苹果剧情里孩子是谁的:模块化造船对舰船总体设计的要求

卢晓晖
摘要：模块化造船要求舰船设计也必须贯彻模块化设计思想。在舰船常规设计方法的基础上，结合模块化技术的特点，对模块化造船给舰船总体设计带来的相关要求进行了分析。
关键词：模块  模块化技术  舰船总体设计
模块及模块化的概念
模块是指具有独立性、通用性和组合性的标准化单元。独立性是指模块具有高度独立的功能和结构，可进行单独的设计、制造、测试及储备。组合性是指模块具有标准的功能和结构接口，通过简单的连接形式就能实现模块间以及单模块与系统的融合，而在取消连接后，又能方便地实现模块与模块以及模块与系统的分离。通用性是指模块具有广泛的功能和结构覆盖性，为构造多样化的系统提供功能或结构组件。
模块化作为一种过程或方法，其定义可一般性描述为“将硬件（或软件）按功能分解成许多单元，并将其设计成硬（软）模块，然后与少量非标准硬件（或软件）合成为一个系统的过程或方法”。从定义中可以看出，模块化过程包含两个子过程，即单元模块的构造和模块的组合。
通过采用模块化技术，可以将一个复杂的任务分解为若干个任务模块，这些任务模块可以同时独立地进行，然后通过所有任务模块的拼接就可以快速而方便地实现整个任务的完成。也正因为如此，模块化思想顺应了现代制造业（包括软件和硬件制造）高速发展的需要而被迅速贯彻到现代制造业的诸多领域，在当今的机械制造、汽车制造及软件开发等行业都有模块化技术的充分应用。
舰船模块化技术
舰船模块化技术的概念起源于上世纪60年代后期。1969年，鉴于采用传统造船技术的造船周期过长、价格过高，而且舰船寿命期的30%时间要消耗在维修及改装上，德国BLOHM & VOSS公司提出了一种MEKO/FES（Multi Purpose Standard Ship / Functional Unit System）方法。该方法的实质是，将舰船平台设计成标准化的系列产品，同时也将电子、武器等系统设计成标准的功能模块，各功能模块都具有标准的舰船平台—系统界面，即标准形状的箱体、框架或托架以及接口，根据功能模块的尺寸在舰船平台上留有相应的开口以便吊装或分离，并设置有标准的多功能安装基座。这样，平台和各功能模块就可以平行建造，并可根据用户的不同要求选装不同的功能模块。很明显，采用这种方法，既可以缩短周期，又可以较容易地实现平台的多功能特性。第一艘采用MEKO技术的护卫舰于1981年交付使用，自此以后又交付了MEKO护卫舰38艘，在这些MEKO舰上安装的模块共达1000多个，主要是武器模块、电子模块、桅杆模块、安装底盘和通风空调模块。
美国在70年代按照与MEKO思想相类似的SEAMOD（Sea systems modification and Modernization by modularity）思想，建造了DD963（斯普鲁恩斯）级驱逐舰。此外，英国、丹麦、澳大利亚等国都采用模块化技术建造了电子系统模块、武器系统模块或模块化整舰。
为了更好地体现模块化技术的通用性、标准性，这些国家在将模块化技术应用于实践的过程中也逐步制定和完善了一系列相应的标准和规范。如今，通过使用已确定的标准，北约组织所使用的武器模块，从密集阵近程武器系统到64单元的垂直发射系统模块之间都可以进行相互换装，包括标准的机械接口，都已经实现；电子模块及其基座、开口尺寸、螺栓孔等也都有统一的标准。
舰船模块化技术的优势
舰船模块化技术的优势主要体现在以下几点：
缩短舰船的研制周期
由于舰船平台的研制周期和武器、电子设备的研制周期存在着较大差异，在计划进度方面很难达到一致，因此会影响舰船的研制进度。采用模块化技术后，舰船平台设计并建造成为具有标准接口的多功能平台，与此同时，武器、电子等设备设计成箱装体结构的模块，二者的设计和建造可以平行进行，缩短设计周期和建造周期，从而缩短整个舰船的研制周期。图1所示就是在同等条件下MEKO舰与常规方法设计、建造的舰船所需研制周期的对比。从该图可以看出，采用模块化技术后，由于舰船平台的研制和装舰模块的研制平行进行，舰船平台的设计时间和船体建造时间均比常规条件下的舰船短，部分舾装和调试等工作在船体建造过程中就可以进行。                 图1
易于进行现代化改装
武器和电子设备的先进性直接体现了舰船作战性能的好坏，正因为如此，武器和电子设备的相关技术发展得很快，更新和升级速度也相对加快，而舰船平台的寿命一般大于30年，因此使得舰船在其寿命周期内需要进行现代化改装以适应威胁变化的需要。采用常规方法设计和建造的舰船，其现代化改装不仅仅是武器、电子设备的更新和升级，还要牵涉到船体结构、电力系统、船舶系统等一系列的问题，这种现代化改装既耗时，又费钱。相比之下，采用模块化技术进行设计和建造的舰船在这方面具有独特的优势。由于武器和电子等设备大量地以模块的形式装舰，且舰船平台-模块间的接口都是标准化的，因此现代化改装不会对舰船平台进行过多的改动。这样既能满足使用部门的要求，又能大幅度降低现代化改装的费用。
图2所示是国外某型舰首部一功能区段内可选装的武器模块示意图，这些武器模块几乎包括了各型武器系统。          图2
提高舰船的建造质量
按常规方法设计建造的舰船在系统或设备总装后都要进行系统联调，系统联调在发现大部分问题的同时也可能会隐藏少数问题，这些隐藏的问题对舰船作战效能的正常发挥是极其可怕的隐患。采用模块化技术后，由于模块与平台的连接界面标准化，装舰的各系统或模块由各自的研制单位调试完毕后装舰，舰在模块安装完毕后不久就能够正常使用，可以避免或尽可能减小常规设计和建造所产生的这种隐患。
增强设计的灵活性
常规设计的舰船往往是针对即定的武器和电子等设备开展设计和建造，供设计方发挥的余地较小。采用模块化技术后，舰船平台的设计受武器和电子等设备的影响较小，设计方可以在此基础上有更多的发挥和创造，优化设计出一个灵活性强的多功能平台。
提高舰船的在航率
由于武器、电子设备以模块的形式装舰，使得这些设备的日常维护、修理、更换更加简单、快捷，有效减少舰船的维护保养时间和费用，提高舰船的在航率。
降低舰船的全寿命周期费用
假定舰的使用期为30年，中间进行一次现代化改装，采用模块化技术后，舰船在全寿命期内的总维护费用（包括日常维护保养费用、基地维修费用和现代化改装费用）比常规型舰的总维护费用有比较可观的降低。图3所示就是MEKO型舰与常规型舰在全寿命周期内的费用比较，其中的统计按照舰每五年进行一次基地维修，寿命中期进行一次现代化改装来进行，各项费用均以其占舰购买价格的百分比来表示。     图3
可以根据图3得出MEKO型舰和常规型舰在全寿命期内的总维护费用的差异，如表1所示。从表1中的数据可以看到，在同等条件下，MEKO型舰比常规型舰的全寿期费用要少约13%左右，这意味着在相同力度的经费支撑下，MEKO型舰在全寿命期内可进行两次现代化改装，而常规型舰只能进行一次现代化改装。
表1  寿命期内费用比较
费用
(占购买价格的比例)
常规型舰
MEKO型舰
日常维护费
225%
210%
基地维修费
15%
10%
现代化改装费
50%
35%
模块化造船
相对其他行业而言，模块化技术在船舶制造业的应用和推广过程较慢，而且覆盖范围也不够广，这主要是由于船舶制造业的自身特点而造成的。国内船舶制造领域从80年代才开始推行壳、舾、涂一体化的造船模式，并在此基础上发展成为现代造船模式—区域造船。区域造船第一次实现了船体、舾装一体化的造船工艺，改变了船舶行业长期以来沿用的以系统为导向的设计和建造思想，沿纵向分区段地实施完整的预舾装工艺，并将部分系统或设备以模块的形式进行安装，按区段来实现均衡、连续的总装造船。区域造船比较深入地贯彻了模块化思想，但它并不等于模块化造船。模块化造船是区域造船向标准化发展的一个高级阶段，其核心在于船体区段合拢完成平台建造后，通过全部功能模块的垂向吊装来完成整个建造，而且在建造过程中，允许各功能模块的研制和平台的研制平行作业。模块化技术在船舶行业所取得的应用成果充分说明了模块化造船可极大地简化管理、优化设计，改善生产条件和提高生产率，降低建造周期和费用，并能满足使用方多样化的要求。
船舶建造方式和船舶设计方法是密切相关的，造船模式的改变必然要求设计模式也发生相应的变化，舰船模块化技术的关键是模块化设计。
模块化造船对舰船总体设计的要求
采用模块化技术后，舰船平台设计的基础仍然是常规设计方法，但与常规设计相比，舰船的平台设计不再针对单个的设备来进行，而是针对各功能模块来进行。平台设计必须求得一组标准的平台—模块界面约束条件，模块化设计的选择对象已从现有设备的物理/功能特性所构造的平台转移到能适合可预见的设备的物理/功能特性的标准平台。舰船平台总体模块化设计的主要目标是要在平台的总体设计中解决功能模块或设备模块装舰以及今后的改换装给平台所带来的一系列相关问题，从而保证平台的通用性或多功能性。
由于舰船模块化设计仍以常规设计为基础，因此结合模块化技术的特点和常规设计方法来分析模块化造船对舰船平台设计的基本要求，这些要求主要包括以下几个方面：
对舰船总布置设计的要求
采用模块化设计后，舰船总布置设计的部分内容也相应发生了变化，主要体现在功能分区设计、模块布置位置和尺寸设计、模块所对应的舱室容积设计以及空间转运系统设计等。
应进行功能分区设计
按传统设计方法设计的舰船在现代化改装中，为了更换新型的武器和电子装备，虽然新旧装备在舰上的布置位置一般不会发生变化，但改换装往往还是对舰船的其他很多系统造成了较大的影响，使整个平台“伤筋动骨”。采用模块化技术的根本目的就是要努力减小武器和电子装备等的改换装对平台造成的影响，为此，在开展平台的总体设计之初就应该结合模块化装备的上舰对舰船总体布置提出按功能进行分区的要求，每个功能区段都应该适用于某类或某几类特定的模块功能，从而使设计出来的平台能够方便地接受各类不同的作战系统。图4是MEKO型护卫舰的功能分区示意图。从图4中可以看出，MEKO型护卫舰全面地贯彻了功能分区的设计思想。
图4
应留有一定的舱室容积裕度
与常规设计相比，采用模块化设计后，武器和电子等设备以方舱的形式装舰，为了解决功能方舱的安装固定、信息接口和能源接口装置的设置、方舱门的设置等问题，必然会占用更多的舰内空间。据有关资料介绍，在同等条件下，采用模块化的装舰形式会使舱容要求增加0.5% ~ 1%。因此，必须在平台的总体模块化设计中相对常规设计留有更大的舱室容积裕度。而更应值得注意的是，采用模块化设计的一个最大目的就是方便功能模块的方便换装，同一功能区段内可能会换装多种功能模块（同类或不同类），舱室容积裕度的设计应充分考虑到这些功能模块对舱容要求的差异。
应考虑模块的空间转运系统要求
空间转运系统包括模块的空间转运路线和甲板开口。为了使模块装舰、换装操作能方便地实现，必须对各功能区段的空间转运路线进行优化研究，结合全舰的布置以及通道进行综合考虑，经和舰上的通道权衡优化后确定出空间转运路线。此外，空间转运系统要求在确定甲板分层高度时必须充分考虑到满足模块的转运和安装。图5所示就是空间转运系统的示意图。         图5
对舰船性能设计的要求
采用模块化技术的舰船平台，由于吊运模块的需要，甲板上往往开有各模块吊装的大开口，并在开口区域进行船体结构的补强。此外，功能模块尤其是箱装体模块比常规设计中的设备重量要大，从而增加了全舰的重量。美国在DD963型驱逐舰的设计基础上采用模块化技术建造的SEAMOD舰比DD963舰重量增加约3.5%。而且武器和电子模块的布置位置一般较高，这样就使全舰的重量、重心分别比常规设计要偏大、偏高，对全舰的稳性也会产生影响，从而影响全舰的总体性能。
此外，换装模块之间的重量、重心以及受风面积也有一定的差异，因此模块的换装也会造成全舰重量、重心以及稳性、浮态的改变。所以，在进行平台的总体性能设计时必须充分考虑到这些因素，一方面在总布置设计时采取有效措施留有一定的重量储备和重心调节能力，另一方面要有一定的稳性储备能力。
对舰船结构设计的要求
功能模块的吊装开口应满足的局部强度和刚度要求
由于武器、电子模块吊装开口的尺寸较大，模块方舱又常常通过其上盖板与开口处船体上的矩形基座以螺栓方式连接，模块自身重量也较重（一般武器模块重约几十吨），而且武器模块又常布置在舰的首、尾部分，这样，开口处会因平台摇摆而产生很大的惯性力，此外，武器发射时又会产生很大的后坐力。因此，在平台结构设计时，必须分析这些因素对吊装开口处船体结构局部强度和刚度的影响，并在设计中采取相应的措施减小这种影响。
甲板吊装开口对船体总纵强度的影响
由于武器模块和电子模块的装舰均需在甲板上开较大的吊装开口（一般箱体模块的甲板吊装开口尺寸都大于3m×2.5m），而且吊装开口的周围可能还会有其他甲板开口，这样就会造成船体结构纵向构件不连续现象严重，参与总强度的等值梁截面受到影响。因此，在进行平台的结构设计时，必须考虑模块吊装开口对船体总纵强度造成的影响并进行分析研究，确保武器模块和电子模块装舰后的正常使用。
结构及基座的振动和强度设计要求
功能模块的基座在物理尺寸上应具有一定的标准性，但换装模块间的重量、特别是武器模块发射后坐力会有较大的差异，因此必须对模块的基座设计进行综合考虑，使标准基座在满足换装模块的安装要求外，还能够满足换装的不同模块对标准基座的强度要求。
考虑到功能模块尤其是武器模块装舰后，良好的结构支撑对武器的射击精度有至关重要的影响，所以对结构及基座的减振设计和抗冲击设计应提出更高的要求。在安装完毕后，还必须进行振动测试。
对舰船电力系统设计的要求
配电容量设计应留有一定的裕度
换装模块间的电力需求量难以保持一致，尤其是不同类的模块。为此，就要求在开展平台的电力系统设计时，应考虑到未来改换装的需求，对每个功能区段内可能换装的模块的电力负荷进行综合分析，然后从兼容性的角度科学地确定每个功能区段的电力负荷和全舰的电力系统容量。
实行分舱独立的区域配电设计
在舰船模块化技术未得到广泛应用以前，舰船大多采用的是一种干馈混合制区域配电方式，电缆的连接在武器、电子设备安装完毕之后进行，然后再进行各武器和电子设备的试验，即所谓串行生产方式。这种串行生产方式带来的最大的弊端是船厂的建造周期长，生产条件差和成本的增加。
而采用模块化设计后，与功能分区相适应，平台对功能区段实行区域配电，每个区段都设有一个电力负荷中心，该中心承担了区段内的电力分配功能。每个负荷中心由主配电电缆上分支的电缆来供电，然后由负荷中心直接向设在各功能单元上的供电接口供电，待模块上舰后与其供电接口对接以实现电源的供应。这种区域配电模式不仅可以提高电力系统的可维性乃至提高全舰的生命力，还可以避免上述串行生产方式的弊端。这种分舱独立的电力分配系统的原理图如图6所示。
图6 分舱独立的电力分配系统原理图
对功能模块进行配电的标准接口装置要求
为了方便地实现各种功能模块与功能区段和平台的电力对接，应对电气接口装置实行通用化、标准化、系列化设计。为此，就应综合各武器、电子模块对电缆接口的电压等级、载流量、接插件数量、型式及装舰的空间尺寸等要求，并留有备用接口。
图7是一个电子模块的正面视图，图右侧所示就是电气接口装置。
图7
对船舶系统设计的要求
系统容量设计要求
为了方便实现功能区段内模块的换装，在进行船舶系统设计时应该对每一功能区段内船舶系统的容量需求及其趋势进行统计和分析，在合理裕度的基础上确定出船舶系统的容量，各系统的容量应能够适应功能模块换装所引起的容量需求变化。
实行分舱独立的空调通风系统设计
常规设计中，空调通风系统一般仅有纵向总管，各舱段从纵向总管中分支出来的管路进行空调通风，这样在通风总管受损时全舰的空调通风都会受到影响甚至失效。此外，任一个舱段遭遇有毒气体入侵时也会影响到舰的其他舱段。为此，国外舰船上广泛采用了分舱独立的模块式空调通风系统，其原理图如图8所示。
图8 分舱独立的空调通风系统
从图中可以看出，除舰的首尾端外，每一个单独的水密隔舱都提供有独立的自给式空调通风系统，与相邻的隔舱无关。此外，每道水密隔壁还要求是烟密和气密的，并延伸到上层建筑。
实行分舱独立的水灭火系统设计
与空调通风系统一样，常规设计中的水灭火系统一般仅有纵向总管，各舱段从纵向消防总管中分支出来的消防管路进行水灭火，这样在消防总管受损时全舰的水灭火系统就会受到影响甚至失效。为此，国外舰船上广泛采用了分舱独立的水灭火系统，其原理图如图9所示。
图9 分舱独立的水灭火系统
从图中可以看出，除舰的首尾端外，每一个单独的水密隔舱都提供有独立的自给式水灭火系统，与相邻的隔舱无关。每个舱段内的自给式水灭火系统由一个垂直的给水总管供应灭火、喷淋、预湿和喷射用的海水，垂直总管设在水密隔壁上，并从消防泵垂直向上延伸到上层建筑。消防泵在损管控制中心内启动，此外，该泵还可在舰上的第I损管部位和第II损管部位启动。
对功能模块进行空调通风等的标准接口装置要求
为了方便地实现各种功能模块与功能区段和平台的对接，还必须对水、气、汽及空调通风等船舶系统接口装置实行通用化、标准化、系列化设计。其要求与标准电气接口装置相类似。
对舰船作战系统设计的要求
作战系统结构要求
传统设计的舰船其作战系统的结构一直是向高度集中化和综合化发展，但由于装舰的武器和电子装备的更新速度已经大为加快，这种结构愈发不利于作战系统的易升级性。按照模块化的思想，可将作战系统的各项功能分开，减弱甚至取消彼此的依存关系。各分系统的外部界面将从功能上实现标准化，并能够达到基本互换的程度，分系统间的信息传输通过数据信息传输系统（采用数据总线网络传输技术）接口装置来实现。这种分布式作战系统不仅可以保持集中式作战系统的作战使用能力，其界面还允许进行扩展，以适应新型武器或电子模块装舰的需要，而且还提高了全舰的生命力。国外舰船广泛采用了数据信息传输系统，在此基础上建立起来的作战指挥系统结构见图10所示。
图10
从图中可以看到，结构中包含有两个独立的数据信息传输网，其中A网（图中的实线）用于指挥和控制数据，B网（图中的空心线）用于导航与舰内数据传输，两个网之间还可以互换。
作战系统信息传输接口装置要求
舰船作战系统模块的传输信息具有多样性，为了实现平台与各模块以及各模块间的信息传输，信息传输接口装置必须具有良好的通用性和可扩展性，以适应不同模块换装而引起的信息接口变化。此外，信息传输接口装置还应具有模块化结构、可靠和实时传输的特点。图11中箭头所指部分是一电子模块的信息接口装置。               图11
为了实现舰船平台与模块以及模块间的信息交互，同时适应模块内不同设备的接口特点及满足平台的总体设计、信息电缆或光纤铺设的要求，信息接口装置应具有如下功能：
完成网络信息的转换 完成视频信息的转换 完成标准串行口RS232C的转接或信号转换、转接 完成RS422的转接或信号转换、转接 完成模拟信号的转接或信号转换、转接 方便地实现接口装置与模块及其内部设备、模块之间的物理连接和信号连接 完成自身的状态检测
结论
通过以上分析可以看出，模块化造船给舰船总体设计所带来的要求是系统的、全面的，对舰船总体设计提出了诸多新的课题。只有在舰船总体设计的常规内容和方法上，对这些新要求进行深入、透彻的分析，并通过实践经验的积累，才能保障模块化总体设计的开展，进而实现舰船的模块化建造。