關(guān)于破冰船技術(shù)及集中破冰方法的研究

陶奇森

摘要：近年來，隨著極地考察與寒帶海洋石油資源開發(fā)的不斷深入，破冰船肩負(fù)的使命更加艱巨，在極地救援、開辟航道、物資供給等方面具有重要作用。對此，本文通過對各類破冰船相關(guān)文獻(xiàn)的匯總與分析，研究破冰船的主要類型、技術(shù)與特點，重點針對浮冰區(qū)與陸緣區(qū)中破冰船技術(shù)的應(yīng)用方法加以闡述，最后闡述新技術(shù)、新構(gòu)想與特種裝備的運(yùn)用，力求通過本文研究，為破冰船相關(guān)研究提供有利的借鑒與參考。

Abstract： In recent years， with the continuous deepening of polar investigations and the development of offshore oil resources in the cold zone， the mission of icebreakers is more arduous， and plays an important role in polar rescue， channel development and material supply. In this regard， through the collection and analysis of various icebreaker related literatures， this paper studies the main types， technologies and characteristics of icebreakers， focuses on the application methods of icebreaker technology in ice floes and land margins， and finally expounds on the application of new technology， new concept and special equipment strive to provide a useful reference for the research on icebreakers through the research.

關(guān)鍵詞：破冰船技術(shù);破冰方法;破冰系統(tǒng)

Key words： icebreaker technology;icebreaking method;icebreaking system

中圖分類號：U674.21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0282-02

0? 引言

隨著人類活動范圍不斷擴(kuò)大，對南北極的考察日益增強(qiáng)，破冰船作為開辟航道、救助船只的重要工具受到廣泛關(guān)注，尤其是在世界資源稀缺背景下，人們更加注重極地資源采集工作，不斷加大破冰船研制、升級、改良的力度，力求使破冰任務(wù)得到高效完成。

1? 破冰船技術(shù)

1.1 類型? 為了滿足不同任務(wù)需求，破冰船類型也是多種多樣：

①不對稱專業(yè)破冰船。由于受到特殊功能與功率的制約，專業(yè)破冰船的尺寸不應(yīng)過大，特別是在船寬方面，最好在20m左右。為了滿足新的運(yùn)輸要求，促進(jìn)港口航道發(fā)展，20m的破冰船已經(jīng)無法滿足新需求，如若采取兩艘船同時破冰，勢必會增加成本投入。對此，相關(guān)專家設(shè)計出一種新型不對稱船體，該船在破冰過程中可以斜向航行，使破冰寬度增加，與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，使其更加靈活、通用、具有更強(qiáng)的操縱性;

②雙向破冰船。此類船只是在雙動力技術(shù)的支持下，增強(qiáng)破冰功能，以“Vasily Dinkov”號為例，船的首向與尾向均可連續(xù)破冰作業(yè)，在前進(jìn)過程中適用于淌水而行，不但與船體線性生產(chǎn)要求相符合，還可解決經(jīng)濟(jì)性問題。值得注意的是，此類船只在尾部破冰時，并非單純的沖撞破冰，而是靈魂的反復(fù)轉(zhuǎn)動推進(jìn)器，借助強(qiáng)大的水流，使海冰移動后沖走，最終全部崩塌，完成破冰目標(biāo)，還可通過船尾轉(zhuǎn)動的方式，使航道被拓寬;

③半潛式破冰船。此類船只不但能夠在水面上航行，還能夠半潛式航行，通過強(qiáng)化船殼與“梳子”式破冰機(jī)的方式完成破冰任務(wù)，操作原理為：下層船體在潛入到預(yù)定深度后，快速排出壓載水，使船體上浮，借助“梳子式”破冰機(jī)構(gòu)，將冰層頂破。此類船只的結(jié)構(gòu)為浮力艙、壓載水艙、主副機(jī)等，還具有一個高度約為20m的塔樓，內(nèi)部設(shè)置駕駛臺與控制系統(tǒng)。此類船只與普通船只相比，破冰效率更加明顯，適用于5m后冰層的破冰作業(yè)。同時，還可將螺旋槳放入冰下，以此提高工作效能[1]。

1.2 特點? 縱觀船舶設(shè)計與建造史，破冰船的起步較晚，當(dāng)前世界范圍內(nèi)破冰船建造能力最強(qiáng)的國家為美國、俄羅斯、德國、日本等，特別是以北冰洋為中心的幾個國家，在船只設(shè)計與建造方面能力最強(qiáng)。破冰船的主要特點為：與船身尺寸相比，自重更大，可有效壓垮海冰;在水線下方，船殼采用特殊涂料，可在低溫狀態(tài)下減少船體與冰面之間的摩擦;采用特殊性質(zhì)的低溫高性能鋼材，在船只首、尾兩端與水線周圍進(jìn)行加厚處理，例如瑞典研制的ODEN號破冰船，其鋼材最厚處達(dá)到6cm;船首的角度更加平緩，使船只更易上海冰;推進(jìn)器的功率增加，主要采用柴油機(jī)，也可使用蒸汽、核動力等進(jìn)行推動[2]。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)? 根據(jù)破冰船技術(shù)演變歷程可知，主要包括以下內(nèi)容：

①船體設(shè)計。該因素對船只性能具有決定性作用?，F(xiàn)階段，船只設(shè)計主要影響因素在于船只四周碎冰流動的控制力。在設(shè)計中，舵與推進(jìn)器的保護(hù)十分關(guān)鍵，主要采用不銹鋼材料。

②輔助破冰能力。主要涉及到?jīng)_水系統(tǒng)、快速側(cè)傾系統(tǒng)兩項內(nèi)容，前者通過大功率水泵將大量水引導(dǎo)船頭，對冰面和雪面進(jìn)行沖擊，由此減少冰與船體間的摩擦;后者主要作用在密冰環(huán)境下，可使破冰船搖擺，擺脫兩側(cè)冰雪對船身產(chǎn)生的摩擦，確保船只不會被厚冰固定;此外，氣泡發(fā)生系統(tǒng)可從船底噴出壓縮空氣，給予冰上浮的力，并使其在上升過程中破裂，還可降低摩擦，使船體的整體性能提升。

③推進(jìn)裝置設(shè)計。蒸汽發(fā)動機(jī)通過減速齒輪將動力傳送給螺旋槳，在系統(tǒng)應(yīng)用中，很容易因螺旋槳擊打船頭形成碎冰，導(dǎo)致機(jī)械受損?，F(xiàn)階段，該系統(tǒng)采用電器傳動裝置，使原動機(jī)與推進(jìn)器分離開來，以此減少擊冰受損。驅(qū)動系統(tǒng)還有助于設(shè)計出靈活的機(jī)艙，使船舶無需傳動軸與減速齒輪便可運(yùn)行。

④雙重作用設(shè)計。該項設(shè)計具有極大的創(chuàng)新型，此類船體在運(yùn)行時具有標(biāo)準(zhǔn)的適航特征，但在反向前進(jìn)時，又可適用于破冰作業(yè)。在新一代極地考察船中，雙重作用下設(shè)計的船體具有雙全向吊艙、備用機(jī)械，并將不銹鋼材料廣泛的應(yīng)用到船體與推進(jìn)器中[3]。

2? 破冰船的主要破冰方法

破冰船的船身堅固、動力大、船體結(jié)構(gòu)特殊，可完成極區(qū)的各項任務(wù)。在南北區(qū)航行時，可能遇到浮冰區(qū)、陸緣冰區(qū)等海況，對于特殊情況，還可發(fā)揮新技術(shù)的作用，通過電力推進(jìn)系統(tǒng)、輔助破冰系統(tǒng)等完成破冰任務(wù)。

2.1 浮冰區(qū)航行? 當(dāng)破冰船在該區(qū)域航行時，由于海冰的密集度不同，所選擇的航速也有所區(qū)別，以免使船體受損。以雪龍?zhí)枮槔?，其正常航行情況下，航速為15kn，當(dāng)浮冰密集的區(qū)域內(nèi)，3成以下速度降低到12kn以內(nèi)，5-6成時速度降低到8-10kn，浮冰為8-10kn時，速度降低到3-5kn。在浮冰區(qū)航行時，不但要降低速度，還應(yīng)靈活選擇航向。船長應(yīng)根據(jù)氣象衛(wèi)星系統(tǒng)，時刻關(guān)注水域情況，對海冰分布情況進(jìn)行定位，選擇正確的航行線路。在航行過程中，很容易受到風(fēng)、流的影響，使浮冰位置發(fā)生改變，因此前行的航線也應(yīng)隨之做出調(diào)整。

通常情況下，船體與浮冰接觸后不會受到很大損傷，但如若浮冰的硬度較大則會有所影響。當(dāng)南北極夏季來臨使，海冰不斷消融，此時的浮冰較軟，強(qiáng)度較低;當(dāng)冬季到來時，浮冰強(qiáng)度增加，船只航行受阻，如若無法及時撤出海域，便很可能被海冰封住，這也是雪龍?zhí)栐谧鳂I(yè)中，將最晚撤離時間定在3月中旬的原因。

2.2 陸緣區(qū)航行? 該區(qū)域主要是指鄰近沿岸連成片沒有水的海冰區(qū)域，在該地的航行實則是破冰作業(yè)。在正式破冰之前，船長會選擇恰當(dāng)?shù)穆肪€，盡可能的以直線航行到目的地，避開沿線的冰山與冰脊，在陸緣區(qū)航行時，航向的調(diào)整難度較大，通常會對航線進(jìn)行多次調(diào)整。對于破冰船來說，其破冰能力在設(shè)計時期便已確定，當(dāng)海冰厚度在設(shè)計范圍內(nèi)，則船只會緩慢前行破冰，如若冰厚與設(shè)計厚度相同，則船只的破冰速度為2-3kn之間;如若小于設(shè)計厚度，則破冰速度會增加到4-5kn之間。當(dāng)陸緣冰的厚度超過破冰能力時，可采取特殊的破冰方式，具體如下：

①旋回破冰法。主要方式為：船身與浮冰區(qū)邊緣成30°角，船速在7-8kn內(nèi)破冰。當(dāng)船體的1/4進(jìn)入浮冰區(qū)后，便開始用舵旋回。在破冰過程中，與當(dāng)時浮冰厚度、性質(zhì)相結(jié)合，對舵角進(jìn)行控制，使船身進(jìn)入浮冰區(qū)的距離得以調(diào)節(jié)。如若舵角較小，或者用舵過晚，則將導(dǎo)致船身入?yún)^(qū)過深，卡住無法旋轉(zhuǎn)。每次旋回后，重新進(jìn)入浮冰區(qū)之前，應(yīng)對船首和區(qū)域邊緣角度進(jìn)行調(diào)整，確保在破冰時能夠以螺旋狀的形式前進(jìn)，每個旋回圈的中心連線方向便是破冰方向。

②徒步破冰法。采用8-10kn速度撞擊冰面，借助船體運(yùn)動力量前進(jìn)，在首次撞冰時，應(yīng)明確前進(jìn)方向，控制好破冰距離，盡量不超過船身的1/3，單次破冰距離不宜過長，以免陷入冰區(qū)無法拔出;首次撞冰后應(yīng)倒車，使船身退出一定距離，再二次撞冰，撞冰方向為首次撞冰的左側(cè)，破冰距離約為船身的2/3;在第三次撞冰時，與首次撞冰方向相同，由左至右交替破冰，使整個冰區(qū)航道寬度被拓展到1.5-2倍的船寬。此種破冰方式的要點在于船速的控制，每次破冰的距離要短，以免船身被左右浮冰卡住。除此以外，還要掌握倒車距離，以此提高破冰效率[4]。

2.3 新技術(shù)應(yīng)用? ①吊艙式推進(jìn)器。該設(shè)備是在吊艙內(nèi)部安裝電機(jī)，使推進(jìn)器與操舵裝置相結(jié)合，具有一體化特點，主要特征是可繞軸線旋轉(zhuǎn)360°。該推進(jìn)器的優(yōu)勢在于操控性良好、整體效率較高、機(jī)械裝置較為精簡、噪聲較低、船舶有效容積增加。該推進(jìn)器支持360°旋轉(zhuǎn)，并與船首側(cè)推進(jìn)器相結(jié)合，使船只橫向移動、原地旋轉(zhuǎn)、多向航行。現(xiàn)階段，該設(shè)備在“Baltika”號破冰船中得以應(yīng)用，目前逐漸在科考船、運(yùn)輸船中普及。

②電力推進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是指推進(jìn)器與原動機(jī)之間相互獨(dú)立，但與發(fā)電機(jī)相連的新系統(tǒng)。可為原動機(jī)提供充足的動力，將電力傳送給發(fā)動機(jī)，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動推進(jìn)器。與傳統(tǒng)推進(jìn)設(shè)備相比，該系統(tǒng)在安全性、操控性、經(jīng)濟(jì)性等方面具有極大優(yōu)勢，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是電力推進(jìn)與吊艙式推進(jìn)，可使船舶的推進(jìn)效率、操縱性能得以提升，減輕自重，節(jié)省空間。將該系統(tǒng)應(yīng)用到破冰船上，可使船只破冰時出現(xiàn)的軸系槳正倒車效率、螺旋槳轉(zhuǎn)速、碰水損壞等問題得到有效解決，促進(jìn)破冰船技術(shù)的發(fā)展與優(yōu)化。

③輔助破冰系統(tǒng)?，F(xiàn)階段，輔助系統(tǒng)的內(nèi)容與功能更加完善，包括沖水系統(tǒng)、氣泡發(fā)生系統(tǒng)、傾斜系統(tǒng)等等，其中，沖水系統(tǒng)可通過大功率水泵，將大量海水泵到船前冰面，從而減少船體與冰面之間的摩擦，使船頭更易上冰;氣泡系統(tǒng)的功能在于對空氣進(jìn)行壓縮后，從船體底部噴射出來，應(yīng)用到冰層下方，使其受向上推力，在運(yùn)動過程中破裂，同時還可應(yīng)用到船體、海水、冰層之間，減少摩擦，使船只的破冰性能得到顯著提升;傾斜系統(tǒng)的作用在于快速將水流由一側(cè)泵到另一側(cè)，也就是左右調(diào)駁，當(dāng)破冰船遇到密冰環(huán)境時，也能夠左右搖擺，減少船體兩側(cè)與冰面之間的摩擦，從而減輕破冰障礙。

④雙動力技術(shù)。該技術(shù)主要是借助全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)技術(shù)，使船只前后均可航行。當(dāng)前，該項技術(shù)已經(jīng)在多種破冰船中應(yīng)用，效果十分顯著，如阿芙拉型原油船等。但是，該技術(shù)在成本投入、電推能源損失等方面要求較高，無法在低等級船只上廣泛應(yīng)用，因此需要后續(xù)加強(qiáng)研究。

3? 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段，隨著南北極考察與海洋資源開發(fā)的不斷深入，破冰船作為主要的工具，應(yīng)加強(qiáng)對相關(guān)技術(shù)、現(xiàn)存問題的研究，并采取多樣化措施，使破冰方法得到完善和優(yōu)化。近年來，國內(nèi)外在破冰船研究方面都有了新進(jìn)展、新構(gòu)想，一些特種裝備與技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，在很大程度上為我國破冰船的研究提供了有利參考。

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