艦船自給力設(shè)計(jì)要素分析

吳鳳輝，張玉梅

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

艦船自給力設(shè)計(jì)要素分析

吳鳳輝，張玉梅

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

為全面分析艦船自給力設(shè)計(jì)要素，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的定義為基礎(chǔ)，結(jié)合艦船設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法及主要設(shè)計(jì)參數(shù)選取;對(duì)艦船自給力研究的未來(lái)方向進(jìn)行展望，提出需重點(diǎn)針對(duì)食品高效貯存、食品長(zhǎng)時(shí)保鮮、海水淡化深度處理等技術(shù)進(jìn)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(shù)指標(biāo)之一，其主要用于表征艦在不接受補(bǔ)給的情況下維持一定工作狀態(tài)的能力［1］。對(duì)于艦船自給力設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)規(guī)范或文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定或闡述，導(dǎo)致在實(shí)際工作中無(wú)規(guī)可循。為促進(jìn)艦船自給力設(shè)計(jì)工作的開展，對(duì)自給力概念、影響因素、設(shè)計(jì)方法、參數(shù)選取等內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和分析，為艦船自給力的合理設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求規(guī)定的燃料、淡水、食品，能在海上連續(xù)活動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間［2］;在俄羅斯有關(guān)文獻(xiàn)中，艦船自給力定義為:艦船在沒(méi)有基地物資供應(yīng)和不進(jìn)行人員交換的前提下，在海上連續(xù)逗留的最長(zhǎng)時(shí)間。

對(duì)照中、俄自給力的定義，兩者表述形式雖然不同，但內(nèi)涵基本一致。參考自給力的定義，結(jié)合艦船設(shè)計(jì)及使用實(shí)際，從以下幾個(gè)方面對(duì)艦船自給力的概念進(jìn)行說(shuō)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(shè)計(jì)不能考慮外界補(bǔ)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(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間，是一個(gè)時(shí)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(jìn)行考慮，因此自給力設(shè)計(jì)主要針對(duì)食品和淡水，即食品自給力和淡水自給力兩個(gè)方面。

2 食品自給力的設(shè)計(jì)

2．1 食品自給力的影響因素

對(duì)于人，食品是生存所必需的物資;對(duì)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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、人員編制和自給力晝夜數(shù)影響。

食品供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)一般由軍方后勤管理部門根據(jù)部隊(duì)任務(wù)特點(diǎn)、工作強(qiáng)度、人員層級(jí)、營(yíng)養(yǎng)需求、軍費(fèi)等因素綜合制定［3］。其包含若干灶，各類灶對(duì)應(yīng)一套食品構(gòu)成和數(shù)量。部隊(duì)可參照標(biāo)準(zhǔn)確定灶別，作為正常情況下各類人員的食品供應(yīng)依據(jù)。除正常情況外，艦船還需配備一定量的應(yīng)急食品，以用于艦員在破損等情況下短期維持生存。應(yīng)急食品一般應(yīng)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(gòu)成和人員數(shù)量?jī)煞矫鎯?nèi)容［4］。對(duì)于人員構(gòu)成，其會(huì)影響食品供應(yīng)灶別的選取，例如，軍官和士兵、艦員和飛行員的食品供應(yīng)灶別可能存在差異。另外，在人員構(gòu)成比例、食品供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、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(jìn)行食品自給力設(shè)計(jì)時(shí)，除根據(jù)食品供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、人員編制和自給力晝夜數(shù)直接計(jì)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(zhì)能力。

食品的裝載能力與食品庫(kù)容積、食品類型、食品庫(kù)容積利用率等因素有關(guān)。食品庫(kù)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(shè)方式有關(guān);食品類型會(huì)影響食品密度，同時(shí)也可能導(dǎo)致堆垛方式等的差異，進(jìn)而影響容積利用率;食品庫(kù)容積利用率受食品庫(kù)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(zhì)能力與食品類型及貯存環(huán)境有關(guān)。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(kù)貯存條件較差，一般宜控制易變質(zhì)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(duì)食品的保質(zhì)能力產(chǎn)生決定性影響。為提高艦上食品的保質(zhì)能力，現(xiàn)代艦船一般均設(shè)置有低溫食品庫(kù)，而部分新研艦船則設(shè)置有專用保鮮食品庫(kù)，采用低溫冷藏、氣體成分調(diào)節(jié)(簡(jiǎn)稱氣調(diào))等綜合保鮮措施以滿足食品的長(zhǎng)期貯存需求。

2．2 食品自給力的設(shè)計(jì)方法

食品自給力設(shè)計(jì)方法和基本過(guò)程如下。

1)根據(jù)食品供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、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(chǔ)，結(jié)合各類食品的計(jì)算密度，估算各類食品的體積需求。

3)參考母型艦船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合艦的實(shí)際情況，確定各類食品庫(kù)的容積利用系數(shù)。

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

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

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

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

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

食品設(shè)計(jì)基本流程見(jiàn)圖1。

圖1 食品自給力設(shè)計(jì)基本流程

2．3 食品自給力主要設(shè)計(jì)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(yù)期因素而考慮的額外系數(shù)。

在食品貯存、運(yùn)輸、制作以及食用過(guò)程中，不可避免會(huì)因?yàn)樽冑|(zhì)等各類原因而損耗，因此，為抵消相應(yīng)影響，在食品自給力計(jì)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(shè)計(jì)及使用經(jīng)驗(yàn)，食品裕度系數(shù)一般取為5%～15%。

2)食品計(jì)算密度。食品計(jì)算密度是指在食品庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)各食品類別所選取的用于食品庫(kù)容積計(jì)算的密度。

在食品自給力設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般將食品分為魚、肉、蔬菜、水果、糧食等類別，分別對(duì)應(yīng)貯存于魚庫(kù)、肉庫(kù)、蔬菜庫(kù)、水果庫(kù)、糧食庫(kù)等食品庫(kù)。由于各類食品可能覆蓋多個(gè)品種，且同一品種因包裝形式不同也可能產(chǎn)生較大的密度差異，因此，需針對(duì)各類食品選取特定的計(jì)算密度，以保障食品庫(kù)設(shè)計(jì)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(jì)算密度可能存在較大不同，但在艦船食品庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)只選取相對(duì)平均的數(shù)值作為蔬菜類食品的計(jì)算密度，例如取為230 kg/m3。

艦船食品庫(kù)推薦計(jì)算密度［7］選取見(jiàn)表1。

表1 食品計(jì)算密度

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

食品庫(kù)容積利用系數(shù)并非固定值，其與食品庫(kù)大小、食品庫(kù)形狀、食品貯存方式、內(nèi)部通道寬度要求等因素均有關(guān)。一般而言，食品庫(kù)越大、形狀越規(guī)則、食品貯存方式越緊湊、內(nèi)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(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)艦船設(shè)計(jì)及使用經(jīng)驗(yàn)，推薦各類食品庫(kù)的容積利用系數(shù)取值范圍［7］見(jiàn)表2。

表2 食品庫(kù)容積利用系數(shù)

3 淡水自給力設(shè)計(jì)

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(jī)械設(shè)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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和人員編制有關(guān)。艦上的淡水供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)可較一般艦船適當(dāng)提高。另外，對(duì)于執(zhí)行特殊任務(wù)的人員，例如飛行員，為保障其生活和工作質(zhì)量，其供水標(biāo)準(zhǔn)也可較普通艦員適當(dāng)提高。除日常用水之外，艦船還需配備一定量的應(yīng)急淡水，以用于艦員在破損、污染等情況下短期維持生存，應(yīng)急淡水一般應(yīng)為易于貯存、攜帶和分發(fā)的瓶裝水。

機(jī)械設(shè)備用淡水主要用于保障艦上各類機(jī)械設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)、狀態(tài)維護(hù)等，其需求量根據(jù)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)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(lái)源于陸上或海上補(bǔ)給，并在艦船使用過(guò)程中消耗。對(duì)于現(xiàn)代艦船，海水淡化裝置已屬常用配備，其應(yīng)用大大提高了艦員的生活質(zhì)量，增加了艦上淡水的保障能力，同時(shí)也減輕了艦總體的設(shè)計(jì)壓力。但是，考慮到海水淡化裝置所生產(chǎn)的淡水尚難以適應(yīng)艦員口味，以及海上制淡需以能源消耗為代價(jià)，加之中轉(zhuǎn)、應(yīng)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(chǎn)生及排放不受限的情況，此時(shí)艦上淡水由海水化裝置供應(yīng);非正常情況主要指艦喪失制淡能力以及污水產(chǎn)生或排放受限的情況，此時(shí)艦上淡水由淡水艙供應(yīng)。

3．2 淡水自給力的設(shè)計(jì)方法

1)根據(jù)艦船標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、研制要求，以及艦船實(shí)際情況，確定正常情況和非正常情況下的人員淡水供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，以及非正常情況的持續(xù)時(shí)間。機(jī)械設(shè)備供水量根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)。

2)以正常情況下人員的淡水供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，計(jì)入機(jī)械設(shè)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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，視情計(jì)入機(jī)械設(shè)備淡水消耗需求，根據(jù)非正常情況設(shè)計(jì)持續(xù)時(shí)間，確定全艦淡水艙裝載需求。

4)前述過(guò)程主要針對(duì)配備海水淡化裝置的艦船，對(duì)于無(wú)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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、自給力晝夜數(shù)以及人員編制等計(jì)算確定，并計(jì)入機(jī)械設(shè)備淡水消耗需求。

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

3．3 淡水自給力主要設(shè)計(jì)參數(shù)選取

艦船人員淡水供應(yīng)量主要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和研制要求確定。不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所規(guī)定的人員淡水供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，列舉人員淡水供應(yīng)量典型要求見(jiàn)表3。

表3 淡水供應(yīng)量標(biāo)準(zhǔn)

可以看出，俄羅斯艦艇設(shè)計(jì)規(guī)范、CCS法定檢驗(yàn)規(guī)則(國(guó)際)規(guī)定的淡水供應(yīng)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(yīng)量為35 L/(人·d)。各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所規(guī)定的人員淡水供應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范、CCS法定檢驗(yàn)規(guī)則(國(guó)際)主要針對(duì)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(shù)。由于中西餐差異，國(guó)內(nèi)相同容積食品庫(kù)所能達(dá)到自給力一般遠(yuǎn)低于歐美艦船，嚴(yán)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(duì)中餐食品特點(diǎn)，從食品預(yù)制、自動(dòng)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(zhǎng)時(shí)保鮮技術(shù)。常規(guī)冷藏措施可保證15～30 d的食品保鮮需求，而氣調(diào)保鮮措施可延長(zhǎng)保鮮時(shí)間約0.5～1.0倍，達(dá)到30～45 d［9-10］。若自給力進(jìn)一步增加，則需在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，充分考慮艦船條件和環(huán)境，研究更長(zhǎng)久的食品保鮮技術(shù)。

3)海水淡化深度處理技術(shù)。由于海水淡化裝置的產(chǎn)水硬度、pH值、氟含量、硼含量等影響人體健康的指標(biāo)均與陸地飲用水存在一定差距，加之其他不明因素，導(dǎo)致海水淡化裝置的產(chǎn)水尚難以適應(yīng)艦員飲用需求。針對(duì)該問(wèn)題，需進(jìn)一步改進(jìn)海水淡化裝置制水工藝，開發(fā)飲用水深度處理設(shè)備，使海水淡化裝置產(chǎn)水轉(zhuǎn)化為有利于人體健康且適宜艦員口味的優(yōu)質(zhì)飲用水［11-12］。

5 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外艦船自給力文獻(xiàn)極少，本文根據(jù)艦船研制實(shí)際，從宏觀到具體，對(duì)自給力概念、影響因素、設(shè)計(jì)方法、參數(shù)選取等進(jìn)行了分析和闡述。文中有助于艦船設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工作。

艦船自給力未來(lái)研究方面，需重點(diǎn)針對(duì)食品高效貯存、食品長(zhǎng)時(shí)保鮮、海水淡化深度處理等技術(shù)進(jìn)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。

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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(guó)防科工項(xiàng)目(JSJC2013207BB01);

海軍裝備科研項(xiàng)目(072910121)

吳鳳輝(1979-)，男，學(xué)士，工程師

研究方向:艦船總體

E-mail:Dreamfly701x@163.com