“未来船舶”正成为世界各国宠儿
- 2014-11-18 14:11:406329
据悉，面向2050年，欧洲将利用海上和内河水运空间进行运输、海洋食物生产、能源开发、矿业开采和都市住宅、旅游、制造和贸易，这些新技术和运营方案的到来，要求减少污染排放，满足严格的安全要求。此外，还需要高度专业化制造及其人员的培训，使用这些新船和系统，为未来水性环境提供服务。
欧盟委员会的运输白皮书，中心目标是为欧洲提供具有竞争力和资源的运输系统。此次新设立的欧洲研发协会及其“未来船舶”项目将着眼于“Horizon2020”框架内的欧洲的交通、企业、能源、环境与气候保护政策，建立水性欧洲技术平台和广阔的海事社区。
在欧洲航运行业战略“LeaderSHIP2020”中，欧盟委员会、欧盟成员国、地区和海事技术行业一致认为，要改进航运领域的地位和竞争力，需要出现集成的综合性突破技术。因此，“未来船舶”项目将目标指向可持续运输的挑战，并保持设计、制造和革新生产能力等方面的前端技术。
为实现上述目标，“未来船舶”项目与欧盟委员会建立了公私合作伙伴关系。据欧洲研究协会主席、DNVGL船级社的PierreC.Sames博士在成员大会上介绍，共有50家公司、研究机构、学术组织和相关利益方参与项目。
对于自动化船舶的概念还有很多人不是太清楚。什么是自动化船舶，自动化船舶相对传统船舶有哪些优点？
自动化船舶上，遇到其他船只和暗礁时，能够自动改变航向，避免碰撞；船上的机械设备在无人操作时能依照人们预先的指令自动测量、调节，一旦发生故障，就会自动排除；航海荧光屏上，随时显示船位、航速及海上气象情况；自动启动发电机，自动开车、自动停车；当船体进水时，排水系统和堵漏系统自动工作；当出现火灾时，消防系统将根据火灾的不同而自动开启不同的灭火装置。除此之外，还有许多自动化设施，如冷藏室中自动开启制冷装置、自动通气，舱室里的自动报警装置。
自动化的核心是传感器和电子计算机及其他自动测量仪器，比如自动化动力操纵装置，将机舱内的设备控制系统集中到控制台上，操纵人员根据需要预先设定航向、航速及特殊情况下的应急方案，一旦机器发生故障，传感器将故障情况“感应”给计算机，计算机根据预先设定的应急方案，操纵机器采用应急措施。又如武器自动化系统，当雷达等测量设备探测到敌方目标后，计算机很快就可“感知”，极短时间内找出应急方案，命令导弹、鱼雷、深水炸弹、火炮等其中一种武器或几种武器进攻敌方目标。
自动化船舶的根本目的是减少船员，减轻船员的体力劳动，保证船舶航行的安全，进一步向无人船舶方向发展。
低能耗船舶
与材料科学、阻力降低和推进系统相关的哪些技术发展，会为面向2020年研发的低能耗概念船研发做出贡献
市场力量、技术进步、安全考虑和法规修改是激发创新的主要驱动因素。目前燃料价格高企、市场不确定性增加、竞争激励、气候变化和全社会的环保压力都要求船舶在未来十年采用新技术和新概念。
混合材料。通过降低船体重量可以降低污染排放，节约燃料。小型船舶和二级结构采用轻质材料，例如玻璃钢、铝和钛。可以采用多层金属板和高分子复合材料层压板制造复合材料。纤维-金属层压板具有金属性能（高抗冲击性、耐用性、生产灵活）以及复合材料的性能（强、硬度/重量比例高、抗疲劳和腐蚀性能高）。金属层可以是铝或钢板，而高分子夹心层可采用碳纤维或玻璃纤维强化。这些材料在航空业和特种船中的应用为航运界做了示范。
无压载水船舶。压载水保证船舶在空载时的吃水、强度和稳定性。但如果压载水在排放时未经处理，那么压载水中含有的入侵物种会威胁到海洋生态系统。采用梯形船体和横向倾斜船底可以保证空载时的稳定性和吃水，不需要压载水。
组合推进系统。螺旋桨的效率受到单一设计速度、大桨叶、二冲程柴油发动机和直驱推进的限制。组合推进系统概念综合采用了螺旋桨、吊舱和增效设备（例如前涡旋翅和后涡旋翅）。通过流体动力优化，可以把反转吊舱螺旋桨布置在螺距可调整的主螺旋桨后面，在飞羽化中心线螺旋桨旁设置可转向吊舱，提高能效。这些系统利用了各部分的流体动力优点，通过优化发动机负荷，扩大了有效操作范围。
绿色燃料船舶
随着环保法规的实施和燃油价格的上涨，天然气和混合生物燃料会成为可行的解决方案。但风能和核能是否能够为航运提供航运动力？
绿色燃料船舶标志着传统燃料逐渐终结。随着海运面临着越来越严格的环境法规要求以及燃油价格的攀升，天然气和可再生能源越来越被认为是可行的替代性能源。液化天然气、混合生物燃料或更激进的能源（例如风能或核能）都有开发潜力。
天然气。尽管天然气与燃油相比，二氧化碳减排量只有到25%，但存在释放未燃甲烷的问题。航运所面临的挑战之一是液化天然气储罐占用空间一般是柴油储罐的2到3倍。天然气必须以液态或压缩状态储存，储罐成本也更高。根据我们近期积累的经验，以液化天然气为燃料的船舶的新建成本比同等的以柴油为燃料船舶高10-20%。预计在未来10年中，很大一部分新船将采用天然气作为燃料，特别是近海航运。另外可以预计的是在未来有些船舶会改造为采用液化天然气作为燃料。
生物燃料。这是一种可再生能源，可*地降低生命周期的二氧化碳排放量。原则上现有的柴油发动机都可以使用混合生物燃料。生物柴油有很多问题需要解决，包括燃料不稳定性、腐蚀性、容易生长微生物、对管路和仪表有负面影响，低温流动性不良等问题。尽管在2020年之前可以解决这些技术问题，但在航运中广泛采用生物燃料还取决于价格、刺激政策和供给能力。
核能。核电站在操作过程中没有温室气体排放，特别适合于动力需求变化慢的船舶。商用核能动力船需要使用低浓缩铀。开发的陆地原型是一个小反应堆（与大型船用柴油发动机相比），功率输出可达到25MW。生命周期以10年左右计算，能源价格为2百万美元/MW。这项技术要求进行广泛测试和严格的质量认证，意味着到2020年之前民用航运还不能实现商用。
电动船
综合了多种可再生能源的混合型电动船概念将在特种船上实现。岸电供应计划、船用燃料电池和高温超导体也会得到发展么？
引入电动船概念会提高船舶的整体效率，综合采用各种可再生能源。采用大量嵌入组件会提高系统的复杂程度，要求更谨慎的设计、性能监控和动力管理。混合概念首先将引入到特种船中，例如海工补给船和渡轮。
混合动力船舶。当船舶在单一的规定条件下操作时发电效率高，动力需求或供应的波动会降低发电效率。切换到电力推进系统和动力供应，使用多个动力源，可以提高灵活性和效率。到2020年混合电动船可能采用各种传统和超导电动机和发电机、燃料电池和其他电池。混合动力概念把各种可再生能源的动力组合到一起，例如太阳能板或伸缩式风力发电机。性能监控、动力管理和冗余是关键因素。这些概念在未来10年将应用于工作船、客船和小型货船。对于大型货船，只能用作辅助动力。
船用燃料电池。为了提高动力生产效率，可以考虑燃料燃烧之外的其他措施。燃料电池通过一系列的电化学反应把化学能直接转换为电能，理论效率可以达到80%（氢）。可以采用天然气、生物燃气、甲烷、乙烷、柴油或氢气作为燃料。液化天然气燃料电池与柴油发动机相比，每千瓦可实现高50%的二氧化碳减排。随着污染排放控制区的建立，会倾向于采用液化天然气燃料电池，目前的船用燃料电池原型可提供0.3MW的动力。
高温超导体。电阻会造成发电机、电动机、变压器和传输电缆的能量损失。高温超导体（HTS）的电阻（在-160℃时）为零，超导体电缆与相同尺寸的铜电缆相比可允许150倍的电流通过，大大缩小电动机和发电机的尺寸。超导体线圈还可以用于储存电能。但是，这些材料需要通过液态氮和特殊热屏蔽等进行低温冷却。主要风险是低温冷却发生故障，导致丧失超导性能。冗余是采用高温超导技术进行船舶设计所面临的主要问题。
数字船舶
将广泛采用E-航行解决方案来提高安全性能和优化保安、经济和环保性能，但哪些是关键技术？
航运界的企业目前正在积极应用E-航运技术，到2020年很多船舶都将跟随这个潮流。E-航运技术把准确的位置数据、气候和监控数据、船上和远程传感数据、船舶具体特征和响应模式组合到一起，能够预防事故，优化安全、经济和环境性能。船上电子海图是电子船舶的统一平台，汇集并直观呈现与船舶安全、航海风险、驶入港口和气候导航等领域相关应用程序的信息。
ECDIS。船舶触礁事故经常发生，会造成严重的财产损失、人员伤亡甚至石油污染事故。电子海图展示和信息系统（ECDIS）采用电子导航图（ENC），把触礁可能性减低了30%。IMO新规则要求大部分船舶在2020之前采用ECDIS。ECDIS是一项关键的e-导航技术。通过与非导航系统结合，它的优势就会不仅仅局限于保证安全导航，还会延伸到港口排期和清关系统。
*的气候导航系统。从传统上来说，气候导航主要关注与安全导航、避免恶劣的气候。气候导航也可以优化燃料消耗（可节省10%左右）和到达时间，提高船员和乘客舒适度，降低船舶疲劳度。预计在2020年之前通过远程和船上传感器的数据收集，将会提高海洋实时信息和预报数据的空间-时间分辨率。
海盗侦测与震慑船舶。保险费率提高反应了以船员和船舶为目标的武装抢劫、海盗和恐怖主义的猖獗。在未来10年这些威胁不会减弱。成功减低威胁要求及早侦测，并采取有效的远程控制的震慑措施（例如水、声音和电击）。
商船高性能雷达的侦测范围是标准导航雷达的四倍，可以侦测到4海里以外的小物体，到2020年可以提高到10海里。将来的船上报警系统会处理雷达、声纳、摄像头以及远程卫星采集的实时数据。在未来10年，预计反海盗服务商会通过卫星提供海盗预警服务，这个系统可以集成到船上系统中。
极地级船舶
北极地区未来夏季可能会出现积冰消融，这个地区的海运量会增加。除了新型船舶之外，北极航运还需要哪些新系统和新软件？
未来10年夏季海冰规模会减少，随着碳氢化合物燃料价格不断升高，各国将勘探开发新资源，北极航运交通量也会增加，与北极相关的技术会迅猛发展，例如冰区路线优化软件，船体负荷监控系统以及新的破冰概念。经验不丰富的船员可以通过冰区培训模拟装置针对冰区航行做好准备。传统船舶救生艇或救生筏不是针对极地冰区条件下的安全逃生而设计的，未来会开发出新型双栖逃生船。
新型破冰船。被护卫船舶的船首两侧区域比破冰船宽，会遇到未破碎的冰块，导致冰块阻力增加。采用为侧向破冰而特殊设计的斜型船体的破冰船可以开拓宽一些的航道，通过采用多个可360度旋转的Z推进器可实现侧向操作。这种破冰船在护卫小型船舶时首先采用船首部分破冰，在护卫较宽的船舶时会采用侧向破冰。采用这种设计允许宽度为20m的破冰船开出40米宽的航道。这样未来一艘破冰船就可以护卫较宽的船舶，而到目前为止还是需要两艘传统的破冰船。通过测试表明在采用倾斜操作模式时，速度是正常速度的一半。在未来10年，这种新型破冰概念将广泛地应用于北极航运操作。
北极救生船。北极救生艇针对冰区航行进行了强化，并采用了防冻措施。救生艇需要穿越冰区（例如冰脊），还要穿越开阔水面。到2020年，这类船舶将采用阿基米德的螺旋式运动概念。在船舶两侧会设计两个大型螺旋式浮筒。设计难关包括浮筒材料及其连接，必须承受温度条件下的碰撞负荷。北极船舶的常规防冻措施应该考虑救生艇的防冻，例如防止结冰，预热发动机。
虚拟船舶
从生命周期角度来评估船舶的技术和经济性能的*模型技术能更好地管理设计的复杂性和不确定性。那么如何来实现呢？
现代船舶设计要求谨慎地考虑技术不确定性、市场特征、未来能源价格、当前和未来的法律规范和气候变化预测。这些因素针对解决不确定性和风险管理构成了很严峻的挑战。*的建模方法和工具可以开发和评估新型船体设计、推进器和复杂机械系统，为应对这些风险提供技术解决方案。
整合船舶设计工具。鉴于未来设计和风险的复杂性，会加速采用*的建模方法和工具，实现新船体设计、推进器和船机系统的开发和评估。这种设计方法依据的是各种软件环境，包括多目标优化算法。由设计人员完全控制个案所采用的数学方法、目标、限制条件和分析软件。在计算过程中，将针对船舶每个子系统采用模块化工具，例如机械设备或船体外形。不同的模块通过集成设计平台连接到一起。为了保证及时评估，软件会设计多尺寸，多物理和多分辨率的物理模型。
模型化船机设计大型示范项目。随着燃料电池、其他电池和可再生辅助动力等动力系统的出现，系统配置也越来越复杂。而传统的设计关注于通过优化每个组件来提率。随着当今设备技术的成熟，需要从集成系统角度来考虑船机和能源系统，提出创新的开发模式。到2020年将可以采用模块化计算机工具对现实工况下的船机系统进行建模、模拟和优化。
模块化船体设计。传统的船体设计优化通常局限在静水情况、设计载货能力和设计速度条件。采用这种方法建造的船舶在偏离设计条件时性能不良。到2020年，船体设计工具将实现计算机辅助工程设计组件，例如CAD、CFD和FEM与多目标优化的无缝整合。