極地裝備技術與工程新興交叉學科建設與探索

倪寶玉 薛彥卓 魯陽

摘 ? ?要：文章面向極地認知、保護和開發(fā)利用的需求，立足于哈爾濱工程大學船舶與海洋工程優(yōu)勢學科特色，充分借助和發(fā)揮哈爾濱工程大學在極地裝備領域的雄厚技術儲備，開展極地裝備技術與工程新興交叉學科建設方向的布局與發(fā)展的探索和研究，為我國極地戰(zhàn)略實施提供人才儲備方略。

關鍵詞：極地裝備技術與工程；交叉學科；極地戰(zhàn)略；極地發(fā)展

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2023）08-0036-03

極地，特別是北極，資源蘊藏豐富，航運潛力巨大，戰(zhàn)略位置特殊，已引起全世界的關注。俄羅斯、美國、北歐等國家和地區(qū)高度關注極地裝備技術與工程的發(fā)展，紛紛出臺相關的戰(zhàn)略文件，例如俄羅斯的《2035年前國家北極政策基礎》、美國的《藍色北極——北極戰(zhàn)略藍圖》，對極地科學技術、工程裝備、人才培養(yǎng)等均提出了明確要求[1-2]。《中國的北極政策》指出，“中國是北極事務的重要利益攸關方”，需“加強北極人才培養(yǎng)和科普教育，支持高校和科研機構培養(yǎng)北極自然和社會科學領域的專業(yè)人才”。

極地自然環(huán)境惡劣，極地裝備的工作環(huán)境面臨著極寒、低溫冰凍、冰塊雜多、狹窄航道、能見度差、復雜地磁、電磁環(huán)境、救援困難等挑戰(zhàn)，給極地裝備技術與工程帶來了巨大的挑戰(zhàn)。以船舶為例，船舶從敞水域向極地發(fā)展，面臨的主要載荷由波浪載荷轉變?yōu)楹１d荷，海冰載荷具有脈沖性且均值較波浪載荷大得多，對船舶局部結構產生較大沖擊，可能造成船舶冰損、冰困等事故。此外，低溫也會造成船舶設備失效、穩(wěn)性降低等危害。為此，開展極地裝備技術與工程的基礎研究和學科建設，揭示極地裝備技術與工程的本質規(guī)律，培養(yǎng)極地裝備技術與工程的專業(yè)人才，必要而迫切。

《中國的北極政策》白皮書指出，“技術裝備是認

知、利用和保護北極的基礎”。極地裝備技術與工程學科點的設立，立足于哈爾濱工程大學船舶與海洋工程優(yōu)勢學科特色，緊扣國家極地戰(zhàn)略、振興東北老工業(yè)基地區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，積極推進黑龍江省極地裝備龍頭工程建設，為地方建設服務，以船舶與海洋工程、動力工程及工程熱物理、控制科學與工程、信息與通信工程、材料科學與工程等學科中涉及極地技術問題為研究對象，綜合自然科學、工程技術等相關學科的理論、方法和技術，研究領域涵蓋極地冰載荷環(huán)境、極地船舶與海洋工程、極地通信與導航工程、極地裝備與材料低溫適應性等，突出解決跨學科交叉產生的極地海洋環(huán)境載荷與結構物響應耦合作用機理和分析方法等科學問題和關鍵技術，培養(yǎng)跨學科交叉的極地裝備技術與工程領域的高端復合人才[3]。

一、國內外現(xiàn)狀調研及分析

目前，在國內開設的極地技術與工程相關的專業(yè)和課程的高校中，較為突出的包含天津大學、大連理工大學、哈爾濱工程大學、北京師范大學、中山大學、中國海洋大學、吉林大學等，但是均比較關注于單一學科或領域的研究，且課程體量較小，例如天津大學的冰力學課程（選修課，24學時）、哈爾濱工程大學的冰水船耦合運動學導論（研究生選修課，32學時）等，均沒有設置面向極地技術與裝備行業(yè)培養(yǎng)專門復合型人才的學科。2018年4月，北京師范大學聯(lián)合國內25所高校牽頭成立了“中國高校極地聯(lián)合研究中心”，旨在搭建高校極地研究協(xié)同合作與交流的平臺、高校極地對外交流合作的窗口以及極地交叉人才培養(yǎng)的基地和服務極地科技與外交的智庫。該中心為我國極地科學和技術的聯(lián)合研究起到了促進作用，但是沒有完整的學科體系，尚無法直接培養(yǎng)多學科交叉的極地復合型人才。

在極地技術和人才培養(yǎng)方面，芬蘭、挪威、丹麥等北歐國家和俄羅斯均走在世界前列。芬蘭阿爾托大學設有北極技術（Arctic Technology）專業(yè)，授予機械工程碩士學位，課程涉及冬季航行、船舶和結構上的冰載荷、結構設計、冰力學和一般應用力學等。丹麥理工大學（牽頭單位）、挪威科技大學、芬蘭阿爾托大學聯(lián)合設立了寒冷氣候工程（Cold Climate Engineering）專業(yè)，學生需要在上述3所高校中的任何2個大學中修滿120

ECTS的學分，并獲取雙碩士學位。該專業(yè)旨在提升極地技術和支撐極地可持續(xù)發(fā)展，主要研究方向包含極地船舶與海洋工程、極地巖土工程、極地遙感與測繪等，課程涉及北極和海洋工程、極地結構上的冰作用、極地基礎工程、極地資源開發(fā)與發(fā)展等。此外，在北極理事會領導和支持下，“北極大學聯(lián)盟”于2001年6月成立，目前成員包括環(huán)北極8國和非北極國家的超過150個成員機構和組織，例如美國華盛頓大學、丹麥奧爾堡大學、加拿大阿爾伯塔大學、英國杜倫大學等，中國的成員大學包含中國海洋大學、哈爾濱工程大學、哈爾濱工業(yè)大學等。該聯(lián)盟致力于通過合作研究，推動環(huán)北極地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展等。

極地裝備技術與工程是集力學、工程、通信、導航、材料等多學科交叉的戰(zhàn)略性高技術，我國目前在相關課程設置上零散，學科體系上尚沒有布局，缺乏針對極地技術與工程特點的交叉學科，不能滿足極地工程與裝備領域的技術需求。極地工程與裝備領域的發(fā)展亟待高校設置具有多學科交叉特點的極地技術與工程學科專業(yè)，建立具有多學科交叉特點的極地裝備技術與工程課程體系和人才培養(yǎng)方案。上述可見，建立具有多學科交叉特點的極地技術與工程學科勢在必行。

二、學科主要研究方向及研究內容

極地技術與工程學科根據國際上學科發(fā)展動態(tài)，面向極地工程與裝備的技術發(fā)展需求，針對極地冰載荷環(huán)境、極地船舶與海洋工程、極地通信與導航工程、極地裝備與材料低溫適應性等研究方向開展研究，主要研究內容如下[4]。

（一）極地冰載荷環(huán)境

1.冰力學。研究冰的物理和力學性質，冰的本構關系，冰的裂紋擴展形式，冰與結構相互作用過程中冰的斷裂、破碎機制，結構物上冰載荷特征，冰力學行為的物理實驗和數值模擬技術。

2.冰水耦合力學。研究冰與水、波浪、海流等動力因素的相互作用，浪流在多種類型海冰中傳播的能量衰減理論，風浪流作用下的海冰破碎與漂移堆積機制，冰水耦合力學的物理實驗和數值模擬技術。

（二）極地船舶與海洋工程

1.極地船舶與海洋結構物設計制造。研究破冰船、極地航行船舶、水下航行器、海洋平臺等結構物在冰水耦合載荷下的運動性能和結構響應特征，研究、設計、開發(fā)極地船舶與海洋結構物新構型，研究極地船舶與海洋結構物建造、檢驗、維修和管理的基礎理論和方法。

2.極地船舶與海洋結構物動力系統(tǒng)。研究極地低溫環(huán)境下極地船舶與海洋結構物動力系統(tǒng)能質循環(huán)機理與熱功轉換規(guī)律，研究極地動力系統(tǒng)的低溫燃燒技術、低污染排放技術、安全設計與評估技術、智能化控制技術，研究極地動力裝置數字化技術、故障診斷與健康管理技術。

（三）極地通信與導航工程

1.極地水聲技術。研究極地冰下聲場特性和冰下聲學技術，主要包括極地冰層聲學特性、極地冰下聲傳播、極地冰下噪聲場特性、極地冰下混響場特性，研究冰下水聲通信技術、冰下導航定位技術、冰下水聲探測技術，發(fā)展與極地冰下聲場特性適配的水聲信號處理技術，評估、預報、提升聲納極地冰下作用性能。

2.極地通信技術。特指冰下水聲通信以外的通信技術，主要包括北極海區(qū)冰、水、地各海洋水文環(huán)境要素和海洋地球物理信息的多模異構特征，研究極地環(huán)境對無線通信信道影響、建立極地無線通信信道模型，研究極地環(huán)境無線通信設備可靠性技術。

3.極地導航技術。特指冰下水聲導航以外的導航技術，研究極地特殊物理場作用下導航系統(tǒng)誤差產生與傳播的機理，建立極地導航參考框架及其在該框架下的導航方法，研究慣性導航系統(tǒng)的高緯度初始對準與誤差綜合校正技術，研究極地氣象水文觀測、分析及預報，以及航海導航定位裝備性能測試與評估理論與方法等。

（四）極地裝備與材料低溫適應性

1.極地裝備低溫適應性。研究極地環(huán)境下機械裝備的低溫可靠性，研究極地裝備抗冰、防冰和除冰方法和技術，極地裝備低溫適應性評價及設計方法，研究低能耗除冰技術及全艦防冰防凍的頂層設計理論。研究極地環(huán)境下積冰形成機制，建立極地環(huán)境下的積冰預報理論。

2.極地材料低溫適應性。研究低溫材料的動態(tài)力學行為、疲勞特性、低溫金屬的韌脆機制、低溫材料結構設計和控制技術、低溫下材料腐蝕機理等，研究極地裝備用高性能鋼鐵材料、極地用鈦合金和復合材料、極地結構減振抗震高阻尼合金等設計和制備技術等。

三、學科建設方案

（一）研究方向建設方案

學科將從極地冰載荷環(huán)境、極地船舶與海洋工程、極地水聲工程、極地導航與通信工程、極地裝備及材料低溫適應性五個研究方向開展建設[4]。主要建設方案如下。

1.極地冰載荷環(huán)境。主要從冰力學與冰水耦合力學兩個核心方向進行建設，是極地船舶與海洋結構物、極地水聲工程、極地裝備及材料低溫適應性等研究方向的力學基礎。冰力學為冰水耦合力學提供冰的物理和力學特性基礎，以及必要的物理實驗和數值模擬方法。擬分別從冰的物理/力學性質，冰的本構方程，冰的裂紋擴展，冰與結構物相互作用，冰與水、浪、流等流體動力因素相互作用等方面研究。

2.極地船舶與海洋工程。主要從極地船舶與海洋結構物設計制造和極地船舶與海洋結構物動力系統(tǒng)兩個核心方向進行建設，其中極地船舶與海洋結構物包含船舶、水下航行器、海洋平臺等。第一個研究方向主要關注總體、運動、結構性能。第二個研究方向主要關注動力系統(tǒng)，二者互相支撐，共同為后續(xù)研究方向提供載體。擬分別從極地船舶與海洋結構物性能、設計、建造、檢驗、維修和管理的基礎理論和方法，極地動力系統(tǒng)的熱功循環(huán)轉換機理、動力裝置數字化、安全設計與評

估、低污染排放等方面進行研究。

3.極地通信與導航工程。這部分主要按照冰面以下和冰面以上兩個層面進行研究方向的分解。對于冰面以下，主要采用水聲技術進行通信導航，設置極地水聲技術研究方向；對于冰面以上，進一步設置極地通信技術與極地導航技術兩個研究方向。對于極地冰下水聲技術，擬分別從冰層介質中的聲傳播、極地冰下半波導和雙聲道聲傳播、極地冰下噪聲場特性研究與建模、極地冰下混響場特性研究與建模等基礎理論和極地冰下水聲通信技術、探測技術、導航定位技術以及跨冰層介質聲通信技術等應用技術方面進行研究。對于極地水面以上的通信導航技術，擬分別從極地重力、溫度、電磁等特殊物理場作用下導航系統(tǒng)誤差產生與傳播的機理，極地導航參考框架及其該框架下的導航方法，慣性導航系統(tǒng)的高緯度初始對準與誤差綜合校正技術，極地氣象水文觀測、分析及預報，航海導航定位裝備性能測試與評估理論與方法，北極海區(qū)冰、水、地各海洋水文環(huán)境要素和海洋地球物理信息的多模異構特征，極地無線通信信道模型、極地無線通信設備可靠性技術，極地海洋及地球物理關鍵要素探測方法等方面進行研究。

4.極地裝備與材料低溫適應性。主要從極地裝備低溫適應性和極地材料低溫適應性兩個核心方向進行建設，二者聯(lián)合支撐研究方向2、3、4中涉及到的裝備及材料在低溫環(huán)境下的工作性能。擬分別從極地船舶與海洋平臺甲板機械可靠性，極地裝備抗冰、防冰和除冰方法和技術，極地裝備低溫適應性評價及設計方法，低能耗除冰的能量控制及裝備防冰防凍的頂層設計方法，低溫材料的動態(tài)力學行為、低溫金屬的韌脆機制、低溫材料結構設計和控制技術、低溫下材料腐蝕機理，極地裝備用高性能鋼鐵材料，極地用鈦合金和復合材料，極地結構防凍、減振、抗震高阻尼合金等設計和制備技術等方面進行研究。

（二）研究方法建設方案

學科將以組建師資隊伍、開設交叉課程、整合課程體系、配置對應教材四個研究方法開展建設，推進“新工科”建設，培養(yǎng)一流人才[5]。主要教改方法如下。

1.組建師資隊伍。本學科將依托于哈爾濱工程大學船舶與海洋工程（入選國家“雙一流”建設學科， 2017 年學科評估獲評 A+）[6]，并與力學、動力工程及工程熱物理、控制科學與工程、信息與通信工程、材料科學與工程等學科交叉，針對開設的課程，實現(xiàn)跨學科組建師資隊伍。通過開展協(xié)同創(chuàng)新，促進交叉學科、交叉領域的研究合作，加強不同學科間溝通交流，共建跨學科交叉研究和學術交流平臺，形成人才培養(yǎng)、科學研究、技術攻關的學術高地。

2.開設交叉課程。面向碩士研究生開設冰水船耦合運動學、現(xiàn)代通信信號處理、船舶導航系統(tǒng)原理、極地生命保障系統(tǒng)工程原理、復雜電磁環(huán)境無線信道建模、通信系統(tǒng)可靠性設計等課程；擬面向博士研究生開設極端環(huán)境船舶動力系統(tǒng)熱力循環(huán)分析、船舶導航系統(tǒng)原理、極地冰下聲傳播原理、現(xiàn)代通信信號處理、極地船舶設計理論與方法、極地冰下噪聲場、冰層聲散射特性與建模、低溫功能材料概論等課程。

3.整合課程體系。結合本學科碩士點、博士點的人才培養(yǎng)方案，整合對應的課程體系。研究生培養(yǎng)課程體系結合學科特點，遵循科學理論基礎與學科前沿技術的結合創(chuàng)新，注重學生自主研究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時，結合社會發(fā)展和人才市場需求來優(yōu)化課程結構，優(yōu)化培養(yǎng)計劃， 完善課程體系。

4.配置對應教材。在具有多學科交叉特點的極地裝備技術與工程課程體系的基礎上，根據新開設課程的內容和前沿發(fā)展，匯編授課講義，出版教學教材。

四、結語

與發(fā)達國家相比，我國極地技術與裝備領域起步晚，極地裝備技術與工程相關的教育相對薄弱、相關人才缺口較大導致極地技術與國際水平存在較大差距，極大地制約了我國極地戰(zhàn)略的實施和極地領域的發(fā)展。因此，極地裝備技術與工程新興交叉學科點的設立可為滿足我國極地裝備技術與工程領域高級人才的需求提供培養(yǎng)基地。

根據國內外極地裝備技術相關學科的發(fā)展動態(tài)并結合學科現(xiàn)狀，本文進一步分析凝練研究方向，初步探索了面向極地裝備技術與工程學科研究方向發(fā)展的建設方案，通過開展協(xié)同創(chuàng)新，促進交叉學科、交叉領域的研究合作，加強不同學科間溝通交流，共建跨學科交叉研究和學術交流平臺，形成人才培養(yǎng)、科學研究、技術攻關的學術高地，旨在使極地裝備技術與工程學科逐漸成為學術水平高、自主創(chuàng)新能力強、在國內外有較大影響的特色學科。

參考文獻：

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策的調整[J].國際論壇，2022（2）.

[2] ?王傳興.美國北極戰(zhàn)略演進研究[J].東北亞論壇，2022（3）.

[3] ?薛彥卓，狄少丞，倪寶玉，等.極地科學及技術學科布局與

發(fā)展的探索與研究[J].課程教育研究，2020（9）.

[4] ?薛彥卓，倪寶玉.極地船舶與浮體結構物力學問題研究

綜述[J].哈爾濱工程大學學報，2016（1）.

[5] ?吳巖.深化“四新”建設走好人才自主培養(yǎng)之路[J].重慶高

教研究，2022（3）.

[6] ?趙寧寧.全國第四輪學科評估結果（節(jié)選）[J].考試與招生，

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