移动离岸基地

Paul Palo

摘要：海上基地是美国海军21世纪的三个核心作战原则之一。由于关于在远海中的大型浮体安全作业的先例，海军研究办公室在EXWC推进技术基础上，研究了实际平台尺寸的上限问题。例如，最成熟的SeaBase概念，称之为为移动离岸基地(MOB)，长度上需达到史无前例的2公里，用以容纳长程货运飞机常规起飞和着陆。政府，工业界和学术界在流体动力学、海洋大规模结构物方面取得了重大进展后，起草了美国第一个海洋结构物设计方法、可行性研究和多模块动态定位的物理演示方案。总而言之，这些进展使得设计者得出结论，2公里的MOB平台可以经济地建造和安全运行。

1 简介

“海上基地”是美国海军（Clark 2003）的三个作战基石之一（还包括“Sea Strike”与“Sea Shield”），代表了一个全新的工程和理论挑战。美国海军将海上基地定义为一种组织概念：能够部署于多艘船在内的舰队，用以在和平区域发生冲突期间共同执行各种任务。部署时，SeaBase的功能要求包括：能进行远海船至MOB的货物转运; 能满足战斗部队的住宿要求; 能保障军用设施的存储和维护; 可支持飞行器的垂直起飞、着陆或常规起飞、着陆以及飞机运行。在这种SeaBase构想中，移动离岸基地（MOB）单独的表示能够支持CTOL货机运行的多模块SeaBase平台。

在上世纪90年代首次提出时，大型浮体上着陆飞机任务的功能要求是前所未有的：首先，取决于飞机所需的跑道长度，约在700米（2,300英尺）和1500米（4,900英尺）（后文中简化1公里为单位）。 第二，这种移动离岸基地将需要在风，浪和流中保持结构完整性，同时能在远海中的系泊。 第三，考虑到实用，离岸基地的建造、运输、操作和维护是需要考虑经济性的。

不出意外，现代工业中仍没有相同类型的组合式平台。离岸平台通常长度不超过100米（325英尺），主要用于油气资源的勘探钻井。因此，尽管海军有希望通过丰富经验完成这些平台的设计、建造和运行方案，但显然这也是一个需要投入大量精力的项目。第一次移动离岸基地的工程设计是20世纪90年代初由国防高级研究计划署（DARPA）赞助的。海军研究办公室（ONR）在1997年至2000年期间承担并大大加速了MOB技术。本章重点介绍了作者在海军设施工程服务中心的4年，管理35，000，000美元的海军研究办公室科学技术（S＆T）项目的过程。最终，有53个组织（26个商业组织，16个学术组织和11个政府组织）参与并赞助了该项目。

从一开始，NFESC的所有参与者认识到，即使是使用最先进的工具、方法和数据处理方式，在设计这样一个具有其独特需求的长结构物时仍有严重的缺陷。 此外，参与者普遍认为这样一个长平台将需要由多个模块组成，半潜式平台的模块设计可行性最大，但这反过来又引起了对模块间连接方式的需求。

海上移动基地S＆T项目确实取得了许多的开拓性进展。 首先，将三个候选概念平台方法推进到原型设计阶段，以确定基本可行性，并在此过程中揭示方法理论中的差距性。 其次，首创了一种的基于概率的框架来指导未来海上移动基地的设计（并且实际上适用于本文中所述的所有大型多体浮式平台）。 最后，这些进展得到了多个支持性研究的补充，如多体平台的水动力和水力弹性设计工具，大规模海洋波场的空间特性，飞机操纵，多体动态定位和货物装卸。以上这些进展提高了行业得问最先进标准，并使之适用于其他海上结构物。

现得出结论：由半潜式模块组成的较短（700米）海上移动基地确实是经济可行的，且具有可安全操作的高完整性。 特别值得注意的是，因为它是所有53个参与者中的一致意见。 进一步的结论是，对于更长的4900英尺（1500米）MOB的可行性，没有明显的“不可行论据”，因此在作出任何可行性结论之前需要进一步的研究。

本章的下一节介绍了MOB空前广泛的需求。随后是三个备选MOB平台的综合性描述，以及它们的优点和缺点。第四部分阐述了用于识别S＆T任务的过程。虽然项目的目标是进行最先进的MOB平台的设计，但同时也是一个挑战。例如，MOB平台相关的各方（设计者，运营商等）的业务范围是什么？谁需要积极地与谁联系？技术的主要不确定性和差距是什么？哪些是最重要的？在这方面，所有支持技术是否具有一致的制定标准，哪一个规范将是工程设计阶段最终需要的？与各种候选概念相关的风险和可实现的目标是什么？这些问题与任何独特的海洋结构 - 即本书中所有其他大型漂浮结构（VLFS）有关。最后一部分重点介绍了该项目最重要的个别技术成果，同样适用于许多其他VLFS系统。

2 MOB 要求

与MOB相比，本书中的所有其他大型浮体都具有一个或多个特征，可以大大简化其设计。三个常见的简化是：

• 位于港口内或防波堤后方的位置，以减少或消除波浪动力；
• 系泊在一个固定的位置，并考虑约束或岸上连接系统，消除流线型船体经过时的波浪影响
• 一个可以容纳许多人居住的设施，比如许多用以满足生活需求的中等规模设施（例如，容纳一定的人数）

MOB的三个绝对不允许简化的绝对要求是：

• 适应货运飞机运行的常规（固定翼）起飞和降落

—C-17飞机的最大标称跑道长度为1500米（4,900英尺）

—C-130飞机的最小标称跑道长度为700米（2,300英尺）

—同时用于跑道和卸载/滑行的标称122米（400英尺）

—运行期间的连接失效（跑道）

• 长期驻扎在世界任何地方的深海

—与空运操作的风向保持一致

—限制模块接口处的跑道坡度不连续性

—自存工况

• 能按时抵达战区的中转速度

其他理想的特征是：

• 用以执行后勤任务的大体积温控空间

—容纳3,000军队

—80万平米（900万平方英尺）的环境可控的干货存储空间。

—-40,000立方米（1000万加仑）的燃料存储空间

• 满足大型货船和当地登陆艇的到达和大吞吐量货物转运
• 经济的采购成本，长寿命的维护且易于维修

换句话说，MOB达到了一个前所未有的极大长度和宽度，安全远海作战和自存能力，以及以合理的速度长途过境的能力。 这种组合使得MOB成为无与伦比的大型结构物。

二十世纪初考虑过一艘大型浮式离岸军用海底舰艇的概念。在前文提到的DARPA项目中开发了一些系统平台的概念。这些概念和对他们所涉及的研究是：

• 超大型移动式海上基地（VLMOB）：海运系统有限公司的VLMOB基于超大型原油运输船转换而来。 约335米（1,100英尺）长，该基地长度不足，不能满足固定翼飞机的起飞要求。
• 超大型单轴离岸基地（ULMOB）：ULMOB使用单体模块，每个模块505米（1,660英尺）长。通过将模块连接到端对端，搭建了长跑道。初步估计显示出非常大的载荷，而计算结果一般是不确定的。
• 刚性连接的半潜模块：这个概念包括最多六个位移式钢质模块，每个180米（600英尺）长，采用刚性连接。刚性连接器有效地搭建了一个长的半潜式浮体，会产生非常大的连接器载荷，超过合理的设计限制，如图1所示。

图1 典型的半潜式模块（未连接状态）

从这些有限的研究得出的结论是，任何整体式的、全尺度的可移动式浮体在波浪中偏转时都将具有不可控的沿着龙骨方向的巨大结构应力，更不用说航行到任何港口。相反，允许结构以模块化的形式建造会大大降低了这些应力。 ONR计划采取了两项补救办法来减轻这些压力。首先，通过将整个浮体划分为具有某种连接的连续性独立模块来提供结构上的合理性；第二个补救方法的观察中发现，箱式浮体是不合适的，因为它们所受的浮力迫使它们与自由液面共同运动，从而将大的载荷作用到任何连接器上。 这导致ONR项目采用半潜式浮体形式作为模块形状，因为其对波浪能量的固有不敏感性。

因此，使用具有某种连接/连续性的半潜式设备成为所有MOB概念设计的基础。该项目定义了一套名义上的任务要求，并用它们来进行四种替代性MOB概念的开发和评估。三个系统平台概念的主要区别，主要是连接半潜式模块组装MOB平台的方法不同。

对于不熟悉半潜式平台的读者而言，半潜式平台被海上石油和天然气行业广泛使用。

船体由两个水平固定的“浮筒”组成，每个“浮筒”都具有将其连接到上甲板单元的柱（这里有五个）。术语“半潜式”是指：在运输过程中，类似于渡船的运行方式，其中浮筒处于水面，但是一旦到达指定位置，水被注入压载舱中，使得整个浮体浮筒的顶部远低于水线- MOB半潜式模块的标称面积为60英尺。在沉积的浮筒中，表面上的主波能仅影响（相对小的）柱，使得压载的半潜式平台在相同的波浪中移动十分之一的位移船体的数量级。事实上，甚至可以说，基于位移式船体的任何MOB概念都是不可行的，而在涉及到半潜式时，许多概念都成为了可行的。因此，半潜式船体形式提供了两个平台要求：现场稳定性以及快速运输。

3 MOB候选平台概念

总而言之，上述要求定义了一个非常独特的海上平台。 在某种意义上，海军提出的这个MOB平台可以被认为是与所有大型浮式结构中“最困难的”的组合。与其运行阶段相关的因素包括：

• “飞行跑道”的总长度为700米（2300英尺），以容纳最小的货机起飞（C-130），比任何现有的平台长至少四倍。
• “目标”总长1500米（4,900英尺）米，以容纳最大的货机起飞（C-17）。
• 空中作战的波浪式跑道的运动可忽略不计
• 满足人员、货物和燃油/水的大量贮存空间
• 到达货船卸载的接驳处

在某些阶段，MOB将被分解成组件模块，性能因素如：

• 适当的速度，能按时到达预定的地点
• 在中等海况下现场的安全组装和拆卸
• 极端条件下，半潜式模块和连接器的自存

最后，一个最佳的MOB设计将具有：

• 制造成本低
• 寿命周期成本低
• 请注意，大型浮体的后勤保障需求、军事威胁/脆弱性不是任何概念设计工作的一部分

对三种不同的概念方法进行了调查，发现它们和MOB平台具有潜在的共同之处。 这些总结在表1中。

因此，这三种方法是通过它们的连接方式不同来定义的。 第四个设计评估了搬迁模块的生命周期和效益。

本节中描述的所有平台设计均基于相同的基本功能要求。 例如，跑道长度的选取与波音C-17 Globemaster操作相关联。 设计人员遵循“标准行业规范”来开发具有合理大小的结构尺寸和初步浮体机械装备的原型。

表1 MOB系统概念

连接器类型	描述
分离式连接器：五个半不锈钢模块通过柔性铰链连接	作为模块之间的“硬连接器”，这种方法为操作员提供了安全感。 关键是允许模块之间的一些相对运动 - 主要是模块间的间距 - 以减少与刚性连接器相比的结构应力
柔性桥连接：三个半柔性钢质模块通过柔性钢质桁架桥连接	该设计在模块之间插入一个标称长度为300米（1,000英尺）长的“柔性桁架”，成为一个平滑的（无斜坡不连续）跑道。其灵活性大大降低了刚性连接器相的结构应力
动力定位：三个半潜式钢模块相对于彼此动力定位	这种方法通过取消物理连接器来完全消除由于模块间剪力引起的结构应力。相反，动力定位用于保持模块对齐和紧靠，通过非结构化的铰接桥梁提供跑道连续性。

请注意，本节用于向读者介绍一个像MOB这样的大型平台的实际情况。在这里，提出了原型系统概念，并补充了它们的优缺点。本章稍后将介绍进一步的工程和操作细节和面临的挑战。

3.1 MOB概念＃1：分离式连接器

该类别包括典型多模块MOB可视化连接器。该系列的连接器包括铰接，万向节和球形接头。 所有分离式连接器的共同点在于其尺寸很小。分离式连接器的两个主要优点是：（1）它们的结构相对简单；（2）为“简单连接”平台的用户提供的可靠性。然而，由于它们的本质，它们将模块之间的载荷集中在一个小体积内，导致应力集中。相关的结构特征是它们的模块基础必须仔细设计，以将集中力分配到模块中。其固有缺点是，由于它们的小尺寸，它们引入了跑道不连续性的潜在问题，这是一个真正的值得关注的点。

图2 分离式连接器MOB平台

图3 离散式连接器示意图

这个主题概念研究开始于一个简单的水平对齐的铰链连接器，允许相邻模块之间的相对间距。 本研究选择了五个半潜式钢模块，每个长度为300米（985英尺），如图2所示。

研究很快表明，简单的铰链连接器概念对于MOB来说是不可行的。最终，舍弃了“铰接连接器”，并重复进行了系统分析。 这种连接器设计如图3所示，显示对接中心球接头和两个外侧铰链。

这个连接器改变十分重要，因为这些 “MOB独立连接器”概念已经证实可行，以后可进行细化。

3.2 MOB概念＃2：柔性桥连接

图4带有柔性桥连接器的MOB概

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