“雪龍2”號(hào)南極首航破冰試驗(yàn)

吳 剛，唐文勇，王慶凱，趙炎平，馬喬一，李志軍

（1.上海交通大學(xué)，上海 200030；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；3.大連理工大學(xué)a.海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024；4.中國極地研究中心，上海 200136；5.中國船級(jí)社，上海 200135）

0 引 言

南北兩極擁有特殊的地理位置并蘊(yùn)含科學(xué)價(jià)值，開展極地科學(xué)考察、開發(fā)極地航道等具有重大戰(zhàn)略意義。我國分別于1984 年和1999 年首次開展南極和北極考察，至今已進(jìn)行到第36 次南極考察和第11 次北極考察。近年來，隨著北極夏季海冰的加速消融，北極航道的經(jīng)濟(jì)效益日趨顯著。我國自2013 年開始參與北極東北航道商業(yè)航行，在一定的季節(jié)、貨品和港口條件下，成本優(yōu)勢正在逐步顯現(xiàn)[1]。我國是國際極地事務(wù)的重要參與方，近年來積極參與國際極地事務(wù)合作和科學(xué)考察工作，通過實(shí)際工作越來越發(fā)覺到極地重大工程技術(shù)裝備的重要性。極地工作裝備先行，其中最重要的裝備就是極地破冰船和高等級(jí)的冰區(qū)加強(qiáng)型船舶。而我國破冰船數(shù)量極少，尤其是能在極地航行的更少；而且，相較于環(huán)極地國家，我國仍缺乏極地破冰船的實(shí)船工程經(jīng)驗(yàn)。

“雪龍2”號(hào)是國際上首個(gè)采用極地規(guī)則設(shè)計(jì)的新一代極地科考破冰船，也是全球第一艘采用船艏、船艉雙向破冰技術(shù)的極地科考破冰船。該船由自然資源部所屬中國極地研究中心組織實(shí)施，中國船舶第七〇八研究所設(shè)計(jì)（其基本設(shè)計(jì)與芬蘭阿克北極公司聯(lián)合完成），江南造船廠建造，獲得了中國船級(jí)社（CCS）和英國勞氏船級(jí)社（LR）雙船級(jí)認(rèn)證?！把?”號(hào)極地船級(jí)為PC3，設(shè)計(jì)破冰能力為以2～3 kn的航速在150 cm 厚度的冰（彎曲強(qiáng)度為500 kPa）和20 cm 厚度的雪的條件下連續(xù)破冰航行，可實(shí)現(xiàn)極區(qū)原地回轉(zhuǎn)，且不被20 m 厚度的當(dāng)年冰脊卡住?！把?”號(hào)下水后已先后完成傾斜試驗(yàn)、系柱拉力試驗(yàn)、海上試航、科考試航等常規(guī)測試，而根據(jù)設(shè)計(jì)破冰指標(biāo)，其破冰性能需到極地冰區(qū)進(jìn)行冰上實(shí)船測試。

破冰船的破冰試驗(yàn)即在自然條件下驗(yàn)證其破冰能力是否滿足設(shè)計(jì)要求，并掌握新船冰區(qū)航行的各項(xiàng)性能，為船長提供操作指導(dǎo)。芬蘭等北極國家曾多次開展破冰船破冰試驗(yàn)[2-3]。近年來，韓國學(xué)者利用“Araon”號(hào)在南北極也開展了一系列破冰試驗(yàn)[4-5]。除開展破冰試驗(yàn)外，破冰船也可以作為載體開展冰載荷實(shí)船研究。如Suyuthi 等在“Svalbard”號(hào)船艏和船舯肋骨上安裝光纖傳感器測量冰激應(yīng)變，獲得船舶局部冰壓，并開展破冰船局部冰阻力的統(tǒng)計(jì)分析和極值預(yù)報(bào)[6]；Johnston等測量“Terry Fox”號(hào)破冰航行時(shí)六自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)而獲得船體總體冰阻力[7]。而我國尚未自主開展過極地破冰船破冰試驗(yàn)，我國建造的北極凝淅油輪“Boris Sokolov”號(hào)也是在芬蘭阿克北極公司的支持下完成了破冰試驗(yàn)。我國極地破冰船冰載荷相關(guān)研究仍處于起步階段。Huang 等開展了不同冰條件下船舶航行阻力的模型試驗(yàn)[8]；劉俊杰等利用有限元方法模擬了碎冰區(qū)內(nèi)船舶與浮冰的碰撞過程[9]；孔帥和季順迎采用廣義接觸模型建立了船舶結(jié)構(gòu)冰載荷計(jì)算的離散元方法[10]；崔洪宇等在“雪龍”號(hào)船艏肋骨上臨時(shí)安裝應(yīng)變傳感器監(jiān)測冰激結(jié)構(gòu)響應(yīng)[11]?！把?”號(hào)結(jié)合智能船體研究，在建造時(shí)預(yù)裝了光纖傳感器，未來可以用于船體應(yīng)力長期監(jiān)測和冰載荷分析[12]。

破冰能力實(shí)船測試是破冰船驗(yàn)收的重要環(huán)節(jié)。在中國第36次南極考察期間，由中國船舶第七〇八研究所擔(dān)任技術(shù)牽頭單位，組成了有大連理工大學(xué)、中國船級(jí)社、芬蘭阿克北極公司、中國極地研究中心在內(nèi)的破冰試驗(yàn)小組負(fù)責(zé)“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)的策劃、實(shí)施、記錄和評(píng)估。2019 年11 月“雪龍2”號(hào)于南極普里茲灣固定冰區(qū)進(jìn)行艏、艉雙向的破冰能力測試。本文詳細(xì)介紹了破冰試驗(yàn)的流程和測試情況，并基于實(shí)測冰力學(xué)性能和功率測量數(shù)據(jù)等對(duì)“雪龍2”號(hào)破冰能力進(jìn)行了初步評(píng)估。“雪龍2”號(hào)破冰實(shí)驗(yàn)是我國首次自主組織開展的專業(yè)破冰船冰上實(shí)船測試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)可為我國開展后續(xù)的破冰船設(shè)計(jì)建造提供參考。

1“雪龍2”號(hào)破冰試航中的試驗(yàn)測量

普里茲灣位于東南極大陸沿岸海域，是我國科考船進(jìn)出中山站的必經(jīng)水路。“雪龍2”號(hào)于2019年11月中旬抵達(dá)普里茲灣外圍海域，于下旬向中山站方向破冰，并在普利茲灣內(nèi)固定冰區(qū)尋找合適區(qū)域進(jìn)行破冰試驗(yàn)，并最終在南緯69°、東經(jīng)76°附近選擇一處開闊平整冰面為試驗(yàn)區(qū)域（圖1）。該區(qū)域遠(yuǎn)離冰山，冰面無明顯裂隙并覆蓋有緊致硬積雪，零星分布著冰脊和重疊冰，水深為498 m。

圖1 破冰試驗(yàn)區(qū)域Fig.1 Ice trial site

1.1 試驗(yàn)區(qū)冰、雪厚度測量

通過前期找冰工作確定目標(biāo)試驗(yàn)區(qū)域后，需對(duì)該區(qū)域冰、雪厚度進(jìn)行冰面實(shí)測，同時(shí)確定破冰試驗(yàn)的航向。以“雪龍2”號(hào)為圓心，對(duì)其船艏方向一定距離半圓范圍內(nèi)的冰、雪厚度進(jìn)行測量（圖2），且著重測量冰面起伏處的冰、雪厚度；如冰面平整，則根據(jù)現(xiàn)場情況可減少測量點(diǎn)位。雪厚測量方法為利用鋼尺（精度±0.1 cm）插入原狀雪層至冰/雪界面（鋼尺無法進(jìn)一步插入即認(rèn)為至冰/雪界面）；冰厚測量方法為首先用冰麻花鉆將雪厚測量點(diǎn)處原狀冰層鉆透，隨后用冰尺（精度±0.2 cm）測量冰雪總厚度，減去雪厚即為冰厚測量值。根據(jù)冰面實(shí)際情況，現(xiàn)場共測量15 個(gè)點(diǎn)位的冰、雪厚度，測量結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)區(qū)域平均冰厚為140.3±19.8 cm，平均雪厚為27.9±13.8 cm，與“雪龍2”號(hào)設(shè)計(jì)冰條件相近。冰厚離散系數(shù)為0.14，表明冰層厚度分布較均勻；而南極風(fēng)速較大，導(dǎo)致雪厚分布離散性較大，離散系數(shù)為0.49。

圖2 冰、雪厚度測量點(diǎn)位Fig.2 Ice and snow thickness measurement points

圖3 冰、雪厚度測量結(jié)果Fig.3 Measurement results of ice and snow thicknesses

1.2 冰層特性測量

1.2.1 冰物理特性測量

海冰的物理性質(zhì)決定其力學(xué)性質(zhì)，因此需要對(duì)目標(biāo)試驗(yàn)區(qū)域的冰層物理性質(zhì)進(jìn)行測量。利用冰芯鉆鉆取兩根完整冰芯分別用于測量海冰溫度和鹽度豎直剖面，測量時(shí)氣溫為0.3°C，表層海水溫度為-2.1°C，表層海水鹽度為33.6 ppt；獲取第一根冰芯后，立即以10 cm 間距在冰芯表面鉆小孔至其內(nèi)部，將溫度傳感器（精度±0.2°C）探針深入孔內(nèi)，并以冰屑覆蓋，防止太陽輻射對(duì)冰溫測量造成影響，示數(shù)穩(wěn)定后讀取冰溫；冰溫測量結(jié)束后，鉆取第二根冰芯，之后立即將其切成長度為10 cm 的冰芯段，并用自封袋保存帶回“雪龍”2；待冰芯段完全融化后，用鹽度計(jì)（精度±0.1 ppt）在室溫下測量融冰水鹽度。冰層溫度、鹽度豎直剖面如圖4 所示。海冰溫度介于-1.9～-3.5°C，平均冰溫為-2.6±0.6°C，表層冰溫受積雪保溫作用而表現(xiàn)為冰溫隨深度增加而降低，表層以下冰溫隨深度增加而增加。海冰鹽度介于3.9～7.3 ppt，平均鹽度為5.2±1.3 ppt。海冰鹽度較高，且豎直剖面呈“C”形，表明該冰層為處于生長末期的當(dāng)年冰[13]。

圖4 冰物理特性測量結(jié)果Fig.4 Measurement results of ice physical properties

1.2.2 冰力學(xué)特性測量

破冰船在平整冰區(qū)連續(xù)破冰時(shí)，冰層最終失效形式為彎曲破壞[14]。因此，海冰力學(xué)特性測量主要獲取其彎曲強(qiáng)度，該測量數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)估破冰船的冰阻力至關(guān)重要。實(shí)船試驗(yàn)通常采用現(xiàn)場力學(xué)試驗(yàn)的方式測量海冰的彎曲強(qiáng)度，包括懸臂梁彎曲試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?？紤]到“雪龍2”號(hào)破冰厚度較大，本試驗(yàn)選擇所需試樣尺寸較小的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來測量目標(biāo)冰區(qū)的海冰彎曲強(qiáng)度。

在目標(biāo)試驗(yàn)區(qū)域選擇一處平整冰面切取冰坯，實(shí)測冰厚為145 cm，雪厚為30 cm?？紤]到切冰區(qū)域可能遠(yuǎn)離母船，因此使用一套獨(dú)立供電的冰坯切割系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)、電鏈鋸、油鋸、板鋸、麻花鉆和冰芯鉆。為滿足現(xiàn)場和后續(xù)實(shí)驗(yàn)室冰力學(xué)試驗(yàn)需求，切割冰坯截面尺寸為120 cm×100 cm。首先利用電鏈鋸在冰面劃線放樣進(jìn)行初步切割；隨后用油鋸沿放樣邊界進(jìn)行深度切割；再利用板鋸進(jìn)行完全切割；最后用冰芯鉆和麻花鉆在冰坯四角處鉆孔，以保證四角完全連通。

冰坯提升系統(tǒng)包括小型龍門吊、手拉葫蘆和冰勾，如圖5（a）所示。在冰坯表面短邊中線距兩側(cè)邊緣各20 cm處用麻花鉆鉆孔至冰底，分別將冰勾放入孔內(nèi)并撐住冰底；冰勾頂端與手拉葫蘆連接，人工起吊將冰坯提升至冰面。為減小海冰溫度變化對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度的影響，通常在冰坯提升后隨即在冰面進(jìn)行冰力學(xué)試驗(yàn)。但由于現(xiàn)場氣象條件突變，不宜繼續(xù)進(jìn)行冰面試驗(yàn)，因此利用“雪龍2”號(hào)的船艉克林吊將冰坯快速吊裝至艉甲板繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)冰力學(xué)測試。

圖5 冰力學(xué)特性采樣和測量設(shè)備Fig.5 Equipment for ice sampling and measurement

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在“雪龍2”號(hào)艉甲板展開，試驗(yàn)時(shí)氣溫約為0°C。用油鋸將冰坯以10 cm 間距從上至下切開，之后用電鏈鋸將其加工成尺寸約為7 cm×7 cm×70 cm 的三點(diǎn)彎曲冰梁試樣，試樣長軸方向與冰面平行。彎曲試驗(yàn)設(shè)備如圖5（b）所示，使用液壓油泵加載系統(tǒng)作為試驗(yàn)壓力機(jī)，配有冰試樣支撐架提供簡支方式支撐，支撐架跨長為59.5 cm。壓力機(jī)荷載由力傳感器（量程：500 N，精度：±0.1 N）實(shí)時(shí)記錄，采集頻率為200.0 Hz。試驗(yàn)時(shí)需保證試樣跨中受力，且試樣最終在跨中發(fā)生破壞，則為有效試驗(yàn)，彎曲強(qiáng)度的計(jì)算方法如式（1）所示。表1給出的是三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果，試樣破壞時(shí)間約為1 s，加載速率為648.9～932 kPa/s，平均彎曲強(qiáng)度為718.6±47.6 kPa，離散系數(shù)為0.07，表明數(shù)據(jù)較集中。

表1 彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Measurement results of sea ice flexural strength

式中，σ為彎曲強(qiáng)度，P為破壞荷載，l為冰梁跨度，b為冰試樣截面寬度，h為冰試樣截面高度。

1.3 實(shí)船數(shù)據(jù)測量

“雪龍2”號(hào)于2019年11月26日進(jìn)行平整冰破冰試驗(yàn)（圖6）。試驗(yàn)時(shí)，船舶艏、艉吃水均為8.1 m，冰下流速為0.8 m/s，風(fēng)速為6.3 m/s，風(fēng)向?yàn)?7.6o。艏向破冰試驗(yàn)時(shí)，船舶以約6 kn 的速度進(jìn)入試驗(yàn)冰層；當(dāng)船舶全部進(jìn)入冰層后，以100%的推進(jìn)功率保持船舶穩(wěn)定航行約200 m，平均航速約為0.9 kn。艉向破冰試驗(yàn)時(shí)，船體以約3 kn 的速度進(jìn)入試驗(yàn)冰層，當(dāng)船舶全部進(jìn)入冰層后，保持80%的推進(jìn)功率穩(wěn)定航行約240 m，平均航速為2 kn；隨后增加推進(jìn)功率至100%，發(fā)現(xiàn)船速增加至高于3 kn。試驗(yàn)過程中同時(shí)記錄艏向角、舵角、推進(jìn)功率、螺旋槳轉(zhuǎn)速、扭矩、全船振動(dòng)和加熱防寒系統(tǒng)的工作情況。

2“雪龍2”號(hào)破冰試航的試驗(yàn)修正和結(jié)果分析

以上測量記錄了破冰試驗(yàn)時(shí)冰雪參數(shù)和在此環(huán)境下實(shí)船破冰工況的數(shù)據(jù)，然而破冰試驗(yàn)的目的是得到破冰船實(shí)際的破冰能力，同時(shí)與設(shè)計(jì)工況和冰池模型試驗(yàn)的結(jié)果展開對(duì)比分析。當(dāng)環(huán)境條件（冰漂移速度、水深、風(fēng)速、積雪厚度、積雪密度、冰強(qiáng)度、冰厚等）與設(shè)計(jì)工況有偏差時(shí)，需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)修正和結(jié)果分析。當(dāng)前我國缺少大型冰池且缺乏破冰船實(shí)船試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)積累，相關(guān)修正均參考國外經(jīng)驗(yàn)公式。需要說明的是，這些有關(guān)破冰船全尺度性能驗(yàn)證和修正的方法也存在較大的不確定性，這仍舊是當(dāng)今破冰船研發(fā)和試驗(yàn)技術(shù)的前沿。我國破冰船數(shù)量極少，應(yīng)更加重視破冰船的實(shí)船應(yīng)用研究。本章主要討論其中兩個(gè)重要的修正，即積雪厚度和密度修正（以下簡稱積雪修正）以及冰的強(qiáng)度修正（以下簡稱冰強(qiáng)修正）。

2.1 積雪修正

冰上積雪影響破冰船的破冰性能，積雪厚度、密度和破冰模式下船身與雪的動(dòng)摩擦系數(shù)對(duì)于試驗(yàn)修正和分析結(jié)果有直接影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常由具體情況將雪厚按系數(shù)折減后計(jì)入當(dāng)量冰厚來表征積雪對(duì)船體破冰性能的影響。根據(jù)本船的破冰特性，當(dāng)艏向破冰時(shí)，參考國外有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式[15]可將雪厚的4/5計(jì)入當(dāng)量冰厚，如式（2）；當(dāng)艉向破冰時(shí)，由于螺旋槳所激起水流的潤滑作用，積雪對(duì)破冰性能的影響減小，當(dāng)量冰厚計(jì)算方法如式（3）～（4）。這些公式在不同破冰特性、不同方向破冰時(shí)會(huì)有所不同。表2 給出的是目標(biāo)試驗(yàn)區(qū)在假定冰層彎曲強(qiáng)度為500 kPa 的情況下，艏、艉向破冰當(dāng)量冰厚的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。當(dāng)量冰厚離散程度均較小，離散系數(shù)分別為0.11和0.1。

表2 試驗(yàn)區(qū)域冰層厚度積雪修正結(jié)果Tab.2 Corrected ice thickness according to snow thickness

式中，Hequ為當(dāng)量冰厚（cm），Hice和Hsnow分別為冰、雪厚度的實(shí)測值（cm）。

以上當(dāng)量冰厚取得后，需根據(jù)積雪物理特性確定的厚度依賴指數(shù)X把當(dāng)量冰厚修正到目標(biāo)冰阻力中，如式（5）所示。

式中，Ricecorr1為積雪修正后的船舶冰阻力，Rice為試驗(yàn)冰況下的冰阻力，Htarget為目標(biāo)冰厚，Hequ為試驗(yàn)冰層的當(dāng)量冰厚。系數(shù)X是在不同厚度范圍根據(jù)不同破冰試驗(yàn)的結(jié)果確定的，有很強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)性。

2.2 冰強(qiáng)修正

海冰彎曲強(qiáng)度有明顯的時(shí)空差異，難以保證試驗(yàn)區(qū)域的海冰彎曲強(qiáng)度與設(shè)計(jì)指標(biāo)相同。阻力和功率的最終結(jié)果也需要針對(duì)該偏差進(jìn)行校正。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究，通常模型試驗(yàn)在目標(biāo)冰彎曲強(qiáng)度較低時(shí)，似乎高估了破冰性能。在冰強(qiáng)修正中，通常遵循線性比例修正的原則，將冰強(qiáng)修正到冰阻力中，如式（6）所示：

式中，Ricecorr2為冰強(qiáng)修正后的船舶冰阻力，Rice為試驗(yàn)冰況下的冰阻力，σtarget為目標(biāo)冰彎曲強(qiáng)度，σmeas為試驗(yàn)冰層的彎曲強(qiáng)度。系數(shù)b根據(jù)不同破冰方向和冰強(qiáng)度范圍取值，有很強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)性。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 凈推力曲線分析法

由于測試時(shí)間、航路和氣候變化等具體原因，“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)的現(xiàn)場環(huán)境與設(shè)計(jì)冰況不完全相同，艏向和艉向兩個(gè)方向的破冰速度均需換算到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)冰況上來進(jìn)行破冰能力的具體評(píng)估。以艏向破冰為例，最終破冰速度需結(jié)合實(shí)船破冰試驗(yàn)與模型試驗(yàn)結(jié)果做統(tǒng)一分析。船舶在破冰試驗(yàn)時(shí)保持穩(wěn)定航行，忽略風(fēng)阻力和冰塊漂移，假定船舶凈推力與冰阻力基本相等。根據(jù)“雪龍2”號(hào)模型試驗(yàn)給出的100%功率凈推力曲線（圖7 實(shí)線），可得在試驗(yàn)冰況下（σmeas=718.6 kPa，Hequ=162.6 cm）船舶的冰阻力為1 569 kN。為得到設(shè)計(jì)冰彎曲強(qiáng)度下的船舶冰阻力，根據(jù)式（6）對(duì)冰阻力進(jìn)行冰強(qiáng)修正，得到冰強(qiáng)修正后冰況（σtarget=500 kPa，Hequ=162.6 cm）下的船舶冰阻力為1 341 kN，其中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，b取0.476。為進(jìn)一步得到設(shè)計(jì)冰、雪厚度下的船舶冰阻力，根據(jù)式（5）繼續(xù)對(duì)冰阻力進(jìn)行積雪修正，最終得到設(shè)計(jì)冰況（σtarget=500 kPa，Htarget=156.7 cm）下的船舶冰阻力為1 285 kN，其中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，X取1.15。認(rèn)為試驗(yàn)冰況下船舶冰阻力隨速度的變化趨勢與“雪龍2”號(hào)模型試驗(yàn)得到的線性關(guān)系一致，如圖7虛線所示；以修正后的船舶冰阻力為基點(diǎn)，以相同斜率與模型試驗(yàn)凈推力曲線相交，得設(shè)計(jì)冰況下的船舶艏向破冰速度為2.3 kn。表明“雪龍2”號(hào)平整冰艏向破冰能力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 基于凈推力曲線評(píng)估“雪龍2”號(hào)艏向破冰試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Evaluation of ahead ice-breaking ability of R/V Xuelong 2 based on net thrust curve

2.3.2 Lindqvist公式分析法

需要注意的是，由于未進(jìn)行“雪龍2”號(hào)凈推力的實(shí)船測試以及未獲得不同厚度冰層、不同破冰功率下的實(shí)船破冰速度，2.3.1小節(jié)中基于凈推力曲線分析的破冰能力評(píng)估參考了部分模型試驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果存在不確定性。因此，本節(jié)采用經(jīng)驗(yàn)公式分析法確定試驗(yàn)冰況下“雪龍2”號(hào)冰阻力，評(píng)估其艏向破冰能力。目前，Lindqvist公式是較常用的破冰船平整冰區(qū)冰阻力計(jì)算公式[16]，如式（7）～（10）：

式中，Rc為擠壓破壞阻力，Rb為彎曲破壞阻力，Rs為浸沒阻力，Rt為總阻力，H為冰厚（取平均當(dāng)量冰厚），σ為冰彎曲強(qiáng)度，E為冰彈性模量（取2.0 GPa），ν為冰泊松比（取0.3），μk為冰與船體動(dòng)摩擦系數(shù)（取0.1），ρw為海水密度（取1 025.0 kg/m3），ρi為海冰密度（取917 kg/m3），V為船速（m/s），L為船舶長度，T為船舶吃水，B為船舶型寬，?為船艏傾角，α為進(jìn)流角，Ψ為壓冰角（tanψ=tan?/sinα）（船型參數(shù)取值見表3），g為重力加速度。

表3 “雪龍2”號(hào)船體參數(shù)Tab.3 Ship parameters of R/V Xuelong 2

同樣考慮破冰試驗(yàn)時(shí)船舶保持穩(wěn)定航行，忽略風(fēng)阻力和冰塊漂移，則船舶冰阻力與凈推力相等。根據(jù)Lindqvist公式，由試驗(yàn)冰層的厚度、彎曲強(qiáng)度和“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)速度及船型參數(shù)，計(jì)算得破冰試驗(yàn)冰阻力即測量點(diǎn)凈推力為1 350 kN。認(rèn)為實(shí)船凈推力隨速度變化趨勢與“雪龍2”號(hào)模型試驗(yàn)結(jié)果一致，根據(jù)測量點(diǎn)凈推力對(duì)模型試驗(yàn)凈推力曲線進(jìn)行修正（圖8）。令修正后凈推力曲線與由Lindqvist 公式計(jì)算的設(shè)計(jì)冰況下速度-冰阻力曲線相交，交點(diǎn)處速度為2.5 kn，表明“雪龍2”號(hào)平整冰艏向破冰能力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 基于Lindqvist公式評(píng)估“雪龍2”號(hào)艏向破冰試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Evaluation of ahead ice-breaking ability of R/V Xuelong 2 based on Lindqvist equations

3 關(guān)于“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)的相關(guān)思考

我國之前尚未進(jìn)行過破冰船破冰能力的專業(yè)實(shí)船測試，“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)也多借鑒國外破冰試驗(yàn)的方法。我國海冰工程雖已積累近半個(gè)世紀(jì)，但近年來才開始關(guān)注極地海冰工程，尤其是與破冰船相關(guān)的冰載荷研究。根據(jù)“雪龍2”號(hào)破冰試驗(yàn)，著眼我國極地破冰船未來發(fā)展，作者提出如下需解決的問題：

（1）冰力學(xué)問題 冰彎曲強(qiáng)度是評(píng)估船舶冰阻力的重要參數(shù)，因此測量試驗(yàn)冰層的彎曲強(qiáng)度是破冰船破冰試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。目前常用的冰彎曲強(qiáng)度測量方法除懸臂梁彎曲試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)外，還有基于海冰物理參數(shù)判斷的鹵水體積法[17]。懸臂梁彎曲試驗(yàn)可保持冰梁的原位狀態(tài)，獲得最可靠的強(qiáng)度參數(shù)，但試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以在極地厚冰條件下展開。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)雖然可以節(jié)約時(shí)間和勞力，但采樣過程中冰內(nèi)鹵水流失對(duì)冰強(qiáng)度造成的影響難以定量評(píng)估。海冰的成分影響其力學(xué)性質(zhì)，鹵水體積法以冰內(nèi)鹵水體積分?jǐn)?shù)為代表參數(shù)來表征海冰彎曲強(qiáng)度。但海冰的彎曲強(qiáng)度同時(shí)受其微觀結(jié)構(gòu)影響，這些性質(zhì)往往與海冰的生長環(huán)境有關(guān)，因此鹵水體積法有較強(qiáng)的區(qū)域適用條件。如根據(jù)1.2.1小節(jié)實(shí)測的冰層平均溫度和鹽度，用目前常用的鹵水體積法公式[17]，計(jì)算得到的冰層彎曲強(qiáng)度值與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果相差較大。此外，由于忽略了冰內(nèi)氣體含量，鹵水體積法往往會(huì)高估融化期海冰的彎曲強(qiáng)度。目前，國外破冰船破冰試驗(yàn)多采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法和鹵水體積法[18]。建議針對(duì)以上三種彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法之間的差異，結(jié)合大量的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，形成一套科學(xué)的彎曲強(qiáng)度組合測量和相互校對(duì)的方法。

（2）雪力學(xué)問題 冰上積雪會(huì)影響船舶破冰性能。雖然可以通過經(jīng)驗(yàn)公式將雪厚折減計(jì)入當(dāng)量冰厚來表征雪對(duì)破冰船破冰性能的影響，但上述公式的建立機(jī)制及適用條件并不清楚。隨著堆積時(shí)間的增加以及風(fēng)壓、風(fēng)化、凍融作用，雪的含水量、密度等物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響其硬度、強(qiáng)度、摩擦系數(shù)等力學(xué)性質(zhì)。因此，不同物理性質(zhì)的雪的折減系數(shù)理應(yīng)不同。美國等國家為建設(shè)南極冰上機(jī)場曾深入開展雪力學(xué)性質(zhì)的研究[19]，而我國此前冰工程的發(fā)展恰恰忽視了雪的工程作用，需要在后期工作中加強(qiáng)關(guān)注。

（3）連續(xù)采集系統(tǒng) 相對(duì)基于海冰性能預(yù)測的模型試驗(yàn)，實(shí)尺度破冰試驗(yàn)僅得到單一結(jié)果，其準(zhǔn)確性有限。某些參數(shù)（如冰厚）的修正、相關(guān)性和校正方法是合理存在的，同時(shí)也是在堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。但對(duì)于有重大影響的其他一些主要影響因素的量化卻是極為困難的，如雪摩擦系數(shù)、冰與螺旋槳的相互作用、尺度效應(yīng)等，這需要投入大量的研究。為改進(jìn)和研究相關(guān)預(yù)測方法，在實(shí)船試驗(yàn)時(shí)可采用連續(xù)測量系統(tǒng)，至少可以對(duì)冰和雪的厚度、船舶速度、功率等進(jìn)行連續(xù)采集，這可以將收集到的足夠數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分類，并采用統(tǒng)計(jì)分析的方法。應(yīng)該說，這種采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場個(gè)別抽樣數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，將比標(biāo)準(zhǔn)的單一性能測試數(shù)據(jù)更真實(shí)。

（4）試驗(yàn)人員和裝備 在極地進(jìn)行冰雪力學(xué)試驗(yàn)要求快速、實(shí)時(shí)，且最好能連續(xù)采集，因此特別需要專業(yè)的試驗(yàn)人員和完善的試驗(yàn)裝備。目前，成熟的冰層鉆取設(shè)備為冰芯鉆，但其只能在垂直冰面方向鉆取直徑約10 cm 的圓柱試樣，無法滿足部分冰力學(xué)試驗(yàn)對(duì)更大試樣和平行冰面方向加載的要求。因此，破冰船破冰試驗(yàn)均采用人工切割吊裝的冰坯采集方式，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集，且無法應(yīng)對(duì)極地天氣系統(tǒng)的突變。我國極地破冰船和極地海洋工程的現(xiàn)場試驗(yàn)需盡快發(fā)展專業(yè)的試驗(yàn)測試隊(duì)伍和完善的極地裝備。

4 結(jié) 語

中國于第36 次南極考察期間，在普里茲灣當(dāng)年固定冰區(qū)組織完成了“雪龍2”號(hào)平整冰破冰能力的實(shí)船測試，摸索出了一套“選擇試驗(yàn)冰區(qū)—冰雪厚度測量—冰雪特性測量—實(shí)船數(shù)據(jù)測量”的現(xiàn)場試驗(yàn)流程。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)修正公式，利用凈推力曲線分析法和Lindqvist 經(jīng)驗(yàn)公式分析法對(duì)船舶艏向破冰能力進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明“雪龍2”號(hào)平整冰艏向破冰能力滿足設(shè)計(jì)要求。需要說明的是，由于缺少破冰船實(shí)船測試經(jīng)驗(yàn)，本文未對(duì)上述分析方法涉及的經(jīng)驗(yàn)公式適用條件和參數(shù)選取進(jìn)行深入探討，此外，冰-船作用的隨機(jī)性也會(huì)造成評(píng)估與實(shí)船破冰速度之間的差異。本次試驗(yàn)是我國在極地首次自主開展的專業(yè)實(shí)船破冰測試，全面總結(jié)其經(jīng)驗(yàn)有助于我國更系統(tǒng)地開展后續(xù)新建破冰船的設(shè)計(jì)與研究工作。