极地科学及技术学科布局与发展的探索与研究

薛彦卓 狄少丞 倪宝玉 鞠磊

【摘要】面向“冰上丝绸之路”建设的国家战略需求，充分借助和发挥哈尔滨工程大学在极地船舶设计制造领域的雄厚技术储备，开展极地科学与技术学科布局与发展的探索与研究，为我国极地战略的开展提供技术支撑。

【关键词】极地科学及技术  极地学科  极地发展

【基金项目】哈尔滨工程大学教改立项《极地科学及技术学科布局与发展的探索与研究》（JG10217Y02）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）09-0254-02

1.引言

随着全球气候变暖，北极冰盖逐渐融化，北极航线的开通可能性大大提高。北极航道是连接太平洋北部与大西洋北部最短的航线，极大缩短了同处于北半球的欧洲、北美和东亚之间的海上航线距离;北极地区藏有丰富的资源，包括矿产资源和可再生资源，丰富油气资源使北极地区被称为“第二个中东”。

2013年5月15日，中国正式成为北极理事会“永久观察员国”，这不但意味着北极理事会成员国已经理解和认可了中国在北极的活动和相关主张，也预示着中国在北极事务中将拥有更大发言权和扮演更重要角色，在北极资源勘探开发、航线开辟及科考等方面将拥有更大的运作空间。2016年7月，国务院发布《“十三五”国家科技创新规划》，明确提出：发展深地、极地关键核心技术等内容。《中国制造2025》中明确提出“重点开展适用不同冰级要求的极地油船、集装箱船等船舶研制，重点研究PC3、PC4冰级的船舶，实现安全、经济、环保特征处于国际先进水平”。 2017年7月3日，国家主席习近平与俄罗斯总统普京提出要开展北极航道合作，共同打造“冰上丝绸之路”。2018年1月，《中国的北极政策》白皮书正式发布，明确表达了“中国是北极的利益攸关方”这一立场。

极地科学及技术学科布局与发展的探索与研究是为了对标“十三五”国家科技创新规划、“中国制造2025”、“冰上丝绸之路”等国家战略，满足国家和行业对北极航道和极地资源开发中装备制造能力和关键技术问题的迫切需求，充分借助哈尔滨工程大学高纬度地理位置和发挥哈尔滨工程大学在极地船舶领域的雄厚技术储备。依托学校现有的学科优势和基础，重点梳理了极地船型开发与设计技术、极地导航、极地通信、极地声学、极地甲板机械、极地动力、极地材料等研究方向， 对推动我国极地科学与技术领域的学科布局与发展具有积极的促进作用。

2.国内现状

国内对于极地领域的研究重点多集中在极地科学领域，主要包括：极地环境与气候、极地生态与微生物、极地地质等，多属于地球科学，对于工程与装备领域的研究较少，也没有相对完整的体系，缺少综合性、集成性的学科布局。

中国科学院的低温工程学重点实验室是我国唯一综合性的低温工程科学技術研究单位，是中国制冷学会制冷与低温专业委员会的主任单位，围绕低温工程学的重要基础问题和关键核心技术研究。中国科学院的冰冻圈科学国家重点实验室围绕冰冻圈过程、机理及冰冻圈与其它圈层相互作用等科学前沿问题开展大量的研究工作。国家海洋局的中国极地研究中心是我国开展极地科学研究的重要依托平台，主要实施考察、标本搜集整理、极地考察装备研制，观察极地雪冰-海洋与全球变化，研究极区电离层-磁层耦合与天气和极地生态环境及生命科学等。大连海事大学的北极海事研究中心立足北极海事、服务国家航运主要开展北极通航立法、北极战略和政策研究、北极地区气候和水文气象和北极自然资源和环境保护的研究。大连理工大学主要开展了海冰厚度和融池、冰下海水温度变化、海冰表面形态特征等研究。

3.极地学科群

围绕“冰上丝绸之路”的建设和极地资源的开发利用的重大需求，开展极地科学与技术学科布局与发展的探索与研究，重点围绕极地船型开发与设计技术、极地导航、极地通信、极地声学、极地甲板机械、极地动力、极地材料等研究方向， 对推动我国极地科学与技术领域的学科布局与发展具有积极的促进作用。各学科的主要内容总结如下：

（1）极地船型开发与设计技术

极地船型开发与设计技术研究主要包括极地船舶结构性能和运动性能研究、极地船舶与海洋平台设计方法、冰池实验技术等。其中极地船舶结构性能包含冰载荷的理论模型与数值方法、海冰-结构碰撞的模型实验技术、不同破冰模式下船舶结构强度校核、不同破冰模式下船舶疲劳强度校核、船舶碰撞海冰破损后剩余强度研究、船冰碰撞过程结构响应分析和船舶冰激振动和舱室冲击噪声传播规律等子方向。

（2）极地导航

极地导航研究内容主要包括极区高精度组合导航理论与技术、极区智能安全航海方法、极区多元海洋环境信息获取、集成与服务技术和极区精密测绘方法等。其中极区高精度组合导航理论与技术包含极区典型环境条件下导航传感器测试方法与研究、极区环境下多传感器信息融合理论与方法、组合导航系统的极区导航体系和极区导航综合模拟测试理论与方法等子方向。

（3）极地通信

极地通信技术主要包括极地多源遥感海冰监测技术和极地高可靠通信系统技术等。其中极地多源遥感海冰监测技术包含面向极地海冰监测的多源遥感影像预处理技术、面向极地海域精确分类的光谱特征选择技术、基于高光谱影像极地海域分类技术、基于高分辨率光学影像的浮冰检测和分布形态鉴别技术和基于多时相影像的浮冰形态变化检测及评估技术等子方向。

（4）极地声学

极地声学技术主要包括冰下声学物理特性研究、冰下水声技术研究和极地水声设备与系统研发等。其中冰下声学物理特性研究包含冰层散射及混响特性研究与建模、冰下水声信道特性研究与建模、极地噪声场监测技术与特性研究、冰体内声传播特性研究和冰-水、冰-空气、冰-雪界面声学特性研究等子方向。

（5）极地甲板机械

极地甲板机械主要包括极地船舶上层建筑结构防覆冰/雪设计、极地环境长期服役防冰/疏冰涂层技术和极地船舶除冰技术及设备研发技术等。其中极地船舶上层建筑结构防覆冰/雪设计包含结构表面形冰过程模拟及覆冰预报、霜-霾-冰形成机制及上层建筑防霜霾流场设计和上层建筑防溅淋构造及防冰/除冰一体化设计等子方向。

（6）极地动力

极地动力主要包括极地环境下发动机工作适应能力研究、极地环境下动力系统集成匹配技术研究和极地环境下超清洁发动机技术研究等。其中极地环境下发动机工作适应能力研究包含低温进排气问题、极地环境对动力系统影响规律和低温启动、冷却问题等子方向。

（7）极地材料

极地材料主要包括极地用耐低温高性能钢、复合板及评价技术、极地用宽温域耐低温阻尼高分子材料和极地船舶分区涂层防护体系研究等。其中极地用耐低温高性能钢、复合板及评价技术包含50mm厚 -60°C以下极地用355MPa和500MPa钢、极地用不锈钢复合板、极地环境对材料性能变化的影响研究、极地环境下材料性能评价和极地船舶工程示范应用等子方向。

4.总结

极地蕴含的巨大政治、经济、科技、军事利益，正越来越成为国际争夺的重要目标和新的战略要地。我国在地缘上虽不属于环极地国家，但国际间急剧升温的北极战略利益的博弈，与我国的战略利益和长远发展密切相关。本文充分借助哈尔滨工程大学高纬度地理位置和发挥哈尔滨工程大学在极地船舶领域的雄厚技术储备，提出了极地科学及技术学科布局与发展的探索与研究，总结了极地学科群建设及发展中的主要内容，对推动我国极地科学与技术领域的学科布局与发展具有积极的促进作用。

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