“雪龙2”号南极首航破冰试验

吴 刚，唐文勇，王庆凯，赵炎平，马乔一，李志军

（1.上海交通大学，上海 200030；2.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；3.大连理工大学a.海岸和近海工程国家重点实验室；b.船舶工程学院，辽宁大连 116024；4.中国极地研究中心，上海 200136；5.中国船级社，上海 200135）

0 引 言

南北两极拥有特殊的地理位置并蕴含科学价值，开展极地科学考察、开发极地航道等具有重大战略意义。我国分别于1984 年和1999 年首次开展南极和北极考察，至今已进行到第36 次南极考察和第11 次北极考察。近年来，随着北极夏季海冰的加速消融，北极航道的经济效益日趋显著。我国自2013 年开始参与北极东北航道商业航行，在一定的季节、货品和港口条件下，成本优势正在逐步显现[1]。我国是国际极地事务的重要参与方，近年来积极参与国际极地事务合作和科学考察工作，通过实际工作越来越发觉到极地重大工程技术装备的重要性。极地工作装备先行，其中最重要的装备就是极地破冰船和高等级的冰区加强型船舶。而我国破冰船数量极少，尤其是能在极地航行的更少；而且，相较于环极地国家，我国仍缺乏极地破冰船的实船工程经验。

“雪龙2”号是国际上首个采用极地规则设计的新一代极地科考破冰船，也是全球第一艘采用船艏、船艉双向破冰技术的极地科考破冰船。该船由自然资源部所属中国极地研究中心组织实施，中国船舶第七〇八研究所设计（其基本设计与芬兰阿克北极公司联合完成），江南造船厂建造，获得了中国船级社（CCS）和英国劳氏船级社（LR）双船级认证。“雪龙2”号极地船级为PC3，设计破冰能力为以2～3 kn的航速在150 cm 厚度的冰（弯曲强度为500 kPa）和20 cm 厚度的雪的条件下连续破冰航行，可实现极区原地回转，且不被20 m 厚度的当年冰脊卡住。“雪龙2”号下水后已先后完成倾斜试验、系柱拉力试验、海上试航、科考试航等常规测试，而根据设计破冰指标，其破冰性能需到极地冰区进行冰上实船测试。

破冰船的破冰试验即在自然条件下验证其破冰能力是否满足设计要求，并掌握新船冰区航行的各项性能，为船长提供操作指导。芬兰等北极国家曾多次开展破冰船破冰试验[2-3]。近年来，韩国学者利用“Araon”号在南北极也开展了一系列破冰试验[4-5]。除开展破冰试验外，破冰船也可以作为载体开展冰载荷实船研究。如Suyuthi 等在“Svalbard”号船艏和船舯肋骨上安装光纤传感器测量冰激应变，获得船舶局部冰压，并开展破冰船局部冰阻力的统计分析和极值预报[6]；Johnston等测量“Terry Fox”号破冰航行时六自由度运动状态进而获得船体总体冰阻力[7]。而我国尚未自主开展过极地破冰船破冰试验，我国建造的北极凝淅油轮“Boris Sokolov”号也是在芬兰阿克北极公司的支持下完成了破冰试验。我国极地破冰船冰载荷相关研究仍处于起步阶段。Huang 等开展了不同冰条件下船舶航行阻力的模型试验[8]；刘俊杰等利用有限元方法模拟了碎冰区内船舶与浮冰的碰撞过程[9]；孔帅和季顺迎采用广义接触模型建立了船舶结构冰载荷计算的离散元方法[10]；崔洪宇等在“雪龙”号船艏肋骨上临时安装应变传感器监测冰激结构响应[11]。“雪龙2”号结合智能船体研究，在建造时预装了光纤传感器，未来可以用于船体应力长期监测和冰载荷分析[12]。

破冰能力实船测试是破冰船验收的重要环节。在中国第36次南极考察期间，由中国船舶第七〇八研究所担任技术牵头单位，组成了有大连理工大学、中国船级社、芬兰阿克北极公司、中国极地研究中心在内的破冰试验小组负责“雪龙2”号破冰试验的策划、实施、记录和评估。2019 年11 月“雪龙2”号于南极普里兹湾固定冰区进行艏、艉双向的破冰能力测试。本文详细介绍了破冰试验的流程和测试情况，并基于实测冰力学性能和功率测量数据等对“雪龙2”号破冰能力进行了初步评估。“雪龙2”号破冰实验是我国首次自主组织开展的专业破冰船冰上实船测试，试验数据和经验可为我国开展后续的破冰船设计建造提供参考。

1“雪龙2”号破冰试航中的试验测量

普里兹湾位于东南极大陆沿岸海域，是我国科考船进出中山站的必经水路。“雪龙2”号于2019年11月中旬抵达普里兹湾外围海域，于下旬向中山站方向破冰，并在普利兹湾内固定冰区寻找合适区域进行破冰试验，并最终在南纬69°、东经76°附近选择一处开阔平整冰面为试验区域（图1）。该区域远离冰山，冰面无明显裂隙并覆盖有紧致硬积雪，零星分布着冰脊和重叠冰，水深为498 m。

图1 破冰试验区域Fig.1 Ice trial site

1.1 试验区冰、雪厚度测量

通过前期找冰工作确定目标试验区域后，需对该区域冰、雪厚度进行冰面实测，同时确定破冰试验的航向。以“雪龙2”号为圆心，对其船艏方向一定距离半圆范围内的冰、雪厚度进行测量（图2），且着重测量冰面起伏处的冰、雪厚度；如冰面平整，则根据现场情况可减少测量点位。雪厚测量方法为利用钢尺（精度±0.1 cm）插入原状雪层至冰/雪界面（钢尺无法进一步插入即认为至冰/雪界面）；冰厚测量方法为首先用冰麻花钻将雪厚测量点处原状冰层钻透，随后用冰尺（精度±0.2 cm）测量冰雪总厚度，减去雪厚即为冰厚测量值。根据冰面实际情况，现场共测量15 个点位的冰、雪厚度，测量结果如图3所示。试验区域平均冰厚为140.3±19.8 cm，平均雪厚为27.9±13.8 cm，与“雪龙2”号设计冰条件相近。冰厚离散系数为0.14，表明冰层厚度分布较均匀；而南极风速较大，导致雪厚分布离散性较大，离散系数为0.49。

图2 冰、雪厚度测量点位Fig.2 Ice and snow thickness measurement points

图3 冰、雪厚度测量结果Fig.3 Measurement results of ice and snow thicknesses

1.2 冰层特性测量

1.2.1 冰物理特性测量

海冰的物理性质决定其力学性质，因此需要对目标试验区域的冰层物理性质进行测量。利用冰芯钻钻取两根完整冰芯分别用于测量海冰温度和盐度竖直剖面，测量时气温为0.3°C，表层海水温度为-2.1°C，表层海水盐度为33.6 ppt；获取第一根冰芯后，立即以10 cm 间距在冰芯表面钻小孔至其内部，将温度传感器（精度±0.2°C）探针深入孔内，并以冰屑覆盖，防止太阳辐射对冰温测量造成影响，示数稳定后读取冰温；冰温测量结束后，钻取第二根冰芯，之后立即将其切成长度为10 cm 的冰芯段，并用自封袋保存带回“雪龙”2；待冰芯段完全融化后，用盐度计（精度±0.1 ppt）在室温下测量融冰水盐度。冰层温度、盐度竖直剖面如图4 所示。海冰温度介于-1.9～-3.5°C，平均冰温为-2.6±0.6°C，表层冰温受积雪保温作用而表现为冰温随深度增加而降低，表层以下冰温随深度增加而增加。海冰盐度介于3.9～7.3 ppt，平均盐度为5.2±1.3 ppt。海冰盐度较高，且竖直剖面呈“C”形，表明该冰层为处于生长末期的当年冰[13]。

图4 冰物理特性测量结果Fig.4 Measurement results of ice physical properties

1.2.2 冰力学特性测量

破冰船在平整冰区连续破冰时，冰层最终失效形式为弯曲破坏[14]。因此，海冰力学特性测量主要获取其弯曲强度，该测量数据对评估破冰船的冰阻力至关重要。实船试验通常采用现场力学试验的方式测量海冰的弯曲强度，包括悬臂梁弯曲试验和三点弯曲试验。考虑到“雪龙2”号破冰厚度较大，本试验选择所需试样尺寸较小的三点弯曲试验来测量目标冰区的海冰弯曲强度。

在目标试验区域选择一处平整冰面切取冰坯，实测冰厚为145 cm，雪厚为30 cm。考虑到切冰区域可能远离母船，因此使用一套独立供电的冰坯切割系统，包括发电机、电链锯、油锯、板锯、麻花钻和冰芯钻。为满足现场和后续实验室冰力学试验需求，切割冰坯截面尺寸为120 cm×100 cm。首先利用电链锯在冰面划线放样进行初步切割；随后用油锯沿放样边界进行深度切割；再利用板锯进行完全切割；最后用冰芯钻和麻花钻在冰坯四角处钻孔，以保证四角完全连通。

冰坯提升系统包括小型龙门吊、手拉葫芦和冰勾，如图5（a）所示。在冰坯表面短边中线距两侧边缘各20 cm处用麻花钻钻孔至冰底，分别将冰勾放入孔内并撑住冰底；冰勾顶端与手拉葫芦连接，人工起吊将冰坯提升至冰面。为减小海冰温度变化对其力学强度的影响，通常在冰坯提升后随即在冰面进行冰力学试验。但由于现场气象条件突变，不宜继续进行冰面试验，因此利用“雪龙2”号的船艉克林吊将冰坯快速吊装至艉甲板继续进行后续冰力学测试。

图5 冰力学特性采样和测量设备Fig.5 Equipment for ice sampling and measurement

三点弯曲试验在“雪龙2”号艉甲板展开，试验时气温约为0°C。用油锯将冰坯以10 cm 间距从上至下切开，之后用电链锯将其加工成尺寸约为7 cm×7 cm×70 cm 的三点弯曲冰梁试样，试样长轴方向与冰面平行。弯曲试验设备如图5（b）所示，使用液压油泵加载系统作为试验压力机，配有冰试样支撑架提供简支方式支撑，支撑架跨长为59.5 cm。压力机荷载由力传感器（量程：500 N，精度：±0.1 N）实时记录，采集频率为200.0 Hz。试验时需保证试样跨中受力，且试样最终在跨中发生破坏，则为有效试验，弯曲强度的计算方法如式（1）所示。表1给出的是三点弯曲试验结果，试样破坏时间约为1 s，加载速率为648.9～932 kPa/s，平均弯曲强度为718.6±47.6 kPa，离散系数为0.07，表明数据较集中。

表1 弯曲试验结果Tab.1 Measurement results of sea ice flexural strength

式中，σ为弯曲强度，P为破坏荷载，l为冰梁跨度，b为冰试样截面宽度，h为冰试样截面高度。

1.3 实船数据测量

“雪龙2”号于2019年11月26日进行平整冰破冰试验（图6）。试验时，船舶艏、艉吃水均为8.1 m，冰下流速为0.8 m/s，风速为6.3 m/s，风向为87.6º。艏向破冰试验时，船舶以约6 kn 的速度进入试验冰层；当船舶全部进入冰层后，以100%的推进功率保持船舶稳定航行约200 m，平均航速约为0.9 kn。艉向破冰试验时，船体以约3 kn 的速度进入试验冰层，当船舶全部进入冰层后，保持80%的推进功率稳定航行约240 m，平均航速为2 kn；随后增加推进功率至100%，发现船速增加至高于3 kn。试验过程中同时记录艏向角、舵角、推进功率、螺旋桨转速、扭矩、全船振动和加热防寒系统的工作情况。

2“雪龙2”号破冰试航的试验修正和结果分析

以上测量记录了破冰试验时冰雪参数和在此环境下实船破冰工况的数据，然而破冰试验的目的是得到破冰船实际的破冰能力，同时与设计工况和冰池模型试验的结果展开对比分析。当环境条件（冰漂移速度、水深、风速、积雪厚度、积雪密度、冰强度、冰厚等）与设计工况有偏差时，需要进行相应的数据修正和结果分析。当前我国缺少大型冰池且缺乏破冰船实船试验的经验积累，相关修正均参考国外经验公式。需要说明的是，这些有关破冰船全尺度性能验证和修正的方法也存在较大的不确定性，这仍旧是当今破冰船研发和试验技术的前沿。我国破冰船数量极少，应更加重视破冰船的实船应用研究。本章主要讨论其中两个重要的修正，即积雪厚度和密度修正（以下简称积雪修正）以及冰的强度修正（以下简称冰强修正）。

2.1 积雪修正

冰上积雪影响破冰船的破冰性能，积雪厚度、密度和破冰模式下船身与雪的动摩擦系数对于试验修正和分析结果有直接影响。根据经验，通常由具体情况将雪厚按系数折减后计入当量冰厚来表征积雪对船体破冰性能的影响。根据本船的破冰特性，当艏向破冰时，参考国外有关经验公式[15]可将雪厚的4/5计入当量冰厚，如式（2）；当艉向破冰时，由于螺旋桨所激起水流的润滑作用，积雪对破冰性能的影响减小，当量冰厚计算方法如式（3）～（4）。这些公式在不同破冰特性、不同方向破冰时会有所不同。表2 给出的是目标试验区在假定冰层弯曲强度为500 kPa 的情况下，艏、艉向破冰当量冰厚的统计结果。当量冰厚离散程度均较小，离散系数分别为0.11和0.1。

表2 试验区域冰层厚度积雪修正结果Tab.2 Corrected ice thickness according to snow thickness

式中，Hequ为当量冰厚（cm），Hice和Hsnow分别为冰、雪厚度的实测值（cm）。

以上当量冰厚取得后，需根据积雪物理特性确定的厚度依赖指数X把当量冰厚修正到目标冰阻力中，如式（5）所示。

式中，Ricecorr1为积雪修正后的船舶冰阻力，Rice为试验冰况下的冰阻力，Htarget为目标冰厚，Hequ为试验冰层的当量冰厚。系数X是在不同厚度范围根据不同破冰试验的结果确定的，有很强的统计经验性。

2.2 冰强修正

海冰弯曲强度有明显的时空差异，难以保证试验区域的海冰弯曲强度与设计指标相同。阻力和功率的最终结果也需要针对该偏差进行校正。根据相关试验研究，通常模型试验在目标冰弯曲强度较低时，似乎高估了破冰性能。在冰强修正中，通常遵循线性比例修正的原则，将冰强修正到冰阻力中，如式（6）所示：

式中，Ricecorr2为冰强修正后的船舶冰阻力，Rice为试验冰况下的冰阻力，σtarget为目标冰弯曲强度，σmeas为试验冰层的弯曲强度。系数b根据不同破冰方向和冰强度范围取值，有很强的统计经验性。

2.3 试验结果分析

2.3.1 净推力曲线分析法

由于测试时间、航路和气候变化等具体原因，“雪龙2”号破冰试验的现场环境与设计冰况不完全相同，艏向和艉向两个方向的破冰速度均需换算到标准设计冰况上来进行破冰能力的具体评估。以艏向破冰为例，最终破冰速度需结合实船破冰试验与模型试验结果做统一分析。船舶在破冰试验时保持稳定航行，忽略风阻力和冰块漂移，假定船舶净推力与冰阻力基本相等。根据“雪龙2”号模型试验给出的100%功率净推力曲线（图7 实线），可得在试验冰况下（σmeas=718.6 kPa，Hequ=162.6 cm）船舶的冰阻力为1 569 kN。为得到设计冰弯曲强度下的船舶冰阻力，根据式（6）对冰阻力进行冰强修正，得到冰强修正后冰况（σtarget=500 kPa，Hequ=162.6 cm）下的船舶冰阻力为1 341 kN，其中根据经验，b取0.476。为进一步得到设计冰、雪厚度下的船舶冰阻力，根据式（5）继续对冰阻力进行积雪修正，最终得到设计冰况（σtarget=500 kPa，Htarget=156.7 cm）下的船舶冰阻力为1 285 kN，其中根据经验，X取1.15。认为试验冰况下船舶冰阻力随速度的变化趋势与“雪龙2”号模型试验得到的线性关系一致，如图7虚线所示；以修正后的船舶冰阻力为基点，以相同斜率与模型试验净推力曲线相交，得设计冰况下的船舶艏向破冰速度为2.3 kn。表明“雪龙2”号平整冰艏向破冰能力满足设计要求。

图7 基于净推力曲线评估“雪龙2”号艏向破冰试验结果Fig.7 Evaluation of ahead ice-breaking ability of R/V Xuelong 2 based on net thrust curve

2.3.2 Lindqvist公式分析法

需要注意的是，由于未进行“雪龙2”号净推力的实船测试以及未获得不同厚度冰层、不同破冰功率下的实船破冰速度，2.3.1小节中基于净推力曲线分析的破冰能力评估参考了部分模型试验结果，导致评估结果存在不确定性。因此，本节采用经验公式分析法确定试验冰况下“雪龙2”号冰阻力，评估其艏向破冰能力。目前，Lindqvist公式是较常用的破冰船平整冰区冰阻力计算公式[16]，如式（7）～（10）：

式中，Rc为挤压破坏阻力，Rb为弯曲破坏阻力，Rs为浸没阻力，Rt为总阻力，H为冰厚（取平均当量冰厚），σ为冰弯曲强度，E为冰弹性模量（取2.0 GPa），ν为冰泊松比（取0.3），μk为冰与船体动摩擦系数（取0.1），ρw为海水密度（取1 025.0 kg/m3），ρi为海冰密度（取917 kg/m3），V为船速（m/s），L为船舶长度，T为船舶吃水，B为船舶型宽，ϕ为船艏倾角，α为进流角，Ψ为压冰角（tanψ=tanϕ/sinα）（船型参数取值见表3），g为重力加速度。

表3 “雪龙2”号船体参数Tab.3 Ship parameters of R/V Xuelong 2

同样考虑破冰试验时船舶保持稳定航行，忽略风阻力和冰块漂移，则船舶冰阻力与净推力相等。根据Lindqvist公式，由试验冰层的厚度、弯曲强度和“雪龙2”号破冰试验速度及船型参数，计算得破冰试验冰阻力即测量点净推力为1 350 kN。认为实船净推力随速度变化趋势与“雪龙2”号模型试验结果一致，根据测量点净推力对模型试验净推力曲线进行修正（图8）。令修正后净推力曲线与由Lindqvist 公式计算的设计冰况下速度-冰阻力曲线相交，交点处速度为2.5 kn，表明“雪龙2”号平整冰艏向破冰能力满足设计要求。

图8 基于Lindqvist公式评估“雪龙2”号艏向破冰试验结果Fig.8 Evaluation of ahead ice-breaking ability of R/V Xuelong 2 based on Lindqvist equations

3 关于“雪龙2”号破冰试验的相关思考

我国之前尚未进行过破冰船破冰能力的专业实船测试，“雪龙2”号破冰试验也多借鉴国外破冰试验的方法。我国海冰工程虽已积累近半个世纪，但近年来才开始关注极地海冰工程，尤其是与破冰船相关的冰载荷研究。根据“雪龙2”号破冰试验，着眼我国极地破冰船未来发展，作者提出如下需解决的问题：

（1）冰力学问题 冰弯曲强度是评估船舶冰阻力的重要参数，因此测量试验冰层的弯曲强度是破冰船破冰试验的重要环节。目前常用的冰弯曲强度测量方法除悬臂梁弯曲试验和三点弯曲试验外，还有基于海冰物理参数判断的卤水体积法[17]。悬臂梁弯曲试验可保持冰梁的原位状态，获得最可靠的强度参数，但试验费时费力，难以在极地厚冰条件下展开。三点弯曲试验虽然可以节约时间和劳力，但采样过程中冰内卤水流失对冰强度造成的影响难以定量评估。海冰的成分影响其力学性质，卤水体积法以冰内卤水体积分数为代表参数来表征海冰弯曲强度。但海冰的弯曲强度同时受其微观结构影响，这些性质往往与海冰的生长环境有关，因此卤水体积法有较强的区域适用条件。如根据1.2.1小节实测的冰层平均温度和盐度，用目前常用的卤水体积法公式[17]，计算得到的冰层弯曲强度值与试验实测结果相差较大。此外，由于忽略了冰内气体含量，卤水体积法往往会高估融化期海冰的弯曲强度。目前，国外破冰船破冰试验多采用三点弯曲试验法和卤水体积法[18]。建议针对以上三种弯曲强度试验方法之间的差异，结合大量的现场测量数据进行量化，形成一套科学的弯曲强度组合测量和相互校对的方法。

（2）雪力学问题 冰上积雪会影响船舶破冰性能。虽然可以通过经验公式将雪厚折减计入当量冰厚来表征雪对破冰船破冰性能的影响，但上述公式的建立机制及适用条件并不清楚。随着堆积时间的增加以及风压、风化、冻融作用，雪的含水量、密度等物理性质会发生变化，进而影响其硬度、强度、摩擦系数等力学性质。因此，不同物理性质的雪的折减系数理应不同。美国等国家为建设南极冰上机场曾深入开展雪力学性质的研究[19]，而我国此前冰工程的发展恰恰忽视了雪的工程作用，需要在后期工作中加强关注。

（3）连续采集系统 相对基于海冰性能预测的模型试验，实尺度破冰试验仅得到单一结果，其准确性有限。某些参数（如冰厚）的修正、相关性和校正方法是合理存在的，同时也是在坚实的数据库基础上发展起来的。但对于有重大影响的其他一些主要影响因素的量化却是极为困难的，如雪摩擦系数、冰与螺旋桨的相互作用、尺度效应等，这需要投入大量的研究。为改进和研究相关预测方法，在实船试验时可采用连续测量系统，至少可以对冰和雪的厚度、船舶速度、功率等进行连续采集，这可以将收集到的足够数据进行处理和分类，并采用统计分析的方法。应该说，这种采集系统的实现结合现场个别抽样数据的验证，将比标准的单一性能测试数据更真实。

（4）试验人员和装备 在极地进行冰雪力学试验要求快速、实时，且最好能连续采集，因此特别需要专业的试验人员和完善的试验装备。目前，成熟的冰层钻取设备为冰芯钻，但其只能在垂直冰面方向钻取直径约10 cm 的圆柱试样，无法满足部分冰力学试验对更大试样和平行冰面方向加载的要求。因此，破冰船破冰试验均采用人工切割吊装的冰坯采集方式，难以实现连续采集，且无法应对极地天气系统的突变。我国极地破冰船和极地海洋工程的现场试验需尽快发展专业的试验测试队伍和完善的极地装备。

4 结 语

中国于第36 次南极考察期间，在普里兹湾当年固定冰区组织完成了“雪龙2”号平整冰破冰能力的实船测试，摸索出了一套“选择试验冰区—冰雪厚度测量—冰雪特性测量—实船数据测量”的现场试验流程。结合经验修正公式，利用净推力曲线分析法和Lindqvist 经验公式分析法对船舶艏向破冰能力进行了评估，结果表明“雪龙2”号平整冰艏向破冰能力满足设计要求。需要说明的是，由于缺少破冰船实船测试经验，本文未对上述分析方法涉及的经验公式适用条件和参数选取进行深入探讨，此外，冰-船作用的随机性也会造成评估与实船破冰速度之间的差异。本次试验是我国在极地首次自主开展的专业实船破冰测试，全面总结其经验有助于我国更系统地开展后续新建破冰船的设计与研究工作。