靈活型艦船設計新發展

李 源

國際市場上對作戰艦船的需求量很大，特別是中、低要求和中、低能力的戰艦。據2013年7月AMI發表的國際特別報告稱，至2032年護衛艦、輕巡洋艦、沿海巡邏艦以及快速攻擊艇的需求量總計占到計劃建造項目總量的30%左右。其中護衛艦在小型作戰艦船領域的需求量最大，未來20年內，全世界預計將交付300艘左右的護衛艦，這是一個龐大的市場需求。

護衛艦通常有一個主要的作戰任務，然后可以拓展至多種任務，從搜救、沿海巡邏、攔截、商船護航到遠征作戰支持，涉及中低威脅等級的防空、反艦、反潛等多項任務。如在海事安全方面，有搜救、船舶安全、極地操作（非破冰）；在海事安全和海警方面，有執法、海洋資源保護、海洋和環境保護、毒品和非法移民攔截、反海盜、人道主義援助、災難響應；在國家安全和國防方面，有邊境水域巡邏、軍事任務以及與伙伴國海軍/海警聯合訓練、保護航運、補給物資和海上基地、對危機/沖突的多任務支持。

因為有多功能的要求，模塊化設計成為一個趨勢。美國海軍的瀕海戰斗艦被譽為美海軍首艘真正意義上的模塊化艦船，該艦擁有明確的標準和界面，方便安裝三個作戰任務包：反水雷、反艦和反潛。也可兼顧其他模塊化任務包，如海軍特殊作戰或海上攔截。

另一方面，價格合理、按期交付以及按預算實施是項目成功的關鍵，因此以一型艦體平臺為基礎，搭載多種載荷形成不同功能艦船的設計方案是一個不錯的想法。亨廷頓英格爾斯工業公司（HII）下屬的英格爾斯造船公司的“靈活型護衛艦”設計概念，利用已經證實的設計方案作為母型，極大地降低了項目風險和建造風險，增加了成本優勢和價格可預測性。BMT公司也提出了“家族艦”的設計方案，基于一種母型開發出三型不同的艦船。以下對這兩種設計方案進行介紹。

表1 2013～2032年世界各地海軍和海岸警衛隊項目（單位：艘）

英格爾斯造船公司的“靈活型護衛艦”設計概念

英格爾斯造船公司提出的“靈活型護衛艦”設計概念，基于該船廠為美國海岸警衛隊建造的“傳奇”級國家安全艦（NSC）。

NSC是美國海岸警衛隊的一個創記錄的項目，共計劃采購8艘，首批3艘分別為“Bertholf”號、“Waesche” 號 和“Stratton”號，已于2013年秋季服役。第二批3艘“Hamilton”號、“Janes”號和“Munro”號正在建造。2013年年中，美國國會批準了“Munro”號的全部采購資金，以及第7艘“Kimball”號的長研制周期的材料研發資金。2014財年總統預算中還包括了第7艘艦建造和交付的經費。第8艘NSC的經費還未落實。

NSC要求85%最大持續功率下，最高持續航速28節以上，12節時續航力達到12000nm，食物供應可維持60天。NSC的任務要求包括國家安全、國防、本土安全。NSC配備了先進的指揮控制系統、傳感器、信息交換系統、先進的武器系統，能滿足廣泛的多任務要求。另外，NSC與美海軍的作戰平臺和系統可交互操作，這也是項目研制之初即提出的要求。NSC與美國海軍的許多戰艦具有共同的特性，比如：NSC上配備的MK11057mm艦炮，與LCS上配備的一樣；NSC上配備的“密集陣”Block 1B近防武器系統、12.7mm口徑的機槍、TRS-3D空中搜索雷達、X波段和S-波段水面搜索和導航雷達、SPQ-9B火控雷達、SLQ-32電子對抗系統以及MK46光電/紅外系統在美海軍的許多戰艦上都有配備。

通過以上可以發現，盡管隸屬于海岸警衛隊，NSC事實上是一艘性能非常好的低端多任務戰斗艦船，除了具備保衛領海安全的能力，它還是現代綜合安全防御體系中的一個重要的要素。

不過NSC并非模塊化艦船，英格爾斯公司計劃投入資金以NSC3（第3艘NSC）設計方案為基礎，盡可能地使用明確的標準和界面以方便將多種不同的任務載荷引入到NSC平臺上。基礎的NSC船體、輪機、電力系統仍保留，除此以外其他的部分都可以討論。

前兩艘NSC的建造過程中，海岸警衛隊要求英格爾斯公司對結構設計進行修改以獲得更大的疲勞壽命。這些設計上的修改增加了該艦的疲勞壽命，結合其他的改進，使NSC的排水量從4500t增至4700t，創造了4%、約200t的重量裕量。

2007年，以NSC3為基礎的研究表明，通過改進，可以進一步將該艦的排水量增至4900t。這項改進很重要，因為船廠正試圖為該艦增加作戰系統、傳感器和武器，這些都會增加上部結構的重量，降低穩性。為了抵消增加的重量，船廠全方位地尋求減輕重量的方法，最主要的是采用了鋁質或復合材料的輕質甲板室。另外，還通過增加最大許用重心高度，橫貫進水以及分艙變化來增加穩性。不僅如此，設計團隊還執行了后繼的穩性分析和縱向強度分析。排水量又增加了100t，但成本增加很少，最終該艦的排水量增至5000t。這些增加的排水量使NSC3的設計能滿足未來的需求并搭載額外的作戰能力。對該艦的改進工作是靈活型護衛艦設計的開端。

NSC3之后，英格爾斯公司又進行了幾艘定制的靈活型護衛艦的設計建造。“haze-gray”號FF4501，母型；能力更強的“海上控制護衛艦”，FF4910，需滿足更困難的海上安全和警衛操作；具備多任務和集群作戰能力的“巡邏護衛艦”FF4921。

1.“haze-gray”號護衛艦FF4501

該艦很好地利用了在NSC3的基礎上增加的200t重量裕量，結構也有所增強，除了FF4501用吊桿起重機取代了龍門起重機（用于小艇和備品的操作）外，保留了NSC3的全部系統和能力。該艦與NSC3實際上相同，但造價更有優勢。

圖1 FF4501護衛艦關鍵性能

2.海上控制護衛艦FF4910

FF4910在FF4501的基礎上能力進一步拓展，增強了反潛和反艦能力，排水量達4900t。主要增加的是位于甲板室前方的艦對艦導彈模塊。另外FF4910配備的是“海拉姆”近防武器系統，取代了“密集陣”Block 1B。針對來自所有水域的先進潛艇的威脅，該型設計還增加了SLQ-25B“水妖”反魚雷系統和可選擇的安裝在甲板上的拖曳陣列聲納系統。

設計過程中，設計師優化了液艙和水密分艙，從而增加了許用重心和固定的任務空間。建造材料方面，FF4910為鋼質船體，鋁質甲板室，“Zumwalt”號戰艦上使用的復合材料也將在設計中采用。

圖2 FF4910海上控制護衛艦關鍵性能

3.巡邏護衛艦FF4921

該艦實際上是一型小型導彈驅逐艦，能獨立操作或作為戰斗群中的一員。參與低端遠征戰斗群作戰時，巡邏護衛艦可與快速部署后勤艦協同操作。

FF4921型設計提供了超過400t的重量裕量，排水量達到4900t。能在較小的船體中實現強勁的作戰能力。該艦的定位為較低端、多任務的海上控制護衛艦，但增加了當地水域防空、反潛和反艦能力，配備有12單元MK56垂直發射系統模塊、增強型“海麻雀”導彈、2座“魚叉”艦對艦四聯裝發射裝置以及安裝在船體上的拖曳陣列聲納和魚雷。艦上武備進行了升級，1座76mm口徑艦炮取代了前期設計中的57mm口徑艦炮。與前兩型設計和NSC3不同的是，FF4921的設計中取消了艦尾跳板，為拖曳陣列聲納和其他作戰系統提供了空間和載荷能力。與海上控制護衛艦一樣，FF4921型設計采用鋼質船體搭配鋁質或復合材料甲板室。

未來，FF4921的升級型設計能力還能進一步增強。如增加SMART-L雷達和增強作戰系統能力，使艦能執行彈道導彈防御（BMD）任務。

圖3 FF4921巡邏護衛艦關鍵性能

BMT公司的“家族艦”設計方案

BMT公司希望能設計一種“家族艦”，基于同一母型，開發出不同功能和能力的艦船。不同的艦能形成一個家族的關鍵在于各自的功能是否具有相似的特性。最初得出的這些相似的功能特性有巡邏、水雷戰、海上安全等，這樣形成了具備如下特性的艦船：長度在60米至120米之間；比大型戰斗艦更簡單、更商業化，但仍然具備軍事特性；有裝備艦載艇和增加無人交通工具的需求；良好的耐波性，適用于沿海至遠洋；中等航速，20節至25節。

最終，BMT公司基于一種母型開發出了三型設計，分別是：反水雷巡邏艦，艦長約90米，通過無人交通工具增加相關能力。較大型的巡邏艦或遠洋巡邏艦，適合部署在全球氣候溫和的水域或作為大型海岸警衛艦。能力更強的巡邏護衛艦，作為傳統型多功能護衛艦的一種更經濟的替代方案，可部署在威脅性水域，生存性和能力可按客戶要求定制。

圖4 Venator 90（上）和Venator 110（下）的關鍵設施布置圖

1.艦體平臺的開發

開發Venator“家族艦”的重點在于基于家族特性開發基礎船體。最初的研究集中于一系列參數形式的不同特性，考慮三種船長（90 米、100 米、110 米）和三種長寬比變量，這樣總共產生了9 組參數，然后對每組參數在阻力、耐波性和完整穩性等方面進行評估。

為了平衡這些結果，將耐波性、阻力和穩性等指標進行排序，如圖5所示。通過圖示發現，第3號船體是作為基礎船體的不錯選擇，該船體耐波性能良好（與6號和9號大致相當），并具有足夠的穩性和良好的阻力性能。事實上，該船體并未在某一個方面表現最優，但各方面指標十分均衡。

圖5 1～9號船體的性能比較

Venator90艦的原始設計為1號船體，在三型較短的船體（1、4、7號）中，除了耐波性外，其余性能令人滿意，說明這些較小型的設計不適用于深水航行。基于該結果，開發了一型更大、能全球部署的巡邏艦平臺，即3號船體，這也就是Venator110艦。

2.平衡艦船的生存性和能力

增加船舶的生存性是需要增加成本的，因此許多研究目標是確定“可支付的”生存性。生存性范圍的兩端分別為OPV和戰斗艦。一艘OPV不會設計成具備作戰能力，僅需要考慮法規的要求和船員的安全。一艘戰斗艦則必須具備一定程度的作戰生存性，將能力損失的風險降至最低。如果是一艘大型巡邏艦則可能需要參與“低端”戰事，因此與普通OPV相比，需要提升生存性，但是如果提升到護衛艦級別，就將變得成本太高而超出預算。

艦船的最低要求是在所有情況下保障船員的安全。但是當執行海上安保任務時，需要假設艦船將被單獨部署，如果艦船缺乏防護措施，任務可能存在一定的風險。因此，對于這種任務的生存性可以描述為保護船員再加上對特定威脅（主要是小口徑武器）任務等級的生存性。生存性有如下幾個等級：小型武器威脅下的人員保護；指揮和控制功能的保護；無單點功率故障和推進故障；對潛在威脅維持射程優勢；遭遇小型武器襲擊或意外損壞后恢復的能力。

具體到動力和推進方案，可以有以下幾種情況：采用單機艙和單發電機艙，無冗余設備，不提供艙室損失冗余；分離的機艙布置，將動力和推進分別布置，為一艙進水或遭遇火災情況提供冗余性，但是如果相鄰的艙壁出現破裂則無冗余性；分離的機艙布置并且在艙室間設置防護型艙壁，為一艙進水或遭遇火災情況提供冗余性，同時對斷裂和小型武器威脅具有有限冗余能力；分離的機艙布置且至少一艙隔離，在進水、火災和武器損壞時提供冗余性，冗余等級與分離的程度一致。

機艙分離可改善生存性，但是這樣的布置對設計會產生顯著的影響，會增加船體尺度。對于Venator110艦來說，在一個機艙出現火災或進水的情況下提供動力和推進冗余性可以顯著提升操作優勢，并且在遭遇事故時能優雅降級（指機器或系統在本身已部分毀壞或無效的情況下還能保持有限功能的能力）。對分離艙壁給予一定程度的保護也將減輕斷裂或小型武器的損害。但是如果機艙分離僅改善船舶面對較大威脅時的生存性，而較大威脅又并非設計目標時，這時機艙分離對設計的負面影響將超過得到的益處。在Venator90艦的設計中，機艙分離并不現實，這種情況下，解決途徑轉向僅提供冗余設備，布置上并不提供冗余。

3、提升能力的靈活性

艦船的不同功能可通過不同的途徑來實現，包括提供固有靈活性，無需物理改裝和外部的輔助即可調整空間的使用；采用模塊化設計，在艦上已有的結構限制內替換或增加新設備，或在外部輔助下實現裝艦、連接、試驗和運轉；或直接搭配采購一個批次的艦，不同的艦具備不同的能力，若非重大改裝，艦船的功能在整個壽命周期內保持不變。這些需根據實際情況選擇。

對Venator110艦的兩種船型，已通過固有靈活性和模塊化的方式，進行進一步改善。增加模塊系統需要加裝基礎設施或預留空間。最終巡邏艦優化為能提供增強的戰略ISAR（逆合成孔徑雷達）和HADR（休斯公司防空雷達），巡邏護衛艦能提供增強型戰略ISR（情報、監視與偵察），并且提升了在威脅區域的生存性。

世界范圍內小型作戰艦艇，特別是護衛艦需求量較大，這種小型戰艦執行的任務不僅局限于作戰，還有搜救、巡邏、執法、災難救援等等，往往充當著多功能艦的角色。正是在這種需求下出現了艦船模塊化的概念。因為具備模塊化的可能，具有相似功能的艦可以以同一艦體平臺為基礎進行開發，最大的優點是節省建造開發成本，降低項目風險和建造風險，尤其對于軍貿來說具有很大的優勢。