吳 剛，唐文勇，王慶凱，趙炎平，馬喬一，李志軍

（1.上海交通大學(xué)，上海 200030；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；3.大連理工大學(xué)a.海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024；4.中國(guó)極地研究中心，上海 200136；5.中國(guó)船級(jí)社，上海 200135）

0 引 言

南北兩極擁有特殊的地理位置并蘊(yùn)含科學(xué)價(jià)值，開(kāi)展極地科學(xué)考察、開(kāi)發(fā)極地航道等具有重大戰(zhàn)略意義。我國(guó)分別于1984 年和1999 年首次開(kāi)展南極和北極考察，至今已進(jìn)行到第36 次南極考察和第11 次北極考察。近年來(lái)，隨著北極夏季海冰的加速消融，北極航道的經(jīng)濟(jì)效益日趨顯著。我國(guó)自2013 年開(kāi)始參與北極東北航道商業(yè)航行，在一定的季節(jié)、貨品和港口條件下，成本優(yōu)勢(shì)正在逐步顯現(xiàn)[1]。我國(guó)是國(guó)際極地事務(wù)的重要參與方，近年來(lái)積極參與國(guó)際極地事務(wù)合作和科學(xué)考察工作，通過(guò)實(shí)際工作越來(lái)越發(fā)覺(jué)到極地重大工程技術(shù)裝備的重要性。極地工作裝備先行，其中最重要的裝備就是極地破冰船和高等級(jí)的冰區(qū)加強(qiáng)型船舶。而我國(guó)破冰船數(shù)量極少，尤其是能在極地航行的更少；而且，相較于環(huán)極地國(guó)家，我國(guó)仍缺乏極地破冰船的實(shí)船工程經(jīng)驗(yàn)。

“雪龍2”號(hào)是國(guó)際上首個(gè)采用極地規(guī)則設(shè)計(jì)的新一代極地科考破冰船，也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。該船由自然資源部所屬中國(guó)極地研究中心組織實(shí)施，中國(guó)船舶第七〇八研究所設(shè)計(jì)（其基本設(shè)計(jì)與芬蘭阿克北極公司聯(lián)合完成），江南造船廠建造，獲得了中國(guó)船級(jí)社（CCS）和英國(guó)勞氏船級(jí)社（LR）雙船級(jí)認(rèn)證?！把?”號(hào)極地船級(jí)為PC3，設(shè)計(jì)破冰能力為以2～3 kn的航速在150 cm 厚度的冰（彎曲強(qiáng)度為500 kPa）和20 cm 厚度的雪的條件下連續(xù)破冰航行，可實(shí)現(xiàn)極區(qū)原地回轉(zhuǎn)，且不被20 m 厚度的當(dāng)年冰脊卡住。“雪龍2”號(hào)下水后已先后完成傾斜試驗(yàn)、系柱拉力試驗(yàn)、海上試航、科考試航等常規(guī)測(cè)試，而根據(jù)設(shè)計(jì)破冰指標(biāo)，其破冰性能需到極地冰區(qū)進(jìn)行冰上實(shí)船測(cè)試。

破冰船的破冰試驗(yàn)即在自然條件下驗(yàn)證其破冰能力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并掌握新船冰區(qū)航行的各項(xiàng)性能，為船長(zhǎng)提供操作指導(dǎo)。芬蘭等北極國(guó)家曾多次開(kāi)展破冰船破冰試驗(yàn)[2-3]。近年來(lái)，韓國(guó)學(xué)者利用“Araon”號(hào)在南北極也開(kāi)展了一系列破冰試驗(yàn)[4-5]。除開(kāi)展破冰試驗(yàn)外，破冰船也可以作為載體開(kāi)展冰載荷實(shí)船研究。如Suyuthi 等在“Svalbard”號(hào)船艏和船舯肋骨上安裝光纖傳感器測(cè)量冰激應(yīng)變，獲得船舶局部冰壓，并開(kāi)展破冰船局部冰阻力的統(tǒng)計(jì)分析和極值預(yù)報(bào)[6]；Johnston等測(cè)量“Terry Fox”號(hào)破冰航行時(shí)六自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)而獲得船體總體冰阻力[7]。而我國(guó)尚未自主開(kāi)展過(guò)極地破冰船破冰試驗(yàn)，我國(guó)建造的北極凝淅油輪“Boris Sokolov”號(hào)也是在芬蘭阿克北極公司的支持下完成了破冰試驗(yàn)。我國(guó)極地破冰船冰載荷相關(guān)研究仍處于起步階段。Huang 等開(kāi)展了不同冰條件下船舶航行阻力的模型試驗(yàn)[8]；劉俊杰等利用有限元方法模擬了碎冰區(qū)內(nèi)船舶與浮冰的碰撞過(guò)程[9]；孔帥和季順迎采用廣義接觸模型建立了船舶結(jié)構(gòu)冰載荷計(jì)算的離散元方法[10]；崔洪宇等在“雪龍”號(hào)船艏肋骨上臨時(shí)安裝應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)冰激結(jié)構(gòu)響應(yīng)[11]?！把?”號(hào)結(jié)合智能船體研究，在建造時(shí)預(yù)裝了光纖傳感器，未來(lái)可以用于船體應(yīng)力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和冰載荷分析[12]。

破冰能力實(shí)船測(cè)試是破冰船驗(yàn)收的重要環(huán)節(jié)。在中國(guó)第36次南極考察期間，由中國(guó)船舶第七〇八研究所擔(dān)任技術(shù)牽頭單位，組成了有大連理工大學(xué)、中國(guó)船級(jí)社、芬蘭阿克北極公司、中國(guó)極地研究中心在內(nèi)的破冰試驗(yàn)小組負(fù)責(zé)“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)的策劃、實(shí)施、記錄和評(píng)估。2019 年11 月“雪龍2”號(hào)于南極普里茲灣固定冰區(qū)進(jìn)行艏、艉雙向的破冰能力測(cè)試。本文詳細(xì)介紹了破冰試驗(yàn)的流程和測(cè)試情況，并基于實(shí)測(cè)冰力學(xué)性能和功率測(cè)量數(shù)據(jù)等對(duì)“雪龍2”號(hào)破冰能力進(jìn)行了初步評(píng)估?！把?”號(hào)破冰實(shí)驗(yàn)是我國(guó)首次自主組織開(kāi)展的專(zhuān)業(yè)破冰船冰上實(shí)船測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)可為我國(guó)開(kāi)展后續(xù)的破冰船設(shè)計(jì)建造提供參考。

1“雪龍2”號(hào)破冰試航中的試驗(yàn)測(cè)量

普里茲灣位于東南極大陸沿岸海域，是我國(guó)科考船進(jìn)出中山站的必經(jīng)水路?！把?”號(hào)于2019年11月中旬抵達(dá)普里茲灣外圍海域，于下旬向中山站方向破冰，并在普利茲灣內(nèi)固定冰區(qū)尋找合適區(qū)域進(jìn)行破冰試驗(yàn)，并最終在南緯69°、東經(jīng)76°附近選擇一處開(kāi)闊平整冰面為試驗(yàn)區(qū)域（圖1）。該區(qū)域遠(yuǎn)離冰山，冰面無(wú)明顯裂隙并覆蓋有緊致硬積雪，零星分布著冰脊和重疊冰，水深為498 m。

圖1 破冰試驗(yàn)區(qū)域Fig.1 Ice trial site

1.1 試驗(yàn)區(qū)冰、雪厚度測(cè)量

通過(guò)前期找冰工作確定目標(biāo)試驗(yàn)區(qū)域后，需對(duì)該區(qū)域冰、雪厚度進(jìn)行冰面實(shí)測(cè)，同時(shí)確定破冰試驗(yàn)的航向。以“雪龍2”號(hào)為圓心，對(duì)其船艏方向一定距離半圓范圍內(nèi)的冰、雪厚度進(jìn)行測(cè)量（圖2），且著重測(cè)量冰面起伏處的冰、雪厚度；如冰面平整，則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可減少測(cè)量點(diǎn)位。雪厚測(cè)量方法為利用鋼尺（精度±0.1 cm）插入原狀雪層至冰/雪界面（鋼尺無(wú)法進(jìn)一步插入即認(rèn)為至冰/雪界面）；冰厚測(cè)量方法為首先用冰麻花鉆將雪厚測(cè)量點(diǎn)處原狀冰層鉆透，隨后用冰尺（精度±0.2 cm）測(cè)量冰雪總厚度，減去雪厚即為冰厚測(cè)量值。根據(jù)冰面實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)共測(cè)量15 個(gè)點(diǎn)位的冰、雪厚度，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)區(qū)域平均冰厚為140.3±19.8 cm，平均雪厚為27.9±13.8 cm，與“雪龍2”號(hào)設(shè)計(jì)冰條件相近。冰厚離散系數(shù)為0.14，表明冰層厚度分布較均勻；而南極風(fēng)速較大，導(dǎo)致雪厚分布離散性較大，離散系數(shù)為0.49。

圖2 冰、雪厚度測(cè)量點(diǎn)位Fig.2 Ice and snow thickness measurement points

圖3 冰、雪厚度測(cè)量結(jié)果Fig.3 Measurement results of ice and snow thicknesses

1.2 冰層特性測(cè)量

1.2.1 冰物理特性測(cè)量

海冰的物理性質(zhì)決定其力學(xué)性質(zhì)，因此需要對(duì)目標(biāo)試驗(yàn)區(qū)域的冰層物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。利用冰芯鉆鉆取兩根完整冰芯分別用于測(cè)量海冰溫度和鹽度豎直剖面，測(cè)量時(shí)氣溫為0.3°C，表層海水溫度為-2.1°C，表層海水鹽度為33.6 ppt；獲取第一根冰芯后，立即以10 cm 間距在冰芯表面鉆小孔至其內(nèi)部，將溫度傳感器（精度±0.2°C）探針深入孔內(nèi)，并以冰屑覆蓋，防止太陽(yáng)輻射對(duì)冰溫測(cè)量造成影響，示數(shù)穩(wěn)定后讀取冰溫；冰溫測(cè)量結(jié)束后，鉆取第二根冰芯，之后立即將其切成長(zhǎng)度為10 cm 的冰芯段，并用自封袋保存帶回“雪龍”2；待冰芯段完全融化后，用鹽度計(jì)（精度±0.1 ppt）在室溫下測(cè)量融冰水鹽度。冰層溫度、鹽度豎直剖面如圖4 所示。海冰溫度介于-1.9～-3.5°C，平均冰溫為-2.6±0.6°C，表層冰溫受積雪保溫作用而表現(xiàn)為冰溫隨深度增加而降低，表層以下冰溫隨深度增加而增加。海冰鹽度介于3.9～7.3 ppt，平均鹽度為5.2±1.3 ppt。海冰鹽度較高，且豎直剖面呈“C”形，表明該冰層為處于生長(zhǎng)末期的當(dāng)年冰[13]。

圖4 冰物理特性測(cè)量結(jié)果Fig.4 Measurement results of ice physical properties

1.2.2 冰力學(xué)特性測(cè)量

破冰船在平整冰區(qū)連續(xù)破冰時(shí)，冰層最終失效形式為彎曲破壞[14]。因此，海冰力學(xué)特性測(cè)量主要獲取其彎曲強(qiáng)度，該測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)估破冰船的冰阻力至關(guān)重要。實(shí)船試驗(yàn)通常采用現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)試驗(yàn)的方式測(cè)量海冰的彎曲強(qiáng)度，包括懸臂梁彎曲試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?？紤]到“雪龍2”號(hào)破冰厚度較大，本試驗(yàn)選擇所需試樣尺寸較小的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)量目標(biāo)冰區(qū)的海冰彎曲強(qiáng)度。

在目標(biāo)試驗(yàn)區(qū)域選擇一處平整冰面切取冰坯，實(shí)測(cè)冰厚為145 cm，雪厚為30 cm?？紤]到切冰區(qū)域可能遠(yuǎn)離母船，因此使用一套獨(dú)立供電的冰坯切割系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)、電鏈鋸、油鋸、板鋸、麻花鉆和冰芯鉆。為滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)和后續(xù)實(shí)驗(yàn)室冰力學(xué)試驗(yàn)需求，切割冰坯截面尺寸為120 cm×100 cm。首先利用電鏈鋸在冰面劃線放樣進(jìn)行初步切割；隨后用油鋸沿放樣邊界進(jìn)行深度切割；再利用板鋸進(jìn)行完全切割；最后用冰芯鉆和麻花鉆在冰坯四角處鉆孔，以保證四角完全連通。

冰坯提升系統(tǒng)包括小型龍門(mén)吊、手拉葫蘆和冰勾，如圖5（a）所示。在冰坯表面短邊中線距兩側(cè)邊緣各20 cm處用麻花鉆鉆孔至冰底，分別將冰勾放入孔內(nèi)并撐住冰底；冰勾頂端與手拉葫蘆連接，人工起吊將冰坯提升至冰面。為減小海冰溫度變化對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度的影響，通常在冰坯提升后隨即在冰面進(jìn)行冰力學(xué)試驗(yàn)。但由于現(xiàn)場(chǎng)氣象條件突變，不宜繼續(xù)進(jìn)行冰面試驗(yàn)，因此利用“雪龍2”號(hào)的船艉克林吊將冰坯快速吊裝至艉甲板繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)冰力學(xué)測(cè)試。

圖5 冰力學(xué)特性采樣和測(cè)量設(shè)備Fig.5 Equipment for ice sampling and measurement

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在“雪龍2”號(hào)艉甲板展開(kāi)，試驗(yàn)時(shí)氣溫約為0°C。用油鋸將冰坯以10 cm 間距從上至下切開(kāi)，之后用電鏈鋸將其加工成尺寸約為7 cm×7 cm×70 cm 的三點(diǎn)彎曲冰梁試樣，試樣長(zhǎng)軸方向與冰面平行。彎曲試驗(yàn)設(shè)備如圖5（b）所示，使用液壓油泵加載系統(tǒng)作為試驗(yàn)壓力機(jī)，配有冰試樣支撐架提供簡(jiǎn)支方式支撐，支撐架跨長(zhǎng)為59.5 cm。壓力機(jī)荷載由力傳感器（量程：500 N，精度：±0.1 N）實(shí)時(shí)記錄，采集頻率為200.0 Hz。試驗(yàn)時(shí)需保證試樣跨中受力，且試樣最終在跨中發(fā)生破壞，則為有效試驗(yàn)，彎曲強(qiáng)度的計(jì)算方法如式（1）所示。表1給出的是三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果，試樣破壞時(shí)間約為1 s，加載速率為648.9～932 kPa/s，平均彎曲強(qiáng)度為718.6±47.6 kPa，離散系數(shù)為0.07，表明數(shù)據(jù)較集中。

表1 彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Measurement results of sea ice flexural strength

式中，σ為彎曲強(qiáng)度，P為破壞荷載，l為冰梁跨度，b為冰試樣截面寬度，h為冰試樣截面高度。

1.3 實(shí)船數(shù)據(jù)測(cè)量

“雪龍2”號(hào)于2019年11月26日進(jìn)行平整冰破冰試驗(yàn)（圖6）。試驗(yàn)時(shí)，船舶艏、艉吃水均為8.1 m，冰下流速為0.8 m/s，風(fēng)速為6.3 m/s，風(fēng)向?yàn)?7.6o。艏向破冰試驗(yàn)時(shí)，船舶以約6 kn 的速度進(jìn)入試驗(yàn)冰層；當(dāng)船舶全部進(jìn)入冰層后，以100%的推進(jìn)功率保持船舶穩(wěn)定航行約200 m，平均航速約為0.9 kn。艉向破冰試驗(yàn)時(shí)，船體以約3 kn 的速度進(jìn)入試驗(yàn)冰層，當(dāng)船舶全部進(jìn)入冰層后，保持80%的推進(jìn)功率穩(wěn)定航行約240 m，平均航速為2 kn；隨后增加推進(jìn)功率至100%，發(fā)現(xiàn)船速增加至高于3 kn。試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)記錄艏向角、舵角、推進(jìn)功率、螺旋槳轉(zhuǎn)速、扭矩、全船振動(dòng)和加熱防寒系統(tǒng)的工作情況。

2“雪龍2”號(hào)破冰試航的試驗(yàn)修正和結(jié)果分析

以上測(cè)量記錄了破冰試驗(yàn)時(shí)冰雪參數(shù)和在此環(huán)境下實(shí)船破冰工況的數(shù)據(jù)，然而破冰試驗(yàn)的目的是得到破冰船實(shí)際的破冰能力，同時(shí)與設(shè)計(jì)工況和冰池模型試驗(yàn)的結(jié)果展開(kāi)對(duì)比分析。當(dāng)環(huán)境條件（冰漂移速度、水深、風(fēng)速、積雪厚度、積雪密度、冰強(qiáng)度、冰厚等）與設(shè)計(jì)工況有偏差時(shí)，需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)修正和結(jié)果分析。當(dāng)前我國(guó)缺少大型冰池且缺乏破冰船實(shí)船試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)積累，相關(guān)修正均參考國(guó)外經(jīng)驗(yàn)公式。需要說(shuō)明的是，這些有關(guān)破冰船全尺度性能驗(yàn)證和修正的方法也存在較大的不確定性，這仍舊是當(dāng)今破冰船研發(fā)和試驗(yàn)技術(shù)的前沿。我國(guó)破冰船數(shù)量極少，應(yīng)更加重視破冰船的實(shí)船應(yīng)用研究。本章主要討論其中兩個(gè)重要的修正，即積雪厚度和密度修正（以下簡(jiǎn)稱(chēng)積雪修正）以及冰的強(qiáng)度修正（以下簡(jiǎn)稱(chēng)冰強(qiáng)修正）。

2.1 積雪修正

冰上積雪影響破冰船的破冰性能，積雪厚度、密度和破冰模式下船身與雪的動(dòng)摩擦系數(shù)對(duì)于試驗(yàn)修正和分析結(jié)果有直接影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常由具體情況將雪厚按系數(shù)折減后計(jì)入當(dāng)量冰厚來(lái)表征積雪對(duì)船體破冰性能的影響。根據(jù)本船的破冰特性，當(dāng)艏向破冰時(shí)，參考國(guó)外有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式[15]可將雪厚的4/5計(jì)入當(dāng)量冰厚，如式（2）；當(dāng)艉向破冰時(shí)，由于螺旋槳所激起水流的潤(rùn)滑作用，積雪對(duì)破冰性能的影響減小，當(dāng)量冰厚計(jì)算方法如式（3）～（4）。這些公式在不同破冰特性、不同方向破冰時(shí)會(huì)有所不同。表2 給出的是目標(biāo)試驗(yàn)區(qū)在假定冰層彎曲強(qiáng)度為500 kPa 的情況下，艏、艉向破冰當(dāng)量冰厚的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。當(dāng)量冰厚離散程度均較小，離散系數(shù)分別為0.11和0.1。

表2 試驗(yàn)區(qū)域冰層厚度積雪修正結(jié)果Tab.2 Corrected ice thickness according to snow thickness

式中，Hequ為當(dāng)量冰厚（cm），Hice和Hsnow分別為冰、雪厚度的實(shí)測(cè)值（cm）。

以上當(dāng)量冰厚取得后，需根據(jù)積雪物理特性確定的厚度依賴(lài)指數(shù)X把當(dāng)量冰厚修正到目標(biāo)冰阻力中，如式（5）所示。

式中，Ricecorr1為積雪修正后的船舶冰阻力，Rice為試驗(yàn)冰況下的冰阻力，Htarget為目標(biāo)冰厚，Hequ為試驗(yàn)冰層的當(dāng)量冰厚。系數(shù)X是在不同厚度范圍根據(jù)不同破冰試驗(yàn)的結(jié)果確定的，有很強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)性。

2.2 冰強(qiáng)修正

海冰彎曲強(qiáng)度有明顯的時(shí)空差異，難以保證試驗(yàn)區(qū)域的海冰彎曲強(qiáng)度與設(shè)計(jì)指標(biāo)相同。阻力和功率的最終結(jié)果也需要針對(duì)該偏差進(jìn)行校正。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究，通常模型試驗(yàn)在目標(biāo)冰彎曲強(qiáng)度較低時(shí)，似乎高估了破冰性能。在冰強(qiáng)修正中，通常遵循線性比例修正的原則，將冰強(qiáng)修正到冰阻力中，如式（6）所示：

式中，Ricecorr2為冰強(qiáng)修正后的船舶冰阻力，Rice為試驗(yàn)冰況下的冰阻力，σtarget為目標(biāo)冰彎曲強(qiáng)度，σmeas為試驗(yàn)冰層的彎曲強(qiáng)度。系數(shù)b根據(jù)不同破冰方向和冰強(qiáng)度范圍取值，有很強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)性。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 凈推力曲線分析法

由于測(cè)試時(shí)間、航路和氣候變化等具體原因，“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與設(shè)計(jì)冰況不完全相同，艏向和艉向兩個(gè)方向的破冰速度均需換算到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)冰況上來(lái)進(jìn)行破冰能力的具體評(píng)估。以艏向破冰為例，最終破冰速度需結(jié)合實(shí)船破冰試驗(yàn)與模型試驗(yàn)結(jié)果做統(tǒng)一分析。船舶在破冰試驗(yàn)時(shí)保持穩(wěn)定航行，忽略風(fēng)阻力和冰塊漂移，假定船舶凈推力與冰阻力基本相等。根據(jù)“雪龍2”號(hào)模型試驗(yàn)給出的100%功率凈推力曲線（圖7 實(shí)線），可得在試驗(yàn)冰況下（σmeas=718.6 kPa，Hequ=162.6 cm）船舶的冰阻力為1 569 kN。為得到設(shè)計(jì)冰彎曲強(qiáng)度下的船舶冰阻力，根據(jù)式（6）對(duì)冰阻力進(jìn)行冰強(qiáng)修正，得到冰強(qiáng)修正后冰況（σtarget=500 kPa，Hequ=162.6 cm）下的船舶冰阻力為1 341 kN，其中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，b取0.476。為進(jìn)一步得到設(shè)計(jì)冰、雪厚度下的船舶冰阻力，根據(jù)式（5）繼續(xù)對(duì)冰阻力進(jìn)行積雪修正，最終得到設(shè)計(jì)冰況（σtarget=500 kPa，Htarget=156.7 cm）下的船舶冰阻力為1 285 kN，其中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，X取1.15。認(rèn)為試驗(yàn)冰況下船舶冰阻力隨速度的變化趨勢(shì)與“雪龍2”號(hào)模型試驗(yàn)得到的線性關(guān)系一致，如圖7虛線所示；以修正后的船舶冰阻力為基點(diǎn)，以相同斜率與模型試驗(yàn)凈推力曲線相交，得設(shè)計(jì)冰況下的船舶艏向破冰速度為2.3 kn。表明“雪龍2”號(hào)平整冰艏向破冰能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7 基于凈推力曲線評(píng)估“雪龍2”號(hào)艏向破冰試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Evaluation of ahead ice-breaking ability of R/V Xuelong 2 based on net thrust curve

2.3.2 Lindqvist公式分析法

需要注意的是，由于未進(jìn)行“雪龍2”號(hào)凈推力的實(shí)船測(cè)試以及未獲得不同厚度冰層、不同破冰功率下的實(shí)船破冰速度，2.3.1小節(jié)中基于凈推力曲線分析的破冰能力評(píng)估參考了部分模型試驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果存在不確定性。因此，本節(jié)采用經(jīng)驗(yàn)公式分析法確定試驗(yàn)冰況下“雪龍2”號(hào)冰阻力，評(píng)估其艏向破冰能力。目前，Lindqvist公式是較常用的破冰船平整冰區(qū)冰阻力計(jì)算公式[16]，如式（7）～（10）：

式中，Rc為擠壓破壞阻力，Rb為彎曲破壞阻力，Rs為浸沒(méi)阻力，Rt為總阻力，H為冰厚（取平均當(dāng)量冰厚），σ為冰彎曲強(qiáng)度，E為冰彈性模量（取2.0 GPa），ν為冰泊松比（取0.3），μk為冰與船體動(dòng)摩擦系數(shù)（取0.1），ρw為海水密度（取1 025.0 kg/m3），ρi為海冰密度（取917 kg/m3），V為船速（m/s），L為船舶長(zhǎng)度，T為船舶吃水，B為船舶型寬，?為船艏傾角，α為進(jìn)流角，Ψ為壓冰角（tanψ=tan?/sinα）（船型參數(shù)取值見(jiàn)表3），g為重力加速度。

表3 “雪龍2”號(hào)船體參數(shù)Tab.3 Ship parameters of R/V Xuelong 2

同樣考慮破冰試驗(yàn)時(shí)船舶保持穩(wěn)定航行，忽略風(fēng)阻力和冰塊漂移，則船舶冰阻力與凈推力相等。根據(jù)Lindqvist公式，由試驗(yàn)冰層的厚度、彎曲強(qiáng)度和“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)速度及船型參數(shù)，計(jì)算得破冰試驗(yàn)冰阻力即測(cè)量點(diǎn)凈推力為1 350 kN。認(rèn)為實(shí)船凈推力隨速度變化趨勢(shì)與“雪龍2”號(hào)模型試驗(yàn)結(jié)果一致，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)凈推力對(duì)模型試驗(yàn)凈推力曲線進(jìn)行修正（圖8）。令修正后凈推力曲線與由Lindqvist 公式計(jì)算的設(shè)計(jì)冰況下速度-冰阻力曲線相交，交點(diǎn)處速度為2.5 kn，表明“雪龍2”號(hào)平整冰艏向破冰能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖8 基于Lindqvist公式評(píng)估“雪龍2”號(hào)艏向破冰試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Evaluation of ahead ice-breaking ability of R/V Xuelong 2 based on Lindqvist equations

3 關(guān)于“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)的相關(guān)思考

我國(guó)之前尚未進(jìn)行過(guò)破冰船破冰能力的專(zhuān)業(yè)實(shí)船測(cè)試，“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)也多借鑒國(guó)外破冰試驗(yàn)的方法。我國(guó)海冰工程雖已積累近半個(gè)世紀(jì)，但近年來(lái)才開(kāi)始關(guān)注極地海冰工程，尤其是與破冰船相關(guān)的冰載荷研究。根據(jù)“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)，著眼我國(guó)極地破冰船未來(lái)發(fā)展，作者提出如下需解決的問(wèn)題：

（1）冰力學(xué)問(wèn)題 冰彎曲強(qiáng)度是評(píng)估船舶冰阻力的重要參數(shù)，因此測(cè)量試驗(yàn)冰層的彎曲強(qiáng)度是破冰船破冰試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。目前常用的冰彎曲強(qiáng)度測(cè)量方法除懸臂梁彎曲試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)外，還有基于海冰物理參數(shù)判斷的鹵水體積法[17]。懸臂梁彎曲試驗(yàn)可保持冰梁的原位狀態(tài)，獲得最可靠的強(qiáng)度參數(shù)，但試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以在極地厚冰條件下展開(kāi)。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)雖然可以節(jié)約時(shí)間和勞力，但采樣過(guò)程中冰內(nèi)鹵水流失對(duì)冰強(qiáng)度造成的影響難以定量評(píng)估。海冰的成分影響其力學(xué)性質(zhì)，鹵水體積法以冰內(nèi)鹵水體積分?jǐn)?shù)為代表參數(shù)來(lái)表征海冰彎曲強(qiáng)度。但海冰的彎曲強(qiáng)度同時(shí)受其微觀結(jié)構(gòu)影響，這些性質(zhì)往往與海冰的生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)，因此鹵水體積法有較強(qiáng)的區(qū)域適用條件。如根據(jù)1.2.1小節(jié)實(shí)測(cè)的冰層平均溫度和鹽度，用目前常用的鹵水體積法公式[17]，計(jì)算得到的冰層彎曲強(qiáng)度值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大。此外，由于忽略了冰內(nèi)氣體含量，鹵水體積法往往會(huì)高估融化期海冰的彎曲強(qiáng)度。目前，國(guó)外破冰船破冰試驗(yàn)多采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法和鹵水體積法[18]。建議針對(duì)以上三種彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法之間的差異，結(jié)合大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，形成一套科學(xué)的彎曲強(qiáng)度組合測(cè)量和相互校對(duì)的方法。

（2）雪力學(xué)問(wèn)題 冰上積雪會(huì)影響船舶破冰性能。雖然可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式將雪厚折減計(jì)入當(dāng)量冰厚來(lái)表征雪對(duì)破冰船破冰性能的影響，但上述公式的建立機(jī)制及適用條件并不清楚。隨著堆積時(shí)間的增加以及風(fēng)壓、風(fēng)化、凍融作用，雪的含水量、密度等物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響其硬度、強(qiáng)度、摩擦系數(shù)等力學(xué)性質(zhì)。因此，不同物理性質(zhì)的雪的折減系數(shù)理應(yīng)不同。美國(guó)等國(guó)家為建設(shè)南極冰上機(jī)場(chǎng)曾深入開(kāi)展雪力學(xué)性質(zhì)的研究[19]，而我國(guó)此前冰工程的發(fā)展恰恰忽視了雪的工程作用，需要在后期工作中加強(qiáng)關(guān)注。

（3）連續(xù)采集系統(tǒng) 相對(duì)基于海冰性能預(yù)測(cè)的模型試驗(yàn)，實(shí)尺度破冰試驗(yàn)僅得到單一結(jié)果，其準(zhǔn)確性有限。某些參數(shù)（如冰厚）的修正、相關(guān)性和校正方法是合理存在的，同時(shí)也是在堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。但對(duì)于有重大影響的其他一些主要影響因素的量化卻是極為困難的，如雪摩擦系數(shù)、冰與螺旋槳的相互作用、尺度效應(yīng)等，這需要投入大量的研究。為改進(jìn)和研究相關(guān)預(yù)測(cè)方法，在實(shí)船試驗(yàn)時(shí)可采用連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)，至少可以對(duì)冰和雪的厚度、船舶速度、功率等進(jìn)行連續(xù)采集，這可以將收集到的足夠數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分類(lèi)，并采用統(tǒng)計(jì)分析的方法。應(yīng)該說(shuō)，這種采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)個(gè)別抽樣數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，將比標(biāo)準(zhǔn)的單一性能測(cè)試數(shù)據(jù)更真實(shí)。

（4）試驗(yàn)人員和裝備 在極地進(jìn)行冰雪力學(xué)試驗(yàn)要求快速、實(shí)時(shí)，且最好能連續(xù)采集，因此特別需要專(zhuān)業(yè)的試驗(yàn)人員和完善的試驗(yàn)裝備。目前，成熟的冰層鉆取設(shè)備為冰芯鉆，但其只能在垂直冰面方向鉆取直徑約10 cm 的圓柱試樣，無(wú)法滿(mǎn)足部分冰力學(xué)試驗(yàn)對(duì)更大試樣和平行冰面方向加載的要求。因此，破冰船破冰試驗(yàn)均采用人工切割吊裝的冰坯采集方式，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集，且無(wú)法應(yīng)對(duì)極地天氣系統(tǒng)的突變。我國(guó)極地破冰船和極地海洋工程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需盡快發(fā)展專(zhuān)業(yè)的試驗(yàn)測(cè)試隊(duì)伍和完善的極地裝備。

4 結(jié) 語(yǔ)

中國(guó)于第36 次南極考察期間，在普里茲灣當(dāng)年固定冰區(qū)組織完成了“雪龍2”號(hào)平整冰破冰能力的實(shí)船測(cè)試，摸索出了一套“選擇試驗(yàn)冰區(qū)—冰雪厚度測(cè)量—冰雪特性測(cè)量—實(shí)船數(shù)據(jù)測(cè)量”的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)流程。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)修正公式，利用凈推力曲線分析法和Lindqvist 經(jīng)驗(yàn)公式分析法對(duì)船舶艏向破冰能力進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明“雪龍2”號(hào)平整冰艏向破冰能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。需要說(shuō)明的是，由于缺少破冰船實(shí)船測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，本文未對(duì)上述分析方法涉及的經(jīng)驗(yàn)公式適用條件和參數(shù)選取進(jìn)行深入探討，此外，冰-船作用的隨機(jī)性也會(huì)造成評(píng)估與實(shí)船破冰速度之間的差異。本次試驗(yàn)是我國(guó)在極地首次自主開(kāi)展的專(zhuān)業(yè)實(shí)船破冰測(cè)試，全面總結(jié)其經(jīng)驗(yàn)有助于我國(guó)更系統(tǒng)地開(kāi)展后續(xù)新建破冰船的設(shè)計(jì)與研究工作。