意大利海军舰船设计新概念

意大利海军舰船设计新概念
2003年增刊国外舰船工程第1期
意大利海军舰船设计新概念
邓秭珞译君力校
摘要为了满足国际军事活动的要求,意大利海军与意大利联合造船公司合作评估了新
概念”母舰”,即将两栖船坞运输舰与航空母舰能力相结合.该舰将根据作战需求,能担负两栖舰
和航空母舰的双重角色,并可与参与国际使命任务的舰艇(登陆艇)和飞行器(飞机)充分配合.
在一艘舰上将两种不同的任务剖面相结合所需要的有关技术问题,要求设计师必须改进设计方
法和寻求一种创新的解决方案.主要论述了初步设计的一艘排水量大于26000t,总长约230m,
最大航速可达约28kn的舰船的有关问题.
关键词意大利舰船设计两栖舰航空母舰新概念
l引言
根据过去1O年中战略环境的变化来看,未来海
军在两栖战中的使命任务无疑将大大扩展.我们可
以有把握地说,航空母舰和两栖船坞运输舰已被普
遍认可,并持久地影响着军事技术和海事工业的发展全貌.新一代的登陆艇在建立一个安全的滩头阵地的同时,可使海军部队能从母舰上调动到距离远得多的目的地.
显然,这些扩大的作战行动需要更有效,更强大
的海军水面火力支援和增大携载车辆的空间.例如,一艘将两栖船坞运输舰和航空母舰的能力相结合的战舰,其排水量大于26000t,能以28kn航速
在恶劣的海情下航行.这艘舰向设计师提出很大的挑战,他必须精确地确定其所需的性能.而且由于执行使命任务的时间增长,舰上人员的舒适性和居住性水平都需要加以特别关注.
2作战使用任务需求
该舰将能进行远距离航行,其自持力估计约45 天,主要战区为包括红海,阿拉伯海湾和西印度洋在内的”扩展的地中海”.
该舰主要任务的优先次序为:
航空母舰
两栖舰
滚装船
该舰适用于执行下述任务:
兵力投射
和平支援行动
撤出同胞
人道主义行动
救灾活动
该舰的特性应是具有高度的灵活性,但不能保
证同时在最高水平执行三种舰的任务.
意大利海军标准,即NA V—o4A013”意大利海
军水面舰船稳性和浮性”,适用于舰船完整和破损的两种状态.
该舰最需遵守的意大利海军标准为:
27kn横风,在满载和最小使用状态时船坞进
水,使用压载时的完整稳性.破损稳性已按两个相
邻舱室进水状态进行了验证,而在所有其他状态下, 计算结果满足三舱进水的稳性衡准.
在舰的基本设计中引进了损管系统,其目标是
达到高度的修复性,亦即利用舰系统性能及自动化方法增强舰生命力.该舰分为7个损管区.
3舰的主要性能参数
下面列出了该舰的主要性能参数和设计决定因素,图1为该舰的右舷侧视图.舰上系统按照意大
利海军标准衡准和设备进行设计,考虑了减振和降噪要求.
舰上系统尽量采用现成商用部件和解决措施,
特别是像尾门和尾跳板考虑到在滚装船上经济有效一
9一
2003年增刊国外舰船工程第1期
表1主要性能参数
图1右舷侧视图
主要尺度
两柱间y~,/m
总y~,/m
最大宽度/m
深度/m
满载排水t/t
(执行航空母舰使命时)
人员编制/人
航速和续航力
试航排水量时的航速/kIl
(4X19800kW)
巡航航速/kIl
巡航航速时的续航力/km
215.60
39.oo
23.40
27Ooo
14OO
28
16
11265.41
且使用证明良好的应用情况.
3.1航空母舰任务
从舰首至舰尾飞行甲板尺度约为234m×34.5
m,起降落平台183m×14.20m,滑跃甲板与舰
纵剖面平行.该航母典型的舰载机联队有A V一8B “鹞”式和EH101,AB212,NH90,SH3D舰载机,考
虑到将来搭载新型的联合攻击机,舰上已采取了技术措施.每部飞机升降机的设计载重量为30t.前
面一部在舰体内,为舷内升降机;后面一部在舷外可伸缩.升降机通常保持在工作位置上,仅在需要时
利用配备的装置使其合拢.
3.2两栖舰任务
作为两栖舰,进水船坞(包括登滩在内)的尺度
一
为44m×15.6m,能容纳2艘LCM6或1艘气垫登
陆艇及足够的系索设备.另外2艘LCM6可放在机库内,随时准备转移到坞阱内.舰尾r]/尾跳板装在
舰尾板上,作为舰尾和坞阱关闭装置,其被设计成能在两栖作战时完全浸水.
3.3滚装船任务
机库有效容积约为118.8m×21m×7.2m.
舰中部右舷装有供滚装船作业的舷侧跳板,轮式和履带式车辆均可通过跳板从码头移至机库甲板上. 4舰体结构
严格的作战使用任务需求极大地影响着舰的结
构设计,结构计算量巨大,甚至形成了初期设计,而
大机库,尾船坞和大升降机仅是主要部分.提供足
够的纵向和横向强度一直是一个需要解决的最大难题(典型剖面图示于图2).
进水船坞中的水量造成很大的纵向弯曲力矩
图2典型剖面图
一
一.啦
蜥峨一
》,
2003年增刊国外舰船工程第1期
值,特别是在中拱状态下尤其如此,故对两栖作战中可能遇到的最严重的海情进行了精确的调研.在剪力接近舰可能产生最大值区域内的飞机升降机的横向大开口,在舰处于中拱状态和中垂状态下,导致初张力达到过高的值.
上述所有问题都是通过利用有限元程序MA—ESTRO(图3,图4)模拟全舰来进行研究.从横向强度的观点来看,主要的困难来自于机库横梁,它是由图3MAESTRO有限元模型
Y
:
图4M_s1rR0模型的应力分布图
没有支柱支撑且足够坚固的结构来支承.
这个问题是通过几根间距适当的横向肋骨和一
块在径面内连续的纵向隔板,将飞行甲板与第一甲板相连形成独特的刚性箱形桁来解决的.对这种方法已用有限元软件(NASTRAN)进行了计算,更详细地模拟了结构,并考虑了舰运动(挤压运动分析)产生的静载荷和动载荷.
由于舰尾具有注水式船坞的特殊形状,已对舰
这部分的振动模式进行了初步分析.螺旋桨产生的大推力实际上会造成不良的振动现象,这在设计进入早期阶段之前,就已进行了评估.
对这种模式分析也利用了有限元法来计算有关
频率的主要振型.
5推进装置和辅机
推进装置为燃气轮机与燃气轮机联合动力装
置,分布在两个独立的水密舱内(图5,图6).
2个主机舱由2个水密舱隔开,2组推进装置每
组都配有相关的辅助设备,这样,每组推进装置与另一
组保持完全独立.这种布置保证了推进装置具有
高生命力,因为在相邻的3个舱进水的情况下也能确保推进动力和发电.
必须指出的是,减速齿轮和调距桨是以前所安
装的装置中最能吸收能量的.推进和发电装置配置设计成产生低噪声的特征信号,柴油发电机组配备有隔声罩和双层减振系统,以及装在其上面的辅助图5推进装置布置
2003年增刊国外舰船工程第l期
前部
表2推进装置和辅机
后部
图6机舱
后机舱2台GE—FIA TA VIOLM2500燃气轮机(最大持续功率22MW)
1套COGAG减速齿轮功率分轴式齿轮系
3台发电机组(隔声罩)
前机舱2台GE—FIA TA VIOLM2500燃气轮机(最大持续功率22btW)
1套COGAG减速齿轮功率分轴式齿轮系
3台发电机组(隔声罩)
工作模式模式14台机,相关螺旋桨上每轴2台
模式22台机,相关螺旋桨上每轴1台
模式32台机,相关螺旋桨的一轴上1
台,另一轴顺桨
模式41台机,相关螺旋桨的一轴上1
台,另一轴顺桨
系统.
采用燃气轮机动力装置是综合考虑所需动力和
重量/安装空间等因素的一种有效折衷方案,同时噪声辐射也很低.
减速齿轮设计促进了推进装置的布置,其概念
是避免在燃气轮机动力装置输入上使用空转小齿轮,并符合发动机的限制条件及螺旋桨的旋转方向. 为此,后推进装置是相对于前推进装置转动180.布置的.推进装置设计中更重要的一点是,需对进/排
气道进行仔细研究,它们布置在右舷的岛式上层建筑内.
排气道布置在两个独立的烟囱内,为了减少红
外特征信号,烟囱配备有红外特征抑制装置.由于
一
12一
燃气轮机动力装置燃烧空气和废气系统需要较大的截面和较长的管径,其进气的研究需要进行很多的工作.
采用这种布置的推进装置从机舱控制室和驾驶
桥楼进行控制和监视,同时设置了常规和机旁控制以供应急和维护使用.在舰的前部和后部安装有两个首部推力器,保证了在限制水域具有很好的机动性.
压载装置设计已考虑了利用专用离心泵和管
系,能在30min内注满和排空压载舱.
为了尽可能保护海洋环境避免产生污染物,如
油,污水和垃圾造成的污染,该舰配备了污染控制系
统.所有舰上产生的可处理水将按照MARPOL73/ 78的要求进行处理.
在航行时,如需要,每一推进装置的负载能从每
一
区域转换到其余区域,以最大限度地提高工作效
率(例如,如果其余的推进装置足以承受负载,就可使推进装置的一部分不工作,或反之使所有的推进装置都工作,即使某部分的负载为零),并可分流以便维护或维修.
按照损管的要求,每一损管区均配有一个或多
个核生化空气过滤器,用来过滤将要传送到外部空气通气机,然后输送到位于该区域空调装置的外部空气.三防密闭区延伸到舰所有的内部舱室,仅舵
机舱,最前面的储藏室和机库除外.
该舰配有由压力海水系统(消防系统)供水的
_『1]rITⅢ
2003年增刊国外舰船工程第1期
冲洗系统,以便在有核生化威胁时能冲洗外部表面. 冲洗处理能防止或减少粘附在舰外表面的核爆炸产生的放射性微粒,并且通过往舰外冲洗,可驱散化学和生物药剂.上层建筑外表面选取合适的形状能提
高系统的性能.
6耐波性
在常规舰船初步设计时,一般很少注意耐波性,
而主要强调静水水动力性能.但是必须考虑到,尽
管舰体局部几何形状变化微小,也会影响静水性能, 但舰的波浪中性能敏感要小得多,且要求对有重大改变的主要设计参数进行干预.
设计者已利用基于运动,加速度值和与相对垂
直运动(如甲板湿度,砰击和螺旋桨出水)有关的不良效应的衡准评估耐波性.同时,与舰上安全,人员工作效率和舰员舒适度有关的耐波性衡准,实质上是根据垂直和横向加速度确定,而这些加速度又取决于舰重心的刚体运动.耐波性评估传统上取决于选用或者同时采用计算方法,虚拟原型研究和模型试验.
然而,根据简化的巡航航速或简化的运行时间
评估舰船运动,对舰上舒适度的影响和其对舰总可运行性的影响具有特殊的重要性.这需要对大量粗bo
越
{j{鼋
量
懈
表3耐波性衡准
略的耐波性数据进行后处理,在将船体几何与舒适性评估连接的综合软件环境内运算,这是很容易完成的.
该舰的耐波性利用耐波性分析软件进行评估,
该软件设想作为领域内普通耐波性程序的后处理器.耐波性结果与限制衡准(STANAG4154和4194 要求)的比较示于图7.
7舰船设计中的虚拟原型
虚拟原型无论是对设计者还是对买方,都是一
种将所有设计成果综合并使之直观化的好方法,由于他们能对不同的解决方案进行审视和选择,故可
I
l
I
J
/l
—1■_.V4kn—1--?V=kn??●卜=1Okn--l卜,U...._.kr}Il /IJ
//{
///I
/,//l/
,///I,～
k\/,//—一一1
h,,—,,///,j,,
L—\===卜—‟,//_/一一一一一一一I\一,r
h‟‟,
～
,,‟-—\:===,/一!/一/I
—,==…\—,======,//r,一,厂I
—,,
一
===～—一一一I
—r—,}
J
00..30柏.舯.9o1.∞
尾垂线首垂线
离尾垂线的纵向距离
图7沿舰长度方向垂向加速度的均方根值(6级海情-/,=5=.8) 一
l3一
2003年增刊国外舰船工程第1期
以从最初起更直接地参与策略决策.
为了把简明,综合的设计预想与物理和数学模
拟及仿真相结合,必须做大量工作.物理模型中某些固有考虑的相互作用的影响,在数学模拟中需有意识地考虑进去.例如,我们在仿真中时常遇到的“船体对船体”相互影响的问题,这包括两个船体之间(舰和登陆艇)或多艘舰问的相互作用,因而需建立舰运动模型.几乎没有数字码能完全模拟舰与登陆艇问的相互影响,而真实性顾及了实体的相互作用影响.
在设计过程中一直利用虚拟原型,特别是对于
研究各种设计备选方案,演示设计概念,检验需求满意度/正确性.
在本设计项目中,虚拟原型一直用于检查登陆
艇的下水和回收,碰撞情况,运行时间和视野,以模拟舰的耐波性和使用性.同时,对下面几个问题进行了更详细的检查:
登陆艇接近和对准舰的操纵
登陆艇的上舰和下舰
门式起重机吊运登陆艇
在上述所有仿真中,已插入了舰的运动,所以有
可能检验舰运动,以及舰上或与舰相连的物体运动
所组成的复杂环境的行为是否正确.
舰上的任何活动都不能撇开舰的运动这一因素
来考虑,如果利用”静止船”的情况来处理,则在设
计中所面临的很大部分仿真研究就可能太粗略近似
了.
船体设计是利用NAPA展开的,而船体结构则
利用意大利联合造船公司专有的软件NUOVO
SCAFO来设计.全舰模型在Bentley微型工作站环
境内开发.
近年来,整个舰运动与可运行性工作舱已由意
大利联合造船公司和CETENA水动力与信息技术
部开发并应用到本舰上(图8).
图8登陆艇进入舰的井甲板
8结论参考文献
意大利联合造船公司已经完成了意大利海军两嗍N,E0,蹦d0?P咖m?
栖航空母舰的初步设计.所有设计项目均已受到该28二.憎.
舰作战使用剖面的多重任务特性的巨大影响,这种哪0ti.n.0,h&M
作战使用剖面既可以实施两栖作战,也能进行航空
3LloydA.Seakeeping—shipbehavioui咖~lthcn-.CKTENA,.
支援任务.TechnicalReportNo.5565,1995
研究工作重点是实现静水性能和两栖作战不可4Northatlaatreaty嚣Inimti;militaryagenc7h蛐山diz蚯m?
缺少的最佳耐波性的综合平衡.除前述各个方面Agreement,1997 外,结构和装置/系统设计也已优化.:d舶?～Bh砒h岬A鞠倪
意大利联合造船公司特别注意在设计的初始阶6ItalianNavyStandards
段就专门考虑到舒适性问题.(译自(Warship)2000收稿日期2003—02—27)
一
14—
1]『_I瞳I。