配置半环照灯的紧凑型雷达桅设计方案研究

倪伟平 张 捷

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

对于普通船舶而言，雷达桅通常位于船体的最上层甲板或平台之上，除满足雷达的布置要求外，还要为部分航行信号灯的布置预留空间，有时甚至需要布置卫通天线等电气设备，因此雷达桅实际上是包含雷达支撑结构、航行信号灯灯桅、天线设置平台等在内的一种综合性桅体结构。雷达桅型式多种多样，通常可以归并为板桅和桁架桅两类。其中板桅以板材为主，结构牢固、稳重美观但重量较大；桁架灯桅有桁架结构组成，重量轻但稳性不足。如何将二者的优点结合起来，既有板桅的稳重又有桁架结构的轻盈与多样性，兼顾美观与稳定性，同时降低雷达桅重量，往往成为雷达桅设计的重要指标。

作为综合性结构，雷达桅的布置将直接关系到雷达桅的使用功能，特别是在受到尺寸限制或是高度限制时。雷达受临近桁架结构干扰而影响功能，环照灯受雷达遮挡变成闪光灯，信号灯相互影响致使信号灯意义表达模糊都将是致命的。雷达桅位于船体的最上端，虽然其重量相对于船体而言是极小的，但对于上层建筑而言却是不容忽视的。其自身的振动问题也往往直接影响支撑甲板下的舒适度。航行于特殊航道的船舶由于受空气吃水的限制，雷达桅的高度将受到严格的约束。

位于雷达桅上的航行信号灯是船舶声光信号的重要组成部分，而声光信号对于船舶安全航行的重要性是不言而喻的，特别是在避免船舶碰撞事故中起到了至关重要的作用。国际海事组织曾于1972年出台了国际海上避碰规则（以下简称避碰规则），规范了船舶信号灯的种类、形式与配置规则［1］。该法规从安全角度先后修订过多次［2］。各大运河当局也分别出台了适合自身航道要求的信号灯配置要求，例如苏伊士运河信号灯、新加坡海峡信号灯等［3-4］。另外某些船舶需要根据载货的种类，按照SOLAS要求增设危险品灯等特殊要求的信号灯［5］。由于信号灯的种类繁多，要求各不相同，如何合理布置各种信号灯至关重要。

从实际审图和现场船检反馈的意见来看，各船级社对于声光信号布置的重视程度是一致的，环照灯的盲区问题更是重中之重。根据避碰规则定义，环照灯为在360°的水平弧内显示不间断灯光的信号灯。避碰规则附录一第9条指出：环照灯应安置在不被桅、顶桅或建筑物遮蔽大于6°角光弧的位置上（锚灯除外）；如不能满足上述要求，应使用两盏环照灯，固定于适当位置或用挡板遮挡，使其在一海里距离上尽可能像是一盏灯。该规则对垂向光弧也有严格的要求，即所装电气信号灯的垂向光弧，除在航帆船的信号灯外应保证从水平上方5°到水平下方5°的所有角度内至少保持所要求的最低发光强度，从水平上方7.5°到水平下方7.5°至少保持所要求的最低发光强度的 60%［1-2］。挪威船级社（DNV）等在避碰规则的基础上明确要求环照灯在水平360°环照范围内被各种障碍物遮蔽的角度不得大于6°，总遮蔽角度不得大于10°，对于桁架式灯桅需同时考虑垂向遮蔽角度。

根据目前的灯桅结构形式，即使是最为简单的桁架结构要想避免10°的总遮蔽角度也是很难的，除非环照灯距离灯桅桁架主体足够远，但这样会增加环照灯安装与检修的难度，安全存在隐患。在无法避开灯桅结构自身影响的情况下，采用两盏环照灯表达一盏环照灯的形式往往成为首选。为满足环照灯的环照要求，两盏环照灯需作遮光处理，其遮光角度可根据实际需要调整，从而获得360°的总角度。实际生产过程中，往往利用遮光罩将上述环照灯的遮光角度均定为180°，称之为半环照灯。两盏这样的半环照灯刚好可以表达一盏环照灯满足360°的环照要求。同样地，两套这样的半环照灯可以表达一套环照灯的环照要求，此为双套半环照灯。

此外，雷达桅需设置足够的通道用于到达雷达、信号灯等设备，并需配备相应的安全措施，以便满足设备的安装和日常维护，并保证工作人员的安全。

综上所述，涵盖尽量多的信号灯信息，力求合理布局、杜绝内部干扰、严格控制重量和高度成为雷达桅设计过程中最重要的环节，而各类环照灯如何满足环照要求则成为信号灯布置的关键。

1 配置半环照灯紧凑型雷达桅布置方案介绍

配置半环照灯紧凑型雷达桅布置方案，巧妙地将信号灯灯桅与雷达桅结合在一起，内部布置简单紧凑，采用半环照灯形式表达环照灯，避免了内部干涉，并在重量控制和高度控制上积极作为，获得了令人满意的设计方案。

1.1 紧凑型雷达桅的组成

紧凑型雷达桅采用板凳桅型式，由主体、灯桅和雷达支撑结构组成。主体为板桅型式，增强了雷达桅的整体稳性，同时为雷达桅提供了服务平台。灯桅分后桅灯基座结构和信号灯灯桅两部分，其中后桅灯位于雷达桅向船首方向的端部，主要由板材结构组成。信号灯灯桅则位于主体围板中央，从主体平台起以桁架结构形式向上延伸。雷达支撑部分则位于主体的左右两端，依托主体平台端部，立柱向下延伸至罗经甲板，主体之上为三角形桁架结构。雷达桅结构型式见图1。

信号灯灯桅设计为“井”字桁架型式，如图2所示，即每一侧面看上去都类似“井”字，“井”字的四肢即桁架向外延伸部分，可增可减，可长可短，可直可曲，从而获得左前、左后、右前、右后、左1、右1等8个点可设置灯座，为信号灯的布置提供了多种选择。

1.2 信号灯布置方案

根据规范要求和以往信号布置要求反馈意见。信号灯灯桅将设置失控灯（2盏红灯）、深吃水灯（3盏红灯）、操纵能力受限制灯（红白红3盏灯）、新加坡海峡灯（3盏绿灯）、大船灯（1盏绿灯）等多组环照信号灯，同时为满足苏伊士运河航道要求，需设置苏伊士运河信号灯（6红5白2绿共13盏）。考虑到船舶运输货物种类要求，增设危险品灯。根据失控灯、深吃水灯和操作能力受限制灯的特点，鉴于运营经验，通过控制环照灯颜色和数量可设置一组环照灯表达上述三组环照灯。深吃水灯3盏红灯中的两盏红灯可兼作失控灯使用，而改变其中央一盏红灯的颜色为白色，深吃水灯亦可兼作操作能力受限制灯使用。

考虑到信号灯桅的桁架结构对环照灯的遮蔽影响，特别是在考虑累计遮蔽角度的状态下，将受桁架遮蔽影响较大的环照灯分开为用两盏灯来表示将是较合理的选择。利用灯桅的“井”字构造型式，将用于表达失控灯、操纵能力受限制灯和深吃水灯的一组环照灯设置在右舷，表达其环照功能的双套半环照灯则分别布置在灯桅右舷的向船尾和船首的前后两列灯座上，垂向间距为2 m。新加坡海峡灯则位于左舷，布置方式同失控灯，并在垂向上低于右舷环照灯0.5 m，以避免左右环照灯的相互影响。半环照灯的可视范围将被严格地控制在分别向船尾和船首的～180°水平弧度内。位于信号灯灯桅最低层的半环照灯的高度需根据烟囱和后桅灯的高度确定，避开烟囱和后桅灯对其遮蔽作用。苏伊士运河信号灯则左右对称布置，莫氏灯兼操纵信号灯布置在雷达桅最顶端。由此获得的信号灯布置效果见图3。雷达桅信号布置方案见图4。

该布置方案涵盖了多种信号灯信息，可以预见其适应性将是广阔的。信号灯距中不超过1 m，显得格外紧凑，从而将信号灯灯桅的利用率提高到极致。

此外，信号灯灯桅综合考虑了风速仪和卫通天线的布置要求，为风速仪、卫通天线预留了安装位置。

1.3 环照灯盲区分析

无论是避碰规则还是各船级社要求，对环照灯进行盲区分析是必不可少的，并由此为船舶的实际使用提供最直接的避碰资料。用于表达一套环照灯的双套半环照灯前后布置，其可视范围分别是向船首和船尾方向的180°的水平范围，从而在前后半环照灯之间则形成盲区，即双套半环照灯之间的水平带为该信号灯的盲区，如图5所示。

配置双套半环照灯雷达桅布置方案使得环照灯成功地避开了灯桅桁架结构自身的水平干扰和垂向干扰，并将盲区控制在1.6 m的水平范围内。如果船舶以10 kn的速度航行时，通过该盲区的时间为0.31 s，即盲区产生的静止点仅为 0.31 s，对于航行中的船舶而言其影响是基本可以忽略的。

2 配置半环照灯紧凑型雷达桅的综合评定

2.1 紧凑的布局

如图6所示，以雷达桅主体平台为载体，信号灯桅与雷达同线布置，即在船宽方向上雷达中心线与信号灯灯桅中心线对齐，而主体平台最大宽度仅为6.8 m，平台长度因考虑到灯桅处通道要求扩大至2.9 m。

雷达与信号灯灯桅之间既避免了相互干扰，又成就了布置上的简约紧凑，为磁罗经等其他罗经甲板设备的安装提供了足够的空间。对于罗经甲板尺寸较小的船舶或是罗经甲板需布置较多电气设备时，该方案无疑提供了一种优秀的参考模板。

2.2 重量和高度控制

半环照灯的使用提高了信号灯灯桅桁架结构自身的利用率，而雷达桅本身简约紧凑的布局风格恰恰成就了雷达桅的纤巧，因而获得了重量上的优势。紧凑型雷达桅的重量约6 t，而同类船舶中，雷达桅重量在6～7 t之间者居多。

以信号灯灯桅高度为雷达桅高度的核准高度来看，雷达桅高度约为11.5 m，其中信号灯灯桅含卫通天线高度约7.9 m。

2.3 与独立灯桅方案的对比

同样地，根据以往设计方案，为实现两盏环照灯表达一盏环照灯的布置要求，可在罗经甲板的左右舷分别设置独立的环照灯灯桅（以下简称独立灯桅方案），每一灯桅上的环照灯可设置半环照灯。此类灯桅通常为三角架结构型式，其自身稳性、重量、定位均为考虑因素，同时涉及局部加强和其他电气设备的定位等问题。

以已交付使用的8万吨散货船独立灯桅雷达桅布置方案（图7）为例，罗经甲板左右舷分别设置独立灯桅用于布置失控灯等环照灯（当时不需要设置新加坡海峡灯），主灯桅则设置后桅灯、苏伊士运河型号灯等信号灯，雷达桅同样分列平台端部，主体平台高2 m。主灯桅和独立灯桅均为三角桁架结构，前者高度约为9.1 m，后者高度约为6.1 m。该雷达桅总体重约5.2 t，其中独立灯桅约为1 t。

同样对该雷达桅进行环照灯盲区分析 （图8）。为避开烟囱的影响，位于左右舷的环照灯可视范围不再是向船舶左舷或是右舷方向上的180°水平弧度，而是与船舶中纵剖面形成15°的夹角，由此产生的盲区是沿着该角度形成的约14 m宽的水平带。

为取消上述夹角，使环照灯的可视范围分别是向船舶左舷和右舷的180°水平弧度，可将设置于独立灯桅上的环照灯升高1 m，独立灯桅将相应增高。考虑到后桅灯的高度，需要对主灯桅进行调整。由此带来的结果是，独立灯桅高度增加1 m，对其自重、稳性及结构加强均带来较大影响。左右舷环照灯之间的间距为环照灯的盲区所在，将根据独立灯桅之间的间距而变化。

虽然独立灯桅的雷达桅布置方案在自重控制和高度控制上并不落后于双套半环照灯紧凑型雷达桅布置方案，但因增设独立灯桅，必须对独立灯桅的支撑结构进行特别加强。另外，该方案因独立灯桅的设置显得比较凌乱，对磁罗经等设备的安装有一定影响，美观度自然大打折扣。

设置双套半环照灯的独立灯桅同样解决了环照灯受灯桅结构的影响的问题，从而保证了360°的环照要求。但是，其盲区因独立灯桅的间距而增大是其无法回避的问题，而环照灯的遮蔽角度与船中有一定夹角，需严格调控，将为现场施工带来一定的困难。从这一角度出发，双套半环照灯紧凑型雷达桅将盲区范围几乎缩小到了极致，更为合理科学。

2.4 雷达桅自身的维护

雷达桅的设计不仅仅要满足雷达、信号灯的布置要求，对雷达的检修维护、信号灯的安装检测及其自身结构的保养维护的考虑也是很重要的，因此雷达桅的安全通道及其安全措施不可或缺。紧凑型雷达桅的主体平台作为服务平台，可通过直梯由罗经甲板直接到达，并由栏杆提供保护。雷达支撑依据自身结构形式，根据需要设置直梯或是踏步，便于雷达桅的安装和检测维修。信号灯桅左右各设置一部直梯，并有护圈保护，用于信号灯的安装和检修。信号灯距中距离控制在1 m以内，可直接利用灯桅直梯进行作业，减小了安全隐患。

3 结语

依托雷达桅主体平台，信号灯灯桅与雷达桅支撑结构巧妙地结合起来，其结构简约紧凑。信号灯灯桅可灵活多变，涵盖了较多信号灯信息，并将自身的结构特点发挥得淋漓尽致。引入半环照灯概念，利用半环照灯180°可视范围，采用两套半环照灯表达一套环照灯，从而满足了环照灯的环照要求，同时将环照灯的盲区减为最小。配置半环照灯的紧凑型雷达桅更为合理轻巧，必然会有更广阔的前景。

［1］Convention on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea［S］.1972.

［2］International Regulations for Preventing Collisions at Sea，1972，as amended［S］.2008.

［3］OP Notice to Shipping No.N-1-2009 Vessel Requirements［S］.Jan 1，2009.

［4］Maritime and Port Authority of Singapore［S］.30 May 2011.

［5］International Convention for the Safety of Life at Sea ［S］.2009.