破冰船技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

于新偉， 陳 林， 王化明，2， 趙春慧， 李莉莉

(1. 浙江海洋大學(xué) a.船舶與機(jī)電工程學(xué)院； b.東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院， 浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 舟山 316022)

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破冰船技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

于新偉1a， 陳 林1b， 王化明1a，2， 趙春慧1a， 李莉莉1a

(1. 浙江海洋大學(xué) a.船舶與機(jī)電工程學(xué)院； b.東海科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 舟山 316022)

對(duì)各類破冰船文獻(xiàn)資料進(jìn)行分析，研究國內(nèi)外破冰船技術(shù)特點(diǎn)，概括傳統(tǒng)破冰船的破冰方法以及存在問題，重點(diǎn)介紹近年來國內(nèi)外破冰船技術(shù)的新發(fā)展、新構(gòu)想，以及特種裝備及新技術(shù)在破冰船上的應(yīng)用，可為破冰船的研究提供有益的參考。

破冰船；破冰技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

破冰船是專門用于在冰區(qū)水域開辟航道以及救助被困船只的特種船。作為特種船舶，破冰船的歷史久遠(yuǎn)，早在1857年，瑞典建成了世界上第1艘真正意義上的破冰船 “波爾海姆” 號(hào)。

近年來，隨著世界資源的緊缺，各國紛紛把目光投向蘊(yùn)藏著豐富油氣、礦產(chǎn)、漁業(yè)等資源的極地。隨著各國間對(duì)極地資源爭(zhēng)奪的不斷升溫，各國對(duì)破冰船的重視程度也相應(yīng)提高，先后開始研制、改良、建造新型破冰船，發(fā)展新型破冰技術(shù)[1]。目前，很多國家都裝備有破冰船。破冰船作為一種特殊的船型，具有許多技術(shù)特點(diǎn)，也存在巨大的創(chuàng)新改進(jìn)潛力。因此，研究和發(fā)展破冰船具有極大的意義。

1 傳統(tǒng)破冰船技術(shù)分析

1.1 傳統(tǒng)破冰船破冰方法

破冰船一般采用連續(xù)破冰和沖撞破冰2種方法進(jìn)行破冰作業(yè)。傳統(tǒng)的破冰船破冰時(shí)除了利用自身的重量外，一般還需要利用前后左右壓水艙之間的配合完成破冰工作。例如，艏向破冰時(shí)，就將后壓水艙注滿水，讓船艏上翹前行，使船身前半部分壓在冰層上，然后再將前壓水艙注滿水，同時(shí)讓后壓水艙排水，隨著船體重心的前移達(dá)到壓碎冰層的目的；左右破冰時(shí)，使其壓載艙進(jìn)行左右交替注水，進(jìn)而使船體左右搖晃，以此破冰。

當(dāng)冰層厚度未達(dá)到破冰船設(shè)計(jì)破冰厚度時(shí)，采用連續(xù)破冰法。依靠螺旋槳的推力、破冰線型以及破冰船自重緩慢地、起伏地把冰層劈開撞碎，每小時(shí)能在冰海航行9.2 km左右。如果冰層較厚，超過了破冰船設(shè)計(jì)時(shí)的最大破冰厚度或者在較為復(fù)雜的堆積冰、厚冰區(qū)及更嚴(yán)峻的冰脊區(qū)等冰區(qū)中時(shí)，則采用沖撞破冰法。首先，破冰船需要倒退1～2個(gè)船長的距離，然后加速向前沖撞，破冰船傾斜式的船艏能方便地沖上冰面，再配合船體自重和壓載水，能把冰層壓為碎塊。在厚冰區(qū)或遇到冰脊冰時(shí)，則通過反復(fù)沖撞的方法破冰。

極地通常存在3種海況：開闊海域、浮冰區(qū)、陸緣冰區(qū)。在不同海況下，進(jìn)行不同方式的破冰作業(yè)。特別是在陸緣冰區(qū)作業(yè)時(shí)，當(dāng)陸緣冰厚度超過破冰船連續(xù)破冰能力時(shí)，需采用旋回破冰法和徒步破冰法，本文對(duì)上述2種方法不再深入介紹[2]。

1.2 傳統(tǒng)破冰船的局限性

目前破冰船的破冰方式：連續(xù)破冰和沖撞破冰，主要存在以下幾點(diǎn)問題。

(1) 對(duì)于連續(xù)破冰法，目前存在的主要問題是破冰緩慢，破冰效率較低且能耗較大，只能在冰面強(qiáng)度小、厚度薄的海域使用，對(duì)船舶自身強(qiáng)度要求較高。

(2) 對(duì)于沖撞破冰法，最主要的問題是船體容易被冰卡住。導(dǎo)致卡住不易退出的原因[3]為：① 由于柴油機(jī)主機(jī)特性限制，船舶倒車功率只有正車功率的70%，導(dǎo)致提供的拉力不夠；② 主機(jī)倒車長時(shí)間運(yùn)作，易發(fā)生螺旋槳打冰現(xiàn)象，繼而出現(xiàn)嚴(yán)重的主機(jī)過載；③ 傳統(tǒng)推進(jìn)舵其轉(zhuǎn)向力較小，不足以轉(zhuǎn)動(dòng)船體使其掙脫。

2 破冰船技術(shù)新發(fā)展

為解決上述問題，本文分析破冰船技術(shù)的最新發(fā)展，總結(jié)出幾個(gè)較為實(shí)用的方法，以及一些應(yīng)用于破冰船上的特種裝備，這些技術(shù)將顯著促進(jìn)破冰船的發(fā)展。

2.1 新型破冰船型發(fā)展

2.1.1 各國新建破冰船介紹

近年來，許多國家研究發(fā)展新型破冰船技術(shù)，建造新型破冰船。本文對(duì)近幾年新建或者有計(jì)劃建造的破冰船進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

俄羅斯因其獨(dú)特的地理位置，擁有數(shù)量眾多的破冰船，但因船齡較大，船體老化，故急需新的破冰船。據(jù)悉俄羅斯目前在建造新一代 22220 型核動(dòng)力破冰船，包括改型共3艘。此外，俄羅斯還啟動(dòng)了 Yamal LNG 項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在建造新型的高冰級(jí)LNG運(yùn)輸船。

美國雖然已經(jīng)40年未新建破冰船，但近年來政府已經(jīng)重新認(rèn)識(shí)到破冰船的重要性，并計(jì)劃于2020年前購買1艘新型破冰船。

歐盟早在2002年便啟動(dòng)了 “北極光”新型破冰船的建造項(xiàng)目，英國也正在獨(dú)立建造新型破冰船。此外，日本也有新建破冰船的計(jì)劃。

近年來，我國在新型破冰船設(shè)計(jì)建造上取得了不錯(cuò)的成績(jī)，相關(guān)科研工作也穩(wěn)步進(jìn)行。不久前，我國自主設(shè)計(jì)的新型極地科考破冰船開工建造，據(jù)悉新船將采用吊艙式電力推進(jìn)，運(yùn)用多項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)，其中包括下文提到的雙動(dòng)力技術(shù)。海軍方面，我國自主研發(fā)的新一代破冰船“海冰722船”“海冰723船”也已相繼入列。下文重點(diǎn)介紹近年來出現(xiàn)的兩類具有突出創(chuàng)新性的新型破冰船。

2.1.2 不對(duì)稱專業(yè)破冰船

由于特殊的功能要求和功率需求的限制，專業(yè)破冰船的尺寸不可能太大，尤其是對(duì)船寬的限制(一般在20 m左右)。隨著運(yùn)輸需求的不斷提高和港口航道的發(fā)展， 20 m船寬的破冰船已無法滿足日益增長的實(shí)際需求，目前采取的常規(guī)措施是2艘船同時(shí)進(jìn)行破冰，但這大幅提高了破冰的成本。為解決這一問題，船舶設(shè)計(jì)專家們開發(fā)設(shè)計(jì)一種新型的不對(duì)稱船體專業(yè)破冰船“Baltika”號(hào)，如圖1所示。該船在破冰時(shí)可以斜向航行，顯著提高破冰的寬度[4]。憑借這一獨(dú)特船型與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)技術(shù)的融合，該船具有較好的靈活性、通用性和操縱性。

圖1 破冰船“Baltika”號(hào)

2.1.3 雙向(雙重作用)破冰船

雙向破冰船或稱雙重作用破冰船，是在雙動(dòng)力技術(shù)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充和加強(qiáng)破冰功能的新型破冰船，例如世界首艘雙動(dòng)力破冰穿梭油船“Vasily Dinkov”號(hào)，如圖2所示。雙向破冰船的艏向和艉向都可以進(jìn)行連續(xù)破冰作業(yè)，它實(shí)現(xiàn)了船艏前進(jìn)時(shí)適合敞水航行，船艉前進(jìn)時(shí)又能適合破冰作業(yè)，解決破冰航行和敞水航行對(duì)船體線性不同要求所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性問題。

圖2 世界首艘雙動(dòng)力破冰穿梭油船“Vasily Dinkov”號(hào)

需要特別注意的是，雙向破冰船艉向破冰時(shí)的作業(yè)方式并不是簡(jiǎn)單地沖撞破冰，而是靈活地來回轉(zhuǎn)動(dòng)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，利用強(qiáng)大的水流，沖洗、移走和粉碎海冰，使其最終崩坍，達(dá)到破冰目的(特別是冰脊冰)，同時(shí)也使船艉轉(zhuǎn)動(dòng)，拓寬航道。不過，這一過程較為緩慢。

2.2 新型破冰船構(gòu)想

對(duì)各種新型破冰船方面的專利、文獻(xiàn)進(jìn)行匯總和分析，提出一些可能的新型破冰船設(shè)計(jì)猜想。當(dāng)然，這些新型的構(gòu)思能否應(yīng)用于實(shí)際并產(chǎn)生合理、有效且高效的破冰作用，仍有待于進(jìn)一步的科學(xué)驗(yàn)證。

2.2.1 撬冰式破冰船

撬冰式破冰船創(chuàng)新地設(shè)計(jì)一種上窄下寬的錐型結(jié)構(gòu)船艏(見圖3)，這種結(jié)構(gòu)使得艏部能夠很容易地伸入冰面以下。當(dāng)進(jìn)行破冰作業(yè)時(shí)，船體小角度艏傾，船艏水下的錐形結(jié)構(gòu)伸入冰層以下，通過船上的壓載水系統(tǒng)作用，改變壓載水分布，使船體重心后移。在船艏上翹的力矩、水以及動(dòng)力推進(jìn)下，前進(jìn)的船體產(chǎn)生使錐形結(jié)構(gòu)向前的力，對(duì)冰層造成向前和向上兩個(gè)方向的沖擊，實(shí)現(xiàn)了“撬冰式”破冰過程。

圖3 撬冰式破冰船船艏

圖4 半潛式破冰船

2.2.2 半潛式破冰船

半潛式破冰船的設(shè)想最先由前蘇聯(lián)工程師瓦迪姆·皮庫爾提出，如圖4所示。他提出的這種既能在水面上航行，也能半潛式航行的破冰船，通過特殊設(shè)計(jì)加強(qiáng)的船殼和“梳子”式的破冰機(jī)構(gòu)進(jìn)行破冰。具體的破冰方法是：下層船體潛至預(yù)定深度，再快速排出壓載水，使其上浮，利用“梳子”式的破冰機(jī)構(gòu)頂破冰層。這種破冰船主要的結(jié)構(gòu)為：裝備有浮力艙，壓載水艙和主副機(jī)等設(shè)備的下層船體和1個(gè)20 m左右的塔樓。塔樓里設(shè)置駕駛臺(tái)和控制系統(tǒng)等。半潛式破冰船的破冰能力和目前的破冰船相比會(huì)有較大提高，可對(duì)5 m厚的冰層進(jìn)行破冰作業(yè)。同時(shí)，由于螺旋槳處在冰層以下的水中，故可提高螺旋槳工作效能[5]。

3 特種裝備及新技術(shù)在破冰船上的應(yīng)用

3.1 吊艙式(全回轉(zhuǎn))推進(jìn)器的應(yīng)用

吊艙式推進(jìn)器是一種在吊艙內(nèi)部安裝電機(jī)，推進(jìn)與操舵裝置一體化，螺旋槳軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸一體化的新型推進(jìn)器。其最大的特點(diǎn)是可繞軸線360°旋轉(zhuǎn)。

該推進(jìn)器主要優(yōu)點(diǎn)有：較好的操控性能，較高的整體效率，優(yōu)化船艉設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)化機(jī)械裝置，噪聲低以及增加船舶有效容積等，其中最為主要的是其大幅提高了船舶的操縱性、靈活性。吊艙式推進(jìn)器可以360°旋轉(zhuǎn)，同時(shí)再與船艏側(cè)推器配合，可以達(dá)到使船舶橫向移動(dòng)、原地回轉(zhuǎn)和多向航行等效果[6]。

目前，吊艙式推進(jìn)器在破冰船上有廣泛的應(yīng)用，如俄羅斯 “Baltika”號(hào)破冰船。本文提到的雙動(dòng)力技術(shù)、不對(duì)稱專業(yè)破冰船、雙向破冰船都應(yīng)用了吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)，同時(shí)，越來越多的破冰型運(yùn)輸船、科考船也開始使用吊艙式推進(jìn)器。

3.2 電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用

電力推進(jìn)系統(tǒng)指的是推進(jìn)器不與原動(dòng)機(jī)直接相連，而是與電氣發(fā)電機(jī)直接相連的新型推進(jìn)系統(tǒng)。工作原理為原動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力給發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)再驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器。

電力推進(jìn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式相比，具有更高的經(jīng)濟(jì)性、操控性、安全性和舒適性。目前最為流行的電力推進(jìn)系統(tǒng)是電力推進(jìn)系統(tǒng)與吊艙式推進(jìn)器技術(shù)的結(jié)合，即吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能大幅提高船舶的推進(jìn)效率和操縱性能，省去了傳統(tǒng)的舵機(jī)、傳動(dòng)軸系，節(jié)省空間，減輕自重[7]。

吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)在破冰船上的應(yīng)用，成功地解決破冰船在破冰時(shí)最可能出現(xiàn)的軸系槳正倒車效率問題、螺旋槳碰冰損壞和螺旋槳轉(zhuǎn)速下降等問題，推動(dòng)破冰船技術(shù)的發(fā)展與革新。據(jù)悉，我國新一代極地科學(xué)考察破冰船也將采用此技術(shù)。

3.3 輔助破冰系統(tǒng)

目前較為流行的輔助破冰系統(tǒng)有快速傾斜系統(tǒng)、氣泡發(fā)生系統(tǒng)和沖水系統(tǒng)等。

快速傾斜系統(tǒng)也稱主動(dòng)增搖系統(tǒng)，它可以快速地把壓載水從一側(cè)泵至另一側(cè)，即進(jìn)行左右調(diào)駁。當(dāng)破冰船處在密冰狀況下時(shí)，也能進(jìn)行左右搖擺，擺脫船體兩側(cè)冰的摩擦力阻礙。氣泡發(fā)生系統(tǒng)的工作原理是將經(jīng)過壓縮的空氣從船體的底部噴射出來，作用于冰層下部，使其受到向上的推力作用，進(jìn)而向上運(yùn)動(dòng)破裂。同時(shí)，壓縮空氣作用于船體與海水、冰層之間，降低摩擦，提高船舶性能。沖水系統(tǒng)是指可以將大量的海水通過大功率水泵和管道系統(tǒng)泵至船前方冰面上的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以減少船體與冰之間的摩擦，使船頭更易駛到冰面上。

3.4 雙動(dòng)力技術(shù)

由阿克北極設(shè)計(jì)公司研發(fā)的雙動(dòng)力技術(shù)，是應(yīng)用全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)技術(shù)以達(dá)到船舶前后向均能航行目的的一種動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。目前，此技術(shù)已在多型破冰運(yùn)輸船上成功應(yīng)用，例如1AS冰級(jí)(PC5 ～ PC6)的7×104t穿梭油船和11×104t阿芙拉型原油船等。由于設(shè)備成本和電推的二次能量損失等一些因素，這一技術(shù)在破冰等級(jí)較低的船舶上較少采用。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)國內(nèi)外破冰船技術(shù)的研究分析，以及對(duì)各類文獻(xiàn)資料的概括，總結(jié)目前破冰船技術(shù)現(xiàn)狀、破冰方法和現(xiàn)存的問題，重點(diǎn)介紹近年來國內(nèi)外破冰船技術(shù)的新發(fā)展、新構(gòu)想，以及特種裝備及新技術(shù)在破冰船上的應(yīng)用，為我國破冰船的研究提供一些有益的參考。

[1] 健豪. 世界各國打造破冰船爭(zhēng)奪極地資源[J]. 西部資源，2014，2:62-66.

[2] 沈權(quán)，趙炎平. 破冰船技術(shù)及幾種破冰方法[J]. 航海技術(shù)，2010，1:5-7.

[3] 沈權(quán). 從“雪龍”號(hào)救援俄羅斯船看極地航行風(fēng)險(xiǎn)及破冰船發(fā)展趨勢(shì)[J]. 航海，2014，2: 14-18.

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[5] 孫嗚岐. 半潛式破冰船[J]. 航海，1984，4:45.

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[7] 陳家金，王和平. 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展[J]. 世界海運(yùn)，2006，4:9-11.

Analysis of the Development of Icebreaker Technology

YU Xinwei1a, CHEN Lin1b, WANG Huaming1a,2, ZHAO Chunhui1a, LI Lili1a

(1. a.School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering, b.Donghai Science and Technology College, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China; 2.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province, Zhoushan 316022, Zhejiang, China)

The literatures on various types of icebreaker are analyzed, the technology characteristics of icebreaker at home and abroad are studied. The traditional methods of ice breaking and existing problems are summarized, and some new development and conceptions of ice breaking technologies in recent years are introduced. The application of special equipment and new technologies in the icebreaker are also presented. It provides references for study on the icebreaker.

icebreaker; ice breaking technology; current situation; development trend

2016年浙江海洋大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨育苗人才計(jì)劃(編號(hào)：YMJH201616)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：LQ15F030007，LY16E090004，LY17E090002)；舟山市科技局項(xiàng)目(編號(hào)：2016C41019)

于新偉(1995-)，男，本科，研究方向?yàn)榇肮こ?/p>

1000-3878(2017)03-0001-04

U674

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