Atlantis号海洋科学考察船的结构及设备布置

Atlantis号海洋科学考察船的结构及设备布置

目前，美国在海洋研究方面的综合实力是最强的，拥有世界上装备最先进、船只数量最多的海洋科学考察船队。以伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)为例，该所已拥有4艘海洋科学考察船，能够在全球范围内执行海洋科学综合考察任务，其中2艘考察船(Atlantis和Knorr)可搭载人深潜器。

本文对Atlantis号考察船的船体结构和设备布置情况进行了总结概述，希望能够从中学习到美国在科学考察船设计、建造理念方面的经验。

一、Atlantis号简介

Atlantis号是一艘常规考察船，建造于1997年，是世界上现役考察船中航行经历最为丰富的考察船之一。

图1 美国伍兹霍尔海洋研究所Atlantis号海洋科学考察船

表1 Atlantis号考察船部分规格参数

在Atlantis号上，建有六个科学实验室和储存室，装配了精确的导航系统、海底声纳测绘仪和卫星通信设备，并专门配备了阿尔文号载人潜水器。船上的三套绞车、三台起重机、工作车间及专门的安置舱都是为Alvin号和其他科学考察设备而专门设计的。

Atlantis号可以搭载由36名船员、技术人员、深潜小组成员和24名男、女科学家组成的调查团队，进行连续作业最长可达60天。最近几年，Atlantis号在大多数时间里，都搭载着阿尔文号在太平洋中对海底火山和热液源进行探测，取得了很多宝贵的信息和资料。

图2 Atlantis号的轮廓图

ROV舱

机械车间

水文实验室

计算机实验室

生物分析 实验室

水 力 实验室

电子 车间

储藏室

主实验室

图3 Atlantis号主甲板平面图

图4 Atlantis号01层甲板平面图

二、船体结构及大型设备的分布

1、船体结构

图2为Atlantis考察船的轮廓图。由图所示，Atlantis八层，其中主甲板上方五层，主甲板下两层。

图3为Atlantis考察船主甲板平面图。考察船的实验室、储藏室、机械车间、电子车间、ROV舱以及航行办公室等隔间，均分布在主甲板上；在主甲板的船尾右部，安装了一台固定起重机。

图4为Atlantis考察船主甲板平面图。在01层甲板的左舷中部，安装着一台固定起重机；考察船上另外一台可移动的多功能起重机，通常也部署在该层甲板的船艏部位。在甲板的最后边，是专门用来对Alvin号进入布放、回收作业的重型构架（heavy-duty a-frame）。

考察船的02层甲板上，安装了两台绞车，位于船右舷中部；甲板的最前方，竖立着19.5米高的MET Tower，上面安装了MET Sensors；甲板的中后方，是重型构架和绞车控制中心，中心的上面安装着考察船的雷达系统。

考察船的GPS安装在船的最顶处的支撑架上。在船的底部，安装了航海光束发射器（Seabeam Projection），并开设了海水进水口（Seawater Intake）。

2、大型设备的分布

（1）绞车和缆绳（Winches & Wires）

Atlantis上安装了三台固定的海事绞车，用来部署科学装备和仪器。三台绞车上使用的是UNOLS（大学-国立海洋实验室系统）标准1/4英寸和0.322英寸的机电水文线，以及9/16英寸的拖网线和0.68英寸的光缆。

水文绞车（Hydrographic Winches）安装在考察船第2层右舷中部，2台绞车共用一个船外输送端（overboarding point）和右舷的水文横梁（hydro boom）。

图5 Atlantis上安装的水文绞车

水文绞车的详细资料如表2所示。

表2 水文绞车详细资料

这些绞车的卷筒是可以互换的，所以可以很方便的通过整体切换来改变缆绳类型。使用考察船的起重机完成一次卷筒切换操作大概需要90分钟，但是这个操作必须在考察船停泊在港口时就要完成。缆绳从绞车通过固定的导缆轮（sheaves）到达安装在可伸长的水文横梁（hydro boom

）上的输送机构（overboarding block）。所用的导缆轮的直径为最小12英寸，并在其中的一个导缆轮上安装有缆绳监测系统的传感器。

缆绳在控制中心到潜水舱之间运动，操作员从甲板上的工作区域可以清晰的看到缆绳、导缆轮的运行情况，并可以通过对讲机与舰桥（Bridge）和实验室的人员进行沟通。同时，缆绳的相关参数（输送长度、输送速度和张力等）也实时显示在控制中心、实验室和舰桥中的显示器上。

牵引/储缆又用绞车系统（Dual Traction/Stowage Winch System）安装在主甲板下的绞车室（Winch Room）中，位于考察船的扇形尾部，其详细资料如表3所示。

这是一个双卷筒绞车，缆绳从绞车引出，通过一系列安装在下甲板的导缆轮（sheaves）到达船上的牵引吊车（trawl crane）；或者通过另外的一条导缆轮链到达考察船左舷的水文横梁（hydro boom）。缆绳监测系统的传感器安装一个固定的导缆轮上。

绞车控制中心位于潜水舱上方，操作员可以清晰的看到整个主甲板区域和仪器在船尾及右舷的停放点，并可以通过对讲机与舰桥（Bridge）和实验室的人员进行沟通。同时，缆绳的相关参数（输送长度、输送速度和张力等）也实时显示在控制中心、实验室和舰桥中的显示器上。在下甲板绞车旁边还有一个辅助的控制台。根据需要可以在主实验室或者一个小型车间进行远程控制。 此外，还安装了闭路影像系统来实时监测下甲板的绞车、导缆轮以及主甲板的活动。

水文横梁（hydro boom）是水文绞车和牵引绞车共同的输送支撑结构。

右舷横梁的输送端（ overboarding point ）位于考察船中部，是考察般航行时运动最小的区域。横梁安装在第2层甲板上，采用的是 McElroy 公司的液压驱动可伸展横梁，额定载荷15，000磅。两个 head blocks 悬挂在横梁的尽头。当横梁完全收回时，缆绳就垂直于主甲板，一个舷板门（bulwark gate）可以打开让仪器通过。

左舷横梁的输送端（overboarding point）离ROV舱很近，安装在第2层甲板上，采用的是McElroy公司的产品，额定载荷25,000 磅。它是专门用来布放和回收ROV和支持牵引/储缆双用绞车系统的。

这些水文横梁不能升高或者旋转，由控制中心进行控制。

（2）起重机（Cranes）

Atlantis 配备了两台永久安装的液压海事起重机（marine cranes）和一台可移动的折叠多功能起重机（utility crane）。

两台北美MCS 1565-NO 起重机基本上是相同的，唯一的不同是主甲板上的起重机有一条导缆轮链（sheave train）来输送牵引绞车缆绳。安装这些起重机，便于为从驾驶舰桥到船艉的整个科研工作区域提供服务。起重机可以将仪器、设备在船上与码头之间进行装载或者卸载。两台起重机均内置了电控器、液压动力组件和安装在起重机上的操作员站。

图6 主甲板起重机

主甲板起重机（Main Deck Crane）位于考察船右舷尾部1/4处，可以将重物吊装到考察船的扇状尾，在尾部或船边的上方。起重机配备了一条导缆轮链（sheave train ），用来将牵引缆绳从下甲板的绞车输送到安装在main shipper boom 上的一个overboarding block。起重机外设置了a boom crutch 来增强其安全性、强度和缓解作用于液压系统上的压力。

起重机安装在一个管形的基座（tubular pedestal）上，可以保证在移动所有部件时，使部件与甲板之间保持8英尺的垂直距离。起重机配备了一个固定长度的起重臂和两个可伸展的起重臂，可以在6到70英尺的范围内进行360度操作。起重机的额定负载取决于起吊半径，起吊能力（lift capacity）为42，000磅。

01层甲板起重机（01 Deck Crane）与主甲板上的起重机拥有同样的荷载能力和极限工作条件，位于第1层甲板的左舷中部。这样的设置使其能够覆盖整个考察船中间部分，从舱口（hatch）到内部储藏区域并且能够覆盖到码头。它的主要作用是为考察船装载和卸载，并在甲板上移动工件的工具（gear）。起重机安装在一个基座上，可以保证在移动所有部件时，使部件与甲板之间保持7.5英尺的垂直距离。

可移动多功能起重机（Portable Utility Crane）如图左图所示。

Atlantis 携带了一台小型的多功能HIAB 起重机，可以根据不同的科学项目需要在甲板上进行部署。这台起重机是铰接式的，自带液压组件，其主要目的是在甲板上协助搬运庞大、笨重的科学工具。起重机被安装在一个钢制的底盘上，可心很方便的与甲板上的连接件固定。由于其结构是铰接式的，由于摆引起的负载运动可以被达到最小，并且起重机能够达到比其基座位置低的部位，其实际工作范围能够实现4英尺到26英尺、360度运动。起重机的额定负载取决于起吊半径，全部展开之后的起吊能力（lift capacity）为2,205 磅. 图7 可移动多功能起重机 三台起重机的详细荷载能力见附录1。

（3）舰载小艇（Boats）

Atlantis上搭载了两艘Avon 5.4 米硬底充气艇（inflatable boats ），其尾部安装驱动马达。充气艇由考察船起重机放到海中，由一名船员驾驶。

图8 Atlantis上搭载的充气艇

（4）导航设备（Navigation Equipment）

Atlantis配备了一整套导航设备，主要由舰桥内的负责人使用。船上的所有科学小组都可心通过航海日志了解导航信息，也可以在航行中提出请求进行查询。表4是导航设备情况概览。

表4 导航设备概览

三、实验室和科研储藏室

Atlantis上建有不同的隔间，分别作为科研区域、储藏室或中转区域供不同领域的科学家、技术人员使用。6个实验室的分布如图3所示。 1、主实验室（Main Lab）

主实验室是一个通用实验室，位于主甲板，面积约140.5平方米，是船上空间最大、使用最广泛的内部空间。主实验室可以直通主甲板，与生物分析实验室和电子计算机实验室隔一条过道。

图9 主实验室

实验室内部装有通风橱、标准的家用空调和冰箱，以及3个-70度的箱式冷冻机（图10）；有两个水池，水源由海水净化系统提供；墙壁上嵌装有两个数据显示器，可以显示时间、航行方位、海水温度和电导率；实验室的前边有两台通用电脑和一台激光打印机；配备了两台IMac电脑，与紧挨着它们的数字图像复制台相连。此外，实验室里还有一个滚动数字显示器（scrolling digital banner），实时提供与阿尔文号相关的最新信息，如开始上浮时间、预计出水时间等。

图10 -70度摄氏度箱式冷冻机

图11是主实验室内部示意图。

图11

主实验室内部示意图

2、生物分析实验室（Bio&Analytical Lab）

生物分析实验室位于主甲板左舷前部，面积为34.8平方米，可以从主甲板通道或者科学冷藏冷冻室进入。该实验室与其他实验室隔离开来，以满足高灵敏度仪器和控制温度的需要。为了减少室外空气进入造成的影响，室内的气压总保持比室外气压略高一些。室内的温度保持在±1摄氏度之间。实验室内安装有通风橱、水池、专用接线箱，配备了一台台式通用电脑、一台制氮机、一台科学专用冰箱以及网络集线器。

图12 生物分析实验室

图13 生物分析实验室平面示意图

3、水文实验室（Hydro Lab）

水力实验室位于主甲板左舷，面积约60平方米，是一个通用实验室，可以从中央过道或者ROV舱进入。实验室中安装了通风橱、水池、专用接线箱，配有一台通用电脑和激光打印机有一个水槽，并使用一个16端口的集线器提供网络接口。特别的是，从海水净化系统接入的水源，还要通过微孔去离子水过滤装置才被使用。

图14 水文实验室

图15 水文实验室平面示意图

4、水力实验室（Wet Lab）

水力实验室位于主甲板，在Alvin号吊架的正前方，面积约230平方英尺。水下实验室的主要设计目的是用来放置海水取样装置，并进行海水取样。科学家可以在密封和无污染的条件下对海水样本进行收集与分析。区域内部有一个水池，一个小通风橱，一个专用接线箱，以及从海水净化系统接入的水源。这个实验室也通常用来进行岩石切割。通常情况下，有两个集线器端口可以使用，如果需要可以自行扩展。该实验室的一端作为潜水器的维护区域。

图16 水力实验室

图17 水力实验室平面示意图

5、计算机实验室（Computer Lab）

计算机实验室位于主甲板的左舷，在水力实验室的前方，面积约750

平方英尺，可以从内部过道直接进入。计算机实验室是考察船信息采集和计算的核心，并配备了Seabeam

声纳脉冲测距系统和Knudsen回声探测器。实验室的前部靠边处是牵引、水文绞车控制台，还有用于对挖掘、拖曳操作进行远程控制的控制台。实验室还配备了两台Imac

电脑、三台Windows计算机、三台Linux计算机以及其他一些作为服务器的计算机。为满足科学家和技术人员的使用要求，实验室配备了两台大型彩色绘图仪、一台彩色激光打印机、一台黑白打印机和一台传真机。此外，还有专用的接线箱和多端口网络接线器。

图18 计算机实验室

图19 计算机实验室平面示意图

6、储藏室（Scientific Storeroom）

储藏室位于主甲板，在主实验室的前面，面积约500平方英尺，用来储存科学工具和大件生活物品。里边有一个三层的储藏架，可以用来放置箱子、盒子等物品。设备可以从上方的甲板舱口放下至储藏室中。

图20 储藏室

图21 储藏室平面示意图

四、结语

Atlantis号海洋科学考察船在设计之初，就考虑到了海洋科学考察信息化、综合化的发展趋势，针对不同海洋科考任务对人员、设备的要求进行了综合的分析，进行了详细的优化设计；考虑到未来可能出现的新要求，在布局和主要配套设备等方面，也保证了很大的灵活性，为考察船未来的进一步改进和完善留下了余地。这些设计经验值得我们去学习，并在我国新一代的海洋科考船设计、制造过程中加以实践。 参考资料

1、NI Qijun,YE Yonglin.Optimal design for the complex navigation performance of aSWATH—type cornprehensive scientific research vessel EJ-1．Journal ofShip Mechanics，2008，12(6)：904—913．

2、Woods Hole Oceanographic Institution,http://www.whoi.edu/page.do?pid=8143 3、Woods Hole Oceanographic Institution,http://www.whoi.edu/page.do?pid=8216 4、Woods Hole Oceanographic Institution,http://www.whoi.edu/page.do?pid=8223

Woods Hole Oceanographic Institution,http://www.whoi.edu/page.do?pid=8224

附录一 两种起重机的具体荷载能力图表