海事公务与海工科技

模块化舰船设计建造实例

2015-04-03 中国舰船研究

在国际化的造船市场竞争中，获得成功必不可少的两个条件是具有竞争力的价格和具有竞争力的交付时间。过去三十年里，造船界一直在持续地提升船舶建造技术，通过减少建造时间来降低成本。随着建造技术和装配技术进一步提升空间的减少，造船界开始寻找其他途径来节省时间和成本，比如装备和设备作为舰上第二大的成本项，具备较大的改善空间。这种情况下模块化和标准化被认为具备相当可观的提升空间。
一、模块化设计建造的优缺点
模块可以提前建造并试验，缩短了总体建造时间，减少了不同系统整合的风险，也意味着可以减少整船建造成本。
模块化船舶设计概念的优点是：
1）减少设计和建造成本；
2）减少设计和建造时间；
3）在船舶生命周期里具备升级的灵活性（可以临时改变任务或总体升级）；
4）减少维护时间和成本。
但是模块化也会在以下方面增加成本：
1）更高的初始设计人力；
2）减少了设计的自由度（可能会阻碍技术进步）；
3）通常会增加重量；
4）通常会增加空间需求。
世界领先的船厂越来越多地采用模块化和标准化，很多舾装件已经直接采用模块化的形式，比如舱室模块、浴室模块。日本IHI是较早实行标准化部件和模块舾装件的船厂，在德国HDW船厂，冷却水和分离站是标准化的模块。
有些设备比较容易实现标准化，比如低速二冲程柴油机，市场上仅有两家主要的供应商，供应商、船厂和船级社间通过共同商议产生了发动机与基座间的统一接口，允许船东和船厂在最后的时间节点才最终决定选择哪一家的发动机。而四冲程发动机因为供应商太多，很难协调取得统一的接口。
二、模块化在军船上的应用
模块化在军船设计建造上大量应用的主要推动力是：希望用更少舰只执行更多任务的大趋势。目前有许多军舰采购项目采用了模块化的设计和运作原理。
早在1967年，J.J. Henry公司就开始研究甲板室模块化建造的可行性和优点，不过这个概念并没有投入实用。1992年，美国海军海上系统司令部（NAVSEA）开始一个名为“通过共有化来降低成本”（Affordability Through Commonality，ATC）的项目。项目的目标是通过设计的模块化和标准化，开发必要的策略、标准、技术规格和程序来降低成本。ATC项目主要关注船体、轮机和电气设备的模块化，再将这些由标准部件组成的模块组装和连接起来。理想的状况是一个模块可以应用于不同的船型。实践证明从单元模块到系统模块、区域模块，标准化会变得越来越困难。


图1 模块化甲板室的开发图
船上模块布置重新组织技术（SMART）是一种用于在船上安装设备，以提供灵活性和成本有效性的方法。该技术的核心是一个轨道系统，与用于航空工业的相似，能使设备固定在甲板、舱壁或顶棚上。SMART系统包括一个基座系统、模块连接动力和照明以及模块工作站。
上世纪90年代早期，美国海军和电力艇公司（通用动力公司的造船部门）开始开发新一代的美国海军攻击潜艇NSSN。NSSN需要比上一代“海狼”级潜艇成本更低，并且为了适应任务要求，设计和建造过程需要足够灵活，因为建造开始时许多任务要求还未能完全确定。因此，海军和电力艇公司对于综合产品团队、协同设计以及模块化设计和建造概念给予更多的关注。最终的设计理念强调建造、技术和使用的三重模块化。
除此以外，还有多个国家采用了模块化舰船的概念。
1 谢尔德海军造船公司的西格玛概念
谢尔德海军造船公司的西格玛（Sigma，船舶综合模块方法）概念首先确定一套应用于整个产品家族的几何参数，在同一个单元上使用相同的参数，包括船舶空间和系统的布置。船型也是模块化的，如首部模块、后部模块等，用这种方式创建整个船体。谢尔德海军造船公司将这种方法应用到一系列的近海巡逻舰上。


图2 谢尔德公司建造的近海巡逻舰

同样地，该公司的“Enforcer”家族系列多功能船坞登陆舰也采用了模块化的设计概念，坞舱、车库、飞行甲板、机库、居住区和推进系统等均可提供预先设计的定制化的选择。该舰的基本设计包括5个具备不同功能的模块，如机库模块，包含了机库和所有的直升机支持功能。这些模块在全系列的“Enforcer”舰中都通用，通过插入平行于中体分段的数个分段得到不同的舰长。
2 Blohm & Voss公司的MEKO设计概念
MEKO可能是造船界最著名的模块化设计方案之一，主要关注传感器、武器和通信系统。在MEKO概念中，将需要运行某个特殊系统的所有部件放置在一个单独的模块中，不同的模块通过标准接口与电源、HVAC和数据网络相连。到2003年已经建造了50多艘MEKO护卫舰和轻护。


图4 MEKO概念
3 Abeking & Rasmussen船厂的MOPCO概念
德国Abeking & Rasmussen（A & R）船厂模块平台概念（MOPCO）基于上世纪80年代取得的经验，当时德国一个反水雷舰替换项目起动。该概念基于所有系统和设备严格的模块化，不同的任务集装箱和设备（如铰车和起重机）均有标准的接口连接。


图5 MOPCO概念
4 SWATH＠A & R概念
在德国海军的MJ2000（猎雷2000）概念的初步研究框架内，A & R船厂和Lurssen Werft公司等组成的团队开发了一型SWATCH平台。其中，带居住区和桥楼的完整的上层结构是一个模块，还有用于发射/回收无人机的模块。MJ2000方案最终未能获得通过，随后A & R公司又开发了模块化的SWATH概念，名为SWATH＠A & R。该平台仅包含必需的设备，如操纵设备、电驱推进、燃油和压载水舱。该平台在结构上可以自我支持，并能携带模块，这些模块自身具备足够的结构强度，但不会对全船强度有贡献。桥楼模块和机舱模块作为基础模块位于船前部，中央模块容纳了操作中心、居住单元、厨房和操作设备（如变压器），船后部的模块可进行更换，以满足不同的任务要求，如武器、AUV（自主水下航行器）或小艇的发射/回收系统。
5 Standard Flex概念
Standard Flex 300，又名“Flyvefisken”级，是一艘基于标准船体的多功能舰，舰上的系统和设备均采用集装箱化，允许舰船在监视、水面战、反潜战、对抗措施/猎雷或污染控制任务中快速转换功能。该舰采用纤维加强塑料材料建造。1987年和1996年间共有14艘同级舰由Danyard船厂建造。Standard Flex 300概念的设计原则被修改用于3艘大得多的“Thetis”级渔业保护/近海巡逻舰和“Absalon”级指挥支援舰。



图6 “Standard Flex”模块（左）和“Standard Flex”系统（右）
三、有代表性的模块化舰船案例详述
1 法国-意大利FREMM（欧洲多功能护卫舰）
FREMM是由法国海军与意大利海军合作开发的护卫舰，采用模块化的舰船设计方法进行设计，具备灵活性高和采购成本低的特点。该项目开始于2002年，是欧洲最大的水面战斗舰项目。初步设计时间为2005年11月至2007年5月，舰体平台的详细设计开始于2008年7月，作战系统详细设计开始于2008年11月，首舰开工时间为2007年3月，2012年首舰服役。DCNS是该项目的主承包商，负责舰体平台的设计和建造、作战系统的设计和整合以及服役最初5年内的维护。法国海军共订购了11艘该型舰，其中9艘反潜舰、2艘防空舰。
法国和意大利采购的两型FREMM舰利用共同的船体、总布置和平台系统，具备隐身性、先进的自动化、最优的工作生活条件、易于维护、高性能的作战能力、与北约及美国海军联盟协同作战能力、建造成本低并且满足环保要求。
法国FREMM护卫舰搭载NH90直升机、Exocet反舰导弹、MU90鱼雷和紫苑15防空导弹，还配备了由DCNS设计的SETIS作战管理系统，管理所有的作战任务。2艘防空护卫舰还将搭载紫苑30导弹，用于区域防空，9艘反潜护卫舰将搭载海军深水攻击巡航导弹。
DCNS在设计时关注能整合可升级的高性能作战系统以及能与减少船员和集中指挥控制的系统相兼容。该舰设计有加宽的下甲板过道、设备检修专用门和用于设备装载和卸载的专用备品，这些显著地提升了舰船的可操作性。为了改善航行、操纵以及对平台和作战系统的管理，对关键任务进行了简化，开发了自动化控制系统，以使操作者能快速有效地对事故和舰船战术形势的变化进行响应。
所有的操作者（驾驶桥楼和作战信息中心）均在多任务控制台上工作，这个控制台设计用于实时任务再分配，这也是其相对于多数专用控制台的一个主要的进步。
在其Lorient船厂，DCNS做了大量投资用于改进设计和生产设备，确保按时交付产品（大约每10个月可以向法国海军交付一艘新护卫舰），并满足相关的质量标准。船厂拥有的高技术机器设备包括等离子切割系统、焊接机器人和一个大型焊接中心。
法国和意大利FREMM的区别在于推进系统。法国决定采用CODLOG（混合柴电或燃气推进系统），意大利选择了CODLAG（混合柴电和燃气推进系统）。两国选用了相同的燃气轮机——通用电子-Avio LM2500+G4型，柴油发电机不同，意大利选用了4台Isotta Fraschini VL 1716 C2ME型，法国采用4台MTU 16V 4000 M63L型发电机。
柴油机推进模式下，FREMM舰航速可达16 kn，当采用燃气轮机后，最高航速可达27 kn。意大利FREMM舰可以使用柴油机再加上燃气轮机，因此航速可以达到29 kn，比法国版的更高。另外有未经证实传言称，意大利FREMM的布置稍有不同，将来还可安装第二台LM2500燃气轮机，这样一来，航速可高达33 kn，能更有效地与“Doria”号驱逐号驱逐舰和“Cavour”号航母协同作战。
两国的舰载武器也不尽相同。同时，对舰员人数的态度也不一样，法国海军为了减少舰员，使用了很多自动化设备，意大利海军则出于损控的考虑偏向维持稍大的舰员数。
目前加拿大也有意向订购FREMM护卫舰，将以现有的FREMM舰作为母型，在此基础上引入加拿大海军的要求，开发未来的加拿大水面战斗舰。
2 丹麦“Absalom”级指挥支援舰和“Iver Huitfeldt”级护卫舰
1997年发布的丹麦防务白皮书提出“通过海上力量的部署，防止和管理全球性的危机，并通过参与和领导国际行动，来实现稳定和保护。”的目标，随后该国海军根据白皮书的要求对海军进行调整，向远海进军，并参与国际联合行动，提供广泛的能力，包括指挥和控制。这种情况下，丹麦海军决定建造大型标准化舰船，该舰船需要拥有具备指挥控制能力的海上控制装置并可搭载登陆部队。在此基础上开始研制的概念舰是结合了护卫舰和LPD的一种舰型。
2004年，丹麦国会批准了海军的计划，同意建造两级新舰：灵活型多任务舰（FS）和巡逻舰（PS）。FS概念后来逐渐演变为“Absalom”级指挥支援舰。该级别中的“Absalom”号和“Esbern Snare”号已分别于2004年和2007年服役。随后开始建造另外三艘基于相似的设计但不带灵活性任务甲板的PS舰，三艘舰于2013~2014年服役，称为“Iver Huitfeldt”级。两型设计非常相似，但是PS级更注重作战能力，特别是防空能力，并拥有6个StanFlex井（“Absalom”级是5个），用于配备MK41长距（由于发射井没有足够的深度，“Absalom”级仅搭载短距的自卫MK41单元）发射器，可发射ESSM和SM2防空导弹。其中SM2是长距武器（类似45型舰上的紫苑30），短距的ESSM用于点防御（类似45型舰上的紫苑15）。未来还可配备SM6、SM3以及“战斧”导弹，这样一来，首先将防空能力进一步延伸（SM6是SM2的改进型，引入了雷达搜索器），其次反弹道导弹能力和地面攻击能力也增强了。相比“Absalom”级，“Iver Huitfeldt”级增加发动机功率，性能得到增强，航速增加至28 kn。图7 “Absalom”级（上）和“Iver Huitfeldt”级（下）
丹麦海军的新研制项目包括“Absalom”级和“Iver Huitfeldt”级在内，都具有如下特点：
u 2000年以后的所有舰船设计都使用灵活性设计概念；
u 使用DNV和海军的标准；
u 不同的舰船级别间使用相同的设计元素；
u 所有大型舰船均使用相同的作战管理系统；
u 采用多功能冗余被动光纤网络；
u 大型舰船上采用标准的安装架，用来安装所有的武器、传感器、通信和IT系统；
u 护卫舰和灵活性支援舰上采用相同的综合平台管理系统。
2.1 “Absalom”级指挥支援舰
“Absalom”级舰长137 m，最大舰宽19.5 m，吃水6.3 m，满载排水量6300 t，该舰设计有16个水密分隔或分舱、两个气密舱壁。该舰噪声、雷达、可视和红外信号均较低，舰上设备大部分采用商用设备，在海军规范下建造并完全满足北约的标准要求。该舰最著名的一个特性是位于飞行甲板下方的“灵活甲板”，几乎占全船2/3的长度（约90 m长，10 m宽），总面积915 m2，车道长度250 m。其灵活性体现在可搭载各种不同的载荷，装载量达1700 t。甲板的地面经过加强，能承受主战坦克的重量（最多可搭载7辆“美洲豹2”型坦克），或55辆轻型装甲车，或最多300个水雷的布雷轨。灵活甲板还可用于装载15个标准集装箱，其中12个配备连接面板，允许集装箱接入船舶的电力、水和通信系统。这样，舰上可安装集装箱化的医院等设施。模块化的医院每天能支持最多10个外科手术，并为病人提供30~40个床位。集装箱模块还可为登船部队提供最多130人额外铺位。灵活甲板能由舰尾的滚装跳板进入，也可以经由飞行甲板内和武器甲板上的门通过起重机吊入。
灵活甲板上还可搭载2艘长12 m的SRC-90E小艇，由2名舰员操作，小艇能容纳1800 kg设备、10名乘客或4名担架病人。小艇从舰尾左侧通过一个单轨和起重机系统下水，能在舰船航行时下水和回收。另外在上层建造的两侧的机库中还有2艘RHIB。2.2 “Iver Huitfeldt”级护卫舰
“Iver Huitfeldt”级护卫舰同样具备灵活的设计，能经济有效地执行从海上控制到作战的多项任务，既能独立操作又能集团（如北约）协同操作。采用模块化技术和标准的软件构架方便引进新技术，并确保在该舰30年寿命周期内能有效升级。舰上采用标准的安装架，可连接电力系统、监视系统、冷却水系统和盖板，另外还有装甲。该舰不仅具备“即插即用”的能力，还具备扩展能力。该舰的优势在于：续航力、灵活性、自动化程度高（IPMS中有6000个传感器点）、基础构架（标准的安装架等）、具备升级的空间、大修与进坞的时间间隔长、与德国和荷兰合作开发的防空系统。
劣势是：舰员人数少，仅能搭载一架直升机，没有完整的区域系统，MK41发射器中仅有32个单元（但可增加ESSM发射器），无主动自我防御/诱饵系统，仅有“Sea Gnat”鱼雷诱饵系统，炮火支援能力有限。
该舰一个很大的特点是在立项之初就以降低成本为目标，从采购方式、设计和建造三方面达到降低成本的目的。由于十分重视全寿命周期的成本，该舰吸收了民用航运业中控制成本的原则，把重点放在减少舰员成本、燃油成本和排放上。最终证明该舰的建造成本和使用成本均很低，2010年该舰的建造总成本是3.13亿美元，按重量计算，每公斤仅80美元，丹麦皇家海军、DALO（丹麦国防采购和后勤机构）和OMT（欧登塞船舶技术公司）对该项目进行了详细跟踪，该舰建造成本仅为当时欧洲低端价格的1/3，每年的平均使用成本为6700万美元。DALO作为主要合同商和系统集成商在该项目上共为纳税人节省了每舰6500万美元。

图11 “Iver Huitfeldt”级护卫舰的建造成本占比
具体来说，该舰主要从以下几个方面节省建造成本和使用成本：
1）采购方式上，DALO以从马士基公司获得的灵感来运作该项目，最终产生了一种新的护卫舰采购模式，即基于固定价格和开放性的原则，利用马士基（欧登赛钢铁造船厂）商业造船的优势，使得该舰能按预算、按期交付，同时技术上还超越了DALO提出了要求。
2）推进系统的设计，推进系统开发的核心思想是巡航速度18 kn时取得低油耗，同时也要满足加速快和最高航速的要求。最终开发的推进系统具备良好的燃油经济性，18 kn时，续航力9300 nm，每天油耗为31 t，续航力指标超出目前世界其他护卫舰80~100%。同时，该舰能在120秒以内达到29.3 kn的最高航速。如果采用燃气轮机推进系统，能使最高航速略高一点，但是却显著增加了资金成本和燃料成本，且续航力会减少近一半，因此未选用燃气轮机，而是采用4台总功率32800 kW MTU 8000柴油发动机。
3）高效建造，该舰的建造效率很高，56天内完成装配，146天完成舾装、试航，建造该舰共用了70万小时，创建了军舰建造生产率的新基准。
4）在不牺牲耐用性和可靠性的基础上，尽量选择商用部件和设备。这些商用部件和设备在商船上经过了长期检验，成本低廉且可靠性高，实际使用成本证明低于预期。
5）受到马士基公司的启发，尽量减少舰员成本，该公司的超大型集装船只需14名船员即可操作。丹麦护卫舰大量采用自动化设备，可以仅由20名舰员操作。为了实现护卫舰的各种任务，总共需要100名舰员，另外舰上还设有60名舰员的额外空间。该舰的上层建筑空间最大可容纳200名舰员，但是DALO和丹麦官方决定坚持少舰员概念，将该空间用于增加了一个导弹发射器。
6）使用DNV军用规范，舰员在日常工作中按照DNV的维护程序进行舰船维护，舰船仅需要每5年入坞一次，这些对于减少维护成本产生了积极的影响。该舰的维护成本仅占全寿命周期使用成本的7%。3 英国26型全球战斗舰（GCS）
全球战斗舰，以前也称为未来战舰，是英国开发的多功能战斗舰项目，用来取代尚在服役的22型（“Broadsword”级）和23型（“Duke”级）护卫舰。首型GCS护卫舰（26型）将于2021年服役，第二型（27型）计划本世纪30年代服役。
该护卫舰将满足英国皇家海军下一代反潜作战和登陆作战任务要求，也能出口他国。英皇家海军计划共建造13艘26型，用来取代相同数量的23型舰，23型舰是冷战时期设计的用于北大西洋区域反潜的护卫舰。目前对26型GCS感兴趣的国家还有土耳其、澳大利亚、印度、马来西亚、新西兰和巴西。该型护卫舰的建造成本每艘预计在2.5~3.5亿英镑，比45型护卫舰便宜很多。26型预计将面对来自FREMM护卫舰和美国护卫舰强大的竞争。
26型的评估阶段（从初步概念设计到产生详细技术参数）开始于2010年3月。GCS护卫舰采用灵活性设计，广泛适用于多种武器和传感器，并可实现新技术升级，执行不同的战略前景转换。采用模块化设计，隐身性能良好。空间可以灵活配置，能支持灾难救助和人道主义行动或容纳额外的84个铺位。舰尾设有一个任务区，这明显是受到“Absalom”级和LCS的影响，任务区设有一个跳板允许部署刚性充气艇、无人水面艇或拖曳阵列声纳。飞行甲板可起降重型直升机，如“支努干”运输直升机。
英国海军已经认识到舰员成本占到舰船寿命周期成本一个较高的比例，26型比23型略大，拥有更大的灵活性，可容纳小艇和无人水面、空中和水下交通工具，但是由于大量使用自动化系统辅助舰员操作，需要的舰员更少。该舰设计舰员数130人，另外还有可容纳36人登陆部队的铺位。
26型项目计划开发三种舰型：反潜型、防空型和通用型。反潜型将配备一个标准的舰体声纳和其他低频主动和被动声纳，可用于抵抗潜艇威胁。另外将配备中程目标指示器和火控雷达，配备可满足不同任务要求的任务区。防空型将配备一个中长距防空导弹系统和一个长距空中监视雷达用于抵抗空中威胁。其模块化设计能容纳不同国家的防卫系统和雷达。通用型拥有通用的任务区，并能容纳不同类型的无人水面艇、海上艇和无人水下艇。能执行反海盗、海上安全和反恐任务。
该舰将采用CODLOG推进系统，最大航速为26 kn，自持力60天，航速15 kn时续航力11000 km。该舰的推进系统与常规不同，包含三个要素：1套4台高速柴油发电机；带集成电动机的双螺旋桨轴；以及1台燃气轮机，很有可能是罗尔斯·罗伊斯MT30，联接双轴。通过隔离措施减少噪声的传导，在航速18 kn以下时能有效安静地推进。柴电驱动也消除了长轴，使安装更灵活。
MT30型燃气轮机动力/重量比高，安装在舰体的后部，提供迅速到达28 kn的能力。因为涡轮机仅用于全功率或接近全功率时，因此无需复杂的回热式涡轮机系统（如45型的WR-21，安装该设备是为了增加部分动力时经济性）。CODLOG的另一个好处是稳定地提升了柴油机性能。四、小结
从上述案例可以看出，目前世界上新开发的舰船项目大多以能灵活地执行多种任务，方便技术升级，且建造成本和使用成本低廉为目标。在这种情况下，模块化舰船技术发展迅速，尤其以欧美国家为主导力量。除了模块化这个特点以外，现阶段舰船采购的特点还包括，借用商业化运作的模式、尽量选用民用设备、采用开放构架、大量采用自动化设备等。
来源：MARIC情报站模块化舰船设计建造实例

2015-04-03 中国舰船研究

在国际化的造船市场竞争中，获得成功必不可少的两个条件是具有竞争力的价格和具有竞争力的交付时间。过去三十年里，造船界一直在持续地提升船舶建造技术，通过减少建造时间来降低成本。随着建造技术和装配技术进一步提升空间的减少，造船界开始寻找其他途径来节省时间和成本，比如装备和设备作为舰上第二大的成本项，具备较大的改善空间。这种情况下模块化和标准化被认为具备相当可观的提升空间。
一、模块化设计建造的优缺点
模块可以提前建造并试验，缩短了总体建造时间，减少了不同系统整合的风险，也意味着可以减少整船建造成本。
模块化船舶设计概念的优点是：
1）减少设计和建造成本；
2）减少设计和建造时间；
3）在船舶生命周期里具备升级的灵活性（可以临时改变任务或总体升级）；
4）减少维护时间和成本。
但是模块化也会在以下方面增加成本：
1）更高的初始设计人力；
2）减少了设计的自由度（可能会阻碍技术进步）；
3）通常会增加重量；
4）通常会增加空间需求。
世界领先的船厂越来越多地采用模块化和标准化，很多舾装件已经直接采用模块化的形式，比如舱室模块、浴室模块。日本IHI是较早实行标准化部件和模块舾装件的船厂，在德国HDW船厂，冷却水和分离站是标准化的模块。
有些设备比较容易实现标准化，比如低速二冲程柴油机，市场上仅有两家主要的供应商，供应商、船厂和船级社间通过共同商议产生了发动机与基座间的统一接口，允许船东和船厂在最后的时间节点才最终决定选择哪一家的发动机。而四冲程发动机因为供应商太多，很难协调取得统一的接口。
二、模块化在军船上的应用
模块化在军船设计建造上大量应用的主要推动力是：希望用更少舰只执行更多任务的大趋势。目前有许多军舰采购项目采用了模块化的设计和运作原理。
早在1967年，J.J. Henry公司就开始研究甲板室模块化建造的可行性和优点，不过这个概念并没有投入实用。1992年，美国海军海上系统司令部（NAVSEA）开始一个名为“通过共有化来降低成本”（Affordability Through Commonality，ATC）的项目。项目的目标是通过设计的模块化和标准化，开发必要的策略、标准、技术规格和程序来降低成本。ATC项目主要关注船体、轮机和电气设备的模块化，再将这些由标准部件组成的模块组装和连接起来。理想的状况是一个模块可以应用于不同的船型。实践证明从单元模块到系统模块、区域模块，标准化会变得越来越困难。


图1 模块化甲板室的开发图
船上模块布置重新组织技术（SMART）是一种用于在船上安装设备，以提供灵活性和成本有效性的方法。该技术的核心是一个轨道系统，与用于航空工业的相似，能使设备固定在甲板、舱壁或顶棚上。SMART系统包括一个基座系统、模块连接动力和照明以及模块工作站。
上世纪90年代早期，美国海军和电力艇公司（通用动力公司的造船部门）开始开发新一代的美国海军攻击潜艇NSSN。NSSN需要比上一代“海狼”级潜艇成本更低，并且为了适应任务要求，设计和建造过程需要足够灵活，因为建造开始时许多任务要求还未能完全确定。因此，海军和电力艇公司对于综合产品团队、协同设计以及模块化设计和建造概念给予更多的关注。最终的设计理念强调建造、技术和使用的三重模块化。
除此以外，还有多个国家采用了模块化舰船的概念。
1 谢尔德海军造船公司的西格玛概念
谢尔德海军造船公司的西格玛（Sigma，船舶综合模块方法）概念首先确定一套应用于整个产品家族的几何参数，在同一个单元上使用相同的参数，包括船舶空间和系统的布置。船型也是模块化的，如首部模块、后部模块等，用这种方式创建整个船体。谢尔德海军造船公司将这种方法应用到一系列的近海巡逻舰上。


图2 谢尔德公司建造的近海巡逻舰

同样地，该公司的“Enforcer”家族系列多功能船坞登陆舰也采用了模块化的设计概念，坞舱、车库、飞行甲板、机库、居住区和推进系统等均可提供预先设计的定制化的选择。该舰的基本设计包括5个具备不同功能的模块，如机库模块，包含了机库和所有的直升机支持功能。这些模块在全系列的“Enforcer”舰中都通用，通过插入平行于中体分段的数个分段得到不同的舰长。
2 Blohm & Voss公司的MEKO设计概念
MEKO可能是造船界最著名的模块化设计方案之一，主要关注传感器、武器和通信系统。在MEKO概念中，将需要运行某个特殊系统的所有部件放置在一个单独的模块中，不同的模块通过标准接口与电源、HVAC和数据网络相连。到2003年已经建造了50多艘MEKO护卫舰和轻护。


图4 MEKO概念
3 Abeking & Rasmussen船厂的MOPCO概念
德国Abeking & Rasmussen（A & R）船厂模块平台概念（MOPCO）基于上世纪80年代取得的经验，当时德国一个反水雷舰替换项目起动。该概念基于所有系统和设备严格的模块化，不同的任务集装箱和设备（如铰车和起重机）均有标准的接口连接。


图5 MOPCO概念
4 SWATH＠A & R概念
在德国海军的MJ2000（猎雷2000）概念的初步研究框架内，A & R船厂和Lurssen Werft公司等组成的团队开发了一型SWATCH平台。其中，带居住区和桥楼的完整的上层结构是一个模块，还有用于发射/回收无人机的模块。MJ2000方案最终未能获得通过，随后A & R公司又开发了模块化的SWATH概念，名为SWATH＠A & R。该平台仅包含必需的设备，如操纵设备、电驱推进、燃油和压载水舱。该平台在结构上可以自我支持，并能携带模块，这些模块自身具备足够的结构强度，但不会对全船强度有贡献。桥楼模块和机舱模块作为基础模块位于船前部，中央模块容纳了操作中心、居住单元、厨房和操作设备（如变压器），船后部的模块可进行更换，以满足不同的任务要求，如武器、AUV（自主水下航行器）或小艇的发射/回收系统。
5 Standard Flex概念
Standard Flex 300，又名“Flyvefisken”级，是一艘基于标准船体的多功能舰，舰上的系统和设备均采用集装箱化，允许舰船在监视、水面战、反潜战、对抗措施/猎雷或污染控制任务中快速转换功能。该舰采用纤维加强塑料材料建造。1987年和1996年间共有14艘同级舰由Danyard船厂建造。Standard Flex 300概念的设计原则被修改用于3艘大得多的“Thetis”级渔业保护/近海巡逻舰和“Absalon”级指挥支援舰。



图6 “Standard Flex”模块（左）和“Standard Flex”系统（右）
三、有代表性的模块化舰船案例详述
1 法国-意大利FREMM（欧洲多功能护卫舰）
FREMM是由法国海军与意大利海军合作开发的护卫舰，采用模块化的舰船设计方法进行设计，具备灵活性高和采购成本低的特点。该项目开始于2002年，是欧洲最大的水面战斗舰项目。初步设计时间为2005年11月至2007年5月，舰体平台的详细设计开始于2008年7月，作战系统详细设计开始于2008年11月，首舰开工时间为2007年3月，2012年首舰服役。DCNS是该项目的主承包商，负责舰体平台的设计和建造、作战系统的设计和整合以及服役最初5年内的维护。法国海军共订购了11艘该型舰，其中9艘反潜舰、2艘防空舰。
法国和意大利采购的两型FREMM舰利用共同的船体、总布置和平台系统，具备隐身性、先进的自动化、最优的工作生活条件、易于维护、高性能的作战能力、与北约及美国海军联盟协同作战能力、建造成本低并且满足环保要求。
法国FREMM护卫舰搭载NH90直升机、Exocet反舰导弹、MU90鱼雷和紫苑15防空导弹，还配备了由DCNS设计的SETIS作战管理系统，管理所有的作战任务。2艘防空护卫舰还将搭载紫苑30导弹，用于区域防空，9艘反潜护卫舰将搭载海军深水攻击巡航导弹。
DCNS在设计时关注能整合可升级的高性能作战系统以及能与减少船员和集中指挥控制的系统相兼容。该舰设计有加宽的下甲板过道、设备检修专用门和用于设备装载和卸载的专用备品，这些显著地提升了舰船的可操作性。为了改善航行、操纵以及对平台和作战系统的管理，对关键任务进行了简化，开发了自动化控制系统，以使操作者能快速有效地对事故和舰船战术形势的变化进行响应。
所有的操作者（驾驶桥楼和作战信息中心）均在多任务控制台上工作，这个控制台设计用于实时任务再分配，这也是其相对于多数专用控制台的一个主要的进步。
在其Lorient船厂，DCNS做了大量投资用于改进设计和生产设备，确保按时交付产品（大约每10个月可以向法国海军交付一艘新护卫舰），并满足相关的质量标准。船厂拥有的高技术机器设备包括等离子切割系统、焊接机器人和一个大型焊接中心。
法国和意大利FREMM的区别在于推进系统。法国决定采用CODLOG（混合柴电或燃气推进系统），意大利选择了CODLAG（混合柴电和燃气推进系统）。两国选用了相同的燃气轮机——通用电子-Avio LM2500+G4型，柴油发电机不同，意大利选用了4台Isotta Fraschini VL 1716 C2ME型，法国采用4台MTU 16V 4000 M63L型发电机。
柴油机推进模式下，FREMM舰航速可达16 kn，当采用燃气轮机后，最高航速可达27 kn。意大利FREMM舰可以使用柴油机再加上燃气轮机，因此航速可以达到29 kn，比法国版的更高。另外有未经证实传言称，意大利FREMM的布置稍有不同，将来还可安装第二台LM2500燃气轮机，这样一来，航速可高达33 kn，能更有效地与“Doria”号驱逐号驱逐舰和“Cavour”号航母协同作战。
两国的舰载武器也不尽相同。同时，对舰员人数的态度也不一样，法国海军为了减少舰员，使用了很多自动化设备，意大利海军则出于损控的考虑偏向维持稍大的舰员数。
目前加拿大也有意向订购FREMM护卫舰，将以现有的FREMM舰作为母型，在此基础上引入加拿大海军的要求，开发未来的加拿大水面战斗舰。
2 丹麦“Absalom”级指挥支援舰和“Iver Huitfeldt”级护卫舰
1997年发布的丹麦防务白皮书提出“通过海上力量的部署，防止和管理全球性的危机，并通过参与和领导国际行动，来实现稳定和保护。”的目标，随后该国海军根据白皮书的要求对海军进行调整，向远海进军，并参与国际联合行动，提供广泛的能力，包括指挥和控制。这种情况下，丹麦海军决定建造大型标准化舰船，该舰船需要拥有具备指挥控制能力的海上控制装置并可搭载登陆部队。在此基础上开始研制的概念舰是结合了护卫舰和LPD的一种舰型。
2004年，丹麦国会批准了海军的计划，同意建造两级新舰：灵活型多任务舰（FS）和巡逻舰（PS）。FS概念后来逐渐演变为“Absalom”级指挥支援舰。该级别中的“Absalom”号和“Esbern Snare”号已分别于2004年和2007年服役。随后开始建造另外三艘基于相似的设计但不带灵活性任务甲板的PS舰，三艘舰于2013~2014年服役，称为“Iver Huitfeldt”级。两型设计非常相似，但是PS级更注重作战能力，特别是防空能力，并拥有6个StanFlex井（“Absalom”级是5个），用于配备MK41长距（由于发射井没有足够的深度，“Absalom”级仅搭载短距的自卫MK41单元）发射器，可发射ESSM和SM2防空导弹。其中SM2是长距武器（类似45型舰上的紫苑30），短距的ESSM用于点防御（类似45型舰上的紫苑15）。未来还可配备SM6、SM3以及“战斧”导弹，这样一来，首先将防空能力进一步延伸（SM6是SM2的改进型，引入了雷达搜索器），其次反弹道导弹能力和地面攻击能力也增强了。相比“Absalom”级，“Iver Huitfeldt”级增加发动机功率，性能得到增强，航速增加至28 kn。图7 “Absalom”级（上）和“Iver Huitfeldt”级（下）
丹麦海军的新研制项目包括“Absalom”级和“Iver Huitfeldt”级在内，都具有如下特点：
u 2000年以后的所有舰船设计都使用灵活性设计概念；
u 使用DNV和海军的标准；
u 不同的舰船级别间使用相同的设计元素；
u 所有大型舰船均使用相同的作战管理系统；
u 采用多功能冗余被动光纤网络；
u 大型舰船上采用标准的安装架，用来安装所有的武器、传感器、通信和IT系统；
u 护卫舰和灵活性支援舰上采用相同的综合平台管理系统。
2.1 “Absalom”级指挥支援舰
“Absalom”级舰长137 m，最大舰宽19.5 m，吃水6.3 m，满载排水量6300 t，该舰设计有16个水密分隔或分舱、两个气密舱壁。该舰噪声、雷达、可视和红外信号均较低，舰上设备大部分采用商用设备，在海军规范下建造并完全满足北约的标准要求。该舰最著名的一个特性是位于飞行甲板下方的“灵活甲板”，几乎占全船2/3的长度（约90 m长，10 m宽），总面积915 m2，车道长度250 m。其灵活性体现在可搭载各种不同的载荷，装载量达1700 t。甲板的地面经过加强，能承受主战坦克的重量（最多可搭载7辆“美洲豹2”型坦克），或55辆轻型装甲车，或最多300个水雷的布雷轨。灵活甲板还可用于装载15个标准集装箱，其中12个配备连接面板，允许集装箱接入船舶的电力、水和通信系统。这样，舰上可安装集装箱化的医院等设施。模块化的医院每天能支持最多10个外科手术，并为病人提供30~40个床位。集装箱模块还可为登船部队提供最多130人额外铺位。灵活甲板能由舰尾的滚装跳板进入，也可以经由飞行甲板内和武器甲板上的门通过起重机吊入。
灵活甲板上还可搭载2艘长12 m的SRC-90E小艇，由2名舰员操作，小艇能容纳1800 kg设备、10名乘客或4名担架病人。小艇从舰尾左侧通过一个单轨和起重机系统下水，能在舰船航行时下水和回收。另外在上层建造的两侧的机库中还有2艘RHIB。2.2 “Iver Huitfeldt”级护卫舰
“Iver Huitfeldt”级护卫舰同样具备灵活的设计，能经济有效地执行从海上控制到作战的多项任务，既能独立操作又能集团（如北约）协同操作。采用模块化技术和标准的软件构架方便引进新技术，并确保在该舰30年寿命周期内能有效升级。舰上采用标准的安装架，可连接电力系统、监视系统、冷却水系统和盖板，另外还有装甲。该舰不仅具备“即插即用”的能力，还具备扩展能力。该舰的优势在于：续航力、灵活性、自动化程度高（IPMS中有6000个传感器点）、基础构架（标准的安装架等）、具备升级的空间、大修与进坞的时间间隔长、与德国和荷兰合作开发的防空系统。
劣势是：舰员人数少，仅能搭载一架直升机，没有完整的区域系统，MK41发射器中仅有32个单元（但可增加ESSM发射器），无主动自我防御/诱饵系统，仅有“Sea Gnat”鱼雷诱饵系统，炮火支援能力有限。
该舰一个很大的特点是在立项之初就以降低成本为目标，从采购方式、设计和建造三方面达到降低成本的目的。由于十分重视全寿命周期的成本，该舰吸收了民用航运业中控制成本的原则，把重点放在减少舰员成本、燃油成本和排放上。最终证明该舰的建造成本和使用成本均很低，2010年该舰的建造总成本是3.13亿美元，按重量计算，每公斤仅80美元，丹麦皇家海军、DALO（丹麦国防采购和后勤机构）和OMT（欧登塞船舶技术公司）对该项目进行了详细跟踪，该舰建造成本仅为当时欧洲低端价格的1/3，每年的平均使用成本为6700万美元。DALO作为主要合同商和系统集成商在该项目上共为纳税人节省了每舰6500万美元。

图11 “Iver Huitfeldt”级护卫舰的建造成本占比
具体来说，该舰主要从以下几个方面节省建造成本和使用成本：
1）采购方式上，DALO以从马士基公司获得的灵感来运作该项目，最终产生了一种新的护卫舰采购模式，即基于固定价格和开放性的原则，利用马士基（欧登赛钢铁造船厂）商业造船的优势，使得该舰能按预算、按期交付，同时技术上还超越了DALO提出了要求。
2）推进系统的设计，推进系统开发的核心思想是巡航速度18 kn时取得低油耗，同时也要满足加速快和最高航速的要求。最终开发的推进系统具备良好的燃油经济性，18 kn时，续航力9300 nm，每天油耗为31 t，续航力指标超出目前世界其他护卫舰80~100%。同时，该舰能在120秒以内达到29.3 kn的最高航速。如果采用燃气轮机推进系统，能使最高航速略高一点，但是却显著增加了资金成本和燃料成本，且续航力会减少近一半，因此未选用燃气轮机，而是采用4台总功率32800 kW MTU 8000柴油发动机。
3）高效建造，该舰的建造效率很高，56天内完成装配，146天完成舾装、试航，建造该舰共用了70万小时，创建了军舰建造生产率的新基准。
4）在不牺牲耐用性和可靠性的基础上，尽量选择商用部件和设备。这些商用部件和设备在商船上经过了长期检验，成本低廉且可靠性高，实际使用成本证明低于预期。
5）受到马士基公司的启发，尽量减少舰员成本，该公司的超大型集装船只需14名船员即可操作。丹麦护卫舰大量采用自动化设备，可以仅由20名舰员操作。为了实现护卫舰的各种任务，总共需要100名舰员，另外舰上还设有60名舰员的额外空间。该舰的上层建筑空间最大可容纳200名舰员，但是DALO和丹麦官方决定坚持少舰员概念，将该空间用于增加了一个导弹发射器。
6）使用DNV军用规范，舰员在日常工作中按照DNV的维护程序进行舰船维护，舰船仅需要每5年入坞一次，这些对于减少维护成本产生了积极的影响。该舰的维护成本仅占全寿命周期使用成本的7%。3 英国26型全球战斗舰（GCS）
全球战斗舰，以前也称为未来战舰，是英国开发的多功能战斗舰项目，用来取代尚在服役的22型（“Broadsword”级）和23型（“Duke”级）护卫舰。首型GCS护卫舰（26型）将于2021年服役，第二型（27型）计划本世纪30年代服役。
该护卫舰将满足英国皇家海军下一代反潜作战和登陆作战任务要求，也能出口他国。英皇家海军计划共建造13艘26型，用来取代相同数量的23型舰，23型舰是冷战时期设计的用于北大西洋区域反潜的护卫舰。目前对26型GCS感兴趣的国家还有土耳其、澳大利亚、印度、马来西亚、新西兰和巴西。该型护卫舰的建造成本每艘预计在2.5~3.5亿英镑，比45型护卫舰便宜很多。26型预计将面对来自FREMM护卫舰和美国护卫舰强大的竞争。
26型的评估阶段（从初步概念设计到产生详细技术参数）开始于2010年3月。GCS护卫舰采用灵活性设计，广泛适用于多种武器和传感器，并可实现新技术升级，执行不同的战略前景转换。采用模块化设计，隐身性能良好。空间可以灵活配置，能支持灾难救助和人道主义行动或容纳额外的84个铺位。舰尾设有一个任务区，这明显是受到“Absalom”级和LCS的影响，任务区设有一个跳板允许部署刚性充气艇、无人水面艇或拖曳阵列声纳。飞行甲板可起降重型直升机，如“支努干”运输直升机。
英国海军已经认识到舰员成本占到舰船寿命周期成本一个较高的比例，26型比23型略大，拥有更大的灵活性，可容纳小艇和无人水面、空中和水下交通工具，但是由于大量使用自动化系统辅助舰员操作，需要的舰员更少。该舰设计舰员数130人，另外还有可容纳36人登陆部队的铺位。
26型项目计划开发三种舰型：反潜型、防空型和通用型。反潜型将配备一个标准的舰体声纳和其他低频主动和被动声纳，可用于抵抗潜艇威胁。另外将配备中程目标指示器和火控雷达，配备可满足不同任务要求的任务区。防空型将配备一个中长距防空导弹系统和一个长距空中监视雷达用于抵抗空中威胁。其模块化设计能容纳不同国家的防卫系统和雷达。通用型拥有通用的任务区，并能容纳不同类型的无人水面艇、海上艇和无人水下艇。能执行反海盗、海上安全和反恐任务。
该舰将采用CODLOG推进系统，最大航速为26 kn，自持力60天，航速15 kn时续航力11000 km。该舰的推进系统与常规不同，包含三个要素：1套4台高速柴油发电机；带集成电动机的双螺旋桨轴；以及1台燃气轮机，很有可能是罗尔斯·罗伊斯MT30，联接双轴。通过隔离措施减少噪声的传导，在航速18 kn以下时能有效安静地推进。柴电驱动也消除了长轴，使安装更灵活。
MT30型燃气轮机动力/重量比高，安装在舰体的后部，提供迅速到达28 kn的能力。因为涡轮机仅用于全功率或接近全功率时，因此无需复杂的回热式涡轮机系统（如45型的WR-21，安装该设备是为了增加部分动力时经济性）。CODLOG的另一个好处是稳定地提升了柴油机性能。四、小结
从上述案例可以看出，目前世界上新开发的舰船项目大多以能灵活地执行多种任务，方便技术升级，且建造成本和使用成本低廉为目标。在这种情况下，模块化舰船技术发展迅速，尤其以欧美国家为主导力量。除了模块化这个特点以外，现阶段舰船采购的特点还包括，借用商业化运作的模式、尽量选用民用设备、采用开放构架、大量采用自动化设备等。
来源：MARIC情报站