極地破冰船的破冰技術發(fā)展趨勢研究

何纖纖 夏鑫 劉雨鳴

摘要：本文對國內(nèi)和國外目前先進破冰技術和學者們對破冰技術的研究進行歸納和整理，重點介紹新涌現(xiàn)的極地破冰船的破冰技術，并對未來破冰船的發(fā)展趨勢進行研究，為極地破冰船未來發(fā)展的研究方向提供有益參考。

關鍵詞：破冰技術;發(fā)展趨勢;破冰船

中圖分類號：U674.21

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7973（ 2020） 06-0076-05

全球氣候變暖導致北冰洋冰川融化加劇，北冰洋的冰域面積不斷縮小，這使得北極航道的通航成為可能。北極航道的開通意味著全球航運格局將發(fā)生巨大變化。2019年1月，中國政府發(fā)表了《中國的北極政策》白皮書，以加強北極地區(qū)基礎設施建設和數(shù)字化建設為核心綱領，以北極航道和能源合作開發(fā)作為經(jīng)濟投資重心，并與多方共同建設“冰上絲綢之路”。

作為擔負開辟航道、運輸物資、科研考察任務的極地船舶，在開拓北極航道和發(fā)展北極經(jīng)濟圈中扮演著重要角色。目前中國僅有兩艘具有破冰能力的極地破冰船，分別是破冰等級為PC6級的“雪龍”號和PC3級的“雪龍2”號，無法滿足日益增長的極地科學研究和戰(zhàn)略發(fā)展的需求，因此發(fā)展和提高各類極地船舶的自主設計能力刻不容緩。

1 國內(nèi)破冰船技術

1.1 破冰船的特點及破冰等級

破冰船一般依賴船體線型和動力推進破碎冰層，開辟航道。為獲得更大的破冰寬度，船身長寬比值較小，首柱較為尖削，以一定角度前傾?？傮w強度高，首尾和水線區(qū)具有結構加強。破冰船的推進系統(tǒng)多采用多螺旋槳，對螺旋槳和舵有防護裝置。破冰船以柴油機或核動力為動力推進?？傮w來說，船體短而寬，船體強度高是破冰船的主要特點[1]。

極地船舶的冰級劃分可參考lACS冰級要求，見表1。

1.2 破冰船的破冰方式

破冰船在破冰作業(yè)時，船艏擔任主要的破冰任務，受到集中載荷的作用;船體與海冰發(fā)生碰撞，受到?jīng)_擊載荷的作用。傳統(tǒng)的破冰方式主要有連續(xù)破冰法和沖撞破冰法[2]。

（1）連續(xù)破冰法：在冰層較薄的冰區(qū)，一般冰層厚度低于1.5米時，使用連續(xù)破冰法。破冰船以一定航速，利用螺旋槳的推力、船體破冰線型直接將冰層破開撞碎。如圖1所示。

（2）沖撞破冰法：在冰層更厚的冰區(qū)、復雜的堆積冰區(qū)或冰脊區(qū)，采用沖撞破冰法。首先，破冰船需倒退約兩個船長的距離，然后加速向前沖，沖撞式破冰船艏部吃水較淺，船體會沖上冰面將冰層壓碎，若冰層未完全破開，可利用左右壓載水艙交替注水，使船體左右一定幅度搖晃，以達到開辟航道的目的。如圖2所示。

1.3 國內(nèi)破冰船現(xiàn)狀

目前我國帶高等級冰級的極地船舶較少，擁有兩艘抗0.8m以上浮冰的極地船舶，大量的極地船舶能抵抗的浮冰厚度在0.4m以下[3]。這兩艘極地破冰船，分別是由烏克蘭購進并改造而來的“雪龍”號極地科考船和我國第一艘自主研發(fā)的“雪龍2”號科考船。

“雪龍2”號是全球第一艘采用雙向破冰技術的極地科考船，也是第一艘我國自主研發(fā)的高冰級破冰船。能夠在1.5米厚冰條件下連續(xù)破冰航行，填補了我國在極地科考重大裝備領域的空白[4]?！把?”號的動力系統(tǒng)為全電力推進，尾部的螺旋槳吊艙可360。旋轉(zhuǎn)，即槳舵合一，既是螺旋槳也是舵，因此其非常靈活，可實現(xiàn)船體原地調(diào)頭。推進性能和機動性能更加優(yōu)越，利用船尾可突破極區(qū)20米當年冰冰脊?！把?”號科考船代表了我國極地破冰船的先進制造技術。

1.4 國內(nèi)破冰技術發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，我國在破冰船設計和技術的發(fā)展上取得了不錯的成績，相關科研工作也在積極開展。相較于美俄等擁有先進破冰船制造技術的國家來說，我國的破冰船舶的制造技術還有提升的空間，隨著國家極地戰(zhàn)略發(fā)展的需求，吸引了越來越多的學者展開深入的研究。

隨著有限元技術在工程設計和科研領域的逐步成熟，眾多學者利用非線性有限元軟件做了大量的研究。

關于冰一船碰撞結構響應和冰載荷計算方面，楊亮等利用有限元軟件LS-DYNA進行了船舶與海洋平臺之間在海冰為介質(zhì)的作用下的仿真分析[5]，分析海冰對海洋平臺碰撞的影響。王凱民基于經(jīng)驗公式和LS-DYNA中的ALE流固耦合算法對船舶破冰阻力預報研究[6]，同時也對水介質(zhì)中破冰船艏部結構響應及極端應力進行了研究。馮衛(wèi)永等基于瞬態(tài)動力學分析法對破冰船沖撞式破冰過程進行有限元數(shù)值仿真研究[7]，并建立計算破冰船沖撞式破冰過程船體應力的方法。任奕舟等介紹一種破冰船在冰層中連續(xù)破冰的冰材料數(shù)值模型并進行驗證[8]，并對破冰船的破冰阻力進行計算。蘇干利用LS-DYNA軟件結合ISO推薦壓強一面積理論曲線驗證數(shù)值模型可靠性[9]。楊征基于多年海冰的力學特性與數(shù)值仿真模型對極地重型破冰船冰載荷計算方法和冰帶典型結構區(qū)域極限承載能力進行研究[10]。周峰等通過數(shù)值模擬為冰區(qū)船舶預報破冰載荷提供技術參考[11]。

關于破冰船結構、線型研究以及新型破冰設計方面，哈爾濱工程大學的王川使用MSC.Dytran軟件對破冰船首柱傾角對破冰速度的敏感性進行分析[12]。上海交通大學的王健偉使用LS-DYNA軟件對楔形首和勺形首對船舶破冰時冰層的變形損傷和破冰阻力的影響進行分析[13]。哈爾濱工業(yè)大學的史江海比較了前傾首、飛剪首、直立首、球鼻首和破冰首的破冰能力[14]，發(fā)現(xiàn)在相同情況下破冰首的破冰能力最好。丁悅等開發(fā)PC6冰級的阿芙拉油船線型并探究破冰船破冰線型的基本特點[15]。朱彬研究了破冰結構和船體艏艉線型形狀對破冰效率的影響[16]，并提出了破冰船的破冰冰刀設計方法。劉林偉設計研發(fā)了一種具有破冰功能的全回轉(zhuǎn)拖船[17]。白旭等通過數(shù)值模擬得到破冰結構角度對整冰失效模式的影響[18]。高嵩等分析了極地氣墊破冰和運輸平臺破冰機理以及關鍵技術[19]。

關于破冰船推進動力以及輔助破冰方式方面，翟燕對艦船混合動力系統(tǒng)的優(yōu)化配置與控制進行了仿真研究這20]。吳文翔分析吊艙推進器艉部型線特征，即艉部較寬[21]，型深和干舷較大，剖面呈V型等。黃嶸通過突變負載的仿真實驗，驗證了“雪龍2”號吊艙推進器控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速控制的可靠性[22]。王平團等介紹幾種主要的壓載水調(diào)駁技術[23]，并對比分析其優(yōu)缺點。

可以看出，對破冰船技術的研究熱點在于冰載荷作用下破冰船的結構響應、冰載荷計算以及海冰結構研究，相關學者提出多種數(shù)值模擬計算方法和仿真模型。目前解決冰載荷計算問題的方法趨于將有限元模型和離散元模型結合起來，建立離散元一有限元耦合模型（ DEM-FEM）逐步發(fā)展并完善[24]。對于新型破冰船設計理念、破冰船優(yōu)化線性以及破冰船推進動力方面的研究相對較少。另外，由于我國尚未擁有能夠開展破冰實驗的冰池實驗場所，不便于學者通過實際實驗論證數(shù)值模擬的結果。

2 國外破冰技術

2.1 國外破冰先進技術

近些年，涌現(xiàn)出許多新型的破冰方式與破冰技術，如專業(yè)不對稱破冰船、雙向破冰船、半潛式破冰船、撬冰式破冰船等，前兩者已成功設計建造，并表現(xiàn)出顯著的優(yōu)于傳統(tǒng)破冰船的破冰能力，后兩種還處于概念設計階段。另外也有一些新的技術應用在破冰船上，如吊艙式推進器、電力推進系統(tǒng)、雙動力裝置等。破冰船技術的發(fā)展主要體現(xiàn)在破冰方式、抗冰涂料、推進系統(tǒng)及輔助破冰系統(tǒng)等方面[25]。

（1）破冰方式：雙向破冰技術。早在2007年，阿克爾北極技術公司設計的擁有雙動力的破冰穿梭油船“VasilyDinkov”號問世，隨著技術的不斷進步，在雙動力技術的基礎上，誕生了雙向破冰技術。雙向破冰船的尾部利用螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的水流，能夠從下端掏空冰層，進而達到破冰的目的。傳統(tǒng)破冰船的首部主要采用楔形破冰首，首部底部與水線夾角由原來的27。左右逐步優(yōu)化，近年來，發(fā)現(xiàn)在相同條件下20度 左右的夾角破冰性能更優(yōu)良，另外也發(fā)展有梅爾維爾首、絞刀型勺型首、脊型半勺型首等其他破冰艏線型。在舷側(cè)結構方面，為了滿足運輸需求與破冰的經(jīng)濟效益，俄羅斯設計了新型非對稱舷側(cè)的斜破冰船，既能提高破冰的寬度又能利用其舷側(cè)結構實現(xiàn)溢油回收等作業(yè)。

（2）抗冰涂料：處于極地嚴寒氣候，普通的防護涂料會受損而喪失對破冰船的保護能力，因此極地破冰船通常在水線附近的船殼上使用特殊的抗冰漆，既能保護船體結構，又能減少殼體與浮冰之間的摩擦。

（3）推進系統(tǒng)：核動力推進系統(tǒng)、雙動力推進技術、電力推進系統(tǒng)。俄羅斯是掌握先進破冰船制造技術的國家，其近幾年建造的高冰級破冰船幾乎全都采用了核動力推進和全向吊艙技術，使得破冰船獲得更強的推進動力，且提高破冰船在極地作業(yè)的效率和安全性。雙動力推進技術，顧名思義就是船舶的前后向均能航行的動力系統(tǒng)設計技術，能夠提高極地作業(yè)船舶的安全性和操作性。該項技術目前已在多種破冰運輸船上應用，并展現(xiàn)出優(yōu)越的破冰性能。電力推進系統(tǒng)的推進器與電氣發(fā)電機直接相連，與傳統(tǒng)的機械推進方式相比，具有更好的經(jīng)濟性、操控性和安全性。輔助破冰系統(tǒng)：包括噴水系統(tǒng)、氣泡發(fā)生系統(tǒng)、舷側(cè)絞刀系統(tǒng)等。噴水系統(tǒng)和氣泡發(fā)生系統(tǒng)可以隔離船體周圍的碎冰，保護船體免于受到碎冰的碰撞，也有效避免了船身被周圍的冰雪凍結;舷側(cè)絞刀系統(tǒng)在提高破冰效率的同時，拓寬破冰航路，具有較高的實際應用價值。

2.2 國外破冰研究趨勢

在破冰技術研究方面，Sawanuira等利用ABAQUS軟件做了數(shù)值仿真研究，分析了在動力約束下的浮冰層動力學彎曲現(xiàn)象[26]。Liu研究了船舶和冰山碰撞的機理，冰山被設定為塑性材料，其裂紋的產(chǎn)生用單元的侵蝕來模擬[27]。DonghyeongKop研究了極地航行船舶在冰區(qū)中轉(zhuǎn)向的能力，模擬了三種不同的極地航行船舶模型在冰區(qū)轉(zhuǎn)向運動并驗證其可靠性[28]。Hu利用CFD軟件計算了船的破冰阻力和冰的浸沒力[29]，并將“USCGC Mobile Bay”號和“MT Uikku”號兩艘極地船舶的實測數(shù)據(jù)進行了對比，證明數(shù)值計算的結果與實測值相比偏安全。Mochamad Raditya Pradana等用離散元方法對圓錐結構的冰載荷進行了預測剛。Se-Jin Ahn等用彎曲船殼結構和冰樣品進行沖擊試驗分析冰載荷中間峰的發(fā)生以及與持續(xù)時間的關系[31]。Cherv Bertoia等開發(fā)出ARKTOS（ AdvancedReasoningusing Knowl-edge for Typing of Sea ice）海冰識別系統(tǒng)[32]，對海冰進行分類并在美國國家海冰中心應用。Fu等對船舶在東北航道夏季航行中被冰困的影響因素進行分析，并建立多因素耦合模型[33]。

國內(nèi)外學者們對船舶破冰模式和冰載荷進行深入研究，學者們建立的許多數(shù)值方法，并趨向于使用有限元和離散元方法相結合的方法解決冰載荷計算問題，進而得到船舶的動力響應，并且通過模型實驗對數(shù)值模擬的結果進行驗證。另外，在衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測、冰池實驗、極地航行風險評估等方面都取得了一定研究成果，許多研究都聚焦于極地船舶航行的風險評估和海冰建模與破冰數(shù)值模擬仿真，對衛(wèi)星遙感海冰監(jiān)測也有一定成果，對于極地航行能效的研究較少。

3 破冰技術發(fā)展趨勢

3.1 破冰動力系統(tǒng)：核動力技術

俄羅斯自1959年突破核動力破冰技術，設計出了第1艘核動力破冰船后，在此技術上遙遙領先，仍是世界上唯一擁有核動力破冰船制造技術的國家，現(xiàn)已開始第4代核動力破冰船“領袖”級的研發(fā)工作。破冰船在極地破冰作業(yè)對推進能力要求極高，同時極地港口較少，難以獲得燃料補給，因此破冰船需要儲藏大量能量以保證長時間的航行和工作。核動力推進系統(tǒng)能夠同時滿足以上兩點具有巨大優(yōu)勢。在經(jīng)濟性方面，美國海軍研究表明，核動力破冰船的制造與營運費用與常規(guī)動力破冰船基本相當[34]?；谝陨蟽?yōu)勢，核動力技術的研發(fā)和優(yōu)化是破冰船動力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

3.2 破冰方式：雙向破冰

雙向破冰船能夠克服破冰航行和敞水航行對船體線性不同要求所產(chǎn)生的問題，雖然以船尾破冰的速度較船艏破冰低，但能夠有效保障破冰船作業(yè)安全性以及敞水航行效率，通過改善尾部線型或增加特殊設計，或能提高尾部破冰的效率。例如我國不久前開始服役的第一艘自主研發(fā)與制造的“雪龍2”號，擁有雙向破冰能力，這也標志著我國的破冰船制造技術邁入新的階段。

3.3 破冰船型設計：開放式船尾、不對稱化

近幾年，破冰船建造中逐漸開始使用模塊化技術。俄羅斯“領袖”級破冰船采用了“開放船尾”的設計理念。開放式船尾可依據(jù)任務要求自由搭載不同作業(yè)模塊，例如裝載有導彈、反潛裝置、通信導航系統(tǒng)或潛水設備的模塊，使得破冰船可以快速完成不同功能的切換，使破冰船的實用價值和經(jīng)濟效益更佳。

2015年，第一艘不對稱破冰船“Baltika”號建成并成功完成全面破冰實驗，展現(xiàn)了其優(yōu)秀的破冰能力與操作性能，見圖3。由于船舶功率有限，破冰船尺寸被限制，尤其是船寬。然而，隨著船舶運輸和開辟航道的需求，需要引航破冰船能夠擁有盡量寬的破除海冰的能力。不對稱專業(yè)破冰船很好地兼顧了對兩者的需求，同時也是全回轉(zhuǎn)推進技術和新型破冰船型技術的融合[35]，具有廣闊的發(fā)展和應用前景。

4 結語

隨著國內(nèi)和國外破冰船設計和制造的水平不斷提高，對目前國內(nèi)外的先進破冰技術進行整理，重點介紹新涌現(xiàn)的破冰技術，并對未來破冰船的發(fā)展趨勢進行研究：破冰船具有重要的戰(zhàn)略發(fā)展意義，未來或?qū)⒏于呄蛴趯藙恿夹g、雙向破冰技術的優(yōu)化、開放式船尾以及不對稱專業(yè)破冰船型的研究。為破冰船未來的發(fā)展方向提供有益參考。

參考文獻：

[1]劉林偉等.帶破冰功能全回轉(zhuǎn)拖船的設計[J]江蘇船舶，2017，34（6）：13-14.

[2]劉庭華等.破冰船與破冰原理[J].物理教學，2014，36（5）：80-81.

[3]壽建敏等.我國極地航運能力建設和高冰級船隊發(fā)展對策分析[J].極地研究，2018，30（4）：419-428.

[4]工信部.“雪龍2”號極地科考破冰船交付使用[J]船舶工程，2019：73.

[5]楊亮，馬駿.冰介質(zhì)下的船舶與海洋平臺碰撞的數(shù)值仿真分析[J].中國海洋平臺，2008，（2）：29-33.

[6]王凱民.考慮流固耦合作用的船舶破冰阻力預報及結構響應研究[D].江蘇：江蘇科技大學，2019

[7]馮衛(wèi)永破冰船沖撞式破冰結構強度數(shù)值仿真方法研究[J]艦船科學技術，2017，39（6）28-32.

[8]任奕舟.破冰船在冰層中連續(xù)破冰過程的數(shù)值模擬[J].振動與沖擊，2016，35 （18）：211-213.

[9]蘇干.極地運輸船舶冰載荷及破冰結構研究[D]江蘇：江蘇科技大學，2016.

[10]楊征.極地重型破冰船冰載荷計算方法研究[D]哈爾濱：哈爾濱工程大學，2019

[11]周利.基于環(huán)向裂紋法的冰區(qū)船舶破冰載荷數(shù)值模擬[C].中國海洋工程學會.第十九屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集（上）.中國海洋工程學會：中國海洋學會海洋工程分會，2019：197-202.

[12]王川.極地航行船舶載荷計算分析及破冰能力評估方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2015.

[13]王健偉.基于非線性有限元方法的船舶一冰層碰撞數(shù)值研宄[D].上海交通大學，2015.

[14]史江海，桂洪斌，李丹船首形狀對船一冰碰撞性能的影響研究[J].艦船科學技術，2016，38（1）：8-13.

[15]丁悅，郭世璽極地破冰型阿芙拉油船的線型設計[J].船海工程，2019，48（2），122-126.

[16]朱彬極地海域撬冰式破冰拖船關鍵技術應用研究[J].江蘇船舶，2019，36（4）：12-14.

[17]劉林偉.帶破冰功能全回轉(zhuǎn)拖船的設計[J]江蘇船舶，2017，34（06）：13-14.

[18]白旭，周利等.破冰結構角度對整冰失效模式的影響分析[J]極地研究，2018，30（4）：406-410.

[19]高嵩，張俊，張進.極地氣墊破冰/運輸平臺破冰機理和關鍵技術[J].船舶，2018，29（6）：117-122.

[20]翟燕.艦船混合動力系統(tǒng)優(yōu)化配置與控制策略仿真研究[D].北京交通大學，2016.

[21]吳文翔.吊艙推進破冰船的艉部型線初步設計[J].船舶工程，2017，39（4）：21-23.

[22]黃嶸，李文明，袁東方.極地考察破冰船吊艙推進系統(tǒng)分析及其控制性能仿真研究[J].極地研究，2019，31（04）：441-446.

[23]王平團，房玉吉，呂君.破冰船壓載水調(diào)駁輔助破冰技術[J].船海工程，2016，45（2）：34-36.

[24]HOSSEIN B，DAVID W.RICHARD B.Verification andvalidation of an in-ice oil spill trajectory model based on satellite-derived ice drift data[C] .The 24 th International Conference on Portand Ocean Engineering under Arctic Conditions（POAC2017），Busan.Korea：POAC，2017.

[25]黃金星，等.美俄破冰船技術發(fā)展研究[J].艦船科學技術，41（8）：154-157.

[26lSawamura J.，Riska k.， Moan T_ Finite Element Analysisof Fluid-ice Interaction during Ice Bending[C]. Proceedings ofIAHR 2008，Nanjing， China， 2008： 191-202.

[27]Liu Z. Analytical and Numerical Analysis of IcebergCollisions with Ship Structures[D].Trondheim： NorwegianUniversity of Science and Technology， 2011 .

[28]Donghyeong Kop， Kyung-Duk Park. Time domainsimulation for icebreaking and turning capability of bow-firsticebreaking models in level ice[J] . International Journal of NavalArchitecture and Ocean Engineering， 2016，53（8） ： 228-234.

[29]Hu J，Zhou L. Farther study on level ice resistance andchannel resistance for an icebreaking vessel[J] . Intemational Joumalof Naval Architecture and Ocean Engineering， 2016 8（2）： 169-176.

[30]Mochamad Raditya Pradana，Xudong Qian. Bridging localparameters with global mechanical properties in bonded discreteelements for ice load prediction on conical structures[J]. ColdRegions Science and Technology，2019.

[3]lSe-Jin Ahn，Tak-Kee Lee. An experimental study onoccurrence of intermediate peaks in ice load signals[J] . IntemationalJournal of Naval Architecture and Ocean Engineering，2019.

[32] Oriol Jou，Migu el Angel C eligueta，SalvadorLatorre，F(xiàn)err a n Arrufat，Eugenio Onate.A bonded discreteelement method for modeling ship ice interactions inbroken and unbroken sea ice fields[J].Computational ParticleMechanics，2019，（6）：739 - 765.

[33]FU S S.ZHANG D.MONTEWKA J，etc.Towards aprobabilistic model for predicting ship be setting in ice in arcticwaters[J].Reliability Engineering & System Safety， 2016，155：124-136.

[34]于新偉 ，陳林等 .破冰船技術發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].造船技術 ， 2017，337（3） ： 1-4.

[35]吳剛，張東江 .極地船舶技術最新動向[J] .中國船檢 ，2015（03）：97-101.