從“Aurora Borealis”號看科考破冰船的設(shè)計(jì)思路

秦 琦

“Aurora Borealis”號是世界上所設(shè)計(jì)的具有最高破冰能力的重型破冰船，具備連續(xù)破碎超過2.5米厚的多年冰和通過最高15米冰脊的能力，可在北極和南極水域全年執(zhí)行包括科考鉆井項(xiàng)目在內(nèi)的研究任務(wù)，而無需其他船舶的支持。該船集破冰船、鉆井船、多用途船等多種船型于一體，在設(shè)計(jì)建造方面“Aurora Borealis”號沒有先例可循，因此需要開發(fā)和制定新的技術(shù)概念。

設(shè)計(jì)工作遇到了相當(dāng)多的挑戰(zhàn)，其中之一是如何選擇在最大厚度達(dá)到2米的實(shí)心浮動薄冰環(huán)境中進(jìn)行破冰、航行和定位的推進(jìn)概念與裝置。

該科考破冰船的主要任務(wù)包括：①在工作水深100～500米、鉆井深度1000米以上的實(shí)心冰區(qū)進(jìn)行科考鉆井巖芯取樣；②在6級海況、8級蒲福氏風(fēng)級的敞水水域進(jìn)行科學(xué)鉆井和動力定位；③進(jìn)行大量的海洋研究任務(wù)時，多數(shù)情況采用動力定位；④擴(kuò)大航行時間，例如從北極水域航行到南極；⑤具備全年在北極和南極操作的能力。主要工況（包括動力定位系統(tǒng)和定位分析）以下列狀態(tài)作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)：冰區(qū)定位，該船應(yīng)能在1.0～2.0米以上的厚度浮動薄冰層保持定位；敞水環(huán)境中的動力定位，6級海況、有義波高5米、波浪周期12.4秒、海流速度1.5節(jié)、蒲福氏風(fēng)級8級、風(fēng)速38節(jié)。

“Aurora Borealis”號是一型用于全球操作的多用途研究船，應(yīng)滿足海洋研究公眾團(tuán)體現(xiàn)有和未來的要求，并盡可能地滿足未來即將生效的環(huán)保規(guī)則規(guī)范。

據(jù)了解，該船由瓦錫蘭船舶設(shè)計(jì)公司（WSDG）設(shè)計(jì)，Alfred Wegener極地與船舶研究所負(fù)責(zé)項(xiàng)目管理。

推進(jìn)系統(tǒng)的選擇。船舶在定位時會受到浮冰、風(fēng)浪和潮汐等環(huán)境的影響，“Aurora Borealis”號的推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下任務(wù)要求：①以相對高的航速（服務(wù)航速15.5節(jié)以上，最大航速20節(jié)）航行較遠(yuǎn)的距離，例如從北極到南極；②提高破冰時間；③冰區(qū)定位；④敞水環(huán)境定位。研究人員在設(shè)計(jì)之初確定了以下設(shè)計(jì)基本衡準(zhǔn)：①所有系統(tǒng)及部件應(yīng)盡可能地保證堅(jiān)固、可行和冗余；②盡可能地簡化所有部件，以降低部件失效的速率和維護(hù)要求；③在船舶浮動和作業(yè)時，應(yīng)盡可能方便地接近所有部件和系統(tǒng)，便于現(xiàn)場維修，而無需其他船舶支持或進(jìn)塢修理。

為滿足上述任務(wù)要求和設(shè)計(jì)基本衡準(zhǔn)，研究人員確立了以下兩點(diǎn)推進(jìn)概念：①該船應(yīng)采用大功率、多槳常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)；②在船首和船尾安裝一些可反轉(zhuǎn)的橫向推力器（即側(cè)推），這些推力器僅用于敞水環(huán)境和冰區(qū)的定位。

推進(jìn)系統(tǒng)部件的選擇。對于主推進(jìn)系統(tǒng)的性能要求，該船在赫爾辛基的AARC冰池和漢堡船模試驗(yàn)水池進(jìn)行了大量模型試驗(yàn)，用于確定不同工況如航行、破冰和定位（薄冰層）所需的推力。在主推進(jìn)器的布置方面，基本考慮事項(xiàng)包括推進(jìn)器類型和推進(jìn)器數(shù)量的選擇。對推進(jìn)器類型的分析，研究人員比較了常規(guī)螺旋槳和導(dǎo)管螺旋槳的優(yōu)缺點(diǎn)；推進(jìn)器數(shù)量的確定涉及到吃水、船寬、船尾線型、推進(jìn)機(jī)械的布置與尺寸、推進(jìn)器載荷等，破冰船一般采用多槳，對于大功率破冰船而言，設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一是對兩槳或三槳的選擇。研究人員選擇了三槳、雙槳（常規(guī)）、雙槳（導(dǎo)管）等三種方案進(jìn)行了性能計(jì)算，結(jié)果表明三槳變?yōu)殡p槳時，如果槳梢與冰流之間的間距保持不變，那么將增大槳盤載荷和降低可利用推力，導(dǎo)致破冰操作的燃油成本增加。

“Aurora Borealis”號冰區(qū)航行模擬圖 1

研究人員最終選定的主推進(jìn)系統(tǒng)如下：常規(guī)敞水螺旋槳3個，主槳采用五葉定距槳，鎳鋁銅材料，船舶處于操作吃水狀態(tài)時其中一片可以更換，直徑6.5米，功率2700kW，轉(zhuǎn)速100r/m（隨著操作而變化），最大系柱拉力（速度為0）為2230KN。需要指出的是，推力的主要考慮因素是破冰需求（遠(yuǎn)超過船舶縱向定位推力需求），因此主槳的選擇并未考慮定位能力的計(jì)算。

主驅(qū)動布置的選擇。在不同的操作模式下，功率要求高和性能優(yōu)化的需求大，這意味著可采取電力驅(qū)動布置。一般最為常見的布置是選擇一臺直接耦合的低速電動機(jī)驅(qū)動一根槳軸。這種布置勢必影響船尾的可利用空間，由于船尾線型已完成了船舶/冰之間作用的優(yōu)化，因此不大可能為滿足直接電機(jī)驅(qū)動布置而重新優(yōu)化線型。最終的驅(qū)動布置選擇是采用一臺高速電動機(jī)，通過一個單級減速箱驅(qū)動槳軸。

橫向推力器。為獲得兩個方向的作用力，該船設(shè)計(jì)有6個推力器（帶反轉(zhuǎn)和雙向槳），船首和船尾各3個。

冰區(qū)定位和敞水環(huán)境定位所需推力的評估采用了模型試驗(yàn)這種方式，不過在試驗(yàn)之前應(yīng)獲取推力器尺寸和重量。研究人員對這些參數(shù)進(jìn)行了基本估算，確定了推力器的概念方案。選擇的推力器直徑為4.1米，功率研究范圍包括3500kW、4500kW、5500kW和6400kW（最大）。

冰區(qū)定位操作研究。為研究“Aurora Borealis”號的冰區(qū)定位概念方案，研究人員分析兩種截然不同的破冰模式：①推進(jìn)模式，采用常規(guī)推進(jìn)器（例如主螺旋槳和橫向推力器）進(jìn)行常規(guī)破冰；②船舶運(yùn)動控制模式：導(dǎo)入船舶橫搖和縱搖運(yùn)動，分析船舶定位狀態(tài)時的破冰。

（1）推進(jìn)模式下的定位能力。該船的冰區(qū)定位能力分析的主要目標(biāo)是：①確定船舶在冰區(qū)保持定位和航向的可行性；②研究不同級別的推進(jìn)器功率對冰區(qū)定位能力的影響；③研究兩個典型厚度的冰況。

a 冰力。船舶受到的冰力大小可通過AARC和HSVA的船模試驗(yàn)獲得，其中在AARC進(jìn)行了12天試驗(yàn)，在HSVA進(jìn)行了15天試驗(yàn)。這些試驗(yàn)包括阻力與推進(jìn)、伴流測量、操縱性、耐波性、航行破冰試驗(yàn)，其中推進(jìn)模式下的冰區(qū)定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括：①在1.0米和2.0米厚的實(shí)心薄冰層上進(jìn)行了回轉(zhuǎn)試驗(yàn)；②在1.0米和2.0米厚的實(shí)心薄冰層上進(jìn)行了傾斜阻力試驗(yàn)（后來為研究船舶運(yùn)動控制模式下的破冰性能，模擬了1.7米厚冰層的橫搖和縱搖運(yùn)動）。

定位能力的計(jì)算基于AARC試驗(yàn)中2.0米冰厚數(shù)據(jù)和HSVA試驗(yàn)中1.0米冰厚數(shù)據(jù)，研究人員根據(jù)船模冰池試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了航向角與冰力/力矩關(guān)系圖。在計(jì)算冰區(qū)定位能力時，環(huán)境（例如風(fēng)、潮汐）作用力未予以考慮，因?yàn)槠浯笮∵h(yuǎn)小于冰力。

b 推力。最優(yōu)推力器尺寸的計(jì)算考慮基于以下推力，不考慮螺旋槳對冰區(qū)定位的作用，僅考慮橫向推力器對航向變化的影響。

c 計(jì)算方法。冰區(qū)定位能力的計(jì)算目的是確定改變航向角所需的推力，實(shí)現(xiàn)作用在船上的環(huán)境力/力矩與主螺旋槳和推力器產(chǎn)生的力的平衡。研究人員為“Aurora Borealis”號開發(fā)了一種新的推力分布算法，這種數(shù)學(xué)模型能夠計(jì)算所需的推力，該推力是環(huán)境作用力/力矩的量級和攻角的函數(shù)。鉆井月池中心作為動力定位基準(zhǔn)點(diǎn)，外部力矩和推力力矩也基于此點(diǎn)考慮。將冰池試驗(yàn)、航向角與冰力/力矩關(guān)系圖中的作用力導(dǎo)入MatchCAD表格，可計(jì)算出船尾和船首推力器以及主螺旋槳所需的推力。所有的定位能力計(jì)算結(jié)果表明船尾推力器負(fù)載小，而船首推力器負(fù)載大。因此，船首推力器所需的推力是定位能力的決定因素。由于主螺旋槳可利用功率大，因此未考慮其影響。

將船首推力器的推力要求導(dǎo)入冰區(qū)定位能力與所需推力器尺寸關(guān)系表，可得到航向角和薄冰層厚度變化時的“Aurora Borealis”號性能。

d 結(jié)果討論。船舶所需的推力器功率，可應(yīng)對浮冰攻角變化帶來的偏航。例如：在1.0米厚的冰區(qū)，配有4500kW推力器的船舶能夠控制最大浮冰攻角達(dá)到7°帶來的偏航；在2.0米厚的冰區(qū)，配有4500kW推力器的船舶能夠控制最大浮冰攻角達(dá)到3.2°帶來的偏航。

對于“Aurora Borealis”號而言，配備先進(jìn)的浮冰變化警報(bào)/測量系統(tǒng)有利于達(dá)到高效的冰區(qū)定位操作，這一點(diǎn)非常重要。

綜上，船舶在推進(jìn)模式下的定位性能分析匯總?cè)缦拢?/p>

① 在縱向（X）方向上，主螺旋槳可利用的作用力遠(yuǎn)大于在冰厚1.0～2.0米之間的浮冰定位時所需功率。不過在冰區(qū)定位時使用螺旋槳，可能會造成目標(biāo)的偏離，要求進(jìn)行位置的即時修正，這會對推進(jìn)裝置產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

② 在橫向（Y）方向上，浮冰作用力超過推進(jìn)功率。

③ 航向角是橫向推力器可利用功率的函數(shù)。一套反映浮冰方向及速度變化的先進(jìn)警告系統(tǒng)對于船舶安全和有效的定位操作十分重要。

④ 必須進(jìn)行大量的試驗(yàn)項(xiàng)目以便操作人員熟悉在實(shí)心浮動薄冰環(huán)境中操作遇到的問題和限制。

“Aurora Borealis”號冰區(qū)航行模擬圖 2

運(yùn)動控制模式下的定位能力。除了推進(jìn)裝置產(chǎn)生的破冰能力以外，該船還配備有一套獨(dú)特的運(yùn)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許在定位模式下破冰而無需船舶縱向/橫向位移或運(yùn)動。該系統(tǒng)誘導(dǎo)船舶產(chǎn)生橫搖和縱搖運(yùn)動，這些運(yùn)動匹配獨(dú)特的船形有利于改善船舶定位時的縱向和橫向破冰能力。

HSVA冰池進(jìn)行了大量試驗(yàn)項(xiàng)目，以驗(yàn)證研究人員的構(gòu)想有效性。對于橫搖運(yùn)動的模擬，船模上配備有一個與線性發(fā)動機(jī)連接的重塊，該重塊在船模上進(jìn)行可控頻率的橫向移動，誘導(dǎo)船舶橫搖運(yùn)動。縱搖運(yùn)動以一種相對較簡單的方式模擬：在船模首部以所需頻率升降重物。在1.8米厚的冰區(qū)進(jìn)行了橫搖和縱搖試驗(yàn)，試驗(yàn)表明當(dāng)船舶受到諧振橫搖和縱搖運(yùn)動時，破冰具有可行性（前進(jìn)速度為0）。船舶運(yùn)動使得浮冰與船舶之間的摩擦力具有動態(tài)性而非靜態(tài)，摩擦力會變小。此外，誘導(dǎo)運(yùn)動還可改善常規(guī)破冰性能。

WSDG引入兩個有利于船舶橫向破冰的船體設(shè)計(jì)特點(diǎn)：①船中形狀利于船舶在橫搖運(yùn)動時破冰；②液艙系統(tǒng)允許調(diào)節(jié)橫搖運(yùn)動，該橫搖液艙由2對液艙組成，每對與導(dǎo)管連接。海水以60～100秒/次的時間從一個液艙泵送到另一個液艙，可以獲得3°～5°的橫搖角（最大橫搖角5°由該船的斜肩坡度決定）。該系統(tǒng)能使船首和船尾產(chǎn)生縱搖運(yùn)動，可使船舶在定位模式下破冰。該系統(tǒng)能夠最多在18秒內(nèi)將2×750t的海水從船尾移到船首，在既定的頻率下加、減速這些海水大約需要2×3000kW的軸向泵（帶有可控的縱搖葉輪）。

“Aurora Borealis”號具備在實(shí)心浮動薄冰環(huán)境下定位的能力。采用了兩種定位技術(shù)分析：推進(jìn)模式和運(yùn)動管理模式，組合這兩種模式可進(jìn)一步改善定位能力。模型試驗(yàn)表明在2.0米厚的冰區(qū)定位存在限制性，具體的性能制約有待試驗(yàn)的確定。冰區(qū)定位時的控制模式為動力定位-操縱桿控制。橫向推力器的操作：模型試驗(yàn)表明導(dǎo)管偶爾會被大塊冰阻塞，將螺旋槳進(jìn)行短時間的逆轉(zhuǎn)可將冰塊排除導(dǎo)管。所有推進(jìn)裝置的操作應(yīng)連續(xù)監(jiān)控和可視化。推力器和主螺旋槳應(yīng)可以手動控制，便于處理冰塊阻塞，這對于未來有效和安全操作十分必要。