美俄破冰船技術(shù)發(fā)展研究

黃金星，王 凱，李岳陽

(1. 軍委聯(lián)參戰(zhàn)場環(huán)境保障局，北京 100088；2. 中國人民解放軍31010 部隊(duì)，北京 100081；3. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

由于蘊(yùn)藏著豐富的油氣、礦產(chǎn)、漁業(yè)等資源，以及全球變暖，兩極冰層開始融化，極地資源開采的可能性越來越大，世界各國紛紛把目光投向極地。而破冰船作為破冰護(hù)航、極地科考、資源開采的必要裝備，其發(fā)展對一國的經(jīng)濟(jì)、軍事、科考地位有著重要的影響。

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(gè)國家。其中，美國擁有世界上破冰能力最強(qiáng)的常規(guī)動(dòng)力破冰船，俄羅斯則是世界上擁有極地破冰船最多的國家，也是世界上唯一擁有核動(dòng)力極地破冰船的國家。本文基于對近2 年美俄破冰船發(fā)展情況的梳理，分析美俄極地破冰船發(fā)展建造情況和特點(diǎn)。

1 破冰船技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 破冰原理及設(shè)計(jì)依據(jù)

傳統(tǒng)破冰船作業(yè)原理是通過自身船體線型設(shè)計(jì)及大功率推進(jìn)系統(tǒng)使其沖上冰層，再利用破冰船自重將冰層壓碎，實(shí)現(xiàn)破冰航行。根據(jù)此原理，傳統(tǒng)破冰船主要依靠其船首線型設(shè)計(jì)及自身重量進(jìn)行破冰作業(yè)。

破冰能力劃定方面，各國對于冰級和破冰作業(yè)規(guī)范的定義略有區(qū)別。為了更好地統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，較好地指導(dǎo)破冰船的設(shè)計(jì)，國際船級社協(xié)會(huì)依據(jù)主要國家的冰級規(guī)范于2006 年制定了國際冰區(qū)航行船舶冰級規(guī)范，該規(guī)范以海冰形態(tài)和季節(jié)差異為參考，將破冰船抗冰能力劃分為7 個(gè)層次，如表1 所示。

表 1 國際船級社協(xié)會(huì)關(guān)于冰級描述

因此，破冰船通常依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合其設(shè)計(jì)航行的海域環(huán)境特點(diǎn)及特殊設(shè)計(jì)要求，完成設(shè)計(jì)建造工作。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

自美國1837 年建造了“城市破冰船1 號”以來，破冰船歷經(jīng)近200 年的發(fā)展，在設(shè)計(jì)技術(shù)上不斷改進(jìn)。尤其在1959 年，蘇聯(lián)設(shè)計(jì)建造了第1 艘核動(dòng)力破冰船，將破冰船技術(shù)推向了一個(gè)新的高度。縱觀近年來破冰船的發(fā)展，其技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在船體結(jié)構(gòu)、新型材料、抗冰涂料、推進(jìn)系統(tǒng)及輔助破冰系統(tǒng)等方面。

1）船體結(jié)構(gòu)。破冰船在主尺度、型線、舷側(cè)結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)設(shè)計(jì)日趨完善。主尺度方面，隨著推進(jìn)能力的提升，現(xiàn)階段破冰船在排水量設(shè)計(jì)上不斷增大，從而能夠更好地進(jìn)行破冰作業(yè)；其次，破冰船長寬比更加優(yōu)化，通常保持在3.5～5 之間，能夠更好地提升破冰航行時(shí)的穩(wěn)性，并且便于開辟更寬的航路。型線方面，傳統(tǒng)破冰船在設(shè)計(jì)上主要采用楔形首，后來逐漸發(fā)展為懷特凹形首，近年來又發(fā)展有梅爾維爾首、絞刀型勺型首、脊型半勺型首等。舷側(cè)結(jié)構(gòu)方面，為了更好地兼顧執(zhí)行任務(wù)和破冰航行，近年來俄羅斯發(fā)展了新型非對稱舷側(cè)的斜破冰船，除破冰航行外還能夠利用其舷側(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溢油回收等作業(yè)。

2）船體材料。斷裂韌度是表征材料抗低溫能力的重要指標(biāo)，也是影響船體在冰區(qū)作業(yè)能力的重要因素。此外，船體材料的摩擦系數(shù)及防腐特性對于破冰船設(shè)計(jì)壽命也有巨大影響。隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，破冰船船體材料更多使用了特殊低溫高性能鋼材，并在首尾、舷側(cè)水線的位置進(jìn)行了額外加厚及特殊處理。

3）抗冰涂料。為有效避免殼體涂料由于寒冷的環(huán)境而受損，喪失對破冰船的保護(hù)能力。破冰船通常在水線上下的船殼上使用特殊的抗冰漆，保護(hù)船體結(jié)構(gòu)的同時(shí)還有效減少了殼體與浮冰之間的摩擦，避免破冰船被浮冰卡住。

4）推進(jìn)系統(tǒng)。破冰船在動(dòng)力方面從蒸汽動(dòng)力發(fā)展為柴電動(dòng)力，俄羅斯先進(jìn)的破冰船更是采用了核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)方式上，由傳統(tǒng)的機(jī)械式傳動(dòng)演變?yōu)殡姎鈧鲃?dòng)，從而避免了由于螺旋槳擊打碎冰而發(fā)生的機(jī)械損傷。此外，俄羅斯多數(shù)破冰船均采用了輔助推進(jìn)系統(tǒng)，利用全向吊艙技術(shù)，不但能夠幫助破冰船獲得更強(qiáng)的推進(jìn)動(dòng)力，還可以在二次結(jié)冰船體受困的情況下使其船體進(jìn)行橫搖，實(shí)現(xiàn)舷側(cè)碎冰作業(yè)。俄羅斯最先進(jìn)的破冰船更是能夠利用全向吊艙系統(tǒng)，配合船尾型線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)反向破冰作業(yè)。

5）輔助破冰系統(tǒng)。隨著破冰技術(shù)的發(fā)展，更多的破冰船配備了噴水系統(tǒng)、氣泡發(fā)生系統(tǒng)、快速傾側(cè)系統(tǒng)、船體加熱系統(tǒng)及舷側(cè)絞刀系統(tǒng)。其中，噴水系統(tǒng)和氣泡發(fā)生系統(tǒng)用于清理船身周圍的碎冰，同時(shí)利用水或空氣形成物理隔離，避免船身被碎冰損傷；快速傾側(cè)系統(tǒng)用于冰密條件下或冰面較厚時(shí)，利用船體的搖擺加強(qiáng)自身破冰能力；船體加熱系統(tǒng)用于對低溫船體進(jìn)行加熱，從而提高船體韌度，避免碎冰二次凍結(jié)；舷側(cè)絞刀系統(tǒng)則用于提高破冰效率，同時(shí)拓寬破冰航路。

2 俄羅斯破冰船最新概況

俄羅斯擁有世界上規(guī)模最大的極地破冰船隊(duì)，其在破冰船技術(shù)、裝備和作戰(zhàn)應(yīng)用等方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢。截至2016 年底，俄羅斯在役極地破冰船37 艘，占世界破冰船總數(shù)的一半，且發(fā)展有重型、中型、輕型、柴電動(dòng)力、核動(dòng)力等全系列破冰船。近年來，俄羅斯根據(jù)《2020 年前及更遠(yuǎn)的未來俄羅斯聯(lián)邦在北極的國家政策原則》和《2020 年前俄羅斯聯(lián)邦北極地區(qū)發(fā)展與國家安全保障戰(zhàn)略》等規(guī)劃，大力支持破冰船等北極基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展，為其北極戰(zhàn)略實(shí)施保駕護(hù)航。近2 年，俄羅斯繼續(xù)推進(jìn)其極地戰(zhàn)略，計(jì)劃、開工、下水和服役多艘破冰船，并投入大量資金展開基礎(chǔ)設(shè)施升級改造，以進(jìn)一步提高破冰船建造能力。

2.1 完成第4 代“領(lǐng)袖”級核動(dòng)力破冰船設(shè)計(jì)研發(fā)

2017 年，俄羅斯克雷洛夫國家科學(xué)中心設(shè)計(jì)研發(fā)了第4 代核動(dòng)力破冰船—“領(lǐng)袖”級破冰船（10510 型），該級船將超越第3 代LK-60 級破冰船，成為世界最大的核動(dòng)力破冰船。該船長209 m，寬47.7 m，配備2 座315 MW 的RITM-400 反應(yīng)堆，航速24 kn，破冰厚度近4.5 m，各項(xiàng)參數(shù)與LK-60 級均有較大提升，預(yù)計(jì)將在2030 年前建造3 艘。

2.2 開始“冰雪”級柴電動(dòng)力破冰船建造

俄羅斯于2017 年4 月在圣彼得堡海軍上將造船廠開始了“冰雪”級首船“伊萬·帕帕寧”號（23550 型）的龍骨鋪設(shè)，預(yù)計(jì)在2020 年交付。該級船設(shè)計(jì)排水量近7 000 t，全長110 m，寬20 m，吃水6 m，最大航速16 kn，自持力長達(dá)60 d，定位為破冰巡邏艦，計(jì)劃建造2 艘。

2.3 第3 代核動(dòng)力破冰船陸續(xù)下水

2017 年6 月16 日，俄羅斯第3 代核動(dòng)力破冰船LK-60 級（22220 型）首船“北極”號在圣彼得堡波羅的海造船廠正式下水。9 月22 日，2 號艦“西伯利亞”號也完成下水。與此同時(shí)，3 號艦“烏拉爾”號正在建造中。LK-60 級核動(dòng)力破冰船是目前全球最大、功率最強(qiáng)的破冰船，船長173.3 m，寬34 m，排水量高達(dá)33 500 t，標(biāo)志著俄羅斯為北極開發(fā)取得重大技術(shù)突破。目前，“北極”號和“西伯利亞”號已投入舾裝作業(yè)，預(yù)計(jì)分別與2019 年和2020 年交付使用。

2.4 完成首艘軍用破冰船建造，正式交付俄羅斯海軍

2017 年底，俄羅斯還完成了首艘軍用破冰船“伊利亞·穆羅梅茨”號（21180 型）的建造并正式交付海軍。該船是俄羅斯第1 艘螺旋槳舵位于船體外通過鉸鏈運(yùn)行的船，能夠以縱軸為中心旋轉(zhuǎn)360°，使船首、船尾、船舷可以自由活動(dòng)，也是40 多年來第1 艘交付海軍的輔助艦隊(duì)破冰船，用于保障俄羅斯海軍在北極地區(qū)的活動(dòng)。

隨著核動(dòng)力破冰船的大規(guī)模建造，俄羅斯各大船廠面臨著巨大壓力。2017 年，國家原子能公司（Rosatom）投入了大量資金用于摩爾曼斯克基礎(chǔ)設(shè)施的建造與維護(hù)，其中包括1 個(gè)新的干船塢、螺旋槳及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)維修設(shè)施、以及1 個(gè)價(jià)值2 600 萬美元的反應(yīng)堆換料維修綜合體。

3 美國破冰船發(fā)展概況

3.1 意圖加強(qiáng)極地能力建設(shè)

美國已有40 年未曾建造過破冰船，目前僅有1 艘可以在北極長期航行的極地破冰船（“極地星”號），且即將在2019 年退役。2017 年10 月，美國戰(zhàn)略預(yù)算評估中心發(fā)布了名為《保衛(wèi)前線：美國極地海洋行動(dòng)的挑戰(zhàn)與解決方案》長篇報(bào)告，指出美國對于極地地區(qū)的實(shí)力部署很大程度上依賴于冷戰(zhàn)時(shí)期建立的平臺(tái)和基礎(chǔ)設(shè)施，近年來能力建設(shè)較少，相關(guān)技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施及已大幅落后，在北極地區(qū)與俄羅斯等大國的競爭中，面臨巨大壓力。因此，美國海岸警衛(wèi)隊(duì)表示新破冰船一定要在美國本土建造，從而借此加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的建造，芬蘭將很可能為其提供技術(shù)轉(zhuǎn)讓和專業(yè)培訓(xùn)。

3.2 計(jì)劃建造6 艘破冰船，配備艦炮、導(dǎo)彈等武器裝備

近年來，美國逐漸意識到極地能力建設(shè)的重要性，確立了包括加強(qiáng)北極行動(dòng)和演習(xí)、提高海事領(lǐng)域意識、確保美海岸警衛(wèi)隊(duì)軍事能力、地面和空中相關(guān)平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施等一系列極地戰(zhàn)略任務(wù)，北極進(jìn)一步成為了美國海洋戰(zhàn)略研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。2017 年，美國海岸警衛(wèi)隊(duì)決定在未來10 年內(nèi)建造3 艘重型破冰船和3 艘中型破冰船以彌補(bǔ)其破冰艦隊(duì)數(shù)量的不足，同時(shí)希望為這6 艘破冰船配備機(jī)槍艦炮、甚至長距離反艦導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈，以適應(yīng)新時(shí)期下的極地競爭。

4 美俄破冰船技術(shù)發(fā)展趨勢

美俄作為世界上2 個(gè)主要擁有破冰船的國家，其破冰船發(fā)展特點(diǎn)很大程度上代表著全球發(fā)展趨勢。縱觀近年來美俄破冰船的發(fā)展，呈現(xiàn)3 個(gè)特點(diǎn)。

4.1 核動(dòng)力技術(shù)優(yōu)勢顯著，已成未來發(fā)展的必然趨勢

迄今為止，俄羅斯在核動(dòng)力破冰船技術(shù)上遙遙領(lǐng)先，且仍舊是世界上唯一擁有核動(dòng)力破冰船的國家，發(fā)展有四代五型核動(dòng)力破冰船。其中包括第1 代核動(dòng)力破冰船“列寧”號，第2 代核動(dòng)力破冰船“北極”級和“泰米爾”級，第3 代也是目前建成最新一代的核動(dòng)力破冰船“LK-60”級，以及已經(jīng)開始研發(fā)工作的第4 代核動(dòng)力破冰船“領(lǐng)袖”級。

由于破冰航行對推進(jìn)能力要求較高，核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)以其強(qiáng)勁的推進(jìn)功率具有巨大優(yōu)勢。極地港口相對較少，燃料補(bǔ)給較為困難，核動(dòng)力破冰船不必頻繁對燃料進(jìn)行補(bǔ)給，且節(jié)約了燃料所需的空間，便于配置更多的科考及作業(yè)裝備。經(jīng)濟(jì)性方面，美國海軍研究表明，核動(dòng)力破冰船全壽期費(fèi)用與常規(guī)動(dòng)力破冰船基本相當(dāng)，因此在其極地戰(zhàn)略規(guī)劃中也提及了核動(dòng)力破冰船的相關(guān)計(jì)劃。由此可見，核動(dòng)力技術(shù)在破冰船領(lǐng)域的應(yīng)用已成為其未來發(fā)展的必然趨勢。

4.2 破冰船開始配備武器，其功能走向軍用化

俄羅斯最新建造或設(shè)計(jì)的破冰船均配備了先進(jìn)的武器系統(tǒng)，如23550 型“伊萬·帕帕寧”號破冰船搭載了1 門AK-176MA 型單管76 mm 艦炮，8 枚NK”反艦導(dǎo)彈，可安裝專為北極作戰(zhàn)研制的“道爾-M2DT”防空導(dǎo)彈，且預(yù)留了集裝箱式巡航導(dǎo)彈的安裝陣位，甚至還計(jì)劃加裝功率為30～200 kW 的高能激光器，從而反制空中優(yōu)勢和導(dǎo)彈攻擊。美國則計(jì)劃在新建6 艘破冰船上安裝機(jī)槍、艦炮和導(dǎo)彈等武器裝備。這標(biāo)志著未來破冰船已不僅僅是用于破冰護(hù)航的民用船只，而且還是未來極地作戰(zhàn)、資源爭奪、戰(zhàn)略部署的重要裝備。

4.3 破冰船建造中開始廣泛使用模塊化技術(shù)

俄羅斯“領(lǐng)袖”級破冰船作為世界最新型破冰船，對研究其技術(shù)發(fā)展極具代表性，其采納了“開放船尾”的新理念，將破冰船視作海上平臺(tái)而并非傳統(tǒng)意義上專業(yè)化作業(yè)船?！邦I(lǐng)袖”級船尾是自由艙，可依據(jù)任務(wù)需要搭載不同的作業(yè)模塊，其中包括反潛裝置、導(dǎo)彈、火炮、以及無線電或潛水設(shè)備等特種集裝箱模塊，快速完成多種功能之間的轉(zhuǎn)換。

5 結(jié) 語

結(jié)合美俄近年來極地戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變及破冰船技術(shù)的發(fā)展，未來破冰船已不僅僅是極地航路開辟、科學(xué)考察、資源開采的必要裝備，而是將更多地扮演極地軍事擴(kuò)張的重要抓手。我國應(yīng)更多地借鑒美俄破冰船的技術(shù)發(fā)展路徑，充分論證核動(dòng)力破冰船及軍用破冰船對于推進(jìn)我國極地戰(zhàn)略的價(jià)值與意義，從而更好地支撐我國海洋強(qiáng)國發(fā)展。