倪寶玉 薛彥卓 魯陽

摘 ? ?要：文章面向極地認(rèn)知、保護(hù)和開發(fā)利用的需求，立足于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋工程優(yōu)勢學(xué)科特色，充分借助和發(fā)揮哈爾濱工程大學(xué)在極地裝備領(lǐng)域的雄厚技術(shù)儲(chǔ)備，開展極地裝備技術(shù)與工程新興交叉學(xué)科建設(shè)方向的布局與發(fā)展的探索和研究，為我國極地戰(zhàn)略實(shí)施提供人才儲(chǔ)備方略。

關(guān)鍵詞：極地裝備技術(shù)與工程；交叉學(xué)科；極地戰(zhàn)略；極地發(fā)展

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2023）08-0036-03

極地，特別是北極，資源蘊(yùn)藏豐富，航運(yùn)潛力巨大，戰(zhàn)略位置特殊，已引起全世界的關(guān)注。俄羅斯、美國、北歐等國家和地區(qū)高度關(guān)注極地裝備技術(shù)與工程的發(fā)展，紛紛出臺(tái)相關(guān)的戰(zhàn)略文件，例如俄羅斯的《2035年前國家北極政策基礎(chǔ)》、美國的《藍(lán)色北極——北極戰(zhàn)略藍(lán)圖》，對(duì)極地科學(xué)技術(shù)、工程裝備、人才培養(yǎng)等均提出了明確要求[1-2]。《中國的北極政策》指出，“中國是北極事務(wù)的重要利益攸關(guān)方”，需“加強(qiáng)北極人才培養(yǎng)和科普教育，支持高校和科研機(jī)構(gòu)培養(yǎng)北極自然和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)人才”。

極地自然環(huán)境惡劣，極地裝備的工作環(huán)境面臨著極寒、低溫冰凍、冰塊雜多、狹窄航道、能見度差、復(fù)雜地磁、電磁環(huán)境、救援困難等挑戰(zhàn)，給極地裝備技術(shù)與工程帶來了巨大的挑戰(zhàn)。以船舶為例，船舶從敞水域向極地發(fā)展，面臨的主要載荷由波浪載荷轉(zhuǎn)變?yōu)楹１d荷，海冰載荷具有脈沖性且均值較波浪載荷大得多，對(duì)船舶局部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大沖擊，可能造成船舶冰損、冰困等事故。此外，低溫也會(huì)造成船舶設(shè)備失效、穩(wěn)性降低等危害。為此，開展極地裝備技術(shù)與工程的基礎(chǔ)研究和學(xué)科建設(shè)，揭示極地裝備技術(shù)與工程的本質(zhì)規(guī)律，培養(yǎng)極地裝備技術(shù)與工程的專業(yè)人才，必要而迫切。

《中國的北極政策》白皮書指出，“技術(shù)裝備是認(rèn)

知、利用和保護(hù)北極的基礎(chǔ)”。極地裝備技術(shù)與工程學(xué)科點(diǎn)的設(shè)立，立足于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋工程優(yōu)勢學(xué)科特色，緊扣國家極地戰(zhàn)略、振興東北老工業(yè)基地區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，積極推進(jìn)黑龍江省極地裝備龍頭工程建設(shè)，為地方建設(shè)服務(wù)，以船舶與海洋工程、動(dòng)力工程及工程熱物理、控制科學(xué)與工程、信息與通信工程、材料科學(xué)與工程等學(xué)科中涉及極地技術(shù)問題為研究對(duì)象，綜合自然科學(xué)、工程技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的理論、方法和技術(shù)，研究領(lǐng)域涵蓋極地冰載荷環(huán)境、極地船舶與海洋工程、極地通信與導(dǎo)航工程、極地裝備與材料低溫適應(yīng)性等，突出解決跨學(xué)科交叉產(chǎn)生的極地海洋環(huán)境載荷與結(jié)構(gòu)物響應(yīng)耦合作用機(jī)理和分析方法等科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)跨學(xué)科交叉的極地裝備技術(shù)與工程領(lǐng)域的高端復(fù)合人才[3]。

一、國內(nèi)外現(xiàn)狀調(diào)研及分析

目前，在國內(nèi)開設(shè)的極地技術(shù)與工程相關(guān)的專業(yè)和課程的高校中，較為突出的包含天津大學(xué)、大連理工大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、北京師范大學(xué)、中山大學(xué)、中國海洋大學(xué)、吉林大學(xué)等，但是均比較關(guān)注于單一學(xué)科或領(lǐng)域的研究，且課程體量較小，例如天津大學(xué)的冰力學(xué)課程（選修課，24學(xué)時(shí)）、哈爾濱工程大學(xué)的冰水船耦合運(yùn)動(dòng)學(xué)導(dǎo)論（研究生選修課，32學(xué)時(shí)）等，均沒有設(shè)置面向極地技術(shù)與裝備行業(yè)培養(yǎng)專門復(fù)合型人才的學(xué)科。2018年4月，北京師范大學(xué)聯(lián)合國內(nèi)25所高校牽頭成立了“中國高校極地聯(lián)合研究中心”，旨在搭建高校極地研究協(xié)同合作與交流的平臺(tái)、高校極地對(duì)外交流合作的窗口以及極地交叉人才培養(yǎng)的基地和服務(wù)極地科技與外交的智庫。該中心為我國極地科學(xué)和技術(shù)的聯(lián)合研究起到了促進(jìn)作用，但是沒有完整的學(xué)科體系，尚無法直接培養(yǎng)多學(xué)科交叉的極地復(fù)合型人才。

在極地技術(shù)和人才培養(yǎng)方面，芬蘭、挪威、丹麥等北歐國家和俄羅斯均走在世界前列。芬蘭阿爾托大學(xué)設(shè)有北極技術(shù)（Arctic Technology）專業(yè)，授予機(jī)械工程碩士學(xué)位，課程涉及冬季航行、船舶和結(jié)構(gòu)上的冰載荷、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冰力學(xué)和一般應(yīng)用力學(xué)等。丹麥理工大學(xué)（牽頭單位）、挪威科技大學(xué)、芬蘭阿爾托大學(xué)聯(lián)合設(shè)立了寒冷氣候工程（Cold Climate Engineering）專業(yè)，學(xué)生需要在上述3所高校中的任何2個(gè)大學(xué)中修滿120

ECTS的學(xué)分，并獲取雙碩士學(xué)位。該專業(yè)旨在提升極地技術(shù)和支撐極地可持續(xù)發(fā)展，主要研究方向包含極地船舶與海洋工程、極地巖土工程、極地遙感與測繪等，課程涉及北極和海洋工程、極地結(jié)構(gòu)上的冰作用、極地基礎(chǔ)工程、極地資源開發(fā)與發(fā)展等。此外，在北極理事會(huì)領(lǐng)導(dǎo)和支持下，“北極大學(xué)聯(lián)盟”于2001年6月成立，目前成員包括環(huán)北極8國和非北極國家的超過150個(gè)成員機(jī)構(gòu)和組織，例如美國華盛頓大學(xué)、丹麥奧爾堡大學(xué)、加拿大阿爾伯塔大學(xué)、英國杜倫大學(xué)等，中國的成員大學(xué)包含中國海洋大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。該聯(lián)盟致力于通過合作研究，推動(dòng)環(huán)北極地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展等。

極地裝備技術(shù)與工程是集力學(xué)、工程、通信、導(dǎo)航、材料等多學(xué)科交叉的戰(zhàn)略性高技術(shù)，我國目前在相關(guān)課程設(shè)置上零散，學(xué)科體系上尚沒有布局，缺乏針對(duì)極地技術(shù)與工程特點(diǎn)的交叉學(xué)科，不能滿足極地工程與裝備領(lǐng)域的技術(shù)需求。極地工程與裝備領(lǐng)域的發(fā)展亟待高校設(shè)置具有多學(xué)科交叉特點(diǎn)的極地技術(shù)與工程學(xué)科專業(yè)，建立具有多學(xué)科交叉特點(diǎn)的極地裝備技術(shù)與工程課程體系和人才培養(yǎng)方案。上述可見，建立具有多學(xué)科交叉特點(diǎn)的極地技術(shù)與工程學(xué)科勢在必行。

二、學(xué)科主要研究方向及研究內(nèi)容

極地技術(shù)與工程學(xué)科根據(jù)國際上學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)，面向極地工程與裝備的技術(shù)發(fā)展需求，針對(duì)極地冰載荷環(huán)境、極地船舶與海洋工程、極地通信與導(dǎo)航工程、極地裝備與材料低溫適應(yīng)性等研究方向開展研究，主要研究內(nèi)容如下[4]。

（一）極地冰載荷環(huán)境

1.冰力學(xué)。研究冰的物理和力學(xué)性質(zhì)，冰的本構(gòu)關(guān)系，冰的裂紋擴(kuò)展形式，冰與結(jié)構(gòu)相互作用過程中冰的斷裂、破碎機(jī)制，結(jié)構(gòu)物上冰載荷特征，冰力學(xué)行為的物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)。

2.冰水耦合力學(xué)。研究冰與水、波浪、海流等動(dòng)力因素的相互作用，浪流在多種類型海冰中傳播的能量衰減理論，風(fēng)浪流作用下的海冰破碎與漂移堆積機(jī)制，冰水耦合力學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)。

（二）極地船舶與海洋工程

1.極地船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。研究破冰船、極地航行船舶、水下航行器、海洋平臺(tái)等結(jié)構(gòu)物在冰水耦合載荷下的運(yùn)動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征，研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)極地船舶與海洋結(jié)構(gòu)物新構(gòu)型，研究極地船舶與海洋結(jié)構(gòu)物建造、檢驗(yàn)、維修和管理的基礎(chǔ)理論和方法。

2.極地船舶與海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力系統(tǒng)。研究極地低溫環(huán)境下極地船舶與海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力系統(tǒng)能質(zhì)循環(huán)機(jī)理與熱功轉(zhuǎn)換規(guī)律，研究極地動(dòng)力系統(tǒng)的低溫燃燒技術(shù)、低污染排放技術(shù)、安全設(shè)計(jì)與評(píng)估技術(shù)、智能化控制技術(shù)，研究極地動(dòng)力裝置數(shù)字化技術(shù)、故障診斷與健康管理技術(shù)。

（三）極地通信與導(dǎo)航工程

1.極地水聲技術(shù)。研究極地冰下聲場特性和冰下聲學(xué)技術(shù)，主要包括極地冰層聲學(xué)特性、極地冰下聲傳播、極地冰下噪聲場特性、極地冰下混響場特性，研究冰下水聲通信技術(shù)、冰下導(dǎo)航定位技術(shù)、冰下水聲探測技術(shù)，發(fā)展與極地冰下聲場特性適配的水聲信號(hào)處理技術(shù)，評(píng)估、預(yù)報(bào)、提升聲納極地冰下作用性能。

2.極地通信技術(shù)。特指冰下水聲通信以外的通信技術(shù)，主要包括北極海區(qū)冰、水、地各海洋水文環(huán)境要素和海洋地球物理信息的多模異構(gòu)特征，研究極地環(huán)境對(duì)無線通信信道影響、建立極地?zé)o線通信信道模型，研究極地環(huán)境無線通信設(shè)備可靠性技術(shù)。

3.極地導(dǎo)航技術(shù)。特指冰下水聲導(dǎo)航以外的導(dǎo)航技術(shù)，研究極地特殊物理場作用下導(dǎo)航系統(tǒng)誤差產(chǎn)生與傳播的機(jī)理，建立極地導(dǎo)航參考框架及其在該框架下的導(dǎo)航方法，研究慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的高緯度初始對(duì)準(zhǔn)與誤差綜合校正技術(shù)，研究極地氣象水文觀測、分析及預(yù)報(bào)，以及航海導(dǎo)航定位裝備性能測試與評(píng)估理論與方法等。

（四）極地裝備與材料低溫適應(yīng)性

1.極地裝備低溫適應(yīng)性。研究極地環(huán)境下機(jī)械裝備的低溫可靠性，研究極地裝備抗冰、防冰和除冰方法和技術(shù)，極地裝備低溫適應(yīng)性評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)方法，研究低能耗除冰技術(shù)及全艦防冰防凍的頂層設(shè)計(jì)理論。研究極地環(huán)境下積冰形成機(jī)制，建立極地環(huán)境下的積冰預(yù)報(bào)理論。

2.極地材料低溫適應(yīng)性。研究低溫材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為、疲勞特性、低溫金屬的韌脆機(jī)制、低溫材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制技術(shù)、低溫下材料腐蝕機(jī)理等，研究極地裝備用高性能鋼鐵材料、極地用鈦合金和復(fù)合材料、極地結(jié)構(gòu)減振抗震高阻尼合金等設(shè)計(jì)和制備技術(shù)等。

三、學(xué)科建設(shè)方案

（一）研究方向建設(shè)方案

學(xué)科將從極地冰載荷環(huán)境、極地船舶與海洋工程、極地水聲工程、極地導(dǎo)航與通信工程、極地裝備及材料低溫適應(yīng)性五個(gè)研究方向開展建設(shè)[4]。主要建設(shè)方案如下。

1.極地冰載荷環(huán)境。主要從冰力學(xué)與冰水耦合力學(xué)兩個(gè)核心方向進(jìn)行建設(shè)，是極地船舶與海洋結(jié)構(gòu)物、極地水聲工程、極地裝備及材料低溫適應(yīng)性等研究方向的力學(xué)基礎(chǔ)。冰力學(xué)為冰水耦合力學(xué)提供冰的物理和力學(xué)特性基礎(chǔ)，以及必要的物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法。擬分別從冰的物理/力學(xué)性質(zhì)，冰的本構(gòu)方程，冰的裂紋擴(kuò)展，冰與結(jié)構(gòu)物相互作用，冰與水、浪、流等流體動(dòng)力因素相互作用等方面研究。

2.極地船舶與海洋工程。主要從極地船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造和極地船舶與海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力系統(tǒng)兩個(gè)核心方向進(jìn)行建設(shè)，其中極地船舶與海洋結(jié)構(gòu)物包含船舶、水下航行器、海洋平臺(tái)等。第一個(gè)研究方向主要關(guān)注總體、運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)性能。第二個(gè)研究方向主要關(guān)注動(dòng)力系統(tǒng)，二者互相支撐，共同為后續(xù)研究方向提供載體。擬分別從極地船舶與海洋結(jié)構(gòu)物性能、設(shè)計(jì)、建造、檢驗(yàn)、維修和管理的基礎(chǔ)理論和方法，極地動(dòng)力系統(tǒng)的熱功循環(huán)轉(zhuǎn)換機(jī)理、動(dòng)力裝置數(shù)字化、安全設(shè)計(jì)與評(píng)

估、低污染排放等方面進(jìn)行研究。

3.極地通信與導(dǎo)航工程。這部分主要按照冰面以下和冰面以上兩個(gè)層面進(jìn)行研究方向的分解。對(duì)于冰面以下，主要采用水聲技術(shù)進(jìn)行通信導(dǎo)航，設(shè)置極地水聲技術(shù)研究方向；對(duì)于冰面以上，進(jìn)一步設(shè)置極地通信技術(shù)與極地導(dǎo)航技術(shù)兩個(gè)研究方向。對(duì)于極地冰下水聲技術(shù)，擬分別從冰層介質(zhì)中的聲傳播、極地冰下半波導(dǎo)和雙聲道聲傳播、極地冰下噪聲場特性研究與建模、極地冰下混響場特性研究與建模等基礎(chǔ)理論和極地冰下水聲通信技術(shù)、探測技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)以及跨冰層介質(zhì)聲通信技術(shù)等應(yīng)用技術(shù)方面進(jìn)行研究。對(duì)于極地水面以上的通信導(dǎo)航技術(shù)，擬分別從極地重力、溫度、電磁等特殊物理場作用下導(dǎo)航系統(tǒng)誤差產(chǎn)生與傳播的機(jī)理，極地導(dǎo)航參考框架及其該框架下的導(dǎo)航方法，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的高緯度初始對(duì)準(zhǔn)與誤差綜合校正技術(shù)，極地氣象水文觀測、分析及預(yù)報(bào)，航海導(dǎo)航定位裝備性能測試與評(píng)估理論與方法，北極海區(qū)冰、水、地各海洋水文環(huán)境要素和海洋地球物理信息的多模異構(gòu)特征，極地?zé)o線通信信道模型、極地?zé)o線通信設(shè)備可靠性技術(shù)，極地海洋及地球物理關(guān)鍵要素探測方法等方面進(jìn)行研究。

4.極地裝備與材料低溫適應(yīng)性。主要從極地裝備低溫適應(yīng)性和極地材料低溫適應(yīng)性兩個(gè)核心方向進(jìn)行建設(shè)，二者聯(lián)合支撐研究方向2、3、4中涉及到的裝備及材料在低溫環(huán)境下的工作性能。擬分別從極地船舶與海洋平臺(tái)甲板機(jī)械可靠性，極地裝備抗冰、防冰和除冰方法和技術(shù)，極地裝備低溫適應(yīng)性評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)方法，低能耗除冰的能量控制及裝備防冰防凍的頂層設(shè)計(jì)方法，低溫材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為、低溫金屬的韌脆機(jī)制、低溫材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制技術(shù)、低溫下材料腐蝕機(jī)理，極地裝備用高性能鋼鐵材料，極地用鈦合金和復(fù)合材料，極地結(jié)構(gòu)防凍、減振、抗震高阻尼合金等設(shè)計(jì)和制備技術(shù)等方面進(jìn)行研究。

（二）研究方法建設(shè)方案

學(xué)科將以組建師資隊(duì)伍、開設(shè)交叉課程、整合課程體系、配置對(duì)應(yīng)教材四個(gè)研究方法開展建設(shè)，推進(jìn)“新工科”建設(shè)，培養(yǎng)一流人才[5]。主要教改方法如下。

1.組建師資隊(duì)伍。本學(xué)科將依托于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋工程（入選國家“雙一流”建設(shè)學(xué)科， 2017 年學(xué)科評(píng)估獲評(píng) A+）[6]，并與力學(xué)、動(dòng)力工程及工程熱物理、控制科學(xué)與工程、信息與通信工程、材料科學(xué)與工程等學(xué)科交叉，針對(duì)開設(shè)的課程，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科組建師資隊(duì)伍。通過開展協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)交叉學(xué)科、交叉領(lǐng)域的研究合作，加強(qiáng)不同學(xué)科間溝通交流，共建跨學(xué)科交叉研究和學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，形成人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、技術(shù)攻關(guān)的學(xué)術(shù)高地。

2.開設(shè)交叉課程。面向碩士研究生開設(shè)冰水船耦合運(yùn)動(dòng)學(xué)、現(xiàn)代通信信號(hào)處理、船舶導(dǎo)航系統(tǒng)原理、極地生命保障系統(tǒng)工程原理、復(fù)雜電磁環(huán)境無線信道建模、通信系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)等課程；擬面向博士研究生開設(shè)極端環(huán)境船舶動(dòng)力系統(tǒng)熱力循環(huán)分析、船舶導(dǎo)航系統(tǒng)原理、極地冰下聲傳播原理、現(xiàn)代通信信號(hào)處理、極地船舶設(shè)計(jì)理論與方法、極地冰下噪聲場、冰層聲散射特性與建模、低溫功能材料概論等課程。

3.整合課程體系。結(jié)合本學(xué)科碩士點(diǎn)、博士點(diǎn)的人才培養(yǎng)方案，整合對(duì)應(yīng)的課程體系。研究生培養(yǎng)課程體系結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)，遵循科學(xué)理論基礎(chǔ)與學(xué)科前沿技術(shù)的結(jié)合創(chuàng)新，注重學(xué)生自主研究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時(shí)，結(jié)合社會(huì)發(fā)展和人才市場需求來優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，優(yōu)化培養(yǎng)計(jì)劃， 完善課程體系。

4.配置對(duì)應(yīng)教材。在具有多學(xué)科交叉特點(diǎn)的極地裝備技術(shù)與工程課程體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)新開設(shè)課程的內(nèi)容和前沿發(fā)展，匯編授課講義，出版教學(xué)教材。

四、結(jié)語

與發(fā)達(dá)國家相比，我國極地技術(shù)與裝備領(lǐng)域起步晚，極地裝備技術(shù)與工程相關(guān)的教育相對(duì)薄弱、相關(guān)人才缺口較大導(dǎo)致極地技術(shù)與國際水平存在較大差距，極大地制約了我國極地戰(zhàn)略的實(shí)施和極地領(lǐng)域的發(fā)展。因此，極地裝備技術(shù)與工程新興交叉學(xué)科點(diǎn)的設(shè)立可為滿足我國極地裝備技術(shù)與工程領(lǐng)域高級(jí)人才的需求提供培養(yǎng)基地。

根據(jù)國內(nèi)外極地裝備技術(shù)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài)并結(jié)合學(xué)科現(xiàn)狀，本文進(jìn)一步分析凝練研究方向，初步探索了面向極地裝備技術(shù)與工程學(xué)科研究方向發(fā)展的建設(shè)方案，通過開展協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)交叉學(xué)科、交叉領(lǐng)域的研究合作，加強(qiáng)不同學(xué)科間溝通交流，共建跨學(xué)科交叉研究和學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，形成人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、技術(shù)攻關(guān)的學(xué)術(shù)高地，旨在使極地裝備技術(shù)與工程學(xué)科逐漸成為學(xué)術(shù)水平高、自主創(chuàng)新能力強(qiáng)、在國內(nèi)外有較大影響的特色學(xué)科。

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