行驶时20米外鱼群都感觉不到,中国造科考船就是这么多牛!

作者:陈俊宇来源:网易新闻发布时间:2019-09-06

目前,中国正在设计或建造的海洋科考船约10艘,居世界首位。

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  作者 | 陈俊宇,清华大学机械工程系博士研究生

  海洋覆盖了全球71%的面积,而人类对海洋的认识还不到5%。

  军事上的需求曾经驱动了人们对海洋环境科学的研究,而近年来随着海上资源开发、发展海洋经济、保护海洋生态环境的重要性日益提高,很多国家在海洋科考领域的投入也越来越多。

  海洋科考离不开专业科考船,所以,今天我们就来说说中国的海洋科考船。


  (一)科考船造价不菲,中国拥有量仅为日本俄罗斯一半

  海洋科考船是专门进行海洋科学调查研究的工具,广义上说,科考船既包括由政府或研究机构建造运营的用于水文测量、海洋科学研究、极地研究、渔业调查的科考船,也包括由油气公司建造运营的用于油气探测的地球物理地震调查船等等。


  (海洋科考船用途)

  从科考船队规模来看,美国、欧盟、日本、俄罗斯等世界主要经济体的科考船船队规模远大于中国。

  据统计,目前美国的各类科考船船队规模超过约250艘,欧盟总计 302 艘,俄罗斯和日本也分别超过 100 艘。

  中国自 2012 年开始组建国家海洋调查船队,通过不断发展壮大,船队数量已从最初的19艘增至54艘。目前,中国正在设计或建造的海洋科考船约10艘,居世界首位。


  (国家海洋调查船队的部分“队员”,来源:国家海洋调查船队官网)

  鉴于科考船需要满足较高的建造和工艺要求,大多造价不菲。

  比如,由江南造船建造的中国首艘满足最新极地规则的极地科考破冰船“雪龙2”号,造价高达15亿元,即使是非极地的科考船,其造价往往也都在数亿元。

  而作为对比,2017年造船价格低谷期,中国船厂签订的一批22000标准集装箱船(目前世界上在建的最大集装箱船)的订单,价格大约在每艘10亿~12亿元左右。

  所以,对于中国船厂而言,科考船是当前船市不景气条件下,非常不错的订单来源。

  (二)除了普通船舶的性能外,科考船还讲究“沉默是金”

  科考船由于其特殊的用途,在设计上除了要满足灵活的操作性能以及航速续航性能等一般船舶要求的性能外,还需要满足科考活动所提出的一些特殊性能需求。

  为了不影响探测设备工作时的测量精度,科考船要尽可能地从船型设计、结构设计及选用低振动、低噪声的设备等方面考虑,降低船舶的自身噪声。对于科考船来说,“沉默”是船载科考仪器设备精准工作、获取科考数据真实可靠的重要基础,也是深度开展高水平、高质量海洋科学考察和科学研究的重要保障。

  对科考船有影响的噪声主要分为两大类,空气噪声和水下辐射噪声。

  (1)空气噪声

  空气噪声除了会影响船载设备的精度,还会影响船员和科学家工作生活的舒适度。

  在中国船级社CCS规定的《船上噪声等级规范》中指出,令人感觉舒适的空气噪声水平需要低于49分贝;人连续24小时以上处于80分贝噪声以上的环境中,会对听力和神经系统造成损伤,需要佩戴相应的隔声器;而对于超过120分贝的情况,人即使佩戴护具也不应暴露在相应的环境中。


  (不同声压级(单位:分贝)的空气噪声)

  (2)水下辐射噪声

  水下辐射噪声对水下声学探测设备的精度有较大的影响,只有静音船得出的科考数据才在国际上具有权威性。

  针对四大类海洋探测船只(有水声设备的一般船只、地震测量船、渔船、科考船)以及其他任何希望对其环境噪声控制水平进行入级评定的船只,挪威船级社DNV规定了不同的静音船只的水下辐射噪声规范。


  (表:挪威船级社(DNV)规定的静音船只的船级符号体系)


  (获得SILENT-A符号的水声学静音船在不同条件下允许的最大水下辐射噪声水平)

  需要说明的是,空气中的噪声和水中的噪声水平由于其参考值和环境并不一样,其声压级的数值并不能直接比较。


  (获得SILENT-S符号的静音地震调查船允许的最大水下辐射噪声水平)


  (获得SILENT-F符号的渔业静音船在不同条件下允许的最大水下辐射噪声水平)


  (获得SILENT-R符号的科考级静音船在11节航速下允许的最大水下辐射噪声水平)


  (获得SILENT-E符号的环境级静音船在不同条件下允许的最大水下辐射噪声水平)

  (三)不吹不黑,中国科考船的降噪性能国际顶尖

  前面我们已经提到,中国科考船目前新建和在建数量均居于世界首位,其实,不仅仅是数量,中国制造的科考船在性能上也已经进入了世界第一梯队,在降噪方面,中国的“嘉庚”号科考船和“东方红3”号科考船的表现就可圈可点。

  1、噪声水平和普通会议室一样的“嘉庚”号

  2015年3月31日,“嘉庚”号科考船正式开工,一年后的5月10日,“嘉庚”号科考船在广州下水,并正式命名,2017年3月28日,“嘉庚”号科考船正式交付使用。

  “嘉庚”号科考船是由船东(厦门大学)拥有完全知识产权的海洋科学综合考察船,它船长77.7米,型宽16.24米,设计吃水5.2米,约3500总吨,经济航速11节,最高航速大于14节,续航力1万海里,自持力50天,定员54名。


  (“嘉庚”号)

  “嘉庚”号是中国首艘通过DNV船级社船舶噪声船级符号Silent A+S指标的船舶,船舶驶过水面时,噪声水平仅与会议室开会所产生的噪声水平相当。

  2、二十米外的鱼群听不到的“东方红3”号

  2019年5月30日,江南造船厂为中国海洋大学建造的新型深远海大型综合科学考察实习船“东方红3”号交付。

  “东方红3”号是一艘5000吨级深远海综合科学考察实习船,全长约103米,宽约18米,具有全球无限航区航行能力,海上自持力长达60天,可持续航行15000海里,可搭载科考人员和船员110人,作业甲板600平方米,实验室面积600平方米。


  (5000吨级“东方红3”号静音科考船)

  “东方红3”船是国内首艘、国际上第4艘获得挪威船级社DNV的SILENT-R证书的海洋综合科考船,也是世界上获得这一等级证书的排水量最大的海洋综合科考船。

  “东方红3”船适应于综合科考需求的船舶各项性能技术指标,在船舶振动与噪声、电磁兼容等参数控制值均到达世界先进水平,特别是低噪声控制方面,当船行驶时,水下20米以外的鱼群都感觉不到。

  极好的船舶静音环境,保证了“东方红3”船船载仪器设备获取的科考数据真实可靠。

  (四)国产科考船静音关键技术:发动机隔振、超静音电机和螺旋桨

  声音是由物体的振动产生的,在一般船舶上,柴油机、螺旋桨、电站、电机、齿轮箱等动力装置是主要的噪声源,为了达到静音船的入级要求,国内研究人员主要采用了三大关键技术,包括发动机双层隔振设计、低速超静音推进电机推动和低噪声螺旋桨设计。

  首先是发动机双层隔振设计。

  船舶的动力来自于柴油机,一般的船只上会设置专用的柴油机用于推动螺旋桨,这是船只的主推进系统,这个柴油机也称为主机。另外的一些柴油发电机组位于船舶电站内,为船上的设备提供电力,称为辅机。

  这些柴油发动机放在船上,其元件的振动如果直接传递到船体上会造成很大的噪声,为此,需要将这些发动机和船体之间充分分离,即采用双层隔振设计,这样可以有效地降低发动机产生的噪声。


  (双层隔振设计简图,来源:夏兆旺等,船舶辅机双层隔振教学系统开发设计)

  其次是选用低速超静音电机作为动力主机。

  对船舶的主推进系统来说,主机如果直接采用柴油发动机提供的动力,则需要复杂的轴系进行传动来实现动力的输出和转速的控制,齿轮、轴承等中间环节将会产生很大的噪声。

  国产静音科考船采用的主推进方式是通过电机直驱螺旋桨实现的,减少了中间的传动环节的噪声的同时,电机本身的噪声也相较柴油机更小。


  (“嘉庚”号采用电机作为主推进力,减少了传动环节,降低了噪声 图片来源:赵同宾等,科考船低噪声主推进轴浆集成设计研究)

  第三是对螺旋桨的低噪声优化。

  螺旋桨在水中转动时,如果其转动的周期不均匀则可能会产生振动并将这种振动传递到船体上,此外,由于高速旋转的螺旋桨表面的流场的不均匀性,在其表面会产生大量的空泡,这种空泡会产生巨大的噪声。

  对其螺距、直径等形状参数进行优化,提高螺旋桨的转动均匀性,提高空泡的初生航速,可以使船在额定航速下可以不产生或少产生表面空泡。


  (螺旋桨在转动时产生空泡)

  除了以上三大主要措施,中国的造船厂对船上的辅助设备及管路尽可能地采取减振降噪措施、光顺船体线型降噪等,最终使得这些国产科考船成为了“沉默是金”的静音船。

  结语

  国产静音科考船的成功投入使用的数量越来越多,标志着中国掌握了制造静音科考船的关键技术,从而进一步确立了中国海洋科考数据成果在国际上的话语权,这也将为中国未来在海洋科考领域的发展打下坚实的基础。

原文标题《中国造科考船有多牛?行驶时20米外鱼群都感觉不到》

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