袁卓立，樂曉凌，陳家旺，左廣宇，楊望笑

（1.中國極地研究中心，上海 200136；2.浙江大學，杭州 310058；3.太原理工大學，太原 030024）

0 引 言

近年來，北極海冰加速融化，氣候預測結(jié)果表明，到2040～2050 年北極夏季的海冰有可能完全消失，這將促進“北極航道”的進一步開通[1-2]。北極航道包括西北航道、東北航道和中央航道，航道一旦開通，東亞與西歐之間的海上距離可縮短5 000～9 000 海里，而且能夠擺脫蘇伊士運河、馬六甲海峽、巴拿馬運河的通航噸位限制[3-4]。目前北極航道中的東北航道已經(jīng)開始進入季節(jié)性商業(yè)利用的新階段，2013 年8 月我國中遠“永盛”輪從大連港出發(fā)并經(jīng)東北航道順利到達荷蘭鹿特丹港。西北航道的商業(yè)試航在2012 年也已經(jīng)開始，中國第八次北極科學考察已經(jīng)實現(xiàn)了中央航道的穿越[5]。海冰依然是目前北極航道利用的最不確定因素，北極航道沿線海冰的密集度、厚度等物理指標是北極航道是否具備適用性的最重要參考依據(jù)[6]。然而，無論是北極航道的開拓與利用，還是投資和工程承包等其他經(jīng)濟活動，都面臨同樣的決策難題：缺少北極航道水域長期的、連續(xù)的觀測資料；存在大量的基礎(chǔ)信息盲區(qū)，從而缺乏北極海冰、水文、氣候等環(huán)境條件變化趨勢可靠的判斷依據(jù)；參與北極開發(fā)和航道利用的決策存在較大的不確定性風險。

北極海洋、海冰、氣候的基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)觀測，以往大量依靠破冰船船基考察，但船基考察具有季節(jié)性的特點，考察主要集中在夏季非常有限的時間周期，導致對春季海冰融化以及秋季凍結(jié)等關(guān)鍵過程缺乏了解，而這些過程對于了解海冰過程極為關(guān)鍵。通過布放在海冰上的冰浮標對環(huán)境數(shù)據(jù)進行長期連續(xù)采集是解決這一問題的有效手段。國際北極浮標計劃（IABP）于1991年正式成立，在北冰洋布放了大量冰浮標，成立了冰浮標觀測網(wǎng)絡(luò)。近幾十年來觀測網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)大量的北極環(huán)境劇烈變化現(xiàn)象，如氣壓下降氣溫上升、波弗特渦旋減弱等，所獲得的觀測數(shù)據(jù)為北極海冰預報提供了重要檢驗和預測依據(jù)[7-8]。但是目前美國、加拿大、德國等國圍繞IABP 研發(fā)的冰浮標主要關(guān)注表層氣壓、海冰溫度、海冰運動等，雖然技術(shù)成熟，但單系統(tǒng)觀測的參數(shù)不多，目前尚未成熟地研發(fā)出一套觀測系統(tǒng)可以涵蓋上層海洋、海冰、表層大氣三界面的多參數(shù)協(xié)同觀測[9]。我國在極區(qū)冰浮標技術(shù)開發(fā)上起步較晚，2003年國家海洋技術(shù)中心成功研發(fā)了一套極區(qū)海洋環(huán)境自動監(jiān)測浮標，但此浮標旨在對氣象和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進行觀測，無法實現(xiàn)海冰觀測[10-11]。我國北極科學考察開始于1999年，至今已開展了11次北冰洋海洋學考察，但受到了北極惡劣的氣候環(huán)境影響，以及我國后勤支撐能力的限制，我們目前的北極考察都只局限于夏季，嚴重缺乏對北極冬季的海-冰-氣相互作用過程的認知，從而制約了海冰預測預報能力的提高。

因此，本文提出了一套可實現(xiàn)大氣邊界層-海冰-冰下海水基礎(chǔ)環(huán)境參數(shù)自動獲取的海-冰-氣無人冰站系統(tǒng)，并對其進行了穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強度仿真研究，觀測系統(tǒng)將來通過組網(wǎng)式布放構(gòu)成陣列式觀測體系，預期可為北極海冰快速變化機制和北極航道適航性研究提供長期連續(xù)且穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)支撐。

1 無人冰站系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型海-冰-氣三界面無人冰站觀測系統(tǒng)設(shè)計布放于北極的海冰上，布放后隨著海冰在北冰洋一起漂流，通過系統(tǒng)傳感器自動觀測海冰下方上層海洋、海冰以及海冰上層底層大氣的相關(guān)科學參數(shù)，通過銥星模塊將這些參數(shù)傳輸回國內(nèi)總部，全程無人值守。

海-冰-氣無人冰站的觀測系統(tǒng)由三個觀測子系統(tǒng)組成，分別為大氣觀測子系統(tǒng)、海冰觀測子系統(tǒng)和上層海洋觀測子系統(tǒng)，如圖1 所示。大氣觀測子系統(tǒng)配備了2 m 層位的溫度傳感器、濕度傳感器和大氣壓力傳感器；海冰觀測子系統(tǒng)配備了積雪深度傳感器、海冰厚度傳感器、海冰溫度鏈傳感器和海冰光輻射傳感器；上層海洋觀測子系統(tǒng)配備了5 個層位溫鹽傳感器、1 個層位溫鹽深傳感器、2 個層位的葉綠素傳感器和2個層位的溶解氧傳感器。

圖1 海-冰-氣無人冰站系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic of ocean-ice-atmosphere observation system of unmanned ice station (UNIS)

三個觀測子系統(tǒng)被搭載在無人冰站主浮標和副浮標兩個結(jié)構(gòu)本體上，主浮標搭載大氣觀測子系統(tǒng)和海冰觀測子系統(tǒng)，副浮標搭載上層海洋觀測子系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。主副浮標的主體構(gòu)件為全密封的鋁合金電子艙，電子艙內(nèi)搭載了電池組、控制器和通訊模塊，內(nèi)部電子器件與外部傳感器通過水密接插件連接，保證在北極凍雨潮濕環(huán)境下主控制器的干燥和可靠性。極區(qū)冰表環(huán)境溫度和冰內(nèi)溫度具有巨大差異[12]，北極冬季差異量可以達到10 ℃以上，冰內(nèi)溫度要大大高于冰表裸露的環(huán)境溫度，因此將電池組、控制器和通訊模塊全部設(shè)計安放在電子艙冰表面高度以下的艙體區(qū)域，避免環(huán)境溫度過低損耗電池組供電效能和供電能力，也避免低溫對系統(tǒng)控制電路可靠性造成影響。主副浮標的電子艙上端安裝有氣象/通訊支架，支架為八爪魚結(jié)構(gòu)，支架上的氣象傳感器、GPS 傳感器和銥星天線通過空心支架內(nèi)部管線與無人冰站標體主體控制艙連接，此封閉式設(shè)計可有效避免傳感器和天線線路暴露在外面，避免其受到北極熊、凍雨等物理破壞。

圖2 海-冰-氣無人冰站主浮標（左）和副浮標（右）結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of UNIS main buoy(left)and sub buoy(right)

主副浮標的電子艙和氣象支架均采用6061-T6 航空用鋁合金材料，并進行鍍鋅陰極保護處理。6061-T6鋁合金材料具有強度高、質(zhì)量輕，耐腐蝕等優(yōu)點（見表1），并能有效適用于-40 ℃的工作環(huán)境，結(jié)構(gòu)可靠性有高保障，同時輕便的重量也符合北極野外海冰冰面作業(yè)的客觀惡劣環(huán)境，提高安裝作業(yè)方便程度[13]。主副浮標同時都安裝了一體式浮力材料，浮力材料選用交聯(lián)聚合物材料并外涂環(huán)保聚脲，具有良好的浮力表現(xiàn)[14]。浮力材料能使冰浮標應對冰面可能出現(xiàn)的融池現(xiàn)象，保證融池環(huán)境下整體的觀測能力，同時配合重塊能有效使無人冰站系統(tǒng)在冰完全融化后的海洋工況下，在北冰洋中繼續(xù)以普通海洋浮標的形式繼續(xù)存活，并繼續(xù)進行觀測作業(yè)。

表1 6061-T6鋁合金和交聯(lián)聚合物材料特性表Tab.1 Material properties of Aluminum 6061-T6 and cross-linked polymer

2 無人冰站穩(wěn)性計算

根據(jù)工況需求，當B 型冰站布放的北極浮冰融化時，冰站需要能對自身提供足夠的浮力，使得B型無人冰站能在冰化后作為普通海洋浮標繼續(xù)工作，因此需要計算B 型無人冰站的重心和浮心位置。為便于計算，以無人冰站主副浮標標體電子艙底部圓心為原點，建立坐標系，其中O-Y軸垂直向上，O-X軸與靜水面平行，如圖3所示。

圖3 無人冰站主浮標（左）和副浮標（右）的穩(wěn)性示意圖Fig.3 Stability diagram of main buoy(left)and sub buoy(right)of UNIS

通過對無人冰站主浮標和副浮標的零部件進行重量計算，得出主浮標的總重約為118 kg，副浮標的總重為129 kg。通過計算得到主浮標的重心位置在0.15 m 處，設(shè)計浮力材料即聚脲浮力塊安裝在0.87 m 處。浮力塊可提供100 kg 的浮力，下筒體也能提供60 kg 的浮力，超出所需浮力42 kg，可以為主浮標提供浮力保障。副浮標重心位置在0.10 m 處，設(shè)計浮力材料即聚脲浮力塊安裝在0.5 m 處。浮力塊可提供100 kg 的浮力，下筒體也能提供42 kg 的浮力，超出所需浮力30 kg，可以為副浮標提供浮力保障。

浮體在外力作用下偏離其平衡位置會傾斜，當外力消失后，具有自行恢復到原來平衡位置的能力為浮體的穩(wěn)性。初穩(wěn)性是指浮體在角度小于10°～15°橫搖范圍內(nèi)的穩(wěn)性問題，是衡量浮體穩(wěn)性的重要指標，一般而言，初穩(wěn)性高是衡量浮標初穩(wěn)性的主要指標，即

3 無人冰站結(jié)構(gòu)特性計算與仿真

3.1 靜冰環(huán)境工況下的無人冰站抗風能力計算與仿真

低溫和大風是極區(qū)環(huán)境的主要挑戰(zhàn)，無人冰站在正常靜冰環(huán)境工況下，處于無人值守狀態(tài)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性至關(guān)重要。因此，通過采用ABAQUS有限元仿真軟件，計算分析了無人冰站標體結(jié)構(gòu)在極區(qū)大風環(huán)境下的抗風能力。

在常規(guī)靜冰作業(yè)工況下，無人冰站凍在海冰上，抗風能力主要體現(xiàn)在標體頂部氣象/通訊支架的結(jié)構(gòu)強度上，系統(tǒng)主浮標氣象通信支架結(jié)構(gòu)較副浮標的要更大更復雜，因此采用主浮標的氣象支架作為抗風能力的仿真對象，并對支架在ABAQUS 中進行了模型建模，如圖4 所示。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并建立了網(wǎng)格模型，總網(wǎng)格數(shù)為167 630 個，經(jīng)過計算相對誤差為0.56%，證明此網(wǎng)格模型具備良好的網(wǎng)格無關(guān)性。

圖4 無人冰站主浮標氣象支架網(wǎng)格圖Fig.4 Grid map of weather/communication tower of UNIS main buoy

計算風壓p時，以根據(jù)一定的標準高度和形狀選定的基本風壓值p0為基礎(chǔ)，然后對風壓沿高度的變化和受風構(gòu)件形狀做修正。基本風壓p0可由下式確定：

式中，g為重力加速度，取g=9.8 m/s2；γ為空氣重量密度，取γ=12.01 N/m3；v為設(shè)計風速，單位m/s。于是上式可寫成

在北極極端氣候下，風速最高可以達到12級，12級的風速區(qū)間為32.7～36.9 m/s，取12級風速最大值36.9 m/s代入公式，可得基本風壓為794.45 N/m2。在ABAQUS中，沿x軸正方向施加基本風壓載荷，如圖5所示。經(jīng)過ABAQUS有限元仿真，獲得氣象支架應力云圖，如圖6所示。

圖5 無人冰站主浮標氣象支架基本風壓載荷示意圖Fig.5 Basic wind pressure load to UNIS in ABAQUS

通過應力云圖可以得知，無人冰站主浮標氣象/通訊支架受風壓影響后主要受力集中在氣象支架主支架上，最大應力在主支架和主支架支撐架相連接的上端部，根據(jù)ABAQUS 有限元仿真計算，在風速36.9 m/s，基本風壓794.45 N/m2的條件下，無人冰站氣象支架的最大應力Rmax= 121.74 MPa，Mises 最大應力數(shù)值小于6061-T6 鋁合金的管材抗拉強度Rm= 260 MPa，小于規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2= 240 MPa，證明了無人冰站主浮標主體結(jié)構(gòu)能承受12 級風力的環(huán)境情況，具備相當?shù)慕Y(jié)構(gòu)強度可靠性。

在同樣的網(wǎng)格模型和邊界條件設(shè)定下，計算了1～11 級風速的基本風壓，通過ABAQUS 有限元仿真計算了各級風速下的無人冰站氣象支架的Mises 最大應力值，獲得無人冰站的Mises最大應力曲線，如圖7所示。

圖7 無人冰站結(jié)構(gòu)最大應力與風速的對應關(guān)系Fig.7 Maximum stress under boundary conditions of different wind speeds

3.2 開闊海域工況下的無人冰站抗風能力計算與仿真

當無人冰站所布放的浮冰融化后，無人冰站將作為普通海洋浮標在北冰洋開闊水域進行工作，需具備一定的抵抗風力傾覆能力。系統(tǒng)主浮標露出海面的結(jié)構(gòu)部分較副浮標更高更大，因此選擇無人冰站主浮標作為分析對象，研究現(xiàn)有設(shè)計下主標體在開闊水域的抗風能力。當無人冰站在開闊海域工況作業(yè)條件下，經(jīng)過計算其浮力材料塊露出水面97 mm，在ABAQUS 中對無人冰站進行了模型建模，采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并建立了網(wǎng)格模型，總網(wǎng)格數(shù)為242 931個，經(jīng)過計算相對誤差為0.08%，證明此網(wǎng)格模型具備良好的網(wǎng)格無關(guān)性。

以7 級風速為仿真風速條件，風速13.9 m/s 條件下，基本風壓載荷為103.6 N/m2，在ABAQUS 中，沿x軸正方向施加基本風壓載荷，施加方式為線性施壓，1 s時間風載荷從0 N/m2達到103.6 N/m2，通過ABAQUS有限元仿真得出此時無人冰站主浮標的風載荷力矩M1=196.12 N·m，力矩圖和應力圖如圖9所示。

圖8 無人冰站主浮標開闊水域水面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖（左）和風壓載荷示意圖（右）Fig.8 Grid map of UNIS structure above ocean surface(left)and wind pressure load diagram(right)

圖9 無人冰站力矩圖（左）和應力圖（右）Fig.9 Torque diagram(left)and stress diagram(right)of UNIS

浮體在外力作用下的橫傾力矩公式為

從表2中我們可以看出，浮標在傾角為15°時的復原力矩M0= 216.93 N·m，M1＜M0，風力為7級時的風載荷力矩小于主標體傾角15°時的復原力矩，因此可以驗證主標體在不大于15°的情況下，能抵抗水面上7級風力的載荷，并再恢復正浮狀態(tài)。

表2 浮標復原力矩Tab.2 UNIS restoring moment

4 無人冰站系統(tǒng)的極區(qū)現(xiàn)場應用

在海-冰-氣無人冰站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)并集成了無人冰站樣機三套：第一套無人冰站樣機通過中國第九次北極科學考察航次，在2018年8月18日于北緯84.096 86°，西經(jīng)167.133 94°的北冰洋中央?yún)^(qū)浮冰冰面成功布放，系統(tǒng)在北極無人值守的海冰上連續(xù)生存了25 個月；第二套無人冰站樣機通過MOSAiC 國際合作航次于2019 年10 月10 日在北緯85.182°，東經(jīng)134.533°的北冰洋中央?yún)^(qū)浮冰冰面成功布放，系統(tǒng)連續(xù)生存了10個月；第三套無人冰站樣機通過中國第十一次北極科學考察航次，在2020 年8 月19 日于北緯86.026 03°，西經(jīng)160.512 319°的北冰洋中央?yún)^(qū)浮冰冰面成功布放，系統(tǒng)正常生存至今。三套樣機的北極現(xiàn)場布放照片如圖10～11 所示，三套樣機的GPS 軌跡漂移圖如圖12 所示，圖中標識了九北和MOSAiC 航次布放的兩套無人冰站工作期間的全部漂移軌跡，十一北布放的無人冰站漂移軌跡截止到2020年10月20日。

圖10 九北布放的無人冰站樣機（左）和MOSAiC航次中布放的無人冰站樣機（右）Fig.10 UNIS prototypes in CHINARE 9th(left)and MOSAiC(right)

圖11 十一北布放的無人冰站主浮標照片（左）和2020年8月31日無人攝像頭拍攝到的無人冰站工作照片（右）Fig.11 UNIS prototypes in CHINARE 10th(left)and photo of UNIS buoy taken by camera on August 31,2020(right)

圖12 九北、MOSAiC和十一北航次布放的無人冰站漂移軌跡圖Fig.12 Drift track of UNIS deployed in CHINARE 9th,MOSAiC,and CHINARE 11th

三套樣機圓滿完成了各自航次既定的海-冰-氣三界面無人值守觀測任務(wù)，獲得了大量的觀測數(shù)據(jù)。圖13中的三張圖分別展示了九北、MOSAiC 和十一北航次布放的無人冰站冰面氣溫觀測數(shù)據(jù)。從圖中可以看到，九北航次布放的無人冰站所觀測到最低大氣溫度為-37.8 ℃（2019 年2 月14 日），MOSAiC 觀測到的最低氣溫為-39.8 ℃（2019年3月24日），十一北觀測到的最低氣溫為-28.1 ℃（2020年10月27日），三個航次大部分時間的冰表面溫度都在-35 ℃～0 ℃的區(qū)間內(nèi)，氣溫和環(huán)境條件較為惡劣，但無人冰站的觀測能力和生存能力從側(cè)面證明了海-冰-氣無人冰站系統(tǒng)在極區(qū)環(huán)境下具備適用性和可靠性。

圖13 觀測到的冰表面氣溫數(shù)據(jù)圖Fig.13 Ice surface temperature data observed

5 結(jié) 語

經(jīng)過連續(xù)三年三個航次的現(xiàn)場布放和應用，證明了海-冰-氣無人冰站系統(tǒng)具備了極區(qū)海洋、海冰、大氣三個層位無人值守連續(xù)觀測能力，并在北極惡劣環(huán)境下具備適用性和可靠性。未來預期對無人冰站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電氣進行一體化、模塊化、標準優(yōu)化設(shè)計，通過模塊設(shè)計和快速連接技術(shù)等優(yōu)化工作，提高平臺部件的通用能力、集成能力，提高極區(qū)有限的現(xiàn)場支撐條件下觀測參數(shù)靈活調(diào)整及備品備件冗余性能力，從而提高現(xiàn)場的安裝效率。同時在研發(fā)中加強傳感器等部件的國產(chǎn)化適配推進，降低無人冰站系統(tǒng)的制作成本，推動海-冰-氣無人冰站系統(tǒng)的定型與量產(chǎn)，預期可為北冰洋觀測網(wǎng)絡(luò)提供高可靠性和適用性的觀測設(shè)備支持。