2020年未來(lái)新型船舶展望

近日，DNV（挪威船級(jí)社）發(fā)布“2020年世界技術(shù)展望”，其中在海事部分重點(diǎn)介紹了未來(lái)新型船舶的打造。該技術(shù)展望稱，“全世界人口在2020年會(huì)達(dá)到75億，成熟經(jīng)濟(jì)體和新興經(jīng)濟(jì)體在人口構(gòu)成和發(fā)展程度方面的差異越來(lái)越顯著。隨著生活方式上占用資源的密集以及人口的不斷增加，海運(yùn)量注定也將增加。全球船舶數(shù)量將不斷增加，但不同地區(qū)對(duì)不同船型的需求大相徑庭?！蓖瑫r(shí)，該技術(shù)展望也指出，“航運(yùn)業(yè)面臨著開(kāi)發(fā)可持續(xù)的運(yùn)輸解決方案的壓力，會(huì)要求新建船舶更加環(huán)保、安全和具備保安的性能。這就要求更多地開(kāi)發(fā)和實(shí)施創(chuàng)新性技術(shù)和操作解決方案，特別是提高環(huán)保性能和能效?！?

未來(lái)，將會(huì)誕生哪些船型？這些船型對(duì)航運(yùn)將會(huì)有怎樣的幫助？讓我們共同走進(jìn)未來(lái)新型船舶。

低能耗船舶

與材料科學(xué)、阻力降低和推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)的哪些技術(shù)發(fā)展，會(huì)為面向2020年研發(fā)的低能耗概念船研發(fā)做出貢獻(xiàn)？

市場(chǎng)力量、技術(shù)進(jìn)步、安全考慮和法規(guī)修改是激發(fā)創(chuàng)新的主要驅(qū)動(dòng)因素。目前燃料價(jià)格高企、市場(chǎng)不確定性增加、競(jìng)爭(zhēng)激勵(lì)、氣候變化和全社會(huì)的環(huán)保壓力都要求全球船舶在未來(lái)十年采用新技術(shù)和新概念。

●混合材料。通過(guò)降低船體重量可以降低污染排放，節(jié)約燃料。小型船舶和二級(jí)結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)材料，例如玻璃鋼、鋁和鈦。可以采用多層金屬板和高分子復(fù)合材料層壓板制造復(fù)合材料。纖維-金屬層壓板具有金屬性能（高抗沖擊性、耐用性、生產(chǎn)靈活）以及復(fù)合材料的性能（強(qiáng)、硬度/重量比例高、抗疲勞和腐蝕性能高）。金屬層可以是鋁或鋼板，而高分子夾心層可采用碳纖維或玻璃纖維強(qiáng)化。這些材料在航空業(yè)和特種船中的應(yīng)用為航運(yùn)界做了示范。

●無(wú)壓載水船舶。壓載水保證船舶在空載時(shí)的吃水、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。但如果壓載水在排放時(shí)未經(jīng)處理，那么壓載水中含有的入侵物種會(huì)威脅到海洋生態(tài)系統(tǒng)。采用梯形船體和橫向傾斜船底可以保證空載時(shí)的穩(wěn)定性和吃水，不需要壓載水。

●組合推進(jìn)系統(tǒng)。螺旋槳的效率受到單一設(shè)計(jì)速度、大槳葉、二沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和直驅(qū)推進(jìn)的限制。組合推進(jìn)系統(tǒng)概念綜合采用了螺旋槳、吊艙和增效設(shè)備（例如前渦旋翅和后渦旋翅）。通過(guò)流體動(dòng)力優(yōu)化，可以把反轉(zhuǎn)吊艙螺旋槳布置在螺距可調(diào)整的主螺旋槳后面，在飛羽化中心線螺旋槳旁設(shè)置可轉(zhuǎn)向吊艙，提高能效。這些系統(tǒng)利用了各部分的流體動(dòng)力優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，擴(kuò)大了有效操作范圍。

綠色燃料船舶

隨著環(huán)保法規(guī)的實(shí)施和燃油價(jià)格的上漲，天然氣和混合生物燃料會(huì)成為可行的解決方案。但風(fēng)能和核能是否能夠?yàn)楹竭\(yùn)提供航運(yùn)動(dòng)力？

綠色燃料船舶標(biāo)志著傳統(tǒng)燃料逐漸終結(jié)。隨著海運(yùn)面臨著越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)要求以及燃油價(jià)格的攀升，天然氣和可再生能源越來(lái)越被認(rèn)為是可行的替代性能源。液化天然氣、混合生物燃料或更激進(jìn)的能源（例如風(fēng)能或核能）都有開(kāi)發(fā)潛力。

●天然氣。盡管天然氣與燃油相比，二氧化碳減排量只有到25%，但存在釋放未燃甲烷的問(wèn)題。航運(yùn)所面臨的挑戰(zhàn)之一是液化天然氣儲(chǔ)罐占用空間一般是柴油儲(chǔ)罐的2到3倍。天然氣必須以液態(tài)或壓縮狀態(tài)儲(chǔ)存，儲(chǔ)罐成本也更高。根據(jù)我們近期積累的經(jīng)驗(yàn)，以液化天然氣為燃料的船舶的新建成本比同等的以柴油為燃料船舶高10-20%。預(yù)計(jì)在未來(lái)10年中，很大一部分新船將采用天然氣作為燃料，特別是近海航運(yùn)。另外可以預(yù)計(jì)的是在未來(lái)有些船舶會(huì)改造為采用液化天然氣作為燃料。

●生物燃料。這是一種可再生能源，可極大地降低生命周期的二氧化碳排放量。原則上現(xiàn)有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)都可以使用混合生物燃料。生物柴油有很多問(wèn)題需要解決，包括燃料不穩(wěn)定性、腐蝕性、容易生長(zhǎng)微生物、對(duì)管路和儀表有負(fù)面影響，低溫流動(dòng)性不良等問(wèn)題。盡管在2020年之前可以解決這些技術(shù)問(wèn)題，但在航運(yùn)中廣泛采用生物燃料還取決于價(jià)格、刺激政策和供給能力。

●核能。核電站在操作過(guò)程中沒(méi)有溫室氣體排放，特別適合于動(dòng)力需求變化慢的船舶。商用核能動(dòng)力船需要使用低濃縮鈾。開(kāi)發(fā)的陸地原型是一個(gè)小反應(yīng)堆（與大型船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比），功率輸出可達(dá)到25MW。生命周期以10年左右計(jì)算，能源價(jià)格為2百萬(wàn)美元/MW。這項(xiàng)技術(shù)要求進(jìn)行廣泛測(cè)試和嚴(yán)格的質(zhì)量認(rèn)證，意味著到2020年之前民用航運(yùn)還不能實(shí)現(xiàn)商用。

電動(dòng)船

綜合了多種可再生能源的混合型電動(dòng)船概念將在特種船上實(shí)現(xiàn)。岸電供應(yīng)計(jì)劃、船用燃料電池和高溫超導(dǎo)體也會(huì)得到發(fā)展么？

引入電動(dòng)船概念會(huì)提高船舶的整體效率，綜合采用各種可再生能源。采用大量嵌入組件會(huì)提高系統(tǒng)的復(fù)雜程度，要求更謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)、性能監(jiān)控和動(dòng)力管理。混合概念首先將引入到特種船中，例如海工補(bǔ)給船和渡輪。

●混合動(dòng)力船舶。當(dāng)船舶在單一的規(guī)定條件下操作時(shí)發(fā)電效率最高，動(dòng)力需求或供應(yīng)的波動(dòng)會(huì)降低發(fā)電效率。切換到電力推進(jìn)系統(tǒng)和動(dòng)力供應(yīng)，使用多個(gè)動(dòng)力源，可以提高靈活性和效率。到2020年混合電動(dòng)船可能采用各種傳統(tǒng)和超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)、燃料電池和其他電池。混合動(dòng)力概念把各種可再生能源的動(dòng)力組合到一起，例如太陽(yáng)能板或伸縮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。性能監(jiān)控、動(dòng)力管理和冗余是關(guān)鍵因素。這些概念在未來(lái)10年將應(yīng)用于工作船、客船和小型貨船。對(duì)于大型貨船，只能用作輔助動(dòng)力。

●船用燃料電池。為了提高動(dòng)力生產(chǎn)效率，可以考慮燃料燃燒之外的其他措施。燃料電池通過(guò)一系列的電化學(xué)反應(yīng)把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，理論效率可以達(dá)到80%（氫）。可以采用天然氣、生物燃?xì)狻⒓淄椤⒁彝?、柴油或氫氣作為燃料。液化天然氣燃料電池與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，每千瓦可實(shí)現(xiàn)最高50%的二氧化碳減排。隨著污染排放控制區(qū)的建立，會(huì)傾向于采用液化天然氣燃料電池，目前的船用燃料電池原型可提供0.3MW的動(dòng)力。

●高溫超導(dǎo)體。電阻會(huì)造成發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器和傳輸電纜的能量損失。高溫超導(dǎo)體（HTS）的電阻（在-160℃時(shí)）為零，超導(dǎo)體電纜與相同尺寸的銅電纜相比可允許150倍的電流通過(guò)，大大縮小電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的尺寸。超導(dǎo)體線圈還可以用于儲(chǔ)存電能。但是，這些材料需要通過(guò)液態(tài)氮和特殊熱屏蔽等進(jìn)行低溫冷卻。主要風(fēng)險(xiǎn)是低溫冷卻發(fā)生故障，導(dǎo)致喪失超導(dǎo)性能。冗余是采用高溫超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)所面臨的主要問(wèn)題。

數(shù)字船舶

將廣泛采用E-航行解決方案來(lái)提高安全性能和優(yōu)化保安、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能，但哪些是關(guān)鍵技術(shù)？

航運(yùn)界的領(lǐng)袖企業(yè)目前正在積極應(yīng)用E-航運(yùn)技術(shù)，到2020年很多船舶都將跟隨這個(gè)潮流。E-航運(yùn)技術(shù)把準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)、氣候和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、船上和遠(yuǎn)程傳感數(shù)據(jù)、船舶具體特征和響應(yīng)模式組合到一起，能夠預(yù)防事故，優(yōu)化安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境性能。船上電子海圖是電子船舶的統(tǒng)一平臺(tái)，匯集并直觀呈現(xiàn)與船舶安全、航海風(fēng)險(xiǎn)、駛?cè)敫劭诤蜌夂驅(qū)Ш降阮I(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用程序的信息。

●ECDIS。船舶觸礁事故經(jīng)常發(fā)生，會(huì)造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡甚至石油污染事故。電子海圖展示和信息系統(tǒng)（ECDIS）采用電子導(dǎo)航圖（ENC），把觸礁可能性減低了30%。IMO新規(guī)則要求大部分船舶在2020之前采用ECDIS。ECDIS是一項(xiàng)關(guān)鍵的e-導(dǎo)航技術(shù)。通過(guò)與非導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，它的優(yōu)勢(shì)就會(huì)不僅僅局限于保證安全導(dǎo)航，還會(huì)延伸到港口排期和清關(guān)系統(tǒng)。

●先進(jìn)的氣候?qū)Ш较到y(tǒng)。從傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，氣候?qū)Ш街饕P(guān)注與安全導(dǎo)航、避免惡劣的氣候。氣候?qū)Ш揭部梢詢?yōu)化燃料消耗（可節(jié)省10%左右）和到達(dá)時(shí)間，提高船員和乘客舒適度，降低船舶疲勞度。預(yù)計(jì)在2020年之前通過(guò)遠(yuǎn)程和船上傳感器的數(shù)據(jù)收集，將會(huì)提高海洋實(shí)時(shí)信息和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的空間-時(shí)間分辨率。

●海盜偵測(cè)與震懾船舶。保險(xiǎn)費(fèi)率提高反應(yīng)了以船員和船舶為目標(biāo)的武裝搶劫、海盜和恐怖主義的猖獗。在未來(lái)10年這些威脅不會(huì)減弱。成功減低威脅要求及早偵測(cè)，并采取有效的遠(yuǎn)程控制的震懾措施（例如水、聲音和電擊）。商船高性能雷達(dá)的偵測(cè)范圍是標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航雷達(dá)的四倍，可以偵測(cè)到4海里以外的小物體，到2020年可以提高到10海里。將來(lái)的船上報(bào)警系統(tǒng)會(huì)處理雷達(dá)、聲納、攝像頭以及遠(yuǎn)程衛(wèi)星采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在未來(lái)10年，預(yù)計(jì)反海盜服務(wù)商會(huì)通過(guò)衛(wèi)星提供海盜預(yù)警服務(wù)，這個(gè)系統(tǒng)可以集成到船上系統(tǒng)中。

極地級(jí)船舶

北極地區(qū)未來(lái)夏季可能會(huì)出現(xiàn)積冰消融，這個(gè)地區(qū)的海運(yùn)量會(huì)增加。除了新型船舶之外，北極航運(yùn)還需要哪些新系統(tǒng)和新軟件？

未來(lái)10年夏季海冰規(guī)模會(huì)減少，隨著碳?xì)浠衔锶剂蟽r(jià)格不斷升高，各國(guó)將勘探開(kāi)發(fā)新資源，北極航運(yùn)交通量也會(huì)增加，與北極相關(guān)的技術(shù)會(huì)迅猛發(fā)展，例如冰區(qū)路線優(yōu)化軟件，船體負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)以及新的破冰概念。經(jīng)驗(yàn)不豐富的船員可以通過(guò)冰區(qū)培訓(xùn)模擬裝置針對(duì)冰區(qū)航行做好準(zhǔn)備。傳統(tǒng)船舶救生艇或救生筏不是針對(duì)極地冰區(qū)條件下的安全逃生而設(shè)計(jì)的，未來(lái)會(huì)開(kāi)發(fā)出新型雙棲逃生船。

●新型破冰船。被護(hù)衛(wèi)船舶的船首兩側(cè)區(qū)域比破冰船寬，會(huì)遇到未破碎的冰塊，導(dǎo)致冰塊阻力增加。采用為側(cè)向破冰而特殊設(shè)計(jì)的斜型船體的破冰船可以開(kāi)拓寬一些的航道，通過(guò)采用多個(gè)可360度旋轉(zhuǎn)的Z推進(jìn)器可實(shí)現(xiàn)側(cè)向操作。這種破冰船在護(hù)衛(wèi)小型船舶時(shí)首先采用船首部分破冰，在護(hù)衛(wèi)較寬的船舶時(shí)會(huì)采用側(cè)向破冰。采用這種設(shè)計(jì)允許寬度為20m的破冰船開(kāi)出40米寬的航道。這樣未來(lái)一艘破冰船就可以護(hù)衛(wèi)較寬的船舶，而到目前為止還是需要兩艘傳統(tǒng)的破冰船。通過(guò)測(cè)試表明在采用傾斜操作模式時(shí)，速度是正常速度的一半。在未來(lái)10年，這種新型破冰概念將廣泛地應(yīng)用于北極航運(yùn)操作。

●北極救生船。北極救生艇針對(duì)冰區(qū)航行進(jìn)行了強(qiáng)化，并采用了防凍措施。救生艇需要穿越冰區(qū)（例如冰脊），還要穿越開(kāi)闊水面。到2020年，這類船舶將采用阿基米德的螺旋式運(yùn)動(dòng)概念。在船舶兩側(cè)會(huì)設(shè)計(jì)兩個(gè)大型螺旋式浮筒。設(shè)計(jì)難關(guān)包括浮筒材料及其連接，必須承受極端溫度條件下的碰撞負(fù)荷。北極船舶的常規(guī)防凍措施應(yīng)該考慮救生艇的防凍，例如防止結(jié)冰，預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)。

虛擬船舶

從生命周期角度來(lái)評(píng)估船舶的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能的先進(jìn)模型技術(shù)能更好地管理設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和不確定性。那么如何來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？

現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)要求謹(jǐn)慎地考慮技術(shù)不確定性、市場(chǎng)特征、未來(lái)能源價(jià)格、當(dāng)前和未來(lái)的法律規(guī)范和氣候變化預(yù)測(cè)。這些因素針對(duì)解決不確定性和風(fēng)險(xiǎn)管理構(gòu)成了很嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。先進(jìn)的建模方法和工具可以開(kāi)發(fā)和評(píng)估新型船體設(shè)計(jì)、推進(jìn)器和復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，為應(yīng)對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)提供技術(shù)解決方案。

●整合船舶設(shè)計(jì)工具。鑒于未來(lái)設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜性，會(huì)加速采用先進(jìn)的建模方法和工具，實(shí)現(xiàn)新船體設(shè)計(jì)、推進(jìn)器和船機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和評(píng)估。這種設(shè)計(jì)方法依據(jù)的是各種軟件環(huán)境，包括多目標(biāo)優(yōu)化算法。由設(shè)計(jì)人員完全控制個(gè)案所采用的數(shù)學(xué)方法、目標(biāo)、限制條件和分析軟件。在計(jì)算過(guò)程中，將針對(duì)船舶每個(gè)子系統(tǒng)采用模塊化工具，例如機(jī)械設(shè)備或船體外形。不同的模塊通過(guò)集成設(shè)計(jì)平臺(tái)連接到一起。為了保證及時(shí)評(píng)估，軟件會(huì)設(shè)計(jì)多尺寸，多物理和多分辨率的物理模型。

●模型化船機(jī)設(shè)計(jì)大型示范項(xiàng)目。隨著燃料電池、其他電池和可再生輔助動(dòng)力等動(dòng)力系統(tǒng)的出現(xiàn)，系統(tǒng)配置也越來(lái)越復(fù)雜。而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)注于通過(guò)優(yōu)化每個(gè)組件來(lái)提高效率。隨著當(dāng)今設(shè)備技術(shù)的成熟，需要從集成系統(tǒng)角度來(lái)考慮船機(jī)和能源系統(tǒng)，提出創(chuàng)新的開(kāi)發(fā)模式。到2020年將可以采用模塊化計(jì)算機(jī)工具對(duì)現(xiàn)實(shí)工況下的船機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模、模擬和優(yōu)化。

●模塊化船體設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的船體設(shè)計(jì)優(yōu)化通常局限在靜水情況、設(shè)計(jì)載貨能力和設(shè)計(jì)速度條件。采用這種方法建造的船舶在偏離設(shè)計(jì)條件時(shí)性能不良。到2020年，船體設(shè)計(jì)工具將實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)組件， 例如CAD、CFD和FEM與多目標(biāo)優(yōu)化的無(wú)縫整合。

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