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灵活型舰船设计新发展(Z.2015.3)

新闻来源:中国船检    浏览量:639 李源 2017-05-02
        国际市场上对作战舰船的需求量很大,特别是中、低要求和中、低能力的战舰。据2013年7月AMI发表的国际特别报告称,至2032年护卫舰、轻巡洋舰、沿海巡逻舰以及快速攻击艇的需求量总计占到计划建造项目总量的30%左右。其中护卫舰在小型作战舰船领域的需求量最大,未来20年内,全世界预计将交付300艘左右的护卫舰,这是一个庞大的市场需求。
        护卫舰通常有一个主要的作战任务,然后可以拓展至多种任务,从搜救、沿海巡逻、拦截、商船护航到远征作战支持,涉及中低威胁等级的防空、反舰、反潜等多项任务。如在海事安全方面,有搜救、船舶安全、极地操作(非破冰);在海事安全和海警方面,有执法、海洋资源保护、海洋和环境保护、毒品和非法移民拦截、反海盗、人道主义援助、灾难响应;在国家安全和国防方面,有边境水域巡逻、军事任务以及与伙伴国海军/海警联合训练、保护航运、补给物资和海上基地、对危机/冲突的多任务支持。
        因为有多功能的要求,模块化设计成为一个趋势。美国海军的濒海战斗舰被誉为美海军首艘真正意义上的模块化舰船,该舰拥有明确的标准和界面,方便安装三个作战任务包:反水雷、反舰和反潜。也可兼顾其他模块化任务包,如海军特殊作战或海上拦截。
        另一方面,价格合理、按期交付以及按预算实施是项目成功的关键,因此以一型舰体平台为基础,搭载多种载荷形成不同功能舰船的设计方案是一个不错的想法。亨廷顿英格尔斯工业公司(HII)下属的英格尔斯造船公司的“灵活型护卫舰”设计概念,利用已经证实的设计方案作为母型,极大地降低了项目风险和建造风险,增加了成本优势和价格可预测性。BMT公司也提出了“家族舰”的设计方案,基于一种母型开发出三型不同的舰船。以下对这两种设计方案进行介绍。
        英格尔斯造船公司的“灵活型护卫舰”设计概念
        英格尔斯造船公司提出的“灵活型护卫舰”设计概念,基于该船厂为美国海岸警卫队建造的“传奇”级国家安全舰(NSC)。
        NSC是美国海岸警卫队的一个创记录的项目,共计划采购8艘,首批3艘分别为“Bertholf”号、“Waesche”号和“Stratton”号,已于2013年秋季服役。第二批3艘“Hamilton”号、“Janes”号和“Munro”号正在建造。2013年年中,美国国会批准了“Munro”号的全部采购资金,以及第7艘“Kimball”号的长研制周期的材料研发资金。2014财年总统预算中还包括了第7艘舰建造和交付的经费。第8艘NSC的经费还未落实。
        NSC要求85%最大持续功率下,最高持续航速28节以上,12节时续航力达到12000nm,食物供应可维持60天。NSC的任务要求包括国家安全、国防、本土安全。NSC配备了先进的指挥控制系统、传感器、信息交换系统、先进的武器系统,能满足广泛的多任务要求。另外,NSC与美海军的作战平台和系统可交互操作,这也是项目研制之初即提出的要求。NSC与美国海军的许多战舰具有共同的特性,比如:NSC上配备的MK11057mm舰炮,与LCS上配备的一样;NSC上配备的“密集阵”Block 1B近防武器系统、12.7mm口径的机枪、TRS-3D空中搜索雷达、X波段和S-波段水面搜索和导航雷达、SPQ-9B火控雷达、SLQ-32电子对抗系统以及MK46光电/红外系统在美海军的许多战舰上都有配备。
        通过以上可以发现,尽管隶属于海岸警卫队,NSC事实上是一艘性能非常好的低端多任务战斗舰船,除了具备保卫领海安全的能力,它还是现代综合安全防御体系中的一个重要的要素。
        不过NSC并非模块化舰船,英格尔斯公司计划投入资金以NSC3(第3艘NSC)设计方案为基础,尽可能地使用明确的标准和界面以方便将多种不同的任务载荷引入到NSC平台上。基础的NSC船体、轮机、电力系统仍保留,除此以外其他的部分都可以讨论。
        前两艘NSC的建造过程中,海岸警卫队要求英格尔斯公司对结构设计进行修改以获得更大的疲劳寿命。这些设计上的修改增加了该舰的疲劳寿命,结合其他的改进,使NSC的排水量从4500t增至4700t,创造了4%、约200t的重量裕量。
        2007年,以NSC3为基础的研究表明,通过改进,可以进一步将该舰的排水量增至4900t。这项改进很重要,因为船厂正试图为该舰增加作战系统、传感器和武器,这些都会增加上部结构的重量,降低稳性。为了抵消增加的重量,船厂全方位地寻求减轻重量的方法,最主要的是采用了铝质或复合材料的轻质甲板室。另外,还通过增加最大许用重心高度,横贯进水以及分舱变化来增加稳性。不仅如此,设计团队还执行了后继的稳性分析和纵向强度分析。排水量又增加了100t,但成本增加很少,最终该舰的排水量增至5000t。这些增加的排水量使NSC3的设计能满足未来的需求并搭载额外的作战能力。对该舰的改进工作是灵活型护卫舰设计的开端。
        NSC3之后,英格尔斯公司又进行了几艘定制的灵活型护卫舰的设计建造。 “haze-gray”号FF4501,母型;能力更强的“海上控制护卫舰”,FF4910,需满足更困难的海上安全和警卫操作;具备多任务和集群作战能力的“巡逻护卫舰”FF4921。
        1、“haze-gray”号护卫舰FF4501
        该舰很好地利用了在NSC3的基础上增加的200t重量裕量,结构也有所增强,除了FF4501用吊杆起重机取代了龙门起重机(用于小艇和备品的操作)外,保留了NSC3的全部系统和能力。该舰与NSC3实际上相同,但造价更有优势。
        2、海上控制护卫舰FF4910
        FF4910在FF4501的基础上能力进一步拓展,增强了反潜和反舰能力,排水量达4900t。主要增加的是位于甲板室前方的舰对舰导弹模块。另外FF4910配备的是“海拉姆”近防武器系统,取代了“密集阵”Block 1B。针对来自所有水域的先进潜艇的威胁,该型设计还增加了SLQ-25B“水妖”反鱼雷系统和可选择的安装在甲板上的拖曳阵列声纳系统。
        设计过程中,设计师优化了液舱和水密分舱,从而增加了许用重心和固定的任务空间。建造材料方面,FF4910为钢质船体,铝质甲板室,“Zumwalt”号战舰上使用的复合材料也将在设计中采用。
        3、巡逻护卫舰FF4921
        该舰实际上是一型小型导弹驱逐舰,能独立操作或作为战斗群中的一员。参与低端远征战斗群作战时,巡逻护卫舰可与快速部署后勤舰协同操作。
        FF4921型设计提供了超过400t的重量裕量,排水量达到4900t。能在较小的船体中实现强劲的作战能力。该舰的定位为较低端、多任务的海上控制护卫舰,但增加了当地水域防空、反潜和反舰能力,配备有12单元MK56垂直发射系统模块、增强型“海麻雀”导弹、2座“鱼叉”舰对舰四联装发射装置以及安装在船体上的拖曳阵列声纳和鱼雷。舰上武备进行了升级,1座76mm口径舰炮取代了前期设计中的57mm口径舰炮。与前两型设计和NSC3不同的是,FF4921的设计中取消了舰尾跳板,为拖曳阵列声纳和其他作战系统提供了空间和载荷能力。与海上控制护卫舰一样,FF4921型设计采用钢质船体搭配铝质或复合材料甲板室。
        未来,FF4921的升级型设计能力还能进一步增强。如增加SMART-L雷达和增强作战系统能力,使舰能执行弹道导弹防御(BMD)任务。
        BMT公司的“家族舰”设计方案
        BMT公司希望能设计一种“家族舰”,基于同一母型,开发出不同功能和能力的舰船。不同的舰能形成一个家族的关键在于各自的功能是否具有相似的特性。最初得出的这些相似的功能特性有巡逻、水雷战、海上安全等,这样形成了具备如下特性的舰船:长度在60米至120米之间;比大型战斗舰更简单、更商业化,但仍然具备军事特性;有装备舰载艇和增加无人交通工具的需求;良好的耐波性,适用于沿海至远洋;中等航速,20节至25节。
        最终,BMT公司基于一种母型开发出了三型设计,分别是:反水雷巡逻舰,舰长约90米,通过无人交通工具增加相关能力。较大型的巡逻舰或远洋巡逻舰,适合部署在全球气候温和的水域或作为大型海岸警卫舰。能力更强的巡逻护卫舰,作为传统型多功能护卫舰的一种更经济的替代方案,可部署在威胁性水域,生存性和能力可按客户要求定制。
        1、舰体平台的开发
        开发Venator“家族舰”的重点在于基于家族特性开发基础船体。最初的研究集中于一系列参数形式的不同特性,考虑三种船长(90米、100米、110米)和三种长宽比变量,这样总共产生了9组参数,然后对每组参数在阻力、耐波性和完整稳性等方面进行评估。
        为了平衡这些结果,将耐波性、阻力和稳性等指标进行排序,第3号船体是作为基础船体的不错选择,该船体耐波性能良好(与6号和9号大致相当),并具有足够的稳性和良好的阻力性能。事实上,该船体并未在某一个方面表现最优,但各方面指标十分均衡。
         Venator 90舰的原始设计为1号船体,在三型较短的船体(1、4、7号)中,除了耐波性外,其余性能令人满意,说明这些较小型的设计不适用于深水航行。基于该结果,开发了一型更大,能全球部署的巡逻舰平台,即3号船体,这也就是Venator 110舰。
        2、平衡舰船的生存性和能力
        增加船舶的生存性是需要增加成本的,因此许多研究目标是确定“可支付的”生存性。生存性范围的两端分别为OPV和战斗舰。一艘OPV不会设计成具备作战能力,仅需要考虑法规的要求和船员的安全。一艘战斗舰则必须具备一定程度的作战生存性,将能力损失的风险降至最低。如果是一艘大型巡逻舰则可能需要参与“低端”战事,因此与普通OPV相比,需要提升生存性,但是如果提升到护卫舰级别,就将变得成本太高而超出预算。
        舰船的最低要求是在所有情况下保障船员的安全。但是当执行海上安保任务时,需要假设舰船将被单独部署,如果舰船缺乏防护措施,任务可能存在一定的风险。因此,对于这种任务的生存性可以描述为保护船员再加上对特定威胁(主要是小口径武器)任务等级的生存性。生存性有如下几个等级:小型武器威胁下的人员保护;指挥和控制功能的保护;无单点功率故障和推进故障;对潜在威胁,维持射程优势;遭遇小型武器袭击或意外损坏后恢复的能力。
        具体到动力和推进方案,可以有以下几种情况:采用单机舱和单发电机舱,无冗余设备,不提供舱室损失冗余;分离的机舱布置,将动力和推进分别布置,为一舱进水或遭遇火灾情况提供冗余性,但是如果相邻的舱壁出现破裂则无冗余性;分离的机舱布置并且在舱室间设置防护型舱壁,为一舱进水或遭遇火灾情况提供冗余性,同时对断裂和小型武器威胁具有有限冗余能力;分离的机舱布置且至少一舱隔离,在进水、火灾和武器损坏时提供冗余性,冗余等级与分离的程度一致。
         机舱分离可改善生存性,但是这样的布置对设计会产生显著的影响,会增加船体尺度。对于Venator110舰来说,在一个机舱出现火灾或进水的情况下提供动力和推进冗余性可以显著提升操作优势,并且在遭遇事故时能优雅降级(指机器或系统在本身已部分毁坏或无效的情况下还能保持有限功能的能力)。对分离舱壁给予一定程度的保护也将减轻断裂或小型武器的损害。但是如果机舱分离仅改善船舶面对较大威胁时的生存性,而较大威胁又并非设计目标时,这时机舱分离对设计的负面影响将超过得到的益处。在Venator90舰的设计中,机舱分离并不现实,这种情况下,解决途径转向仅提供冗余设备,布置上并不提供冗余。
         3、提升能力的灵活性
         舰船的不同功能可通过不同的途径来实现,包括提供固有灵活性,无需物理改装和外部的辅助即可调整空间的使用;采用模块化设计,在舰上已有的结构限制内替换或增加新设备,或在外部辅助下实现装舰、连接、试验和运转;或直接搭配采购一个批次的舰,不同的舰具备不同的能力,若非重大改装,舰船的功能在整个寿命周期内保持不变。这些需根据实际情况选择。
        对Venator 110舰的两种船型,已通过固有灵活性和模块化的方式,进行进一步改善。增加模块系统需要加装基础设施或预留空间。最终巡逻舰优化为能提供增强的战略ISAR(逆合成孔径雷达)和HADR(休斯公司防空雷达),巡逻护卫舰能提供增强型战略ISR(情报、监视与侦察),并且提升了在威胁区域的生存性。
        世界范围内小型作战舰艇,特别是护卫舰需求量较大,这种小型战舰执行的任务不仅局限于作战,还有搜救、巡逻、执法、灾难救援等等,往往充当着多功能舰的角色。正是在这种需求下出现了舰船模块化的概念。因为具备模块化的可能,具有相似功能的舰可以以同一舰体平台为基础进行开发,最大的优点是节省建造开发成本,降低项目风险和建造风险,尤其对于军贸来说具有很大的优势。
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