萬(wàn)米級(jí)潛水器科考母船“張謇”號(hào)設(shè)計(jì)研究

文 勇，王 楠，陳衛(wèi)華，陳 浩，王 爽

(上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司，上海 200011)

萬(wàn)米級(jí)潛水器科考母船“張謇”號(hào)設(shè)計(jì)研究

文 勇，王 楠，陳衛(wèi)華，陳 浩，王 爽

(上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司，上海 200011)

簡(jiǎn)要介紹了上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司自主開發(fā)設(shè)計(jì)的萬(wàn)米級(jí)潛水器科考母船“張謇”號(hào)的設(shè)計(jì)背景及主要性能參數(shù)。主要敘述了該船設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)總體布置、型線優(yōu)化、浮態(tài)控制、動(dòng)力定位能力等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)研究。

船舶設(shè)計(jì)；科考母船；型線；浮態(tài)控制；動(dòng)力定位

0 引 言

2015年4月18日，國(guó)內(nèi)首艘萬(wàn)米級(jí)潛水器科考母船“張謇”號(hào)正式開建，建成后將成為我國(guó)11000m載人深淵器“彩虹魚”及其系列產(chǎn)品的科考母船，承擔(dān)深淵科學(xué)調(diào)查研究任務(wù)[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(xué)深淵科學(xué)技術(shù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)室首次與公眾見面。

“張謇”號(hào)由上海彩虹魚科考船科技服務(wù)有限公司投資、上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司設(shè)計(jì)、浙江天時(shí)造船有限公司建造。該船計(jì)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(hào)首次將萬(wàn)米級(jí)載人潛水器母船、遠(yuǎn)洋科學(xué)綜合考察、深海工程作業(yè)支持三個(gè)功能有機(jī)地結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)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(tái)萬(wàn)米級(jí)著陸器、1臺(tái)萬(wàn)米級(jí)無(wú)人潛水器和1臺(tái)萬(wàn)米級(jí)載人潛水器)的海試和作業(yè)提供支持；(2)深淵科學(xué)調(diào)查研究的海上移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室；(3)一般性深海海洋科學(xué)調(diào)查研究(包括深遠(yuǎn)海物理海洋、地球物理、海洋化學(xué)、海底地質(zhì)、海洋生物等學(xué)科的調(diào)查研究)的海上移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室；(4)新研發(fā)海洋調(diào)查儀器設(shè)備的海試平臺(tái)；(5)海洋油氣工程設(shè)施、海底電力通信設(shè)施、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)施的水下安裝、 檢測(cè)和維修服務(wù)；(6)海洋事故的救援和打撈等；(7)海底探險(xiǎn)和海上休閑旅游；(8)海底考古和深海電影拍攝。

本文將對(duì)“張謇”號(hào)的總體設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要介紹，以期為將來(lái)類似任務(wù)提供參考。

1 船舶概況

“張謇”號(hào)是一艘鋼質(zhì)、無(wú)限航區(qū)航行的萬(wàn)米級(jí)潛水器支持母船兼深海綜合調(diào)查作業(yè)船，排水量約4800t?？紤]到科考船工況多的特點(diǎn)[2]，該船巧妙搭配主機(jī)，采用雙機(jī)單槳形式，大主機(jī)額定功率2380kW，小主機(jī)額定功率1103kW，2臺(tái)主機(jī)不同時(shí)運(yùn)行。小主機(jī)的設(shè)置讓該船在實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)更具備可靠性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性。設(shè)有兩臺(tái)額定功率為750kW的主柴油發(fā)電機(jī)組、1臺(tái)額定功率1600kW的軸帶發(fā)電機(jī)。為增強(qiáng)船舶機(jī)動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)科考作業(yè)所需的DP1定位能力要求，艏部設(shè)有2臺(tái)560kW艏側(cè)推，艉部設(shè)1臺(tái)680kW艉側(cè)推。該船效果如圖1所示。

圖1 “張謇”號(hào)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(shè)計(jì)任務(wù)書要求，進(jìn)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(shí)驗(yàn)室區(qū)、潛水器機(jī)庫(kù)區(qū)、作業(yè)甲板區(qū)、機(jī)艙區(qū)、絞車艙區(qū)、輔助設(shè)備區(qū)、聲學(xué)設(shè)備區(qū)、艏艉側(cè)推區(qū)等。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全船的布置：人員生活區(qū)的居住艙室及配套艙室和設(shè)施的布置滿足60人的需要；聲學(xué)設(shè)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(jī)庫(kù)滿足11000m載人潛水器儲(chǔ)存艙的要求；后甲板作業(yè)面積580m2；全船設(shè)置8道水密橫艙壁，滿足破艙穩(wěn)性計(jì)算的要求；艏艉設(shè)置較大的壓載艙，滿足調(diào)節(jié)船舶浮態(tài)和吃水的需要。

表1 “張謇”號(hào)主要船型參數(shù)

該船總體布置如圖2所示。

圖2 “張謇”號(hào)總體布置Fig.2 General arrangement of “Zhangjian”

2 關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)研究

2.1船體線型

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

該船型線的開發(fā)和優(yōu)化主要從以下幾個(gè)方面考慮。

(1) 艉側(cè)推的布置。該船單艉軸，艉側(cè)推只能布置在艉軸上方或下方。若布置在艉軸上方，側(cè)推裝置距離水面較近，易吸入空氣而影響側(cè)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(shí)也影響了主機(jī)和齒輪箱的布置。

艉側(cè)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(cè)推筒體直徑也越大；越靠后，越有利于動(dòng)力定位，但對(duì)艉部伴流的均勻性有較大的負(fù)面影響。

最終綜合考慮后，艉側(cè)推置于艉軸下方FR19處。

(2) 聲學(xué)設(shè)備布置。該船配有全海深多波束系統(tǒng)、淺地層剖面儀、聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)等聲學(xué)設(shè)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(diào)和耐波性與穩(wěn)性之間的矛盾，適當(dāng)減小了舭部半徑，使得浮心下移，同時(shí)適當(dāng)下調(diào)設(shè)計(jì)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(biāo)橫搖周期增大，同時(shí)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(duì)縱向運(yùn)動(dòng)影響較大。為了改善耐波性，采用了前傾艏柱，設(shè)計(jì)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(jì)算和船模試驗(yàn)論證。該船在型線優(yōu)化過(guò)程中使用SHIPFLOW軟件進(jìn)行了多次的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)阻力計(jì)算，根據(jù)軟件計(jì)算的結(jié)果來(lái)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(yàn)論證，本船優(yōu)化后的型線滿足快速性的相關(guān)要求。表2給出了靜水阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果，表中Ct為總阻力系數(shù)。船模試驗(yàn)結(jié)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(jì)算值，航速12 kn)

表3 靜水阻力系數(shù)(船模試驗(yàn)值)

2.2 浮態(tài)及穩(wěn)性

浮態(tài)控制是該船總體設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。由于該船上層建筑設(shè)在艏部，空船重心位于舯前，而實(shí)船航行時(shí)需要有一定的艉傾，因此調(diào)整浮態(tài)主要從以下幾個(gè)方面著手。

(1) 設(shè)計(jì)線型時(shí)，在兼顧耐波性和穩(wěn)性的前提下，適當(dāng)將浮心前移。

(2) 在分艙布置時(shí)，將消耗液艙(燃油艙和淡水艙)盡量艏艉對(duì)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(huì)發(fā)生大的變化，同時(shí)為了方便調(diào)整縱傾，在艉部設(shè)置較大的艉壓載水艙，以防止艏傾過(guò)大。

(3) 各專業(yè)的設(shè)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(guò)合理的壓載水調(diào)撥方案可以隨時(shí)有效地調(diào)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(guó)際海事組織(IMO)《國(guó)際特殊用途船舶安全規(guī)則》、現(xiàn)行的《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》及其修改通報(bào)對(duì)無(wú)限航區(qū)特種用途船的要求。破艙穩(wěn)性滿足《1974年國(guó)際海上人命安全公約》及MSC.266(84) 決議的相關(guān)衡準(zhǔn)要求。

該船主要的載重量來(lái)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(gè)液體艙。為了提高穩(wěn)性指標(biāo)，在分艙布置時(shí)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(shè)8道水密橫艙壁，且液艙設(shè)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(biāo)的提高。

2.3 抗風(fēng)能力

按照港灣、沿海、近海和遠(yuǎn)洋的船舶航區(qū)分級(jí)，遠(yuǎn)洋級(jí)公務(wù)船和調(diào)查船等除必須滿足IMO的穩(wěn)性衡準(zhǔn)(包括氣象衡準(zhǔn))外，往往因其區(qū)別于普通國(guó)際航行運(yùn)輸船的特殊性，還需滿足我國(guó)國(guó)內(nèi)針對(duì)此類船型對(duì)于抗風(fēng)力的特殊要求，主要有中華人民共和國(guó)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB/T 3526—94《海洋調(diào)查船特殊抗風(fēng)力要求》，以及國(guó)軍標(biāo)GJB 4000—2000[3]。

對(duì)該船而言，主要從如下幾個(gè)方面來(lái)考慮：(1)保證動(dòng)穩(wěn)性曲線截止的角度范圍內(nèi)不出現(xiàn)非保護(hù)性開口；(2)設(shè)置較大面積的舭龍骨，有效減少橫搖角，增大動(dòng)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(dòng)穩(wěn)性曲線整體提高，有利于抗風(fēng)衡準(zhǔn)；(4)適當(dāng)降低生活艙室的層高。

通過(guò)上述措施和對(duì)總布置的不斷優(yōu)化，該船滿足CB/T 3526—94對(duì)海洋調(diào)查船的相關(guān)要求。

2.4 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及振動(dòng)分析

該船在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。該船壓載工況時(shí)中拱比較明顯，對(duì)船體梁縱向彎曲強(qiáng)度、剛度要求較高。另外由于船舶尺度及線型關(guān)系，該船重心必須盡量降低以確保其穩(wěn)性。通過(guò)方案對(duì)比，該船主甲板采用縱骨架式，船底外板及內(nèi)底板適當(dāng)加厚。這樣在改善船體梁縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提高抗屈曲能力的同時(shí)，又在一定程度上改善了空船的重心分布。

(2) 長(zhǎng)軸區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。該船機(jī)艙比較靠近船舯，主推進(jìn)軸比較長(zhǎng)，同時(shí)具有艉部重量大、線型瘦、浮力小、船體梁剖面小等特點(diǎn)，容易使長(zhǎng)軸產(chǎn)生撓度變形。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)該船實(shí)際布置情況，主甲板采用縱骨架式，同時(shí)在該區(qū)域設(shè)置了連續(xù)縱艙壁，有效地保證了該區(qū)域結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度，避免因船體變形而導(dǎo)致長(zhǎng)軸的撓度變形。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，所采用的結(jié)構(gòu)形式達(dá)到了控制長(zhǎng)軸變形的目的。

(3) 船體振動(dòng)控制。由于部分科考作業(yè)對(duì)船舶振動(dòng)比較敏感，因此該船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)于常規(guī)船舶更加重視對(duì)船舶振動(dòng)的控制和優(yōu)化。該船的振動(dòng)控制從總振動(dòng)和局部振動(dòng)兩方面進(jìn)行考慮，振動(dòng)衡量標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 7453—1996《船體振動(dòng)測(cè)量》。局部振動(dòng)考慮船尾螺旋槳脈動(dòng)壓力作用區(qū)的振動(dòng)，同時(shí)考慮機(jī)艙振動(dòng)、甲板室振動(dòng)和桅桿振動(dòng)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，通過(guò)線型優(yōu)化及結(jié)構(gòu)形式的合理布置，借助有限元分析預(yù)報(bào)手段進(jìn)行校核、優(yōu)化，使船體振動(dòng)滿足衡量標(biāo)準(zhǔn)的要求。振動(dòng)分析有限元模型如圖4所示。

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

2.5 動(dòng)力定位

根據(jù)上海海洋大學(xué)深淵科學(xué)與技術(shù)中心《11000米著陸器、無(wú)人潛水器、載人潛水器對(duì)母船要求》文檔，該船動(dòng)力定位能力應(yīng)滿足：無(wú)人潛水器進(jìn)入水下后，母船要有一定定位能力，在3級(jí)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(shí)需要母船要有一定定位能力，按照DP1動(dòng)力定位。

由此可見該船主要科考作業(yè)對(duì)動(dòng)力定位能力的要求并不高。為了有效控制初期投資，保證營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)多番論證計(jì)算，該船采用了雙機(jī)單槳形式，動(dòng)力定位工況下投入使用的推進(jìn)設(shè)備包括：主推進(jìn)1臺(tái)，可調(diào)螺距螺旋槳，由2 380 kW的大主機(jī)驅(qū)動(dòng)；艏側(cè)推2臺(tái)，可調(diào)螺距螺旋槳，由560 kW的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；艉側(cè)推1臺(tái)，可調(diào)螺距螺旋槳，由680 kW的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

“張謇”號(hào)動(dòng)力定位能力分析如圖5所示。結(jié)果顯示，該船在流速1.5 kn、側(cè)風(fēng)側(cè)流時(shí)定位能力是比較差的，此時(shí)瓶頸在艉側(cè)推。這也是單槳船型在動(dòng)力定位方面存在的一個(gè)先天不足。

圖5 “張謇”號(hào)動(dòng)力定位能力Fig.5 Dynamic positioning capacity of “Zhangjian”

考慮到該船在實(shí)施主要科考作業(yè)時(shí)不需要工作在自動(dòng)定位模式(即自動(dòng)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(dòng)艏向模式(即繞某一設(shè)定點(diǎn)根據(jù)風(fēng)向適時(shí)自動(dòng)調(diào)整船舶艏向)、自動(dòng)區(qū)域定位模式(即在最小能耗條件下自動(dòng)將船舶保持在允許區(qū)域內(nèi)，并將艏向保持在允許的艏向范圍內(nèi))，以實(shí)現(xiàn)較惡劣環(huán)境條件下的定位并降低能耗[4]。

3 結(jié) 語(yǔ)

“張謇”號(hào)作為遠(yuǎn)洋科學(xué)調(diào)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(fēng)能力和動(dòng)力定位能力等方面都有特殊要求，同時(shí)需要兼顧快速性、營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，這些都給整船設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。在該船設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分聽取了相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜液涂蒲性核囊庖姟⒔ㄗh，各項(xiàng)性能指標(biāo)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(guān)性能指標(biāo)將在后續(xù)實(shí)船試驗(yàn)和使用過(guò)程中得到進(jìn)一步的驗(yàn)證。

[1] 人民日?qǐng)?bào). 國(guó)產(chǎn)萬(wàn)米級(jí)深淵器母船開建“彩虹魚”首曝光[N]. 人民日?qǐng)?bào)，2015-04-20(5).

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

[3] 吳剛，劉巍，曲寧寧. 遠(yuǎn)洋級(jí)公務(wù)船與調(diào)查船的抗風(fēng)力研究[J]. 船舶工程，2013(1):19.

[4] 邊信黔，付明玉，王元慧. 船舶動(dòng)力定位[M]. 北京：科學(xué)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(shè)計(jì)方面的研究。