从“Aurora Borealis”号看科考破冰船的设计思路

秦 琦

“Aurora Borealis”号是世界上所设计的具有最高破冰能力的重型破冰船，具备连续破碎超过2.5米厚的多年冰和通过最高15米冰脊的能力，可在北极和南极水域全年执行包括科考钻井项目在内的研究任务，而无需其他船舶的支持。该船集破冰船、钻井船、多用途船等多种船型于一体，在设计建造方面“Aurora Borealis”号没有先例可循，因此需要开发和制定新的技术概念。

设计工作遇到了相当多的挑战，其中之一是如何选择在最大厚度达到2米的实心浮动薄冰环境中进行破冰、航行和定位的推进概念与装置。

该科考破冰船的主要任务包括：①在工作水深100～500米、钻井深度1000米以上的实心冰区进行科考钻井岩芯取样；②在6级海况、8级蒲福氏风级的敞水水域进行科学钻井和动力定位；③进行大量的海洋研究任务时，多数情况采用动力定位；④扩大航行时间，例如从北极水域航行到南极；⑤具备全年在北极和南极操作的能力。主要工况（包括动力定位系统和定位分析）以下列状态作为设计基准：冰区定位，该船应能在1.0～2.0米以上的厚度浮动薄冰层保持定位；敞水环境中的动力定位，6级海况、有义波高5米、波浪周期12.4秒、海流速度1.5节、蒲福氏风级8级、风速38节。

“Aurora Borealis”号是一型用于全球操作的多用途研究船，应满足海洋研究公众团体现有和未来的要求，并尽可能地满足未来即将生效的环保规则规范。

据了解，该船由瓦锡兰船舶设计公司（WSDG）设计，Alfred Wegener极地与船舶研究所负责项目管理。

推进系统的选择。船舶在定位时会受到浮冰、风浪和潮汐等环境的影响，“Aurora Borealis”号的推进系统应满足以下任务要求：①以相对高的航速（服务航速15.5节以上，最大航速20节）航行较远的距离，例如从北极到南极；②提高破冰时间；③冰区定位；④敞水环境定位。研究人员在设计之初确定了以下设计基本衡准：①所有系统及部件应尽可能地保证坚固、可行和冗余；②尽可能地简化所有部件，以降低部件失效的速率和维护要求；③在船舶浮动和作业时，应尽可能方便地接近所有部件和系统，便于现场维修，而无需其他船舶支持或进坞修理。

为满足上述任务要求和设计基本衡准，研究人员确立了以下两点推进概念：①该船应采用大功率、多桨常规推进系统；②在船首和船尾安装一些可反转的横向推力器（即侧推），这些推力器仅用于敞水环境和冰区的定位。

推进系统部件的选择。对于主推进系统的性能要求，该船在赫尔辛基的AARC冰池和汉堡船模试验水池进行了大量模型试验，用于确定不同工况如航行、破冰和定位（薄冰层）所需的推力。在主推进器的布置方面，基本考虑事项包括推进器类型和推进器数量的选择。对推进器类型的分析，研究人员比较了常规螺旋桨和导管螺旋桨的优缺点；推进器数量的确定涉及到吃水、船宽、船尾线型、推进机械的布置与尺寸、推进器载荷等，破冰船一般采用多桨，对于大功率破冰船而言，设计难点之一是对两桨或三桨的选择。研究人员选择了三桨、双桨（常规）、双桨（导管）等三种方案进行了性能计算，结果表明三桨变为双桨时，如果桨梢与冰流之间的间距保持不变，那么将增大桨盘载荷和降低可利用推力，导致破冰操作的燃油成本增加。

“Aurora Borealis”号冰区航行模拟图 1

研究人员最终选定的主推进系统如下：常规敞水螺旋桨3个，主桨采用五叶定距桨，镍铝铜材料，船舶处于操作吃水状态时其中一片可以更换，直径6.5米，功率2700kW，转速100r/m（随着操作而变化），最大系柱拉力（速度为0）为2230KN。需要指出的是，推力的主要考虑因素是破冰需求（远超过船舶纵向定位推力需求），因此主桨的选择并未考虑定位能力的计算。

主驱动布置的选择。在不同的操作模式下，功率要求高和性能优化的需求大，这意味着可采取电力驱动布置。一般最为常见的布置是选择一台直接耦合的低速电动机驱动一根桨轴。这种布置势必影响船尾的可利用空间，由于船尾线型已完成了船舶/冰之间作用的优化，因此不大可能为满足直接电机驱动布置而重新优化线型。最终的驱动布置选择是采用一台高速电动机，通过一个单级减速箱驱动桨轴。

横向推力器。为获得两个方向的作用力，该船设计有6个推力器（带反转和双向桨），船首和船尾各3个。

冰区定位和敞水环境定位所需推力的评估采用了模型试验这种方式，不过在试验之前应获取推力器尺寸和重量。研究人员对这些参数进行了基本估算，确定了推力器的概念方案。选择的推力器直径为4.1米，功率研究范围包括3500kW、4500kW、5500kW和6400kW（最大）。

冰区定位操作研究。为研究“Aurora Borealis”号的冰区定位概念方案，研究人员分析两种截然不同的破冰模式：①推进模式，采用常规推进器（例如主螺旋桨和横向推力器）进行常规破冰；②船舶运动控制模式：导入船舶横摇和纵摇运动，分析船舶定位状态时的破冰。

（1）推进模式下的定位能力。该船的冰区定位能力分析的主要目标是：①确定船舶在冰区保持定位和航向的可行性；②研究不同级别的推进器功率对冰区定位能力的影响；③研究两个典型厚度的冰况。

a 冰力。船舶受到的冰力大小可通过AARC和HSVA的船模试验获得，其中在AARC进行了12天试验，在HSVA进行了15天试验。这些试验包括阻力与推进、伴流测量、操纵性、耐波性、航行破冰试验，其中推进模式下的冰区定位试验数据包括：①在1.0米和2.0米厚的实心薄冰层上进行了回转试验；②在1.0米和2.0米厚的实心薄冰层上进行了倾斜阻力试验（后来为研究船舶运动控制模式下的破冰性能，模拟了1.7米厚冰层的横摇和纵摇运动）。

定位能力的计算基于AARC试验中2.0米冰厚数据和HSVA试验中1.0米冰厚数据，研究人员根据船模冰池试验数据绘制了航向角与冰力/力矩关系图。在计算冰区定位能力时，环境（例如风、潮汐）作用力未予以考虑，因为其大小远小于冰力。

b 推力。最优推力器尺寸的计算考虑基于以下推力，不考虑螺旋桨对冰区定位的作用，仅考虑横向推力器对航向变化的影响。

c 计算方法。冰区定位能力的计算目的是确定改变航向角所需的推力，实现作用在船上的环境力/力矩与主螺旋桨和推力器产生的力的平衡。研究人员为“Aurora Borealis”号开发了一种新的推力分布算法，这种数学模型能够计算所需的推力，该推力是环境作用力/力矩的量级和攻角的函数。钻井月池中心作为动力定位基准点，外部力矩和推力力矩也基于此点考虑。将冰池试验、航向角与冰力/力矩关系图中的作用力导入MatchCAD表格，可计算出船尾和船首推力器以及主螺旋桨所需的推力。所有的定位能力计算结果表明船尾推力器负载小，而船首推力器负载大。因此，船首推力器所需的推力是定位能力的决定因素。由于主螺旋桨可利用功率大，因此未考虑其影响。

将船首推力器的推力要求导入冰区定位能力与所需推力器尺寸关系表，可得到航向角和薄冰层厚度变化时的“Aurora Borealis”号性能。

d 结果讨论。船舶所需的推力器功率，可应对浮冰攻角变化带来的偏航。例如：在1.0米厚的冰区，配有4500kW推力器的船舶能够控制最大浮冰攻角达到7°带来的偏航；在2.0米厚的冰区，配有4500kW推力器的船舶能够控制最大浮冰攻角达到3.2°带来的偏航。

对于“Aurora Borealis”号而言，配备先进的浮冰变化警报/测量系统有利于达到高效的冰区定位操作，这一点非常重要。

综上，船舶在推进模式下的定位性能分析汇总如下：

① 在纵向（X）方向上，主螺旋桨可利用的作用力远大于在冰厚1.0～2.0米之间的浮冰定位时所需功率。不过在冰区定位时使用螺旋桨，可能会造成目标的偏离，要求进行位置的即时修正，这会对推进装置产生较大的应力。

② 在横向（Y）方向上，浮冰作用力超过推进功率。

③ 航向角是横向推力器可利用功率的函数。一套反映浮冰方向及速度变化的先进警告系统对于船舶安全和有效的定位操作十分重要。

④ 必须进行大量的试验项目以便操作人员熟悉在实心浮动薄冰环境中操作遇到的问题和限制。

“Aurora Borealis”号冰区航行模拟图 2

运动控制模式下的定位能力。除了推进装置产生的破冰能力以外，该船还配备有一套独特的运动控制系统，该系统允许在定位模式下破冰而无需船舶纵向/横向位移或运动。该系统诱导船舶产生横摇和纵摇运动，这些运动匹配独特的船形有利于改善船舶定位时的纵向和横向破冰能力。

HSVA冰池进行了大量试验项目，以验证研究人员的构想有效性。对于横摇运动的模拟，船模上配备有一个与线性发动机连接的重块，该重块在船模上进行可控频率的横向移动，诱导船舶横摇运动。纵摇运动以一种相对较简单的方式模拟：在船模首部以所需频率升降重物。在1.8米厚的冰区进行了横摇和纵摇试验，试验表明当船舶受到谐振横摇和纵摇运动时，破冰具有可行性（前进速度为0）。船舶运动使得浮冰与船舶之间的摩擦力具有动态性而非静态，摩擦力会变小。此外，诱导运动还可改善常规破冰性能。

WSDG引入两个有利于船舶横向破冰的船体设计特点：①船中形状利于船舶在横摇运动时破冰；②液舱系统允许调节横摇运动，该横摇液舱由2对液舱组成，每对与导管连接。海水以60～100秒/次的时间从一个液舱泵送到另一个液舱，可以获得3°～5°的横摇角（最大横摇角5°由该船的斜肩坡度决定）。该系统能使船首和船尾产生纵摇运动，可使船舶在定位模式下破冰。该系统能够最多在18秒内将2×750t的海水从船尾移到船首，在既定的频率下加、减速这些海水大约需要2×3000kW的轴向泵（带有可控的纵摇叶轮）。

“Aurora Borealis”号具备在实心浮动薄冰环境下定位的能力。采用了两种定位技术分析：推进模式和运动管理模式，组合这两种模式可进一步改善定位能力。模型试验表明在2.0米厚的冰区定位存在限制性，具体的性能制约有待试验的确定。冰区定位时的控制模式为动力定位-操纵杆控制。横向推力器的操作：模型试验表明导管偶尔会被大块冰阻塞，将螺旋桨进行短时间的逆转可将冰块排除导管。所有推进装置的操作应连续监控和可视化。推力器和主螺旋桨应可以手动控制，便于处理冰块阻塞，这对于未来有效和安全操作十分必要。