破冰船技术发展现状分析

于新伟， 陈 林， 王化明，2， 赵春慧， 李莉莉

(1. 浙江海洋大学 a.船舶与机电工程学院； b.东海科学技术学院， 浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技术重点实验室， 浙江 舟山 316022)



破冰船技术发展现状分析

于新伟1a， 陈 林1b， 王化明1a，2， 赵春慧1a， 李莉莉1a

(1. 浙江海洋大学 a.船舶与机电工程学院； b.东海科学技术学院， 浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技术重点实验室， 浙江 舟山 316022)

对各类破冰船文献资料进行分析，研究国内外破冰船技术特点，概括传统破冰船的破冰方法以及存在问题，重点介绍近年来国内外破冰船技术的新发展、新构想，以及特种装备及新技术在破冰船上的应用，可为破冰船的研究提供有益的参考。

破冰船；破冰技术；现状；发展趋势

0 引言

破冰船是专门用于在冰区水域开辟航道以及救助被困船只的特种船。作为特种船舶，破冰船的历史久远，早在1857年，瑞典建成了世界上第1艘真正意义上的破冰船 “波尔海姆” 号。

近年来，随着世界资源的紧缺，各国纷纷把目光投向蕴藏着丰富油气、矿产、渔业等资源的极地。随着各国间对极地资源争夺的不断升温，各国对破冰船的重视程度也相应提高，先后开始研制、改良、建造新型破冰船，发展新型破冰技术[1]。目前，很多国家都装备有破冰船。破冰船作为一种特殊的船型，具有许多技术特点，也存在巨大的创新改进潜力。因此，研究和发展破冰船具有极大的意义。

1 传统破冰船技术分析

1.1 传统破冰船破冰方法

破冰船一般采用连续破冰和冲撞破冰2种方法进行破冰作业。传统的破冰船破冰时除了利用自身的重量外，一般还需要利用前后左右压水舱之间的配合完成破冰工作。例如，艏向破冰时，就将后压水舱注满水，让船艏上翘前行，使船身前半部分压在冰层上，然后再将前压水舱注满水，同时让后压水舱排水，随着船体重心的前移达到压碎冰层的目的；左右破冰时，使其压载舱进行左右交替注水，进而使船体左右摇晃，以此破冰。

当冰层厚度未达到破冰船设计破冰厚度时，采用连续破冰法。依靠螺旋桨的推力、破冰线型以及破冰船自重缓慢地、起伏地把冰层劈开撞碎，每小时能在冰海航行9.2 km左右。如果冰层较厚，超过了破冰船设计时的最大破冰厚度或者在较为复杂的堆积冰、厚冰区及更严峻的冰脊区等冰区中时，则采用冲撞破冰法。首先，破冰船需要倒退1～2个船长的距离，然后加速向前冲撞，破冰船倾斜式的船艏能方便地冲上冰面，再配合船体自重和压载水，能把冰层压为碎块。在厚冰区或遇到冰脊冰时，则通过反复冲撞的方法破冰。

极地通常存在3种海况：开阔海域、浮冰区、陆缘冰区。在不同海况下，进行不同方式的破冰作业。特别是在陆缘冰区作业时，当陆缘冰厚度超过破冰船连续破冰能力时，需采用旋回破冰法和徒步破冰法，本文对上述2种方法不再深入介绍[2]。

1.2 传统破冰船的局限性

目前破冰船的破冰方式：连续破冰和冲撞破冰，主要存在以下几点问题。

(1) 对于连续破冰法，目前存在的主要问题是破冰缓慢，破冰效率较低且能耗较大，只能在冰面强度小、厚度薄的海域使用，对船舶自身强度要求较高。

(2) 对于冲撞破冰法，最主要的问题是船体容易被冰卡住。导致卡住不易退出的原因[3]为：① 由于柴油机主机特性限制，船舶倒车功率只有正车功率的70%，导致提供的拉力不够；② 主机倒车长时间运作，易发生螺旋桨打冰现象，继而出现严重的主机过载；③ 传统推进舵其转向力较小，不足以转动船体使其挣脱。

2 破冰船技术新发展

为解决上述问题，本文分析破冰船技术的最新发展，总结出几个较为实用的方法，以及一些应用于破冰船上的特种装备，这些技术将显著促进破冰船的发展。

2.1 新型破冰船型发展

2.1.1 各国新建破冰船介绍

近年来，许多国家研究发展新型破冰船技术，建造新型破冰船。本文对近几年新建或者有计划建造的破冰船进行简单介绍。

俄罗斯因其独特的地理位置，拥有数量众多的破冰船，但因船龄较大，船体老化，故急需新的破冰船。据悉俄罗斯目前在建造新一代 22220 型核动力破冰船，包括改型共3艘。此外，俄罗斯还启动了 Yamal LNG 项目，该项目旨在建造新型的高冰级LNG运输船。

美国虽然已经40年未新建破冰船，但近年来政府已经重新认识到破冰船的重要性，并计划于2020年前购买1艘新型破冰船。

欧盟早在2002年便启动了 “北极光”新型破冰船的建造项目，英国也正在独立建造新型破冰船。此外，日本也有新建破冰船的计划。

近年来，我国在新型破冰船设计建造上取得了不错的成绩，相关科研工作也稳步进行。不久前，我国自主设计的新型极地科考破冰船开工建造，据悉新船将采用吊舱式电力推进，运用多项先进的技术，其中包括下文提到的双动力技术。海军方面，我国自主研发的新一代破冰船“海冰722船”“海冰723船”也已相继入列。下文重点介绍近年来出现的两类具有突出创新性的新型破冰船。

2.1.2 不对称专业破冰船

由于特殊的功能要求和功率需求的限制，专业破冰船的尺寸不可能太大，尤其是对船宽的限制(一般在20 m左右)。随着运输需求的不断提高和港口航道的发展， 20 m船宽的破冰船已无法满足日益增长的实际需求，目前采取的常规措施是2艘船同时进行破冰，但这大幅提高了破冰的成本。为解决这一问题，船舶设计专家们开发设计一种新型的不对称船体专业破冰船“Baltika”号，如图1所示。该船在破冰时可以斜向航行，显著提高破冰的宽度[4]。凭借这一独特船型与全回转推进技术的融合，该船具有较好的灵活性、通用性和操纵性。

图1 破冰船“Baltika”号

2.1.3 双向(双重作用)破冰船

双向破冰船或称双重作用破冰船，是在双动力技术的基础上，补充和加强破冰功能的新型破冰船，例如世界首艘双动力破冰穿梭油船“Vasily Dinkov”号，如图2所示。双向破冰船的艏向和艉向都可以进行连续破冰作业，它实现了船艏前进时适合敞水航行，船艉前进时又能适合破冰作业，解决破冰航行和敞水航行对船体线性不同要求所产生的经济性问题。

图2 世界首艘双动力破冰穿梭油船“Vasily Dinkov”号

需要特别注意的是，双向破冰船艉向破冰时的作业方式并不是简单地冲撞破冰，而是灵活地来回转动全回转推进器，利用强大的水流，冲洗、移走和粉碎海冰，使其最终崩坍，达到破冰目的(特别是冰脊冰)，同时也使船艉转动，拓宽航道。不过，这一过程较为缓慢。

2.2 新型破冰船构想

对各种新型破冰船方面的专利、文献进行汇总和分析，提出一些可能的新型破冰船设计猜想。当然，这些新型的构思能否应用于实际并产生合理、有效且高效的破冰作用，仍有待于进一步的科学验证。

2.2.1 撬冰式破冰船

撬冰式破冰船创新地设计一种上窄下宽的锥型结构船艏(见图3)，这种结构使得艏部能够很容易地伸入冰面以下。当进行破冰作业时，船体小角度艏倾，船艏水下的锥形结构伸入冰层以下，通过船上的压载水系统作用，改变压载水分布，使船体重心后移。在船艏上翘的力矩、水以及动力推进下，前进的船体产生使锥形结构向前的力，对冰层造成向前和向上两个方向的冲击，实现了“撬冰式”破冰过程。

图3 撬冰式破冰船船艏

图4 半潜式破冰船

2.2.2 半潜式破冰船

半潜式破冰船的设想最先由前苏联工程师瓦迪姆·皮库尔提出，如图4所示。他提出的这种既能在水面上航行，也能半潜式航行的破冰船，通过特殊设计加强的船壳和“梳子”式的破冰机构进行破冰。具体的破冰方法是：下层船体潜至预定深度，再快速排出压载水，使其上浮，利用“梳子”式的破冰机构顶破冰层。这种破冰船主要的结构为：装备有浮力舱，压载水舱和主副机等设备的下层船体和1个20 m左右的塔楼。塔楼里设置驾驶台和控制系统等。半潜式破冰船的破冰能力和目前的破冰船相比会有较大提高，可对5 m厚的冰层进行破冰作业。同时，由于螺旋桨处在冰层以下的水中，故可提高螺旋桨工作效能[5]。

3 特种装备及新技术在破冰船上的应用

3.1 吊舱式(全回转)推进器的应用

吊舱式推进器是一种在吊舱内部安装电机，推进与操舵装置一体化，螺旋桨轴与电动机转轴一体化的新型推进器。其最大的特点是可绕轴线360°旋转。

该推进器主要优点有：较好的操控性能，较高的整体效率，优化船艉设计及简化机械装置，噪声低以及增加船舶有效容积等，其中最为主要的是其大幅提高了船舶的操纵性、灵活性。吊舱式推进器可以360°旋转，同时再与船艏侧推器配合，可以达到使船舶横向移动、原地回转和多向航行等效果[6]。

目前，吊舱式推进器在破冰船上有广泛的应用，如俄罗斯 “Baltika”号破冰船。本文提到的双动力技术、不对称专业破冰船、双向破冰船都应用了吊舱式推进系统，同时，越来越多的破冰型运输船、科考船也开始使用吊舱式推进器。

3.2 电力推进系统的应用

电力推进系统指的是推进器不与原动机直接相连，而是与电气发电机直接相连的新型推进系统。工作原理为原动机提供动力给发电机发电，发电机再驱动推进器。

电力推进系统与传统的机械推进方式相比，具有更高的经济性、操控性、安全性和舒适性。目前最为流行的电力推进系统是电力推进系统与吊舱式推进器技术的结合，即吊舱式电力推进系统，该系统能大幅提高船舶的推进效率和操纵性能，省去了传统的舵机、传动轴系，节省空间，减轻自重[7]。

吊舱式电力推进系统在破冰船上的应用，成功地解决破冰船在破冰时最可能出现的轴系桨正倒车效率问题、螺旋桨碰冰损坏和螺旋桨转速下降等问题，推动破冰船技术的发展与革新。据悉，我国新一代极地科学考察破冰船也将采用此技术。

3.3 辅助破冰系统

目前较为流行的辅助破冰系统有快速倾斜系统、气泡发生系统和冲水系统等。

快速倾斜系统也称主动增摇系统，它可以快速地把压载水从一侧泵至另一侧，即进行左右调驳。当破冰船处在密冰状况下时，也能进行左右摇摆，摆脱船体两侧冰的摩擦力阻碍。气泡发生系统的工作原理是将经过压缩的空气从船体的底部喷射出来，作用于冰层下部，使其受到向上的推力作用，进而向上运动破裂。同时，压缩空气作用于船体与海水、冰层之间，降低摩擦，提高船舶性能。冲水系统是指可以将大量的海水通过大功率水泵和管道系统泵至船前方冰面上的一套系统。该系统可以减少船体与冰之间的摩擦，使船头更易驶到冰面上。

3.4 双动力技术

由阿克北极设计公司研发的双动力技术，是应用全回转电力推进技术以达到船舶前后向均能航行目的的一种动力系统设计技术。目前，此技术已在多型破冰运输船上成功应用，例如1AS冰级(PC5 ～ PC6)的7×104t穿梭油船和11×104t阿芙拉型原油船等。由于设备成本和电推的二次能量损失等一些因素，这一技术在破冰等级较低的船舶上较少采用。

4 结语

本文通过对国内外破冰船技术的研究分析，以及对各类文献资料的概括，总结目前破冰船技术现状、破冰方法和现存的问题，重点介绍近年来国内外破冰船技术的新发展、新构想，以及特种装备及新技术在破冰船上的应用，为我国破冰船的研究提供一些有益的参考。

[1] 健豪. 世界各国打造破冰船争夺极地资源[J]. 西部资源，2014，2:62-66.

[2] 沈权，赵炎平. 破冰船技术及几种破冰方法[J]. 航海技术，2010，1:5-7.

[3] 沈权. 从“雪龙”号救援俄罗斯船看极地航行风险及破冰船发展趋势[J]. 航海，2014，2: 14-18.

[4] 秦琦. 未来破冰船开发的技术标杆[J]. 中国船检，2014，12:65.

[5] 孙呜岐. 半潜式破冰船[J]. 航海，1984，4:45.

[6] 谢清程，易小冬. 吊舱式电力推进器的新进展[J]. 机电设备，2007，1：55-56.

[7] 陈家金，王和平. 船舶电力推进系统的发展[J]. 世界海运，2006，4:9-11.

Analysis of the Development of Icebreaker Technology

YU Xinwei1a, CHEN Lin1b, WANG Huaming1a,2, ZHAO Chunhui1a, LI Lili1a

(1. a.School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering, b.Donghai Science and Technology College, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China; 2.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province, Zhoushan 316022, Zhejiang, China)

The literatures on various types of icebreaker are analyzed, the technology characteristics of icebreaker at home and abroad are studied. The traditional methods of ice breaking and existing problems are summarized, and some new development and conceptions of ice breaking technologies in recent years are introduced. The application of special equipment and new technologies in the icebreaker are also presented. It provides references for study on the icebreaker.

icebreaker; ice breaking technology; current situation; development trend

2016年浙江海洋大学大学生科技创新活动计划暨育苗人才计划(编号：YMJH201616)；浙江省自然科学基金项目(编号：LQ15F030007，LY16E090004，LY17E090002)；舟山市科技局项目(编号：2016C41019)

于新伟(1995-)，男，本科，研究方向为船舶工程

1000-3878(2017)03-0001-04

U674

A