動力裝置對中小型水面艦船結構型式的影響研究

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司， 上海 200438）

引言

結構型式是指針對人造物功能、空間、造型和界面等的規劃組織及形式表達。例如在城市設計中，結構型式通常用于描述城市各組成要素相互關系、相互作用的形式和方式。其中：功能是指事物所發揮作用的體現形式；空間與造型分別是指事物的內、外表現形式，既是構造的承擔者，同時又是功能的傳達者；界面是指功能系統與用戶之間進行交互的媒介。

1 艦船結構型式設計概述

1.1 針對艦船結構型式的設計目標

艦船既是海上流動的城市，又是大型工業產品[1]。艦船結構型式是指在滿足艦船總體性能和主要戰技指標的前提下，以追求功能和形式的有機統一為目標，針對以下方面相互作用和相互關系的表現形式：

1）艦船作戰、航行和居住等功能；

2）艦船內部工作、生活艙室空間；

3）主船體、上層建筑和艦面設備外觀造型；

4）艙室信息顯示、操縱控制等人機交互界面。

1.2 針對艦船結構型式的設計過程

針對艦船結構型式的設計是指運用船舶美學理論，結合艦船的功能[2]、性能特點，針對艦船外觀造型和內部艙室的設計活動。它融匯了船舶科學和設計藝術，集成了空間、形態、質感和色彩等設計元素，表現形式為海上移動建筑物。艦船結構型式設計不僅要保障艦船裝備效能的有效發揮和空間的最大利用，而且還要注重對海軍官兵的人文關懷，既體現艦船作為戰斗武器的威武雄壯，又具備造型美感、時代風格和民族特色。

艦船結構型式設計是對艦船主要功能和性能、建造工藝、藝術美學及心理學等進行綜合分析和權衡的過程，體現了對技術和美的極致追求[3]。作為艦船總體設計的頂層構思和規劃內容之一，艦船結構型式設計滲透于工程研制的全過程，是技術和藝術的結晶。從技術層面看，艦船作為海上移動作戰平臺，其結構型式不僅關系著武器、傳感器、艦面舾裝設施等艦載設備性能的發揮，而且對靜力性能、隱身性、兼容性、居住性、安全性等綜合性能產生直接影響；從藝術層面看，艦船作為海上漂浮的城市，其結構型式是社會生產力和生產關系、經濟基礎和上層建筑、哲學思想和設計思潮等一系列區域以及時代特征的集中反映，其設計活動具備創新[4]、實用、人性和形式的美學特征。

艦船結構型式設計的任務在于探索如何實現功能和形式的和諧統一關系，兩者相互影響和制約，不可分割。通過組織一個龐大、復雜的內外空間，使艦船適合艦載裝備運行以及艦員長期工作、生活和訓練的需求。艙室是組成艦船的基本單位，以單一空間的形式出現。不同性質的艙室，由于功能訴求不同，必然具備不同的空間形式。多空間的組合形式則體現為全艦電子武備艙室、生活保障艙室、機電設備艙室和其他部位的區域布局規劃，以及人流、物流、防火區劃、水密、氣密等設計要求。艦船外部形體是內部艙室空間組合的外部表象，而內部艙室空間的形式和布局必須滿足作戰使用功能需求。

從設計指導思想上看，應當根據內部空間的組合情況確定艦船外部形體和樣式，但是就艦船外部形體和樣式又要考慮艦載武器的性能發揮、艦員操作使用的便利性以及低目標特征的設計要求。設計師往往將艦船內部空間和外部形體設計并行開展，相互迭代優化，從而實現艦船結構型式表里如一、各得其所。

以往艦船設計主要側重于裝備本身的技戰術指標實現，利用各種技術手段針對快速性、浮性、穩性、隱身性和作戰適應性等進行計算分析和試驗驗證。結構型式設計通常借鑒母型、根據艦載設備的使用需求來完成，設計方案的功能實現是設計團隊必須要保證的，而形式美則取決于設計團隊的綜合水平和決策者的審美能力。藝術設計理念對于擅長理性邏輯思維的工程技術人員來說不易理解，更難以表達。部分設計人員認為艦船美學設計很難控制，屬于“無心”之作。由于缺乏前期頂層的概念創意和系統的理論指導及設計方法，艦船結構型式設計始終處于分散、孤立研究和個別應用的低級階段。僅僅滿足于艦船的戰術技術性能的實現，而對艦船人文情懷的選擇性忽視或考慮不足，導致海軍官兵對艦船的批評絕大部分集中于與人相關的問題，如艦體造型不佳，設備使用、維修不夠便捷，某處艙室和部位環境惡劣等。

現代建筑設計和工業設計理論均源自于包豪斯。現代建筑設計關注于人的總體舒適度和建筑及其空間本身；工業設計關注于人的細微舒適度和產品本身。在艦船結構型式設計過程中引入建筑設計、工業設計的理論和設計方法，可以實現艦船的識別性、傳達性、體驗性和藝術性，從而完成“從單純的功能實現到注重用戶的整體體驗”設計理念的轉變[5-7]。

1.3 針對艦船結構型式的設計要求

艦船結構型式是由外觀造型和內部艙室共同營造的艦船整體面貌，表現為展現在用戶和觀眾面前的船舶產品特定形象。作為具有特定功能的海洋結構物的外在體現，艦船結構型式是對艦船主要功能和性能、建造工藝、藝術美學及心理學等進行綜合分析和權衡的結果，體現了艦船設計和建造的水平。

隨著社會的發展，艦船“服務于人”的觀念被更多人意識到，之前以產品功能和性能為主要出發點的工程設計已不能概括艦船結構型式設計的全部涵義。

艦船結構型式的設計目標如下，不僅應從功能形態上滿足海軍官兵針對工作便利與效率的需求，而且需要在健康與舒適、創新與美觀上實現用戶體驗與情感的需求，與此同時，優秀的設計還承載著經濟、文化、社會等多方面的價值。

就實現作戰使用需求而言，艦船結構型式應體現出功能性；就滿足人的認知需求而言，艦船結構型式應體現出識別性和傳達性；就實現人的生理、行為和情感的需求而言，艦船結構型式應體現出體驗性；就達到人的審美需求而言，艦船結構型式應體現出藝術性。

2 水面艦船動力裝置類型

推進系統是水面艦船的重要系統之一，根據艦船推進系統采用的推進主機不同，艦船推進系統可分為汽輪機推進系統、柴油機推進系統、燃氣輪機推進系統、聯合動力推進系統（包括柴-柴聯合、燃-燃聯合及柴-燃聯合等）[8-14]、電力推進系統以及核動力推進系統[15-19]。

當艦船采用不同類型的推進形式時，艦船的結構型式也存在一定程度的差異。但一般來說，大功率的推進主機，如汽輪機、大功率燃氣輪機、大功率柴油機等，位于機艙上方的上層建筑內會設置相應的排氣煙囪，通常是一個主機艙對應一個煙囪；采用燃氣輪機推進的艦船，除在主機艙上方上層建筑內設置煙囪外，還應設置燃氣輪機進氣設施，包括進氣道、進氣格柵等，特征非常明顯。采用小功率柴油機推進的艦船，柴油機的排氣非常靈活，除了可在機艙上方上層建筑內設置煙囪外，也可從舷側或水下排氣，此時上層建筑上并無明顯的柴油機排氣設施；此外，柴油機排氣煙道也可和艦船主桅或后桅集成設計，“煙桅合一”的設計在空間上非常緊湊。

需要說明的是，無論采用何種推進形式，在開展艦船結構型式設計時，首先應重點考慮推進主機等機械設備在全艦的布置位置，因為其決定了進排氣設施（包括進氣道、排氣煙囪等）的布置，并可影響上層建筑的結構型式設計。

2.1 汽輪機推進系統

艦船汽輪機推進系統利用主鍋爐將水加熱成具有一定壓力、溫度的蒸汽，再通過汽輪機把蒸汽的熱能變成機械能。主鍋爐運行時需要一定的燃燒空氣，產生大量的煙氣通過煙囪排入大氣。采用汽輪機推進系統的艦船，考慮到艦船推進系統生命力的需要，一般設置前、后機爐艙，前、后機爐艙分別通過各自的煙囪將主鍋爐燃燒的煙氣排出或將前、后機爐艙主鍋爐燃燒的煙氣集中至一個煙囪排出。因此，采用汽輪機推進系統的水面艦船在結構型式上一般設置前、后兩個煙囪，特征非常明顯。例如，我國濟南號驅逐艦采用了汽輪機推進系統，在上層建筑設置了前、后兩個煙囪；俄羅斯的“現代”級驅逐艦則將前、后機爐艙產生的煙氣集中到一個煙囪排出。

2.2 柴油機推進系統

柴油機推進系統是以柴油機為主機的艦船推進系統，主要應用于公務船、軍輔船、護衛艇、輕型護衛艦等中小型艦艇。柴油機工作時，同樣需要符合主機溫度、真空度等要求的清潔的空氣系統。根據排氣位置的不同，柴油機可采用煙囪排氣、舷側排氣和水下排氣等形式。一般情況下，公務船柴油機推進系統采用煙囪排氣的方式，簡便可靠，如中國海事船“海巡22”。

2.3 燃氣輪機推進系統

燃氣輪機推進系統具有重量輕、起動快、功率大等特點，全燃推進（COGAG）系統特別適用于大型驅逐艦、巡洋艦等大型水面艦船。燃氣輪機工作時，需要引入大量的燃燒空氣和冷卻空氣，因此在艦船結構型式上需要設置專門的進氣道；同時，燃氣輪機的進氣道應垂直向上，以滿足燃氣輪機組對進排氣流阻的要求。此外，為避免燃氣輪機裝置維修、保養或更換時在主船體內部甲板開口，一般在燃氣輪機進氣道內設計一套軌道系統，用于燃氣發生器、動力渦輪等部件出艙維修或保養[20-21]。

燃氣輪機排出的廢氣一般通過煙囪引入大氣，考慮到燃氣輪機排氣溫度較高，一般在煙囪的末端采用排氣紅外抑制裝置。因此，采用燃氣輪機推進系統的艦船，在結構型式上一般設置兩個煙囪，并將進氣道和煙囪進行集成設計，并在上層建筑外壁上安裝大量的進氣格柵，特征非常明顯。早期采用燃氣輪機推進系統的艦船，如美國“阿利·伯克”級Ⅰ型驅逐艦，燃氣輪機排氣紅外抑制裝置裸露在煙囪頂部外面，后經改良設計，燃氣輪機排氣紅外抑制裝置采用埋入式設計，從外觀上已看不出排氣紅外抑制裝置，如“阿利·伯克”級ⅡA 型驅逐艦。

2.4 柴-燃聯合推進系統

柴-燃聯合推進系統（CODOG）在艦船中低速巡航時采用柴油機推進，在高速航行時采用燃氣輪機推進[22]，可充分發揮柴油機的燃油經濟性和燃氣輪機功率大、起動快等優勢，是目前應用較廣泛的推進系統之一。柴燃聯合推進系統根據推進系統機組組成又可分為兩種：是兩臺柴油機和兩臺燃氣輪機組合形式，如西班牙F100 護衛艦、韓國KDX-1 驅逐艦等；二是兩臺柴油機和一臺燃氣輪機組合形式，如德國F124 護衛艦等。根據動力機艙布局的不同，典型的柴燃聯合推進系統機艙布局分為以下三種。

2.4.1 德國F124 護衛艦

德國F124 護衛艦推進系統主要艙室包括燃氣輪機艙、齒輪箱艙、柴油機艙，其特點是臺燃氣輪機布置在一個艙室，兩套齒輪箱布置在齒輪箱艙，兩臺柴油機布置在柴油機艙，其中，齒輪箱使用了跨接技術。

2.4.2 韓國KDX-I 驅逐艦

韓國KDX-I 驅逐艦推進系統主要艙室包括燃氣輪機艙、柴油機及齒輪箱艙等，其特點是兩臺燃氣輪機布置在一個艙室，兩臺柴油機和兩套齒輪箱布置在一個公共艙室。

2.4.3 西班牙F100 護衛艦布局

西班牙FI00 護衛艦推進系統主要艙室包括前機艙、后機艙等，其特點是通過設置前、后機艙，每個機艙包括一臺燃氣輪機、一臺柴油機及一套齒輪箱[23]，將推進系統隔離為兩套，推進系統的生命力較強。以上3 種典型的柴燃聯合推進系統機艙布局產生了兩種典型的上層建筑煙囪結構型式：一種是采用一個煙囪，將推進柴油機和燃氣輪機排氣集成在一起，如德國F124 護衛艦，類似的還有韓國KDX-I 驅逐艦；另一種是類似全燃推進系統，采用前、后兩個煙囪，如西班牙F100 護衛艦。

2.5 電力推進系統

電力推進系統具有電力容量大、布置靈活、機械噪聲小等突出特點，是目前海軍強國大力發展的新型推進系統之一。根據電力推進系統原動機類型，可分為三種：一是全部以柴油機為原動機的電力推進系統，如法國的“西北風”級兩棲攻擊艦；二是全部以燃氣輪機為原動機的電力推進系統，如美國的“朱姆沃爾特”級驅逐艦；三是以柴油機和燃氣輪機為原動機的電力推進系統，如英國的45 型驅逐艦[24]。

從電力推進系統原動機的類型可見，以柴油機和燃氣輪機為原動機的電力推進艦船[25-27]，仍然要考慮發電機組的布置及進、排氣問題。從艦船結構型式的角度分析，電力推進艦船的結構型式原則與采用柴油機推進、燃氣輪機推進或聯合推進方式的艦船是一致的。例如，英國的45 型驅逐艦采用了電力推進系統，電力推進系統主要設備包括兩臺WR21燃氣輪機發電機組、兩臺柴油發電機組及兩臺推進電機，在結構型式上，45 型驅逐艦與采用全燃聯合推進的艦船并無明顯差異。

2.6 核動力推進系統

核動力推進系統是以可控核裂變能為能源的推進系統。核動力推進系統由于技術復雜、造價高、安全性要求高等原因，一般在核潛艇、核動力航空母艦上應用較多，驅逐艦及護衛艦由于采用核能后所付出的總體代價大于所獲得的收益，一般不采用核動力推進系統，本文不再贅述。

3 結論

結構型式設計應滿足相應的技術要求，同時兼具一定的藝術特點。考慮到水面艦船在海防事業中起到的重要作用，及其所采用動力裝置的復雜多樣化，針對其結構型式而開展的設計過程有著重要而深遠的意義。