水面舰船建筑造型设计述评

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1水面舰船建筑造型设计约束

水面舰船作为海上兵力投送单元，其建筑造型不仅关系着武器、传感器、舰面舾装设施等舰载设备性能的发挥，而且对静力性能、隐身性、兼容性、安全性等舰船综合性能产生直接影响。水面舰船建筑造型设计需综合考虑舰船的作战功能需求、综合性能、几何造型等方面的约束，这些约束主要包括：1）舰载武器、传感器及舾装设施配置及布置要求；2）舰载航空设施的安全作业要求；3）隐身性、兼容性、物理场及电磁环境安全性要求；4）舰船重量重心的承受能力要求；5）舰船结构设计及建造工艺可行性要求；6）外观整体的协调性及美观性要求。在开展水面舰船建筑造型设计时，应根据舰船的使命任务、作战环境、技术水平等因素统筹考虑上述设计约束，使舰船造型鲜明、威武，具有时代感及美观性［4］。

2二战后水面舰船建筑造型主要发展阶段

二战后，随着舰载导弹武器系统的问世和雷达技术的发展，水面舰船造型设计的出发点由战前围绕各种口径的舰炮设计逐渐过渡到围绕导弹武器系统和各类传感器设计。按照技术发展阶段，以上世纪60~70年代、上世纪90年代以来和面向2025年作战需求的水面舰船造型设计最为典型。

2.1上世纪60~70年代此阶段正处于前苏联与美国冷战时期，该时期水面舰艇以美国的“斯普鲁恩斯”级（DD963级）驱逐舰、俄罗斯的“勇敢”级驱逐舰、日本的“白根”级驱逐舰等为代表。“斯普鲁恩斯”级驱逐舰研制起始于上世纪60年代，首舰于1975年服役，主要使命任务为执行远洋编队区域反潜为主的护航任务。主要使命任务决定了DD963级驱逐舰必须具有很强的反潜作战能力，因此该级驱逐舰装备了大量的反潜武器系统，包括“海鹰”舰载直升机、“阿斯洛克”反潜导弹及管装鱼雷；为兼顾反舰和近程防空作战，装备了“鱼叉”反舰导弹和“海麻雀”防空导弹；为执行对岸火力支援任务，装备了2座127mm舰炮［5］。由于当时美国的导弹垂直发射装置尚处于研发阶段，这个时期的导弹发射装置为斜架式发射装置。主要雷达天线为扇状或球状。为安装警戒和火控雷达天线，DD963级驱逐舰设置了前、后桁架结构桅杆，桅杆结构主体部分的高度差保证了各自搭载雷达天线的视界需要；设计师将舰桥、前桅杆及首部烟囱融为一体，将尾部烟囱与直升机库进行集成设计，充分利用了上层建筑宝贵空间；将首部舰炮、反潜、反舰、防空导弹发射装置及尾部舰炮沿中线面依次或呈梯度布置，充分保证了各武器发射装置的射界。研究表明，舰载直升机的安全使用受舰船运动、上层建筑引起的气流场变化、烟流、风速风向及舰面效应等影响［6-7］。由于DD963级驱逐舰起降平台的布置受武器系统布置限制，该级舰对上述影响因素进行了综合考虑，将直升机起降平台布置于舰船运动及舰面效应影响相对较小但更易受烟流影响的尾部02甲板，同时为减小烟流的影响，将烟囱升高。DD963级驱逐舰上层建筑外壁为垂直结构，有利于增加上层建筑舱容，对当时集成度不高的雷达和武器系统来说是有益的。通过对雷达天线、武器系统、主机进排气、航空设施、通信导航设施等使用需求综合权衡，形成了DD963级驱逐舰的最终造型。同样，前苏联及日本等国此阶段水面舰船的造型也受其作战需求与技术基础的制约和影响。对上述国家典型水面舰的分析表明，本阶段水面舰船主要特征为：1）舰首上扬，一般设前、后桅杆及前、后烟囱，舰型威武。2）前、后导弹发射装置以及前、后主炮发射装置沿中线面依次或呈梯次布置。3）各种雷达天线根据使用需求集中布置在前、后桅杆和上层建筑露天部位。4）前、后桅杆采用桁架结构形式，上层建筑外壁为垂直结构。对于上世纪60～70年代服役的驱逐舰而言，其建筑造型能够较好地满足当时的作战使用需求；另一方面，各国海军在上世纪60～70年代对反舰导弹的威胁还未予以充分重视，以及受当时导弹、电子工业发展水平限制，舰船造型一般不具有雷达波隐身能力。

2.2上世纪90年代以来在上世纪80年代中后期，随着反舰导弹的发展及“饱和攻击”作战概念的提出［8］，在驱逐舰作战使用中提出了“抗饱和攻击”的能力需求。该需求既要求舰艇具有一定的多目标探测和打击能力，也要求舰艇最大限度地降低自身的目标特性。另一方面，随着科技的发展，如相控阵雷达技术、导弹垂直发射技术逐渐成熟，以及设计理念的变化，如提高舰载设备的多功能性、降低装舰设备数量等，为舰艇开展隐身性设计提供了必要的条件。本阶段以美国的“阿利伯克”级（DDG51级）驱逐舰、日本的“金刚”级和“爱宕”级驱逐舰、韩国的KDX-III级驱逐舰、英国45型驱逐舰以及意法联合研制的FREMM舰为代表。DDG51级驱逐舰研制起始于上世纪70年代，美国政府在1985年批准了DDG51级驱逐舰的研制，首舰于1991年服役。作为一型多用途驱逐舰，其主要使命任务为执行远洋编队区域防空任务。DDG51级驱逐舰在设计中经历了多次修改，共产生了3个批型，分别为I/II批型和IIA批型［9］。DDG51级驱逐舰围绕区域防空作战的主要装备SPY-1相控阵雷达和MK41导弹垂直发射系统（VLS）开展设计，保证了主要使命任务的实现。随着电子技术的发展及可靠性的提高，为控制费效比，相对于CG47级巡洋舰，DDG51级驱逐舰的传感器系统更为简洁。如将相控阵雷达的发射机由2部减为1部，减少了冗余但没有降低设备性能；将“标准-2”导弹的目标照射雷达（SPG-62）由4部减为3部；取消了远程3坐标预警雷达［10］。如此一来，DDG51级驱逐舰仅设置1座桅杆即可满足有架高要求的天线布置；该级舰将相控阵雷达天线集中布置在舰首上层建筑45°切角方向，且为保证相控阵雷达尾向阵面的视界，舰尾部上层建筑造型低矮；3部SPG-62雷达天线呈梯次布置在首上层建筑、后烟囱平台中线面位置。全舰主要传感器的视界良好，且布置更为紧凑。上世纪80年代导弹垂直发射系统技术开始实用，美国MK41垂直发射系统更能兼容发射防空、反舰及对陆攻击等多型导弹［11］。由于导弹垂直发射装置可布置于主甲板以下且具有更好的射界，DDG51级驱逐舰的设计变得更为灵活。经对该舰“抗饱和攻击”能力及兼顾反潜、对海及对陆作战需要进行统筹［12］，全舰共配置96单元的导弹发射井；出于对该舰水密分舱及生命力的考虑，全舰共设置两个导弹库，分别布置在舰首、尾部01甲板以下中线面位置。DDG51级驱逐舰配置了2座“密集阵”近程武器系统（CIWS），分别布置在舰首、尾部上层建筑中线面较高位置，首、尾部发射装置均具有良好的射界，且能够实现火力共同覆盖功能，有效增强了该级舰的近程防御能力。隐身性方面，国外研究表明，为降低船体雷达波散射截面积（RCS），舰船和上层建筑的造型应避免形成90°夹角，尤其要避免形成角反射体的三面体形状；上层建筑的外壁要适当内倾并避免夹角边缘的形成；船体外表面应光滑［13］。从DDG51级驱逐舰外形可以看出，该舰水线以上部位、上层建筑外壁采用大平面设计，外形整洁；上层建筑外壁板均具有一定的倾斜角度，并避免形成不利于隐身性的夹角，有利于降低露天部位的RCS。经过对攻防能力、隐身性、生命力、经济性等综合平衡，DDG51级驱逐舰全舰以桅杆顶部为制高点，外形包络清晰，视觉中心突出；该级舰除桅杆和烟囱外，上层建筑整体造型低矮，有利于全舰重量重心的控制。DDG51级驱逐舰外形简洁又不失威武，已成为驱逐舰整体造型的经典，并被日本、韩国、澳大利亚等国舰船模仿。与美、日、韩大型水面舰船满载排水量动辄达10000t不同，欧洲各国由于其海军战术定位要求相对较低，舰船主战装备以欧洲自主研发的相控阵雷达、导弹垂直发射装置为主，舰满载排水量约6000~7000t，舰尺度相对较小；在舰船造型设计上与美、日、韩等国大型水面舰船造型区别明显，往往更强调舰船主战装备的适装性及为应对反舰导弹的威胁而重视舰船的雷达波隐身能力。例如，英国海军45型驱逐舰（图3）的主要使命任务是舰队的区域防空作战，因此，该舰的设计紧紧围绕着PAAMS（主防空导弹系统）开展，“PAAMS的角色决定了45型舰的规模和造型，该舰设计时考虑了良好的稳性和耐波性，舰体设计满足Sampson雷达和PAAMS导弹发射装置的需求”，“外形设计充分考虑了雷达波隐身的需要，……”［14］。作为上世纪90年代及本世纪初服役的水面舰船，一方面为提高应对反舰导弹威胁能力而对舰船雷达波隐身性提出了较高的要求，另一方面，装备导弹垂直发射系统和多功能相控阵雷达、装备的集成化设计、采用大平面的隐身外形设计等措施的综合应用为提高舰的雷达波隐身水平创造了良好条件。

2.3面向2025年代进入21世纪以来，世界海军强国正在积极探索面向2025年作战需求的水面舰船。以正在建造的美国DDG1000驱逐舰以及处于概念方案阶段的Advansea舰［15］和FDZ2020舰［10］93-94为代表。DDG1000级驱逐舰是美国海军下一代多用途驱逐舰。DDG1000级驱逐舰外形见图4。据美国官方报道［16］，DDG1000级驱逐舰是作为一型多用途水面战舰来设计的，拥有14000t满载排水量，搭载了2座155mm舰炮和80单元的发射装置，用以发射“战斧”和其他导弹。该级舰能够提供近岸火力支援；在对抗诸如柴电潜艇、水雷、巡航导弹等濒海威胁时，该级舰比现有的巡洋舰和驱逐舰具有更强的能力。根据DDG1000级驱逐舰使命任务，该舰的主要作战地点为濒海海域，正处于敌方的岸基雷达及巡航导弹的火力覆盖范围内，因此，最大限度减小自身的目标特性是该级舰在设计上要考虑的重点之一。另一方面，随着联合孔径天线技术、频选材料（FFS）技术的开发及相控阵雷达技术的进一步发展，为大幅提高舰艇雷达波隐身能力创造了良好条件。在DDG1000级驱逐舰的设计中，考虑到常规单体船型在雷达波隐身性能方面的局限，采用了穿浪内倾单体船型，进一步减小船体的RCS。在总体布局方面，由于DDG1000级驱逐舰在舰首部搭载了2座具有隐身外形的155mm舰炮，为控制舰总长及上层建筑长度，对垂直发射系统采用了舷侧布置的方案，在提高主船体内部空间利用率的同时为全舰RCS的降低提供了潜在的便利。DDG1000级驱逐舰整体造型采用了集成上层建筑形式［17］，将传感器系统、主机进排气设施、舾装设施、机库等集成在统一的上层建筑内部，同时采用内倾式复合材料外壁，最大限度降低露天部位RCS。作为面向2025年作战需求的水面舰船，无论是美国的DDG1000驱逐舰，还是德国的FDZ2020护卫舰，设计思想是通过集成上层建筑、封闭式集成孔径桅杆及安静型推进器等措施的联合应用，全面降低舰船雷达波、声、红外、磁等特征信号，实现全隐身设计。

3水面舰船建筑造型发展趋势及主要影响因素

水面舰船造型设计涉及船舶工程学、电磁学、人机工程学、社会学、心理学及美学等学科领域［18］，本质上是一项集成设计工作，集成的对象包括雷达天线、武器发射装置、主机进排气设施、舾装设施及航空设施等；集成的内涵包括功能、性能集成和空间集成等。此外，对一型舰船造型设计的分析和解读，应基于特定历史时期作战需求、技术发展水平及设计理念进行，不能以偏概全。从宏观上分析，水面舰船建筑造型发展的特点和趋势及影响因素是非常明显的。

3.1水面舰船建筑造型发展的特点和趋势总结世界各国二战后不同时期水面舰船造型特征变化情况，水面舰船建筑造型总体发展特点和趋势为：1）保证装备功能和性能，发挥作战能力。进行造型设计时，应首先保证舰载设施功能的发挥；其次是舰船综合性能应能得到有效保证，建造工艺可实施；最后是舰船造型应符合时代的审美理念，增加使用者对装备的认同感。2）舰船造型威武和阳刚，舰船特点突出。大型水面战斗舰艇造型设计首先考虑威武阳刚，体现一个大国海军的强势地位，给敌对方心理上的威慑和压迫感；同时，舰船外壁板采用大平面设计，给人一种大气的感觉。3）舰船造型包络线清晰，视觉中心明显。造型设计中，通过设置全舰制高点并与舰首、尾构成全舰外形包络线，赋予舰船动感和韵律；通过造型设计，形成明显的视觉中心。4）造型设计重视隐身性，风格趋于简洁。采取船舶装置隐身性设计、上层建筑外壁板大平面内倾式设计、设施舷墙遮蔽、集成化射频桅杆等措施，使水面舰船造型风格趋于简洁。5）舰船造型整体性增强，造型重点鲜明。从DDG1000驱逐舰以及法国海军面向2025年的Advansea概念舰，舰船造型的总体趋势是整体性更强，也使舰船造型的重点更加突出和鲜明。

3.2舰船建筑造型主要影响因素舰船造型设计受舰载设施配置和布置要求、舰综合性能要求及审美观念等诸多约束的限制，但在特定的历史时期，舰船建筑造型主要受作战使用需求、技术发展水平、设计理念变化等因素影响。1）需求牵引，技术推动。纵观欧美各国水面舰船造型发展历程，不难发现，水面舰船造型的设计，既是作战使用需求牵引的结果，也是技术进步推动的必然，二者相辅相成。2）更新理念，集成创新。欧美各国舰船造型的发展特点及趋势表明，更新使用和设计理念是舰船建筑造型整体性增强的重要保证。设计理念更新包括：用多功能设备替代功能单一的设备，以降低造型设计的难度；对空间进行集成和整合，提高空间的利用率，增加造型的整体感；采用新的技术手段替代传统的技术手段，减少舰面舾装设施等等。3）强化验证，化解风险。随着大型水面舰船建筑造型的发展和改变，必然会对传统的设计规范和使用模式产生影响。因此，国外在对水面舰船造型进行优化的同时，开展了大量的演示验证工作，包括造型的水动力验证、结构强度试验、电磁兼容性试验、雷达波测试等等，以通过演示验证技术化解造型设计的风险。

4结语

国外不同时期典型舰船造型发展特点及影响表明，水面舰船建筑造型设计取决于舰船在特定历史时期的使命任务、作战模式、舰载装备、工艺水平以及审美取向。在开展水面舰船建筑造型设计时，既要保证舰载设备功能的发挥，并使造型符合时代特征，也要充分考虑造型所带来的技术和使用风险，并以试验验证化解相关风险。

作者：王勇田斌斌徐青徐斌罗彩蓉单位：海军装备部中国舰船研究设计中心