文 勇，王 楠，陳衛(wèi)華，陳 浩，王 爽

(上海航盛船舶設計有限公司，上海 200011)

萬米級潛水器科考母船“張謇”號設計研究

文 勇，王 楠，陳衛(wèi)華，陳 浩，王 爽

(上海航盛船舶設計有限公司，上海 200011)

簡要介紹了上海航盛船舶設計有限公司自主開發(fā)設計的萬米級潛水器科考母船“張謇”號的設計背景及主要性能參數(shù)。主要敘述了該船設計過程中對總體布置、型線優(yōu)化、浮態(tài)控制、動力定位能力等關鍵技術的設計研究。

船舶設計；科考母船；型線；浮態(tài)控制；動力定位

0 引 言

2015年4月18日，國內首艘萬米級潛水器科考母船“張謇”號正式開建，建成后將成為我國11000m載人深淵器“彩虹魚”及其系列產(chǎn)品的科考母船，承擔深淵科學調查研究任務[1]。同日，全比例的“彩虹魚”載人深淵器概念模型在上海海洋大學深淵科學技術流動實驗室首次與公眾見面。

“張謇”號由上海彩虹魚科考船科技服務有限公司投資、上海航盛船舶設計有限公司設計、浙江天時造船有限公司建造。該船計劃于2016年3月1日下水、5月30日試航、6月30日交付使用。

“張謇”號首次將萬米級載人潛水器母船、遠洋科學綜合考察、深海工程作業(yè)支持三個功能有機地結合在一起，設計上極具創(chuàng)新性。該船建成后主要可承接以下作業(yè)：(1)為11000m潛水器系列產(chǎn)品(包括3臺萬米級著陸器、1臺萬米級無人潛水器和1臺萬米級載人潛水器)的海試和作業(yè)提供支持；(2)深淵科學調查研究的海上移動實驗室；(3)一般性深海海洋科學調查研究(包括深遠海物理海洋、地球物理、海洋化學、海底地質、海洋生物等學科的調查研究)的海上移動實驗室；(4)新研發(fā)海洋調查儀器設備的海試平臺；(5)海洋油氣工程設施、海底電力通信設施、海洋環(huán)境監(jiān)測設施的水下安裝、 檢測和維修服務；(6)海洋事故的救援和打撈等；(7)海底探險和海上休閑旅游；(8)海底考古和深海電影拍攝。

本文將對“張謇”號的總體設計做簡要介紹，以期為將來類似任務提供參考。

1 船舶概況

“張謇”號是一艘鋼質、無限航區(qū)航行的萬米級潛水器支持母船兼深海綜合調查作業(yè)船，排水量約4800t?？紤]到科考船工況多的特點[2]，該船巧妙搭配主機，采用雙機單槳形式，大主機額定功率2380kW，小主機額定功率1103kW，2臺主機不同時運行。小主機的設置讓該船在實際運營時更具備可靠性、經(jīng)濟性和靈活性。設有兩臺額定功率為750kW的主柴油發(fā)電機組、1臺額定功率1600kW的軸帶發(fā)電機。為增強船舶機動性，實現(xiàn)科考作業(yè)所需的DP1定位能力要求，艏部設有2臺560kW艏側推，艉部設1臺680kW艉側推。該船效果如圖1所示。

圖1 “張謇”號效果圖Fig.1 Impression drawing of “Zhangjian”

該船的主要船型參數(shù)如表1所示。

根據(jù)設計任務書要求，進行全船總的功能區(qū)域劃分，主要分為艏部錨泊作業(yè)區(qū)、人員生活區(qū)、實驗室區(qū)、潛水器機庫區(qū)、作業(yè)甲板區(qū)、機艙區(qū)、絞車艙區(qū)、輔助設備區(qū)、聲學設備區(qū)、艏艉側推區(qū)等。并在此基礎上進行全船的布置：人員生活區(qū)的居住艙室及配套艙室和設施的布置滿足60人的需要；聲學設備及配套艙室的布置，在豎向和水平向盡可能接近；潛水器機庫滿足11000m載人潛水器儲存艙的要求；后甲板作業(yè)面積580m2；全船設置8道水密橫艙壁，滿足破艙穩(wěn)性計算的要求；艏艉設置較大的壓載艙，滿足調節(jié)船舶浮態(tài)和吃水的需要。

表1 “張謇”號主要船型參數(shù)

該船總體布置如圖2所示。

圖2 “張謇”號總體布置Fig.2 General arrangement of “Zhangjian”

2 關鍵技術的設計研究

2.1船體線型

該船為科考船，排水量逾4800t，雙機單槳配置，且需按DP1定位能力要求配置680kW的艉側推。這幾個條件的疊加決定了型線開發(fā)和優(yōu)化是該船的難點和重點。

該船型線的開發(fā)和優(yōu)化主要從以下幾個方面考慮。

(1) 艉側推的布置。該船單艉軸，艉側推只能布置在艉軸上方或下方。若布置在艉軸上方，側推裝置距離水面較近，易吸入空氣而影響側推效果；若布置在艉軸下方，艉軸需抬高至一定高度且施工難度較大，同時也影響了主機和齒輪箱的布置。

艉側推的位置越靠前，越有利于艉部伴流，但所需的功率越大，從而側推筒體直徑也越大；越靠后，越有利于動力定位，但對艉部伴流的均勻性有較大的負面影響。

最終綜合考慮后，艉側推置于艉軸下方FR19處。

(2) 聲學設備布置。該船配有全海深多波束系統(tǒng)、淺地層剖面儀、聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)等聲學設備，其中多波束系統(tǒng)采用嵌入式安裝，即與船底齊平，在保證其安裝的前提下，盡量減小平底區(qū)域的面積，以利于艏部型線優(yōu)化。

(3) 耐波性和穩(wěn)性。科考船的型線開發(fā)必須兼顧耐波性和穩(wěn)性的要求。該船為了調和耐波性與穩(wěn)性之間的矛盾，適當減小了舭部半徑，使得浮心下移，同時適當下調設計吃水，增加水線面面積，維持排水量不變，這使得該船初穩(wěn)性高度下降，耐波性最主要的指標橫搖周期增大，同時大傾角穩(wěn)性有所提高，增加了穩(wěn)性的裕度。

艏部的型線對縱向運動影響較大。為了改善耐波性，采用了前傾艏柱，設計水線接近平直，水線以上適度外飄，這樣有利于減少縱搖、垂蕩和波浪中的失速。

圖3 艏部線型Fig.3 Hull form of bow

(4) 軟件計算和船模試驗論證。該船在型線優(yōu)化過程中使用SHIPFLOW軟件進行了多次的計算流體力學(CFD)阻力計算，根據(jù)軟件計算的結果來優(yōu)化艏部和艉部的線型，從而最終確定本船的型線。經(jīng)船模試驗論證，本船優(yōu)化后的型線滿足快速性的相關要求。表2給出了靜水阻力系數(shù)計算結果，表中Ct為總阻力系數(shù)。船模試驗結果如表3所示，表中VS為航速，Crs為剩余阻力系數(shù)，Cts為總阻力系數(shù)，Rs為總阻力，PES為有效馬力。

表2 靜水阻力系數(shù)比較(軟件計算值，航速12 kn)

表3 靜水阻力系數(shù)(船模試驗值)

2.2 浮態(tài)及穩(wěn)性

浮態(tài)控制是該船總體設計的難點之一。由于該船上層建筑設在艏部，空船重心位于舯前，而實船航行時需要有一定的艉傾，因此調整浮態(tài)主要從以下幾個方面著手。

(1) 設計線型時，在兼顧耐波性和穩(wěn)性的前提下，適當將浮心前移。

(2) 在分艙布置時，將消耗液艙(燃油艙和淡水艙)盡量艏艉對稱布置，保持油水艙總的重心位置在船舯附近，這樣可以使得出、到港工況油水消耗前后船舶的浮態(tài)不會發(fā)生大的變化，同時為了方便調整縱傾，在艉部設置較大的艉壓載水艙，以防止艏傾過大。

(3) 各專業(yè)的設備盡量靠后布置。

(4) 該船為滿足吃水和穩(wěn)性要求，需要配載數(shù)百噸的壓載水，因而通過合理的壓載水調撥方案可以隨時有效地調整全船浮態(tài)。

該船完整穩(wěn)性滿足MSC.267(85) 所采納的《2008 完整穩(wěn)性規(guī)則》(2008 IS CODE)及國際海事組織(IMO)《國際特殊用途船舶安全規(guī)則》、現(xiàn)行的《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》及其修改通報對無限航區(qū)特種用途船的要求。破艙穩(wěn)性滿足《1974年國際海上人命安全公約》及MSC.266(84) 決議的相關衡準要求。

該船主要的載重量來自燃油、淡水以及為滿足浮態(tài)穩(wěn)性而要求的壓載水，全船有幾十個液體艙。為了提高穩(wěn)性指標，在分艙布置時盡量將液艙靠下布置，降低全船的重心。

為滿足破艙穩(wěn)性要求，全船設8道水密橫艙壁，且液艙設2道縱艙壁，一方面提高分艙指數(shù)，另一方面降低液體的自由液面慣性矩，有利于完整穩(wěn)性指標的提高。

2.3 抗風能力

按照港灣、沿海、近海和遠洋的船舶航區(qū)分級，遠洋級公務船和調查船等除必須滿足IMO的穩(wěn)性衡準(包括氣象衡準)外，往往因其區(qū)別于普通國際航行運輸船的特殊性，還需滿足我國國內針對此類船型對于抗風力的特殊要求，主要有中華人民共和國船舶行業(yè)標準CB/T 3526—94《海洋調查船特殊抗風力要求》，以及國軍標GJB 4000—2000[3]。

對該船而言，主要從如下幾個方面來考慮：(1)保證動穩(wěn)性曲線截止的角度范圍內不出現(xiàn)非保護性開口；(2)設置較大面積的舭龍骨，有效減少橫搖角，增大動穩(wěn)性臂；(3)優(yōu)化船舶重量重心分布，降低船舶重心，有利于動穩(wěn)性曲線整體提高，有利于抗風衡準；(4)適當降低生活艙室的層高。

通過上述措施和對總布置的不斷優(yōu)化，該船滿足CB/T 3526—94對海洋調查船的相關要求。

2.4 船體結構設計及振動分析

該船在結構設計方面主要采取了如下措施。

(1) 總縱抗彎及重量重心優(yōu)化設計。該船壓載工況時中拱比較明顯，對船體梁縱向彎曲強度、剛度要求較高。另外由于船舶尺度及線型關系，該船重心必須盡量降低以確保其穩(wěn)性。通過方案對比，該船主甲板采用縱骨架式，船底外板及內底板適當加厚。這樣在改善船體梁縱向結構強度、提高抗屈曲能力的同時，又在一定程度上改善了空船的重心分布。

(2) 長軸區(qū)域結構優(yōu)化設計。該船機艙比較靠近船舯，主推進軸比較長，同時具有艉部重量大、線型瘦、浮力小、船體梁剖面小等特點，容易使長軸產(chǎn)生撓度變形。結構設計根據(jù)該船實際布置情況，主甲板采用縱骨架式，同時在該區(qū)域設置了連續(xù)縱艙壁，有效地保證了該區(qū)域結構的強度及剛度，避免因船體變形而導致長軸的撓度變形。經(jīng)過計算分析，所采用的結構形式達到了控制長軸變形的目的。

(3) 船體振動控制。由于部分科考作業(yè)對船舶振動比較敏感，因此該船的結構設計相對于常規(guī)船舶更加重視對船舶振動的控制和優(yōu)化。該船的振動控制從總振動和局部振動兩方面進行考慮，振動衡量標準參照GB/T 7453—1996《船體振動測量》。局部振動考慮船尾螺旋槳脈動壓力作用區(qū)的振動，同時考慮機艙振動、甲板室振動和桅桿振動。

根據(jù)上述設計思路，通過線型優(yōu)化及結構形式的合理布置，借助有限元分析預報手段進行校核、優(yōu)化，使船體振動滿足衡量標準的要求。振動分析有限元模型如圖4所示。

圖4 振動分析有限元模型Fig.4 Finite element model of vibration

2.5 動力定位

根據(jù)上海海洋大學深淵科學與技術中心《11000米著陸器、無人潛水器、載人潛水器對母船要求》文檔，該船動力定位能力應滿足：無人潛水器進入水下后，母船要有一定定位能力，在3級工作海況下要求母船漂移半徑均方差不大于15 m；載人潛水器布放入水和回收時需要母船要有一定定位能力，按照DP1動力定位。

由此可見該船主要科考作業(yè)對動力定位能力的要求并不高。為了有效控制初期投資，保證營運的經(jīng)濟性，通過多番論證計算，該船采用了雙機單槳形式，動力定位工況下投入使用的推進設備包括：主推進1臺，可調螺距螺旋槳，由2 380 kW的大主機驅動；艏側推2臺，可調螺距螺旋槳，由560 kW的電動機驅動；艉側推1臺，可調螺距螺旋槳，由680 kW的電動機驅動。

“張謇”號動力定位能力分析如圖5所示。結果顯示，該船在流速1.5 kn、側風側流時定位能力是比較差的，此時瓶頸在艉側推。這也是單槳船型在動力定位方面存在的一個先天不足。

圖5 “張謇”號動力定位能力Fig.5 Dynamic positioning capacity of “Zhangjian”

考慮到該船在實施主要科考作業(yè)時不需要工作在自動定位模式(即自動保持要求的位置和艏向)，故可在滿足作業(yè)需要的前提下選擇自動艏向模式(即繞某一設定點根據(jù)風向適時自動調整船舶艏向)、自動區(qū)域定位模式(即在最小能耗條件下自動將船舶保持在允許區(qū)域內，并將艏向保持在允許的艏向范圍內)，以實現(xiàn)較惡劣環(huán)境條件下的定位并降低能耗[4]。

3 結 語

“張謇”號作為遠洋科學調查船，由于其特殊的定位和功能需求，在總體布置、穩(wěn)性、抗風能力和動力定位能力等方面都有特殊要求，同時需要兼顧快速性、營運經(jīng)濟性等指標，這些都給整船設計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在該船設計過程中，充分聽取了相關領域專家和科研院所的意見、建議，各項性能指標得到了較好的平衡。目前該船主船體建造工作已基本完成，相關性能指標將在后續(xù)實船試驗和使用過程中得到進一步的驗證。

[1] 人民日報. 國產(chǎn)萬米級深淵器母船開建“彩虹魚”首曝光[N]. 人民日報，2015-04-20(5).

[2] 唐軍. 海洋科學考察船的作業(yè)方式及避讓[J]. 航海技術，2008(1):20.

[3] 吳剛，劉巍，曲寧寧. 遠洋級公務船與調查船的抗風力研究[J]. 船舶工程，2013(1):19.

[4] 邊信黔，付明玉，王元慧. 船舶動力定位[M]. 北京：科學出版社，2011.

ReviewontheDesignof10000-mScaleScientificInvestigationMotherShip“Zhangjian”

WEN Yong, WANG Nan, CHEN Wei-hua, CHEN Hao, WANG Shuang

(HansailMarine&OffshoreDesignCo.,Ltd.,Shanghai200011,China)

We briefly introduce the background of the development and design as well as the main performance parameters of the 10 000-m scale scientific investigation mother ship “Zhangjian” independently designed by HANSAIL. We mainly introduce the key technical points solved during design, such as the general arrangement, hull form optimization, flotation control and dynamic positioning capacity, etc.

ship design; scientific investigation mother ship; hull form; flotation control; dynamic positioning

U674.81

A

2095-7297(2015)04-0270-05

2015-08-11

文勇(1982—)，男，工程師，主要從事船舶設計方面的研究。