海洋科学考察船作为海洋探测与研究的重要平台,是海洋能力建设的关键组成部分,也是国家综合国力的体现。开展海洋环境、海洋(极地)生物资源、海底地形地貌和资源勘探研究是经略海洋、建设海洋强国的基础。在当前国际形势下,各国海洋科学考察船的配备是认识、保护和利用海洋(极地)的有效手段,其种类、数量和能力也在一定程度上代表着每个国家的海洋综合开发利用的能力[1]。实验室,尤其是海洋科学考察船实验室的建设,是一项复杂的系统工程,在现代实验室领域,先进的科学仪器和优越完善灵活的实验室基础设施是提升现代化科技水平、促进科研成果增长的必备条件。在新建海洋科学考察船实验室方案设计时,不仅需要考虑实验室功能性、适用性、合理性、相关设备操作的便利性,还需基于船基空间小、净空低、不相干专业衔接较多等特征综合考虑实验室总体规划、平面设计和合理布局,以及供电、供水、供气、通风、安全、环保等基础设施。

中国极地考察一个航次涉及多个学科,分为多个航段进行,不同航段对实验室需求不同。已运行近30年的中国极地科考破冰船“雪龙”号采用固定格局实验室,只能要求科研人员适应实验室现有条件,而不能根据科考队员的需求调整实验室,存在实验室利用率低、作业效率低、多个学科共用一个实验室相互干扰等问题。南北极科考涉及学科多,对实验室需求多样,无法全部满足科考队员需求;实验室缺少电、气、水等设施的灵活布置,电线、气管穿舱困难,影响科考队员自带设备的正常使用和数据获取;实验台缺少有效的固定装置,尤其当船舶频繁穿越南半球40°S～60°S、终年盛行5～6级西风和4～5m高涌浪的西风带[2],船舶摇晃剧烈,常出现由于设备固定不牢而损坏的现象,影响科考作业顺利进行。

为解决“雪龙”号实验室存在的不足,中国新建破冰船可行性研究阶段时提出了“大格局”实验室的要求[3],在后期设计建造阶段,将“柔性布局”实验室的概念首次引入极地科考破冰船。按照“大格局、柔性化”的设计思路,结合目前最新的工艺和设备,最终成功建造了“雪龙2”号实验室。

“雪龙2”号极地考察船隶属于自然资源部中国极地研究中心,是中国第一艘自主建造的极地科考破冰船,与“雪龙”号共同构成了执行我国极地科学考察任务的全部海上力量。“雪龙2”号船长122.5m、型宽22.32m、型深11.8m、设计吃水7.85m、满载吃水8.3m、设计排水量13996t、航速12.4kn(经济航速)/15.9kn(机动航速)/18kn(最大航速)、载员90人、续航力18000nmile、自持力60d、破冰能力PC3级。“雪龙2”号于2018年9月10日下水,2019年6月15日完成常规试航,9月18日完成科考试航,并于10月15日开始执行我国第36次南极科学考察任务。

1、科考破冰船实验室的共性问题

现代极地科考破冰船较多为综合性科考船,实验室和科考设备的配备均需满足多个学科调查采样、实验分析等需求。在满足模块化设计的基础上,现代综合型科考船,尤其是远洋级科考船,越来越多考虑集装箱模块作为补充[4,5]。区别于专营北极的极地科考船,承担南极科考任务的极地科考船往往还需兼顾为正在建造的考察站运送建站物资和已建考察站运送补给的任务。“雪龙2”号的定位与“雪龙”号“运输为主科考为辅”的定位恰好相互补充,为“科考为主运输为辅”。正如前面所述,这里运输为辅的定义正是涵盖了1500T建站或站用物资的补给能力。运货需求将缩减“雪龙2”号实验室面积并提高实验室的建造难度。此类平衡兼顾的需求势必会对现代极地科考破冰船的科学调查能力造成一定的影响。

目前国际上主要科考破冰船虽然船舶尺度差别较大,但是实验室的面积大都介于300～500m2之间(表1)。“雪龙”号实验室面积相对较大,但也仅比船长小了73m的“希利”号大了39m2;“雪龙2”号实验室面积同样在类似船舶中尺寸较小。同时,受限于船舶的尺寸、层高及造价等因素,船舶实验室与陆地上动辄几百上千平米的实验室无法相提并论。如何在船舶有限空间内满足综合性科考的需求,创造更多实验条件满足更多的科学调查需求,是目前综合极地科考破冰船实验室建设所面临的一个重要共性问题。

表1“雪龙2”号与国际主要破冰船对比

2、“雪龙2”实验室的特殊设计

在现代实验室领域,先进的科学仪器和优越完善灵活的实验室基础设施是提升现代化科技水平、促进科研成果增长的必备条件。实验室的特殊功能和综合布置水平也标志着国家的科技与经济的发达程度,对科研成果的获取有直接影响。世界海洋科考船的发展趋势与船舶工业技术、科学技术发展趋势大致相同,突出表现在现代海洋科考船与调查技术的融合越来越紧密。一方面,调查仪器设备的集成化和小型化,使船舶可容纳、搭载更多的各类调查设备,使船舶具备了综合调查作业功能基础,促进了实验室设置的通用性。另一方面,极地科考具有航程远、航时长、考察窗口期短等特征,有限的极地科考破冰船数量决定了在一次考察中须满足多个学科的专业需求。与陆上实验室较多为专业性实验室不同,除一些专业的特种科考调查船外,一般海洋科考船尤其是极地科考船均以综合调查船为主。

“雪龙2”号极地科考船承担着每年中国往返南极的极地科考任务,具有总航程长、时间窗口短等特征。同时,“雪龙2”号实验室涵盖大气、冰川与海冰、水文与气象、海底地形地貌、海洋浮游生物、游泳生物、微生物、细菌病毒、海洋化学、重力与磁力、人工地震勘探等十多个学科领域的综合平台,搭载的人员和设备也较多。“雪龙2”号破冰等级为PC3,“雪龙”号为PC6[6],破冰能力的提升意味着可以在更冷的季节到达更多冰封的海域,科考作业空间和时间均得到拓展。上述特征决定了“雪龙2”号的实验室必须从设计、技术上采取措施,确保能在约333m2的有限实验室空间内,满足一个综合航次内各项需求迥异的学科考察实验需求。

2.1大格局实验室

“雪龙2”号是一艘国际先进的综合科考破冰船,实验室配备了极地海洋/大气/海冰综合环境、海洋地质地球物理和海洋生物生态的大气、水面、水体和水底调查设备。在综合环境调查方面具备与气候变化密切相关的主要海洋和大气综合观测取样能力,是我国极地海洋基础研究综合调查观测平台;在海洋地质、地球物理调查方面具备在极地海区季节性地开展海洋地质、海洋重力、磁力和人工地震的调查作业能力,是我国极地海底科学调查研究的重要工作平台;在海洋生物、生态调查方面,具备海洋生物、生态调查和评估的手段,是我国极地海洋生物资源调查的基本平台。

为满足上述综合科考能力需求,“雪龙2”号配备了总面积约333m2的船载实验室及若干集装箱移动实验室。船载实验室分为:环境信息室、物理实验室(“雪龙2”号物理实验室延续“雪龙”号的习惯称呼,并非专为物理学专业设置的实验室,具体功能见下文)、第一(干湿)通用实验室、第二(干湿)通用实验室、低温实验室、重力仪室等(表2)。

“雪龙2”号实验室总面积相对于其他科考破冰船而言,并不像船舶尺寸一样具有优势,固定实验室只有6个,数量也较少(表2)。除环境信息室、重力仪室和低温实验室等专业实验室外,物理实验室、第一(干湿)通用实验室、第二(干湿)通用实验室的面积均超过80m2。

表2“雪龙2”号实验室统计

环境信息室位于9层甲板右后舷侧,为干实验室。主要用于常规气象观测、卫星遥感和气象观测室内终端设备等的布置,与罗经甲板上的上述设备室外部分相关联,如卫星的天线、气象观测的传感器等。

物理实验室主要用于布置物理海洋学相关设备(如ADCP等)的室内终端,布置海洋生物储量探测设备室内终端,布置地形地貌调查设备(如多波束、浅剖、测深等)室内终端等(图1)。

图1物理实验室

第一(干湿)通用实验室位于主甲板左舷,可根据航次需求用作海洋生物实验室,亦可用作综合地球物理实验室、海洋地质实验室等用途。作为海洋生物实验室使用时为湿实验室,可进行表层海水采集和预处理、生物分样和预处理、海洋生物实验等。作为综合地球物理实验室时为干实验室,可进行地球物理设备运行及调试、人工地震设备的维护保养、相关备品备件存储。作为海洋地质实验室时配备大型不锈钢桌面、海/淡水槽、超大地漏、防水防滑耐磨地板、冰箱和低温冰柜等,可进行地质样品的分割、处理与实验(图2)。

图2第一(干湿)通用实验室

第二(干湿)通用实验室位于主甲板右舷,可根据航次需求用作化学、生物实验室。可进行表层海水采集和预处理、常规化学实验、大气化学实验等。配备通风橱、普通冰箱、卧式低温冰箱、温控烘箱、纯水和超纯水机、光照培养箱、营养盐自动分析仪等通用设备。以及其他除上述第一(通用)实验室之外的实验(图3)。

图3第二(干湿)通用实验室

低温实验室温度可调,为2～10℃,主要进行海洋生物、海水样品的低温处理和实验。

重力仪室位于全船稳心位置,主要用于重力观测设备、姿态传感器的布设和数据采集处理。

集装箱移动实验室是船载实验室的重要补充,目前“雪龙2”号配置了10个(3个专业实验室,7个辅助集装箱),分别为1个预处理集装箱实验室、1个危化品存储和废液处理集装箱实验室、1个低温冰雪试验集装箱实验室、1个冷冻样品集装箱、2个地质采样设备储存集装箱、1个调查网具储藏集装箱、3个地震设备及其他储藏集装箱。

“雪龙2”号在进行实验室设计时,充分考虑实验室与月池车间及实验室与露天甲板间各专业作业流程动线,根据功能划分区域,将实验室集中布局,并尽可能采用大格局形式(图4)。所谓大格局式的实验室是指将实验环境要求、实验设备需求相近的若干学科、若干专业集中在一起,实验室化零为整,整体效果佳,综合使用效率也大大提升。沉积物、海洋生物和海水样品主要在“雪龙2”号露天作业甲板获取,通过第一(干湿)通用实验室靠近艉部的双开门进入,在大型不锈钢工作桌上进行初步筛选、分样、固定等预处理,再进入靠近艏部的实验区域进行进一步分析实验。处理后的废弃物可通过环绕大型不锈钢工作桌的格栅式下水迅速排出,保持实验室清爽整洁(图4右上)。长柱状沉积样品从露天作业甲板穿过月池车间(图4左下阴影区域)直接进入低温样品库,测试时移动到隔壁的低温实验室即可。CTD舷侧作业完毕,采集的海水样品直接进入月池车间分样后,通过与第一(干湿)通用实验室和第二(干湿)通用实验室相连的开门直接进入实验室内分析化验。主实验室四周镶嵌配套科考储藏仓库、实验样品库等辅助舱室,充分满足实验物资转运需求。大格局开放兼容的优势正是确保每个学科每个专业均能在某个实验室中找到一个属于自己的位置,确保每个航次调查任务覆盖范围的最大化。

图4实验室布置图

2.2柔性化实验室

虽然调查仪器设备集成化和小型化使得各专业对实验室空间的需求相对减弱,以及某些学科在某些专业领域中有诸多共通的实验条件,使得大格局实验室成为可能。但如何在一个通用空间内解决相近实验条件之间细微的差别,将学科与学科、专业与专业之间的干扰降到最小,这是实现大格局高利用率的一个前提。

“雪龙2”号实验室另一典型特征为柔性化。柔性化理念是20世纪60年代末至70年代初提出的,最初主要应用在数控机床和其他自动化工艺设备的设计上[7]。例如:应用在汽车设计生产领域,一条生产线设计时兼顾多种车型的需求,可随着市场潮流的变化随时改变生产策略。“雪龙2”号实验室在设计建造时,引入柔性化概念,基于整体大格局实验室的设置,为满足各学科各专业不同使用需求而采取便捷的合理布局措施。从此定义可知以“雪龙2”号为代表的现代极地科考破冰船实验室最为主要的两大特征:大格局、柔性化,两者相辅相成、互补协调。

具体说来,柔性化是指如下两个方面:一方面,为满足不同学科不同仪器设备对实验室诸如实验台面高低、设备是否落地等不同需求而做出适应性调整,以满足实验室内作业环境之间的差别;另一方面,船舶实验室空间一般均较小,为了合理安排实验空间,较多科考船将一个航次分为若干个航段,不同航段的侧重不同。同一航次不同航段任务的不同,会带来对实验室布局、供水供电和供气、通排风等细节上的差别。这就需要在航段之间,实验室能够根据航段的调查任务侧重,实现实验室内布局等便捷变换。以“雪龙2”号第一(干湿)通用实验室为例,在进行以底栖沉积物为主的调查时,实验台与其他学科有显著区别,沉积物分样需具备较大的水斗便于清洗、较开敞的长条形工作桌便于分样、便利的地板下水便于冲洗工作桌和地板、合适的区域放置和固定样品分割设备、合理的动线往来低温样品库与实验室便于存取样品等;而在用作海洋生物实验时,需要有良好的通风环境便于排出异味、适当干燥的区域便于放置解剖镜和显微镜等实验设备、较多的落地冰箱用于临时存储实验样品等。上述两种实验场景均是对同一个实验室提出的具体要求,如何在基本硬件数量、质量等配置不变的前提下,通过合理调配实验室的布局,进行功能区划的切换、干湿区域的分区、行动动线的设置,均对实验室实验台设计和建造提出了更高的要求。

3、大格局和柔性化的实现

“雪龙2”号的功能定位已经明确其科考调查能力需要能够满足日益复杂的科考任务,解决多学科的交叉实验需求,能确保实验室具备多学科自适应能力和灵活调整能力,还能满足不同航次对实验室不同的个性化、灵活性的要求。船载实验台是“雪龙2”号实验室的重要组成部分,是海上科学实验活动的主要工作平台,是样品及数据的采集、处理、分析与评估的重要支撑。实验台在功能上必须满足极地考察开展各学科调查和实验的基本条件,同时由于极地恶劣环境的特殊性还应充分考虑人性化、舒适化的性能要求。

结合“雪龙2”号实验室大格局和柔性化的特点,在建造实验室中需要解决以下问题:能够快捷、方便、灵活地实现仪器设备等在不同航段的拆除、增加及稳定固定;因不同学科和不同研究方向的实验需求,实验室能在短时间内(通常靠港时间为3天左右,除去物资补给外,只有1天左右的时间留给实验室进行切换)快速调整至满足相应实验需求的平面布局和环境条件;能高效、简洁、快速、灵活地完成因仪器设备、实验室布局的调整带来的配套机电、气路、智能化等系统的配合调整。

目前中国船级社CCS、英国劳氏船级社LR都没有船舶实验室建造的规范;实验室建造设计厂家建造极地科考破冰船实验室的经验较少,建造适用于极地科考破冰船的“大格局、柔性化”实验室的难度较大。经过中国极地研究中心、设计院、船厂、实验室厂商不断研究探索,采用模块化实验台拼装技术、灵活水电气衔接技术和标准化固定技术等解决了上述问题,建造标准参考陆地实验室规范[8,9,10],同时也尽可能满足相关船舶规范[11,12,13,14],最终建造完成了大格局下的柔性化实验室。

3.1模块化实验台拼装技术

模块化实验台拼装技术可在同一实验室内以较快速度灵活、机动地调整并固定实验台,以实现不同专业对实验室布局的特殊需求。“雪龙2”号实验室实验台采用长宽成整数倍比关系的标准模块单元,每个独立的实验台长度均为1500mm,宽度均为750mm。每个模块既可单独使用,又可相互拼接组合。为配合实验台便捷组合,实验台桌脚为可升降式滑轮,移动时将滑轮落下,方便移动;固定时将滑轮上升,桌腿着地增大摩擦力。此外,每个单独模块的实验台分别由试剂架、功能架、台面、框架、底柜模块化组合而成,相互之间可以自由组合和随意拆分,极大拓展了实验室实验台组合的便利性和灵活性。例如:对于高度较高的台面上设备,固定的桌面往往难以调整至合适的操作高度,“雪龙2”号模块化设计可以便捷地调整台面高度,以适应不同高度的台上设备,从而提高实验操作人员的实验舒适度。此种独特的模块化实验台系统,使得实验室内实验台的布局调整布置变成了“搭积木”,有效解决了因为学科差异、研究方向的不同带来的实验室实验台布置的多样化需求,从根本上实现大格局下的柔性化(图5)。

图5实验台单体图

3.2灵活的水电气衔接技术

相对于通过调整实验台的位置实现实验室内空间布局调整,配套的供水、供电、供气、下水等的灵活供给变换才是实现大格局下柔性化实验室的重点和难点。“雪龙2”号实验室在墙面、天花板上设置若干隐藏式功能带(图6、7),功能带内涵盖水、电、气路接口。功能带采用模块化形式,便于根据需求进行灵活拆、装、维护、调整、更换;功能带内各接口均采用标准化快速接头,即插即用。实验台布局调整后,就近打开功能带面板,采用速接接头快速连接水、电、气至实验台。天花板上或壁板上功能带的连接管线均通过实验台的功能柱引至实验台上功能带,确保实验室上空整洁清爽。

图6功能带结构图

图7天花板上功能带实物图.左图为功能带盖板打开,右图为盖板关闭

此外,“雪龙2”号实验室水、电、气供给系统除满足目前设置的多种实验台布局模式外,还预留适应未来发展计划的拓展空间及接口。同时,实验室顶部合适区域内设置合金管线架,全方位确保水、电、气供给系统的灵活、美观(图8、9)。各种布局、各种模式均可通过硬件的资源调配实现,而配套的软件,例如:通风、照明、监控等也需要配合调整。“雪龙2”号采用智能化终端控制系统,在实验台和供给系统布局发生改变后,可一键式调节对应模式下的通风、照明、监控等系统,有效调整实验室内环境的安全性和舒适度。

图8实验室电气安装示意图

图9实验室气路安装图

3.3标准化固定技术

船载实验室不同于陆基实验室,由于风浪抨击、涌浪升沉、上建受风下建受流等影响,船舶会产生一定幅度的摇摆、偏斜、波动。此外,极地科考破冰船有破冰剧烈震动的特殊工况,类似于高速行驶的汽车受到撞击后在短时间内速度急剧下降甚至停止,车内未固定的物品会因惯性前冲掉落。这要求实验台与实验室地板或墙壁连接牢固、实验台面上或落地的设备能有效固定、实验室柜门和抽屉等带锁止功能。其中实验室柜门和抽屉的锁止功能通过现有的五金件就能实现,而前两者是现代船载实验室普遍面临的问题。

对于固定布局的实验室,相应的固定设施较简单,不需考虑布局变换后对应的设备、家具等固定位置的调整。而对于柔性化布局实验室,须考虑柔性化切换带来的实验台固定、落地设备固定和台面设备固定的变化问题。“雪龙2”号实验室在天花板和壁板上采用均布的合金C型卡槽固定系统,配合地板上均布的地脚螺栓和局部的哈芬槽来解决上述问题。均布的地脚螺栓用于实验台位置调整后的固定,是实现实验室柔性化布局的重要保证。同时,配合带螺栓的卡环也为实验室内设备或物资的固定提供锚固点。C型卡槽运用在实验台面上,通过配套的卡扣螺丝采用夹或压的形式固定台面物资;运用在壁板上,可解决台面上较高设备的固定问题,与地脚螺栓或哈芬槽组合使用还可将落地设备固定牢靠;运用在天花板上,可作为天花板固定的主龙骨,又可作为不锈钢可冲洗实验台(桌面不便于设置插座、气路等接口)等上方飞缆模块的固定轨道。

图10使用C型卡槽固定实验桌上设备

C型卡槽在实验台本体结构上也得到了较多运用。“雪龙2”号实验室通过C型卡槽实现台面或柜体高度的自由调节,使用者可根据使用习惯、身高等特征随意调整;可根据实验需求任意调节试剂架的高度和数量(图5)。同时,“雪龙2”号实验室C型卡槽又分为单C型卡槽和双C型卡槽两种,单C型卡槽主要用于实验台上设备临时固定,双C型卡槽主要用于天花板、壁板和实验台主体结构(图11、12)。相比于单C型卡槽,双C型卡槽的两道卡槽可提供两倍的固着力点,固定更稳固。

“雪龙2”号实验室全船的C型卡槽均采用通用的统一标准,后续新增、更换和调整更为灵活、快捷。同时针对海上的使用环境特点,采用氟碳漆喷涂技术保护合金型材表面,增强了双C型卡槽抗酸碱腐蚀和海上盐雾的能力。

图11墙壁上双C型合金卡槽固定系统

图12双C型卡槽的合金固定支架系统

3.4集装箱实验室作为补充

大格局和柔性化的实验室解决了一些通用性的问题,“雪龙2”号实验室对环境条件有特殊要求的实验也有专门考虑。例如:极地冰雪实验对温度有较高要求,开敞的大格局实验室难以满足局部–30℃～–20℃的低温控制需求;一些实验需使用放射性元素,例如初级生产力测量使用C14,实验室需具备专业的隔离措施等。“雪龙2”号在艉部作业甲板设计了能放置8个长6058mm、宽2438mm、高2591mm集装箱移动实验室的平台,并预留水、电、气标准快速接口。每一个集装箱移动实验室相互独立、自成系统,可满足自身特殊的实验需求。在同一航次的不同航段,可根据该航段的作业任务,合理配置集装箱移动实验室种类和数量,拓展“雪龙2”号科考调查支撑能力和实验种类。

4、小结

南北极科考具有任务多、航段多、作业时间窗口短、作业学科多、科考设备多等特点,“雪龙2”号采用大格局实验室,克服船载实验室空间有限的劣势,尽可能满足多学科专业的通用要求,提高实验室使用效率;采用柔性化的设计,均衡各学科专业实验间的特殊需求;结合分航段调配集装箱移动实验室的模式,拓展实验支撑能力。虽然目前极地船载实验室建造缺乏相应规范,可借鉴方案也较少,经与设计院、船厂共同探索,通过以模块化实验台拼装技术、灵活水电气衔接技术和标准化固定技术等三项技术作为基础,顺利实现大格局、柔性化的设计理念,最终完成“雪龙2”号实验室的建造工作。

在中国第36次南极考察期间,“雪龙2”号实验室管理人员对结束科考调查作业的28名科考队员进行了航次实验室使用情况调查,队员总体满意度较高,“雪龙2”号实验室可灵活地满足队员对于实验室使用的需求。“雪龙2”号定位于“科考为主、运输为辅”,与主流的极地科考破冰船的情况类似,具有典型代表性。大格局、柔性化设计,配合集装箱实验室,有效地解决了极地科考破冰船科考与运输需求并存、长航程但调查窗口期较短、实验室种类少空间小但综合调查涉及学科专业多、对实验室种类空间要求高等之间的矛盾,对今后我国类似船舶实验室的建造具有一定的借鉴意义。

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基金:新建极地科考破冰船项目(发改投资[2015]429号)资助.