陳清滿 王碩仁 袁東方

(中國極地研究中心,上海 200136)

提要為盡可能滿足極地科考破冰船多學(xué)科多專業(yè)的實(shí)驗(yàn)需求,“雪龍2”號(hào)通過采用大格局和柔性化兩大設(shè)計(jì)理念,在有限的實(shí)驗(yàn)室空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)“科考為主,運(yùn)輸為輔”的功能定位。采用大格局的實(shí)驗(yàn)室,克服船舶實(shí)驗(yàn)室面積有限的劣勢(shì),盡可能滿足各學(xué)科專業(yè)通用的要求,提高實(shí)驗(yàn)室使用效率;采用柔性化的設(shè)計(jì),均衡各學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)之間的特殊需求;結(jié)合移動(dòng)式集裝箱實(shí)驗(yàn)室的調(diào)配,采取分航段作業(yè)模式,拓展實(shí)驗(yàn)支撐能力。工程技術(shù)上,通過模塊化實(shí)驗(yàn)臺(tái)拼裝技術(shù)、靈活的水電氣銜接技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化固定技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)大格局和柔性化的設(shè)計(jì)理念。有效解決了多重矛盾:現(xiàn)代極地科考破冰船科考與運(yùn)輸需求并存,航程長但調(diào)查窗口期較短,實(shí)驗(yàn)室種類少、空間小但綜合調(diào)查涉及學(xué)科專業(yè)多、對(duì)實(shí)驗(yàn)室種類空間要求高,等。

0 引言

海洋科學(xué)考察船作為海洋探測(cè)與研究的重要平臺(tái),是海洋能力建設(shè)的關(guān)鍵組成部分,也是國家綜合國力的體現(xiàn)。開展海洋環(huán)境、海洋(極地)生物資源、海底地形地貌和資源勘探研究是經(jīng)略海洋、建設(shè)海洋強(qiáng)國的基礎(chǔ)。在當(dāng)前國際形勢(shì)下,各國海洋科學(xué)考察船的配備是認(rèn)識(shí)、保護(hù)和利用海洋(極地)的有效手段,其種類、數(shù)量和能力也在一定程度上代表著每個(gè)國家的海洋綜合開發(fā)利用的能力[1]。實(shí)驗(yàn)室,尤其是海洋科學(xué)考察船實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域,先進(jìn)的科學(xué)儀器和優(yōu)越完善靈活的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施是提升現(xiàn)代化科技水平、促進(jìn)科研成果增長的必備條件。在新建海洋科學(xué)考察船實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)計(jì)時(shí),不僅需要考慮實(shí)驗(yàn)室功能性、適用性、合理性、相關(guān)設(shè)備操作的便利性,還需基于船基空間小、凈空低、不相干專業(yè)銜接較多等特征綜合考慮實(shí)驗(yàn)室總體規(guī)劃、平面設(shè)計(jì)和合理布局,以及供電、供水、供氣、通風(fēng)、安全、環(huán)保等基礎(chǔ)設(shè)施。

中國極地考察一個(gè)航次涉及多個(gè)學(xué)科,分為多個(gè)航段進(jìn)行,不同航段對(duì)實(shí)驗(yàn)室需求不同。已運(yùn)行近30年的中國極地科考破冰船“雪龍”號(hào)采用固定格局實(shí)驗(yàn)室,只能要求科研人員適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件,而不能根據(jù)科考隊(duì)員的需求調(diào)整實(shí)驗(yàn)室,存在實(shí)驗(yàn)室利用率低、作業(yè)效率低、多個(gè)學(xué)科共用一個(gè)實(shí)驗(yàn)室相互干擾等問題。南北極科考涉及學(xué)科多,對(duì)實(shí)驗(yàn)室需求多樣,無法全部滿足科考隊(duì)員需求;實(shí)驗(yàn)室缺少電、氣、水等設(shè)施的靈活布置,電線、氣管穿艙困難,影響科考隊(duì)員自帶設(shè)備的正常使用和數(shù)據(jù)獲取;實(shí)驗(yàn)臺(tái)缺少有效的固定裝置,尤其當(dāng)船舶頻繁穿越南半球40°S～60°S、終年盛行5～6級(jí)西風(fēng)和4～5 m 高涌浪的西風(fēng)帶[2],船舶搖晃劇烈,常出現(xiàn)由于設(shè)備固定不牢而損壞的現(xiàn)象,影響科考作業(yè)順利進(jìn)行。

為解決“雪龍”號(hào)實(shí)驗(yàn)室存在的不足,中國新建破冰船可行性研究階段時(shí)提出了“大格局”實(shí)驗(yàn)室的要求[3],在后期設(shè)計(jì)建造階段,將“柔性布局”實(shí)驗(yàn)室的概念首次引入極地科考破冰船。按照“大格局、柔性化”的設(shè)計(jì)思路,結(jié)合目前最新的工藝和設(shè)備,最終成功建造了“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室。

“雪龍2”號(hào)極地考察船隸屬于自然資源部中國極地研究中心,是中國第一艘自主建造的極地科考破冰船,與“雪龍”號(hào)共同構(gòu)成了執(zhí)行我國極地科學(xué)考察任務(wù)的全部海上力量?！把?”號(hào)船長122.5 m、型寬22.32 m、型深11.8 m、設(shè)計(jì)吃水7.85 m、滿載吃水8.3 m、設(shè)計(jì)排水量13 996 t、航速12.4 kn(經(jīng)濟(jì)航速)/15.9 kn(機(jī)動(dòng)航速)/18 kn(最大航速)、載員90人、續(xù)航力18 000 n mile、自持力60 d、破冰能力PC3級(jí)。“雪龍2”號(hào)于2018年9月10日下水,2019年6月15日完成常規(guī)試航,9月18日完成科考試航,并于10月15日開始執(zhí)行我國第36次南極科學(xué)考察任務(wù)。

1 科考破冰船實(shí)驗(yàn)室的共性問題

現(xiàn)代極地科考破冰船較多為綜合性科考船,實(shí)驗(yàn)室和科考設(shè)備的配備均需滿足多個(gè)學(xué)科調(diào)查采樣、實(shí)驗(yàn)分析等需求。在滿足模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,現(xiàn)代綜合型科考船,尤其是遠(yuǎn)洋級(jí)科考船,越來越多考慮集裝箱模塊作為補(bǔ)充[4-5]。區(qū)別于專營北極的極地科考船,承擔(dān)南極科考任務(wù)的極地科考船往往還需兼顧為正在建造的考察站運(yùn)送建站物資和已建考察站運(yùn)送補(bǔ)給的任務(wù)?！把?”號(hào)的定位與“雪龍”號(hào)“運(yùn)輸為主科考為輔”的定位恰好相互補(bǔ)充,為“科考為主運(yùn)輸為輔”。正如前面所述,這里運(yùn)輸為輔的定義正是涵蓋了1500T 建站或站用物資的補(bǔ)給能力。運(yùn)貨需求將縮減“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室面積并提高實(shí)驗(yàn)室的建造難度。此類平衡兼顧的需求勢(shì)必會(huì)對(duì)現(xiàn)代極地科考破冰船的科學(xué)調(diào)查能力造成一定的影響。

目前國際上主要科考破冰船雖然船舶尺度差別較大,但是實(shí)驗(yàn)室的面積大都介于300～500 m2之間(表1)。“雪龍”號(hào)實(shí)驗(yàn)室面積相對(duì)較大,但也僅比船長小了73 m的“希利”號(hào)大了39 m2;“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室面積同樣在類似船舶中尺寸較小。同時(shí),受限于船舶的尺寸、層高及造價(jià)等因素,船舶實(shí)驗(yàn)室與陸地上動(dòng)輒幾百上千平米的實(shí)驗(yàn)室無法相提并論。如何在船舶有限空間內(nèi)滿足綜合性科考的需求,創(chuàng)造更多實(shí)驗(yàn)條件滿足更多的科學(xué)調(diào)查需求,是目前綜合極地科考破冰船實(shí)驗(yàn)室建設(shè)所面臨的一個(gè)重要共性問題。

表1 “雪龍2”號(hào)與國際主要破冰船對(duì)比Table1.Comparison between Xuelong 2 with other main icebreakers in the world

2 “雪龍2”實(shí)驗(yàn)室的特殊設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域,先進(jìn)的科學(xué)儀器和優(yōu)越完善靈活的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施是提升現(xiàn)代化科技水平、促進(jìn)科研成果增長的必備條件。實(shí)驗(yàn)室的特殊功能和綜合布置水平也標(biāo)志著國家的科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)達(dá)程度,對(duì)科研成果的獲取有直接影響。世界海洋科考船的發(fā)展趨勢(shì)與船舶工業(yè)技術(shù)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)大致相同,突出表現(xiàn)在現(xiàn)代海洋科考船與調(diào)查技術(shù)的融合越來越緊密。一方面,調(diào)查儀器設(shè)備的集成化和小型化,使船舶可容納、搭載更多的各類調(diào)查設(shè)備,使船舶具備了綜合調(diào)查作業(yè)功能基礎(chǔ),促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室設(shè)置的通用性。另一方面,極地科考具有航程遠(yuǎn)、航時(shí)長、考察窗口期短等特征,有限的極地科考破冰船數(shù)量決定了在一次考察中須滿足多個(gè)學(xué)科的專業(yè)需求。與陸上實(shí)驗(yàn)室較多為專業(yè)性實(shí)驗(yàn)室不同,除一些專業(yè)的特種科考調(diào)查船外,一般海洋科考船尤其是極地科考船均以綜合調(diào)查船為主。

“雪龍2”號(hào)極地科考船承擔(dān)著每年中國往返南極的極地科考任務(wù),具有總航程長、時(shí)間窗口短等特征。同時(shí),“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室涵蓋大氣、冰川與海冰、水文與氣象、海底地形地貌、海洋浮游生物、游泳生物、微生物、細(xì)菌病毒、海洋化學(xué)、重力與磁力、人工地震勘探等十多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的綜合平臺(tái),搭載的人員和設(shè)備也較多?！把?”號(hào)破冰等級(jí)為PC3,“雪龍”號(hào)為PC6[6],破冰能力的提升意味著可以在更冷的季節(jié)到達(dá)更多冰封的海域,科考作業(yè)空間和時(shí)間均得到拓展。上述特征決定了“雪龍2”號(hào)的實(shí)驗(yàn)室必須從設(shè)計(jì)、技術(shù)上采取措施,確保能在約333 m2的有限實(shí)驗(yàn)室空間內(nèi),滿足一個(gè)綜合航次內(nèi)各項(xiàng)需求迥異的學(xué)科考察實(shí)驗(yàn)需求。

2.1 大格局實(shí)驗(yàn)室

“雪龍2”號(hào)是一艘國際先進(jìn)的綜合科考破冰船,實(shí)驗(yàn)室配備了極地海洋/大氣/海冰綜合環(huán)境、海洋地質(zhì)地球物理和海洋生物生態(tài)的大氣、水面、水體和水底調(diào)查設(shè)備。在綜合環(huán)境調(diào)查方面具備與氣候變化密切相關(guān)的主要海洋和大氣綜合觀測(cè)取樣能力,是我國極地海洋基礎(chǔ)研究綜合調(diào)查觀測(cè)平臺(tái);在海洋地質(zhì)、地球物理調(diào)查方面具備在極地海區(qū)季節(jié)性地開展海洋地質(zhì)、海洋重力、磁力和人工地震的調(diào)查作業(yè)能力,是我國極地海底科學(xué)調(diào)查研究的重要工作平臺(tái);在海洋生物、生態(tài)調(diào)查方面,具備海洋生物、生態(tài)調(diào)查和評(píng)估的手段,是我國極地海洋生物資源調(diào)查的基本平臺(tái)。

為滿足上述綜合科考能力需求,“雪龍2”號(hào)配備了總面積約333 m2的船載實(shí)驗(yàn)室及若干集裝箱移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。船載實(shí)驗(yàn)室分為:環(huán)境信息室、物理實(shí)驗(yàn)室(“雪龍2”號(hào)物理實(shí)驗(yàn)室延續(xù)“雪龍”號(hào)的習(xí)慣稱呼,并非專為物理學(xué)專業(yè)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)室,具體功能見下文)、第一(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室、第二(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室、低溫實(shí)驗(yàn)室、重力儀室等(表2)。

“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室總面積相對(duì)于其他科考破冰船而言,并不像船舶尺寸一樣具有優(yōu)勢(shì),固定實(shí)驗(yàn)室只有6個(gè),數(shù)量也較少(表2)。除環(huán)境信息室、重力儀室和低溫實(shí)驗(yàn)室等專業(yè)實(shí)驗(yàn)室外,物理實(shí)驗(yàn)室、第一(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室、第二(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室的面積均超過80 m2。

表2 “雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)Table2.Laboratories of Xuelong 2

環(huán)境信息室位于9層甲板右后舷側(cè),為干實(shí)驗(yàn)室。主要用于常規(guī)氣象觀測(cè)、衛(wèi)星遙感和氣象觀測(cè)室內(nèi)終端設(shè)備等的布置,與羅經(jīng)甲板上的上述設(shè)備室外部分相關(guān)聯(lián),如衛(wèi)星的天線、氣象觀測(cè)的傳感器等。

物理實(shí)驗(yàn)室主要用于布置物理海洋學(xué)相關(guān)設(shè)備(如ADCP 等)的室內(nèi)終端,布置海洋生物儲(chǔ)量探測(cè)設(shè)備室內(nèi)終端,布置地形地貌調(diào)查設(shè)備(如多波束、淺剖、測(cè)深等)室內(nèi)終端等(圖1)。

圖1 物理實(shí)驗(yàn)室Fig.1.Physics Lab

第一(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室位于主甲板左舷,可根據(jù)航次需求用作海洋生物實(shí)驗(yàn)室,亦可用作綜合地球物理實(shí)驗(yàn)室、海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室等用途。作為海洋生物實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)為濕實(shí)驗(yàn)室,可進(jìn)行表層海水采集和預(yù)處理、生物分樣和預(yù)處理、海洋生物實(shí)驗(yàn)等。作為綜合地球物理實(shí)驗(yàn)室時(shí)為干實(shí)驗(yàn)室,可進(jìn)行地球物理設(shè)備運(yùn)行及調(diào)試、人工地震設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)、相關(guān)備品備件存儲(chǔ)。作為海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室時(shí)配備大型不銹鋼桌面、海/淡水槽、超大地漏、防水防滑耐磨地板、冰箱和低溫冰柜等,可進(jìn)行地質(zhì)樣品的分割、處理與實(shí)驗(yàn)(圖2)。

圖2 第一(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室Fig.2.No.1 (dry &wet) General Lab

第二(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室位于主甲板右舷,可根據(jù)航次需求用作化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)室。可進(jìn)行表層海水采集和預(yù)處理、常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、大氣化學(xué)實(shí)驗(yàn)等。配備通風(fēng)櫥、普通冰箱、臥式低溫冰箱、溫控烘箱、純水和超純水機(jī)、光照培養(yǎng)箱、營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀等通用設(shè)備。以及其他除上述第一(通用)實(shí)驗(yàn)室之外的實(shí)驗(yàn)(圖3)。

圖3 第二(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室Fig.3.No.2 (dry &wet) General Lab

低溫實(shí)驗(yàn)室溫度可調(diào),為2～10℃,主要進(jìn)行海洋生物、海水樣品的低溫處理和實(shí)驗(yàn)。

重力儀室位于全船穩(wěn)心位置,主要用于重力觀測(cè)設(shè)備、姿態(tài)傳感器的布設(shè)和數(shù)據(jù)采集處理。

集裝箱移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室是船載實(shí)驗(yàn)室的重要補(bǔ)充,目前“雪龍2”號(hào)配置了10個(gè)(3個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,7個(gè)輔助集裝箱),分別為1個(gè)預(yù)處理集裝箱實(shí)驗(yàn)室、1個(gè)?；反鎯?chǔ)和廢液處理集裝箱實(shí)驗(yàn)室、1個(gè)低溫冰雪試驗(yàn)集裝箱實(shí)驗(yàn)室、1個(gè)冷凍樣品集裝箱、2個(gè)地質(zhì)采樣設(shè)備儲(chǔ)存集裝箱、1個(gè)調(diào)查網(wǎng)具儲(chǔ)藏集裝箱、3個(gè)地震設(shè)備及其他儲(chǔ)藏集裝箱。

“雪龍2”號(hào)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)時(shí),充分考慮實(shí)驗(yàn)室與月池車間及實(shí)驗(yàn)室與露天甲板間各專業(yè)作業(yè)流程動(dòng)線,根據(jù)功能劃分區(qū)域,將實(shí)驗(yàn)室集中布局,并盡可能采用大格局形式(圖4)。所謂大格局式的實(shí)驗(yàn)室是指將實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求、實(shí)驗(yàn)設(shè)備需求相近的若干學(xué)科、若干專業(yè)集中在一起,實(shí)驗(yàn)室化零為整,整體效果佳,綜合使用效率也大大提升。沉積物、海洋生物和海水樣品主要在“雪龍2”號(hào)露天作業(yè)甲板獲取,通過第一(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室靠近艉部的雙開門進(jìn)入,在大型不銹鋼工作桌上進(jìn)行初步篩選、分樣、固定等預(yù)處理,再進(jìn)入靠近艏部的實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)。處理后的廢棄物可通過環(huán)繞大型不銹鋼工作桌的格柵式下水迅速排出,保持實(shí)驗(yàn)室清爽整潔(圖4右上)。長柱狀沉積樣品從露天作業(yè)甲板穿過月池車間(圖4左下陰影區(qū)域)直接進(jìn)入低溫樣品庫,測(cè)試時(shí)移動(dòng)到隔壁的低溫實(shí)驗(yàn)室即可。CTD 舷側(cè)作業(yè)完畢,采集的海水樣品直接進(jìn)入月池車間分樣后,通過與第一(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室和第二(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室相連的開門直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析化驗(yàn)。主實(shí)驗(yàn)室四周鑲嵌配套科考儲(chǔ)藏倉庫、實(shí)驗(yàn)樣品庫等輔助艙室,充分滿足實(shí)驗(yàn)物資轉(zhuǎn)運(yùn)需求。大格局開放兼容的優(yōu)勢(shì)正是確保每個(gè)學(xué)科每個(gè)專業(yè)均能在某個(gè)實(shí)驗(yàn)室中找到一個(gè)屬于自己的位置,確保每個(gè)航次調(diào)查任務(wù)覆蓋范圍的最大化。

圖4 實(shí)驗(yàn)室布置圖Fig.4.Lab arrangement plan

2.2 柔性化實(shí)驗(yàn)室

雖然調(diào)查儀器設(shè)備集成化和小型化使得各專業(yè)對(duì)實(shí)驗(yàn)室空間的需求相對(duì)減弱,以及某些學(xué)科在某些專業(yè)領(lǐng)域中有諸多共通的實(shí)驗(yàn)條件,使得大格局實(shí)驗(yàn)室成為可能。但如何在一個(gè)通用空間內(nèi)解決相近實(shí)驗(yàn)條件之間細(xì)微的差別,將學(xué)科與學(xué)科、專業(yè)與專業(yè)之間的干擾降到最小,這是實(shí)現(xiàn)大格局高利用率的一個(gè)前提。

“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室另一典型特征為柔性化。柔性化理念是20世紀(jì)60年代末至70年代初提出的,最初主要應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床和其他自動(dòng)化工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)上[7]。例如:應(yīng)用在汽車設(shè)計(jì)生產(chǎn)領(lǐng)域,一條生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)兼顧多種車型的需求,可隨著市場(chǎng)潮流的變化隨時(shí)改變生產(chǎn)策略?！把?”號(hào)實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)建造時(shí),引入柔性化概念,基于整體大格局實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置,為滿足各學(xué)科各專業(yè)不同使用需求而采取便捷的合理布局措施。從此定義可知以“雪龍2”號(hào)為代表的現(xiàn)代極地科考破冰船實(shí)驗(yàn)室最為主要的兩大特征:大格局、柔性化,兩者相輔相成、互補(bǔ)協(xié)調(diào)。

具體說來,柔性化是指如下兩個(gè)方面:一方面,為滿足不同學(xué)科不同儀器設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)室諸如實(shí)驗(yàn)臺(tái)面高低、設(shè)備是否落地等不同需求而做出適應(yīng)性調(diào)整,以滿足實(shí)驗(yàn)室內(nèi)作業(yè)環(huán)境之間的差別;另一方面,船舶實(shí)驗(yàn)室空間一般均較小,為了合理安排實(shí)驗(yàn)空間,較多科考船將一個(gè)航次分為若干個(gè)航段,不同航段的側(cè)重不同。同一航次不同航段任務(wù)的不同,會(huì)帶來對(duì)實(shí)驗(yàn)室布局、供水供電和供氣、通排風(fēng)等細(xì)節(jié)上的差別。這就需要在航段之間,實(shí)驗(yàn)室能夠根據(jù)航段的調(diào)查任務(wù)側(cè)重,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)布局等便捷變換。以“雪龍2”號(hào)第一(干濕)通用實(shí)驗(yàn)室為例,在進(jìn)行以底棲沉積物為主的調(diào)查時(shí),實(shí)驗(yàn)臺(tái)與其他學(xué)科有顯著區(qū)別,沉積物分樣需具備較大的水斗便于清洗、較開敞的長條形工作桌便于分樣、便利的地板下水便于沖洗工作桌和地板、合適的區(qū)域放置和固定樣品分割設(shè)備、合理的動(dòng)線往來低溫樣品庫與實(shí)驗(yàn)室便于存取樣品等;而在用作海洋生物實(shí)驗(yàn)時(shí),需要有良好的通風(fēng)環(huán)境便于排出異味、適當(dāng)干燥的區(qū)域便于放置解剖鏡和顯微鏡等實(shí)驗(yàn)設(shè)備、較多的落地冰箱用于臨時(shí)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)樣品等。上述兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景均是對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室提出的具體要求,如何在基本硬件數(shù)量、質(zhì)量等配置不變的前提下,通過合理調(diào)配實(shí)驗(yàn)室的布局,進(jìn)行功能區(qū)劃的切換、干濕區(qū)域的分區(qū)、行動(dòng)動(dòng)線的設(shè)置,均對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和建造提出了更高的要求。

3 大格局和柔性化的實(shí)現(xiàn)

“雪龍2”號(hào)的功能定位已經(jīng)明確其科考調(diào)查能力需要能夠滿足日益復(fù)雜的科考任務(wù),解決多學(xué)科的交叉實(shí)驗(yàn)需求,能確保實(shí)驗(yàn)室具備多學(xué)科自適應(yīng)能力和靈活調(diào)整能力,還能滿足不同航次對(duì)實(shí)驗(yàn)室不同的個(gè)性化、靈活性的要求。船載實(shí)驗(yàn)臺(tái)是“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分,是海上科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的主要工作平臺(tái),是樣品及數(shù)據(jù)的采集、處理、分析與評(píng)估的重要支撐。實(shí)驗(yàn)臺(tái)在功能上必須滿足極地考察開展各學(xué)科調(diào)查和實(shí)驗(yàn)的基本條件,同時(shí)由于極地惡劣環(huán)境的特殊性還應(yīng)充分考慮人性化、舒適化的性能要求。

結(jié)合“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室大格局和柔性化的特點(diǎn),在建造實(shí)驗(yàn)室中需要解決以下問題:能夠快捷、方便、靈活地實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備等在不同航段的拆除、增加及穩(wěn)定固定;因不同學(xué)科和不同研究方向的實(shí)驗(yàn)需求,實(shí)驗(yàn)室能在短時(shí)間內(nèi)(通常靠港時(shí)間為3 天左右,除去物資補(bǔ)給外,只有1天左右的時(shí)間留給實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行切換)快速調(diào)整至滿足相應(yīng)實(shí)驗(yàn)需求的平面布局和環(huán)境條件;能高效、簡潔、快速、靈活地完成因儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室布局的調(diào)整帶來的配套機(jī)電、氣路、智能化等系統(tǒng)的配合調(diào)整。

目前中國船級(jí)社CCS、英國勞氏船級(jí)社LR都沒有船舶實(shí)驗(yàn)室建造的規(guī)范;實(shí)驗(yàn)室建造設(shè)計(jì)廠家建造極地科考破冰船實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)較少,建造適用于極地科考破冰船的“大格局、柔性化”實(shí)驗(yàn)室的難度較大。經(jīng)過中國極地研究中心、設(shè)計(jì)院、船廠、實(shí)驗(yàn)室廠商不斷研究探索,采用模塊化實(shí)驗(yàn)臺(tái)拼裝技術(shù)、靈活水電氣銜接技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化固定技術(shù)等解決了上述問題,建造標(biāo)準(zhǔn)參考陸地實(shí)驗(yàn)室規(guī)范[8-10],同時(shí)也盡可能滿足相關(guān)船舶規(guī)范[11-14],最終建造完成了大格局下的柔性化實(shí)驗(yàn)室。

3.1 模塊化實(shí)驗(yàn)臺(tái)拼裝技術(shù)

模塊化實(shí)驗(yàn)臺(tái)拼裝技術(shù)可在同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以較快速度靈活、機(jī)動(dòng)地調(diào)整并固定實(shí)驗(yàn)臺(tái),以實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)對(duì)實(shí)驗(yàn)室布局的特殊需求?！把?”號(hào)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用長寬成整數(shù)倍比關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)模塊單元,每個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)臺(tái)長度均為1 500 mm,寬度均為750 mm。每個(gè)模塊既可單獨(dú)使用,又可相互拼接組合。為配合實(shí)驗(yàn)臺(tái)便捷組合,實(shí)驗(yàn)臺(tái)桌腳為可升降式滑輪,移動(dòng)時(shí)將滑輪落下,方便移動(dòng);固定時(shí)將滑輪上升,桌腿著地增大摩擦力。此外,每個(gè)單獨(dú)模塊的實(shí)驗(yàn)臺(tái)分別由試劑架、功能架、臺(tái)面、框架、底柜模塊化組合而成,相互之間可以自由組合和隨意拆分,極大拓展了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺(tái)組合的便利性和靈活性。例如:對(duì)于高度較高的臺(tái)面上設(shè)備,固定的桌面往往難以調(diào)整至合適的操作高度,“雪龍2”號(hào)模塊化設(shè)計(jì)可以便捷地調(diào)整臺(tái)面高度,以適應(yīng)不同高度的臺(tái)上設(shè)備,從而提高實(shí)驗(yàn)操作人員的實(shí)驗(yàn)舒適度。此種獨(dú)特的模塊化實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng),使得實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的布局調(diào)整布置變成了“搭積木”,有效解決了因?yàn)閷W(xué)科差異、研究方向的不同帶來的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置的多樣化需求,從根本上實(shí)現(xiàn)大格局下的柔性化(圖5)。

圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)單體圖Fig.5.Single experimental table

3.2 靈活的水電氣銜接技術(shù)

相對(duì)于通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)臺(tái)的位置實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空間布局調(diào)整,配套的供水、供電、供氣、下水等的靈活供給變換才是實(shí)現(xiàn)大格局下柔性化實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)和難點(diǎn)?！把?”號(hào)實(shí)驗(yàn)室在墻面、天花板上設(shè)置若干隱藏式功能帶(圖6、7),功能帶內(nèi)涵蓋水、電、氣路接口。功能帶采用模塊化形式,便于根據(jù)需求進(jìn)行靈活拆、裝、維護(hù)、調(diào)整、更換;功能帶內(nèi)各接口均采用標(biāo)準(zhǔn)化快速接頭,即插即用。實(shí)驗(yàn)臺(tái)布局調(diào)整后,就近打開功能帶面板,采用速接接頭快速連接水、電、氣至實(shí)驗(yàn)臺(tái)。天花板上或壁板上功能帶的連接管線均通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能柱引至實(shí)驗(yàn)臺(tái)上功能帶,確保實(shí)驗(yàn)室上空整潔清爽。

圖6 功能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.6.Structure diagram of function module

圖7 天花板上功能帶實(shí)物圖.左圖為功能帶蓋板打開,右圖為蓋板關(guān)閉Fig.7.Function module on plafond.Left:the cover is open;right:the cover is closed

此外,“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室水、電、氣供給系統(tǒng)除滿足目前設(shè)置的多種實(shí)驗(yàn)臺(tái)布局模式外,還預(yù)留適應(yīng)未來發(fā)展計(jì)劃的拓展空間及接口。同時(shí),實(shí)驗(yàn)室頂部合適區(qū)域內(nèi)設(shè)置合金管線架,全方位確保水、電、氣供給系統(tǒng)的靈活、美觀(圖8、9)。各種布局、各種模式均可通過硬件的資源調(diào)配實(shí)現(xiàn),而配套的軟件,例如:通風(fēng)、照明、監(jiān)控等也需要配合調(diào)整。“雪龍2”號(hào)采用智能化終端控制系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)臺(tái)和供給系統(tǒng)布局發(fā)生改變后,可一鍵式調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)模式下的通風(fēng)、照明、監(jiān)控等系統(tǒng),有效調(diào)整實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境的安全性和舒適度。

圖8 實(shí)驗(yàn)室電氣安裝示意圖Fig.8.Electrical installation diagram of lab

圖9 實(shí)驗(yàn)室氣路安裝圖Fig.9.Air circuit installation diagram of lab

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化固定技術(shù)

船載實(shí)驗(yàn)室不同于陸基實(shí)驗(yàn)室,由于風(fēng)浪抨擊、涌浪升沉、上建受風(fēng)下建受流等影響,船舶會(huì)產(chǎn)生一定幅度的搖擺、偏斜、波動(dòng)。此外,極地科考破冰船有破冰劇烈震動(dòng)的特殊工況,類似于高速行駛的汽車受到撞擊后在短時(shí)間內(nèi)速度急劇下降甚至停止,車內(nèi)未固定的物品會(huì)因慣性前沖掉落。這要求實(shí)驗(yàn)臺(tái)與實(shí)驗(yàn)室地板或墻壁連接牢固、實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上或落地的設(shè)備能有效固定、實(shí)驗(yàn)室柜門和抽屜等帶鎖止功能。其中實(shí)驗(yàn)室柜門和抽屜的鎖止功能通過現(xiàn)有的五金件就能實(shí)現(xiàn),而前兩者是現(xiàn)代船載實(shí)驗(yàn)室普遍面臨的問題。

對(duì)于固定布局的實(shí)驗(yàn)室,相應(yīng)的固定設(shè)施較簡單,不需考慮布局變換后對(duì)應(yīng)的設(shè)備、家具等固定位置的調(diào)整。而對(duì)于柔性化布局實(shí)驗(yàn)室,須考慮柔性化切換帶來的實(shí)驗(yàn)臺(tái)固定、落地設(shè)備固定和臺(tái)面設(shè)備固定的變化問題?！把?”號(hào)實(shí)驗(yàn)室在天花板和壁板上采用均布的合金C型卡槽固定系統(tǒng),配合地板上均布的地腳螺栓和局部的哈芬槽來解決上述問題。均布的地腳螺栓用于實(shí)驗(yàn)臺(tái)位置調(diào)整后的固定,是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室柔性化布局的重要保證。同時(shí),配合帶螺栓的卡環(huán)也為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備或物資的固定提供錨固點(diǎn)。C型卡槽運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上,通過配套的卡扣螺絲采用夾或壓的形式固定臺(tái)面物資;運(yùn)用在壁板上,可解決臺(tái)面上較高設(shè)備的固定問題,與地腳螺栓或哈芬槽組合使用還可將落地設(shè)備固定牢靠;運(yùn)用在天花板上,可作為天花板固定的主龍骨,又可作為不銹鋼可沖洗實(shí)驗(yàn)臺(tái)(桌面不便于設(shè)置插座、氣路等接口)等上方飛纜模塊的固定軌道。

圖10 使用C型卡槽固定實(shí)驗(yàn)桌上設(shè)備Fig.10.Using C-type slot to fix the equipment on the lab table

C型卡槽在實(shí)驗(yàn)臺(tái)本體結(jié)構(gòu)上也得到了較多運(yùn)用。“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室通過C型卡槽實(shí)現(xiàn)臺(tái)面或柜體高度的自由調(diào)節(jié),使用者可根據(jù)使用習(xí)慣、身高等特征隨意調(diào)整;可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求任意調(diào)節(jié)試劑架的高度和數(shù)量(圖5)。同時(shí),“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室C型卡槽又分為單C型卡槽和雙C型卡槽兩種,單C型卡槽主要用于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上設(shè)備臨時(shí)固定,雙C型卡槽主要用于天花板、壁板和實(shí)驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)(圖11、12)。相比于單C型卡槽,雙C型卡槽的兩道卡槽可提供兩倍的固著力點(diǎn),固定更穩(wěn)固。

“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室全船的C型卡槽均采用通用的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),后續(xù)新增、更換和調(diào)整更為靈活、快捷。同時(shí)針對(duì)海上的使用環(huán)境特點(diǎn),采用氟碳漆噴涂技術(shù)保護(hù)合金型材表面,增強(qiáng)了雙C型卡槽抗酸堿腐蝕和海上鹽霧的能力。

圖11 墻壁上雙C型合金卡槽固定系統(tǒng)Fig.11.Double C-type alloy slot fixing system on wall

圖12 雙C型卡槽的合金固定支架系統(tǒng)Fig.12.Fixed alloy bracket system with double C-type slots

3.4 集裝箱實(shí)驗(yàn)室作為補(bǔ)充

大格局和柔性化的實(shí)驗(yàn)室解決了一些通用性的問題,“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境條件有特殊要求的實(shí)驗(yàn)也有專門考慮。例如:極地冰雪實(shí)驗(yàn)對(duì)溫度有較高要求,開敞的大格局實(shí)驗(yàn)室難以滿足局部–30℃～ –20℃的低溫控制需求;一些實(shí)驗(yàn)需使用放射性元素,例如初級(jí)生產(chǎn)力測(cè)量使用C14,實(shí)驗(yàn)室需具備專業(yè)的隔離措施等。“雪龍2”號(hào)在艉部作業(yè)甲板設(shè)計(jì)了能放置8個(gè)長6 058 mm、寬2 438 mm、高2 591 mm 集裝箱移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái),并預(yù)留水、電、氣標(biāo)準(zhǔn)快速接口。每一個(gè)集裝箱移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室相互獨(dú)立、自成系統(tǒng),可滿足自身特殊的實(shí)驗(yàn)需求。在同一航次的不同航段,可根據(jù)該航段的作業(yè)任務(wù),合理配置集裝箱移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室種類和數(shù)量,拓展“雪龍2”號(hào)科考調(diào)查支撐能力和實(shí)驗(yàn)種類。

4 小結(jié)

南北極科考具有任務(wù)多、航段多、作業(yè)時(shí)間窗口短、作業(yè)學(xué)科多、科考設(shè)備多等特點(diǎn),“雪龍2”號(hào)采用大格局實(shí)驗(yàn)室,克服船載實(shí)驗(yàn)室空間有限的劣勢(shì),盡可能滿足多學(xué)科專業(yè)的通用要求,提高實(shí)驗(yàn)室使用效率;采用柔性化的設(shè)計(jì),均衡各學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)間的特殊需求;結(jié)合分航段調(diào)配集裝箱移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的模式,拓展實(shí)驗(yàn)支撐能力。雖然目前極地船載實(shí)驗(yàn)室建造缺乏相應(yīng)規(guī)范,可借鑒方案也較少,經(jīng)與設(shè)計(jì)院、船廠共同探索,通過以模塊化實(shí)驗(yàn)臺(tái)拼裝技術(shù)、靈活水電氣銜接技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化固定技術(shù)等三項(xiàng)技術(shù)作為基礎(chǔ),順利實(shí)現(xiàn)大格局、柔性化的設(shè)計(jì)理念,最終完成“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室的建造工作。

在中國第36次南極考察期間,“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室管理人員對(duì)結(jié)束科考調(diào)查作業(yè)的28 名科考隊(duì)員進(jìn)行了航次實(shí)驗(yàn)室使用情況調(diào)查,隊(duì)員總體滿意度較高,“雪龍2”號(hào)實(shí)驗(yàn)室可靈活地滿足隊(duì)員對(duì)于實(shí)驗(yàn)室使用的需求?！把?”號(hào)定位于“科考為主、運(yùn)輸為輔”,與主流的極地科考破冰船的情況類似,具有典型代表性。大格局、柔性化設(shè)計(jì),配合集裝箱實(shí)驗(yàn)室,有效地解決了極地科考破冰船科考與運(yùn)輸需求并存、長航程但調(diào)查窗口期較短、實(shí)驗(yàn)室種類少空間小但綜合調(diào)查涉及學(xué)科專業(yè)多、對(duì)實(shí)驗(yàn)室種類空間要求高等之間的矛盾,對(duì)今后我國類似船舶實(shí)驗(yàn)室的建造具有一定的借鑒意義。