韓藝鋒，鄭亞雄

（1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715；2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050）

破冰船在近北極圈國(guó)家分布廣泛，主要用于科考、貨運(yùn)和旅游等用途。極地科考船是破冰船的一種，主要搭載極地科學(xué)研究設(shè)備，用于極地氣象、水文等環(huán)境研究。近年來隨著科技進(jìn)步和全球氣候變化，極地地區(qū)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、軍事戰(zhàn)略地位凸顯。隨著人類探索邊界的不斷延伸，各海洋強(qiáng)國(guó)和近極地國(guó)家都以極地作為未來發(fā)展的重要方向和利益關(guān)切所在，維持有一定數(shù)量的極地科考船以彰顯極地戰(zhàn)略需求。根據(jù)歐洲海洋委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，世界目前PC5 級(jí)以上（包括PC5）的中型重型極地科考船共21 艘，PC6 至PC7 級(jí)的輕型極地科考船共13 艘，在建極地科考船13 艘[1]。

1 極地科考船分布

極地科考船是具有破冰能力能滿足極地水域科學(xué)考察，兼具極地科考站后勤物資補(bǔ)給能力的特種船舶。由于一般船舶設(shè)計(jì)壽命為30 年，即使采用延壽保養(yǎng)措施，也很少超過40 年，因此在對(duì)世界各國(guó)極地科考船調(diào)查研究時(shí)，重點(diǎn)選取1980 年后的船舶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[2]?？傮w來看，各海洋強(qiáng)國(guó)的極地科考船的發(fā)展呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。

1.1 極地科考船體系化

俄美加等國(guó)極地科考船數(shù)量多，破冰等級(jí)從高到低成體系化發(fā)展，能同時(shí)在南北極開展科考。隨著雪龍2 號(hào)的服役，我國(guó)的極地科考船雖然數(shù)量有所增長(zhǎng)，但尚未完全形成常態(tài)化極地科考船舶體系。

1.2 破冰能力加強(qiáng)

加拿大、美國(guó)發(fā)展的重型極地科考船破冰等級(jí)PC2，能連續(xù)破2～2.5 m 厚冰層，能夠更好地深入高緯度海域進(jìn)行科考和護(hù)航。隨著雪龍2 號(hào)的服役，我國(guó)極地科考船破冰能力有所增強(qiáng)，但總體來說依舊不足。

1.3 船舶功能綜合化

各國(guó)近年來設(shè)計(jì)建造的中型和重型極地科考船均有多系統(tǒng)科考設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室，而且還能攜帶集裝箱實(shí)驗(yàn)室、移動(dòng)式科考設(shè)備和潛水器，配有貨艙能夠向科考站提供物資和燃料補(bǔ)給，配有直升機(jī)、登陸艇和工作艇等滿足航道觀測(cè)、航空補(bǔ)給及淺水作業(yè)等需求，多元化的需求使得極地科考船承擔(dān)多面手的功能。

1.4 船舶智能化、環(huán)?；⑹孢m化

船舶設(shè)計(jì)上向智能化、環(huán)?；⑹孢m化發(fā)展，通過為極地科考船設(shè)備配備信息化系統(tǒng)和智能化傳感器，實(shí)現(xiàn)包括科考數(shù)據(jù)在內(nèi)的多種信息的獲取、交換和遠(yuǎn)程傳輸。船舶有害氣體排放滿足最新的國(guó)際公約，減少對(duì)極地的污染。船體水下輻射噪聲低，降低對(duì)水聽器的影響。

隨著時(shí)代發(fā)展，各國(guó)紛紛制定極地戰(zhàn)略，開始興建極地科考船，在世界范圍內(nèi)目前的分布情況見表1。

表1 極地科考船的建造數(shù)量分布情況

從表1 中看出，極地科考船分布的國(guó)家非常廣，但每個(gè)國(guó)家所擁有的數(shù)量并不多，其主要原因是，極地科考船的造價(jià)和養(yǎng)護(hù)成本較高，極地科研投入大，回報(bào)周期長(zhǎng)，此類項(xiàng)目基本都是由國(guó)家層面進(jìn)行主導(dǎo)[3]。因此，極地科考船的總體設(shè)計(jì)和尺度論證需要開展大量細(xì)致的研究工作，以獲取經(jīng)濟(jì)性和船舶性能的最優(yōu)平衡。

2 主尺度選型分析

在船舶設(shè)計(jì)中，船長(zhǎng)、型寬、吃水、排水量等主尺度對(duì)性能有直接影響，還對(duì)極地科考船的破冰性能有影響[4]。在破冰性能衡量中，有國(guó)際通用的PC 系列[5]，也有ABS、DNV 等船級(jí)社規(guī)范規(guī)定的編號(hào)序列[6]，文章中均采用PC系列。由于我國(guó)極地科考船基本都是PC5 級(jí)以上，因此在進(jìn)行主尺度對(duì)比分析時(shí)選取PC3、PC4、PC5 級(jí)船舶，詳情見表2。

美國(guó)目前有PC5 級(jí)以上的極地科考船3 艘，分別是納撒尼爾·B·帕爾默號(hào)（RVIB Nathaniel B.Palmer），希利號(hào)（Healy、WAGB-20）和西庫(kù)廖克號(hào)（RV Sikuliaq）。帕爾默號(hào)負(fù)責(zé)執(zhí)行美國(guó)南極計(jì)劃，主要任務(wù)是向美國(guó)南極科考站運(yùn)輸人員和貨物，執(zhí)行南極海域的海洋環(huán)境、海洋地質(zhì)、海冰變化和海洋生物的調(diào)查任務(wù)。“希利”號(hào)和“西庫(kù)廖克”號(hào)主要在北極海域開展多學(xué)科海洋科考，2 船加入了美國(guó)大學(xué)國(guó)家海洋實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)船隊(duì)（UNOLS），利用效率高。美國(guó)的極地科考船上科考設(shè)備齊全，以最新服役的“西庫(kù)廖克”號(hào)為例，船上設(shè)有A 型架、3 臺(tái)吊車和升降鰭板等科考支持設(shè)備，安裝了多波束聲納測(cè)深儀、ADCP、海底淺地層剖面儀和CTD 溫鹽深儀等調(diào)查設(shè)備。船上實(shí)驗(yàn)室總面積209 m2，包括主實(shí)驗(yàn)室、濕實(shí)驗(yàn)室和生物分析實(shí)驗(yàn)室等。美國(guó)正在建造3 艘重型極地科考船，該型船長(zhǎng)140.2 m，寬26.8 m，滿載排水量約為23 300 t。采用電力推進(jìn)方式，推進(jìn)器為2 個(gè)ABB 吊艙和1 個(gè)螺旋槳，總功率33.7 MW，破冰等級(jí)PC2，3 節(jié)航速下能連續(xù)破2 m 厚的冰層。定員186 人，自持力80 d，船上還為武器預(yù)留安裝位置。

俄羅斯PC5 級(jí)以上的極地科考船2 艘，分別是費(fèi)奧多羅夫院士（Akademik Fyodorov）號(hào)、特列什尼科夫院士（Akademik Tryoshnikov）號(hào)。其現(xiàn)役22220 型核動(dòng)力破冰船軸功率60 MW，能連續(xù)破2.9 m 厚的冰層。費(fèi)奧多羅夫院士號(hào)和特列什尼科夫院士號(hào)是俄羅斯極地科考的主力，多次前往南極和北極海域。2021 年第67次俄羅斯南極考察由2 船共同承擔(dān)。2007 年8 月，一支俄羅斯科考隊(duì)搭乘“費(fèi)奧多羅夫院士”號(hào)科考船使用載人潛水器在北冰洋羅蒙諾索夫海嶺插上了俄羅斯國(guó)旗，意圖宣示俄羅斯的主權(quán)，證明北極附近富含油氣資源的大陸架是俄羅斯領(lǐng)土的自然延伸。特列什尼科夫院士號(hào)曾在執(zhí)行“穿越北極—2019”科考活動(dòng)時(shí)作為季節(jié)性浮冰漂流站研究北極海洋—冰—大氣系統(tǒng)。在建的“領(lǐng)袖”級(jí)核動(dòng)力破冰船軸功率120 MW，能連續(xù)破4.1 m 的冰層。在建的北極點(diǎn)號(hào)極地科考船，破冰等級(jí)PC5，長(zhǎng)83.1 m，寬22.5 m，排水量約1 萬t，軸功率3 600 kW，定員48 人，可進(jìn)行海洋地質(zhì)、地球物理和水文調(diào)查。該船是作為可執(zhí)行12 個(gè)月的科研任務(wù)的北冰洋浮冰漂流站而設(shè)計(jì)的。

加拿大現(xiàn)有PC5 級(jí)以上的極地科考船2 艘，包括路易斯·圣勞倫特號(hào)（CCGS Louis S.St Laurent）和阿蒙森號(hào)（Amundsen）。加拿大計(jì)劃建造2 艘約翰·迪芬貝克型（CCGS John G.Diefenbaker）重型極地科考船。該船排水量約23 500 t，船長(zhǎng)150.1 m，設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)137.6 m，型寬28 m，吃水10.5 m，型深13.5 m。該船的動(dòng)力系統(tǒng)由4 臺(tái)8 400 kW 柴油機(jī)和2 臺(tái)3 000 kW 柴油機(jī)組成，總功率為39 600 kW，驅(qū)動(dòng)2 個(gè)11 MW 的螺旋槳（位于船尾兩側(cè)）和1 個(gè)12 MW 的吊艙推進(jìn)器（位于船尾中間），巡航速度12 節(jié)，最高航速18 節(jié)，續(xù)航力26 000 海里。2 臺(tái)1 900 kW 的艏側(cè)推可提供操縱性。冰區(qū)等級(jí)PC2，3 節(jié)航速下連續(xù)破2.5 m 厚冰加0.3 m 厚雪。自持力270 d，定員100 人，包括60 名船員和40 名科考人員，其科考設(shè)施包括實(shí)驗(yàn)室和模塊化集裝箱、通用貨艙和月池，機(jī)庫(kù)可容納2 架中型直升機(jī)。

歐洲各國(guó)目前擁有的PC5 級(jí)以上極地科考船有6艘，為英國(guó)的大衛(wèi)·愛登堡爵士號(hào)（RRS Sir David Attenborough）、德國(guó)的極星號(hào)（Polaerstern）、挪威的哈康王儲(chǔ)號(hào)（RV Kronprins Haakon）、瑞典的奧登號(hào)（RV Oden）、法國(guó)的星空號(hào)（MV L'Astrolabe）和意大利的勞拉·巴斯號(hào)（RV Laura Bassi）。歐盟在這些極地科考船的基礎(chǔ)上成立了歐洲北極研究破冰船聯(lián)盟（ARICE），為歐洲提供更好的北極研究平臺(tái)。目前歐洲范圍內(nèi)僅德國(guó)計(jì)劃建造一艘新型極地科考船極星2 號(hào)，計(jì)劃2023 年開工，2027 年完工。船長(zhǎng)145 m，型寬27.3 m，吃水11 m，排水量26 000 t，在3 節(jié)航速下能連續(xù)破1.8 m 冰層，載貨量1 000 t，定員110 人，科考設(shè)備齊全，船舶設(shè)計(jì)綠色低噪音。

南半球國(guó)家擁有的PC5 級(jí)以上3 艘，澳大利亞努伊娜號(hào)（RSV Nuyina）、南非阿古拉斯2 號(hào)（SA Agulhas II）、阿根廷伊里薩爾海軍上將號(hào)（ARA Almirante Irízar）。努伊娜號(hào)是目前世界最先進(jìn)的極地科考船之一，該船可在-30～45 ℃的氣溫和-2～32 ℃的水溫中正常航行。可以存放包括96 個(gè)集裝箱在內(nèi)的1 200 t 固體貨物和1 671 t 的液體貨物。船上可以搭載4 架輕型直升機(jī)（AS350）或2 架中型直升機(jī)（S92），還有2 艘載重量45 t 的鋁制轉(zhuǎn)運(yùn)駁船和4 艘工作艇。智利正在建造南極1 號(hào)(Antarctic I）極地科考船，船長(zhǎng)111 m，型寬21 m，型深10.6 m，吃水7.2 m，排水量10 000 t，定員120 人，續(xù)航力14 000 海里，自持力60 d，破冰等級(jí)PC5，能夠在-30 ℃的環(huán)境下正常航行，3 節(jié)航速下連續(xù)破冰1 m，船首貨艙可以裝載集裝箱、車輛和燃料，配有2 臺(tái)20 t 起重機(jī)吊運(yùn)貨物，滿足南極科考站補(bǔ)給要求。阿根廷計(jì)劃建造尼古拉耶夫船長(zhǎng)號(hào)極地科考船，由芬蘭阿克北極技術(shù)公司設(shè)計(jì)，船長(zhǎng)131.5 m，型寬23.9 m，設(shè)計(jì)吃水8 m，型深11.3 m，續(xù)航力15 000 海里，定員165 人，破冰等級(jí)PC4，能以2 節(jié)航速連續(xù)破1.3 m 厚冰層。

亞洲各國(guó)擁有的PC5 級(jí)以上（包括PC5）極地科考船5 艘，包括日本的白瀨號(hào)（AGB-5003），韓國(guó)的阿里郎號(hào)（ARAON），我國(guó)的雪龍?zhí)枴⒀? 號(hào)和中山大學(xué)·極地號(hào)。日本目前計(jì)劃建造北極科考船，力爭(zhēng)2026 年投入使用。該船全長(zhǎng)128 m、寬23 m，可載99 人，破冰等級(jí)PC5，將搭載先進(jìn)的氣象觀測(cè)雷達(dá)和儀器，裝備高性能無人探測(cè)器，通過對(duì)海冰、海水和海底堆積物等的取樣、分析，弄清海冰因氣候變暖而融化的機(jī)制，掌握極地生態(tài)系統(tǒng)的變化情況。韓國(guó)計(jì)劃建造北極科考船，力爭(zhēng)2027 年投入使用。新船破冰等級(jí)PC3，排水量超過10 000 t，定員約70 人，針對(duì)北極氣候、海洋、生物和地質(zhì)等多方面展開研究。我國(guó)自然資源部北海局在建有3 000 t級(jí)破冰型海洋調(diào)查船，該船具有DP-1 級(jí)動(dòng)力定位能力，破冰等級(jí)PC6，總長(zhǎng)87.3 m，型寬17 m，型深8 m，設(shè)計(jì)吃水（+凸出龍骨）5.5（+0.4）m。定員為60 人，其中船員25 人，科考人員34 人，機(jī)動(dòng)1 人。續(xù)航力8 000海里/12節(jié)時(shí)，自持力60 d，最大航速15.5 節(jié)，服務(wù)航速12 節(jié)，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，破冰航速1.5～2 節(jié)，該船有良好的耐波性和抗風(fēng)浪能力，采用減搖水艙，在4 級(jí)海況滿足調(diào)查作業(yè)要求，7 級(jí)海況安全航行。

在表2 中對(duì)世界范圍內(nèi)PC5 以上主尺度進(jìn)行對(duì)比，船長(zhǎng)、行寬、吃水和排水量中單一參數(shù)與破冰等級(jí)的關(guān)系并不明確，因此，需要開展無因次化處理，來有效地發(fā)掘主尺度與破冰能力的關(guān)系。無因次化處理主要通過船型系數(shù)的計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，通過已知參數(shù)求得長(zhǎng)寬比、寬度吃水比和方形系數(shù)，無因次化分析結(jié)果如圖1 所示。

表2 極地科考船主尺度對(duì)比

從圖1 中長(zhǎng)寬比、寬度吃水比、方形系數(shù)等重要船型系數(shù)的統(tǒng)計(jì)可以看出，在長(zhǎng)寬比和寬度吃水比的選擇上，隨著技術(shù)進(jìn)步發(fā)生了顯著變化。長(zhǎng)寬比由3.5～7.5 的范圍，縮減至4.5～6.0；寬度吃水比由2.0～2.7 的范圍，漂移至2.5～3.0；但方形系數(shù)總體上變化不大。其主要原因是近些年來，極地科考對(duì)于破冰能力的要求越來越高，主機(jī)、科考設(shè)備等專項(xiàng)技術(shù)也取得長(zhǎng)足進(jìn)展，因此長(zhǎng)寬比、寬度吃水比等直接影響破冰性能的船型參數(shù)發(fā)生了趨勢(shì)性變化。

圖1 典型船型系數(shù)

3 破冰等級(jí)與主尺度系數(shù)分析

極地科考船破冰能力主要取決于船型和動(dòng)力系統(tǒng)及其匹配性，在選型設(shè)計(jì)中一般根據(jù)母型船參數(shù)或冰水池模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行論證。從破冰船的發(fā)展歷程來看，主尺度和破冰等級(jí)是需要全面考慮來確定的一對(duì)矛盾關(guān)系。一般來說船舶越瘦削，破冰等級(jí)越高；但船舶過于瘦削，尺度空間不利于主機(jī)選型布置、貨物運(yùn)輸和科考儀器設(shè)備展開等。下面對(duì)不同破冰等級(jí)船型的長(zhǎng)寬比、寬度吃水比和方形系數(shù)進(jìn)行分析，如圖2 所示。

圖2 不同破冰等級(jí)對(duì)應(yīng)船型系數(shù)

從系數(shù)對(duì)比來看，不同破冰等級(jí)有一定的差異，主要體現(xiàn)如下。

（1）破冰等級(jí)越低，長(zhǎng)寬比選擇范圍越大，高等級(jí)破冰船為了更好的破冰效果，長(zhǎng)寬比的選擇相對(duì)集中。

（2）破冰等級(jí)越低，寬度吃水比系數(shù)相對(duì)越小，設(shè)計(jì)時(shí)更多考慮無冰環(huán)境下巡航的快速性。

（3）破冰等級(jí)對(duì)于方形系數(shù)的要求差異并不顯著，科考船舶的功能裝載大體相同，船舶的肥瘦程度相當(dāng)。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外近40 年極地科考船的尺度信息統(tǒng)計(jì)，分析出尺度選擇范圍和變化規(guī)律，為我國(guó)極地科考船舶的選型設(shè)計(jì)提供參考。結(jié)論如下。

（1）破冰等級(jí)提升，極地科考船的船長(zhǎng)、吃水和排水量都有顯著增加，型寬變化并不明顯。

（2）極地科考船選型時(shí)，長(zhǎng)寬比范圍4.5～6.0；寬度吃水比范圍2.5～3.0；方形系數(shù)范圍0.4～0.7。

（3）隨著破冰等級(jí)的提升，長(zhǎng)寬比集中于5.0～6.0；寬度吃水比可達(dá)到3.5 左右。

在工程化設(shè)計(jì)中，通過以上數(shù)據(jù)可快速劃定主尺度范圍，確定基本型式，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)論證效率。