【专题研究】全球大功率科考破冰船的发展概览要点

【专题研究】全球大功率科考破冰船的发展概览

2014-04-29秦琦MARIC情报站

2014年1月份，中国科考船“雪龙”号成功营救出困在南极的俄罗斯极地科考船“绍卡利斯基院士”号，不过救援过程颇为艰险，另外一些国家也参与了救援但未能成功。鉴于此，本文将主要介绍全球能够在南北极作业、已有以及在建/计划建造的大型科考破冰船发展，主要从全球大功率（10000 hp及以上）科考船队现状、典型科考破冰船的参数和性能、具体的设计案例、规则规范等几个方面论述。

1 全球大功率科考破冰船船队

根据美国海岸警卫队2013年6月的统计，目前功率在10000 hp及以上的破冰船全球共服役78艘，在建4艘，计划建造13艘，总计95艘。在这些具有破冰能力的船舶中，具有科考能力的船舶即科考破冰船共有24艘（包括在建或计划建造）。美国和加拿大、俄罗斯属于第一阵列，拥有的科考破冰船分别达到5艘、5艘和4艘，其中美国毫无疑问是世界上科考破冰能力最强的国家，拥有2艘重型破冰船（功率在45000 hp以上）、1艘中型破冰船（功率20000~45000 hp）、1艘轻型破冰船（功率10000~20000 hp），此外正在新建一艘。其他国家的科考破冰力量基本为2艘或1艘中型或轻型破冰船。详见表1。如果将欧洲主要国家的科考船和破冰船研发力量统一考虑，那么欧洲的大功率科考破冰船开发能力当属世界领先，可以列入第一阵列。

2 典型科考破冰船简介

本文选择了第一阵列的美国和加拿大、欧洲以及第二阵列的韩国科考破冰船作为主要介绍对象，以下将从其研发历程、技术参数、破冰能力、科考布置和主要设备等多个方面予以介绍。

（1）美国“极地”级科考破冰船

“极地”级科考破冰船设计目的是为美国南北极科考站提供科考和后勤支持，该级船由洛克希德公司建造，属于重型破冰船。船首和船尾钢板厚度为 4.5 cm，船舯的钢板厚度为3.2 cm。船首呈半球形，集中了大量重量，通过尽量增大船首运动、下压船首重心、提高船尾浮心等以便于压碎海冰。该级船能够以3 kn的速度连续在最厚6英尺（1.83 m）的冰区航行，冲撞式破冰能力为21英尺（6.4 m）。该级船堪称世界上功率最强的非核动力破冰船，安装有3台电动机与3个桨轴连接，电力由6台能够产生18000 hp的柴电推进系统或3台能够产生60000 hp功率的燃气轮机提供。这种双动力装置的配置模式是敞水环境航行时采用柴电推进，破冰时采用燃气轮机。该级船配备有反转螺旋桨，以便在冰上碾压和后退时能够更好地操纵首尾。该型船还具有一个有助于破冰的特点，即安装了横倾系统，该系统包括安装在两侧的3对相互连通液舱，每个液舱里的水能够在50秒内泵送到相对应的液舱，这个过程可以产生约24000英尺吨的扭矩，形成摆动。

安装在该级船上的设施包括4间休息室、1个图书馆、健身房、储物室和邮局等。此外，船员能够通过卫星电话、无线电设施和电话室与外界通讯。

船上设置有5个内部实验室，甲板可利用空间能够容纳7个轻便型实验室。船上配备有光纤数据网络，便于数据收集和整理，船上计算机可以处理实时卫星图像以支持冰区航行、科学计划和天气预报。

由于“极地”级船舶提高了可靠性能，并降低了操作需求。在设计该级船舶时，研究人员不再像过去一样主要依靠直觉或者依赖母型船，而是通过试验来确定其想法和设计基础。其设计成果来源于长达4年的船体结构研究、分析和试验结果。除了对现有船型进行大量试验和研究外，还采用新的结构失效分析方法，并采用有限元分析结构，同时与外部其他机构联合研究，这次设计是美国破冰船设计理念和优化措施的一次重大改变。而且，后来建造的破冰船“Healy”号和“Mackinaw”号在设计上参考了“极地”级的设计及实际操作试验。

由于“极地”级科考破冰船均建于上世纪70年代，21世纪初两艘船舶均达到服役寿命，甚至部分能力和设备出现不合格状况，例如“Polar Star”号在2006年列入“特别照顾”状态，不过美国考虑到其北极战略利益后，启动该船的状态再激活和升级维修，在经历32个月的大修后，2012年12月“Polar Star”号完成维修，明显改善了系统的性能、可靠性和保障能力，服役年限有望延长7~10年。主要的系统升级包括重新设计和更换尾轴管轴承；主电动机清洁；升级电罗经；开环调距桨改装；小艇吊艇架更换；机器监控系统升级；数字燃控系统升级；移除货物装卸系统和更换起重机；齿轮、联轴节和轴承的检测与修理；主柴油机更换和重新布置。另外一艘破冰船“Polar Sea”号也超出服役年限（30年），2012年美国海岸警卫队和海事运输法案第222节指出美国司令官要求对“Polar Sea”号的服役寿命延长至2022年9月30日进行成本和方案分析，以维持美国极地破冰能力和满足2010年海岸警卫队确立的美国高纬度使命需求，不过，鉴于资金需求的问题，“Polar Sea”号的处置方案仍未明朗。

对于未来科考破冰船的发展，美国多个政府机构部门研究了极地破冰船的现状与发展建议，其中2011年美国海岸警卫队为美国国会提供了“高纬度研究”报告，在该报告中提出“目前的破冰船船队不能满足美国在南极和北极的法定任务需求，如果要满足极地的各种任务需求，至少需要3艘重型破冰船和3艘中型破冰船”，但美国极地破冰船队的发展在短期内仍受资金短缺的制约。不过美国海岸警卫队已于2013财年和2014财年进行了一艘重型破冰船的前期开发投资，将在2015财年及之后进行一艘新重型破冰船的初步设计、采购计划以及要求的技术文件制定，在完成采购前的工作后，将在10年内完成该船的交付。此外，美国大学-国立海洋学实验室系统也在计划建造一艘破冰能力为1.4 m冰厚（3 kn 航速）的科考破冰船。

（2）加拿大科考破冰船“John G.Diefenbaker”号

2011年10月，加拿大海岸警卫队与STX加拿大船舶公司领导的团队签订了一艘科考破冰船“John G.Diefenbaker”号的设计合同。STX加拿大船舶公司是船体设计的总承包商，Aker北极公司承担了船型开发、船体强度、满足破冰需求的功率预报、冬化措施以及轴系设计，Imtech Marine和Techsol Marine 公司负责电力集成，SNC-Lavalin公司负责全寿命周期的维护和后勤保障业务，通过多方合作设计以确保该船达到40年的服役寿命。该多用途船舶将在2017年替代“Louis urent”号，能够在覆盖有30 cm厚冰雪的2.5 m厚平整冰环境以0 kn的速度前行，将提升加拿大海岸警卫队的破冰能力，该船同时将提高加拿大的科考能力，每年能够在北极独立操作270天。

该项设计分为三个阶段，第一阶段包括概念确定、概念设计和关键设计衡准的调整，第二阶段是确定尺寸的初步设计阶段，第三阶段和最后一个阶段是完成整体设计包以通过船级社认可，并提交给加拿大海岸警卫队以供Vancouver船厂进行生产设计任务。据了解，2013年初，第二设计阶段完成，2013年年年底开始进入最终设计阶段。在设计过程中，加拿大海岸警卫队确定了优化船型以满足重型破冰要求的首要目标，并且兼顾了敞水特性。在设计中，设计公司还采用了支持破冰的特殊系统，例如一套气泡系统和一套冰区复原系统，此外，对不同推进系统的优点和权衡进行了全面研究，对两种不同的推进系统进