海洋论坛▏国外海洋科考船现状及总体设计技术发展方向

一、引言

世界各国的海洋规划都把加强海洋能力建设作为重要目标，认为海洋能力建设，特别是海洋综合探测能力建设是促进海洋科技发展的关键所在，随着科技的迅猛发展，人类透过大洋钻探、海底深潜等手段，将视野更深入地投向深海大洋，海洋深部丰富的资源也越来越引起世界各国的关注，尤其是1994年《国际海洋法公约》生效以后，对专属经济区以外深海大洋的国际竞争日趋激烈。中日划界之争、俄罗斯在北冰洋海底宣誓主权等，都是很好的例证。事实表明，深海国际竞争的时代已经到来。21世纪是海洋世纪，随着国民经济的发展和海洋意识的增强，海洋科考船作为人类调查研究和认识海洋的重要工具，必将有更多方面的发展和需求，其广阔的发展前景毋庸置疑。

海洋科考船是用于海洋科学调查，应用技术研究以及测量或勘探等船舶的统称。海洋科考船按船的大小、续航力及调査能力一般可分为全球级（Global）、大洋级（Ocean)、区域级(Regional)和近岸级（Coastal)，如表1所示。

表1 海洋科考船的分级

船型	全球级	大洋级	区域级	近岸级
Endurance	50days	40days	30days	20days
Range	25000km	20000km	15000km	10000km
Length	70～90m	55～70m	40～55m	＜40m
Scicncc berths	30～35	25～30	15～20	15 or less

全球级一般总长大于70m，吨位大于3000t，具备较强的综合调查能力， 能够在全球所有无冰洋区航行，工作范围可遍布三大洋；大洋级长度约55～70m，吨位介于1000t～3000t之间， 具备较强的调查能力，有深海大洋航行能力，但一般活动范围局限于某一大洋；区域级船长约40～55m，吨位在500t～1000t之间，主要用于陆架区域或专署经济区之内的调查研究；近岸级船长约20～40m，吨位大多小于300t，主要用于支撑运行单位所在港湾及近岸海域的小型海上科研活动。目前我国具备全球级和大洋级的海洋科考船较少，主要代表是“大洋一号”、“海洋六号”、“科学”号，但要满足我国海洋战略的发展需求，在数量上尤其在质量上尚有一定的差距， 因此近期国家应大力发展和支持高质量的海洋科考船的开发。本文将通过对国外同类海洋科考船的技术分析，提出我国新型海洋科考船总体设计技术的发展方向。

二、国外海洋科考船的现状及技术特点

⒈ 国外海洋科考船的现状近年来， 国外先进的海洋科考船主要有挪威的G.O.Sars，英国的James Cook，德国的Meria S.Marian，西班牙的Saimiento de Gamboa(大洋级）及英国的Discovery等，为我国新一代海洋科考船总体设计提供参考。

 图1  G.O.Sars号科考船⑴G.O.SarsG.O.Sars是供挪威海洋调查研究所（IMR)和卑尔根大学使用的世界最先进的全球级科考船之一。该船主要用于渔业与环境研究、地震研究和海底探索，具有远洋和海底拖网、CTD、拖体及取芯等的调查功能。其主要调查装备配置包括深海拖网绞车、地质绞车、CTD绞车、同轴缆绞车、ROV绞车等。吊机包括尾部8t的A型架、6t的起重吊、尾部2台4t折臂吊。声学探测装备包括多波束、ADCP、浅地层剖面仪、超短基线等，并装有2台升降鳍装置可进行换能器的安装。实验室包括干实验室、湿实验室、化学实验室、CTD实验室、电子实验室、洁净海水实验室、地质实验室、冷冻室等。G.O.Sars主要从事渔业资源调査， 故本船很注重减振降噪设计，其水下辐射噪声满足ICES209规范的要求。除全船采取必要的减振降噪措施外，在推进形式的选取上，选用最静音的单桨单轴的电力推进形式，且选用2台直流静音电机串联驱动，使此船具有很低的水下辐射噪声，同时此船设置双升降鳍装置，安装用于探渔的多频声呐系统，作业时可伸出船底，有效地降低噪声对其作业的影响。

图2  James Cook号科考船⑵James CookJames Cook是英国一艘全球级海洋科学科考船，建造于2006年，用来取代要退役的RRS Charles Darwin。James Cook能在从赤道到冰原的全球范围内执付尖端的多科学调查任务，能开展大陆边缘到深海的研究。其主要调查装备配置包括1台10000m深拖绞车、1台10000m地质绞车、1台8000mCTD绞车；吊机包括尾部30tA型架、右舷20t伸缩吊；声学探测周边配备包括全海深多波束、单波束、浅层剖面仪、超短基线、鱼探仪等，另装有2台升降鳍装置；James Cook搭载Isis ROV系统。James Cook设置8个实验室， 即主实验室、甲板实验室、CTD实验室、化学实验室、温控实验室、终端处理实验室、气象实验室和电子工作间。

  图3 Meria S.Marian号科考船⑶Meria S.MarianMeria S.Marian是德国最现代化的全球级多学科科考船，它的任务是研究北极和挪威沿岸湾流、其海底研究深度达10km。其主要调查装备包括6700m纤维光缆混合绞车、600mCTD绞车及3000m辅助绞车。吊机包括30t的A型架、20t的舷侧起重吊、7t起重吊、5t折臂吊及右舷2.5t辅吊。声学探测装备包括全海深深水多波束、浅水多波束、ADCP、浅地层剖面仪、超短纖等， 并可采用集装箱实验室方式进行地震和ROV作业。实验室包括科学工作室、干实验室、化学实验室、甲板实验室、冷冻实验室、CTD实验室等。此为一艘带破冰功能的科学考察船，其主要特点是模块化设计，共计可搭载21个20英尺各类集装箱。此种设计可针对不同的作业搭载不同的作业模块，在有限的船舶空间完成各种作业，同时也保证此船处于常年不回母港的工作状态，只需在外港完成集装箱模块的换装即可，大大增加了作业效率。

  图4 Saimiento de Gamboa号科考船⑷Saimiento de GamboaSaimiento de Gamboa是西班牙一艘大洋级的海洋科学科考船，其主要调查和作业包括海洋地质、海洋地球物理、物理海洋、海洋生物及渔业资源、海洋气象观测和ROV作业等，主要调查装备包括8000m同轴缆纹车、8000m地质绞车、6000m生物绞车、CTD绞车等， 吊机包括船中12t主吊、尾部12tA型架、右舷CTD伸缩吊臂、右舷13t小A架等；声学探测装备包括深水多波束、中水多波束、浅地层剖面仪、超短基线定位系统、ADCP、分裂波束探测系统等；此船能够利用尾部有限的作业区域，通过集装箱方式完成6000m二维多道地震作业及ROV作业。实验室主要包括主实验室、湿实验室、分析实验室、温控实验室、CTD实验室、计算机及处理实验室、渔业处理室及样品和冷冻储存间等。该船主要特点是3000吨级的船同时具备了声学鱼探、渔业分析和处理、6000m二维地震和ROV等作业， 并同时装有Gondola和双升降鳍装置， 最大的亮点是在尾部约300m²的作业甲板通过搭载各类集装箱完成6000m二维地震作业，包括空压机集装箱、枪阵集装箱、线缆集装箱、工具集装箱、炮缆集装箱、实验室集装箱等共计约10个集装箱。此船为科考船完成二维地震作业提供了很好的借鉴。

图5  Discovery号科考船⑸DiscoveryDiscovery是英国一艘全球级的海洋科学科考船，主要用户为英国高校和研究所等。本船主要使命任务为：海洋地质、海洋地球物理、海洋化学、海洋物理、海洋生物等，主要调查装备包括尾部20tA架、20t主吊、右舷20t专用吊、船中右舷P型吊、尾部2台5t辅吊、右舷侧1台辅吊、1台10000m光电复合缆绞车、1台7000m钢缆绞车、1台15000m钢缆绞车、1台8000m纤维缆绞车、1台8000mCTD绞车。实验室主要有预处理区、甲板工作室、甲板实验室、电子工作间、通用实验室、主实验室、温控实验室、洁净实验室、气象实验室、洁净海水实验室等。Discovery是2013年交船的目前最先进的科学考察船之一。⒉ 国外海洋科考船总体设计特点根据对国外海洋科考船总体技术的统计与分析，可以看到近年来陆续或即将交付的全球级和大洋级科学考察船在设计上重点突出了综合调査能力的整体优化， 具体体现在以下几个方面：⑴宁静化设计随着越来越多的声学设备在科考船上的应用，国外先进科考船均提出了明确的声学指标要求，即满足ICES209规范对水下辐射噪声的要求， 为此大量先进的减振降噪技术得到应用，包括静音推进电机、静音螺旋桨、双层隔振、特殊材料齿轮等，目前国内除台湾外还无一艘现役科考船达到满足该声学指标的要求。台湾最新科考船“海研五号”提出满足ICES209的水下辐射噪声水平的要求，造成其船价增加约20％，且大部分技术和设备均采购国外。⑵模块化设计为提高海洋科考船的综合作业效率，针对不同航段搭载不同的模块， 可有效节省船上空间，从而使船舶具有通用性，因此模块化的设计在国外先进的科考船上均有所体现，特别是德国和西班牙走在了该技术应用的前列。西班牙的Saimiento de Gamboa在3000t的船上通过搭载近10个集装箱，可完成的二维地震作业；德国的Meria S.Marian搭载集装箱模块能力超过20个，已做到常年不回母港，通过换装不同的集装箱模块完成各类作业，大大提高作业效率。⑶首部声学环境优化设计多波束等水下声学设备为获取海洋及海底数据的主要手段， 主要安装在船首部区域附近， 因此船体首部的声学环境将成为获得准确数据的主要保障。国外科考船主要从船体首部线型设计和声学设备的安装技术两方面相结合开展工作：线型设计主要考虑球首的设计， 在此方面国外也曾有失败的经验教训；声学设备安装主要是多波束安装方式，有Gondola、导流罩和嵌人式3种主要安装方式。⑷调查装备系统配置目前国外全球级科考船均配备完善的调查装备系统，可进行海洋物理、物理海洋、海洋生物、海洋化学、海洋气象等综合调查作业，其调查装备系统具备以下特点：具有全套绞车/吊车系统，一般带有升沉补偿装置；安装最大负荷大于20t的船舯主吊；常用同轴缆、光缆和绳缆绞车；具有长柱状取样、二维多道地震系统、ROV等大型装备作业能力，且多采用可移动、模块化搭载方式；具有全套声学装备：全海深多波束、深水浅剖、USBL系统、ADCP、分裂波束探测系统等成为必备系统，部分船舶还安装有水下声通信机、噪声测量等设备；还有完备的通信与导航系统；物资分类存储，并具有较充足集装箱搭载能力，可在不增加船舶吨位基础上，通过每次搭载装有不设备和物资的集装箱实现不同的调查作业功能。⑸信息系统集成设计国外先进海洋科考船均具有现代化的信息集成系统和较好的船岸网络通信能力；注重船载探测设备集成及协调配合使用能力的建设，实现声学、电子探测等设备的实时监控和记录， 对这些仪器设备进行集中操控和管理；通过网络平台进行导航信息、气象信息、走航观测信息及主要甲板支撑设备状况等公用数据的全船分发；具备科考调查数据的采集、记录、存储、快速分析与处理能力。

三、我国海洋科考船总体技术发展方向

海洋科考船的设计应将怎样更好的完成各项海上调查作业作为首要要求，并力求数据准确、作业方便，这就要求首先从总体设计着手。在船舶设计之初就将综合性、宁静化、模块化和信息化等要求和理念贯穿在总体设计中，通过对船体线型、推进系统、调查装备、信息网络系统等各方面的总体设计和综合考虑来实现综合以上的研究分析，针对我国近期正在开展的海洋科考船建设工作，从总体设计方面提出未来新型科考船在总体设计中应全面应用的技术发展方向：⑴宁静化设计技术声信号是唯一能够在海水中远距离传播的物理信息，科考船上装有众多的声学探测装备，要保证期工作精度、提高其探测范围，必须要对船舶自身的水下辐射噪声加以控制，另外对于承担海洋生物调查研究任务的船舶，还需兼顾海洋生态系统及生物多样性的保护，所以科考船需进行宁静化设计。宁静化设计就是要满足目前国际上2个主要的规范--ICES CRR209和DNV Silent Class Notation的要求， 对科考船的水下辐射噪声测量和限制值提出了明确的要求。当前国外满足ICES CRR209和DNV silent-R辐射噪声限制值要求的科考船均采用了传统的推进电机＋单/双轴＋单/双桨的推进系统，螺旋桨一般选用5叶及以上的低噪声定距奖。同时，为便于ROV、浅钻、重力取样等作业，海洋科考船大都配备DP1动力定位系统，设置了侧推装置，首侧推的选取和安装设计对声学设备的影响尤其重要。由于传统的槽道式首侧推的横向侧推孔在航行中可能产生乱流和气泡，将影响多波束等声学设备的正常工作，建议最好在侧推孔两侧加装盖板，当前国际发展趋势是尽可能应用可伸缩式全回转首侧推及喷水推进首侧推。在国内，现役的科考船大都未考虑宁静化设计，缺乏系统的总体声学设计，传统上各种减振降噪的技术较多应用于军用战斗舰艇。针对未来海洋科学调查船的发展，在新的海洋科学调查船的设计中均应将宁静化设计放在首位，将海军船上已普遍采用的减振降噪设计技术和试验验证手段运用到科考船总体设计中，如低噪声螺旋桨的设计，声学舱减振技术、推进装置浮阀隔振技术、隔声罩、柔性接管、阻尼包管等，从而达到国际先进的声学指标要求。⑵模块化设计技术全球级海洋科考船一般在不同航段完成不同的调查作业任务， 模块化设计已成为科考船设计的发展趋势。目前科考船大都采用20英尺或10英尺标准集装箱式的模块化设计，主要有实验室集装箱、装备集装箱、储存集装箱、居住集装箱和特殊用途集装箱等。ROV作业、地震作业等对船舶甲板空间要求较高的作业大都可采用集装箱装船的方式，同时像危险品、辐射等特种作业也可采用集装箱作业的方式。在“大洋一号”的设计中已考虑了集装箱作业的应用，但仅具备2个集装賴块的布置空间， 非综合全面的模块化设计考虑。在近期的相关产品设计中，已将模块化设计作为综合性科考船的设计标准，主要集中在ROV和地震作业方面的考虑，在全球球级科考船上应具备10～20个集装箱布置空间，甚至在船体空间内部也考虑了集装箱模块的布置区域但目前国内还没有关于科考船集装箱相关规范及标准，国外比较通用的是美国UNOLS于2014年发布的《UNOLS Portable Scientific Vans Manual(UNOLS调查船科学专用便携式集装箱手册）》。该手册经过美国海岸警卫队的审核，包含了由美国海岸警卫队认证的测试机构ITS提供的集装箱燃烧试验测试报告、调查船专用集装箱通用规格、不同类型集装箱的具体舾装规格等内容。为促进我国先进科考船的设计，集装箱模块的标准化工作显得尤为重要。⑶首部声学环境优化设计海洋科考船的水下声学装备主要用于对海洋物理参数与过程进行探测和对海洋各种特定目标特性进行探测、在水中进行无线信息传输及水下特定目标的定位和搜索等，因此装船的水下声学装备众多，包括深水多波束、中浅水多波束、浅底层剖面仪、多普勒流速剖面仪、超短基线等，进行渔业生物调查作业的船舶还需安装定量多频分离波束探鱼系统。为保证水下声学探测装备的正常工作，需重点解决水下辐射噪声、船底气泡及船体振动等问题，优化首部的水下声学环境。多波束的安装是水下声学环境设计的核心，其主要有嵌人式、导流罩和Gondola三种安装形式，如下图6所示，同船首形状、首部设施和流场有密切关系。

图6 多波束的安装形式多波束系统等声学探测装备的船底多波束使用要求船舶平台应尽可能减少横摇、纵摇和升沉等，并优化首部线形，减少水下气泡的产生。嵌人式安装形式对船体阻力影响最小，但船型首部需重点进行设计，多波束平底安装部位船底型线尽量平，同时首部水线流线应尽量避开多波束安装部位，减少多波束安装部位流场噪声及气泡对多波束的影响，对型线设计提出很高的要求，冰区作业的船舶一般要求多波束采用嵌人式安装形式；导流罩安装形式多波束采用贴船底外板安装，可有效避开船底气泡，英国最新的科考船Discovery采用此种形式，相比其姊妹船James Cook嵌人式安装多波束效果有所改善；Gondola安装方式是多波束安装伸出船底约1.5m，在种多波束安装方式中，此种方式安装多波束工作效果最佳，但阻力较大，对船舶运营经济性有较大影响。针对这3种安装形式，在相关的科考船设计中开展了针对性的研究：嵌人式安装对船体首部线型设计提出了较高要求，在主尺度、航速、布置等方面的制约下，且受国内试验手段的限制，良好的首部流场设计难度很大，从目前的研究和使用情况来看“大洋一号”的首部流场是较为优秀的；导流罩安装形式方面，经研究表明导流罩突出船底600～800mm左右即可有效避开船底气泡，增加船舶的阻力约为10～15％左右；Gondola安装方式会大大增加船舶阻力，约20％左右。综合考虑，在新的科学考察船设计方面，首先应考虑导流罩的安装形式，在对线型进一步优化改进取得较好声学环境的基础上可采用嵌入式安装方式，型线优化见图7。

图8 升降鳍装置⑷信息系统集成技术海洋科考船数据采集内容多，需求大，实时处理要求高，故此类船的信息系统是现代科考船设计的重要内容。先进海洋科考船需借助高科技探测手段，利用完善的信息化技术体系确保调查数据高效采集、存取，及时分析及快速处理，实现信息资源共享。随着未来海洋科考船的发展，信息化建设可使海洋调查向着科研中心的模式发展，海洋科考船、观测浮标、遥测卫星等形成庞大的观测系统，使分散的调查中心数据共享，提高调査作业的效率，信息化建设为此提供一切必要和可能。以美国科考船R/V Langseth为例，该船建立了一个功能完善、可靠、可扩展的数据网络，将全船分成3个区域，采用光纤到区域的网络拓扑结构，同时在实验室、公共区域、甲板区域实现了无线网络的全面覆盖。船载网络通过海事卫星、VSAT等多种手段与互联网连接，保障对外实时数据通信，同时岸基科学家可通过卫星宽带通信虚拟地参加航次调查，通过防火墙及网络配置管理、VLAN等网络安全控制技术实现信息安全管理。数据存储采用集中存储方式，并采用同船异地备份力案进一步保障数据安全。

图7 嵌入式安装首部型线优化其他声学设备，如定量多频分离波束探鱼系统应采用升降鳍的方式进行安装。升降鳍装置在使用时可伸至水下约4m，有效避开船底气泡及噪声为了便于声纳的安装和日常检修，升降鳍底部一般需提升至水线以上。见图8。

四、结语

我国是海洋大国，但我国全球级的科考船数量相对较少，未来我国海洋科考船必然进入高速发展阶段。海洋科考船根据使命任务确定其规模，目前国外最新海洋科考船趋向为全球级的综合性的科考船，将综合性、宁静化、模块化、信息化为主导的设计理念融入未来我国新型海洋科考船的设计工作，促进我国海洋事业的发展。

我国“科学”号科考船

【作者简介】本文作者刘松 左文锵 隋智享，中国舰船研究设计中心，文章来自《舰船科学技术》（2014），参考文献略，用于学习与交流，版权归杂志社与作者共同拥有。第一作者刘松，1971年出生，男，硕士，中国舰船研究设计中心，研究员，研究方向为船舶总体设计。文章中图片主要来自网络收集，内容也作了部分整理，如其他公众平台转载，务请备注来自“溪流的海洋人生”微信公众平台，谢谢配合。

相关阅读推荐：

投稿邮箱：[e-mail]，请您在留言中标注为投稿，并提供个人简介及联系方式，谢谢！