114塊「積木」搭出「雪龍2」號，中國極地破冰船為啥難造？

出品 | 網易新聞

作者 | 陳俊宇，清華大學機械系博士生

　　一個多月前，中國第一艘自主建造的極地科學考察破冰船在上海下水，並正式命名為「雪龍2」號，這標誌著中國極地考察現場保障和支撐能力取得新突破。

　　「雪龍2」號有什麼與眾不同之處？極地破冰船與普通船隻相比，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）極地破冰船是怎麼破冰的？

　　冰對運輸是危險的。

　　除了被撞和沉沒的明顯危險外，一艘船可能被封閉的冰困住，被迫在數月或超過一年的時間裡漂流數百乃至數千海里（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，甚至雪龍號本身還一度受困，這也說明了極地航運的風險。

　　面對極地條件，所有的極地船舶都會對自身結構進行加強，而極地破冰船就是極地船舶中十分重要的種類，可以單獨在極地前行，也可以為整個艦隊在極地開闢航道。

　　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人想像的那樣是從中間向兩側劈開，而一般是在豎直方向施力，將冰壓壞或者頂壞的。這是因為，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力（即壓強）接近於零，而豎直方向上則可以將冰破開。

　　破冰船的破冰方法包括頂推法、首壓法、舷壓法、衝撞法、氣力法等，其中，最常見的方法就是頂推法，依靠破冰船前進時所具有的衝力，以及螺旋槳的推進力、自身堅硬的外殼和上翹的船首將冰層劈開撞碎，適用於破較薄的冰層。

　　其他的方法還包括首壓法，即利用船體重力使破冰船衝上冰層將冰壓碎，並通過調節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所產生的巨大推動力，從而「爬」上冰面，此時船頭利用自身的重量將冰層壓碎，進而開闢出航道；

　　衝撞法（徒步破冰法）多用於冰層較厚的情況下，利用破冰船船頭部位吃水淺的特徵，加大馬力衝到冰面上，船體依靠自身的重量進行一次破冰，然後破冰船倒退一段距離，再次開足馬力衝上前面的冰層進行二次破冰；

　　氣力法是通過氣泡系統將壓縮的空氣從船體底部噴出，使船側的冰塊受到向上的浮力作用，並隨著氣泡上升破裂，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備，可對低溫船體進行加熱，避免船體結冰，從而避免船體鋼材因低溫導致韌性降低，同時避免船側碎冰再次凍結。

　　破冰能力是極地破冰船最重要的參數之一，可分連續航行破冰能力和反覆衝壓破冰能力。目前，從動力系統角度來看，大多數柴電破冰船其連續航行破冰能力在1.2米以上，較為先進的可破開1.8米厚的冰層，而核動力系統破冰船可連續破開2～3米的冰層。

　　在連續航行破冰受限的情況下，破冰船會以反覆衝壓的方法進行破冰作業。一般來看，破冰船的反覆衝壓破冰厚度通常是連續航行破冰厚度的2～4倍左右。

（二）破冰船的建造難在哪兒？

　　目前，中國由於缺乏冰水池，船舶設計、低溫材料與配套技術發展受到嚴重影響，極地船舶數量和技術水平極大落後於歐洲、俄羅斯、日本、韓國等國家和地區。以破冰船為例，中國目前唯一能在極地破冰前行的船隻為正在服役的「雪龍」號，屬於中國第三代極地破冰船和科學考察船，同時也是中國最大的極地考察船。

　　而俄羅斯有30餘艘破冰船，最大的一艘破冰船可以在北極的任何海域航行並執行任務，航行時可破冰層厚度達3米；美國曾擁有僅次於俄羅斯的破冰船艦隊，包括5艘極地破冰船。

　　那麼破冰船的建造難度到底在哪裡呢？是什麼因素制約了之前中國破冰船的發展？我們從基礎理論、船體設計、動力系統幾個方面來介紹。

（1）基礎理論：冰載荷計算還有很長的路要走

　　船舶在冰區中航行會由於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行冰區船舶設計的基本能力要求。

　　冰載荷一直以來都是國內外相關研究人員關注的熱點。目前冰載荷計算主要採用理論分析、試驗測試和計算模擬三類方法。與波浪載荷相比，冰載荷的研究歷史尚短，理論還不成熟，還需要系統的開展相關的研究。

（2）船體設計：耐低溫結構材料目前仍依賴進口

　　2009年，中國正式啟動「雪龍2」號新建極地科考船建設項目，當時國內船舶設計單位對極地船舶的認識僅停留在理論階段，缺乏實際經驗和論證條件，無法獨立完成破冰船船體結構的設計。

　　國務院確立了「國內外聯合設計、國內建造」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計公司提出了相應的定製化需求：新一代的科考破冰船「底盤」要好，確保其服役壽命；同時，為了提高船舶的破冰能力和靈活性，「雪龍2」號要採用全迴轉推進，可以實現雙向破冰。

　　芬蘭公司開始提供的船體設計方案的母型船是一艘貨船，無法滿足科考需求，在中國相關研究單位的優化下，船的設計在敞水性能、行船穩定性等方面得到了優化，其中做了大量的研究工作。

　　為了防止低溫對船體的損害，在船體結構設計中，一般選取特殊低溫高性能鋼材，並在船艏、船艉和水線附近對其進行加厚。

　　中國現有的高級別超高強海工鋼主要採用淬火+回火生產工藝，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口。

（3）動力系統：極端天氣條件下工程應用相比國外仍有差距

　　極地船舶的航行環境惡劣，極低的環境溫度會影響船舶電氣設備及其器部件的運行性能，降低可靠性，影響船舶的正常航行、作業與生活。

　　對於極地科考船，它們在破冰過程中，由於冰載荷的隨機波動性，船舶電力推進系統將處於隨機性、衝擊性負載作用的極端運行工況，這對電力推進系統的設計與變頻控制提出了極高的要求。

　　中國目前已經掌握了船舶電力推進系統的大部分關鍵技術，並且在電制形式、功率密度、運行效率等方面優於國外，但在極端天氣條件下的工程應用還與國外有較大差距。

　　另外大負荷下結構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，難於纏繞甚至出現斷股現象；低溫下機械設備內外部結冰，發動機啟動困難，液壓系統卡死，無法正常工作；在極低溫度下，齒輪箱中電機、齒輪線等機械傳動部件中的潤滑油會過於粘稠導致阻力升高，甚至出現齒輪箱或天線因冰凍而無法工作的情況。

　　這些都需要一一解決。

（三）「雪龍2」號有哪些新特點？

　　雪龍二號長122.5米，寬22.3米，航速12-15節，續航力達到兩萬海里，接近繞地球一周，定員90人，能在極地1.5米厚冰、0.2米雪情況下連續破冰行駛，破冰能力達到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號還具有以下幾個新特點：

首尾雙向破冰

　　雪龍二號是全球第一艘採用船艏、船艉雙向破冰技術的極地科考破冰船，在遇到很難「拱」的冰脊時，船體可以轉動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，雪龍號曾經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。

月池液壓倉

　　以往極地科考中，科考隊員進行採樣、布放探測器等科考操作時都是站在船邊，安全隱患很大，同時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3米見方、深達底層甲板的「井口」，被稱為「月池」。科考儀器設備可以從這裡直接入水，即便是100%海冰覆蓋的海區也能進行採樣作業，在這裡工作也比室外要溫暖舒適得多。

智能化管控平台

　　「雪龍2」號擁有一套集智能航行、智能能效、智能機艙、智能船體的綜合平台，控制著整個船體系統。

　　船上共安裝設置了7000多個智能感應「神經系統」，可以對內、對外收集信息，優化船體功能，也可以使其在複雜的環境中實現自動駕駛。

　　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。

結語：我們的未來是星辰大海

　　從2016年12月20日完成第一塊鋼材點火切割，到2018年9月下水，「雪龍2」號的建造歷時近兩年。通過「雪龍2」號項目，中國積累了極地船規則規範經驗，掌握了雙向破冰船型設計、PC3級破冰船結構設計和破冰船低溫防寒設計等關鍵技術，打造了一支日趨成熟的科考船設計團隊。在雪龍2號這樣的中型破冰船的基礎上，中國即將開展「極地重型破冰船關鍵技術研究」的重大科研專項，進一步進軍到重型破冰船領域。

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編輯| 史文慧

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