关于破冰船技术及集中破冰方法的研究

陶奇森

摘要：近年来，随着极地考察与寒带海洋石油资源开发的不断深入，破冰船肩负的使命更加艰巨，在极地救援、开辟航道、物资供给等方面具有重要作用。对此，本文通过对各类破冰船相关文献的汇总与分析，研究破冰船的主要类型、技术与特点，重点针对浮冰区与陆缘区中破冰船技术的应用方法加以阐述，最后阐述新技术、新构想与特种装备的运用，力求通过本文研究，为破冰船相关研究提供有利的借鉴与参考。

Abstract： In recent years， with the continuous deepening of polar investigations and the development of offshore oil resources in the cold zone， the mission of icebreakers is more arduous， and plays an important role in polar rescue， channel development and material supply. In this regard， through the collection and analysis of various icebreaker related literatures， this paper studies the main types， technologies and characteristics of icebreakers， focuses on the application methods of icebreaker technology in ice floes and land margins， and finally expounds on the application of new technology， new concept and special equipment strive to provide a useful reference for the research on icebreakers through the research.

关键词：破冰船技术;破冰方法;破冰系统

Key words： icebreaker technology;icebreaking method;icebreaking system

中图分类号：U674.21                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）11-0282-02

0  引言

随着人类活动范围不断扩大，对南北极的考察日益增强，破冰船作为开辟航道、救助船只的重要工具受到广泛关注，尤其是在世界资源稀缺背景下，人们更加注重极地资源采集工作，不断加大破冰船研制、升级、改良的力度，力求使破冰任务得到高效完成。

1  破冰船技术

1.1 类型  为了满足不同任务需求，破冰船类型也是多种多样：

①不对称专业破冰船。由于受到特殊功能与功率的制约，专业破冰船的尺寸不应过大，特别是在船宽方面，最好在20m左右。为了满足新的运输要求，促进港口航道发展，20m的破冰船已经无法满足新需求，如若采取两艘船同时破冰，势必会增加成本投入。对此，相关专家设计出一种新型不对称船体，该船在破冰过程中可以斜向航行，使破冰宽度增加，与全回转推进技术有机结合，使其更加灵活、通用、具有更强的操纵性;

②双向破冰船。此类船只是在双动力技术的支持下，增强破冰功能，以“Vasily Dinkov”号为例，船的首向与尾向均可连续破冰作业，在前进过程中适用于淌水而行，不但与船体线性生产要求相符合，还可解决经济性问题。值得注意的是，此类船只在尾部破冰时，并非单纯的冲撞破冰，而是灵魂的反复转动推进器，借助强大的水流，使海冰移动后冲走，最终全部崩塌，完成破冰目标，还可通过船尾转动的方式，使航道被拓宽;

③半潜式破冰船。此类船只不但能够在水面上航行，还能够半潜式航行，通过强化船壳与“梳子”式破冰机的方式完成破冰任务，操作原理为：下层船体在潜入到预定深度后，快速排出压载水，使船体上浮，借助“梳子式”破冰机构，将冰层顶破。此类船只的结构为浮力舱、压载水舱、主副机等，还具有一个高度约为20m的塔楼，内部设置驾驶台与控制系统。此类船只与普通船只相比，破冰效率更加明显，适用于5m后冰层的破冰作业。同时，还可将螺旋桨放入冰下，以此提高工作效能[1]。

1.2 特点  纵观船舶设计与建造史，破冰船的起步较晚，当前世界范围内破冰船建造能力最强的国家为美国、俄罗斯、德国、日本等，特别是以北冰洋为中心的几个国家，在船只设计与建造方面能力最强。破冰船的主要特点为：与船身尺寸相比，自重更大，可有效压垮海冰;在水线下方，船壳采用特殊涂料，可在低温状态下减少船体与冰面之间的摩擦;采用特殊性质的低温高性能钢材，在船只首、尾两端与水线周围进行加厚处理，例如瑞典研制的ODEN号破冰船，其钢材最厚处达到6cm;船首的角度更加平缓，使船只更易上海冰;推进器的功率增加，主要采用柴油机，也可使用蒸汽、核动力等进行推动[2]。

1.3 关键技术  根據破冰船技术演变历程可知，主要包括以下内容：

①船体设计。该因素对船只性能具有决定性作用。现阶段，船只设计主要影响因素在于船只四周碎冰流动的控制力。在设计中，舵与推进器的保护十分关键，主要采用不锈钢材料。

②辅助破冰能力。主要涉及到冲水系统、快速侧倾系统两项内容，前者通过大功率水泵将大量水引导船头，对冰面和雪面进行冲击，由此减少冰与船体间的摩擦;后者主要作用在密冰环境下，可使破冰船摇摆，摆脱两侧冰雪对船身产生的摩擦，确保船只不会被厚冰固定;此外，气泡发生系统可从船底喷出压缩空气，给予冰上浮的力，并使其在上升过程中破裂，还可降低摩擦，使船体的整体性能提升。

③推进装置设计。蒸汽发动机通过减速齿轮将动力传送给螺旋桨，在系统应用中，很容易因螺旋桨击打船头形成碎冰，导致机械受损。现阶段，该系统采用电器传动装置，使原动机与推进器分离开来，以此减少击冰受损。驱动系统还有助于设计出灵活的机舱，使船舶无需传动轴与减速齿轮便可运行。

④双重作用设计。该项设计具有极大的创新型，此类船体在运行时具有标准的适航特征，但在反向前进时，又可适用于破冰作业。在新一代极地考察船中，双重作用下设计的船体具有双全向吊舱、备用机械，并将不锈钢材料广泛的应用到船体与推进器中[3]。

2  破冰船的主要破冰方法

破冰船的船身坚固、动力大、船体结构特殊，可完成极区的各项任务。在南北区航行时，可能遇到浮冰区、陆缘冰区等海况，对于特殊情况，还可发挥新技术的作用，通过电力推进系统、辅助破冰系统等完成破冰任务。

2.1 浮冰区航行  当破冰船在该区域航行时，由于海冰的密集度不同，所选择的航速也有所区别，以免使船体受损。以雪龙号为例，其正常航行情况下，航速为15kn，当浮冰密集的区域内，3成以下速度降低到12kn以内，5-6成时速度降低到8-10kn，浮冰为8-10kn时，速度降低到3-5kn。在浮冰区航行时，不但要降低速度，还应灵活选择航向。船长应根据气象卫星系统，时刻关注水域情况，对海冰分布情况进行定位，选择正确的航行线路。在航行过程中，很容易受到风、流的影响，使浮冰位置发生改变，因此前行的航线也应随之做出调整。

通常情况下，船体与浮冰接触后不会受到很大损伤，但如若浮冰的硬度较大则会有所影响。当南北极夏季来临使，海冰不断消融，此时的浮冰较软，强度较低;当冬季到来时，浮冰强度增加，船只航行受阻，如若无法及时撤出海域，便很可能被海冰封住，这也是雪龙号在作业中，将最晚撤离时间定在3月中旬的原因。

2.2 陆缘区航行  该区域主要是指邻近沿岸连成片没有水的海冰区域，在该地的航行实则是破冰作业。在正式破冰之前，船长会选择恰当的路线，尽可能的以直线航行到目的地，避开沿线的冰山与冰脊，在陆缘区航行时，航向的调整难度较大，通常会对航线进行多次调整。对于破冰船来说，其破冰能力在设计时期便已确定，当海冰厚度在设计范围内，则船只会缓慢前行破冰，如若冰厚与设计厚度相同，则船只的破冰速度为2-3kn之间;如若小于设计厚度，则破冰速度会增加到4-5kn之间。当陆缘冰的厚度超过破冰能力时，可采取特殊的破冰方式，具体如下：

①旋回破冰法。主要方式为：船身与浮冰区边缘成30°角，船速在7-8kn内破冰。当船体的1/4进入浮冰区后，便开始用舵旋回。在破冰过程中，与当时浮冰厚度、性质相结合，对舵角进行控制，使船身进入浮冰区的距离得以调节。如若舵角较小，或者用舵过晚，则将导致船身入区过深，卡住无法旋转。每次旋回后，重新进入浮冰区之前，应对船首和区域边缘角度进行调整，确保在破冰时能够以螺旋状的形式前进，每个旋回圈的中心连线方向便是破冰方向。

②徒步破冰法。采用8-10kn速度撞击冰面，借助船体运动力量前进，在首次撞冰时，应明确前进方向，控制好破冰距离，尽量不超过船身的1/3，单次破冰距离不宜过长，以免陷入冰区无法拔出;首次撞冰后应倒车，使船身退出一定距离，再二次撞冰，撞冰方向为首次撞冰的左侧，破冰距离约为船身的2/3;在第三次撞冰时，与首次撞冰方向相同，由左至右交替破冰，使整个冰区航道宽度被拓展到1.5-2倍的船宽。此种破冰方式的要点在于船速的控制，每次破冰的距离要短，以免船身被左右浮冰卡住。除此以外，还要掌握倒车距离，以此提高破冰效率[4]。

2.3 新技术应用  ①吊舱式推进器。该设备是在吊舱内部安装电机，使推进器与操舵装置相结合，具有一体化特点，主要特征是可绕轴线旋转360°。该推进器的优势在于操控性良好、整体效率较高、机械装置较为精简、噪声较低、船舶有效容积增加。该推进器支持360°旋转，并与船首侧推进器相结合，使船只横向移动、原地旋转、多向航行。现阶段，该设备在“Baltika”号破冰船中得以应用，目前逐渐在科考船、运输船中普及。

②电力推进系统。该系统主要是指推进器与原动机之间相互独立，但与发电机相连的新系统。可为原动机提供充足的动力，将电力传送给发动机，由发动机驱动推进器。与传统推进设备相比，该系统在安全性、操控性、经济性等方面具有极大优势，当前应用最为广泛的是电力推进与吊舱式推进，可使船舶的推进效率、操纵性能得以提升，减轻自重，节省空间。将该系统应用到破冰船上，可使船只破冰时出现的轴系桨正倒车效率、螺旋桨转速、碰水损坏等问题得到有效解决，促进破冰船技术的发展与优化。

③辅助破冰系统。现阶段，辅助系统的内容与功能更加完善，包括冲水系统、气泡发生系统、倾斜系统等等，其中，冲水系统可通过大功率水泵，将大量海水泵到船前冰面，从而减少船体与冰面之间的摩擦，使船头更易上冰;气泡系统的功能在于对空气进行压缩后，从船体底部喷射出来，应用到冰层下方，使其受向上推力，在运动过程中破裂，同时还可应用到船体、海水、冰层之间，减少摩擦，使船只的破冰性能得到显著提升;倾斜系统的作用在于快速将水流由一侧泵到另一侧，也就是左右调驳，当破冰船遇到密冰环境时，也能够左右摇摆，减少船体两侧与冰面之间的摩擦，从而减轻破冰障碍。

④双动力技术。该技术主要是借助全回转电力推进技术，使船只前后均可航行。当前，该项技术已经在多种破冰船中应用，效果十分显著，如阿芙拉型原油船等。但是，该技术在成本投入、电推能源损失等方面要求较高，无法在低等级船只上广泛应用，因此需要后续加强研究。

3  结束语

综上所述，现阶段，随着南北极考察与海洋资源开发的不断深入，破冰船作为主要的工具，应加强对相关技术、现存问题的研究，并采取多样化措施，使破冰方法得到完善和优化。近年来，国内外在破冰船研究方面都有了新进展、新构想，一些特种装备与技术也得到了广泛应用，在很大程度上为我国破冰船的研究提供了有利参考。

参考文献：

[1]沈权，赵炎平.破冰船技术及几种破冰方法[J].航海技术，2018（1）：5-7.

[2]何菲菲.破冰船破冰载荷与破冰能力计算方法研究[D].哈尔滨工程大学，2018.

[3]于新伟，陈林，王化明，等.破冰船技术发展现状分析[J].造船技术，2019（3）：1-4.

[4]王平团，房玉吉，吕君.破冰船压载水調驳辅助破冰技术[J].船海工程，2019（02）：40-42.