葉 松，周樹道，李 爭

(1.國防科技大學 氣象海洋學院，江蘇 南京 211101；2.中國船舶集團有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

科考船是探索和觀測海洋的重要工具，其主要指用于調查研究海洋水文、地質、氣象、生物等特殊任務的船舶?？瓶即蠖嗑哂休^高的綜合性能，作為海洋科學考察活動的平臺，相關科研人員需要對其所采集的實驗數(shù)據、樣本等進行第一時間的收集整理[1]，保證科學的嚴謹性。船舶內集成了多種先進的航海儀器及科考設備[2]，包括操縱性良好的推進系統(tǒng)[3-8]、動力定位系統(tǒng)[9]、導航設備系統(tǒng)和滿足科學考察及實驗需求的科學探測分析等實驗室儀器設備[10]。

1 科考船發(fā)展現(xiàn)狀

人類對海洋的探索一直在發(fā)展，對海洋的探索活動在20 世紀以來蓬勃發(fā)展。截至2018 年，美國擁有科考船252 艘，歐盟擁有148 艘，俄羅斯擁有116 艘，日本擁有107 艘。美國作為世界上擁有科考船最多的國家，其科考船具有門類詳細、功能齊全、管理規(guī)范等特點[11]；美國科考船以噸位和自持力為標準劃分，發(fā)展了近岸級（Local class）、區(qū)域級（Regional class）、大洋級（Ocean class）、全球級（Global class）等4 級科考船[12]，如表1 所示。

表1 美國科考船分級Tab.1 American classification of research vessel

20 世紀80-90 年代，蘇聯(lián)為實現(xiàn)其海洋戰(zhàn)略，建造了大量的海洋調查船，包括當時世界上最大的45 000 t的“尤里·加加林”號海洋調查船。1991 年12 月蘇聯(lián)解體，俄羅斯作為獨聯(lián)體的核心國和主導國，繼承了蘇聯(lián)海軍的絕大多數(shù)裝備和設施，其中包括大量的海洋調查船。但自蘇聯(lián)解體以后，在近20 年的時間內，俄羅斯沒有建造一艘新海洋調查船，而繼承自蘇聯(lián)的海洋調查船由于缺少經費的支持無法維持日常工作，甚至由于缺乏日常的維修保養(yǎng)進而導致很多調查船無法正常服役。直到2011 年，俄羅斯首次建造的海洋調查船Akademik Tryoshnikov 號才在圣彼得堡下水。

日本由于其特殊地理位置，十分重視對本國周邊海域各海洋要素的觀察測量活動，早在20 世紀20 年代，日本便開始借助船舶進行氣象觀測。自20 世紀60 年代開始，日本大力發(fā)展科考船項目，從功能單一的用于保障航道安全的水深測量船，發(fā)展到目前具備海底地形、海底構造、海洋氣象、海洋水文、地球物理、極地科考等專業(yè)參數(shù)測量的多功能綜合海洋調查船。這些海洋調查船不同學科、不同專業(yè)領域的任務可互相交叉，在完成主要使命的同時，還具備通用海洋參數(shù)測量能力[13]。

中國海洋調查船的歷史始自1956 年。20 世紀60 年代初至70 年代末，是中國海洋調查船發(fā)展較快的一段時期。中國先后建造和改裝了一批遠洋調查船，主要有“實踐”系列、“科學”系列、“實驗”系列、“海洋”系列和“向陽紅”系列等綜合或專業(yè)的遠洋調查船[14]。海洋調查船術語國家標準中將從事海洋科學調查研究和管理的船舶分為22 類[15]，包括綜合調查船、地球物理勘探船、極地考察船、地質調查船等。國家海洋調查船隊在2012-2019 年間，規(guī)模由19 艘發(fā)展為37 艘，已初步形成海洋水體環(huán)境、海洋地質、海洋油氣資源、漁業(yè)資源等多專業(yè)調查能力，調查范圍涵蓋近海、深遠海以及極地[16]。

1.1 極地科考

南北兩極是地球變化的驅動器、全球氣候變化的冷源，因此極地科考關系著全球變化和人類的未來。極地地區(qū)常年被冰層覆蓋，并且極端的氣候條件使得極地科考尤為困難。破冰船是一種專門用于在結冰的水面上開辟航道的特種船舶，破冰船的設計建造強有力地支撐了極地探索及北極航線等的發(fā)展[17]。已有50 多個國家在南極建立了100 多個科學考察站，對南極開展多學科考察研究，在這個過程中，各國的極地破冰船作出了巨大的貢獻。表2 給出了國外典型的極地破冰船。

表2 國外典型極地破冰船Tab.2 Foreign typical icebreaker

中國極地科考船的發(fā)展較晚，隨著中國極地事業(yè)的不斷發(fā)展，航行在大海之上、冰雪之間的極地考察船，也從“向陽紅10”號、“極地”號、“雪龍”號到“雪龍2”號不斷升級換代。

1.2 海洋環(huán)境考察

海洋面積遠大于陸地，是決定全球氣候的重要因素之一，對海洋環(huán)境的考察研究有利于持續(xù)性的發(fā)展。海洋環(huán)境考察涉及到海洋水文氣象環(huán)境、海洋地質、海洋生物等多個方面，因此為全面對海洋環(huán)境進行考察和研究，各國設計并建造了各種專用和綜合科考船，用來保障相應海洋環(huán)境考察任務的順利進行，如美國的Sikuliaq 號、日本的“凌風丸”號、中國的“科學”號等。

表3 部分海洋環(huán)境考察船及其主要任務Tab.3 Partial marine environment research vessels and major mission

海洋環(huán)境考察船主要執(zhí)行海洋環(huán)境考察任務，船上綜合了水文、生物、氣象等領域研究的需求，配備各類測量、取樣、分析及輔助支撐等儀器設備，能在很大程度上滿足各國對海洋環(huán)境考察的任務。

1.3 海洋資源調查

隨著時代的發(fā)展，陸地資源的開采利用過多，海洋資源的重要性愈發(fā)凸顯，海洋資源充分開發(fā)利用是未來發(fā)展的大趨勢。人類從未停止探索海洋資源的腳步，從僅限于魚類捕撈到現(xiàn)在的海洋資源全面利用這一過程中，對海洋資源的探索及認知是堅實基礎。

海洋資源調查任務需求的增加推動了各類專用或綜合資源調查船的發(fā)展，如中國的“淞航”號、印度的Samudra Ratnakar 號、冰島的Arni Fridriksson 號、日本的Kaimei 號、韓國的Tamhae II 號、俄羅斯的Professor Logatchev 號等。

表4 部分資源調查用途船舶Tab.4 Partial vessels used on resource survey

這些資源調查船設有相應的實驗室，如漁業(yè)資源實驗室、漁業(yè)生物實驗室等，并且配備各類先進的回聲測深儀、漁業(yè)拖網、地質采樣和水文采樣設備，以滿足在執(zhí)行海洋資源調查任務中的需要。

2 科考船設計特點

2.1 船型設計選擇

海洋科考船的設計船型包含單體、雙體和小水線面雙體（SWATH）船型等。

1）單體船型因其經典成熟，對負載變化的適應能力強，空船重量占設計排水量的比重較小且吃水較淺，結構設計與建造相對簡單，可適用各級別海域，而被廣泛應用于各類科考船設計。

2）雙體船型具有寬敞的甲板面積，利于調查設備布置。但橫搖周期短，舒適性略差。國外一般設計用于沿海或近海（排水量約200～400 t）的科考船（如法國的L’Europe 號），我國則鮮有設計案例。

3）小水線面雙體（SWATH）船型具有卓越的耐波性，對波浪的運動響應很小，高海況時橫搖角度小、失速小，被稱之為全天候船型，并具有雙體船的布置面積優(yōu)勢。但其結構設計相對復雜，空船重量占排水量的比較大（近70%），負載變化引起吃水的變化量大。已用于科考船中各類潛水作業(yè)保障船、水下系統(tǒng)研究試驗船、近海測繪船、水聲綜合考察船、水聲監(jiān)聽船（如美國的“無暇”號、中國的“沈括”號）等。

圖1 “沈括”號橫剖面線型示意圖[18]Fig.1 Body plan of Shen Kuo ship

4）三體船型是處于發(fā)展中的船型，兼具單體船對負載變化的適應能力強以及SWATH 船型的耐波性強、甲板面積大的優(yōu)勢；其性能特點有待進一步發(fā)掘。

2.2 總體設計

1）作業(yè)海域、船舶噸位與總布置特征?？瓶即瑸橐环N布置地位型船，其主尺度確定優(yōu)先考慮實驗室和作業(yè)甲板布置面積的需求。

表5 科考船總布置特征Tab.5 General arrangement of research vessels

航行于兩極海域作業(yè)的科考船，通常具備0.9～1.2 m厚/2～3 kn 的破冰能力。全球科考船類型抽樣調查數(shù)據顯示：截至2010 年，海洋學研究類科考船的平均總噸約為1 862 GT，水文測量類科考船的平均總噸約為1 652 GT，地震勘探船平均總噸約為3 330 GT。平均值數(shù)據反映了科考船作業(yè)海域的數(shù)量關系。中國近十多年來建造的科考船有大型化的趨勢，即面向遠海與兩極海域。

2）續(xù)航力。航行于沿?；蚪５目瓶即s1 000～5 000 n mile 不等，遠海（洋）海域科考船約8 000～14 000 n mile，兩極海域科考船的續(xù)航力約14 000～21 000 n mile。

3）定員。大多數(shù)科考船的定員（包括船員與科學家）不足60 人。大型三維地震勘探船、大型鉆探船或遠洋破冰科考船的定員則會大于60 人。

4）其他。按規(guī)范定義船長若小于85 m，可用救生筏替代救生艇。燃油艙容積若小于600 m3可不設雙殼保護。國際船級社組織對環(huán)保及大氣排放控制的要求同樣適用于科考船。實驗室內對桌面物品的系固有特殊的系固槽道的考慮。作業(yè)甲板（包括部分實驗室地面）對移動調查設備或集裝箱的系固，通常采取密集均布地腳螺栓的方案。

2.3 性能設計

阻力性能是經典問題。近代科考船設計，長寬比（L/B）降低至4.5～5.5（專業(yè)地震勘探船甚至更低），船寬和水線面增加、橫搖角度減小，使作業(yè)安全性得以提升。伴隨形成阻力增加，油耗上升，最直接的節(jié)能、減阻方法就是降低航速。因此國外一般中小型科考船的設計航速為12～14 kn，經濟航速約8～10 kn。4 000 總噸以上科考船的設計與經濟航速再提高約1～2 kn。

耐波性設計應是科考船設計的關注點。通過預估算、船模試驗求證，判斷預定作業(yè)海況下橫搖、縱搖、垂蕩幅值（首、舯、尾）、垂蕩加速度是否滿足安全作業(yè)要求，輔助用于主尺度的確定。

防船首氣泡對水下設備干擾。設計的重點是船長1/3 范圍內的首部線型，并與阻力問題做統(tǒng)籌考慮。結合各類科考船長寬比（L/B）與寬度吃水比（B/T），由此產生一些獨特的線型設計（如“深海一號”載人潛水器支持母船采用斧型首設計，挪威用X 型首用于物探船設計）。

控制水下輻射噪聲。對從事水聲研究類的科考船需從3 個方面重點控制水下輻射噪聲，即螺旋槳噪聲、機電設備噪聲和船體結構振動噪聲。近年來交流或直流靜音推進電機的應用取得了好的效果。

2.4 推進形式與電站配置

因航行工況、綜合節(jié)能、動力定位、噪聲控制與航速選擇的多樣性考慮，科考船的推進形式已由常規(guī)柴油機軸槳推進，演進到多種電力推進形式，如軸槳電力推進、吊艙、舵槳、可伸縮全回轉槳、長軸可調螺距導管槳、直翼推進電力推進等。發(fā)電機配置數(shù)量從常規(guī)的兩用一備模式，向多發(fā)電機組、無備用機組模式優(yōu)化，在功率管理系統(tǒng)控制下使得電站處于經濟合理的負荷狀態(tài)。

2.5 科考功能及其配套設備設計

1）船載實驗室與數(shù)據中心。科考船設實驗室（或移動集裝箱實驗室）支持海洋科學研究與調查，有水文、化學、生物、物理、地質地貌、氣象等實驗室。中小型科考船也有一個較大的綜合濕實驗室、一個干實驗室和數(shù)據中心兼顧各類試驗需求；樣品庫、科考設備間是常用配置。

2）甲板操控支撐設備（支持在4 級海況下安全作業(yè)）。收放水下探測設備的各類起重設備（尾門架、舷側A 架、液壓折臂吊等），絞車（CTD 絞車、地質絞車、月池配套絞車等），移動搭載調查設備及其系固系統(tǒng)和維護保養(yǎng)系統(tǒng)等；專用于兩級地區(qū)的破冰科考船，還設有直升機飛行支持、保障系統(tǒng)，未來還包括對水上無人機的起降與維護系統(tǒng)。

3）大氣與水下探測設備系統(tǒng)。搭載用于對水體、大氣、海底和深海的科學探測設備，如系留氣艇或小火箭探空、氣象走航式連續(xù)探測與數(shù)據采集系統(tǒng)、底棲生物采集系統(tǒng)、電視抓斗、深海鉆機等。

圖2 英國James Cook 號科考船設備布置Fig.2 Equipment arrangement of British ship James Cook

3 科考船關鍵技術

科考船的關鍵技術往往體現(xiàn)在其獨有的船型功能特征和科考設備與系統(tǒng)的綜合能力。

1）總體集成技術。從功能與投入、船型主尺度優(yōu)化、學科專業(yè)配套、科考設備配置、空間利用與協(xié)調、平面關系、人機工學、未來功能擴展升級等多角度有機融合，實現(xiàn)科考船綜合功能目標。

2）線型設計技術?？瓶即阅芘c線型設計密切相關。一款優(yōu)秀的線型設計是CFD 等軟件優(yōu)化和經驗判斷相結合，可兼顧穩(wěn)性、耐波性、減阻、消波并減少首部氣泡對船底聲學設備的干擾。

3）聲學探測相關技術。包括深水多波束、單波束、分裂波束和地震信號電纜等研制方面的技術。因各專業(yè)公司細節(jié)程序、材料、工藝的不同，造成成像質量、探測范圍和使用壽命方面的較大差異。

4）水下調查取樣設備技術。溫鹽深（CTD）剖面探測器、長柱狀取樣器、水下鉆機、ROV、AUV 等搭載配套設備技術。

5）水面操控支撐設備技術。要確保由A 型架、倒L 架、伸縮（或折臂）吊機、絞車、液壓動力單元、導向滑輪、承重纜或信號電纜等組成的水面操控支撐設備系統(tǒng)，可在4 級甚至5 級海況下安全穩(wěn)定地作業(yè)，技術的關鍵在于對于恒張力或波浪補償控制系統(tǒng)的程序設計。搭載無人機的安全起降技術，將成為下一個技術難點。

6）水下輻射噪聲控制技術。進行水聲學研究的科考船，對控制船舶自身噪聲有特殊的要求。要達到目標效果，涉及對低噪聲螺旋槳、低噪聲機電設備（如交、直流靜音電機）和設備隔振甚至總體系統(tǒng)設計等關鍵技術的組合應用。

7）傳輸速率/帶寬（通道）技術。伴隨5G 和衛(wèi)星技術的發(fā)展，科考船的信息傳輸技術能力必將大幅度地提升。利用大數(shù)據等手段，改善海上實時分析質量，提升科考效率。

8）能源利用相關技術，包括節(jié)能技術與新能源技術?；趯瓶即叫凶鳂I(yè)工況的分析，用柴電推進的科考船已經逐步替代了純內燃機推進的科考船，伴隨形成一系列與電推相關的推進設備技術、傳輸技術與控制技術，如低噪聲吊艙槳、直流母排和動力定位技術等。而對風能、波浪能、太陽能、雙燃料等技術的應用也必將成為未來型科考船的關鍵技術之一。

9）環(huán)保技術。國際間對于船舶燃氣排放的限制，促成科考船與其他類型船舶執(zhí)行同樣的燃氣排放標準并使用新的處理技術。

10）海水制淡、食品保鮮方面的單項技術。反滲透制淡裝置的滲透膜技術決定了其使用壽命；冰溫或氣調保鮮方面的控制技術，決定了蔬菜保鮮的時間等。

11）從智能化到智慧型科考船的發(fā)展技術。少量科考船正在按照CCS 智能船的設計規(guī)范，將智能航行、智能機艙、智能船體、智能集成平臺、遠程控制等技術運用于科考船設計與建造，而未來向智慧型科考船發(fā)展的趨勢也不可阻擋。

4 結 語

科考船集成了當前船舶及各學科最先進的各項技術，正伴隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展而發(fā)展。本文闡述了科考船的發(fā)展、設計特點及關鍵技術，為了解并探索科考船的未來發(fā)展方向提供了參考，對未來科考船的總體設計、關鍵技術應用及發(fā)展具有借鑒意義。