全球大功率科考破冰船聚焦

秦 琦

今年初，中國科考船“雪龍”號成功營救出困在南極的俄羅斯極地科考船“紹卡利斯基院士”號，救援過程頗為艱險曲折。隨著媒體報道的聚焦，極地科考破冰船再一次進入人們的視野。

據美國海岸警衛隊2013年6月的統計，目前功率在10000hp及以上的破冰船全球共服役78艘，在建4艘，計劃建造13艘，總計95艘。在這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（包括在建或計劃建造）。其中，美國和加拿大、俄羅斯為第一陣列，擁有的科考破冰船分別達到5艘、5艘和4艘。毫無疑問，美國是世界上科考破冰能力最強的國家，擁有2艘重型破冰船（功率在45000hp以上）、1艘中型破冰船（功率20000～45000hp）、1艘輕型破冰船（功率10000～20000hp）。另外，正在新建一艘。其他國家的科考破冰力量基本為2艘或1艘中型或輕型破冰船。如果將歐洲主要國家的科考船和破冰船研發力量統一考慮，那么歐洲的大功率科考破冰船開發能力當屬世界領先，可以列入第一陣列。

現將第一陣列的美國和加拿大、歐洲以及第二陣列的韓國科考破冰船作為主要介紹對象，將從其研發歷程、技術參數、破冰能力、科考布置和主要設備等多個方面予以介紹。

表1：世界大功率科考破冰船船隊統計

美國“極地”級科考破冰船

“極地”級科考破冰船設計目的是為美國南北極科考站提供科考和后勤支持，該級船由洛克希德公司建造。“極地”級科考船總長121.6米，船寬25.84米，最大吃水10米，排水量為13194噸，最大航速為17.5節。另外，船上還配備小艇和飛機。船上可容納包括24名軍官，20名士官長，102名艦員，9名航空人員，以及32名科考隊員。

該船屬于重型破冰船。其中，船首和船尾鋼板厚度為4.5厘米，船舯的鋼板厚度為3.2厘米。船首呈半球形，集中了大量重量，通過盡量增大船首運動、下壓船首重心、提高船尾浮心等以便于壓碎海冰。該級船能夠以3節的速度連續在最厚1.83米的冰區航行，沖撞式破冰能力為6.4米。該級船堪稱世界上功率最強的非核動力破冰船，安裝有3臺電動機與3個槳軸連接，電力由6臺能夠產生18000hp的柴電推進系統或3臺能夠產生60000hp功率的燃氣輪機提供。這種雙動力裝置的配置模式是敞水環境航行時采用柴電推進，破冰時采用燃氣輪機。該級船配備有反轉螺旋槳，以便在冰上碾壓和后退時能夠更好地操縱首尾。該型船還具有一個有助于破冰的特點，即安裝了橫傾系統，該系統包括安裝在兩側的3對相互連通液艙，每個液艙里的水能夠在50秒內泵送到相對應的液艙，這個過程可以產生約24000英尺噸的扭矩，形成擺動。

安裝在該級船上的設施包括4間休息室、1個圖書館、健身房、儲物室和郵局等。此外，船員能夠通過衛星電話、無線電設施和電話室與外界通訊。

船上設置有5個內部實驗室，甲板可利用空間能夠容納7個輕便型實驗室。船上配備有光纖數據網絡，便于數據收集和整理，船上計算機可以處理實時衛星圖像以支持冰區航行、科學計劃和天氣預報。

圖1：“Polar Sea”號（WAGB-11）科考破冰船

由于“極地”級船舶提高了可靠性能，并降低了操作需求。在設計該級船舶時，研究人員不再像過去一樣主要依靠直覺或者依賴母型船，而是通過試驗來確定其想法和設計基礎。其設計成果來源于長達4年的船體結構研究、分析和試驗結果。除了對現有船型進行大量試驗和研究外，還采用新的結構失效分析方法，并采用有限元分析結構，同時與外部其他機構聯合研究，這次設計是美國破冰船設計理念和優化措施的一次重大改變。而且，后來建造的破冰船“Healy”號和“Mackinaw”號在設計上參考了“極地”級的設計及實際操作試驗。

由于“極地”級科考破冰船均建于上世紀70年代，21世紀初兩艘船舶均達到服役壽命，甚至部分能力和設備出現不合格狀況，例如“Polar Star”號在2006年列入“特別照顧”狀態，不過美國考慮到其北極戰略利益后，啟動該船的狀態再激活和升級維修，在經歷32個月的大修后，2012年12月“Polar Star”號完成維修，明顯改善了系統的性能、可靠性和保障能力，服役年限有望延長7到10年。主要的系統升級包括：重新設計和更換尾軸管軸承，主電動機清潔，升級電羅經，開環調距槳改裝，小艇吊艇架更換，機器監控系統升級，數字燃控系統升級，移除貨物裝卸系統和更換起重機，齒輪、聯軸節和軸承的檢測與修理，主柴油機更換和重新布置。另外，一艘破冰船“Polar Sea”號也超出服役年限（30年），2012年美國海岸警衛隊和海事運輸法案第222節指出美國司令官要求對“Polar Sea”號的服役壽命延長至2022年9月30日進行成本和方案分析，以維持美國極地破冰能力和滿足2010年海岸警衛隊確立的美國高緯度使命需求，不過，鑒于資金需求的問題，“Polar Sea”號的處置方案仍未明朗。

對于未來科考破冰船的發展，美國多個政府機構部門研究了極地破冰船的現狀與發展建議，其中2011年美國海岸警衛隊為美國國會提供了“高緯度研究”報告，在該報告中提出“目前的破冰船船隊不能滿足美國在南極和北極的法定任務需求，如果要滿足極地的各種任務需求，至少需要3艘重型破冰船和3艘中型破冰船”，但美國極地破冰船隊的發展在短期內仍受資金短缺的制約。不過美國海岸警衛隊已于2013財年和2014財年進行了一艘重型破冰船的前期開發投資，將在2015財年及之后進行一艘新重型破冰船的初步設計、采購計劃以及要求的技術文件制定，在完成采購前的工作后，將在10年內完成該船的交付。此外，美國大學國立海洋學實驗室系統也在計劃建造一艘破冰能力為1.4米冰厚（3節航速）的科考破冰船。

加拿大科考破冰船“John G.Diefenbaker”號

2011年10月，加拿大海岸警衛隊與STX加拿大船舶公司領導的團隊簽訂了一艘科考破冰船“John G.Diefenbaker”號的設計合同。STX加拿大船舶公司是船體設計的總承包商，Aker北極公司承擔了船型開發、船體強度、滿足破冰需求的功率預報、冬化措施以及軸系設計，Imtech Marine和Techsol Marine公司負責電力集成，SNC-Lavalin公司負責全壽命周期的維護和后勤保障業務，通過多方合作設計以確保該船達到40年的服役壽命。該多用途船舶將在2017年替代“Louis S.St.Laurent”號，能夠在覆蓋有3米厚冰雪的2.5米厚平整冰環境以0節的速度前行，將提升加拿大海岸警衛隊的破冰能力，該船同時將提高加拿大的科考能力，每年能夠在北極獨立操作270天。

“John G.Diefenbaker”號總長149.3米，船寬28米，深13.5米，設計吃水10.5米，最大航速為18節，船上可容納60名船員和40名科考人員。

據了解，該項目分為三個階段，第一階段包括概念確定、概念設計和關鍵設計衡準的調整，第二階段是確定尺寸的初步設計階段，第三階段和最后一個階段是完成整體設計包以通過船級社認可，并提交給加拿大海岸警衛隊以供Vancouver船廠進行生產設計任務。2013年初，第二設計階段完成，2013年底開始進入最終設計階段。在設計過程中，加拿大海岸警衛隊確定了優化船型以滿足重型破冰要求的首要目標，并且兼顧了敞水特性。在設計中，設計公司還采用了支持破冰的特殊系統，例如，一套氣泡系統和一套冰區復原系統。此外，對不同推進系統的優點和權衡進行了全面研究，對兩種不同的推進系統進行了大量的模型試驗：一種是兩側雙軸和中間吊艙布置，另一種是三槳布置，分析了冰區功率需求，同時也評估了操縱、定位和敞水性能。

圖2：“John G.Diefenbaker”號科考破冰船

歐洲“Aurora Slim”號科考破冰船

“Aurora Slim”號隸屬于歐洲科考破冰船聯盟（ERICON-AB）項目，旨在設計一型集科考、破冰和鉆井等功能于一體的多用途船舶。該項目起步于2004年，在完成技術可行性研究后進行了概念設計，2006年歐洲研究基礎設施論壇（ESFRI）路線圖確立了ERICON-AB項目作為一個新的跨歐洲利益研究基礎設施，該項目由歐盟委員資助，為期4年，它是一個最大的環保科學項目。為推進歐洲極地科考破冰船的建造和運營資源的整合和決策程序，該項目成立了科學、戰略、法律、財務和組織等框架。該項目最初是設計“Aurora Borealis”號科考破冰船，該船總長199.95米，最大船寬49米，設計吃水13米，服務航速15.5節，最大航速20節，不過由于預算成本極為昂貴，達到8億歐元，導致歐盟委員會取消該項目的優先發展權。但由于該項目在科學任務、合作模式、法律結構等方面取得了良好的效果，2011年ERICON-AB利益相關方理事會要求Aker北極公司研究開發低成本船型的可行性。由于ABB公司研究了采用PC1冰級吊艙作為推進裝置的概念可行性，因此Aker北極公司在不降低任何科學目標的條件下設計了一型成本約為5億歐元的“精簡版”緊湊、靈活、高性能科考船“Aurora Slim”號。

“Aurora Slim”號設計獨特，集科考、深海鉆井和重型破冰能力于一體，能夠在極地水域操作以搜集各個季節的氣候數據。據了解，至今全球尚沒有任何一艘能夠全年在極地操作的船舶，“Aurora Slim”號將成為世界首艘具備此能力的船舶。歐洲科考破冰船項目除了滿足上述目標之外，還成為了一項高效的技術創新平臺，這也是歐盟FP7項目的目標。在技術創新方面，除采用新吊艙推進設計之外，“Aurora Slim”號還可使用LNG作為燃料，該船可將布置在甲板上的集裝箱用于儲存LNG燃料，可供破冰船運行一星期。

圖3：“Aurora Slim”號科考破冰船

“Aurora Slim”號擁有一個長且高的艏樓，并增大了船尾高度以保護船尾工作甲板。該船的一個特色是設計有能夠居住、導航、科考功能的大型上層建筑，延伸至兩側，可以保護外部設備。該船采用Aker北極“雙動系統”（DAS）原理，配備有3個15MW的吊艙推進裝置，排水量僅為42000t，遠低于原設計的65000t，同樣裝機功率從101MW降低至58.5MW。預計該船的操作成本將減少45%。

就科考任務而言，該船可以進行地質學（鉆井）、地球物理學、海洋學、深海生物學、冰河學、氣象學/大氣物理和水深測量等學科任務，實驗室的布置經過了優化便于滿足工作流程。與原來的布置相比，“Aurora Slim”號的科考工作區域完全重新布置，這源于船體尺寸的減小。月池數量從2個減為1個，生活處所和科研處所分開布置。原來的設計是客艙臨近實驗室，新的布置方案則更為常規，節省了大量空間。該船設置有4個主取樣區，分別位于船尾、從絞車室進入船尾舷側、月池、從月池區域進入舷側。所有這些區域均通過大型門與一個大型生化制備實驗室（wet lab）相連通。各取樣區均使用絞車室內的絞車，并配備有必要的起吊設備、吊艇架等。船尾的工作甲板為部分遮蔽，面積超過850m2，其上設置有兩處取樣區。右舷側布置有一個55米長的敞式甲板處所。月池及其右側的取樣區位于生化制備實驗室。所有樣品可第一時間到達面積為920m2的生化制備實驗室，其中有630m2的面積有兩層甲板高。在上層還設置有一個面積為185m2的處所，用于儲存6個實驗室集裝箱。生化制備實驗室與300m2的絞車室相連通，其中200m2有兩層甲板高。所有生化（wet）和泥漿作業以及取樣的準備和操作都在這個實驗室進行。用于儲存所有生化（wet）和較臟樣品的實驗室和儲存箱位于該實驗室的最下方兩層，在其上方布置有干式和清潔實驗室，最上層包括IT室、辦公室、繪圖室和其他輔助處所。更衣室、盥洗室、衛生間和洗衣間位于第一層橋樓甲板上，靠近生活處所。生化制備實驗室下方布置有機械車間，所有需要焊接、金工和需要機械輔助的工作都可以在這里進行。設置有一臺電梯，可以從車間通向所有科考甲板，一個用于叉車的大型電梯可以從生化制備實驗室的最底層到達所有四層實驗室甲板。生化制備實驗室上方是一個科研中庭，配備有一個較大的圓形天窗便于自然采光。該中庭配備有升降通道、照明和適合于科研艙室的空間，以及配有房間可用于安裝鉆井設備。

在三層甲板上分布有可放置6個集裝箱的儲存空間，其中最下層主要用來存放實驗室集裝箱。這些集裝箱配有從外層甲板到主甲板的可提升艙口，并且在主甲板上的直升機甲板上設有出入口。在生活區旁邊，通向科研處所處還設有供科學家們使用的會議室、小組討論室、演講室以及配有通訊設備的大型會議室。

鉆井功能通過一個可拆除的鉆井設備予以實現，配有R100型鉆機，鉆塔與工作甲板的高度為26米，距離龍骨41.2米。主甲板存在足夠的空間容納鉆井設備，鉆桿的最頂端覆蓋有一個封閉式鋼罩。

圖4“Aurora Slim”號的剖面圖

就破冰能力而言，“Aurora Slim”號擁有極佳的破冰船首，同時在面對冰脊等惡劣冰況時可采用船尾破冰。在Aker北極技術公司的冰池試驗進行的平整冰、浮冰和堆積冰試驗表明，該船能夠在2.5米厚的平整冰區以2～3節的速度航行，能夠以持續的速度穿過高達6米的冰脊場，能夠依靠船尾破冰穿過高達15米的冰脊場。

韓國科考破冰船“Araon”號

2003年，韓國產業研究院啟動科考破冰船的可行性研究，2004年韓國海洋研究院、三星重工和韓國海事技術株式會社進行了項目的設計開發，2005年韓國極地研究所、韓國海洋研究院與STX造船簽訂建造文件，2006～2008年進行建造，2009年6月完工，2009年11月開始在極地水域和敞水進行操作性能試驗。

圖5“Araon”號科考破冰船

表2“Araon”號的主要科研設備

該船總長111米，垂線間長95米，最大水線寬19米，設計吃水6.8米，夏季最大吃水7.6米，總噸7487t，配備有4臺3500kW的MAN B&W 7L32/40型柴油機和2臺5000kW的Azipod吊艙推進電動機，航速為16節（7500kW），船員25人和科學家人數60人，續航力20000nm（70天），冰級符號為KR POLAR 10級。該船每年的運營計劃是科研與后勤保障165天，維護28天，航行110天，總計303天。2010年，該船在北極海域進行了實船試驗，結果表明該船以3節航速持續航行時破冰能力為1米厚平整冰（抗彎強度為630 kPa），通過分析表明該船能以1.5節航速在2.5米厚的中等浮冰條件下航行，功率需求為5MW，能夠以3.1節航速在2.5米厚的中等浮冰條件下航行，功率需求為6.6MW。經過試驗與分析可知，該船在中等浮冰條件下的航行性能超過平整冰條件下的航行性能。此外，該船配備有海洋研究、地球物理、海洋生物等多類科研設備（見表2）。2014年1月20日～24日IMO召開了船舶設計與建造分委會第一次會議（SDC 1），會議討論了在極地水域操作船舶的強制規則議題，涉及12項內容，主要包括MARPOL附則I、II、IV和V修正草案、起草新的SOLAS第XIV章、極地規則的適用范圍、極地規則中溫度的定義和使用、極地規則中有關環境保護內容、船體、機械和設備、航行和操作事項以及極地水域操作手冊等。本次會議的極地船舶規則工作組討論制定了強制性的《國際極地水域操作船舶規則》（極地船舶規則）草案【The draft text of the mandatory international code for ships operating in polar waters（Polar Code）】。SDC 1原則上通過了SOLAS新的第XIV章“在極地水域操作船舶的安全措施”草案（draft new chapter XIV“Safety measures for ships operating in polar waters”），其使極地船舶規則（引言和第I-A篇）為強制性。此外，SDC 1提出的MARPOL修正案草案將使極地船舶規則（引言和第II-A篇）為強制性。其涉及MARPOL附則I（防止油類污染）、附則II（有毒液體物質）、附則IV（污水）和附則V（垃圾）。據了解，2014年IMO還制定了有關極地船舶規則議題的會議議程，見表13。預計SOLAS、MARPOL修正案將分別提交MSC 93和MEPC 66審批，極地規則以及極地船舶的證書和文件要求將提交MSC 93和MEPC 66審批，預計在MSC 94和MEPC 67通過。

IMO極地規則的發展以及衍生的相關規則規范要求例如IACS相關規范，都將對冰區航行船舶設計建造產生顯著影響，這一點毫無疑問。問題是這些規則規范的制定對科考破冰船的發展存在明顯影響嗎？IACS在2011年制定了一份“極地船級相關要求”（Requirements Concerning Polar Class），其在I1.1.1指出“本要求適用于擬在極地冰區航行的鋼質船舶，不包括破冰船（見I1.1.3）”，而I1.1.3指出“亦接受‘破冰船’船級符號的船舶可能存在其他要求，應予以特殊考慮……”。美國船級社對美國海岸警衛隊的幾艘科考破冰船的設計進行了評估并分析了其建造標準與極地級要求的差異，主要評估范圍是冰加強區域、外板、肋骨（肋骨穩性和最小厚度要求）、結構的冰載荷適用范圍等，分析結果表明美國“Polar Star”號的建造標準類似PC2/PC3、“Healy”號的建造標準類似PC3、“Mackinaw”號的建造標準類似PC4。需要指出的是，美國船舶研究人員在設計“極地”級破冰船時也遇到了設計衡準變化問題，除了成本問題之外，一個比較明顯的衡準變化是污染防止的強制性要求。而且根據SOLAS新的第XIV章“極地操作船舶的安全措施”（草案修正案）第2條“適用范圍”2.1和第1-A篇“安全措施”第1章1.1“適用范圍”之規定，我們可以作一假設，未來科考破冰船的設計建造要求將會遵循或高于IMO制定的極地規則。

相關建議

（1）通過實施目前和未來新的科考破冰船項目，打造一支能夠執行科考任務和保護北極安全環保發展前景的中國科考破冰船隊，對維護我國極地戰略利益具有十分重要的意義。同時，通過實施科考破冰船項目這一典型示范工程，將科考破冰船的關鍵和基礎技術延伸至冰區航行船舶領域，注意船型技術的關聯應用，實現冰區航行船舶設計建造和冰區船用設備開發的突破，爭取實現“裝備先行”這一戰略。

（2）建立和健全多層級的科考破冰船隊體系，注重重型科考破冰船、中型科考破冰船數量和質量的差異化發展。

（3）通過冰區科考破冰船項目的開展與深化，爭取進一步加強與國際主流和具有核心知識能力的極地研究開發企業的合作；同時，利用項目的開展進一步優化和提升我國科考船等高性能高技術船舶的研發理念及手段。

（4）加強對于前沿性和基礎性技術的跟蹤與研究，包括船型開發、吊艙推進、動力定位、新動力裝置等技術，此外更加注重研究極地規則規范等強制性要求的制定對船舶設計建造與操作的影響。

（5）當然，從上述世界主要國家的科考破冰船的發展歷程來看，設計建造適合當前自身科研能力、適合自身財政資金狀況的科考破冰船十分必要。