水面艦船建筑造型設計述評

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1水面艦船建筑造型設計約束

水面艦船作為海上兵力投送單元，其建筑造型不僅關系著武器、傳感器、艦面舾裝設施等艦載設備性能的發揮，而且對靜力性能、隱身性、兼容性、安全性等艦船綜合性能產生直接影響。水面艦船建筑造型設計需綜合考慮艦船的作戰功能需求、綜合性能、幾何造型等方面的約束，這些約束主要包括：1）艦載武器、傳感器及舾裝設施配置及布置要求；2）艦載航空設施的安全作業要求；3）隱身性、兼容性、物理場及電磁環境安全性要求；4）艦船重量重心的承受能力要求；5）艦船結構設計及建造工藝可行性要求；6）外觀整體的協調性及美觀性要求。在開展水面艦船建筑造型設計時，應根據艦船的使命任務、作戰環境、技術水平等因素統籌考慮上述設計約束，使艦船造型鮮明、威武，具有時代感及美觀性［4］。

2二戰后水面艦船建筑造型主要發展階段

二戰后，隨著艦載導彈武器系統的問世和雷達技術的發展，水面艦船造型設計的出發點由戰前圍繞各種口徑的艦炮設計逐漸過渡到圍繞導彈武器系統和各類傳感器設計。按照技術發展階段，以上世紀60~70年代、上世紀90年代以來和面向2025年作戰需求的水面艦船造型設計最為典型。

2.1上世紀60~70年代此階段正處于前蘇聯與美國冷戰時期，該時期水面艦艇以美國的“斯普魯恩斯”級（DD963級）驅逐艦、俄羅斯的“勇敢”級驅逐艦、日本的“白根”級驅逐艦等為代表。“斯普魯恩斯”級驅逐艦研制起始于上世紀60年代，首艦于1975年服役，主要使命任務為執行遠洋編隊區域反潛為主的護航任務。主要使命任務決定了DD963級驅逐艦必須具有很強的反潛作戰能力，因此該級驅逐艦裝備了大量的反潛武器系統，包括“海鷹”艦載直升機、“阿斯洛克”反潛導彈及管裝魚雷；為兼顧反艦和近程防空作戰，裝備了“魚叉”反艦導彈和“海麻雀”防空導彈；為執行對岸火力支援任務，裝備了2座127mm艦炮［5］。由于當時美國的導彈垂直發射裝置尚處于研發階段，這個時期的導彈發射裝置為斜架式發射裝置。主要雷達天線為扇狀或球狀。為安裝警戒和火控雷達天線，DD963級驅逐艦設置了前、后桁架結構桅桿，桅桿結構主體部分的高度差保證了各自搭載雷達天線的視界需要；設計師將艦橋、前桅桿及首部煙囪融為一體，將尾部煙囪與直升機庫進行集成設計，充分利用了上層建筑寶貴空間；將首部艦炮、反潛、反艦、防空導彈發射裝置及尾部艦炮沿中線面依次或呈梯度布置，充分保證了各武器發射裝置的射界。研究表明，艦載直升機的安全使用受艦船運動、上層建筑引起的氣流場變化、煙流、風速風向及艦面效應等影響［6-7］。由于DD963級驅逐艦起降平臺的布置受武器系統布置限制，該級艦對上述影響因素進行了綜合考慮，將直升機起降平臺布置于艦船運動及艦面效應影響相對較小但更易受煙流影響的尾部02甲板，同時為減小煙流的影響，將煙囪升高。DD963級驅逐艦上層建筑外壁為垂直結構，有利于增加上層建筑艙容，對當時集成度不高的雷達和武器系統來說是有益的。通過對雷達天線、武器系統、主機進排氣、航空設施、通信導航設施等使用需求綜合權衡，形成了DD963級驅逐艦的最終造型。同樣，前蘇聯及日本等國此階段水面艦船的造型也受其作戰需求與技術基礎的制約和影響。對上述國家典型水面艦的分析表明，本階段水面艦船主要特征為：1）艦首上揚，一般設前、后桅桿及前、后煙囪，艦型威武。2）前、后導彈發射裝置以及前、后主炮發射裝置沿中線面依次或呈梯次布置。3）各種雷達天線根據使用需求集中布置在前、后桅桿和上層建筑露天部位。4）前、后桅桿采用桁架結構形式，上層建筑外壁為垂直結構。對于上世紀60～70年代服役的驅逐艦而言，其建筑造型能夠較好地滿足當時的作戰使用需求；另一方面，各國海軍在上世紀60～70年代對反艦導彈的威脅還未予以充分重視，以及受當時導彈、電子工業發展水平限制，艦船造型一般不具有雷達波隱身能力。

2.2上世紀90年代以來在上世紀80年代中后期，隨著反艦導彈的發展及“飽和攻擊”作戰概念的提出［8］，在驅逐艦作戰使用中提出了“抗飽和攻擊”的能力需求。該需求既要求艦艇具有一定的多目標探測和打擊能力，也要求艦艇最大限度地降低自身的目標特性。另一方面，隨著科技的發展，如相控陣雷達技術、導彈垂直發射技術逐漸成熟，以及設計理念的變化，如提高艦載設備的多功能性、降低裝艦設備數量等，為艦艇開展隱身性設計提供了必要的條件。本階段以美國的“阿利伯克”級（DDG51級）驅逐艦、日本的“金剛”級和“愛宕”級驅逐艦、韓國的KDX-III級驅逐艦、英國45型驅逐艦以及意法聯合研制的FREMM艦為代表。DDG51級驅逐艦研制起始于上世紀70年代，美國政府在1985年批準了DDG51級驅逐艦的研制，首艦于1991年服役。作為一型多用途驅逐艦，其主要使命任務為執行遠洋編隊區域防空任務。DDG51級驅逐艦在設計中經歷了多次修改，共產生了3個批型，分別為I/II批型和IIA批型［9］。DDG51級驅逐艦圍繞區域防空作戰的主要裝備SPY-1相控陣雷達和MK41導彈垂直發射系統（VLS）開展設計，保證了主要使命任務的實現。隨著電子技術的發展及可靠性的提高，為控制費效比，相對于CG47級巡洋艦，DDG51級驅逐艦的傳感器系統更為簡潔。如將相控陣雷達的發射機由2部減為1部，減少了冗余但沒有降低設備性能；將“標準-2”導彈的目標照射雷達（SPG-62）由4部減為3部；取消了遠程3坐標預警雷達［10］。如此一來，DDG51級驅逐艦僅設置1座桅桿即可滿足有架高要求的天線布置；該級艦將相控陣雷達天線集中布置在艦首上層建筑45°切角方向，且為保證相控陣雷達尾向陣面的視界，艦尾部上層建筑造型低矮；3部SPG-62雷達天線呈梯次布置在首上層建筑、后煙囪平臺中線面位置。全艦主要傳感器的視界良好，且布置更為緊湊。上世紀80年代導彈垂直發射系統技術開始實用，美國MK41垂直發射系統更能兼容發射防空、反艦及對陸攻擊等多型導彈［11］。由于導彈垂直發射裝置可布置于主甲板以下且具有更好的射界，DDG51級驅逐艦的設計變得更為靈活。經對該艦“抗飽和攻擊”能力及兼顧反潛、對海及對陸作戰需要進行統籌［12］，全艦共配置96單元的導彈發射井；出于對該艦水密分艙及生命力的考慮，全艦共設置兩個導彈庫，分別布置在艦首、尾部01甲板以下中線面位置。DDG51級驅逐艦配置了2座“密集陣”近程武器系統（CIWS），分別布置在艦首、尾部上層建筑中線面較高位置，首、尾部發射裝置均具有良好的射界，且能夠實現火力共同覆蓋功能，有效增強了該級艦的近程防御能力。隱身性方面，國外研究表明，為降低船體雷達波散射截面積（RCS），艦船和上層建筑的造型應避免形成90°夾角，尤其要避免形成角反射體的三面體形狀；上層建筑的外壁要適當內傾并避免夾角邊緣的形成；船體外表面應光滑［13］。從DDG51級驅逐艦外形可以看出，該艦水線以上部位、上層建筑外壁采用大平面設計，外形整潔；上層建筑外壁板均具有一定的傾斜角度，并避免形成不利于隱身性的夾角，有利于降低露天部位的RCS。經過對攻防能力、隱身性、生命力、經濟性等綜合平衡，DDG51級驅逐艦全艦以桅桿頂部為制高點，外形包絡清晰，視覺中心突出；該級艦除桅桿和煙囪外，上層建筑整體造型低矮，有利于全艦重量重心的控制。DDG51級驅逐艦外形簡潔又不失威武，已成為驅逐艦整體造型的經典，并被日本、韓國、澳大利亞等國艦船模仿。與美、日、韓大型水面艦船滿載排水量動輒達10000t不同，歐洲各國由于其海軍戰術定位要求相對較低，艦船主戰裝備以歐洲自主研發的相控陣雷達、導彈垂直發射裝置為主，艦滿載排水量約6000~7000t，艦尺度相對較小；在艦船造型設計上與美、日、韓等國大型水面艦船造型區別明顯，往往更強調艦船主戰裝備的適裝性及為應對反艦導彈的威脅而重視艦船的雷達波隱身能力。例如，英國海軍45型驅逐艦（圖3）的主要使命任務是艦隊的區域防空作戰，因此，該艦的設計緊緊圍繞著PAAMS（主防空導彈系統）開展，“PAAMS的角色決定了45型艦的規模和造型，該艦設計時考慮了良好的穩性和耐波性，艦體設計滿足Sampson雷達和PAAMS導彈發射裝置的需求”，“外形設計充分考慮了雷達波隱身的需要，……”［14］。作為上世紀90年代及本世紀初服役的水面艦船，一方面為提高應對反艦導彈威脅能力而對艦船雷達波隱身性提出了較高的要求，另一方面，裝備導彈垂直發射系統和多功能相控陣雷達、裝備的集成化設計、采用大平面的隱身外形設計等措施的綜合應用為提高艦的雷達波隱身水平創造了良好條件。

2.3面向2025年代進入21世紀以來，世界海軍強國正在積極探索面向2025年作戰需求的水面艦船。以正在建造的美國DDG1000驅逐艦以及處于概念方案階段的Advansea艦［15］和FDZ2020艦［10］93-94為代表。DDG1000級驅逐艦是美國海軍下一代多用途驅逐艦。DDG1000級驅逐艦外形見圖4。據美國官方報道［16］，DDG1000級驅逐艦是作為一型多用途水面戰艦來設計的，擁有14000t滿載排水量，搭載了2座155mm艦炮和80單元的發射裝置，用以發射“戰斧”和其他導彈。該級艦能夠提供近岸火力支援；在對抗諸如柴電潛艇、水雷、巡航導彈等瀕海威脅時，該級艦比現有的巡洋艦和驅逐艦具有更強的能力。根據DDG1000級驅逐艦使命任務，該艦的主要作戰地點為瀕海海域，正處于敵方的岸基雷達及巡航導彈的火力覆蓋范圍內，因此，最大限度減小自身的目標特性是該級艦在設計上要考慮的重點之一。另一方面，隨著聯合孔徑天線技術、頻選材料（FFS）技術的開發及相控陣雷達技術的進一步發展，為大幅提高艦艇雷達波隱身能力創造了良好條件。在DDG1000級驅逐艦的設計中，考慮到常規單體船型在雷達波隱身性能方面的局限，采用了穿浪內傾單體船型，進一步減小船體的RCS。在總體布局方面，由于DDG1000級驅逐艦在艦首部搭載了2座具有隱身外形的155mm艦炮，為控制艦總長及上層建筑長度，對垂直發射系統采用了舷側布置的方案，在提高主船體內部空間利用率的同時為全艦RCS的降低提供了潛在的便利。DDG1000級驅逐艦整體造型采用了集成上層建筑形式［17］，將傳感器系統、主機進排氣設施、舾裝設施、機庫等集成在統一的上層建筑內部，同時采用內傾式復合材料外壁，最大限度降低露天部位RCS。作為面向2025年作戰需求的水面艦船，無論是美國的DDG1000驅逐艦，還是德國的FDZ2020護衛艦，設計思想是通過集成上層建筑、封閉式集成孔徑桅桿及安靜型推進器等措施的聯合應用，全面降低艦船雷達波、聲、紅外、磁等特征信號，實現全隱身設計。

3水面艦船建筑造型發展趨勢及主要影響因素

水面艦船造型設計涉及船舶工程學、電磁學、人機工程學、社會學、心理學及美學等學科領域［18］，本質上是一項集成設計工作，集成的對象包括雷達天線、武器發射裝置、主機進排氣設施、舾裝設施及航空設施等；集成的內涵包括功能、性能集成和空間集成等。此外，對一型艦船造型設計的分析和解讀，應基于特定歷史時期作戰需求、技術發展水平及設計理念進行，不能以偏概全。從宏觀上分析，水面艦船建筑造型發展的特點和趨勢及影響因素是非常明顯的。

3.1水面艦船建筑造型發展的特點和趨勢總結世界各國二戰后不同時期水面艦船造型特征變化情況，水面艦船建筑造型總體發展特點和趨勢為：1）保證裝備功能和性能，發揮作戰能力。進行造型設計時，應首先保證艦載設施功能的發揮；其次是艦船綜合性能應能得到有效保證，建造工藝可實施；最后是艦船造型應符合時代的審美理念，增加使用者對裝備的認同感。2）艦船造型威武和陽剛，艦船特點突出。大型水面戰斗艦艇造型設計首先考慮威武陽剛，體現一個大國海軍的強勢地位，給敵對方心理上的威懾和壓迫感；同時，艦船外壁板采用大平面設計，給人一種大氣的感覺。3）艦船造型包絡線清晰，視覺中心明顯。造型設計中，通過設置全艦制高點并與艦首、尾構成全艦外形包絡線，賦予艦船動感和韻律；通過造型設計，形成明顯的視覺中心。4）造型設計重視隱身性，風格趨于簡潔。采取船舶裝置隱身性設計、上層建筑外壁板大平面內傾式設計、設施舷墻遮蔽、集成化射頻桅桿等措施，使水面艦船造型風格趨于簡潔。5）艦船造型整體性增強，造型重點鮮明。從DDG1000驅逐艦以及法國海軍面向2025年的Advansea概念艦，艦船造型的總體趨勢是整體性更強，也使艦船造型的重點更加突出和鮮明。

3.2艦船建筑造型主要影響因素艦船造型設計受艦載設施配置和布置要求、艦綜合性能要求及審美觀念等諸多約束的限制，但在特定的歷史時期，艦船建筑造型主要受作戰使用需求、技術發展水平、設計理念變化等因素影響。1）需求牽引，技術推動?？v觀歐美各國水面艦船造型發展歷程，不難發現，水面艦船造型的設計，既是作戰使用需求牽引的結果，也是技術進步推動的必然，二者相輔相成。2）更新理念，集成創新。歐美各國艦船造型的發展特點及趨勢表明，更新使用和設計理念是艦船建筑造型整體性增強的重要保證。設計理念更新包括：用多功能設備替代功能單一的設備，以降低造型設計的難度；對空間進行集成和整合，提高空間的利用率，增加造型的整體感；采用新的技術手段替代傳統的技術手段，減少艦面舾裝設施等等。3）強化驗證，化解風險。隨著大型水面艦船建筑造型的發展和改變，必然會對傳統的設計規范和使用模式產生影響。因此，國外在對水面艦船造型進行優化的同時，開展了大量的演示驗證工作，包括造型的水動力驗證、結構強度試驗、電磁兼容性試驗、雷達波測試等等，以通過演示驗證技術化解造型設計的風險。

4結語

國外不同時期典型艦船造型發展特點及影響表明，水面艦船建筑造型設計取決于艦船在特定歷史時期的使命任務、作戰模式、艦載裝備、工藝水平以及審美取向。在開展水面艦船建筑造型設計時，既要保證艦載設備功能的發揮，并使造型符合時代特征，也要充分考慮造型所帶來的技術和使用風險，并以試驗驗證化解相關風險。

作者：王勇田斌斌徐青徐斌羅彩蓉單位：海軍裝備部中國艦船研究設計中心