品、更為健康的飲水，從而提高艦船自給力水平。

［1］邵開文，馬運義.艦船技術與設計概論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2005.

［2］海軍規(guī)范所.GJB 4000-2000艦船通用規(guī)范［S］.北京:總裝備部軍標出版社，2000.

［3］總后勤部.GJB 826B-2010ZZ軍人食物定量［S］.北京:總后勤部軍標出版社，2010.

［4］吳鳳輝，熊治國，王濤，等.艦船人員編制的設置與控制［J］.中國艦船研究，2014(5):15-19.

［5］徐青.艦船總體設計流程分析［J］.中國艦船研究，2012，7(5):1-7.

［6］吳鳳輝，李景熹，周沙亞，等.艦船總體多方案生成及優(yōu)選［J］.艦船科學技術，2014，36(5):15-18.

［7］國家國內貿易局.GB 50072-2001冷庫設計規(guī)范［S］.北京:中華人民共和國建設部出版社，2001.

［8］李爽，田斌斌，徐青，等.水面艦船集成優(yōu)化設計探討［J］.中國艦船研究，2013，8(2):1-5.

［9］王世清，姜文利，李鳳梅，等.氣調庫與氣調貯藏保鮮技術［J］.制冷與空調，2008，8(1):124-128.

［10］馬立卿，余志紅，吳靖婕，等.水面艦船膳食處所設計發(fā)展分析［J］.船海工程，2010，39(4):144-150.

［11］THOMAS C，TAMES，HYUN-CHULA KIM，BRIAN A. Dempsey.Electrocoagulation pretreatment of seawater prior to ultra filtration:Pilot-scale applications for military water purification systems［J］.Desalination，2010 (250):6-13.

［12］JIA XU，LING G，RUAN，XUE WANG，et al.Ultra filtration as pretreatment of seawater desalination:Critical flux，rejection and resistance analysis［J］.Separation and Purification Technology，2012(85):45-53.

Analysis of Endurance Design Elements for Warships

WU Feng-hui，ZHANG Yu-mei
(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

In order to fully analyze endurance design elements for the warships，combined with instances of warships design and use，the conception of warships endurance is analyzed.From aspects of food and fresh water，influential factors，design method and design parameters choice of endurance are explained.The research development of endurance in future is prospected. In order to provide fresh food and healthy water to the persons in warships，and to improve the level of endurance of warships，it＇s important to researched on the technologies of high availability food reserve，keeping food long time fresh and deep disposal of sea water.

warship;endurance;food;fresh water

U662.2

A

1671-7953(2015)02-0087-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.023

2014-10-16

修回日期:2014-10-26

國防科工項目(JSJC2013207BB01);

海軍裝備科研項目(072910121)

吳鳳輝(1979-)，男，學士，工程師

研究方向:艦船總體

E-mail:Dreamfly701x@163.com