中国极地科考破冰船航行实践和未来极地船型发展建议_黄嵘.pdf

72中国极地科考破冰船航行实践和未来极地船型发展建议黄 嵘（中国极地研究中心 上海 2 0 1 2 0 9）摘 要：随着世界各国对于南北两极地区资源与权益活动的争夺进一步升温，极地越发成为关注热点。中国“十四五规划”及国家新的极地战略方针，对新的极地装备提出了迫切需求。文中介绍了“雪龙”号和“雪龙 2”号极地科考破冰船近几年的航行情况，并结合我国南北极考察使用需求，提出了我国亟须建设极地重型破冰船的迫切要求；同时选取国外典型极地重型破冰船，分析了最新动力推进系统配置特点，提出对我国重型破冰船的破冰能力、防寒能力及动力形式建设的建议。关键词：重型破冰船；破冰能力；防寒能力；推进形式中图分类号：U674.81；U675.5+7 文献标志码：A DOI：10.19423/ki.31-1561/u.2023.01.072Sailing Practice of Chinese Polar Icebreakers and Suggestions on the Development of Polar Ship Types in the FutureHUANG Rong(Polar Research Institute of China,Shanghai 200136,China)Abstract:With more and more heated resource and rights activities in the Antarctic and Arctic regions around the world,the polar regions have become a hot spot.Chinas 14th Five-year Plan and the new national polar strategy have put forward an urgent demand for new polar equipment.In this paper,the navigation of“Xuelong”and“Xuelong 2”polar icebreakers in recent years was introduced,and the urgent need to build Chinas polar heavy icebreakers according to the needs of Chinas exploration in the Antarctic and Arctic regions is put forward.In addition,the configuration characteristics of the latest power propulsion system are analyzed based on typical heavy polar icebreakers abroad,and the capacity,cold resistance capacity and power type of heavy icebreakers in China are also discussed in the paper.Keywords:heavy icebreaker,ice-breaking ability,cold-resistant ability,power propulsion form收稿日期：2022-11-21；修回日期：2023-01-05作者简介：黄 嵘（1976-），男，本科，正高级轮机长。研究方向：极地船舶动力配置研究。0 引 言两极地区（北纬 66 以北，南纬 60 以南）的陆地面积约 2 200 万 km2，其中南极洲面积约为 1 400 万 km2，是全球纬度最高的大陆，绝大部分地区常年被冰雪覆盖1。海洋面积约 3 300 万 km2，海洋约占两极地区总面积的 60%。随着北极海冰的迅速融化、两极大陆架油气资源的高度预期2，以及冰区海洋生物资源商业捕捞可能性的增加，两极海洋作为极地战略目标区域的重要地位日益凸显，刺激和引导各极地考察国家战略投资的方向朝向这片冰封的海洋及其洋底的大陆架区域。近年来，极地资源与权益的纷争暗流涌动，约6 000 万 km2无明确主权归属的陆地和海洋蕴藏的丰73黄 嵘：中国极地科考破冰船航行实践和未来极地船型发展建议2023年第1期总第202 期专题三富战略资源对人类未来的可持续发展影响至关重要。世界主要的国家（如美国、德国和澳大利亚等）3-5近年来在较高的极地考察能力基础上进一步加强了对于极地的投入力度，我国作为世界上第二大经济体，在新一轮的极地多元化考察和资源探索中也应有所作为。面对国际上对南北极潜在利益争夺进一步升温的态势，我国除在政策、法规和科研等领域加强对极地的深度研究之外，非常有必要进一步加强我国的极地考察平台建设6，全面提升目前主要依赖于站基的南北极考察能力，努力建设一支可周年性活动在极地区域的极地破冰船队，有效拓展极地考察的空间地理范围和考察时间尺度。有关主权权益的调查活动具有明显的紧迫性，因为这类活动总是表现出历史单向性和唯一性。如有关主权权益的调查活动需要超过10 年以上的时间才能完成，将会直接影响维权决策的科学性和时效性。按照上述思路考虑，我国极地工作实际需要的工作船舶应该不少于美俄两国的规模，否则将永远无法与国际先进的极地工作同步。因此，我国极地工作的理想常态为极地破冰船保用量 5 6 艘，从而更好地以国家战略为先导、以科学考察为载体、以船基的长时间大范围考察方式为基础，为我国在极地区域主权、资源和科学方面取得必需的成果。无论未来国际局势如何变幻，我们将以雄厚的实力全面提升我国在国际极地事务上的发言权和影响力，为我国取得更多更大的极地权益，成为一支重要的力量，助推中华民族在 21 世纪中叶迎来伟大复兴。1 我国极地科学考察船现状我国的极地考察任务由中国极地研究中心承担。中国极地研究中心是中国唯一专门从事极地考察的科学研究和保障业务中心，现有“雪龙”号7和“雪龙 2”号8共 2 艘极地科考破冰船，以及 4个南极考察站和 2 个北极考察站。目前每年由 2 艘雪龙系列的极地科考破冰船为南极考察站提供物资保障，同时进行极地冰区和大洋考察任务。“雪龙”号是我国于 1993 年从乌克兰购买的 1艘北极多用途船，原属乌克兰赫尔松船厂，破冰等级为PC6。该船自1994年购入后，已历经数次改装，从原先的北冰洋多用途船改装成为兼备极地科考和货运的极地科考船，到目前为止一共承担了 24 次南极考察和 9 次北极考察任务。“雪龙”号最近一次改装于 2004 年启动论证，至 2013 年完成（两期改装）。改装工程进行了总布置优化及设备更新换代，融合了船舶平台、科考平台、物流平台、绿色节能、航空保障、极地救援、通信指挥、适航性、操纵性、舒适性、安全性和电气自动化的提升，并挖掘改进破冰潜能，使“雪龙”号转变为 1 艘兼具敞水、极地科学考察功能，可为极地考察站提供物资运输保障的极地破冰科学考察船。该船目前概况如图 19所示。图 1 “雪龙”号船舶概况图“雪龙 2”号极地科考船是中国首艘自主建造的极地科学考察破冰船，于 2019 年 7 月交付使用。该船还是全球首艘采用船首和船尾双向破冰技术的极地科考破冰船，实船照片如下页图 2 所示。74图 2 “雪龙 2”号实船图（摄于 2019 年 11 月）“雪龙 2”号能够在 1.5 m 厚冰+0.2 m 雪中连续破冰航行，填补了中国在极地科考重大装备领域的空白。该船由国外公司完成基本设计，国内由中国船舶与海洋工程设计研究院完成详细设计，江南造船厂实现建造。其总长122.5 m、排水量约1.4万t、破冰等级为 PC3，满足包括极区在内的无限航区航行和作业需求，艏向破冰时能以 2 3 kn 航速连续破 1.5 m 厚的冰+0.2 m 的雪；艉向破冰可在 20 m当年冰的冰脊中（含 4 m 堆积层）不被卡住，且可实现冰区快速掉头10。综合上述，我国现有考察船的总体情况为最大破冰能力 PC3，根据船舶的现有能力，在每年北半球夏季时进行北极考察任务，在南半球夏季时进行南极考察任务。2 近 3年中国极地考察航行情况自 2019 年“雪龙 2”号交付使用后，我国的极地考察能力实现大幅提升，为我国的极地考察和大洋科考注入了新的活力，近几年的极地考察任务得到加强扩充。2.1 中国第3 6 次南极考察“雪龙 2”号于 2019 年 10 月 15 日启航首航南极，与“雪龙”号一起展开“双龙探极”，形成中国南极考察新格局。两船于 11 月 15 日到达中山站外围浮冰区，期间曾发生 2 次“雪龙”号在普里兹湾九层浮冰区中被卡后无法动弹，随后靠“雪龙 2”号掉头解救的情况，如图 3 所示。图 3 “雪龙 2”号在浮冰区中解救“雪龙”号11 月 21 日中午，“雪龙 2”号正式开始第 1次对中山站外陆缘冰进行破冰作业，破冰照片如 图 4 所示。当年冰情良好，整体冰厚 1.35 1.55 m、雪厚 40 80 cm，“雪龙 2”号穿越冰山群，共计花费 11 h 左右，破固定冰超过 14 n mile（25.928 km），到达了神州湾北部区域，距离中山站约 10 km。图 4 “雪龙 2”号中山站外首次破陆缘冰“雪龙”号跟航“雪龙 2”号开辟的航道，得以挺进中山站陆缘冰纵深，很大程度上缩短了运货距离，大大提高了中山站物资的卸货效率。本次考察双龙船队在 11 月份距离中山站约 10 km，是我国极地考察船装备在南极考察季前期，首次较近距离接近中山站，大大缩短了物资装备和油料补给的运输距离，同时节省了物资装卸时间，为考察船队执行考察任务延长了时间窗口期。“雪龙 2”号的首航极大地鼓舞了极地考察工作人员的士气，凸显了我国极地装备能力的提升。2.2 中国第3 7 次南极考察“雪龙 2”号于 2020 年 11 月 10 日从上海起航，奔赴南极执行科学考察任务，本次为“雪龙 2”号单船航行。2020 年 12 月 19 日 2100，“雪龙 2”75黄 嵘：中国极地科考破冰船航行实践和未来极地船型发展建议2023年第1期总第202 期专题三号穿过普里兹湾冰间湖到达固定冰外浮冰区。浮冰区北面边缘为南纬 6838，浮冰区密度 9 10 层，冰厚约1.2 m，积雪约50 cm。经过9 h的浮冰区航行，其中冲撞破冰 4 次（破冰记录如表 1 所示），于 12月 20 日 0600 到达中山站外固定冰外缘，外缘位置位于南纬 6902 附近。表 1 第 3 7次南极考察“雪龙 2”号中山站外固定冰破冰数据记录起 点止 点冰厚/m积雪/cm破冰时长/h破冰/km6901.6S 07618.8E6903.2S 07617.8E1.3 1.450 801636903.2S 07617.8E6904S 07616.5E1.2 1.540 501.21.76904S 07616.5E6905.7S 7617.4E1.3 1.5 乱冰夹杂冰脊50 100243.26905.7S 07617.4E6906.6S 07618.2E1.2 1.560 806.52当年冰情不理想，整个固定冰区域以乱冰为主且存在较多冰脊，其中较大的冰脊多呈东北-西南向，普里兹湾东侧传统破冰路线上多为乱冰，并分布较多冰脊及冰山。图 5 为 2020 年 12 月 20 日所测得的中山站附近冰情图。图 5 2020 年 12 月 20 日中山站附近冰情图从海冰服务专题信息和实际探冰情况来看，无论哪个方向进入固定冰都较为困难。经过综合评判规划，确定了相对较好的破冰路线后，“雪龙 2”号在中山站外固定冰区域开始破冰。当时由于冰厚 1.2 1.5 m、积雪 40 100 cm，且间断性夹杂多年冰脊等原因破冰受阻，此次破冰共进行了 5 d，最后船舶停航位置距离中山站约 27 km，开始使用直升机从船上远距离吊运物资至中山站。“雪龙 2”号无法到达距离中山站更近的位置，使我们认识到了现有极地装备能力的局限性。2.3 中国第3 8 次南极考察2021 年 11 月 5 日，中国第 38 次南极科学考察队继续前行。“雪龙”号从上海先行出发前往中山站，“雪龙 2”号于 11 月 23 日出发前往南极长城站等地执行科考任务，本次考察为第 2 次进行双龙探极。“雪龙”号于 12 月 3 日进入普里兹湾浮冰区，12 月 5 日抵达中山站陆缘冰外围。此次冰情与上一年度类似，陆缘冰外围还有 2 n mile 左右的乱冰带，冰厚逾 2 m，已远超“雪龙”号的破冰能力。经过 18 d 的艰苦破冰，于 12 月 23 日停止前进。最终，船舶停航位置距离中山站约 28 km，第 1 阶段的卸货等工作只能借助直升机吊运作业，时间与油料消耗大大增加。2.4 中国第1 1 次和1 2 次北极考察2020 年 7 月 15 日，中国第 11 次北极科学考察队暨“雪龙 2”号首航北极从上海启航，于 9 月28 日顺利返回位于上海的中国极地考察国内基地码头，历时 76 d，航程超 1.38 万 n mile，冰区航行5 152 n mile（航时约 696 h）。2021 年 7 月 12 日，中国第 12 次北极考察队搭乘“雪龙 2”号从上海起航，历时 79 d，航程 1.4万 n mile，冰区航行超 5 100 n mile。2021 年 9 月28 日，圆满完成考察任务后，“雪龙 2”号顺利返76回上海基地码头。“雪龙 2”号进行的 2 次北极考察任务，由于受考察航线上冰厚、密度及考察时间等综合因素限制，最高纬度分别到达 8610.14N 和 8609.56N，未能到达北极点。2.5 我国极地科考特点通过第 36 38 次南极考察和第 11 12 次北极考察的船队航行情况可以发现，目前我国的两极考察任务由于装备能力因素，具有如下 特点：（1）时间限制。目前的极地科考船只能在极区夏季进行，极区冬季无法进入，也就意味着时间段制约着我国的极地科考能力。（2）地点限制。主要是当年冰情条件相对理想，但随后 2 年由于冰情、雪厚和冰脊等多种因素以及编队中雪龙船能力的限制等问题，船舶无法更接近考察站。为了节省时间、减少船站之间的货运距离，应该进一步向更厚冰层区域突进，突破地点的限制，实现新的能力提升。两极地区由于能源和地缘政治及战略因素等，越来越被各国所重视，且美国和俄罗斯等西方国家的极地装备能力建设十分强大，我国的装备十分有必要突破时间和地点限制，使之能到达我们想去的地方和能够去的地方，这就需要不断提升极地装备的能力。因此，我国亟需建设更强大的极地装备重型破冰船。3 重型破冰船研究现状及建设需求3.1 国外重型破冰船建设情况虽然破冰船的发展历史长达 120 多年，但如何界定破冰船能力的高低却迟迟未有统一的标准，国际船级社协会在极地级船舶要求中通过 PC7至 PC1 等 7 个级别来界定破冰船在对应环境下的安全航行能力。目前对重型破冰船的通用定义为：结构冰级一般不小于 PC2 级，破冰厚度不小于 2 m，装机功率超过 33 MW，能破多年冰，能长时间在极地绝大部分海域航行的破冰船。俄罗斯、美国和法国是少数几个拥有重型破冰船装备的国家。近几年，国际上主要国家已建、在建及拟建的重型破冰船均有相应计划，都在提升两极地区的装备能力。俄罗斯近几年重型破冰船的建造包括新“北极”级（Arktika-Class）首制船“Arktika”号（如图 6所示），其已于 2020 年 10 月交付。该型船任务使命主要是为包括大型 LNGC 在内的运输船提供抵达俄罗斯各资源产出地港口的破冰服务，并为浅海区的码头、海洋平台及油田等提供物资燃料与设备运输补给。该型船长 173.3 m、宽 34 m，满载排水量 3.35 万 t，装备 2 套 175 MW 的 PITM-200 压水反应堆，最大推进功率 60 MW。新“北极”级破冰能力达到以 2 kn 持续破冰 2.8 2.9 m，该船为电力推进，推进形式为推进电机驱动三轴桨驱动11。图 6 俄罗斯新“北极”级“Arktika”号“领袖”级（Lider-Class）是俄罗斯冰山设计局主持研发的最新一代重型破冰船12，如图 7 所示。图 7 俄罗斯“领袖”级（Lider-Class）其任务使命较新“北极”级而言，除了保持全年东北航道的畅通，还需要保持从航运经济性角度考虑的引航航速。从破冰能力看，该型船的设计指标达到了以 2 kn 在 4.3 m 层冰（考虑 0.2 m 积雪）77黄 嵘：中国极地科考破冰船航行实践和未来极地船型发展建议2023年第1期总第202 期专题三持续破冰航行，而在 2 m 层冰中的连续破冰速度则达到 12 kn。该船推进形式也是电力推进形式，由推进电机驱动轴系和螺旋桨。“Viktor Chernomyrdin”号破冰船（LK-25）是目前俄罗斯采用常规动力的重型破冰船，已于2020 年交付。其船长 146.8 m、船宽 28.5 m、吃水 9.5 m、满载排水量 22 600 t，破冰等级为 PC2 级，采用柴电推进，最大推进功率 25 MW。该船采用两边吊舱加中间轴桨的推进方式，最大航速 17 kn，破冰能力为 2.1 m，船舶概念图如图 8 所示。图 8 俄罗斯“Viktor Chernomyrdin”号破冰船美国海岸警卫队（USCG）极地安全舰（Polar Security Cutter）预计在 2025 年实现首舰交付，满载排水量约 23 300 t，冰级 PC2 级，采用柴电动力系统，推进功率达到 33.7 MW，如图 9 所示13。全船采用中间一组轴桨加两侧吊舱的混合推进模式。此种推进方式是近年来在重型破冰船型应用较多的方案，一方面吊舱提供了在冰区良好的操纵与回转性能，另一方面根据敞水、冰区等不同的功率需求切换推进形式和功率分配，有效提升综合节能效果。图 9 美国重型极地安全巡逻舰加拿大也在加紧建造自己的重型破冰船“John G.Diefenbaker”号，如图 10 所示，公布的首舰交付时间预计为 2030 年。该船排水量约 23 700 t、冰级为 PC2 级、总装机功率约 39.6 MW、推进功率达到 34 MW，采用 12 MW 的中间吊舱和两侧 11 MW 的轴桨混合推进方式14。该型重型破冰船功能包括物资运输、科学考察和模块化搭载等多种功能。根据资料显示，其具备在 2.6 m 层冰厚度下连续破冰航行的能力，且具有较好的冰区回转、星状回转操作性能。该船为电力推进，推进形式为两侧电机驱动轴系及螺旋桨，中间为个吊舱推进器。图 10 加拿大重型破冰船“John G.Diefenbaker”号对上述提到的国际、国内重要破冰船性能进行汇总整理，结果见表 2。表 2 典型破冰船性能汇总表船 名船长/m船宽/m满载排水量/万 t最大推进 功率/MW最大航速/kn破冰能力/m中国“雪龙”号16722.62.1013.217.91中国“雪龙 2”号122.522.31.5015151.5俄罗斯“Arktika”号173.3343.3560222.9俄罗斯“Lider-Class”号20947.77.13120224.378续表 2船 名船长/m船宽/m满载排水量/万 t最大推进 功率/MW最大航速/kn破冰能力/m俄罗斯“Viktor Chernomyrdin”号146.828.52.2625172.1美国“Polar Security Cutter”号140.226.82.3333.7172加拿大“John G.Diefenbaker”号150.5282.3534202.53.2 我国对重型破冰船建设要求通过实施目前和未来新的科考破冰船项目，打造一支能够执行科考任务和保护北极安全环保发展前景的中国科考破冰船队，对维护我国极地战略利益具有十分重要的意义。同时，通过实施科考破冰船项目这一典型示范工程，将科考破冰船的关键和基础技术延伸至冰区航行船舶领域，提升船型技术的关联应用，实现冰区航行船舶设计建造和冰区船用设备开发的突破，实现“装备先行”战略。结合我国的极地考察任务需求，为了突破时间限制和地点限制的要求，替代现有的雪龙船功能，拓展提升新船的功能，拥有极地补给、极地科考、破冰开道和应急救援等功能。我国的重型破冰船的建造设想，从地理位置应考虑较强的续航力和适航性；采用最优船型设计和综合经济性最佳的动力推进系统，破冰能力满足在两极水域中等厚度多年海冰中破冰航行，建议破冰能力不低于 PC2 等级；防寒能力能实现-40的极地气温覆盖15-16；从实践操控灵活性、船舶机动性能以及螺旋桨冰堵所需超扭矩性能等方面综合考虑，电力推进方式比常规主机加上 CPP 推进形式更具优越性和安全性，并且考虑推进器在保障设备可靠性的前提下提升国产设备的应用17。推进形式的考虑需兼顾如下工况：（1）极地破冰能力的需求；（2）多工况作业特点以及长航程航行需求；（3）兼顾船舶科考作业功能的灵活操纵性要求。4 结 语本文对我国极地科考破冰船现有能力分析，结合近几年极地实船航行情况，引出我国的重型破冰船的建设需求，同时简要介绍了近年国外重型破冰船的建设情况，基于我国重型破冰船的任务使命和船舶航行工况需求，主要建议如下：（1）未来我国极地装备的建设需求应定标为重型破冰船，破冰能力不低于 PC2 级，防寒能力能覆盖-40 的极地气温环境，突破现有雪龙系列船的“时间限制、地点限制”，改善目前我国极地考察任务以船舶能力来进行的局面；（2）新型极地重型破冰船除替代“雪龙”号的科考和物资运输功能外，应进一步提升能力，实现和“雪龙 2”号的能力互补、编队航行，在保有目前能力的基础上实现新突破；（3）推进形式满足高冰级等级需求，充分考虑选取破冰能力强大、能有效服务科考特点、船舶操纵机动灵活性等方面的推进形式，满足极区船舶功能需求；（4）结合现有船舶管理和船员操作人员综合能力，以及未来两极地区的“和平利用、绿色环保”等特点，主动力采用常规柴电动力。参考文献1 惠凤鸣,程晓,刘岩,等.改进的南极洲陆地卫星影像镶嵌图J.中国科学：地球科学,2013（1）：131-142.2 师桂杰,冯加果，康美泽，等.极地海洋工程装备的应用现状及关键技术分析J.中国工程科学，2021（3）：144-152.3 BERGSTROM M,LI F,SUOMINEN M,et al.A goal-based approach for selecting a ships polar classJ.Marine Structures,2022,81:103123.79黄 嵘：中国极地科考破冰船航行实践和未来极地船型发展建议2023年第1期总第202 期专题三4 VALTONEN V,BOND J,HINDLEY R.Improved method for non-linear FE analysis of polar class ship primary structuresJ.Marine Structures,2020,74:102825.5 BROWNE T,VEITCH B,TAYLOR R,et al.Consequence modelling for Arctic ship evacuations using expert knowledgeJ.Marine Policy,2021,130:104582.6 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