“雪龍2”號南極首航破冰試驗

吳 剛，唐文勇，王慶凱，趙炎平，馬喬一，李志軍

（1.上海交通大學，上海 200030；2.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；3.大連理工大學a.海岸和近海工程國家重點實驗室；b.船舶工程學院，遼寧大連 116024；4.中國極地研究中心，上海 200136；5.中國船級社，上海 200135）

0 引 言

南北兩極擁有特殊的地理位置并蘊含科學價值，開展極地科學考察、開發極地航道等具有重大戰略意義。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，北極航道的經濟效益日趨顯著。我國自2013 年開始參與北極東北航道商業航行，在一定的季節、貨品和港口條件下，成本優勢正在逐步顯現[1]。我國是國際極地事務的重要參與方，近年來積極參與國際極地事務合作和科學考察工作，通過實際工作越來越發覺到極地重大工程技術裝備的重要性。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的冰區加強型船舶。而我國破冰船數量極少，尤其是能在極地航行的更少；而且，相較于環極地國家，我國仍缺乏極地破冰船的實船工程經驗。

“雪龍2”號是國際上首個采用極地規則設計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施，中國船舶第七〇八研究所設計（其基本設計與芬蘭阿克北極公司聯合完成），江南造船廠建造，獲得了中國船級社（CCS）和英國勞氏船級社（LR）雙船級認證。“雪龍2”號極地船級為PC3，設計破冰能力為以2～3 kn的航速在150 cm 厚度的冰（彎曲強度為500 kPa）和20 cm 厚度的雪的條件下連續破冰航行，可實現極區原地回轉，且不被20 m 厚度的當年冰脊卡住。“雪龍2”號下水后已先后完成傾斜試驗、系柱拉力試驗、海上試航、科考試航等常規測試，而根據設計破冰指標，其破冰性能需到極地冰區進行冰上實船測試。

破冰船的破冰試驗即在自然條件下驗證其破冰能力是否滿足設計要求，并掌握新船冰區航行的各項性能，為船長提供操作指導。芬蘭等北極國家曾多次開展破冰船破冰試驗[2-3]。近年來，韓國學者利用“Araon”號在南北極也開展了一系列破冰試驗[4-5]。除開展破冰試驗外，破冰船也可以作為載體開展冰載荷實船研究。如Suyuthi 等在“Svalbard”號船艏和船舯肋骨上安裝光纖傳感器測量冰激應變，獲得船舶局部冰壓，并開展破冰船局部冰阻力的統計分析和極值預報[6]；Johnston等測量“Terry Fox”號破冰航行時六自由度運動狀態進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，我國建造的北極凝淅油輪“Boris Sokolov”號也是在芬蘭阿克北極公司的支持下完成了破冰試驗。我國極地破冰船冰載荷相關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[8]；劉俊杰等利用有限元方法模擬了碎冰區內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構冰載荷計算的離散元方法[10]；崔洪宇等在“雪龍”號船艏肋骨上臨時安裝應變傳感器監測冰激結構響應[11]。“雪龍2”號結合智能船體研究，在建造時預裝了光纖傳感器，未來可以用于船體應力長期監測和冰載荷分析[12]。

破冰能力實船測試是破冰船驗收的重要環節。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任技術牽頭單位，組成了有大連理工大學、中國船級社、芬蘭阿克北極公司、中國極地研究中心在內的破冰試驗小組負責“雪龍2”號破冰試驗的策劃、實施、記錄和評估。2019 年11 月“雪龍2”號于南極普里茲灣固定冰區進行艏、艉雙向的破冰能力測試。本文詳細介紹了破冰試驗的流程和測試情況，并基于實測冰力學性能和功率測量數據等對“雪龍2”號破冰能力進行了初步評估。“雪龍2”號破冰實驗是我國首次自主組織開展的專業破冰船冰上實船測試，試驗數據和經驗可為我國開展后續的破冰船設計建造提供參考。

1“雪龍2”號破冰試航中的試驗測量

普里茲灣位于東南極大陸沿岸海域，是我國科考船進出中山站的必經水路。“雪龍2”號于2019年11月中旬抵達普里茲灣外圍海域，于下旬向中山站方向破冰，并在普利茲灣內固定冰區尋找合適區域進行破冰試驗，并最終在南緯69°、東經76°附近選擇一處開闊平整冰面為試驗區域（圖1）。該區域遠離冰山，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 破冰試驗區域Fig.1 Ice trial site

1.1 試驗區冰、雪厚度測量

通過前期找冰工作確定目標試驗區域后，需對該區域冰、雪厚度進行冰面實測，同時確定破冰試驗的航向。以“雪龍2”號為圓心，對其船艏方向一定距離半圓范圍內的冰、雪厚度進行測量（圖2），且著重測量冰面起伏處的冰、雪厚度；如冰面平整，則根據現場情況可減少測量點位。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（鋼尺無法進一步插入即認為至冰/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。根據冰面實際情況，現場共測量15 個點位的冰、雪厚度，測量結果如圖3所示。試驗區域平均冰厚為140.3±19.8 cm，平均雪厚為27.9±13.8 cm，與“雪龍2”號設計冰條件相近。冰厚離散系數為0.14，表明冰層厚度分布較均勻；而南極風速較大，導致雪厚分布離散性較大，離散系數為0.49。

圖2 冰、雪厚度測量點位Fig.2 Ice and snow thickness measurement points

圖3 冰、雪厚度測量結果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

海冰的物理性質決定其力學性質，因此需要對目標試驗區域的冰層物理性質進行測量。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部，將溫度傳感器（精度±0.2°C）探針深入孔內，并以冰屑覆蓋，防止太陽輻射對冰溫測量造成影響，示數穩定后讀取冰溫；冰溫測量結束后，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（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年冰[13]。

圖4 冰物理特性測量結果Fig.4 Measurement results of ice physical properties

1.2.2 冰力學特性測量

破冰船在平整冰區連續破冰時，冰層最終失效形式為彎曲破壞[14]。因此，海冰力學特性測量主要獲取其彎曲強度，該測量數據對評估破冰船的冰阻力至關重要。實船試驗通常采用現場力學試驗的方式測量海冰的彎曲強度，包括懸臂梁彎曲試驗和三點彎曲試驗。考慮到“雪龍2”號破冰厚度較大，本試驗選擇所需試樣尺寸較小的三點彎曲試驗來測量目標冰區的海冰彎曲強度。

在目標試驗區域選擇一處平整冰面切取冰坯，實測冰厚為145 cm，雪厚為30 cm。考慮到切冰區域可能遠離母船，因此使用一套獨立供電的冰坯切割系統，包括發電機、電鏈鋸、油鋸、板鋸、麻花鉆和冰芯鉆。為滿足現場和后續實驗室冰力學試驗需求，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行初步切割；隨后用油鋸沿放樣邊界進行深度切割；再利用板鋸進行完全切割；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邊緣各20 cm處用麻花鉆鉆孔至冰底，分別將冰勾放入孔內并撐住冰底；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其力學強度的影響，通常在冰坯提升后隨即在冰面進行冰力學試驗。但由于現場氣象條件突變，不宜繼續進行冰面試驗，因此利用“雪龍2”號的船艉克林吊將冰坯快速吊裝至艉甲板繼續進行后續冰力學測試。

圖5 冰力學特性采樣和測量設備Fig.5 Equipment for ice sampling and measurement

三點彎曲試驗在“雪龍2”號艉甲板展開，試驗時氣溫約為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 的三點彎曲冰梁試樣，試樣長軸方向與冰面平行。彎曲試驗設備如圖5（b）所示，使用液壓油泵加載系統作為試驗壓力機，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。壓力機荷載由力傳感器（量程：500 N，精度：±0.1 N）實時記錄，采集頻率為200.0 Hz。試驗時需保證試樣跨中受力，且試樣最終在跨中發生破壞，則為有效試驗，彎曲強度的計算方法如式（1）所示。表1給出的是三點彎曲試驗結果，試樣破壞時間約為1 s，加載速率為648.9～932 kPa/s，平均彎曲強度為718.6±47.6 kPa，離散系數為0.07，表明數據較集中。

表1 彎曲試驗結果Tab.1 Measurement results of sea ice flexural strength

式中，σ為彎曲強度，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 實船數據測量

“雪龍2”號于2019年11月26日進行平整冰破冰試驗（圖6）。試驗時，船舶艏、艉吃水均為8.1 m，冰下流速為0.8 m/s，風速為6.3 m/s，風向為87.6o。艏向破冰試驗時，船舶以約6 kn 的速度進入試驗冰層；當船舶全部進入冰層后，以100%的推進功率保持船舶穩定航行約200 m，平均航速約為0.9 kn。艉向破冰試驗時，船體以約3 kn 的速度進入試驗冰層，當船舶全部進入冰層后，保持80%的推進功率穩定航行約240 m，平均航速為2 kn；隨后增加推進功率至100%，發現船速增加至高于3 kn。試驗過程中同時記錄艏向角、舵角、推進功率、螺旋槳轉速、扭矩、全船振動和加熱防寒系統的工作情況。

2“雪龍2”號破冰試航的試驗修正和結果分析

以上測量記錄了破冰試驗時冰雪參數和在此環境下實船破冰工況的數據，然而破冰試驗的目的是得到破冰船實際的破冰能力，同時與設計工況和冰池模型試驗的結果展開對比分析。當環境條件（冰漂移速度、水深、風速、積雪厚度、積雪密度、冰強度、冰厚等）與設計工況有偏差時，需要進行相應的數據修正和結果分析。當前我國缺少大型冰池且缺乏破冰船實船試驗的經驗積累，相關修正均參考國外經驗公式。需要說明的是，這些有關破冰船全尺度性能驗證和修正的方法也存在較大的不確定性，這仍舊是當今破冰船研發和試驗技術的前沿。我國破冰船數量極少，應更加重視破冰船的實船應用研究。本章主要討論其中兩個重要的修正，即積雪厚度和密度修正（以下簡稱積雪修正）以及冰的強度修正（以下簡稱冰強修正）。

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摩擦系數對于試驗修正和分析結果有直接影響。根據經驗，通常由具體情況將雪厚按系數折減后計入當量冰厚來表征積雪對船體破冰性能的影響。根據本船的破冰特性，當艏向破冰時，參考國外有關經驗公式[15]可將雪厚的4/5計入當量冰厚，如式（2）；當艉向破冰時，由于螺旋槳所激起水流的潤滑作用，積雪對破冰性能的影響減小，當量冰厚計算方法如式（3）～（4）。這些公式在不同破冰特性、不同方向破冰時會有所不同。表2 給出的是目標試驗區在假定冰層彎曲強度為500 kPa 的情況下，艏、艉向破冰當量冰厚的統計結果。當量冰厚離散程度均較小，離散系數分別為0.11和0.1。

表2 試驗區域冰層厚度積雪修正結果Tab.2 Corrected ice thickness according to snow thickness

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

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

式中，Ricecorr1為積雪修正后的船舶冰阻力，Rice為試驗冰況下的冰阻力，Htarget為目標冰厚，Hequ為試驗冰層的當量冰厚。系數X是在不同厚度范圍根據不同破冰試驗的結果確定的，有很強的統計經驗性。

2.2 冰強修正

海冰彎曲強度有明顯的時空差異，難以保證試驗區域的海冰彎曲強度與設計指標相同。阻力和功率的最終結果也需要針對該偏差進行校正。根據相關試驗研究，通常模型試驗在目標冰彎曲強度較低時，似乎高估了破冰性能。在冰強修正中，通常遵循線性比例修正的原則，將冰強修正到冰阻力中，如式（6）所示：

式中，Ricecorr2為冰強修正后的船舶冰阻力，Rice為試驗冰況下的冰阻力，σtarget為目標冰彎曲強度，σmeas為試驗冰層的彎曲強度。系數b根據不同破冰方向和冰強度范圍取值，有很強的統計經驗性。

2.3 試驗結果分析

2.3.1 凈推力曲線分析法

由于測試時間、航路和氣候變化等具體原因，“雪龍2”號破冰試驗的現場環境與設計冰況不完全相同，艏向和艉向兩個方向的破冰速度均需換算到標準設計冰況上來進行破冰能力的具體評估。以艏向破冰為例，最終破冰速度需結合實船破冰試驗與模型試驗結果做統一分析。船舶在破冰試驗時保持穩定航行，忽略風阻力和冰塊漂移，假定船舶凈推力與冰阻力基本相等。根據“雪龍2”號模型試驗給出的100%功率凈推力曲線（圖7 實線），可得在試驗冰況下（σmeas=718.6 kPa，Hequ=162.6 cm）船舶的冰阻力為1 569 kN。為得到設計冰彎曲強度下的船舶冰阻力，根據式（6）對冰阻力進行冰強修正，得到冰強修正后冰況（σtarget=500 kPa，Hequ=162.6 cm）下的船舶冰阻力為1 341 kN，其中根據經驗，b取0.476。為進一步得到設計冰、雪厚度下的船舶冰阻力，根據式（5）繼續對冰阻力進行積雪修正，最終得到設計冰況（σtarget=500 kPa，Htarget=156.7 cm）下的船舶冰阻力為1 285 kN，其中根據經驗，X取1.15。認為試驗冰況下船舶冰阻力隨速度的變化趨勢與“雪龍2”號模型試驗得到的線性關系一致，如圖7虛線所示；以修正后的船舶冰阻力為基點，以相同斜率與模型試驗凈推力曲線相交，得設計冰況下的船舶艏向破冰速度為2.3 kn。表明“雪龍2”號平整冰艏向破冰能力滿足設計要求。

圖7 基于凈推力曲線評估“雪龍2”號艏向破冰試驗結果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，由于未進行“雪龍2”號凈推力的實船測試以及未獲得不同厚度冰層、不同破冰功率下的實船破冰速度，2.3.1小節中基于凈推力曲線分析的破冰能力評估參考了部分模型試驗結果，導致評估結果存在不確定性。因此，本節采用經驗公式分析法確定試驗冰況下“雪龍2”號冰阻力，評估其艏向破冰能力。目前，Lindqvist公式是較常用的破冰船平整冰區冰阻力計算公式[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（取平均當量冰厚），σ為冰彎曲強度，E為冰彈性模量（取2.0 GPa），ν為冰泊松比（取0.3），μk為冰與船體動摩擦系數（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為進流角，Ψ為壓冰角（tanψ=tan?/sinα）（船型參數取值見表3），g為重力加速度。

表3 “雪龍2”號船體參數Tab.3 Ship parameters of R/V Xuelong 2

同樣考慮破冰試驗時船舶保持穩定航行，忽略風阻力和冰塊漂移，則船舶冰阻力與凈推力相等。根據Lindqvist公式，由試驗冰層的厚度、彎曲強度和“雪龍2”號破冰試驗速度及船型參數，計算得破冰試驗冰阻力即測量點凈推力為1 350 kN。認為實船凈推力隨速度變化趨勢與“雪龍2”號模型試驗結果一致，根據測量點凈推力對模型試驗凈推力曲線進行修正（圖8）。令修正后凈推力曲線與由Lindqvist 公式計算的設計冰況下速度-冰阻力曲線相交，交點處速度為2.5 kn，表明“雪龍2”號平整冰艏向破冰能力滿足設計要求。

圖8 基于Lindqvist公式評估“雪龍2”號艏向破冰試驗結果Fig.8 Evaluation of ahead ice-breaking ability of R/V Xuelong 2 based on Lindqvist equations

3 關于“雪龍2”號破冰試驗的相關思考

我國之前尚未進行過破冰船破冰能力的專業實船測試，“雪龍2”號破冰試驗也多借鑒國外破冰試驗的方法。我國海冰工程雖已積累近半個世紀，但近年來才開始關注極地海冰工程，尤其是與破冰船相關的冰載荷研究。根據“雪龍2”號破冰試驗，著眼我國極地破冰船未來發展，作者提出如下需解決的問題：

（1）冰力學問題 冰彎曲強度是評估船舶冰阻力的重要參數，因此測量試驗冰層的彎曲強度是破冰船破冰試驗的重要環節。目前常用的冰彎曲強度測量方法除懸臂梁彎曲試驗和三點彎曲試驗外，還有基于海冰物理參數判斷的鹵水體積法[17]。懸臂梁彎曲試驗可保持冰梁的原位狀態，獲得最可靠的強度參數，但試驗費時費力，難以在極地厚冰條件下展開。三點彎曲試驗雖然可以節約時間和勞力，但采樣過程中冰內鹵水流失對冰強度造成的影響難以定量評估。海冰的成分影響其力學性質，鹵水體積法以冰內鹵水體積分數為代表參數來表征海冰彎曲強度。但海冰的彎曲強度同時受其微觀結構影響，這些性質往往與海冰的生長環境有關，因此鹵水體積法有較強的區域適用條件。如根據1.2.1小節實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]，計算得到的冰層彎曲強度值與試驗實測結果相差較大。此外，由于忽略了冰內氣體含量，鹵水體積法往往會高估融化期海冰的彎曲強度。目前，國外破冰船破冰試驗多采用三點彎曲試驗法和鹵水體積法[18]。建議針對以上三種彎曲強度試驗方法之間的差異，結合大量的現場測量數據進行量化，形成一套科學的彎曲強度組合測量和相互校對的方法。

（2）雪力學問題 冰上積雪會影響船舶破冰性能。雖然可以通過經驗公式將雪厚折減計入當量冰厚來表征雪對破冰船破冰性能的影響，但上述公式的建立機制及適用條件并不清楚。隨著堆積時間的增加以及風壓、風化、凍融作用，雪的含水量、密度等物理性質會發生變化，進而影響其硬度、強度、摩擦系數等力學性質。因此，不同物理性質的雪的折減系數理應不同。美國等國家為建設南極冰上機場曾深入開展雪力學性質的研究[19]，而我國此前冰工程的發展恰恰忽視了雪的工程作用，需要在后期工作中加強關注。

（3）連續采集系統 相對基于海冰性能預測的模型試驗，實尺度破冰試驗僅得到單一結果，其準確性有限。某些參數（如冰厚）的修正、相關性和校正方法是合理存在的，同時也是在堅實的數據庫基礎上發展起來的。但對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、冰與螺旋槳的相互作用、尺度效應等，這需要投入大量的研究。為改進和研究相關預測方法，在實船試驗時可采用連續測量系統，至少可以對冰和雪的厚度、船舶速度、功率等進行連續采集，這可以將收集到的足夠數據進行處理和分類，并采用統計分析的方法。應該說，這種采集系統的實現結合現場個別抽樣數據的驗證，將比標準的單一性能測試數據更真實。

（4）試驗人員和裝備 在極地進行冰雪力學試驗要求快速、實時，且最好能連續采集，因此特別需要專業的試驗人員和完善的試驗裝備。目前，成熟的冰層鉆取設備為冰芯鉆，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試驗對更大試樣和平行冰面方向加載的要求。因此，破冰船破冰試驗均采用人工切割吊裝的冰坯采集方式，難以實現連續采集，且無法應對極地天氣系統的突變。我國極地破冰船和極地海洋工程的現場試驗需盡快發展專業的試驗測試隊伍和完善的極地裝備。

4 結 語

中國于第36 次南極考察期間，在普里茲灣當年固定冰區組織完成了“雪龍2”號平整冰破冰能力的實船測試，摸索出了一套“選擇試驗冰區—冰雪厚度測量—冰雪特性測量—實船數據測量”的現場試驗流程。結合經驗修正公式，利用凈推力曲線分析法和Lindqvist 經驗公式分析法對船舶艏向破冰能力進行了評估，結果表明“雪龍2”號平整冰艏向破冰能力滿足設計要求。需要說明的是，由于缺少破冰船實船測試經驗，本文未對上述分析方法涉及的經驗公式適用條件和參數選取進行深入探討，此外，冰-船作用的隨機性也會造成評估與實船破冰速度之間的差異。本次試驗是我國在極地首次自主開展的專業實船破冰測試，全面總結其經驗有助于我國更系統地開展后續新建破冰船的設計與研究工作。