出品 | 網(wǎng)易新聞
作者 | 陳俊宇，清華大學(xué)機(jī)械系博士生
昨天，從自然資源部傳來消息，中國第一艘自主建造的極地科考破冰船“雪龍2”號首度在南極破冰成功，為“雪龍”號開拓航道，共同向南極中山站靠近，為下一步開展卸貨做準(zhǔn)備。
“雪龍2”號有什么與眾不同之處？極地破冰船與普通船只相比，又有何不同？破冰船在建造上的難度究竟在哪兒？我們慢慢道來。
（一）極地破冰船是怎么破冰的？
冰對運(yùn)輸是危險(xiǎn)的。
除了被撞和沉沒的明顯危險(xiǎn)外，一艘船可能被封閉的冰困住，被迫在數(shù)月或超過一年的時(shí)間里漂流數(shù)百乃至數(shù)千海里（1海里=1.852公里）。
2014年1月份，中國科考船“雪龍”號成功營救困在南極的俄羅斯極地科考船“紹卡利斯基院士”號，救援過程頗為艱險(xiǎn)，甚至雪龍?zhí)柋旧磉€一度受困，這也說明了極地航運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)。
面對極地條件，所有的極地船舶都會對自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，而極地破冰船就是極地船舶中十分重要的種類，可以單獨(dú)在極地前行，也可以為整個(gè)艦隊(duì)在極地開辟航道。
（破冰船護(hù)航其他極地船舶通過冰區(qū)）
極地破冰船，顧名思義，是指可以在極地海冰水域破冰前行的船舶。
破冰船的破冰方法不像我們大多數(shù)人想象的那樣是從中間向兩側(cè)劈開，而一般是在豎直方向施力，將冰壓壞或者頂壞的。這是因?yàn)?，冰一般是層狀的，在水平方向可以看做是無限延伸的，而豎直方向則僅有有限的截面積用來承受外力。同樣大小的力，作用在水平方向給冰造成的剪切應(yīng)力（即壓強(qiáng)）接近于零，而豎直方向上則可以將冰破開。
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破冰船的破冰方法包括頂推法、首壓法、舷壓法、沖撞法、氣力法等，其中，最常見的方法就是頂推法，依靠破冰船前進(jìn)時(shí)所具有的沖力，以及螺旋槳的推進(jìn)力、自身堅(jiān)硬的外殼和上翹的船首將冰層劈開撞碎，適用于破較薄的冰層。
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其他的方法還包括首壓法，即利用船體重力使破冰船沖上冰層將冰壓碎，并通過調(diào)節(jié)壓載水使船身左右晃動，加大破冰效果，以便開出更加寬闊的航道；
舷壓法是依靠破冰船特有的頭部造型和螺旋槳工作時(shí)所產(chǎn)生的巨大推動力，從而“爬”上冰面，此時(shí)船頭利用自身的重量將冰層壓碎，進(jìn)而開辟出航道；
沖撞法（徒步破冰法）多用于冰層較厚的情況下，利用破冰船船頭部位吃水淺的特征，加大馬力沖到冰面上，船體依靠自身的重量進(jìn)行一次破冰，然后破冰船倒退一段距離，再次開足馬力沖上前面的冰層進(jìn)行二次破冰；
氣力法是通過氣泡系統(tǒng)將壓縮的空氣從船體底部噴出，使船側(cè)的冰塊受到向上的浮力作用，并隨著氣泡上升破裂，以此減少對船體的摩擦；
此外，還有一些破冰船上安裝有船體加熱設(shè)備，可對低溫船體進(jìn)行加熱，避免船體結(jié)冰，從而避免船體鋼材因低溫導(dǎo)致韌性降低，同時(shí)避免船側(cè)碎冰再次凍結(jié)。
（破冰船破冰方法）
破冰能力是極地破冰船最重要的參數(shù)之一，可分連續(xù)航行破冰能力和反復(fù)沖壓破冰能力。目前，從動力系統(tǒng)角度來看，大多數(shù)柴電破冰船其連續(xù)航行破冰能力在1.2米以上，較為先進(jìn)的可破開1.8米厚的冰層，而核動力系統(tǒng)破冰船可連續(xù)破開2～3米的冰層。
在連續(xù)航行破冰受限的情況下，破冰船會以反復(fù)沖壓的方法進(jìn)行破冰作業(yè)。一般來看，破冰船的反復(fù)沖壓破冰厚度通常是連續(xù)航行破冰厚度的2～4倍左右。
（二）破冰船的建造難在哪兒？
目前，中國由于缺乏冰水池，船舶設(shè)計(jì)、低溫材料與配套技術(shù)發(fā)展受到嚴(yán)重影響，極地船舶數(shù)量和技術(shù)水平極大落后于歐洲、俄羅斯、日本、韓國等國家和地區(qū)。以破冰船為例，中國目前唯一能在極地破冰前行的船只為正在服役的“雪龍”號，屬于中國第三代極地破冰船和科學(xué)考察船，同時(shí)也是中國最大的極地考察船。
而俄羅斯有30余艘破冰船，最大的一艘破冰船可以在北極的任何海域航行并執(zhí)行任務(wù)，航行時(shí)可破冰層厚度達(dá)3米；美國曾擁有僅次于俄羅斯的破冰船艦隊(duì)，包括5艘極地破冰船。
那么破冰船的建造難度到底在哪里呢？是什么因素制約了之前中國破冰船的發(fā)展？我們從基礎(chǔ)理論、船體設(shè)計(jì)、動力系統(tǒng)幾個(gè)方面來介紹。
（1）基礎(chǔ)理論：冰載荷計(jì)算還有很長的路要走
船舶在冰區(qū)中航行會由于海冰的作用而受到額外的冰載荷，因此，合理的確定船舶冰載荷是進(jìn)行冰區(qū)船舶設(shè)計(jì)的基本能力要求。
冰載荷一直以來都是國內(nèi)外相關(guān)研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。目前冰載荷計(jì)算主要采用理論分析、試驗(yàn)測試和計(jì)算仿真三類方法。與波浪載荷相比，冰載荷的研究歷史尚短，理論還不成熟，還需要系統(tǒng)的開展相關(guān)的研究。
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（2）船體設(shè)計(jì)：耐低溫結(jié)構(gòu)材料目前仍依賴進(jìn)口
2009年，中國正式啟動“雪龍2”號新建極地科考船建設(shè)項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)國內(nèi)船舶設(shè)計(jì)單位對極地船舶的認(rèn)識僅停留在理論階段，缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和論證條件，無法獨(dú)立完成破冰船船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
國務(wù)院確立了“國內(nèi)外聯(lián)合設(shè)計(jì)、國內(nèi)建造”的基本原則。為了滿足中國的科考需求，中國向芬蘭的船舶設(shè)計(jì)公司提出了相應(yīng)的定制化需求：新一代的科考破冰船“底盤”要好，確保其服役壽命；同時(shí)，為了提高船舶的破冰能力和靈活性，“雪龍2”號要采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)雙向破冰。
芬蘭公司開始提供的船體設(shè)計(jì)方案的母型船是一艘貨船，無法滿足科考需求，在中國相關(guān)研究單位的優(yōu)化下，船的設(shè)計(jì)在敞水性能、行船穩(wěn)定性等方面得到了優(yōu)化，其中做了大量的研究工作。
為了防止低溫對船體的損害，在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般選取特殊低溫高性能鋼材，并在船艏、船艉和水線附近對其進(jìn)行加厚。
中國現(xiàn)有的高級別超高強(qiáng)海工鋼主要采用淬火+回火生產(chǎn)工藝，以中碳成分為主，鋼板焊接性能較差，無法滿足極地船舶建造焊接和超低溫焊接維修的要求，這種低溫鋼材中國還依賴進(jìn)口。
（3）動力系統(tǒng)：極端天氣條件下工程應(yīng)用相比國外仍有差距
極地船舶的航行環(huán)境惡劣，極低的環(huán)境溫度會影響船舶電氣設(shè)備及其器部件的運(yùn)行性能，降低可靠性，影響船舶的正常航行、作業(yè)與生活。
對于極地科考船，它們在破冰過程中，由于冰載荷的隨機(jī)波動性，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)將處于隨機(jī)性、沖擊性負(fù)載作用的極端運(yùn)行工況，這對電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與變頻控制提出了極高的要求。
中國目前已經(jīng)掌握了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的大部分關(guān)鍵技術(shù)，并且在電制形式、功率密度、運(yùn)行效率等方面優(yōu)于國外，但在極端天氣條件下的工程應(yīng)用還與國外有較大差距。
另外大負(fù)荷下結(jié)構(gòu)件容易因材料的低溫脆性而損壞，鑄鋼件易凍裂；鋼絲繩凍硬，難于纏繞甚至出現(xiàn)斷股現(xiàn)象；低溫下機(jī)械設(shè)備內(nèi)外部結(jié)冰，發(fā)動機(jī)啟動困難，液壓系統(tǒng)卡死，無法正常工作；在極低溫度下，齒輪箱中電機(jī)、齒輪線等機(jī)械傳動部件中的潤滑油會過于粘稠導(dǎo)致阻力升高，甚至出現(xiàn)齒輪箱或天線因冰凍而無法工作的情況。
這些都需要逐一解決。
（三）“雪龍2”號有哪些新特點(diǎn)？
“雪龍2”號長122.5米，寬22.3米，航速12-15節(jié)，續(xù)航力達(dá)到兩萬海里，接近繞地球一周，定員90人，能在極地1.5米厚冰、0.2米雪情況下連續(xù)破冰行駛，破冰能力達(dá)到P3級，為中型破冰船型，可以將中國的極地科考從夏季延展到春秋季。
此外，雪龍2號還具有以下幾個(gè)新特點(diǎn)：
（1）首尾雙向破冰
“雪龍2”號是全球第一艘采用船艏、船艉雙向破冰技術(shù)的極地科考破冰船，在遇到很難“拱”的冰脊時(shí)，船體可以轉(zhuǎn)動180度，讓船尾變成船頭，尾部的螺旋槳能在海面下削冰，把10多米高的冰脊“掏空”，從而突出重圍。這也大大提高了船的脫困能力，雪龍?zhí)栐?jīng)碰到過的受困問題在未來的“雪龍2”號身上將有更多的解決手段。
（2）月池液壓倉
以往極地科考中，科考隊(duì)員進(jìn)行采樣、布放探測器等科考操作時(shí)都是站在船邊，安全隱患很大，同時(shí)極端天氣也讓這一過程艱苦無比。
為了克服這一問題，在“雪龍2”號的船艉中部，建有一個(gè)3米見方、深達(dá)底層甲板的“井口”，被稱為“月池”?？瓶純x器設(shè)備可以從這里直接入水，即便是100%海冰覆蓋的海區(qū)也能進(jìn)行采樣作業(yè)，在這里工作也比室外要溫暖舒適得多。
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（3）智能化管控平臺
“雪龍2”號擁有一套集智能航行、智能能效、智能機(jī)艙、智能船體的綜合平臺，控制著整個(gè)船體系統(tǒng)。
船上共安裝設(shè)置了7000多個(gè)智能感應(yīng)“神經(jīng)系統(tǒng)”，可以對內(nèi)、對外收集信息，優(yōu)化船體功能，也可以使其在復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自動駕駛。
在這樣的條件下，乘員的工作生活條件得到了大幅度的改善。
結(jié)語
從2016年12月20日完成第一塊鋼材點(diǎn)火切割，到2018年9月下水，再到昨天傳來消息“雪龍2”號首度在南極破冰，中國積累了極地船規(guī)則規(guī)范經(jīng)驗(yàn)，掌握了雙向破冰船型設(shè)計(jì)、PC3級破冰船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和破冰船低溫防寒設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，打造了一支日趨成熟的科考船設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。在雪龍2號這樣的中型破冰船的基礎(chǔ)上，中國即將開展“極地重型破冰船關(guān)鍵技術(shù)研究”的重大科研專項(xiàng)，進(jìn)一步進(jìn)軍到重型破冰船領(lǐng)域。
