環(huán)境工程在艦船研制中的應(yīng)用

張 磊，李 軍，王保青

(中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所，上海 200011)

0 引 言

環(huán)境工程主要通過科學(xué)技術(shù)和工程實(shí)踐，降低環(huán)境對艦船裝備效能的影響或增強(qiáng)艦船裝備對環(huán)境的忍耐能力[1]，使產(chǎn)品具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。

隨著我海軍參與國際事務(wù)的愈加頻繁，所面臨的環(huán)境條件亦越來越復(fù)雜，對艦船裝備在極端環(huán)境下的適應(yīng)能力提出了更高要求。相比國外發(fā)展多年的環(huán)境工程，我國艦船行業(yè)的環(huán)境工程尚處于起步階段。祝耀昌[2～3]對環(huán)境工程的內(nèi)涵、作用等進(jìn)行了闡述，提出了我國裝備環(huán)境工程建立與推行的策略，并在武器裝備環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了分析應(yīng)用。蔡健平[4]提出了適用于艦載導(dǎo)彈武器的環(huán)境剖面構(gòu)建技術(shù)，以改善其環(huán)境適應(yīng)能力。許立坤[5]將環(huán)境工程應(yīng)用于潛艇之上，研究了潛艇的環(huán)境腐蝕控制。趙世宜[6]分析了軍用物資集裝箱安全運(yùn)輸?shù)挠绊懎h(huán)境因素，并提出了相應(yīng)對策。李能鵬[7]針對艦船環(huán)境工程提出了一種新的矩陣管理模式，有效提高了艦船研制中環(huán)境工程的工作效率。

本文就環(huán)境工程在艦船型號研制中的應(yīng)用情況加以介紹，并為今后環(huán)境工程能夠在艦船型號研制過程中更好地應(yīng)用提出一些可供參考的設(shè)想。

1 艦船的環(huán)境條件及其所受影響

艦船長期處于異常復(fù)雜的海洋環(huán)境之中，不僅受風(fēng)、浪、流的影響，而且艦上設(shè)備也受自身平臺和儲存、運(yùn)輸及使用環(huán)境的影響，從而給艦船的環(huán)境工程工作帶來很大挑戰(zhàn)。

通常情況下，艦船的艙室處于高溫、高濕的環(huán)境，溫濕環(huán)境是艦船設(shè)備重要環(huán)境因素之一。高溫環(huán)境將產(chǎn)生產(chǎn)品絕緣失效，電性能下降、結(jié)構(gòu)破損、潤滑性能降低、機(jī)械應(yīng)力增大等不良環(huán)境效應(yīng)，并且會加速有機(jī)材料的性能變化，對產(chǎn)品造成更大破損。在高溫的影響下，船用主機(jī)的進(jìn)氣溫度、冷卻水溫度、燃油以及潤滑油溫度將隨之升高，這將導(dǎo)致主機(jī)功率的降低。同時(shí)，海洋環(huán)境中高溫、高濕、高鹽度條件也將加劇艦船的腐蝕，同種材料相較于內(nèi)陸環(huán)境，其腐蝕狀況要高出數(shù)十倍[8]。而且，其他環(huán)境因素，例如振動(dòng)、沖擊、噪聲、日光輻射、沙塵、傾斜搖擺等也會對艦船產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。

2 艦船環(huán)境工程工作現(xiàn)狀與存在的問題

2.1 艦船環(huán)境工程工作現(xiàn)狀

目前，艦船環(huán)境工程工作主要體現(xiàn)在開展海洋環(huán)境調(diào)查，編制艦用條件和進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)上。針對艦船環(huán)境條件和環(huán)境試驗(yàn)，在20 世紀(jì)60 年代曾對近100 多艘船次的不同設(shè)備進(jìn)行了環(huán)境實(shí)測，為后續(xù)制定環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)提供了大量數(shù)據(jù)支撐，從20 世紀(jì)70 年代初期到80 年代，先后制定了一系列艦船裝備的環(huán)境條件和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如GJB150-1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)試驗(yàn)方法》，GJB1060.1-1 060.2-1991《艦船環(huán)境條件要求》等。盡管在艦船環(huán)境條件與試驗(yàn)方面受到足夠重視，但是在整個(gè)環(huán)境工程中的管理、分析、設(shè)計(jì)等工作方面都還沒有系統(tǒng)性的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

艦船行業(yè)結(jié)合型號研制和生產(chǎn)的需要，在環(huán)境工程領(lǐng)域開展了一定的基礎(chǔ)研究、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用研究。以前艦船行業(yè)各型號對環(huán)境工程工作在自覺與不自覺中已經(jīng)開展，如在艦船研制初期編制艦用條件，對設(shè)備特別是研制、研改設(shè)備提出環(huán)境試驗(yàn)要求等。同時(shí)也開展了部分環(huán)境因素的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，如減振、降噪、耐濕熱、防鹽霧設(shè)計(jì)等。自從2006 年科工委立項(xiàng)，在型號設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中開展環(huán)境工程的應(yīng)用研究以來，環(huán)境工程在艦船行業(yè)中的應(yīng)用得到了更快發(fā)展，在各型裝備的研制過程中，逐步引入了環(huán)境工程概念。同時(shí)，仿照應(yīng)用研究實(shí)例，考慮剪裁應(yīng)用GJB4239[9]，成立艦船總師或副總師負(fù)責(zé)的工作系統(tǒng)，編制環(huán)境工程工作計(jì)劃，開展相應(yīng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)等。但這只是初步試探性工作，今后迫切需要加大對重點(diǎn)型號研究成果和標(biāo)準(zhǔn)GJB4239 的普及宣貫力度，促進(jìn)環(huán)境工程在艦船行業(yè)的深入開展。

2.2 艦船環(huán)境工程工作存在的問題

1）對環(huán)境工程缺乏足夠的認(rèn)識。環(huán)境工程在艦船領(lǐng)域中的應(yīng)用目前僅限于環(huán)境試驗(yàn)與環(huán)境條件要求，型號設(shè)計(jì)人員缺乏將環(huán)境工程作為一個(gè)系統(tǒng)工程，應(yīng)用于艦船全壽命階段的觀念，沒有充分重視環(huán)境工程的重要影響。

2）尚未建立環(huán)境工程工作體系。目前艦船方面的環(huán)境工程工作，只局限于環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)，缺乏對環(huán)境工程管理、分析、設(shè)計(jì)等其他方面的研究，從而導(dǎo)致環(huán)境工程工作體系無法建立，體系的缺乏，隨之帶來環(huán)境工程工作在型號研制方面的盲目與混亂。

3）環(huán)境數(shù)據(jù)和信息資源不足，及其有效管理的缺失。環(huán)境分析應(yīng)以環(huán)境數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在目前我國環(huán)境數(shù)據(jù)技術(shù)相對落后的情況下，更應(yīng)提高對該工作的重視程度[10]。環(huán)境數(shù)據(jù)除了指自然環(huán)境數(shù)據(jù)，還包括武器裝備受環(huán)境影響的數(shù)據(jù)等[11]。通過對各種環(huán)境數(shù)據(jù)的有效收集，能夠幫助研究武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性要求。我國艦艇部署海域廣闊，而艦船本身又是一個(gè)巨大的系統(tǒng)，并處于多變的海洋環(huán)境下，故影響其作戰(zhàn)性能的環(huán)境因素?cái)?shù)量將極為龐大。而當(dāng)前所能收集的環(huán)境數(shù)據(jù)資源只是基于數(shù)量有限的環(huán)境實(shí)測，這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足艦船環(huán)境工程工作的需要。同時(shí)，龐大的環(huán)境數(shù)據(jù)和信息資源也會使將來的收集和管理工作更加復(fù)雜。

3 環(huán)境工程在艦船研制中的應(yīng)用

3.1 開展培訓(xùn)，增強(qiáng)認(rèn)識

當(dāng)前，艦船環(huán)境工程工作尚處于起步階段，對艦船型號設(shè)計(jì)人員進(jìn)行環(huán)境工程方面的知識培訓(xùn)，幫助他們了解環(huán)境工程的工作內(nèi)容，也使其對環(huán)境工程在艦船全壽命周期起到的作用有一個(gè)清晰的認(rèn)識。這既有助于環(huán)境工程實(shí)際應(yīng)用于艦船研制，也確保了環(huán)境工程工作更有效和更充分的完成。

3.2 建立艦船型號環(huán)境工程工作體系

開展艦船環(huán)境工程工作首先需要建立環(huán)境工程工作體系，各艦船型號環(huán)境工程工作體系的要求基本一致，主要應(yīng)明確的各項(xiàng)要求如圖1 所示。

圖1 艦船型號環(huán)境工程工作體系要求Fig.1

3.3 確定艦船型號研制各階段環(huán)境工程工作內(nèi)容

依據(jù)GJB4239，同時(shí)結(jié)合艦船型號研制特點(diǎn)，環(huán)境工程工作在艦船型號研制過程中各階段的工作內(nèi)容如表1 所示。

表1 艦船型號各階段環(huán)境工程工作內(nèi)容Tab.1

3.4 各階段環(huán)境工程工作內(nèi)容解析

3.4.1 立項(xiàng)論證與方案設(shè)計(jì)階段

該階段提出艦船型號總體方案，對艦船型號的使命任務(wù)、活動(dòng)海域、主尺度，以及作戰(zhàn)性能如快速性、穩(wěn)性、續(xù)航力、自持力、適航性等設(shè)計(jì)要求進(jìn)行初步明確。上述內(nèi)容都給出了有關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，按給出的信息和要求，并在收集自然環(huán)境、相似設(shè)備和相似艦船的環(huán)境資料的基礎(chǔ)上，明確給出該階段的環(huán)境工程工作要求和工作內(nèi)容。

1）編制艦船型號環(huán)境工程工作計(jì)劃

主要內(nèi)容包括：建立工作體系；落實(shí)工作體系各級責(zé)任人并明確其職責(zé)；剪裁應(yīng)用4 239 的各環(huán)境工程工作項(xiàng)目；基本明確各個(gè)階段應(yīng)開展的環(huán)境工程工作項(xiàng)目。

2）開展艦船使用環(huán)境數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集的工作應(yīng)貫穿型號設(shè)計(jì)建造和使用的各個(gè)階段，在計(jì)劃中應(yīng)得到足夠的體現(xiàn)。數(shù)據(jù)收集工作內(nèi)容包括：現(xiàn)有環(huán)境資料收集與整理，收集國內(nèi)外有關(guān)艦船平臺環(huán)境數(shù)據(jù)和自然環(huán)境數(shù)據(jù)；收集分析有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境資料，如GJB1172，GJB1060，GJB440，GJB150 和GJB2000 艦船規(guī)范的環(huán)境要求等；收集并分析相似平臺和相似裝備或設(shè)備環(huán)境數(shù)據(jù)，必要時(shí)，可在相似的艦船上安排局部實(shí)測；分類整理環(huán)境數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫；制定后續(xù)資料收集計(jì)劃，如果數(shù)據(jù)不足，應(yīng)制定后續(xù)數(shù)據(jù)再收集計(jì)劃，在該艦船型號試驗(yàn)階段安排必要的平臺環(huán)境實(shí)測。

3）確定壽命期環(huán)境剖面

主要內(nèi)容包括：艦船型號壽命期環(huán)境剖面的確定，型號的關(guān)鍵系統(tǒng)或設(shè)備環(huán)境類型和環(huán)境剖面的確定。

4）編制艦船型號環(huán)境技術(shù)要求文件

主要內(nèi)容包括：根據(jù)艦船型號壽命剖面分別給出艦船總體、系統(tǒng)和設(shè)備的環(huán)境要求；根據(jù)環(huán)境要求，編寫系統(tǒng)和設(shè)備或關(guān)鍵系統(tǒng)和典型設(shè)備的環(huán)境技術(shù)要求文件；明確系統(tǒng)和設(shè)備在壽命期內(nèi)的環(huán)境類型和環(huán)境量值。

5）確定各系統(tǒng)和設(shè)備（含結(jié)構(gòu)件和自制件）環(huán)境適應(yīng)性要求

根據(jù)型號環(huán)境技術(shù)要求文件、裝備或設(shè)備的壽命期環(huán)境剖面（含結(jié)構(gòu)件和自制件），剪裁確定其環(huán)境適應(yīng)性要求，為簽訂購買其裝備及設(shè)備協(xié)議書或其它有關(guān)文件納入環(huán)境適應(yīng)性要求提供依據(jù)。主要內(nèi)容包括：確定型號、系統(tǒng)、設(shè)備的環(huán)境類型和環(huán)境量值；確定系統(tǒng)、設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求；制定對轉(zhuǎn)承制方與供應(yīng)方有關(guān)環(huán)境工程工作的要求、監(jiān)督與控制文件。

6）開展自然環(huán)境試驗(yàn)

收集有關(guān)艦船自然環(huán)境試驗(yàn)資料，參考或依據(jù)相似類型艦船的自然環(huán)境條件作為本艇的自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)。必要時(shí)對關(guān)鍵的材料或部件安排自然環(huán)境試驗(yàn)。主要內(nèi)容包括：編寫選定材料或部件的試驗(yàn)大綱，并實(shí)施自然環(huán)境試驗(yàn)；收集自然環(huán)境試驗(yàn)資料，作為選材依據(jù)。

7）制定艦船型號環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指南

根據(jù)系統(tǒng)和設(shè)備或所有外購件的采購協(xié)議書與相關(guān)文件中的環(huán)境適應(yīng)性要求和設(shè)備的技術(shù)特征，制定相應(yīng)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)指南。對系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行耐高低溫設(shè)計(jì)、抗振設(shè)計(jì)或三防設(shè)計(jì)等耐環(huán)境設(shè)計(jì)，并與性能和可靠性設(shè)計(jì)綜合進(jìn)行。主要包括內(nèi)容：制定系統(tǒng)和設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；關(guān)鍵環(huán)境要素的耐環(huán)境設(shè)計(jì)方法，材料和元器件的選擇要求、機(jī)構(gòu)布局要求、減緩環(huán)境影響的措施；專用環(huán)境防護(hù)方法的內(nèi)容。

8）本階段環(huán)境工程工作評審

評審本階段開展的環(huán)境工程工作進(jìn)展情況。主要內(nèi)容包括：對本階段輸出的環(huán)境數(shù)據(jù)、壽命期環(huán)境剖面、型號環(huán)境技術(shù)要求、各系統(tǒng)設(shè)備與自制件的環(huán)境適應(yīng)性要求、部分材料的自然環(huán)境試驗(yàn)報(bào)告、型號環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指南進(jìn)行評審。

3.4.2 工程研制階段

1）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)指南，參考其他設(shè)計(jì)手冊，開展系統(tǒng)、設(shè)備（含結(jié)構(gòu)件、自制件）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

2）制定系統(tǒng)設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)與評價(jià)總計(jì)劃（技術(shù)設(shè)計(jì)后期）

按系統(tǒng)設(shè)備的特點(diǎn)，裁剪試驗(yàn)類型、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法等，并制定其環(huán)境試驗(yàn)要求與評價(jià)總計(jì)劃；按型號的進(jìn)度要求，統(tǒng)一安排系統(tǒng)和設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)和評價(jià)工作。

3）新研設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

編寫研制試驗(yàn)大綱，以此進(jìn)行試驗(yàn)，并重復(fù)試驗(yàn)－分析－改進(jìn)（TAAF）過程，不斷增加設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性，直到設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性滿足要求為止；對新研設(shè)備所承受諸多的環(huán)境因素要進(jìn)行敏感應(yīng)力分析，并對敏感應(yīng)力明顯的進(jìn)行必要的環(huán)境特性調(diào)查試驗(yàn)如：設(shè)備的振動(dòng)、溫度以及其它的關(guān)鍵環(huán)境因素的響應(yīng)特性，以便確定其環(huán)境適應(yīng)性的試驗(yàn)量值。

4）環(huán)境鑒定試驗(yàn)

編寫系統(tǒng)或設(shè)備的環(huán)境鑒定試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)計(jì)劃；組織對試驗(yàn)大綱的評審；試驗(yàn)結(jié)果評審。

5）技術(shù)設(shè)計(jì)階段環(huán)境工程工作評審

開展環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)大綱的評審；試驗(yàn)結(jié)果的評審；本階段環(huán)境工程工作進(jìn)行程度的評審。

3.4.3 鑒定定型試驗(yàn)和使用階段

總結(jié)前期的環(huán)境工程工作情況，結(jié)合艦船型號建造、鑒定定型試驗(yàn)的進(jìn)度需求，編制該階段的工作計(jì)劃；按計(jì)劃完成艦船系統(tǒng)和設(shè)備在性能試驗(yàn)、作戰(zhàn)試驗(yàn)、在役考核等階段的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)與評價(jià)工作。同時(shí)，收集艦船在鑒定定型試驗(yàn)和使用階段的故障信息和環(huán)境影響數(shù)據(jù)，為艦船環(huán)境適應(yīng)性持續(xù)評價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

環(huán)境工程工作貫穿于艦船型號研制、生產(chǎn)、使用的全壽命周期，雖然目前在艦船行業(yè)剛剛起步，但是也意味著可以在吸取國內(nèi)外其他行業(yè)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的前提下少走彎路。當(dāng)通過不斷加強(qiáng)環(huán)境工程相關(guān)知識的培訓(xùn)，強(qiáng)化軟硬件各個(gè)方面的實(shí)力，將環(huán)境工程真正融入型號研制中，從而達(dá)到指導(dǎo)型號設(shè)計(jì)并提高其環(huán)境適應(yīng)性能力時(shí)，各個(gè)方面的相關(guān)設(shè)計(jì)人員才會充分認(rèn)識到環(huán)境工程在型號中的重要地位和作用，才會更好配合環(huán)境工程工作在型號研制中的開展，環(huán)境工程工作才會在艦船研制過程中愈加廣泛應(yīng)用。