某極地科考船科考收放系統設計

羅志農，巫振漢

（廣東廣船國際海洋科技研究院有限公司，廣州 511457）

1 前言

某極地科考船能夠滿足無限航區和南北兩極海域航行、科學調查作業以及綠色環保要求；能夠攜帶國產化的“深海勇士”號、“奮斗者”號等載人潛水器進行極區載人深潛；配備國際先進的極區海洋科學綜合調查設備，在環境調查方面能夠承擔極區大氣、水面、海冰、水體、底質等綜合調查觀測研究任務，具備有關氣候變化的海洋環境綜合觀測取樣能力，并可開展極區深海資源調查；具有全海深全海域特別是極地水域航行和科考的特點；能夠布放回收載人潛水器、水下纜控潛水器（ROV）、水下無纜自主機器人（AUV）、自動采水系統（CTD）；可測量海水溫度、深度、鹽度；配備了深海絞車、艉門架、舷側門架、月池系統等科考收放設備和系統。

2 絞車設計

2.1 絞車選型

按照本船的功能需求，需要配置CTD 絞車、地質絞車、ROV 絞車、光電纜絞車。本船配置了先進的變頻電動科考絞車系統，其主要功能如下：

1）自動/手動排纜、收纜/放纜方向控制；

2）絞車無級調速、應急停止；

3）纜繩張力、速度、長度檢測及報警等信息實時顯示；

4）本地操作+遠程線控；

5）纜繩清潔及絞車攝像；

6）遠程故障診斷。

各絞車選型要求如下：

1）絞車纜長可支撐全海深科考作業；

2）滿足地質取樣器等的承重要求；

3）盡可能減少絞車數量，可考慮兼用；

4）各絞車安全工作負載，應滿足盡可能多規格的收放設備的需求。

絞車選型如下：

1）CTD 絞車1 套，變頻驅動，牽引式，纜長10 000 m，安全工作負載6 t；

2）地質絞車1 套，變頻驅動，牽引式，纜長13 000 m，安全工作負載30 t；提供承重眼環，收放設備通過承重眼環與纜相連接；

3）光電纜絞車1 套，變頻驅動，牽引式，纜長6 000 m，安全工作負載25 t，光電纜絞車兼作ROV絞車。

2.2 絞車布置

考慮絞車系統在極低氣溫下的安全可靠運行，所有絞車采用集成埋艙方式布置在絞車間；絞車系統的布置應考慮絞車排纜走纜的便利性、絞車維護操作的便捷性，同時兼顧海上作業轉換的高效性。

絞車間布置圖，如圖1 所示。

圖1 絞車間布置圖

3 門架設計

3.1 艉門架

本船露天作業甲板艉部設置一臺液動門架，可用于載人潛器的收放操作，并可服務于光電纜和地質纖維纜。該門架設置了2 個滑輪吊點，右舷滑輪吊點兼顧光電纜和地質纖維纜的布放；配置了無線便攜式操控板用于本地操作，也可在艉操控室操作。

按照全海深載人潛水器“奮斗者”號的重量，再加上潛水器導接頭的重量并留一定余量，艉門架的工作負荷定為100 t；左舷滑輪吊點設計用于未來其它深海裝備的收放，其安全工作負荷盡可能大，為50 t，以適應重型深海裝備。艉門架布置圖，如圖2 所示。

圖2 艉門架布置圖

3.2 舷側門架

潛器間旁艉部作業甲板右舷設置一臺ROV/CTD 共用A 架，其工作負荷為20 t，用于ROV 和CTD 系統的收放等工作；A 架配置ROV 導接頭和CTD 吊點滑輪，按照兼容超大重型ROV的要求，參考國內外ROV資料，最大重量約為5 t，再加上中繼器、導接頭重量并考慮恰當余量，舷側門架安全工作負載定為20 t；按照兼容多層大型CTD 的要求，參考國內外CTD 資料，CTD 吊點滑輪安全工作負載定為6 t。舷側門架布置圖，如圖3 所示。

圖3 舷側門架布置圖

4 月池系統設計

月池系統主要包括：收放系統；艙蓋系統；操控系統。月池系統可配合ROV 絞車及CTD 絞車等，進行ROV、CTD 收放等科考作業；也可通過月池收放其它科考設備和儀器，如搜尋探查型 AUV、水下吊車等。

4.1 月池系統配置

月池系統的配置，見表1。

表1 月池系統配置

為了可收放所有型號的ROV 以及大型科考設備，月池凈開口越大越好。但是大開口會對船體總縱強度造成損害，同時對船體的橫向強度及剛度都有顯著的影響，并且結構設計需要滿足5 級海況開啟月池及科考作業的安全性。所以在保證船體安全滿足規范的情況下，通過有限元及3D 建模CFD 對結構進行優化，考慮船體結構設計安全、設備作業需求、現場施工方便等要求，使設計更加合理；同時，結合船舶布置空間的限制，本船在船中#52～#60 設置月池結構，月池由主甲板通往外板，月池圍井尺寸為6.4×7.6 m，凈開口尺寸為4.8×6 m。

開口尺寸為4.8×6 m 的船底外板對于航速影響極大，因此設置了水密底艙蓋。水密底艙蓋采用單塊蓋板向上開啟的方式：艙蓋關閉時艙蓋下表面與船底外板齊平，同時艙蓋滿足水密要求，蓋板強度考慮了冰區加強的要求，艙蓋四周設有防凍措施，保證艙蓋在冰區的安全啟閉。

月池頂蓋如設計為風雨密，設備成本較高，同時設計和安裝要求也較高，通過優化本船總體設計，可達到頂蓋非密性要求。本船月池頂蓋位于月池圍井頂部，采用2 塊埋入式蓋板向下開啟的方式，艙蓋上表面與主甲板齊平，當處于關閉狀態時，艙蓋上可以堆放一定負荷的重物，同時艙蓋向下開啟，減少了對月池收放提升機構的影響。

月池收放系統，主要技術指標如下：

1）ROV 收放系統

（1）ROV 布放回收模式

安全工作負載：5 t

工作速度：30 m/min

作業海況：4 級正常作業，5 級應急回收

（2）其它裝備布放模式

安全工作負載：20 t

工作速度：15 m/min

作業海況：3 級

2）CTD 收放系統

安全工作負載：3 t

工作速度：30 m/min

作業海況：4 級正常作業，5 級應急回收。

4.2 月池系統工作原理

以ROV 收放為例，先將無人潛水器ROV 與月池系統的ROV 收放裝置的導接頭進行連接，并提升離開月池頂蓋；采用油缸分別驅動月池頂蓋和底蓋開啟，操作ROV 收放裝置，順著月池導軌進行下放、入水，下放至海面規定深度，將導接頭與ROV 脫開，此時可操作光電纜絞車進行ROV 的布放工作；回收時采用光電纜絞車，將ROV 回放至海面規定深度，與導接頭連接后進行提升，從水下一直提升至月池頂蓋上方一定深度；關閉月池頂蓋和底蓋，將ROV 放置在月池頂蓋上方，完成ROV 在月池的布放回收工作；CTD 裝置的收放原理與上述基本一致，但ROV 收放裝置工作時需要CTD 收放裝置處于收藏狀態，當使用時將CTD 收放裝置展開使用。

月池收放系統是月池系統的核心，需要實現CTD、ROV、AUV 等科考設備的收放：CTD、ROV 收放提升，采用固定導軌結合活動導軌的方式，即在頂蓋下方設置固定導軌，頂蓋上方設置活動導軌。非工作狀態時，頂蓋關閉，活動導軌處于最上端位置，收放提升裝置通過止擋塊固定在活動導軌上；工作狀態時，頂蓋開啟，活動導軌在液壓油缸作用下，垂直向下移動，直至與月池圍井中的固定導軌完成對接。此時，收放提升裝置就可順利從活動導軌滑入固定導軌中，實現在圍井內上升與下降的功能。

月池系統主要功能如下：

1）布放回收；

2）提升下放；

3）回轉；

4）閉鎖；

5）緊急停機；

6）頂蓋、底蓋開啟；

7）鎖緊。

5 布纜設計

如前所述，ROV、CTD 等科考設備既可通過布置在露天甲板上的艉門架、舷側門架布放回收，也可在完全冰區或惡劣海況或特殊作業時，通過月池系統實現在船內部遮蔽布放回收。

5.1 艉門架布纜設計

艉液動門架可用于載人潛器的收放操作，并可服務于光電纜和地質纖維纜。載人潛器通過門架上的導接頭與門架連接，無需布纜。

光電纜布纜設計：光電纜絞車→絞車艙艙頂導向滑輪→潛器間三向滑輪→艉門架滑輪；地質纖維纜布纜設計為：地質纜絞車→絞車艙艙頂導向滑輪→潛器間滑輪→艉門架滑輪。

艉門架布纜圖，如圖4 所示。

圖4 艉門架布纜圖

潛器間三向滑輪可手動調整到三個方向：導向艉門架、舷側門架、月池。三向滑輪布纜圖，如圖5 所示。

圖5 三向滑輪布纜圖

5.2 舷側門架布纜設計

舷側門架可用于ROV 和CTD 系統的收放等工作。

ROV 纜布纜設計：

ROV 絞車→絞車艙艙頂導向滑輪→潛器間三向滑輪→舷側門架；

CTD 纜布纜設計為：

CTD 絞車→絞車艙艙頂導向滑輪→潛器間二向滑輪→潛器間滑輪→舷側門架。

二向滑輪布纜圖，如圖6 所示。

圖6 二向滑輪布纜圖

5.3 月池布纜設計

月池系統可用于ROV、CTD 等收放操作，也可用于收放其它科考設備和儀器，如搜尋探查型 AUV、水下吊車等。

ROV 纜布纜設計：

ROV 絞車→絞車艙艙頂導向滑輪→潛器間三向滑輪→潛器間滑輪→月池滑輪→月池；

CTD 纜布纜設計：

CTD 絞車→絞車艙艙頂導向滑輪→潛器間二向滑輪→月池滑輪→月池。

月池布纜圖，如圖7 所示。

圖7 月池布纜圖

6 輔助系統設計

科考收放輔助系統，包括科考設備轉運系統和科考設備交通設施：科考設備轉運系統，用于將科考設備在艉露天甲板、月池車間、月池之間進行轉運；科考設備交通設施，用于載人潛器等的登乘等。

6.1 科考設備轉運系統

主要由安全工作負載為50 t 的電動軌道車、軌道、控制系統、甲板系固件組成，其功能如下：

1）軌道車前進、后退；

2）軌道車調速；

3）防傾覆；

4）緊急停機；

5）多部位操作。

軌道車運行速度為6 m/min，驅動方式為變頻驅動，在4 級海況時可正常作業；軌道車座落在軌道上，軌道分段整體吊裝在軌道，安裝墊塊后用調整墊片進行預調平，然后將安裝支座焊接于軌道安裝墊板上；安裝墊板船上現場定位焊接，焊接完成后上表面激光打平，盡量保證高度平面度。

轉運系統圖，如圖8 所示。

圖8 轉運系統圖

6.2 科考設備交通設施

科考設備交通設施，主要由載人潛器登乘及A 架維護、載人潛器登乘、月池登乘組成。

“奮斗者”號載人潛器，高約5 m、長約10 m，載員的進出口設在頂部，需設計專門的登乘設施，如圖9 所示。

圖9 載人潛器登乘圖

載人潛器A 架的高度約20 m，導接頭的高度約15 m，當A 架維護時也需要設計專門的設施用于到達導接頭處。

載人潛器維護架圖，如圖10 所示。

圖10 載人潛器維護架圖

月池系統使用時，月池上艙蓋打開，需要設計專門的設施用于到達月池內從事解開或連接無人潛器浮標等作業。

7 結束語

本極地科考船科考收放系統的設計，確保本船具備全海深全海域特別是極地水域科考作業的能力，同時具有極佳的兼容性，可服務于今后開發的深?？瓶荚O備；本船可支持極區載人深潛作業、月池作業型ROV、極區海底打撈救援。以上均為國內首創，對今后類似船型設計具有較大的參考價值。