动力装置对中小型水面舰船结构型式的影响研究

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司， 上海 200438）

引言

结构型式是指针对人造物功能、空间、造型和界面等的规划组织及形式表达。例如在城市设计中，结构型式通常用于描述城市各组成要素相互关系、相互作用的形式和方式。其中：功能是指事物所发挥作用的体现形式；空间与造型分别是指事物的内、外表现形式，既是构造的承担者，同时又是功能的传达者；界面是指功能系统与用户之间进行交互的媒介。

1 舰船结构型式设计概述

1.1 针对舰船结构型式的设计目标

舰船既是海上流动的城市，又是大型工业产品[1]。舰船结构型式是指在满足舰船总体性能和主要战技指标的前提下，以追求功能和形式的有机统一为目标，针对以下方面相互作用和相互关系的表现形式：

1）舰船作战、航行和居住等功能；

2）舰船内部工作、生活舱室空间；

3）主船体、上层建筑和舰面设备外观造型；

4）舱室信息显示、操纵控制等人机交互界面。

1.2 针对舰船结构型式的设计过程

针对舰船结构型式的设计是指运用船舶美学理论，结合舰船的功能[2]、性能特点，针对舰船外观造型和内部舱室的设计活动。它融汇了船舶科学和设计艺术，集成了空间、形态、质感和色彩等设计元素，表现形式为海上移动建筑物。舰船结构型式设计不仅要保障舰船装备效能的有效发挥和空间的最大利用，而且还要注重对海军官兵的人文关怀，既体现舰船作为战斗武器的威武雄壮，又具备造型美感、时代风格和民族特色。

舰船结构型式设计是对舰船主要功能和性能、建造工艺、艺术美学及心理学等进行综合分析和权衡的过程，体现了对技术和美的极致追求[3]。作为舰船总体设计的顶层构思和规划内容之一，舰船结构型式设计渗透于工程研制的全过程，是技术和艺术的结晶。从技术层面看，舰船作为海上移动作战平台，其结构型式不仅关系着武器、传感器、舰面舾装设施等舰载设备性能的发挥，而且对静力性能、隐身性、兼容性、居住性、安全性等综合性能产生直接影响；从艺术层面看，舰船作为海上漂浮的城市，其结构型式是社会生产力和生产关系、经济基础和上层建筑、哲学思想和设计思潮等一系列区域以及时代特征的集中反映，其设计活动具备创新[4]、实用、人性和形式的美学特征。

舰船结构型式设计的任务在于探索如何实现功能和形式的和谐统一关系，两者相互影响和制约，不可分割。通过组织一个庞大、复杂的内外空间，使舰船适合舰载装备运行以及舰员长期工作、生活和训练的需求。舱室是组成舰船的基本单位，以单一空间的形式出现。不同性质的舱室，由于功能诉求不同，必然具备不同的空间形式。多空间的组合形式则体现为全舰电子武备舱室、生活保障舱室、机电设备舱室和其他部位的区域布局规划，以及人流、物流、防火区划、水密、气密等设计要求。舰船外部形体是内部舱室空间组合的外部表象，而内部舱室空间的形式和布局必须满足作战使用功能需求。

从设计指导思想上看，应当根据内部空间的组合情况确定舰船外部形体和样式，但是就舰船外部形体和样式又要考虑舰载武器的性能发挥、舰员操作使用的便利性以及低目标特征的设计要求。设计师往往将舰船内部空间和外部形体设计并行开展，相互迭代优化，从而实现舰船结构型式表里如一、各得其所。

以往舰船设计主要侧重于装备本身的技战术指标实现，利用各种技术手段针对快速性、浮性、稳性、隐身性和作战适应性等进行计算分析和试验验证。结构型式设计通常借鉴母型、根据舰载设备的使用需求来完成，设计方案的功能实现是设计团队必须要保证的，而形式美则取决于设计团队的综合水平和决策者的审美能力。艺术设计理念对于擅长理性逻辑思维的工程技术人员来说不易理解，更难以表达。部分设计人员认为舰船美学设计很难控制，属于“无心”之作。由于缺乏前期顶层的概念创意和系统的理论指导及设计方法，舰船结构型式设计始终处于分散、孤立研究和个别应用的低级阶段。仅仅满足于舰船的战术技术性能的实现，而对舰船人文情怀的选择性忽视或考虑不足，导致海军官兵对舰船的批评绝大部分集中于与人相关的问题，如舰体造型不佳，设备使用、维修不够便捷，某处舱室和部位环境恶劣等。

现代建筑设计和工业设计理论均源自于包豪斯。现代建筑设计关注于人的总体舒适度和建筑及其空间本身；工业设计关注于人的细微舒适度和产品本身。在舰船结构型式设计过程中引入建筑设计、工业设计的理论和设计方法，可以实现舰船的识别性、传达性、体验性和艺术性，从而完成“从单纯的功能实现到注重用户的整体体验”设计理念的转变[5-7]。

1.3 针对舰船结构型式的设计要求

舰船结构型式是由外观造型和内部舱室共同营造的舰船整体面貌，表现为展现在用户和观众面前的船舶产品特定形象。作为具有特定功能的海洋结构物的外在体现，舰船结构型式是对舰船主要功能和性能、建造工艺、艺术美学及心理学等进行综合分析和权衡的结果，体现了舰船设计和建造的水平。

随着社会的发展，舰船“服务于人”的观念被更多人意识到，之前以产品功能和性能为主要出发点的工程设计已不能概括舰船结构型式设计的全部涵义。

舰船结构型式的设计目标如下，不仅应从功能形态上满足海军官兵针对工作便利与效率的需求，而且需要在健康与舒适、创新与美观上实现用户体验与情感的需求，与此同时，优秀的设计还承载着经济、文化、社会等多方面的价值。

就实现作战使用需求而言，舰船结构型式应体现出功能性；就满足人的认知需求而言，舰船结构型式应体现出识别性和传达性；就实现人的生理、行为和情感的需求而言，舰船结构型式应体现出体验性；就达到人的审美需求而言，舰船结构型式应体现出艺术性。

2 水面舰船动力装置类型

推进系统是水面舰船的重要系统之一，根据舰船推进系统采用的推进主机不同，舰船推进系统可分为汽轮机推进系统、柴油机推进系统、燃气轮机推进系统、联合动力推进系统（包括柴-柴联合、燃-燃联合及柴-燃联合等）[8-14]、电力推进系统以及核动力推进系统[15-19]。

当舰船采用不同类型的推进形式时，舰船的结构型式也存在一定程度的差异。但一般来说，大功率的推进主机，如汽轮机、大功率燃气轮机、大功率柴油机等，位于机舱上方的上层建筑内会设置相应的排气烟囱，通常是一个主机舱对应一个烟囱；采用燃气轮机推进的舰船，除在主机舱上方上层建筑内设置烟囱外，还应设置燃气轮机进气设施，包括进气道、进气格栅等，特征非常明显。采用小功率柴油机推进的舰船，柴油机的排气非常灵活，除了可在机舱上方上层建筑内设置烟囱外，也可从舷侧或水下排气，此时上层建筑上并无明显的柴油机排气设施；此外，柴油机排气烟道也可和舰船主桅或后桅集成设计，“烟桅合一”的设计在空间上非常紧凑。

需要说明的是，无论采用何种推进形式，在开展舰船结构型式设计时，首先应重点考虑推进主机等机械设备在全舰的布置位置，因为其决定了进排气设施（包括进气道、排气烟囱等）的布置，并可影响上层建筑的结构型式设计。

2.1 汽轮机推进系统

舰船汽轮机推进系统利用主锅炉将水加热成具有一定压力、温度的蒸汽，再通过汽轮机把蒸汽的热能变成机械能。主锅炉运行时需要一定的燃烧空气，产生大量的烟气通过烟囱排入大气。采用汽轮机推进系统的舰船，考虑到舰船推进系统生命力的需要，一般设置前、后机炉舱，前、后机炉舱分别通过各自的烟囱将主锅炉燃烧的烟气排出或将前、后机炉舱主锅炉燃烧的烟气集中至一个烟囱排出。因此，采用汽轮机推进系统的水面舰船在结构型式上一般设置前、后两个烟囱，特征非常明显。例如，我国济南号驱逐舰采用了汽轮机推进系统，在上层建筑设置了前、后两个烟囱；俄罗斯的“现代”级驱逐舰则将前、后机炉舱产生的烟气集中到一个烟囱排出。

2.2 柴油机推进系统

柴油机推进系统是以柴油机为主机的舰船推进系统，主要应用于公务船、军辅船、护卫艇、轻型护卫舰等中小型舰艇。柴油机工作时，同样需要符合主机温度、真空度等要求的清洁的空气系统。根据排气位置的不同，柴油机可采用烟囱排气、舷侧排气和水下排气等形式。一般情况下，公务船柴油机推进系统采用烟囱排气的方式，简便可靠，如中国海事船“海巡22”。

2.3 燃气轮机推进系统

燃气轮机推进系统具有重量轻、起动快、功率大等特点，全燃推进（COGAG）系统特别适用于大型驱逐舰、巡洋舰等大型水面舰船。燃气轮机工作时，需要引入大量的燃烧空气和冷却空气，因此在舰船结构型式上需要设置专门的进气道；同时，燃气轮机的进气道应垂直向上，以满足燃气轮机组对进排气流阻的要求。此外，为避免燃气轮机装置维修、保养或更换时在主船体内部甲板开口，一般在燃气轮机进气道内设计一套轨道系统，用于燃气发生器、动力涡轮等部件出舱维修或保养[20-21]。

燃气轮机排出的废气一般通过烟囱引入大气，考虑到燃气轮机排气温度较高，一般在烟囱的末端采用排气红外抑制装置。因此，采用燃气轮机推进系统的舰船，在结构型式上一般设置两个烟囱，并将进气道和烟囱进行集成设计，并在上层建筑外壁上安装大量的进气格栅，特征非常明显。早期采用燃气轮机推进系统的舰船，如美国“阿利·伯克”级Ⅰ型驱逐舰，燃气轮机排气红外抑制装置裸露在烟囱顶部外面，后经改良设计，燃气轮机排气红外抑制装置采用埋入式设计，从外观上已看不出排气红外抑制装置，如“阿利·伯克”级ⅡA 型驱逐舰。

2.4 柴-燃联合推进系统

柴-燃联合推进系统（CODOG）在舰船中低速巡航时采用柴油机推进，在高速航行时采用燃气轮机推进[22]，可充分发挥柴油机的燃油经济性和燃气轮机功率大、起动快等优势，是目前应用较广泛的推进系统之一。柴燃联合推进系统根据推进系统机组组成又可分为两种：是两台柴油机和两台燃气轮机组合形式，如西班牙F100 护卫舰、韩国KDX-1 驱逐舰等；二是两台柴油机和一台燃气轮机组合形式，如德国F124 护卫舰等。根据动力机舱布局的不同，典型的柴燃联合推进系统机舱布局分为以下三种。

2.4.1 德国F124 护卫舰

德国F124 护卫舰推进系统主要舱室包括燃气轮机舱、齿轮箱舱、柴油机舱，其特点是台燃气轮机布置在一个舱室，两套齿轮箱布置在齿轮箱舱，两台柴油机布置在柴油机舱，其中，齿轮箱使用了跨接技术。

2.4.2 韩国KDX-I 驱逐舰

韩国KDX-I 驱逐舰推进系统主要舱室包括燃气轮机舱、柴油机及齿轮箱舱等，其特点是两台燃气轮机布置在一个舱室，两台柴油机和两套齿轮箱布置在一个公共舱室。

2.4.3 西班牙F100 护卫舰布局

西班牙FI00 护卫舰推进系统主要舱室包括前机舱、后机舱等，其特点是通过设置前、后机舱，每个机舱包括一台燃气轮机、一台柴油机及一套齿轮箱[23]，将推进系统隔离为两套，推进系统的生命力较强。以上3 种典型的柴燃联合推进系统机舱布局产生了两种典型的上层建筑烟囱结构型式：一种是采用一个烟囱，将推进柴油机和燃气轮机排气集成在一起，如德国F124 护卫舰，类似的还有韩国KDX-I 驱逐舰；另一种是类似全燃推进系统，采用前、后两个烟囱，如西班牙F100 护卫舰。

2.5 电力推进系统

电力推进系统具有电力容量大、布置灵活、机械噪声小等突出特点，是目前海军强国大力发展的新型推进系统之一。根据电力推进系统原动机类型，可分为三种：一是全部以柴油机为原动机的电力推进系统，如法国的“西北风”级两栖攻击舰；二是全部以燃气轮机为原动机的电力推进系统，如美国的“朱姆沃尔特”级驱逐舰；三是以柴油机和燃气轮机为原动机的电力推进系统，如英国的45 型驱逐舰[24]。

从电力推进系统原动机的类型可见，以柴油机和燃气轮机为原动机的电力推进舰船[25-27]，仍然要考虑发电机组的布置及进、排气问题。从舰船结构型式的角度分析，电力推进舰船的结构型式原则与采用柴油机推进、燃气轮机推进或联合推进方式的舰船是一致的。例如，英国的45 型驱逐舰采用了电力推进系统，电力推进系统主要设备包括两台WR21燃气轮机发电机组、两台柴油发电机组及两台推进电机，在结构型式上，45 型驱逐舰与采用全燃联合推进的舰船并无明显差异。

2.6 核动力推进系统

核动力推进系统是以可控核裂变能为能源的推进系统。核动力推进系统由于技术复杂、造价高、安全性要求高等原因，一般在核潜艇、核动力航空母舰上应用较多，驱逐舰及护卫舰由于采用核能后所付出的总体代价大于所获得的收益，一般不采用核动力推进系统，本文不再赘述。

3 结论

结构型式设计应满足相应的技术要求，同时兼具一定的艺术特点。考虑到水面舰船在海防事业中起到的重要作用，及其所采用动力装置的复杂多样化，针对其结构型式而开展的设计过程有着重要而深远的意义。