具備冰區作業能力的遠洋科考調查船研究與設計

胡 斌，張洪欣，谷志珉，劉婷婷

（國家海洋局北海海洋技術保障中心，山東 青島 266034）

0 引 言

近年來，隨著海洋權益需求的不斷增加，國家對走向“極地”和“大洋”的需求越來越迫切，大型深遠海調查船成為國家執行深遠海任務的首選平臺。當前，國家各有關單位都在積極加大對極地和海洋開發的研究和投入力度，迫切需要具備極地和大洋工作能力的深遠海船舶［1-2］。

國內現有的冰區作業船舶主要是“雪龍”號船和“雪龍2”號船，常年執行南極和北極的科考保障任務。“雪龍”號船為改造船，船齡較長。“雪龍2”號船為我國自主研發、設計、建造的極地科考船，具有國際領先水平，有較強的代表性。這2艘船是我國當前執行極地任務的主體船舶，主要在極地地區完成人員投送、物資補給和監測調查等任務，同時兼顧極地救援功能。

近幾年國內科考船的發展速度較快，近年來全國建造完成并下水的大型綜合科考船有十余艘，加上原有的遠洋調查船，組建了國家海洋調查船隊，基本滿足了我國現有的深遠海調查任務需求。現有的遠洋調查船的噸位大致在3 000～6 000 t，其中以最近下水或在建的“大洋號”“東方紅3”號和“中山”號等船舶最具參考價值。

國內船舶在極地與大洋領域的任務區分相對明晰。近幾年，“向陽紅01”號等遠洋科考調查船也執行過極區調查任務，主要在極區的敞水區域作業，對本文提出的船舶類型有一定的借鑒作用［3］。國內部分遠洋科考調查船的主要參數見表1。

表1 國內部分遠洋科考調查船的主要參數

1 船舶需求分析

參考國內相關船舶的設計和功能定位，根據國內極地與大洋調查任務工作量的不同，確定船舶設計定位應以深遠海調查為主，輔以具備在“雪龍”號和“雪龍2”號船執行任務期間補充參與極地（以北極為主）任務的能力。船舶在常規情況下作為深遠海科考調查船使用，當極地冰區或黃渤海冰區等區域有作業空缺時，可作為后備船舶執行調查或保障任務。該定位和需求的確定，既能滿足船舶日常運行維護保養所需任務量的要求，又能作為我國自然資源權益在兩極地區和我國黃渤海冰區等區域的有益補充，有效緩解用船壓力，形成系統內船舶使用和運行的良性循環。

2 船舶功能分析

在設計該船時，在考慮其定位和需求的基礎上，對其破冰能力和敞水航行能力提出了要求，兩者之間存在一定的矛盾，如何兼顧成為船舶設計的重點。為使船舶在滿足敞水適用性要求的同時具有一定的破冰能力，需從船型設計和船舶動力推進系統設計等方面進行針對性設計。同時，水下輻射噪聲也是該船設計中的一個重要考量指標，直接關系到水下大量聲學設備所采集數據的真實性和可靠性［4］。

破冰能力、動力推進系統和水下輻射噪聲等3個指標對此類船舶的成功建造具有重要影響，是此類船舶設計的關鍵技術指標。

2.1 破冰能力

具有破冰能力是該船有別于常規科考船的重要特點，作為一艘能破冰的科考船，確定其破冰等級是首要設計目標。作為常規的深遠海科考船，該船的噸位定在4 000左右，不能像“雪龍”號和“雪龍2”號一樣在大噸位情況下進行重度破冰，破冰能力需根據自身等級確定。因此，主要破冰作業區域圈定為夏季的北極區域和冬季的黃渤海區域。北極夏季為7—9月，這是到北極考察的最佳時間，參照近幾年7—9月北極冰區海冰的密集度變化，7月份北冰洋70°N～80°N范圍內的楚科奇海冰區的冰線都在1 m以下，8月份和9月份該冰區的冰線甚至開始收縮。我國黃渤海區域冬季的冰層厚度自有記錄以來最大為1.2 m，近年來隨著氣候的變化，最厚冰層的厚度越來越小；該區域的冰層全部是當年冰，屬于強度較低的冰層。

目前，船舶的冰級定義主要從船舶服務的海域內海冰的冰齡、冰層厚度和冰層強度等3個方面區分，大致可分為當年冰（當年冰凍，冰層厚度不超過1.2 m，強度較低）和多年冰（2 a及2 a以上冰凍，冰層厚度可達3 m以上，強度較高）2類。當前國際上并無統一的強制性標準，國際船級社協會（International Association ofClassification Societies，IACS）、主要船級社及相關國家和機構都有自己的一套規范和定義標準，各類規范既有相似的地方，又有不同的理念，大致上分為面向船東和面向建造方2種。從船舶設計的角度（船東）出發，冰級定義的標準采用IACS標準更為方便簡潔（見表2）［5］。

表2 IACS標準中的破冰船級描述

船舶對破冰能力的要求越高，船舶設計和建造成本就會越高。因此，應依照船舶的作業區域合理地對其破冰等級進行核定。根據以上對船舶主要作業區域的冰情分析，對應冰級分類，將該船的破冰等級定義為PC6較為符合其定位，即具備對冰層厚度小于1 m的當年冰的破冰能力。

2.2 動力推進系統

動力推進系統是船舶設計和建造中的關鍵一環，對船舶的航行動力、航行經濟性、噪聲和成本控制等起到決定性作用。

在動力推進方式方面，國內外主流的科考船大多采用雙槳推進方式，尤其考慮到本文設計的船舶具備破冰能力，對其采用雙槳推進方式。國內外現有的主流雙槳推進方式主要有軸槳式、全回轉式和吊艙式等3種，見圖1［6］。

圖1 3種推進方式船舶的概念設計示意圖

上述3種推進方式各有利弊（見表3），具體如下：

表3 3種推進方式的優缺點對比

1）軸槳式推進系統的電機和軸承都在船體內部，雖然會占用船體一部分空間，但能最大程度地降低水下輻射噪聲，尤其是高頻段噪聲。由于該系統采用直軸連接螺旋槳，因此相對來說動力損耗較少，但操作的靈活性較低，若船舶須具有動力定位能力，需通過增加艉部側推器輔助實現。另外，軸槳式推進系統的購置成本和后期維護保養成本都較低。

2）全回轉式推進系統主要分為水下和船體2部分，螺旋槳在水下，電機在船體內，二者之間通過轉接軸承連接。該系統可實現水下360°旋轉，操作較為方便，可規避部分水下輻射噪聲。全回轉推進系統的購置成本較高，后期維護成本不算太高。

3）吊艙式推進系統的電機置于船體外部，直接與螺旋槳相連，可在水下實現360°轉動。這種設計能大大提升船舶的操作靈活性，不占用船舶建造空間，并能充分發揮電力推進方式的優越性。但是，該設計也存在一定的劣勢：一是電機在水下，很難降低水下輻射噪聲；二是購置成本較高，且因電機在水下，密封和維修較為困難，后期維護成本很高。

綜合對比上述3種推進方式的優劣，該船的推進系統采用軸槳式推進系統較為合理。因為軸槳式推進系統的主要劣勢在于操作的靈活性較差，其他方面的表現皆優于另外2種推進系統。在破冰船設計方面，現有新船往往會選擇吊艙式推進系統，因為其在冰區具有很強的靈活性，可實現“倒車”等功能。但是，考慮到該船的作業任務以敞水的常規深遠海調查為主，以冰區作業為輔，且在吊艙技術未出現之前破冰船采用的推進系統都是軸槳式推進系統，在該技術具備冰區作業的可實現性和可靠性的前提下，可犧牲一部分操作的靈活性提升船舶在成本控制和水下噪聲控制等方面的性能［7］。

在動力方面，現有的主流調查船都采用電力推進方式，不同廠家建造的船舶可能在具體技術方面（如變頻轉矩等方面）有所區別，但其采用的電力推進系統整體來說性能較好，操作的靈活性較高，輻射噪聲較小。為進一步提升船舶的續航能力，可適當降低對其最大航速和經濟航速的要求，通過調整主機功率盡量匹配船舶的常用工作功率，以此降低油耗，提升船舶的深遠海作業能力。

選擇螺旋槳是動力推進系統中的另一個技術難題。現有的主流調查船采用的螺旋槳一般分為四葉槳和五葉槳2種。從船舶振動性能的角度考慮，在同等設計水平下，五葉槳在降低振動方面的表現優于四葉槳；從船舶推進效率的角度考慮，在同等設計水平下，四葉槳的推進效率高于五葉槳。綜合考慮，由于螺旋槳噪聲主要集中在較低的頻率區間內，與大部分水下科考設備的振動頻率不重合，可通過犧牲部分低頻段船舶的振動性能提升船舶的推進效率，變相提升船舶的續航能力，提高船舶的深遠海作業效率。因此，使用四葉槳對于該船而言是較優的設計方案。另外，選擇螺旋槳材質也是一個技術難點，因為該船需具備一定的破冰能力。因此，選擇破冰性能較好的鋁制螺旋槳代替性價比較高的銅質螺旋槳是更優的設計方案［8］。

2.3 水下輻射噪聲

當前的科考船越來越重視調查設備所采集數據的質量，大部分調查設備都是水下的聲學設備，船舶本身的輻射噪聲會對這些設備產生影響，因此科考船對水下輻射噪聲的影響越來越重視［9-10］。

當前國際上最權威的水下噪聲等級標準是挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）提出的SILENT水下噪聲等級標準，入級符號共有SILENT-A、SILENT-S、SILENT-F和SILENT-R等4個，其中：SILENT-A對高頻段的要求較高；SILENT-S主要針對低頻段；SILENT-F主要針對漁業探測頻段；SILENT-R主要針對高精尖的水下聲學設備。2018年10月，中國船級社（China Classification Society，CCS）發布了《船舶水下輻射噪聲指南》，給出了水下噪聲入籍符號Underwater Noise 1（CCS_URN_1）、Underwater Noise 2（CCS_URN_2）和UnderwaterNoise 3（CCS_URN_3），對應的等級要求與DNV等級對比見圖2［11-12］。

圖2 DNV與CCS的水下噪聲等級對比

船舶作業所需多波束、聲學多普勒流速剖面儀和淺地層剖面儀等水下設備的頻率主要集中在中高頻段，因此中高頻段的水下噪聲帶來的影響較為明顯。同時，噪聲等級控制涉及船型設計、船舶動力推進系統設計、降噪工藝設計和船舶建造工藝設計等船舶設計建造中的幾乎所有環節，提高一點噪聲等級控制能力會使船舶建造成本成倍增加。因此，綜合考慮船舶設計需求和經濟適用性，選擇SILENT-A＋SILENT-S較為理想。在低頻段，可降低一部分噪聲要求；在高頻段，全力保證噪聲等級滿足大多數水下聲學設備的使用要求。此種設計能在最大程度地保障科考船的噪聲控制的同時，有效降低造船成本。

3 結 語

本文從遠洋科考調查船的定位和需求入手，針對船舶設計和建造過程中面臨的幾個重大技術問題，提出了設計指標和設計方向，使船舶能在破冰能力與深遠海科考調查能力2個方面合理兼顧，最大程度地利用現有資源完成科考調查任務。當然，本文提出的設計方向和內容主要考慮的是船舶的定位和需求指標，船型、布局和工藝等也是此類船舶能否建成并達到要求的重要影響因素，需在設計和建造船舶過程中予以關注。