極地破冰船發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

張 羽，李岳陽，王 敏

(1. 中海油信息科技有限公司北京分公司 北京 100027；2. 中國船舶信息中心 北京 100101)

極地破冰船發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

張 羽1，李岳陽2，王 敏2

(1. 中海油信息科技有限公司北京分公司 北京 100027；2. 中國船舶信息中心 北京 100101)

極地破冰船作為開辟極地航道、資源開采的必要裝備，是各國推進極地戰(zhàn)略的重要抓手。本文重點介紹美俄等環(huán)北極國家近年來破冰船技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢，并以此對我國破冰船的發(fā)展給出啟示與建議。

破冰船；發(fā)展現(xiàn)狀；未來趨勢

0 引 言

近年來，世界各國對北極爭奪日趨激烈，不僅搶奪北極航道，還進行自然資源的爭奪，而作為北極航道開辟、自然資源開采的必要裝備，極地破冰船是各國推進極地戰(zhàn)略的重要抓手，具有重要的戰(zhàn)略地位。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展規(guī)模

目前，世界上擁有極地破冰船的國家主要分布于近極地區(qū)域，包括俄羅斯、芬蘭、加拿大、瑞典、美國、中國、澳大利亞等16個國家。截至2016年，世界主要國家在役極地破冰船（馬力≥10 000 HP）共有約74艘（見表1）。綜合來看，環(huán)北極國家共擁有極地破冰船64艘，占全世界在役破冰船的86%，其余國家僅占約14%。

在這74艘極地破冰船中，俄羅斯擁有37艘，占比約50%（見圖1），是全世界擁有極地破冰船最多的國家，也是世界上唯一擁有核動力極地破冰船的國家。目前，俄羅斯在役的37艘極地破冰船中，包括重型4艘，中型17艘，輕型16艘，其中常規(guī)動力破冰船33艘，核動力破冰船4艘（均為重型），主要由Rosatomflot公司、摩爾曼斯克航運公司（MSCO）、Sovcomflot公司、GAZFLOT公司、SCF SW IRE PACIFIC OFFSHORE公司、遠東船運公司（FESCO）、NORILSK NICKEL公司等運營使用[1]。其中核動力全部由Rosatomflot公司、摩爾曼斯克航運公司（MSCO）運營。

美國曾擁有僅次于于俄羅斯的破冰船艦隊，包括“極地星”號、“極地?！碧枴ⅰ跋＠碧?、“帕爾默”號和“艾維克”號5艘極地破冰船，其中“極地星”號更是全球破冰能力最強的常規(guī)動力破冰船之一，其最大破冰厚度達6.4 m。然而美國在近25年來并沒有建造新的破冰船，如今隨著舊破冰船的退役，即便加上超期服役的“極地星”號也僅有4艘。

近年，加拿大、瑞典、芬蘭、丹麥也加大了極地破冰船建造力度。目前，加拿大擁有6艘，瑞典擁有6艘，芬蘭擁有6艘，丹麥擁有4艘，合計擁有極地破冰船22艘，約占世界在役破冰船的1/3。這4國不僅擁有規(guī)模不小的極地破冰船隊，而且均擁有自己的極地破冰船建造技術(shù)，芬蘭更是擁有世界一流的破冰船建造技術(shù)，承擔了大量其他國家破冰船的建造任務(wù)。

表1 世界主要國家極地破冰船數(shù)量與服役情況Tab. 1 General information of icebreakers in the world

此外，挪威、中國、澳大利亞、日本、德國、愛沙尼亞、智利、韓國、南非、拉脫維亞等共擁有在役極地破冰船11艘，合計不到世界在役破冰船的1/6。其中愛沙尼亞擁有的2艘極地破冰船，均是從芬蘭海事局購買的退役破冰船，經(jīng)維修改造后再使用。除此之外，其他國家均只有1艘極地破冰船。

1.2 船體設(shè)計

極地破冰船的性能很大程度上依賴于船體設(shè)計，其直接影響極地破冰船的破冰能力、破冰效率以及對螺旋槳等重要部件的保護能力。當前，極地破冰船船體設(shè)計的重點是保護船體的重要結(jié)構(gòu)及部件。

1） 船體結(jié)構(gòu)

破冰能力、破冰效率以及對螺旋槳等重要部件的保護能力是極地破冰船設(shè)計考慮的核心因素。因此，首先在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計上，極地破冰船與一般海船不同。相較于一般海船，其不僅擁有更大的自重，而且長寬比也更小，約為5∶1，而一般海船遠遠大于這個比例，如“高月”級驅(qū)逐艦船長為136 m，寬卻只有13.4 m。該設(shè)計使極地破冰船船身縱向短橫向?qū)?，具有更好的操縱性。

其次，為減少破冰過程中，碎冰對船體的損害，極地破冰船通常沒有減搖裝置和突出部分，并將船身設(shè)計為有利于保護舵和螺旋槳的結(jié)構(gòu)，防止倒車時舵和槳葉被海冰撞壞。

此外，為使破冰船更易沖上海冰進行破冰作業(yè)，破冰船的船首一般設(shè)計為勺型，底部具有平緩的角度（約為15°），以提高破冰效率。

2）船體材料

為了防止低溫對船體的損害，在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般選取特殊低溫高性能鋼材，并在船首、船尾和水線附近對其進行加厚。美國極地破冰船“極地星”號選取的鋼材，可抗–51.5 ℃的低溫。瑞典極地破冰船“奧登”號對船體進行了加厚，最厚處鋼材厚度達6 cm。

3） 防腐涂料

為避免船體涂料因寒冷而受損，從而喪失對船體的保護能力，水線附近船殼一般使用特殊的防腐涂料，即抗冰漆。不僅有效地保護了船體，還有效減少了船體與冰的摩擦，提高了破冰效率。

1.3 推進動力

從動力系統(tǒng)發(fā)展來說，破冰船從蒸汽動力、柴電動力一直發(fā)展到核動力，其推進能力有了明顯提高。由于蒸汽動力已無法滿足當前各國極地戰(zhàn)略的需求，目前世界上大多數(shù)破冰船的動力系統(tǒng)均采用了柴電動力系統(tǒng)，而更先進的則采用了核動力推進系統(tǒng)，如俄羅斯在建的“LK-60”號，單個反應(yīng)堆核能發(fā)電功率就達175 MW，全船推進功率達60 MW，遠遠超越了大多數(shù)柴電動力的破冰船。然而，作為世界海洋強國，美國“極地星”號是現(xiàn)役推進能力最強的柴電動力破冰船，雖然其發(fā)電功率僅68.4 MW，遠遠不如俄羅斯核動力破冰船，但其推進功率達到驚人的81 000 hp，是目前世界僅有的推進性能堪比核動力破冰船的柴電動力破冰船。

從推進裝置上來說，蒸汽發(fā)動機、柴油發(fā)動機均是通過減速齒輪將動力傳給固定螺距螺旋槳，這類系統(tǒng)容易由于螺旋槳擊打船頭撞擊產(chǎn)生的碎冰而發(fā)生機械損傷。目前多數(shù)破冰船都改進使用電氣傳動裝置，將原動機與推進器分離以減少擊冰損傷，使得機艙設(shè)計更靈活，且不再需要傳動軸和減速齒輪。與此同時，在螺旋槳周圍加裝了噴嘴或?qū)Я鞴埽粌H更好地保護了暴露在外的螺旋槳，還改善了水體流動，增加了推力。此外，目前最先進的破冰船還采用了全向吊艙系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個懸掛于船體之下的封閉裝置，其中含有與螺旋槳直接相連的電動機。全向吊艙可以做360°旋轉(zhuǎn)，從而迅速地朝任何方向施加推進力。這種可旋轉(zhuǎn)推進器與船首的側(cè)向推進器互相配合，可以實現(xiàn)對船只的動態(tài)定位，大大提高破冰船在冰區(qū)和開闊水域的機動性。

1.4 破冰能力

毋庸置疑，破冰能力是極地破冰船最重要的參數(shù)之一，可分連續(xù)航行破冰能力和反復(fù)沖壓破冰能力[2]。目前，從動力系統(tǒng)角度來看，大多數(shù)柴電破冰船其連續(xù)航行破冰能力在1.2 m以上，較為先進的可破開1.8 m厚的冰層，而核動力系統(tǒng)破冰船可連續(xù)破開2 ～3 m的冰層（俄羅斯“泰米爾”級連續(xù)航行下可破開2 m厚的冰面，而動力更強勁的“勝利50周年”號則可破開3 m厚的冰面）。

然而，在連續(xù)航行破冰受限的情況下，破冰船會以反復(fù)沖壓的方法進行破冰作業(yè)。一般來看，破冰船的反復(fù)沖壓破冰厚度通常是連續(xù)航行破冰厚度的2～4倍左右。如俄羅斯的“北極”號破冰船可連續(xù)破冰2.25 m，反復(fù)沖壓可破開5 m厚的冰層；美國的“極地星”號，在3 kn的航速下連續(xù)破冰厚度為1.8 m，反復(fù)沖壓破冰厚度可達6.4 m。

此外，常用的輔助破冰設(shè)備/系統(tǒng)有沖水系統(tǒng)、氣泡系統(tǒng)、船體加熱設(shè)備和快速側(cè)傾系統(tǒng)等。例如世界上最大的核動力破冰船“北極”級安裝有瓦錫蘭氣泡系統(tǒng)和快速側(cè)傾系統(tǒng)，氣泡系統(tǒng)可以將壓縮的空氣從船體底部噴出，使船側(cè)的冰塊受到向上的浮力作用，并隨著氣泡上升破裂，以此減少對船體的摩擦；快速側(cè)傾系統(tǒng)則可通過強大的抽水系統(tǒng)改變船體的重量分布，從而在冰密條件下使船體發(fā)生搖擺，擺脫兩側(cè)冰雪對船身的束縛。此外，俄羅斯“弗拉季斯拉夫·斯特里諾夫”號破冰船上安裝有船體加熱設(shè)備，可對低溫船體進行加熱，避免船體結(jié)冰，從而避免船體鋼材因低溫導(dǎo)致韌性降低，同時避免船側(cè)碎冰再次凍結(jié)。

2 功能分析

一般來說，破冰船最基本的功能是進行破冰護航，但隨著各國對極地科考、資源開發(fā)需求的增加，破冰船也作為平臺承擔有科學(xué)考察、海上支援等功能。

2.1 破冰護航

破冰護航作為極地破冰船的基本功能，多數(shù)極地破冰船主要用于極地破冰護航。當今世界北極航線主要有俄羅斯北部沿海的“東北航線”，以及大部分航段位于加拿大北極群島海域的“西北航線”。隨著破冰能力的提高，又增加了一條穿越北極點的“跨極航線”，該航線的海冰最為密集且厚實，目前僅有少數(shù)高性能破冰船滿足其通航需求，能夠在夏季的幾個星期內(nèi)提供跨極旅行或科考；而在大部分時間內(nèi)，世界極地破冰船主要用于“東北航線”、“西北航線”，以及波羅的海等冰覆海域的破冰護航工作。其中，相較于波羅的海等局部冰覆海域的破冰作業(yè)，“東北航線”和“西北航線”對破冰船破冰護航能力有著更高的要求。目前，尚未有國家具有對北極各航道一年四季破冰護航的能力，但隨著全球變暖，北極海冰不斷減少，以及破冰船的快速發(fā)展，實現(xiàn)北極航道的全年通航將指日可待。

2.2 極地科考

由于極地巨大的經(jīng)濟、戰(zhàn)略價值，以及在全球氣候變化中的重要作用，越來越多的國家加入極地科考隊伍，而極地破冰船作為極地科考平臺得到了大力發(fā)展。在破冰船中，多數(shù)是以破冰為主，兼顧有科考功能。還有一部分破冰船，是專用極地科考船，如美國“希利”號極地破冰船、瑞典“奧登”號極地破冰船，其極地科考能力與其設(shè)計用途、破冰能力和搭載設(shè)備有著很大的關(guān)系。

“希利”號是美國最具代表性的極地科考船，主要服務(wù)于北極海域，在役期間主要承擔了北極水下潛航器測試、燃料運輸、北冰洋和白令海大陸架觀察、氣候變化數(shù)據(jù)收集、海冰巖石樣本收集等任務(wù)。船上設(shè)有5個科考實驗室，分別為主實驗室、濕度實驗室、生物化學(xué)實驗室、電子實驗室及氣象實驗室，且配備了各種實驗器材、工具、傳感器和樣本采集器等。在“希利”號左右兩舷還安裝了2個鉸鏈式起重機，分別可吊裝4.5 t（港口側(cè)）和14 t（右舷側(cè)）的貨物。此外，該船上還配備了1艘北極勘察船和2艘剛性充氣船，能夠獨立進行科考作業(yè)。此外，“希利”號上還可搭載直升機2架，為附近的科考站進行人員運輸及物資補給。

瑞典“奧登”號破冰船建造于1989年，最初用于波士尼亞灣貨運航線的破冰任務(wù)?，F(xiàn)定位專用極地科考船，且從2007–2010年連續(xù)4年對南極開展了科考旅行。該船配備的科考設(shè)備主要有Kongsberg EM 122多波束測深儀（頻率為12 kHz）、Kongsberg SBP120海床基斷面儀（深度范圍50～1 100 m）、SMHI氣象站、A型架構(gòu)、絞車、船載實驗室以及先進的導(dǎo)航設(shè)備等。

2.3 海上支援

破冰船為往來極地的船只開辟航路、保駕護航的同時，也承擔著支援、救助、補給的任務(wù)。大多數(shù)破冰船都配備了搜救雷達和救生艇，可在緊急情況下承擔救援任務(wù)，部分還配備有直升機，可獨立執(zhí)行海上支援或救援任務(wù)。此外，一些破冰船上還配備了拖曳設(shè)備及起重設(shè)備，以便對附近的船只提供及時的救援補給。

目前，部分先進的破冰船更是配備了溢油回收裝置。例如俄羅斯斜破冰船“波羅的?！碧?，該船由芬蘭赫爾辛基造船廠和俄羅斯Yantar JSC造船廠聯(lián)合建造，于2013年正式交付?！安_的?！碧栐O(shè)計用于破冰護航、拖曳船只或漂浮設(shè)施、滅火及各種救援活動。其最顯著的特點就是其非對稱的斜側(cè)結(jié)構(gòu)，該設(shè)計使其不但可以側(cè)向行駛破冰，開辟更寬的航路（側(cè)向行駛可破冰厚0.6 m），而且在原油泄漏時，不對稱船體的垂直側(cè)可以用作大清掃臂，當船舶傾斜地通過油膜移動時，該清掃臂將浮在表面上的油引導(dǎo)到內(nèi)置的撇渣器內(nèi)，從而進行溢油回收作業(yè)。

3 發(fā)展趨勢

3.1 更新計劃

截止到2016年，世界主要國家在建極地破冰船3艘，計劃建造13艘，其中俄羅斯在建2艘，計劃建造6艘，是全世界計劃建造極地破冰船最多的國家，也是唯一在建和計劃建造核動力破冰船的國家。預(yù)計到2020年底，俄羅斯將擁有極地破冰船45艘，包括8艘核動力，將繼續(xù)是世界上唯一擁有核動力極地破冰船的國家。

目前，俄羅斯在建的極地破冰船包括1艘“LK-60”級核動力破冰船和1艘“維克托·切爾諾梅爾金”號（Viktor Chernomyrdin）柴電動力破冰船。通過對比（見表2和表3），可知俄羅斯在建破冰船在船型結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)等性能參數(shù)上都有了很明顯的提升，船舶自動化程度有了較大提高。

表2 “LK-60”級（在建）與“北極”級核動力破冰船參數(shù)對比Tab. 2 Technical com parison between “LK-60” and“Arktika” icebreakers

表3 “維克托·切爾諾梅爾金”號（在建）與“摩爾曼斯克”號柴電動力破冰船技術(shù)參數(shù)對比Tab. 3 Technical com parison between “V iktor” and“Murmansk”

與此同時，美國只有1艘可以在北極長期航行的極地破冰船且2019年即將退役。目前，美國僅計劃建造1艘極地破冰船，與美國北極戰(zhàn)略發(fā)展嚴重不符。不過，美國已經(jīng)逐漸意識到極地破冰船的重要性。

最近，美國海軍造船基金擬提供10億美元為海岸警衛(wèi)隊建造極地破冰船，這是美國25年來建造的第1艘極地破冰船。同時，在美國白宮的不斷呼吁下，美國國會已將極地破冰船再注資計劃納入2017財年國防撥款法案，美國新極地破冰船建造的準備工作正式啟動。與此同時，美國智庫與學(xué)者也已開始了對核動力極地破冰船建造必要性的論證，把核動力極地破冰船建造提升了議程。

此外，芬蘭、加拿大、澳大利亞、德國、挪威和英國也有極地破冰船建造計劃。

3.2 破冰技術(shù)發(fā)展

從傳統(tǒng)的單一功能型破冰船到如今核動力、多功能型破冰船，破冰船無論是在破冰性能還是其他功能上的發(fā)展都顯而易見。總結(jié)幾十年來破冰船技術(shù)的演變。主要的發(fā)展方向在以下4個領(lǐng)域：船體設(shè)計、輔助破冰能力、推進系統(tǒng)設(shè)計、雙向破冰設(shè)計。

1）船體設(shè)計

在幾十年、上百年的發(fā)展過程中，為了能適應(yīng)更加惡劣的海冰環(huán)境，具有更強的破冰能力、更大的體積與排水量一直是極地破冰船船體設(shè)計的追求目標，未來仍將是其在船體結(jié)構(gòu)方面的主要發(fā)展趨勢。同時，隨著新型造船材料的不斷涌現(xiàn)，高強度、高韌性、耐腐蝕和耐低溫的新型鋼材或其他復(fù)合型材料將被廣泛使用。

2）輔助破冰能力

在近50年里，為提高極地破冰船破冰能力，發(fā)展了多種輔助破冰系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)僅應(yīng)用在個別較為先進的破冰船上，尚未普及。未來，如船體加熱設(shè)備、快速側(cè)傾系統(tǒng)等輔助破冰系統(tǒng)將發(fā)展為極地破冰船的標準配置，促進新型輔助破冰系統(tǒng)的發(fā)展。

3）推進裝置設(shè)計

破冰船的發(fā)展離不開推進裝置的發(fā)展，全向吊艙系統(tǒng)作為新型推進裝置，可實現(xiàn)360°全向推進，并在船首側(cè)向推進器配合下，可實現(xiàn)船只動態(tài)定位，大大提高破冰船在冰區(qū)和開闊水域的機動性，是極地破冰船推進裝置的主要發(fā)展方向。

4） 雙向破冰設(shè)計

近年來極地破冰船技術(shù)領(lǐng)域中最具創(chuàng)新性的概念要屬雙向破冰設(shè)計，該設(shè)計使破冰船在前進時具有標準的適航特征，可以保持良好的航速，適合連續(xù)破冰作業(yè)；而在反向行駛時，又具有適合反復(fù)沖壓破冰作業(yè)的船尾形態(tài)。這種設(shè)計賦予了受困破冰船從冰層脫困的能力，同時也大大提高了其破冰效率，在未來破冰船的設(shè)計建造中有著更好的發(fā)展前景。

4 啟示建議

4.1 進行新極地破冰船建造

俄羅斯和美國等環(huán)北極國家都擁有專業(yè)化的極地破冰船艦隊，它們既擁有可常年在北極進行破冰，保持航道暢通的北極極地破冰船，也擁有可常年在南極進行科學(xué)考察和提供物資補給的南極極地破冰船。而我國僅有1艘極地破冰船，每年僅能進行1次南極科考物資補給，每2年才能進行1次北極科考，已經(jīng)無法完全滿足我國極地研究與戰(zhàn)略發(fā)展需要。對此，我國急需進行新的極地破冰船建造。

4.2 發(fā)展輕型、中型和重型系列化極地破冰船

與俄羅斯、美國等國家對比（見表4），我國“雪龍”號破冰船無論在破冰能力還是續(xù)航能力上，均有著明顯差距。這種差距既增加了極地科考成本，又嚴重制約了極地科考的效率。

表4 世界典型極地破冰船性能對比Tab. 4 The comparison of performance among major icebreakers in the world

目前，俄羅斯擁有輕型極地破冰船16艘，中型17艘，重型4艘。同樣，美國擁有輕型1艘，中型2艘，重型1艘，而我國僅有1艘輕型極地破冰船，無法滿足我國船隊在北極航道的通航需求，需發(fā)展系列化極地破冰船。

4.3 提高極地破冰船自主設(shè)計、制造能力

我國目前尚未完全掌握極地破冰船設(shè)計、建造技術(shù)，唯一的極地破冰船“雪龍”號也是從烏克蘭購買的。即便是目前剛剛開建的首艘自行建造極地科學(xué)考察破冰船，一些核心設(shè)備仍然依靠國外進口。為適應(yīng)我國北極戰(zhàn)略發(fā)展需求，急需提高極地破冰船自主設(shè)計、制造能力。

4.4 進行核動力極地破冰船技術(shù)研究

目前，俄羅斯作為世界上唯一擁有核動力極地破冰船的國家，在役核動力極地破冰船4艘，在北極航道護航、資源開采等領(lǐng)域擁有著絕對的優(yōu)勢。同樣，美國也意識到核動力極地破冰船的重要性，展開相關(guān)討論。因此，我國也應(yīng)展開核動力極地破冰船相關(guān)技術(shù)研究，支撐我國進行北極航道護航、資源開采，支撐我國北極戰(zhàn)略發(fā)展。

[1]楊燮慶. 俄羅斯破冰船和冰海商船開發(fā)現(xiàn)狀[J]. 船舶,2002(4): 5–7.

[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.

Overview and trend of the icebreakers

ZHANG Yu1, LI Yue-yang2, WANG M in2
(1. CNOOC Information Technology Co., Ltd., Beijing Branch, Beijing 100027, China;2. Shipbuilding Information Center of China, Beijing 100101, China)

As the essential equipment to assist the shipping and resources exploitation, icebreakers are the key to advance the Arctic strategy. This article focuses on the current development and future trend of the icebreaker technology in Russia, the United States and other surround-arctic countries. Finally, the enlightenments and suggestions to the development of icebreakers in our country are given.

icebreakers；development；trend

U665

A

1672–7649(2017)12–0188–06

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.040

2017–10–26

張羽(1984–)，男，碩士研究生，研究方向為海洋環(huán)境監(jiān)測。