動(dòng)力裝置對(duì)中小型水面艦船結(jié)構(gòu)型式的影響研究

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司， 上海 200438）

引言

結(jié)構(gòu)型式是指針對(duì)人造物功能、空間、造型和界面等的規(guī)劃組織及形式表達(dá)。例如在城市設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)型式通常用于描述城市各組成要素相互關(guān)系、相互作用的形式和方式。其中：功能是指事物所發(fā)揮作用的體現(xiàn)形式；空間與造型分別是指事物的內(nèi)、外表現(xiàn)形式，既是構(gòu)造的承擔(dān)者，同時(shí)又是功能的傳達(dá)者；界面是指功能系統(tǒng)與用戶之間進(jìn)行交互的媒介。

1 艦船結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)概述

1.1 針對(duì)艦船結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)目標(biāo)

艦船既是海上流動(dòng)的城市，又是大型工業(yè)產(chǎn)品[1]。艦船結(jié)構(gòu)型式是指在滿足艦船總體性能和主要戰(zhàn)技指標(biāo)的前提下，以追求功能和形式的有機(jī)統(tǒng)一為目標(biāo)，針對(duì)以下方面相互作用和相互關(guān)系的表現(xiàn)形式：

1）艦船作戰(zhàn)、航行和居住等功能；

2）艦船內(nèi)部工作、生活艙室空間；

3）主船體、上層建筑和艦面設(shè)備外觀造型；

4）艙室信息顯示、操縱控制等人機(jī)交互界面。

1.2 針對(duì)艦船結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)過程

針對(duì)艦船結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)是指運(yùn)用船舶美學(xué)理論，結(jié)合艦船的功能[2]、性能特點(diǎn)，針對(duì)艦船外觀造型和內(nèi)部艙室的設(shè)計(jì)活動(dòng)。它融匯了船舶科學(xué)和設(shè)計(jì)藝術(shù)，集成了空間、形態(tài)、質(zhì)感和色彩等設(shè)計(jì)元素，表現(xiàn)形式為海上移動(dòng)建筑物。艦船結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)不僅要保障艦船裝備效能的有效發(fā)揮和空間的最大利用，而且還要注重對(duì)海軍官兵的人文關(guān)懷，既體現(xiàn)艦船作為戰(zhàn)斗武器的威武雄壯，又具備造型美感、時(shí)代風(fēng)格和民族特色。

艦船結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)是對(duì)艦船主要功能和性能、建造工藝、藝術(shù)美學(xué)及心理學(xué)等進(jìn)行綜合分析和權(quán)衡的過程，體現(xiàn)了對(duì)技術(shù)和美的極致追求[3]。作為艦船總體設(shè)計(jì)的頂層構(gòu)思和規(guī)劃內(nèi)容之一，艦船結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)滲透于工程研制的全過程，是技術(shù)和藝術(shù)的結(jié)晶。從技術(shù)層面看，艦船作為海上移動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)型式不僅關(guān)系著武器、傳感器、艦面舾裝設(shè)施等艦載設(shè)備性能的發(fā)揮，而且對(duì)靜力性能、隱身性、兼容性、居住性、安全性等綜合性能產(chǎn)生直接影響；從藝術(shù)層面看，艦船作為海上漂浮的城市，其結(jié)構(gòu)型式是社會(huì)生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和上層建筑、哲學(xué)思想和設(shè)計(jì)思潮等一系列區(qū)域以及時(shí)代特征的集中反映，其設(shè)計(jì)活動(dòng)具備創(chuàng)新[4]、實(shí)用、人性和形式的美學(xué)特征。

艦船結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)的任務(wù)在于探索如何實(shí)現(xiàn)功能和形式的和諧統(tǒng)一關(guān)系，兩者相互影響和制約，不可分割。通過組織一個(gè)龐大、復(fù)雜的內(nèi)外空間，使艦船適合艦載裝備運(yùn)行以及艦員長期工作、生活和訓(xùn)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(xiàn)。不同性質(zhì)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(xiàn)為全艦電子武備艙室、生活保障艙室、機(jī)電設(shè)備艙室和其他部位的區(qū)域布局規(guī)劃，以及人流、物流、防火區(qū)劃、水密、氣密等設(shè)計(jì)要求。艦船外部形體是內(nèi)部艙室空間組合的外部表象，而內(nèi)部艙室空間的形式和布局必須滿足作戰(zhàn)使用功能需求。

從設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想上看，應(yīng)當(dāng)根據(jù)內(nèi)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(fā)揮、艦員操作使用的便利性以及低目標(biāo)特征的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)師往往將艦船內(nèi)部空間和外部形體設(shè)計(jì)并行開展，相互迭代優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)艦船結(jié)構(gòu)型式表里如一、各得其所。

以往艦船設(shè)計(jì)主要側(cè)重于裝備本身的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)，利用各種技術(shù)手段針對(duì)快速性、浮性、穩(wěn)性、隱身性和作戰(zhàn)適應(yīng)性等進(jìn)行計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)通常借鑒母型、根據(jù)艦載設(shè)備的使用需求來完成，設(shè)計(jì)方案的功能實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須要保證的，而形式美則取決于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的綜合水平和決策者的審美能力。藝術(shù)設(shè)計(jì)理念對(duì)于擅長理性邏輯思維的工程技術(shù)人員來說不易理解，更難以表達(dá)。部分設(shè)計(jì)人員認(rèn)為艦船美學(xué)設(shè)計(jì)很難控制，屬于“無心”之作。由于缺乏前期頂層的概念創(chuàng)意和系統(tǒng)的理論指導(dǎo)及設(shè)計(jì)方法，艦船結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)始終處于分散、孤立研究和個(gè)別應(yīng)用的低級(jí)階段。僅僅滿足于艦船的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的實(shí)現(xiàn)，而對(duì)艦船人文情懷的選擇性忽視或考慮不足，導(dǎo)致海軍官兵對(duì)艦船的批評(píng)絕大部分集中于與人相關(guān)的問題，如艦體造型不佳，設(shè)備使用、維修不夠便捷，某處艙室和部位環(huán)境惡劣等。

現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)理論均源自于包豪斯?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)關(guān)注于人的總體舒適度和建筑及其空間本身；工業(yè)設(shè)計(jì)關(guān)注于人的細(xì)微舒適度和產(chǎn)品本身。在艦船結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)過程中引入建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)的理論和設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)艦船的識(shí)別性、傳達(dá)性、體驗(yàn)性和藝術(shù)性，從而完成“從單純的功能實(shí)現(xiàn)到注重用戶的整體體驗(yàn)”設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變[5-7]。

1.3 針對(duì)艦船結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)要求

艦船結(jié)構(gòu)型式是由外觀造型和內(nèi)部艙室共同營造的艦船整體面貌，表現(xiàn)為展現(xiàn)在用戶和觀眾面前的船舶產(chǎn)品特定形象。作為具有特定功能的海洋結(jié)構(gòu)物的外在體現(xiàn)，艦船結(jié)構(gòu)型式是對(duì)艦船主要功能和性能、建造工藝、藝術(shù)美學(xué)及心理學(xué)等進(jìn)行綜合分析和權(quán)衡的結(jié)果，體現(xiàn)了艦船設(shè)計(jì)和建造的水平。

隨著社會(huì)的發(fā)展，艦船“服務(wù)于人”的觀念被更多人意識(shí)到，之前以產(chǎn)品功能和性能為主要出發(fā)點(diǎn)的工程設(shè)計(jì)已不能概括艦船結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)的全部涵義。

艦船結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下，不僅應(yīng)從功能形態(tài)上滿足海軍官兵針對(duì)工作便利與效率的需求，而且需要在健康與舒適、創(chuàng)新與美觀上實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)與情感的需求，與此同時(shí)，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)還承載著經(jīng)濟(jì)、文化、社會(huì)等多方面的價(jià)值。

就實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)使用需求而言，艦船結(jié)構(gòu)型式應(yīng)體現(xiàn)出功能性；就滿足人的認(rèn)知需求而言，艦船結(jié)構(gòu)型式應(yīng)體現(xiàn)出識(shí)別性和傳達(dá)性；就實(shí)現(xiàn)人的生理、行為和情感的需求而言，艦船結(jié)構(gòu)型式應(yīng)體現(xiàn)出體驗(yàn)性；就達(dá)到人的審美需求而言，艦船結(jié)構(gòu)型式應(yīng)體現(xiàn)出藝術(shù)性。

2 水面艦船動(dòng)力裝置類型

推進(jìn)系統(tǒng)是水面艦船的重要系統(tǒng)之一，根據(jù)艦船推進(jìn)系統(tǒng)采用的推進(jìn)主機(jī)不同，艦船推進(jìn)系統(tǒng)可分為汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、聯(lián)合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)（包括柴-柴聯(lián)合、燃-燃聯(lián)合及柴-燃聯(lián)合等）[8-14]、電力推進(jìn)系統(tǒng)以及核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)[15-19]。

當(dāng)艦船采用不同類型的推進(jìn)形式時(shí)，艦船的結(jié)構(gòu)型式也存在一定程度的差異。但一般來說，大功率的推進(jìn)主機(jī)，如汽輪機(jī)、大功率燃?xì)廨啓C(jī)、大功率柴油機(jī)等，位于機(jī)艙上方的上層建筑內(nèi)會(huì)設(shè)置相應(yīng)的排氣煙囪，通常是一個(gè)主機(jī)艙對(duì)應(yīng)一個(gè)煙囪；采用燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)的艦船，除在主機(jī)艙上方上層建筑內(nèi)設(shè)置煙囪外，還應(yīng)設(shè)置燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣設(shè)施，包括進(jìn)氣道、進(jìn)氣格柵等，特征非常明顯。采用小功率柴油機(jī)推進(jìn)的艦船，柴油機(jī)的排氣非常靈活，除了可在機(jī)艙上方上層建筑內(nèi)設(shè)置煙囪外，也可從舷側(cè)或水下排氣，此時(shí)上層建筑上并無明顯的柴油機(jī)排氣設(shè)施；此外，柴油機(jī)排氣煙道也可和艦船主桅或后桅集成設(shè)計(jì)，“煙桅合一”的設(shè)計(jì)在空間上非常緊湊。

需要說明的是，無論采用何種推進(jìn)形式，在開展艦船結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)重點(diǎn)考慮推進(jìn)主機(jī)等機(jī)械設(shè)備在全艦的布置位置，因?yàn)槠錄Q定了進(jìn)排氣設(shè)施（包括進(jìn)氣道、排氣煙囪等）的布置，并可影響上層建筑的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)。

2.1 汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)

艦船汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)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(jī)把蒸汽的熱能變成機(jī)械能。主鍋爐運(yùn)行時(shí)需要一定的燃燒空氣，產(chǎn)生大量的煙氣通過煙囪排入大氣。采用汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的艦船，考慮到艦船推進(jìn)系統(tǒng)生命力的需要，一般設(shè)置前、后機(jī)爐艙，前、后機(jī)爐艙分別通過各自的煙囪將主鍋爐燃燒的煙氣排出或?qū)⑶?、后機(jī)爐艙主鍋爐燃燒的煙氣集中至一個(gè)煙囪排出。因此，采用汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的水面艦船在結(jié)構(gòu)型式上一般設(shè)置前、后兩個(gè)煙囪，特征非常明顯。例如，我國濟(jì)南號(hào)驅(qū)逐艦采用了汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，在上層建筑設(shè)置了前、后兩個(gè)煙囪；俄羅斯的“現(xiàn)代”級(jí)驅(qū)逐艦則將前、后機(jī)爐艙產(chǎn)生的煙氣集中到一個(gè)煙囪排出。

2.2 柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)

柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)是以柴油機(jī)為主機(jī)的艦船推進(jìn)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于公務(wù)船、軍輔船、護(hù)衛(wèi)艇、輕型護(hù)衛(wèi)艦等中小型艦艇。柴油機(jī)工作時(shí)，同樣需要符合主機(jī)溫度、真空度等要求的清潔的空氣系統(tǒng)。根據(jù)排氣位置的不同，柴油機(jī)可采用煙囪排氣、舷側(cè)排氣和水下排氣等形式。一般情況下，公務(wù)船柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)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?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)具有重量輕、起動(dòng)快、功率大等特點(diǎn)，全燃推進(jìn)（COGAG）系統(tǒng)特別適用于大型驅(qū)逐艦、巡洋艦等大型水面艦船。燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)，需要引入大量的燃燒空氣和冷卻空氣，因此在艦船結(jié)構(gòu)型式上需要設(shè)置專門的進(jìn)氣道；同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣道應(yīng)垂直向上，以滿足燃?xì)廨啓C(jī)組對(duì)進(jìn)排氣流阻的要求。此外，為避免燃?xì)廨啓C(jī)裝置維修、保養(yǎng)或更換時(shí)在主船體內(nèi)部甲板開口，一般在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣道內(nèi)設(shè)計(jì)一套軌道系統(tǒng)，用于燃?xì)獍l(fā)生器、動(dòng)力渦輪等部件出艙維修或保養(yǎng)[20-21]。

燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣一般通過煙囪引入大氣，考慮到燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的艦船，在結(jié)構(gòu)型式上一般設(shè)置兩個(gè)煙囪，并將進(jìn)氣道和煙囪進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，并在上層建筑外壁上安裝大量的進(jìn)氣格柵，特征非常明顯。早期采用燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的艦船，如美國“阿利·伯克”級(jí)Ⅰ型驅(qū)逐艦，燃?xì)廨啓C(jī)排氣紅外抑制裝置裸露在煙囪頂部外面，后經(jīng)改良設(shè)計(jì)，燃?xì)廨啓C(jī)排氣紅外抑制裝置采用埋入式設(shè)計(jì)，從外觀上已看不出排氣紅外抑制裝置，如“阿利·伯克”級(jí)ⅡA 型驅(qū)逐艦。

2.4 柴-燃聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)

柴-燃聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)（CODOG）在艦船中低速巡航時(shí)采用柴油機(jī)推進(jìn)，在高速航行時(shí)采用燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)[22]，可充分發(fā)揮柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和燃?xì)廨啓C(jī)功率大、起動(dòng)快等優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用較廣泛的推進(jìn)系統(tǒng)之一。柴燃聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)組組成又可分為兩種：是兩臺(tái)柴油機(jī)和兩臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)組合形式，如西班牙F100 護(hù)衛(wèi)艦、韓國KDX-1 驅(qū)逐艦等；二是兩臺(tái)柴油機(jī)和一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)組合形式，如德國F124 護(hù)衛(wèi)艦等。根據(jù)動(dòng)力機(jī)艙布局的不同，典型的柴燃聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)艙布局分為以下三種。

2.4.1 德國F124 護(hù)衛(wèi)艦

德國F124 護(hù)衛(wèi)艦推進(jìn)系統(tǒng)主要艙室包括燃?xì)廨啓C(jī)艙、齒輪箱艙、柴油機(jī)艙，其特點(diǎn)是臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)布置在一個(gè)艙室，兩套齒輪箱布置在齒輪箱艙，兩臺(tái)柴油機(jī)布置在柴油機(jī)艙，其中，齒輪箱使用了跨接技術(shù)。

2.4.2 韓國KDX-I 驅(qū)逐艦

韓國KDX-I 驅(qū)逐艦推進(jìn)系統(tǒng)主要艙室包括燃?xì)廨啓C(jī)艙、柴油機(jī)及齒輪箱艙等，其特點(diǎn)是兩臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)布置在一個(gè)艙室，兩臺(tái)柴油機(jī)和兩套齒輪箱布置在一個(gè)公共艙室。

2.4.3 西班牙F100 護(hù)衛(wèi)艦布局

西班牙FI00 護(hù)衛(wèi)艦推進(jìn)系統(tǒng)主要艙室包括前機(jī)艙、后機(jī)艙等，其特點(diǎn)是通過設(shè)置前、后機(jī)艙，每個(gè)機(jī)艙包括一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、一臺(tái)柴油機(jī)及一套齒輪箱[23]，將推進(jìn)系統(tǒng)隔離為兩套，推進(jìn)系統(tǒng)的生命力較強(qiáng)。以上3 種典型的柴燃聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)艙布局產(chǎn)生了兩種典型的上層建筑煙囪結(jié)構(gòu)型式：一種是采用一個(gè)煙囪，將推進(jìn)柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)排氣集成在一起，如德國F124 護(hù)衛(wèi)艦，類似的還有韓國KDX-I 驅(qū)逐艦；另一種是類似全燃推進(jìn)系統(tǒng)，采用前、后兩個(gè)煙囪，如西班牙F100 護(hù)衛(wèi)艦。

2.5 電力推進(jìn)系統(tǒng)

電力推進(jìn)系統(tǒng)具有電力容量大、布置靈活、機(jī)械噪聲小等突出特點(diǎn)，是目前海軍強(qiáng)國大力發(fā)展的新型推進(jìn)系統(tǒng)之一。根據(jù)電力推進(jìn)系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)類型，可分為三種：一是全部以柴油機(jī)為原動(dòng)機(jī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)，如法國的“西北風(fēng)”級(jí)兩棲攻擊艦；二是全部以燃?xì)廨啓C(jī)為原動(dòng)機(jī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)，如美國的“朱姆沃爾特”級(jí)驅(qū)逐艦；三是以柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)為原動(dòng)機(jī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)，如英國的45 型驅(qū)逐艦[24]。

從電力推進(jìn)系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)的類型可見，以柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)為原動(dòng)機(jī)的電力推進(jìn)艦船[25-27]，仍然要考慮發(fā)電機(jī)組的布置及進(jìn)、排氣問題。從艦船結(jié)構(gòu)型式的角度分析，電力推進(jìn)艦船的結(jié)構(gòu)型式原則與采用柴油機(jī)推進(jìn)、燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)或聯(lián)合推進(jìn)方式的艦船是一致的。例如，英國的45 型驅(qū)逐艦采用了電力推進(jìn)系統(tǒng)，電力推進(jìn)系統(tǒng)主要設(shè)備包括兩臺(tái)WR21燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組及兩臺(tái)推進(jìn)電機(jī)，在結(jié)構(gòu)型式上，45 型驅(qū)逐艦與采用全燃聯(lián)合推進(jìn)的艦船并無明顯差異。

2.6 核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)

核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)是以可控核裂變能為能源的推進(jìn)系統(tǒng)。核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)由于技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)高、安全性要求高等原因，一般在核潛艇、核動(dòng)力航空母艦上應(yīng)用較多，驅(qū)逐艦及護(hù)衛(wèi)艦由于采用核能后所付出的總體代價(jià)大于所獲得的收益，一般不采用核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，本文不再贅述。

3 結(jié)論

結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)應(yīng)滿足相應(yīng)的技術(shù)要求，同時(shí)兼具一定的藝術(shù)特點(diǎn)?？紤]到水面艦船在海防事業(yè)中起到的重要作用，及其所采用動(dòng)力裝置的復(fù)雜多樣化，針對(duì)其結(jié)構(gòu)型式而開展的設(shè)計(jì)過程有著重要而深遠(yuǎn)的意義。