中山站前沿固定冰破冰方案及船舶操縱方法

趙炎平，張旭德，周建文

(1.中國極地研究中心，上海 200136；2.集美大學(xué)航海學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

自1994年以來，“雪龍?zhí)枴睒O地考察船為中國南極科學(xué)考察站——中山站、長城站、昆侖站及泰山站提供物資補(bǔ)給。受限于“雪龍?zhí)枴钡钠票芰?，“雪龍?zhí)枴睙o法靠近科考站。從“雪龍?zhí)枴贝诠潭ū械耐２次恢玫娇瓶颊镜木嚯x短則20多公里，長則達(dá)40多公里，考察站物資運(yùn)輸主要依靠直升機(jī)、冰上雪撬和水面小艇等。由于路途遠(yuǎn)，環(huán)境氣候惡劣，還有危險(xiǎn)的冰裂隙，直升機(jī)單次加油運(yùn)輸次數(shù)和貨運(yùn)量少，多年來極地物質(zhì)運(yùn)輸一直是困擾人們的問題。

中國自主建造的“雪龍2號”船首次參加南極考察，其中的一項(xiàng)重要使命就是在中山站前沿的固定冰區(qū)域?yàn)椤把執(zhí)枴贝_辟一條更近更安全的運(yùn)輸線路?！把?號”是中國第一艘自主建造的破冰船，在試航階段限于試航水域，無法對其破冰能力和可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行測試，所以此次在固定冰中為“雪龍?zhí)枴遍_辟水道也是對其實(shí)際破冰能力的試驗(yàn)和測試。

本文對中山站前沿水域的航行條件、固定冰冰情進(jìn)行了詳細(xì)的分析，制訂了完整的破冰路線和運(yùn)輸路線，使用首尾破冰和破冰輔助的船舶操縱方法，順利完成了固定冰破冰任務(wù)。總結(jié)了“雪龍2號”破冰船在固定冰中的連續(xù)破冰能力和中山站前沿水域常態(tài)化安全航行急需解決的問題，為船舶在固定冰區(qū)安全航行、極地冰區(qū)航行培訓(xùn)課程建設(shè)以及冰區(qū)航行模擬器性能標(biāo)準(zhǔn)提供重要參考。

1 破冰路線分析

“雪龍2號”船于20191120T12航行到中山站附近固定冰外緣，船舶位置為69°08′48″ S、76°19′54″ E，為制定破冰路線做準(zhǔn)備。

1.1 水域環(huán)境分析

根據(jù)中國南極考察隊(duì)累積的中山站前沿水域航行經(jīng)驗(yàn)及搜集的海況資料，對中山站前沿水域海底的淺點(diǎn)(或淺灘)、水下礁石、礙航物、水流等航行條件進(jìn)行分析。

1)中國南極測繪研究中心于2002年11月出版的1∶25 000的“普里茨灣中國考察錨地海圖”，范圍是69°10′18″ S～69°25′ S、76°E～76°38′12″ E的水域，可為破冰路線的制定提供初步的參考。

2)國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供的可見光影像圖，附有考察隊(duì)員探測的冰面探冰數(shù)據(jù)和可選的運(yùn)輸路線，冰縫大小、走向及分布，水域中冰山、陸地和固定冰的總體分布等信息，是破冰路線設(shè)計(jì)的主要參考資料，但因?yàn)檫@種光影像圖是位圖，只在四周標(biāo)注了經(jīng)緯圖尺，需要結(jié)合現(xiàn)場探冰結(jié)果對冰山和冰脊的分布進(jìn)行人工標(biāo)注。

3)ECDIS(electronic chart display and information system)使用的矢量海圖AUS270070,是澳大利亞水道測量局于2017年12月11日出版的數(shù)據(jù)不足的海圖，比例尺為1∶350 000，圖上只標(biāo)注了稀疏的水深資料，并且在中山前沿固定冰附近沒有水深資料，只能為破冰航行的前期提供參考，如圖1所示。

4)英版紙質(zhì)海圖BA7405及航路指南[1-3]，比例尺較小，中山站前沿水域依然沒有水深數(shù)據(jù)，只提供了沿南極大陸西向的南大洋洋流和島嶼的輪廓圖，如圖2所示。

綜合分析以上海圖和影像資料，固定冰外沿水域水深資料少，內(nèi)沿水域則是空白，可靠性低；周邊的島嶼資料簡單，僅有輪廓圖，無高程數(shù)據(jù)，水下礁石和礙航物資料嚴(yán)重匱乏。根據(jù)此處冰山分布及粗略高度估計(jì)，中山站前沿水域水深在50 m左右，海圖提供的概略圖僅能用以查看島嶼間的關(guān)系和態(tài)勢。

1.2 固定冰冰情分析

本次計(jì)劃破冰的水域?yàn)槠绽臑?Pryz Bay)中山站(69°22′S、76°22′36″ E)前沿水域，固定冰范圍為東西向12 n mile，南北向14.5 n mile的范圍，如圖3所示[4]。

中山站前沿的上述水域，每年11月完全被固定冰覆蓋，在固定冰中分布有浮在水面和擱淺的冰山，還有范圍較長而深度不一的冰裂縫，強(qiáng)度和范圍不均的冰脊和冰巖，并且還有覆蓋一定厚度的積雪。

1.2.1 固定冰物理特性

采用一定間隔鉆取冰樣，對中山站前沿水域的固定冰進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)該水域固定冰有以下幾種物理特性：1)固定冰厚在120～140 cm；2)積雪厚度為20～42 cm；3)固定冰域內(nèi)冰雪厚度差異較大；4)樣冰的硬度達(dá)到700 kPa。

1.2.2 冰山、冰脊和冰縫分布

1)冰山分布。由圖3可以看出，以中山站為基點(diǎn)，在中山站東北、正北、西北側(cè)分布有密集的冰山，其中：A,D,G及外側(cè)水域的冰山嵌在固定冰中并未擱淺；B、E、F及岸邊之間的冰山已座底擱淺。未座底的冰山可能在風(fēng)流作用和溫度升高作用下，融化“翻身”，因此，在制定破冰路線時要充分考慮船與冰山之間的距離、冰山的傾斜程度和融化程度，并結(jié)合直升機(jī)現(xiàn)場探冰，對圖3中提供的冰山情況進(jìn)行對比分析，部分冰脊、冰丘及小冰山在可見光影像上顯示不清楚，破冰路線需要根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行優(yōu)化處理。

2)冰脊及冰丘分布。冰脊是海冰在風(fēng)、流、浪等環(huán)境動力作用下相互重疊、擠壓形成的大小不同、形狀各異的冰塊，在大塊海冰邊緣表面形成的一條冰線或冰墻。冰丘是碎冰因壓力推擠向上隆起形成的點(diǎn)狀小丘。冰脊與冰丘鑲嵌在固定冰中，導(dǎo)致阻力增加，是破冰受阻的主要原因[5]。在選擇破冰路線時，需盡量避開這些區(qū)域，無法避開時則需采用沖撞式破冰。

3)冰縫分布。冰縫是固定冰在涌浪等力的作用下破裂后形成的長度和深度較大的冰間裂縫，它是冰上運(yùn)輸作業(yè)的主要安全隱患，實(shí)難避開時需派專人鋪填和看守，并作好明顯標(biāo)記。從圖3中可以看出，國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心推薦的3條冰面卸貨線路，共分布有8條冰縫。推薦運(yùn)輸線路1上有2條冰縫，都位于密集冰山之間。推薦運(yùn)輸線路2上有3條冰縫，這些冰縫寬度為1.5～3.0 m，北側(cè)兩條冰縫附近冰山較少，南側(cè)一條冰縫位于密集冰山中。推薦運(yùn)輸線路3上同樣有3條冰縫。

在制訂破冰計(jì)劃時，3個方向可能的情況如表1所示。

表1 3個方向的破冰及最終運(yùn)輸路線對比

1)路線1離中山站最近，僅2.2 n mile，但冰縫都在無法破冰的密集冰山中，船舶只能到達(dá)冰山G東側(cè)，最后的運(yùn)輸路線上的冰縫1和冰縫2無法破冰，只適合直升機(jī)吊運(yùn)物資，并且離內(nèi)陸登陸點(diǎn)較遠(yuǎn)，海冰上卸貨及重型裝備上站存在較大風(fēng)險(xiǎn)；

2)路線2離中山站的距離比線路1稍遠(yuǎn)，為3.7 n mile，船舶能夠達(dá)到位置H，余下一條冰縫5無法破冰越過，適宜直升機(jī)吊運(yùn)物資，并且離內(nèi)陸登陸點(diǎn)較遠(yuǎn)，海冰卸貨及重型裝備上站距離較遠(yuǎn)，也存在較大風(fēng)險(xiǎn)；

3)路線3的最后破冰位置離中山站最遠(yuǎn)距離為3.9 n mile，但如果能選擇好破冰路線進(jìn)行最大程度的破冰，可以破除最后的冰縫8，到達(dá)最南側(cè)的WP9點(diǎn)，而且離內(nèi)陸登陸點(diǎn)最近，既適合直升機(jī)吊運(yùn)物資，又非常適合冰面卸貨及重型裝備上站。

綜上所述，本次破冰計(jì)劃從位置WP1開始破冰，避開西側(cè)的密集冰脊到WP2，再向正南破冰到WP3,在WP3—WP5段，由于無水深資料，建議采用船上萬米測深儀，連續(xù)觀測水深，隨時掌握海底走勢，如圖4所示(圖中A冰山東側(cè)和南側(cè)的轉(zhuǎn)向點(diǎn)WP5前后的水域沒水深資料)，然后在WP5位置觀測前方的冰山B東側(cè)的冰脊嚴(yán)重程度，適當(dāng)調(diào)整方向進(jìn)行破冰，越過冰山B東側(cè)的冰縫后向南破冰，視情況向南越過冰縫8，向WP8位置破冰，最終到達(dá)位置WP9。

2 破冰方案及準(zhǔn)備

“雪龍2號”船第一次在固定冰中為“雪龍?zhí)枴贝_辟水道，參考?xì)v史經(jīng)驗(yàn)[5-6]，對破冰方法或可能出現(xiàn)的極端天氣進(jìn)行提前準(zhǔn)備，對“雪龍2號”的破冰速度、用車、用舵、沖撞距離、首向和尾向破冰方法、吊艙的使用等方案需事先進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在實(shí)際破冰中進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以安全可行的方案進(jìn)行破冰作業(yè)。

2.1 船舶載態(tài)調(diào)整

“雪龍2號”船總長122.5 m，寬度22.32 m，破冰前的排水量為14 351.8 t，吃水調(diào)整為首吃水8.0 m，尾吃水8.1 m，穩(wěn)性高度為1.19 m，無橫傾角，吃水差為0.1 m，基本為平吃水。根據(jù)“雪龍2號”配載儀計(jì)算，調(diào)整后的穩(wěn)性曲線如圖5所示；載荷重力分布如圖6所示。

2.2 輔助設(shè)備及措施

1)極區(qū)航行采用兩臺光纖羅經(jīng)、一臺DGPS羅經(jīng)以及備用標(biāo)準(zhǔn)羅經(jīng)，用以指示破冰方向和周圍冰山、島嶼方位。2)科考用萬米測深儀，用于監(jiān)測當(dāng)前位置水深，判斷無水深資料水域的海底走勢，記錄相應(yīng)的位置，并及時標(biāo)注在海圖上。3)ECDIS矢量電子海圖及搜集到的中山站前沿水域的紙質(zhì)極區(qū)海圖，用于查看水域的水下危險(xiǎn)物、礙航物以及當(dāng)前位置相應(yīng)態(tài)勢。4)全方位聲納系統(tǒng)，用以探測前方一定距離內(nèi)的水下礁石等礙航物標(biāo)，尤其是航行資料不充足的前方冰區(qū)。5)采用直升機(jī)和無人機(jī)對破冰路線前方的冰山、冰脊和冰縫進(jìn)行現(xiàn)場觀測，為及時調(diào)整破冰路線作保障。6)探冰人員乘雪地摩托在近岸水域的固定冰上對冰山、冰脊和冰縫進(jìn)行現(xiàn)場勘測，為破冰航行提供詳細(xì)的冰情實(shí)時資料。7)常用RADAR和冰RADAR提供冰山和冰脊情況，加載航線后可根據(jù)冰山、冰脊回波調(diào)整破冰方向。8)使用船配氣象設(shè)備和相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)破冰期間的風(fēng)、能見度和潮汐情況，為破冰過程提供保障。

2.3 動力及操縱設(shè)備

“雪龍2號”船總裝機(jī)功率為23.2 MW，兩臺7.5 MW破冰型吊艙推進(jìn)器(全回轉(zhuǎn)固定螺距螺旋槳)，可實(shí)現(xiàn)首向和尾向雙向破冰，并在船首兩側(cè)配備2臺2 000 kW的槽道式側(cè)推器，采用全回轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)器進(jìn)行首向破冰，尾向破冰輔助大幅度轉(zhuǎn)向或掉頭，而首部側(cè)推器由于布置在船舶的碎冰區(qū)位置及其橫向推進(jìn)的操作特點(diǎn)，僅用于清水區(qū)的海洋調(diào)查。全回轉(zhuǎn)破冰型吊艙推進(jìn)器有三種操作模式[8-9]。

1)Lever模式。操作旋回手柄，控制船速和航向，需要注意的是手柄和船頭旋轉(zhuǎn)的方向相反，手柄可在左右180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在冰區(qū)航行時兩套手柄均向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，避免漿葉向外旋轉(zhuǎn)擊打碎冰。這種模式下可直接操作旋轉(zhuǎn)手柄進(jìn)行首向和速度的人工控制，但注意和傳統(tǒng)的軸推式船漿的操作方向相反。

2)Autopilot模式。可使用RADAR或ECDIS上的船首向、轉(zhuǎn)向點(diǎn)、航向和航跡控制模式進(jìn)行航向的控制，旋回手柄速度鈕調(diào)整船速，這種模式適合自動導(dǎo)航水域時使用。

3)Manual模式?？墒褂妹阅?MINI)舵輪控制船首向，旋回手柄控制船速，這種模式與傳統(tǒng)的操舵方法一致，但由于兩套吊艙可直接轉(zhuǎn)向180°，舵角顯示器顯示范圍也設(shè)置為左右180°舵角，使得駕駛員要求的舵令在MINI模式下舵角顯示較小。

綜合考慮航行安全、操作習(xí)慣及可靠性，破冰時擬采用Lever模式直接操作旋回手柄，以控制速度和航向，但要時刻注意與“雪龍?zhí)枴鄙系牟僮髁?xí)慣相反，不要操反“舵”，也盡量不要外旋用“舵”，在旋回手柄轉(zhuǎn)向船尾方向時，注意舵令的左右正確方向。

2.4 沖撞速度設(shè)置

根據(jù)“雪龍2號”冰區(qū)操作手冊[10-11]，在固定冰破冰過程中遇冰脊受阻后，可用10 kn左右的速度多次沖撞冰脊進(jìn)行破冰，如表2所示。

表2 在各種冰情下建議速度

3 破冰及船舶操縱

3.1 操作設(shè)置

1)破冰前開啟三臺發(fā)電機(jī)(總共四臺發(fā)電機(jī)，總功率23.3 MW)；

2)取消Cruise mode的高速舵角限制的“巡航模式”，切換到Power mode的主機(jī)功率智能跟蹤調(diào)整的“固定功率”模式；

3)設(shè)置操舵模式為lever模式，兩套吊艙開啟聯(lián)動模式，直接操作左側(cè)或右側(cè)旋回手柄，同時控制航向和速度，沖撞破冰時取消聯(lián)動，兩套系統(tǒng)采取獨(dú)立向內(nèi)旋回的方式進(jìn)行倒車，以分別操作兩套螺旋漿的后退方向，控制船舶的倒退方向；

4)控制船速，以速度9～10 kn接近固定冰，接觸后適當(dāng)增加船速進(jìn)行連續(xù)破冰，根據(jù)前方路線上冰脊的實(shí)際分布，適當(dāng)操作手柄，提前小幅度轉(zhuǎn)向，避開冰脊；

5)密切關(guān)注破冰時負(fù)荷是否處于峰值之下，如負(fù)荷處在閥值的時間超過30 s，系統(tǒng)會自動啟動余下的待命發(fā)電機(jī)。

3.2 連續(xù)破冰方法

“雪龍2號”破冰船采用“大功率推進(jìn)、重力壓碎”的方式進(jìn)行連續(xù)破冰，有如下5個過程。

1)船首觸冰受阻后在主機(jī)推力作用下，傾斜的船首向上略微抬升。

2)船舶在固定冰上前進(jìn)一小段距離，阻力和抬升高度逐漸增大。

3)固定冰到達(dá)船舶的碎冰區(qū)附近時，在船舶重力和“冰刀”的作用下，壓碎并“裁開”固定冰，冰的支撐作用力開始減小，船首下沉。破碎后的冰向后、向下移動到船尾，被船尾的強(qiáng)大尾流推排到船尾的水道。

4)下沉后的船首在主機(jī)推力和固定冰支撐作用下，沿首部固定冰斜面又繼續(xù)抬升，同時船身向前推進(jìn)一小段距離，實(shí)現(xiàn)連續(xù)破冰。

5)重復(fù)過程1)～4)，船舶就在這一升降過程中完成連續(xù)的破冰。當(dāng)冰況在船的破冰范圍內(nèi)時，冰雪越厚、硬度越大，則抬升越明顯，冰薄，則在船舶推力作用下直接破碎，升降現(xiàn)象不明顯，當(dāng)冰況超出船舶的破冰能力(如遇厚冰脊或厚冰時)時，船首下沉后不會再抬升，這時阻力和推力相當(dāng)，無法再前進(jìn)。整個連續(xù)破冰的船舶升沉運(yùn)動[2]，如圖7所示。來自船首的固定冰經(jīng)歷接觸區(qū)、碎冰區(qū)、翻轉(zhuǎn)區(qū)和碎冰翻高區(qū)被推到船尾方向，如圖8所示。

3.3 沖撞破冰操縱方法

冰山和冰脊會中斷連續(xù)破冰，此時，采用的沖撞模式破冰有如下5種方法和步驟。

1)降低轉(zhuǎn)速，當(dāng)全速進(jìn)車破冰受阻時，操作旋回手柄，逐級降低轉(zhuǎn)速。

2)輔助破冰操作，兩個吊艙旋轉(zhuǎn)手柄向內(nèi)逐漸旋轉(zhuǎn)到180°，期間做短暫停留，利用螺旋槳的強(qiáng)大排水作用，沖刷擠壓在兩側(cè)的碎冰和固定冰上的積雪，減小固定冰對船體的阻力，輔助破冰。

3)倒退至沖撞距離，旋轉(zhuǎn)手柄開始倒車，倒退距離控制在2～3倍船長，并控制倒車速度在3 kn左右，如果速度過大可向內(nèi)、向前調(diào)整旋回手柄，并逐漸內(nèi)旋到0°，如果倒車過程中船舶有明顯的振動，立即正舵，如果倒車?yán)щy，可操作旋回手柄，使船舶左右小幅度擺動，從不同的角度向后倒車，當(dāng)?shù)雇司嚯x已達(dá)到2～3倍船長時，不用調(diào)整速度，只內(nèi)旋手柄到90°，向兩側(cè)排水、清理和潤滑水道兩側(cè)，如果速度過大，則直接將手柄旋到0度，進(jìn)車降低倒退速度。

4)增速沖撞，操作手柄逐級增加船速，當(dāng)前進(jìn)距離達(dá)一個船長時，船速控制在5 kn左右，如果過小可適當(dāng)增速，近半個船長時最好達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，以便以設(shè)計(jì)最大速度沖撞前方的冰脊進(jìn)行破冰，如果倒退的距離比較小，加速的距離減小，可加快增速，如果倒退的距離過大，加速的距離較長，可放慢加速操作節(jié)奏，但不管倒退距離過大或過小，當(dāng)余下半個船長時速度加速到6 kn，余一個船長時速度控制在4 kn左右，這樣能較好地控制沖撞速度在9～10 kn之間。

5)調(diào)整航向，在加速沖撞的過程中，如果船舶偏離水道，或者要調(diào)整破冰的方向，可以操作手柄轉(zhuǎn)舵，以調(diào)整撞擊的方向，但不要在加速的中途轉(zhuǎn)向，以免減小沖撞速度，因本船的舵效和增速效果好，反應(yīng)時間短，最好是在增速的最后半個船長階段接近撞擊時選擇合適的舵角轉(zhuǎn)向，在其后過程中把定即可，但要注意反彈減小轉(zhuǎn)向效果的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本次中山站前沿固定冰的整個破冰過程，總耗時19.5 h，破冰距離14 n mile，冰的實(shí)際厚度在0.8～1.8 m，積雪厚度10～45 cm，冰的硬度在700 kPa左右。在破冰路線中遇到了三次嚴(yán)重的冰脊，經(jīng)4～5次沖撞后才通過，最后在WP9位置的冰縫南側(cè)停止破冰。破冰期間，后面航行的“雪龍?zhí)枴贝茏栌趶澢?，“雪?號”返回去施助一次?？傮w上順利地完成了中山站前沿固定冰運(yùn)輸水道的開辟任務(wù)，解決了多年以來困擾“雪龍?zhí)枴贝h(yuǎn)距離運(yùn)輸物質(zhì)的問題，為“雪龍2號”常態(tài)化破冰、冰區(qū)航行和極區(qū)考察作業(yè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。以后需要解決和重視以下幾個方面的問題。

1)“雪龍2號”船要順利完成在中山站前沿固定冰的破冰任務(wù)，前沿水域關(guān)鍵位置和水道的水深、礁石等主要海圖要素資料必須規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，以消除船舶擱淺、觸礁的安全隱患。

2)本次是“雪龍2號”船首次破冰，在破冰過程中，在冰情分析、破冰路線規(guī)劃、破冰環(huán)節(jié)中的船舶操縱、主機(jī)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整、船舶載態(tài)調(diào)整、核心輔助設(shè)備的使用等方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該總結(jié)匯總，形成書面的操作規(guī)范。同時，對極區(qū)航行的駕駛員(包括北極東北航道的航行[12])、輪機(jī)員和管理團(tuán)隊(duì)進(jìn)行正規(guī)培訓(xùn),并對外公開推廣，消除因口述、個人理解和重塑經(jīng)驗(yàn)帶來的錯誤，最終消除因之帶來的安全隱患。

3)“雪龍2號”船是一艘智能化破冰船，在破冰過程中形成了海量數(shù)據(jù)，如船舶姿態(tài)儀數(shù)據(jù)、現(xiàn)場冰情數(shù)據(jù)、破冰過程中船舶強(qiáng)度與應(yīng)力變化數(shù)據(jù)、破冰過程中的推進(jìn)系統(tǒng)變化數(shù)據(jù)等，需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行立項(xiàng)分析研究，這些研究對“雪龍2號”船的進(jìn)一步優(yōu)化、后續(xù)破冰船的建造、極區(qū)船舶操縱培訓(xùn)、固定冰破冰、國內(nèi)破冰船數(shù)學(xué)模型建模、極區(qū)培訓(xùn)的仿真模擬環(huán)境建設(shè)以及相應(yīng)行業(yè)的輔助支持等具有重要而深遠(yuǎn)的意義。

文中僅從操作層面對“雪龍2號”船的首次連續(xù)破冰任務(wù)做了詳細(xì)地分析，著重從船舶操縱的角度對破冰環(huán)節(jié)進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)性的總結(jié)，并沒有深入從定量的角度對船舶操縱作深入分析。