黃 嶸

（中國極地研究中心 上海 201209）

0 引言

兩極地區(qū)（北緯66°以北，南緯60°以南）的陸地面積約2 200 萬km2，其中南極洲面積約為 1 400 萬km2，是全球緯度最高的大陸，絕大部分地區(qū)常年被冰雪覆蓋[1]。海洋面積約3 300 萬km2，海洋約占兩極地區(qū)總面積的60%。隨著北極海冰的迅速融化、兩極大陸架油氣資源的高度預(yù)期[2]，以及冰區(qū)海洋生物資源商業(yè)捕撈可能性的增加，兩極海洋作為極地戰(zhàn)略目標(biāo)區(qū)域的重要地位日益凸顯，刺激和引導(dǎo)各極地考察國家戰(zhàn)略投資的方向朝向這片冰封的海洋及其洋底的大陸架區(qū)域。

近年來，極地資源與權(quán)益的紛爭暗流涌動，約6 000 萬 km2無明確主權(quán)歸屬的陸地和海洋蘊(yùn)藏的豐富戰(zhàn)略資源對人類未來的可持續(xù)發(fā)展影響至關(guān)重要。世界主要的國家（如美國、德國和澳大利亞等）[3-5]近年來在較高的極地考察能力基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)了對于極地的投入力度，我國作為世界上第二大經(jīng)濟(jì)體，在新一輪的極地多元化考察和資源探索中也應(yīng)有所作為。

面對國際上對南北極潛在利益爭奪進(jìn)一步升溫的態(tài)勢，我國除在政策、法規(guī)和科研等領(lǐng)域加強(qiáng)對極地的深度研究之外，非常有必要進(jìn)一步加強(qiáng)我國的極地考察平臺建設(shè)[6]，全面提升目前主要依賴于站基的南北極考察能力，努力建設(shè)一支可周年性活動在極地區(qū)域的極地破冰船隊，有效拓展極地考察的空間地理范圍和考察時間尺度。

有關(guān)主權(quán)權(quán)益的調(diào)查活動具有明顯的緊迫性，因為這類活動總是表現(xiàn)出歷史單向性和唯一性。如有關(guān)主權(quán)權(quán)益的調(diào)查活動需要超過10 年以上的時間才能完成，將會直接影響維權(quán)決策的科學(xué)性和時效性。

按照上述思路考慮，我國極地工作實際需要的工作船舶應(yīng)該不少于美俄兩國的規(guī)模，否則將永遠(yuǎn)無法與國際先進(jìn)的極地工作同步。因此，我國極地工作的理想常態(tài)為極地破冰船保用量5～ 6 艘，從而更好地以國家戰(zhàn)略為先導(dǎo)、以科學(xué)考察為載體、以船基的長時間大范圍考察方式為基礎(chǔ)，為我國在極地區(qū)域主權(quán)、資源和科學(xué)方面取得必需的成果。無論未來國際局勢如何變幻，我們將以雄厚的實力全面提升我國在國際極地事務(wù)上的發(fā)言權(quán)和影響力，為我國取得更多更大的極地權(quán)益，成為一支重要的力量，助推中華民族在21 世紀(jì)中葉迎來偉大復(fù)興。

1 我國極地科學(xué)考察船現(xiàn)狀

我國的極地考察任務(wù)由中國極地研究中心承擔(dān)。中國極地研究中心是中國唯一專門從事極地考察的科學(xué)研究和保障業(yè)務(wù)中心，現(xiàn)有“雪龍”號[7]和“雪龍2”號[8]共2 艘極地科考破冰船，以及4個南極考察站和2 個北極考察站。目前每年由2 艘雪龍系列的極地科考破冰船為南極考察站提供物資保障，同時進(jìn)行極地冰區(qū)和大洋考察任務(wù)。

“雪龍”號是我國于1993 年從烏克蘭購買的1艘北極多用途船，原屬烏克蘭赫爾松船廠，破冰等級為PC6。該船自1994 年購入后，已歷經(jīng)數(shù)次改裝，從原先的北冰洋多用途船改裝成為兼?zhèn)錁O地科考和貨運(yùn)的極地科考船，到目前為止一共承擔(dān)了24 次南極考察和9 次北極考察任務(wù)?！把垺碧栕罱淮胃难b于2004 年啟動論證，至2013 年完成（兩期改裝）。改裝工程進(jìn)行了總布置優(yōu)化及設(shè)備更新?lián)Q代，融合了船舶平臺、科考平臺、物流平臺、綠色節(jié)能、航空保障、極地救援、通信指揮、適航性、操縱性、舒適性、安全性和電氣自動化的提升，并挖掘改進(jìn)破冰潛能，使“雪龍”號轉(zhuǎn)變?yōu)? 艘兼具敞水、極地科學(xué)考察功能，可為極地考察站提供物資運(yùn)輸保障的極地破冰科學(xué)考察船。該船目前概況如圖1[9]所示。

圖1 “雪龍”號船舶概況圖

“雪龍2”號極地科考船是中國首艘自主建造的極地科學(xué)考察破冰船，于2019 年7 月交付使用。該船還是全球首艘采用船首和船尾雙向破冰技術(shù)的極地科考破冰船，實船照片如下頁圖2所示。

圖2 “雪龍2”號實船圖（攝于2019 年11 月）

“雪龍2”號能夠在1.5 m 厚冰+0.2 m 雪中連續(xù)破冰航行，填補(bǔ)了中國在極地科考重大裝備領(lǐng)域的空白。該船由國外公司完成基本設(shè)計，國內(nèi)由中國船舶與海洋工程設(shè)計研究院完成詳細(xì)設(shè)計，江南造船廠實現(xiàn)建造。其總長122.5 m、排水量約1.4 萬t、破冰等級為PC3，滿足包括極區(qū)在內(nèi)的無限航區(qū)航行和作業(yè)需求，艏向破冰時能以2～ 3 kn 航速連續(xù)破1.5 m 厚的冰+0.2 m 的雪；艉向破冰可在20 m當(dāng)年冰的冰脊中（含4 m 堆積層）不被卡住，且可實現(xiàn)冰區(qū)快速掉頭[10]。

綜合上述，我國現(xiàn)有考察船的總體情況為最大破冰能力PC3，根據(jù)船舶的現(xiàn)有能力，在每年北半球夏季時進(jìn)行北極考察任務(wù)，在南半球夏季時進(jìn)行南極考察任務(wù)。

2 近3 年中國極地考察航行情況

自2019 年“雪龍2”號交付使用后，我國的極地考察能力實現(xiàn)大幅提升，為我國的極地考察和大洋科考注入了新的活力，近幾年的極地考察任務(wù)得到加強(qiáng)擴(kuò)充。

2.1 中國第36次南極考察

“雪龍2”號于2019 年10 月15 日啟航首航南極，與“雪龍”號一起展開“雙龍?zhí)綐O”，形成中國南極考察新格局。兩船于11 月15 日到達(dá)中山站外圍浮冰區(qū)，期間曾發(fā)生2 次“雪龍”號在普里茲灣九層浮冰區(qū)中被卡后無法動彈，隨后靠“雪龍2”號掉頭解救的情況，如圖3所示。

圖3 “雪龍2”號在浮冰區(qū)中解救“雪龍”號

11 月21 日中午，“雪龍2”號正式開始第1次對中山站外陸緣冰進(jìn)行破冰作業(yè)，破冰照片如 圖4 所示。當(dāng)年冰情良好，整體冰厚1.35～ 1.55 m、雪厚40～ 80 cm，“雪龍2”號穿越冰山群，共計花費(fèi)11 h 左右，破固定冰超過14 n mile（25.928 km），到達(dá)了神州灣北部區(qū)域，距離中山站約10 km。

圖4 “雪龍2”號中山站外首次破陸緣冰

“雪龍”號跟航“雪龍2”號開辟的航道，得以挺進(jìn)中山站陸緣冰縱深，很大程度上縮短了運(yùn)貨距離，大大提高了中山站物資的卸貨效率。本次考察雙龍船隊在11 月份距離中山站約10 km，是我國極地考察船裝備在南極考察季前期，首次較近距離接近中山站，大大縮短了物資裝備和油料補(bǔ)給的運(yùn)輸距離，同時節(jié)省了物資裝卸時間，為考察船隊執(zhí)行考察任務(wù)延長了時間窗口期?！把?”號的首航極大地鼓舞了極地考察工作人員的士氣，凸顯了我國極地裝備能力的提升。

2.2 中國第37次南極考察

“雪龍2”號于2020 年11 月10 日從上海起航，奔赴南極執(zhí)行科學(xué)考察任務(wù)，本次為“雪龍2”號單船航行。2020 年12 月19 日21∶00，“雪龍2”號穿過普里茲灣冰間湖到達(dá)固定冰外浮冰區(qū)。浮冰區(qū)北面邊緣為南緯68°38′，浮冰區(qū)密度9～ 10 層，冰厚約1.2 m，積雪約50 cm。經(jīng)過9 h的浮冰區(qū)航行，其中沖撞破冰4 次（破冰記錄如表1 所示），于12月20 日06∶00 到達(dá)中山站外固定冰外緣，外緣位置位于南緯69°02′附近。

表1 第37 次南極考察“雪龍2”號中山站外固定冰破冰數(shù)據(jù)記錄

當(dāng)年冰情不理想，整個固定冰區(qū)域以亂冰為主且存在較多冰脊，其中較大的冰脊多呈東北-西南向，普里茲灣東側(cè)傳統(tǒng)破冰路線上多為亂冰，并分布較多冰脊及冰山。圖5 為2020 年12 月20 日所測得的中山站附近冰情圖。

圖5 2020 年12 月20 日中山站附近冰情圖

從海冰服務(wù)專題信息和實際探冰情況來看，無論哪個方向進(jìn)入固定冰都較為困難。經(jīng)過綜合評判規(guī)劃，確定了相對較好的破冰路線后，“雪龍2”號在中山站外固定冰區(qū)域開始破冰。當(dāng)時由于冰厚1.2～1.5 m、積雪40～100 cm，且間斷性夾雜多年冰脊等原因破冰受阻，此次破冰共進(jìn)行了5 d，最后船舶停航位置距離中山站約27 km，開始使用直升機(jī)從船上遠(yuǎn)距離吊運(yùn)物資至中山站?！把?”號無法到達(dá)距離中山站更近的位置，使我們認(rèn)識到了現(xiàn)有極地裝備能力的局限性。

2.3 中國第38次南極考察

2021 年11 月5 日，中國第38 次南極科學(xué)考察隊繼續(xù)前行?！把垺碧枏纳虾Ｏ刃谐霭l(fā)前往中山站，“雪龍2”號于11 月23 日出發(fā)前往南極長城站等地執(zhí)行科考任務(wù)，本次考察為第2 次進(jìn)行雙龍?zhí)綐O?！把垺碧栍?2 月3 日進(jìn)入普里茲灣浮冰區(qū)，12 月5 日抵達(dá)中山站陸緣冰外圍。此次冰情與上一年度類似，陸緣冰外圍還有2 n mile 左右的亂冰帶，冰厚逾2 m，已遠(yuǎn)超“雪龍”號的破冰能力。經(jīng)過18 d 的艱苦破冰，于12 月23 日停止前進(jìn)。最終，船舶停航位置距離中山站約28 km，第1 階段的卸貨等工作只能借助直升機(jī)吊運(yùn)作業(yè)，時間與油料消耗大大增加。

2.4 中國第11次和12次北極考察

2020 年7 月15 日，中國第11 次北極科學(xué)考察隊暨“雪龍2”號首航北極從上海啟航，于9 月28 日順利返回位于上海的中國極地考察國內(nèi)基地碼頭，歷時76 d，航程超1.38 萬n mile，冰區(qū)航行5 152 n mile（航時約696 h）。

2021 年7 月12 日，中國第12 次北極考察隊搭乘“雪龍2”號從上海起航，歷時79 d，航程1.4萬n mile，冰區(qū)航行超5 100 n mile。2021 年9 月28 日，圓滿完成考察任務(wù)后，“雪龍2”號順利返回上?；卮a頭。

“雪龍2”號進(jìn)行的2 次北極考察任務(wù)，由于受考察航線上冰厚、密度及考察時間等綜合因素限制，最高緯度分別到達(dá)86°10.14′N 和86°09.56′N，未能到達(dá)北極點(diǎn)。

2.5 我國極地科考特點(diǎn)

通過第36～38次南極考察和第11～ 12 次北極考察的船隊航行情況可以發(fā)現(xiàn)，目前我國的兩極考察任務(wù)由于裝備能力因素，具有如下 特點(diǎn)：

（1）時間限制。目前的極地科考船只能在極區(qū)夏季進(jìn)行，極區(qū)冬季無法進(jìn)入，也就意味著時間段制約著我國的極地科考能力。

（2）地點(diǎn)限制。主要是當(dāng)年冰情條件相對理想，但隨后2 年由于冰情、雪厚和冰脊等多種因素以及編隊中雪龍船能力的限制等問題，船舶無法更接近考察站。為了節(jié)省時間、減少船站之間的貨運(yùn)距離，應(yīng)該進(jìn)一步向更厚冰層區(qū)域突進(jìn)，突破地點(diǎn)的限制，實現(xiàn)新的能力提升。

兩極地區(qū)由于能源和地緣政治及戰(zhàn)略因素等，越來越被各國所重視，且美國和俄羅斯等西方國家的極地裝備能力建設(shè)十分強(qiáng)大，我國的裝備十分有必要突破時間和地點(diǎn)限制，使之能到達(dá)我們想去的地方和能夠去的地方，這就需要不斷提升極地裝備的能力。因此，我國亟需建設(shè)更強(qiáng)大的極地裝備——重型破冰船。

3 重型破冰船研究現(xiàn)狀及建設(shè)需求

3.1 國外重型破冰船建設(shè)情況

雖然破冰船的發(fā)展歷史長達(dá)120 多年，但如何界定破冰船能力的高低卻遲遲未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，國際船級社協(xié)會在《極地級船舶要求》中通過PC7至PC1 等7 個級別來界定破冰船在對應(yīng)環(huán)境下的安全航行能力。目前對重型破冰船的通用定義為：結(jié)構(gòu)冰級一般不小于PC2 級，破冰厚度不小于2 m，裝機(jī)功率超過33 MW，能破多年冰，能長時間在極地絕大部分海域航行的破冰船。

俄羅斯、美國和法國是少數(shù)幾個擁有重型破冰船裝備的國家。近幾年，國際上主要國家已建、在建及擬建的重型破冰船均有相應(yīng)計劃，都在提升兩極地區(qū)的裝備能力。

俄羅斯近幾年重型破冰船的建造包括新“北極”級（Arktika-Class）首制船“Arktika”號（如圖6所示），其已于2020 年10 月交付。該型船任務(wù)使命主要是為包括大型LNGC 在內(nèi)的運(yùn)輸船提供抵達(dá)俄羅斯各資源產(chǎn)出地港口的破冰服務(wù)，并為淺海區(qū)的碼頭、海洋平臺及油田等提供物資燃料與設(shè)備運(yùn)輸補(bǔ)給。該型船長173.3 m、寬34 m，滿載排水量 3.35 萬t，裝備2 套175 MW 的PITM-200 壓水反應(yīng)堆，最大推進(jìn)功率60 MW。新“北極”級破冰能力達(dá)到以2 kn 持續(xù)破冰2.8～ 2.9 m，該船為電力推進(jìn)，推進(jìn)形式為推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動三軸槳驅(qū)動[11]。

圖6 俄羅斯新“北極”級 “Arktika”號

“領(lǐng)袖”級（Lider-Class）是俄羅斯冰山設(shè)計局主持研發(fā)的最新一代重型破冰船[12]，如圖7所示。

圖7 俄羅斯“領(lǐng)袖”級（Lider-Class）

其任務(wù)使命較新“北極”級而言，除了保持全年東北航道的暢通，還需要保持從航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性角度考慮的引航航速。從破冰能力看，該型船的設(shè)計指標(biāo)達(dá)到了以2 kn 在4.3 m 層冰（考慮0.2 m 積雪）持續(xù)破冰航行，而在2 m 層冰中的連續(xù)破冰速度則達(dá)到12 kn。該船推進(jìn)形式也是電力推進(jìn)形式，由推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動軸系和螺旋槳。

“Viktor Chernomyrdin”號破冰船（LK-25）是目前俄羅斯采用常規(guī)動力的重型破冰船，已于2020 年交付。其船長146.8 m、船寬28.5 m、吃水 9.5 m、滿載排水量22 600 t，破冰等級為PC2 級，采用柴電推進(jìn)，最大推進(jìn)功率25 MW。該船采用兩邊吊艙加中間軸槳的推進(jìn)方式，最大航速17 kn，破冰能力為2.1 m，船舶概念圖如圖8 所示。美國海岸警衛(wèi)隊（USCG）極地安全艦（Polar Security Cutter）預(yù)計在2025 年實現(xiàn)首艦交付，滿載排水量約23 300 t，冰級PC2 級，采用柴電動力系統(tǒng)，推進(jìn)功率達(dá)到33.7 MW，如圖9 所示[13]。全船采用中間一組軸槳加兩側(cè)吊艙的混合推進(jìn)模式。此種推進(jìn)方式是近年來在重型破冰船型應(yīng)用較多的方案，一方面吊艙提供了在冰區(qū)良好的操縱與回轉(zhuǎn)性能，另一方面根據(jù)敞水、冰區(qū)等不同的功率需求切換推進(jìn)形式和功率分配，有效提升綜合節(jié)能效果。

圖8 俄羅斯“Viktor Chernomyrdin”號破冰船

圖9 美國重型極地安全巡邏艦

加拿大也在加緊建造自己的重型破冰船“John G.Diefenbaker”號，如圖10 所示，公布的首艦交付時間預(yù)計為2030 年。該船排水量約23 700 t、冰級為PC2 級、總裝機(jī)功率約39.6 MW、推進(jìn)功率達(dá)到34 MW，采用12 MW 的中間吊艙和兩側(cè) 11 MW 的軸槳混合推進(jìn)方式[14]。該型重型破冰船功能包括物資運(yùn)輸、科學(xué)考察和模塊化搭載等多種功能。根據(jù)資料顯示，其具備在2.6 m 層冰厚度下連續(xù)破冰航行的能力，且具有較好的冰區(qū)回轉(zhuǎn)、星狀回轉(zhuǎn)操作性能。該船為電力推進(jìn)，推進(jìn)形式為兩側(cè)電機(jī)驅(qū)動軸系及螺旋槳，中間為1個吊艙推進(jìn)器。

圖10 加拿大重型破冰船“John G.Diefenbaker”號

對上述提到的國際、國內(nèi)重要破冰船性能進(jìn)行匯總整理，結(jié)果見表2。

表2 典型破冰船性能匯總表

續(xù)表2

3.2 我國對重型破冰船建設(shè)要求

通過實施目前和未來新的科考破冰船項目，打造一支能夠執(zhí)行科考任務(wù)和保護(hù)北極安全環(huán)保發(fā)展前景的中國科考破冰船隊，對維護(hù)我國極地戰(zhàn)略利益具有十分重要的意義。同時，通過實施科考破冰船項目這一典型示范工程，將科考破冰船的關(guān)鍵和基礎(chǔ)技術(shù)延伸至冰區(qū)航行船舶領(lǐng)域，提升船型技術(shù)的關(guān)聯(lián)應(yīng)用，實現(xiàn)冰區(qū)航行船舶設(shè)計建造和冰區(qū)船用設(shè)備開發(fā)的突破，實現(xiàn)“裝備先行”戰(zhàn)略。

結(jié)合我國的極地考察任務(wù)需求，為了突破時間限制和地點(diǎn)限制的要求，替代現(xiàn)有的雪龍船功能，拓展提升新船的功能，擁有極地補(bǔ)給、極地科考、破冰開道和應(yīng)急救援等功能。我國的重型破冰船的建造設(shè)想，從地理位置應(yīng)考慮較強(qiáng)的續(xù)航力和適航性；采用最優(yōu)船型設(shè)計和綜合經(jīng)濟(jì)性最佳的動力推進(jìn)系統(tǒng)，破冰能力滿足在兩極水域中等厚度多年海冰中破冰航行，建議破冰能力不低于PC2 等級；防寒能力能實現(xiàn)-40℃的極地氣溫覆蓋[15-16]；從實踐操控靈活性、船舶機(jī)動性能以及螺旋槳冰堵所需超扭矩性能等方面綜合考慮，電力推進(jìn)方式比常規(guī)主機(jī)加上CPP 推進(jìn)形式更具優(yōu)越性和安全性，并且考慮推進(jìn)器在保障設(shè)備可靠性的前提下提升國產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用[17]。推進(jìn)形式的考慮需兼顧如下工況：

（1）極地破冰能力的需求；

（2）多工況作業(yè)特點(diǎn)以及長航程航行需求；

（3）兼顧船舶科考作業(yè)功能的靈活操縱性要求。

4 結(jié)語

本文對我國極地科考破冰船現(xiàn)有能力分析，結(jié)合近幾年極地實船航行情況，引出我國的重型破冰船的建設(shè)需求，同時簡要介紹了近年國外重型破冰船的建設(shè)情況，基于我國重型破冰船的任務(wù)使命和船舶航行工況需求，主要建議如下：

（1）未來我國極地裝備的建設(shè)需求應(yīng)定標(biāo)為重型破冰船，破冰能力不低于PC2 級，防寒能力能覆蓋-40 ℃的極地氣溫環(huán)境，突破現(xiàn)有雪龍系列船的“時間限制、地點(diǎn)限制”，改善目前我國極地考察任務(wù)以船舶能力來進(jìn)行的局面；

（2）新型極地重型破冰船除替代“雪龍”號的科考和物資運(yùn)輸功能外，應(yīng)進(jìn)一步提升能力，實現(xiàn)和“雪龍2”號的能力互補(bǔ)、編隊航行，在保有目前能力的基礎(chǔ)上實現(xiàn)新突破；

（3）推進(jìn)形式滿足高冰級等級需求，充分考慮選取破冰能力強(qiáng)大、能有效服務(wù)科考特點(diǎn)、船舶操縱機(jī)動靈活性等方面的推進(jìn)形式，滿足極區(qū)船舶功能需求；

（4）結(jié)合現(xiàn)有船舶管理和船員操作人員綜合能力，以及未來兩極地區(qū)的“和平利用、綠色環(huán)?！钡忍攸c(diǎn)，主動力采用常規(guī)柴電動力。