淺談北極地區(qū)破冰船新概念設(shè)想

劉賽棚

摘 要：近年來，陸上油氣資源日益枯竭，而北極地區(qū)資源儲量豐富，具有巨大的戰(zhàn)略意義和研究潛力。我國所需資源的進口及與西方國家的貿(mào)易往來，一直受困于傳統(tǒng)航線過長以及航行過程遭遇的海況較為惡劣，風(fēng)險性較高，由此造成航運成本過大。但如果開發(fā)出北極新航道，將極大地縮短航行路線，燃油消耗量隨之降低，由此節(jié)約航行成本。因此，無論是從北極地區(qū)資源開發(fā)利用的角度，還是從新航線的開辟角度來講，北極的資源開發(fā)利用都勢在必行。但是從1978—2016，北極冰層平均面積為6.8×106 km2，且這些冰層的厚度在250～400 m不等。這些外界條件因素?zé)o疑為北極地區(qū)的開發(fā)增加了難度，提出更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。欲開發(fā)北極，必先破冰，而目前破冰行之有效的方式為使用破冰船。

關(guān)鍵詞：北極地區(qū)；破冰船；上浮式破冰；可變曲線頂塊

中圖分類號：U674.81 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.034

就目前來講，破冰船的工作原理主要有2種，即利用沖擊力破冰和利用重力破冰。下面將簡要介紹這2種原理的具體內(nèi)容。所謂“沖擊力破冰”，是指冰層厚度較薄時，破冰船在距離冰層一定距離處開足馬力，以較快的速度沖擊冰層，憑借其堅固的艏部在巨大的慣性力作用下撞碎冰層。然后破冰船倒車，退至距離未破冰層一定距離處，繼續(xù)重復(fù)上述過程。但是運用此種破冰方式，首先船體艏部的結(jié)構(gòu)強度應(yīng)該足夠大，可以抵抗巨大的沖擊力。這就對艏部的建造材料及結(jié)構(gòu)形式有一定的要求。其次，運用這種破冰方式每次的破冰范圍有限，導(dǎo)致工作效率較低。而所謂“重力破冰”，是指冰層較厚時，破冰船在距離冰層一定距離處，在尾部注入壓載水，同時將艏部壓載水抽出，使其呈艏傾狀態(tài)，開足馬力，使船艏沖上冰面，再往艏部注入壓載水，在壓載水和破冰船自身巨大的重力作用下壓碎冰層。然后破冰船倒車，退至距離未破冰層一定距離處，繼續(xù)重復(fù)上述過程。這種破冰方式主要是通過調(diào)節(jié)壓載水來改變船體的縱傾姿態(tài)。這樣在工作過程中，就勢必要考慮安全性和平穩(wěn)性問題。如果操作不當(dāng)，容易造成船體搖晃，甚至傾覆。通過對上述2種破冰原理的論述和分析可知，這2種破冰方式均存在一些不足之處。因此，研制一種更為安全、工作效率更高的新式破冰船成為各方關(guān)注的焦點。接下來將從研究背景、設(shè)計方案及優(yōu)勢與不足這3個方面來論述這種新型上浮式破冰船。

1 研究背景

目前來講，北極地區(qū)油氣資源豐富，我國也提出了海洋強國的戰(zhàn)略部署，利用破冰船對北極地區(qū)的資源進行開發(fā)利用成為眾多科研工作者努力的目標(biāo)。而本文中提出的新型上浮式破冰船主要是基于美國的潛艇破冰而獲得設(shè)計靈感。近期，網(wǎng)上公布了一段視頻——美軍潛艇在北極區(qū)上浮破冰，潛艇上浮破冰的過程中與冰面直接作用的是其非耐壓殼，既然潛艇的非耐壓殼在上浮過程中可以破冰，那么做一個耐壓殼體，通過增大其浮力，利用類似原理進行上浮破冰也應(yīng)該是可行的。因此，這種新型上浮式破冰船與傳統(tǒng)破冰船最大的不同之處在于它是利用重力與浮力二者產(chǎn)生的壓力差，由此向上將冰層頂碎。接下來將詳細介紹這一設(shè)計方案。

2 設(shè)計方案

這種新型上浮式破冰船的破冰原理可以簡述為上浮式靜浮力破冰，即通過向船舶壓載水艙注入壓載水，增加船體質(zhì)量，令船體下潛至冰層以下。當(dāng)下潛至合適的深度后，將壓載水排出，從而增大重力與浮力之間的壓力差，使船體上浮與冰面接觸；再繼續(xù)排出壓載水，提供巨大浮力，使冰層在浮力作用下破碎。通過這個破冰過程可以看出，由于整個工作過程是在冰面以下進行的，所以無疑增加了操作難度，且船體的平穩(wěn)性難以保證。為了解決這個問題，設(shè)計方案時，首先要給船體安裝一個橫向穩(wěn)定翼，可以兼做操縱翼，當(dāng)船體上浮至冰層底面時與冰層底面接觸，可以保證整個破冰過程較為平穩(wěn)地進行，防止出現(xiàn)橫搖等各種問題。接下來介紹設(shè)計方案的核心部分，即上浮式破冰關(guān)鍵技術(shù)。在船體上安裝可變曲線頂塊，由于船體提供的上浮力有限，這便要求頂塊與冰層的接觸面積盡可能小，從而產(chǎn)生足夠大的壓強，達到良好的破冰效果。目前，初步方案為將數(shù)個頂塊通過可變行程的液壓裝置連接在船體上，沿船長方向布置，改變不同位置處的液壓行程，可以得到凸點位于不同位置處的頂塊上端面曲線。假設(shè)冰層有1，2 2個受力點，可以使受力點有最大的集中力作用。冰層首先在受力點處產(chǎn)生極大的應(yīng)力而破壞，繼而受力點沿頂塊上端面曲線改變，使冰層連續(xù)破壞。先將頂塊上端面曲線調(diào)節(jié)至凸點位于位置1處，即冰層自由邊處，可適用于較厚的冰層。自由邊處受集中力作用時，容易破壞。然后向后推移，逐點破碎冰層自由邊。接著將頂塊上端面曲線調(diào)節(jié)至凸點位于位置2處，即冰層中部，可破碎沿船長區(qū)域內(nèi)的冰層，提高破冰效率。

3 優(yōu)勢與不足

這種新型上浮式破冰船的優(yōu)勢如下：①相比于傳統(tǒng)的破冰船，該新型上浮式破冰船破冰效率較高，尤其是從船中開始破冰時，破冰長度幾乎與船長接近；破冰厚度大于傳統(tǒng)破冰船，破冰能力更強。②避免了傳統(tǒng)破冰船因冰層太厚船艏沖上冰面無法破冰而擱淺的現(xiàn)象，提升了破冰過程中的安全性。③比傳統(tǒng)的破冰船更加安全、可靠，降低了因沖撞冰層而導(dǎo)致橫向傾覆的概率。④單獨作業(yè)時，可自由穿梭在冰層之下，比如承擔(dān)極區(qū)救援任務(wù)時，有極大的應(yīng)變能力。該新型上浮式破冰船的不足之處為，整個破冰過程在冰面以下進行，增加了操縱難度，并且一旦遇到設(shè)備故障問題，較難展開維修。

4 結(jié)論

隨著我國綜合國力的提升以及對海工領(lǐng)域的重視程度與日俱增，對北極冰區(qū)進行的科研考察也日漸深入。這一切都源于北極蘊含的豐富資源及北極新航線開辟后所帶來的巨大經(jīng)濟利益。因此，一種新型的更為高效的破冰船的研制意義不言而喻。本文所提出的新型上浮式破冰船從設(shè)計到應(yīng)用還有很長的一段路要走，但它對應(yīng)對北極復(fù)雜、惡劣的海洋環(huán)境具有實質(zhì)性的意義，值得我們深入研究。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕