破冰船性能及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)述評(píng)

摘要：文章對(duì)極地船舶技術(shù)進(jìn)行了回顧，對(duì)破冰船的性能以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了述評(píng)；對(duì)加拿大、日本、芬蘭、蘇聯(lián)、美國(guó)、丹麥以及瑞典等國(guó)家的破冰船進(jìn)行了技術(shù)分析，旨在為破冰船的初步設(shè)計(jì)提供借鑒，以幫助設(shè)計(jì)者選擇破冰船的形狀、尺寸。

關(guān)鍵詞：破冰船；極地船舶技術(shù)；船舶設(shè)計(jì)；海洋破冰船；湖泊破冰船；江河破冰船 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U615 文章編號(hào)：1009-2374（2015）28-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.005

1 概述

第一艘破冰船誕生在俄國(guó)，它就是1899年俄國(guó)人設(shè)計(jì)的“葉爾馬克”號(hào)破冰船。破冰船的作用就是將水面上的冰層破碎，進(jìn)而開辟船舶的航道，可以引導(dǎo)在冰區(qū)航行的勤務(wù)船進(jìn)行正常航行，還可以保障艦船正常進(jìn)出冰封的港口，因此意義非常重大。

破冰船由于使用地區(qū)不同可以分為很多種類型，比如海洋破冰船、湖泊破冰船以及江河破冰船等。破冰船的船身較短，但是比較寬，也就是具有較小的長(zhǎng)寬比，船體的首柱尖削前傾，強(qiáng)度是十分驚人的。破冰船的水線區(qū)域以及首位施工的是對(duì)密骨架以及厚鋼板進(jìn)行加固。破冰船的推動(dòng)系統(tǒng)使用的是多螺旋槳的裝置，一般使用的是雙軸的或者是雙軸以上的裝置。破冰船的動(dòng)力源是柴油機(jī)，它的舵和螺旋槳進(jìn)行了一定的加固。因此，破冰船在破冰工作中可以用首部進(jìn)行連續(xù)的破冰工作。破冰船是一種特殊船舶，是具有在結(jié)冰的水面上開辟航道功能的船舶。破冰船的船殼很厚重，馬力也比較大，破冰船的各個(gè)地方都有壓水艙的設(shè)置。

2 破冰船的優(yōu)良性能

破冰船的橫向較寬、縱向較短，這樣的比例和一般情況下的海船相比具有很大的區(qū)別，使用這樣的長(zhǎng)寬比是為了更好地開辟航道。比如一艘破冰船具有37000噸的排水量，馬力達(dá)到7.35×107瓦，長(zhǎng)度在190多米的情況下，這艘破冰船的寬度大概在30多米，破冰船的外殼要用5厘米以上厚度的鋼板進(jìn)行制作，破冰船里面使用密集型的支撐構(gòu)件，吃水線的地方用合金鋼進(jìn)行加固，這種材料的抗撞擊能力非常好。

破冰船的破冰方法一般來(lái)說(shuō)有兩種，當(dāng)冰層的厚度在1.5米以內(nèi)的情況下，破冰船可以使用連續(xù)的破冰方式，也就是使用破冰船的船頭將冰層撞碎并且劈開，這一工作是依靠螺旋槳的力量完成的，這樣的情況下破冰船的航行能力在9.2千米/小時(shí)。當(dāng)冰層較厚實(shí)的時(shí)候，破冰船的破冰方式使用的是沖撞的方法，這時(shí)候的破冰船的船頭部位吃水線，所以很容易沖到冰面上，這樣破冰船的船體就能將下面的冰層壓碎。最后破冰船要倒退一段距離，使足馬力沖向冰層，就可以壓碎破冰船下的冰層了。反復(fù)進(jìn)行這樣的工作就會(huì)開辟出一個(gè)新的航道。破冰船的驅(qū)動(dòng)功率非常高，所以即使是長(zhǎng)時(shí)間的破冰航行也可以很好地滿足。

很多國(guó)家的海域在冬天都有嚴(yán)重的結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生，因此很多國(guó)家都使用破冰船進(jìn)行航道的開辟。還有一些國(guó)家使用專用的北極破冰船，主要是用于北極的一些少數(shù)國(guó)家。目前俄羅斯有7～8艘極地破冰船，可以使用的有6艘。美國(guó)的希利號(hào)破冰船號(hào)稱是美國(guó)威力最強(qiáng)的破冰船，除此之外，在加拿大、英國(guó)、日本、挪威以及芬蘭等地也有自己的破冰船，我們國(guó)家的雪龍?zhí)柶票彩菢O地破冰船。

破冰船的威力不可小覷，對(duì)于幾米高的冰山，只要經(jīng)過(guò)破冰船幾次猛烈的撞擊，就可以將冰山擊得粉碎。因此，對(duì)于破冰船的制造材料也有極高的要求，所有的破冰船均使用非常厚的鋼板進(jìn)行制作，強(qiáng)度非常大。

破冰船在航行中經(jīng)常遇到被冰塊卡住的現(xiàn)象，這就需要破冰船具有一定的應(yīng)急技術(shù)。在20世紀(jì)80年代，美國(guó)海岸警隊(duì)的一艘破冰船曾經(jīng)在海面上冰凍了幾乎一年的時(shí)間，現(xiàn)代破冰船使用了更加先進(jìn)的系統(tǒng)，也就是氣泡減阻系統(tǒng)以及傾側(cè)技術(shù)等，這都是為了防止破冰船被凍住或者被冰塊夾住。傾側(cè)技術(shù)顧名思義就是讓船身一直搖擺不停，這是通過(guò)在破冰船兩邊加設(shè)螺旋槳帶來(lái)的效果，主要是使破冰船的兩邊水艙連續(xù)的加注以及抽吸海水造成的。氣泡減阻技術(shù)就是使用空氣經(jīng)過(guò)壓縮之后形成的空氣膜，這樣就可以很好地防治破冰船的冰凍。

破冰船的自重相當(dāng)大，因此在壓垮海冰時(shí)的效果更加明顯。破冰船的船殼位于水線以下的部分，一般都涂有特殊的抗冰漆，這樣可以大大減小冰與船體之間的摩擦力。破冰船使用的大多是高性能并且低溫的鋼材進(jìn)行制作的，在水線附近，船頭以及船尾的位置還進(jìn)行了加厚處理，船頭的結(jié)構(gòu)十分科學(xué)，可以輕易地行駛到海冰上，整個(gè)破冰船的形狀可以很好地保護(hù)螺旋槳以及船舵，在進(jìn)行倒退行駛的時(shí)候可以保證舵與螺旋槳不被冰山撞壞。另外，為了給破冰船提供較好的探路與導(dǎo)航，還可以配備直升機(jī)。

3 破冰船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

3.1 船舷和豎直線之間的夾角

破冰船船舷和豎直線之間的夾角是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)所有船的船舷以及豎直線之間都是存在一定夾角的，不過(guò)有的船舶的下部是比較直的構(gòu)造，而有的船的下部是比較凹陷的結(jié)構(gòu)，和集裝箱船相類似?？墒瞧票瑸槭裁词褂媚敲刺厥獾臉?gòu)造呢？這不得不引起設(shè)計(jì)者的思考。因?yàn)楸媸鞘止饣?，因此破冰船在有冰的海面上行駛，就涉及到一個(gè)摩擦系數(shù)的問(wèn)題，回想一下我們冬天在冰面上行走時(shí)候的場(chǎng)景，就知道非常光滑。研究人員發(fā)現(xiàn)，破冰船和冰面之間的摩擦系數(shù)沒有那么小，有的破冰船在行駛過(guò)程中甚至發(fā)生了船毀人亡的慘劇。通過(guò)學(xué)者們的不斷研究可以發(fā)現(xiàn)，破冰船和冰面之間的摩擦系數(shù)大概是0.2，這也就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題，如果船舷與豎直面之間的夾角太小的話，冰有可能嚴(yán)重破壞船體，導(dǎo)致事故。

3.2 破冰船與冰面之間的壓力

冰面對(duì)于破冰船的壓力可以分為兩種：一種是相切于船舷的力F；另一種壓力是垂直于船舷的力R。破冰船的重力是P的情況下，P和R之間的夾角一般來(lái)說(shuō)和破冰船的船舷與豎直線的夾角是一樣的。冰面對(duì)于破冰船的摩擦力是摩擦系數(shù)以及垂直于船舷的力R的乘積，也就是Q=0.2R。

在Q比F小的情況下，破冰船船身上的冰就會(huì)被力F推到水里面，與此同時(shí)還會(huì)沿著船舷進(jìn)行滑動(dòng)，但是不會(huì)造成船身的毀壞。在Q比F大的情況下，摩擦力Q就會(huì)阻礙冰塊的繼續(xù)滑動(dòng)，這樣的情況下，冰塊有可能長(zhǎng)時(shí)間地壓在破冰船的船舷上，因此破冰船的船舷有被壓壞的危險(xiǎn)，要對(duì)船舷與豎直線之間的夾角進(jìn)行合理的確定。根據(jù)三角函數(shù)表里查出的結(jié)果顯示，當(dāng)正切函數(shù)是0.2的時(shí)候，角度是11°。這個(gè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)船舷與豎直線之間的夾角大于11°的情況下，就可以保證破冰船的正常使用，這就是為破冰船獨(dú)有的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

破冰船具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是強(qiáng)大的動(dòng)力以及堅(jiān)固的船體，再加上破冰船獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使得破冰船可以在嚴(yán)峻的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。通常情況下破冰船的噸位在萬(wàn)噸級(jí)，寬度在25米左右，長(zhǎng)度120米左右。因此，破冰船就像是一個(gè)尺寸較大的大馬力的拖輪，可以在有浮冰的地區(qū)十分靈活地變換方向，具有良好的可操作性，并且穩(wěn)定性也是非常好的，即使是在風(fēng)浪巨大的情況下使用也有良好的安全性能。

在緯度較高的北太平洋，以及北大西洋和北冰洋的海域中，一年四季都有貨船來(lái)來(lái)往往，這也是世界貿(mào)易中十分重要的一部分。然而在這些海域當(dāng)中，每年的幾個(gè)月中都是冰山四伏、冰面凍結(jié)。想要實(shí)現(xiàn)在這些海域的正常航行，破冰船就顯得尤為重要。破冰船的形狀十分特別，船頭十分結(jié)實(shí)，螺旋槳和機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度也極高，它呈現(xiàn)一種短粗的面貌，具有十分強(qiáng)大的主機(jī)系統(tǒng)、輔機(jī)系統(tǒng)。破冰船還具有一個(gè)十分明顯的特點(diǎn)，那就是破冰船的船頭吃水比較淺，到船的中間部位吃水逐漸加深，這也給破冰船良好的使用性能奠定了基礎(chǔ)。正因?yàn)槠票莫?dú)特性能，其為航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 石磊.現(xiàn)代破冰船和破冰技術(shù)[J].知識(shí)就是力量，2003，（10）.

作者簡(jiǎn)介：王帥（1988-），男，陜西寶雞人，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所助理工程師，碩士，研究方向：特種船舶總體設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）