极地科考船主尺度选型研究

2022-10-19韩艺锋郑亚雄

科技创新与应用 2022年29期

韩艺锋，郑亚雄

（1.中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510715；2.武汉船舶职业技术学院，武汉 430050）

破冰船在近北极圈国家分布广泛，主要用于科考、货运和旅游等用途。极地科考船是破冰船的一种，主要搭载极地科学研究设备，用于极地气象、水文等环境研究。近年来随着科技进步和全球气候变化，极地地区科学、经济、军事战略地位凸显。随着人类探索边界的不断延伸，各海洋强国和近极地国家都以极地作为未来发展的重要方向和利益关切所在，维持有一定数量的极地科考船以彰显极地战略需求。根据欧洲海洋委员会统计，世界目前PC5 级以上（包括PC5）的中型重型极地科考船共21 艘，PC6 至PC7 级的轻型极地科考船共13 艘，在建极地科考船13 艘[1]。

1 极地科考船分布

极地科考船是具有破冰能力能满足极地水域科学考察，兼具极地科考站后勤物资补给能力的特种船舶。由于一般船舶设计寿命为30 年，即使采用延寿保养措施，也很少超过40 年，因此在对世界各国极地科考船调查研究时，重点选取1980 年后的船舶进行统计分析[2]。总体来看，各海洋强国的极地科考船的发展呈现以下特点。

1.1 极地科考船体系化

俄美加等国极地科考船数量多，破冰等级从高到低成体系化发展，能同时在南北极开展科考。随着雪龙2 号的服役，我国的极地科考船虽然数量有所增长，但尚未完全形成常态化极地科考船舶体系。

1.2 破冰能力加强

加拿大、美国发展的重型极地科考船破冰等级PC2，能连续破2～2.5 m 厚冰层，能够更好地深入高纬度海域进行科考和护航。随着雪龙2 号的服役，我国极地科考船破冰能力有所增强，但总体来说依旧不足。

1.3 船舶功能综合化

各国近年来设计建造的中型和重型极地科考船均有多系统科考设备和实验室，而且还能携带集装箱实验室、移动式科考设备和潜水器，配有货舱能够向科考站提供物资和燃料补给，配有直升机、登陆艇和工作艇等满足航道观测、航空补给及浅水作业等需求，多元化的需求使得极地科考船承担多面手的功能。

1.4 船舶智能化、环保化、舒适化

船舶设计上向智能化、环保化、舒适化发展，通过为极地科考船设备配备信息化系统和智能化传感器，实现包括科考数据在内的多种信息的获取、交换和远程传输。船舶有害气体排放满足最新的国际公约，减少对极地的污染。船体水下辐射噪声低，降低对水听器的影响。

随着时代发展，各国纷纷制定极地战略，开始兴建极地科考船，在世界范围内目前的分布情况见表1。

表1 极地科考船的建造数量分布情况

从表1 中看出，极地科考船分布的国家非常广，但每个国家所拥有的数量并不多，其主要原因是，极地科考船的造价和养护成本较高，极地科研投入大，回报周期长，此类项目基本都是由国家层面进行主导[3]。因此，极地科考船的总体设计和尺度论证需要开展大量细致的研究工作，以获取经济性和船舶性能的最优平衡。

2 主尺度选型分析

在船舶设计中，船长、型宽、吃水、排水量等主尺度对性能有直接影响，还对极地科考船的破冰性能有影响[4]。在破冰性能衡量中，有国际通用的PC 系列[5]，也有ABS、DNV 等船级社规范规定的编号序列[6]，文章中均采用PC系列。由于我国极地科考船基本都是PC5 级以上，因此在进行主尺度对比分析时选取PC3、PC4、PC5 级船舶，详情见表2。

美国目前有PC5 级以上的极地科考船3 艘，分别是纳撒尼尔·B·帕尔默号（RVIB Nathaniel B.Palmer），希利号（Healy、WAGB-20）和西库廖克号（RV Sikuliaq）。帕尔默号负责执行美国南极计划，主要任务是向美国南极科考站运输人员和货物，执行南极海域的海洋环境、海洋地质、海冰变化和海洋生物的调查任务。“希利”号和“西库廖克”号主要在北极海域开展多学科海洋科考，2 船加入了美国大学国家海洋实验室系统船队（UNOLS），利用效率高。美国的极地科考船上科考设备齐全，以最新服役的“西库廖克”号为例，船上设有A 型架、3 台吊车和升降鳍板等科考支持设备，安装了多波束声纳测深仪、ADCP、海底浅地层剖面仪和CTD 温盐深仪等调查设备。船上实验室总面积209 m2，包括主实验室、湿实验室和生物分析实验室等。美国正在建造3 艘重型极地科考船，该型船长140.2 m，宽26.8 m，满载排水量约为23 300 t。采用电力推进方式，推进器为2 个ABB 吊舱和1 个螺旋桨，总功率33.7 MW，破冰等级PC2，3 节航速下能连续破2 m 厚的冰层。定员186 人，自持力80 d，船上还为武器预留安装位置。

俄罗斯PC5 级以上的极地科考船2 艘，分别是费奥多罗夫院士（Akademik Fyodorov）号、特列什尼科夫院士（Akademik Tryoshnikov）号。其现役22220 型核动力破冰船轴功率60 MW，能连续破2.9 m 厚的冰层。费奥多罗夫院士号和特列什尼科夫院士号是俄罗斯极地科考的主力，多次前往南极和北极海域。2021 年第67次俄罗斯南极考察由2 船共同承担。2007 年8 月，一支俄罗斯科考队搭乘“费奥多罗夫院士”号科考船使用载人潜水器在北冰洋罗蒙诺索夫海岭插上了俄罗斯国旗，意图宣示俄罗斯的主权，证明北极附近富含油气资源的大陆架是俄罗斯领土的自然延伸。特列什尼科夫院士号曾在执行“穿越北极—2019”科考活动时作为季节性浮冰漂流站研究北极海洋—冰—大气系统。在建的“领袖”级核动力破冰船轴功率120 MW，能连续破4.1 m 的冰层。在建的北极点号极地科考船，破冰等级PC5，长83.1 m，宽22.5 m，排水量约1 万t，轴功率3 600 kW，定员48 人，可进行海洋地质、地球物理和水文调查。该船是作为可执行12 个月的科研任务的北冰洋浮冰漂流站而设计的。

加拿大现有PC5 级以上的极地科考船2 艘，包括路易斯·圣劳伦特号（CCGS Louis S.St Laurent）和阿蒙森号（Amundsen）。加拿大计划建造2 艘约翰·迪芬贝克型（CCGS John G.Diefenbaker）重型极地科考船。该船排水量约23 500 t，船长150.1 m，设计水线长137.6 m，型宽28 m，吃水10.5 m，型深13.5 m。该船的动力系统由4 台8 400 kW 柴油机和2 台3 000 kW 柴油机组成，总功率为39 600 kW，驱动2 个11 MW 的螺旋桨（位于船尾两侧）和1 个12 MW 的吊舱推进器（位于船尾中间），巡航速度12 节，最高航速18 节，续航力26 000 海里。2 台1 900 kW 的艏侧推可提供操纵性。冰区等级PC2，3 节航速下连续破2.5 m 厚冰加0.3 m 厚雪。自持力270 d，定员100 人，包括60 名船员和40 名科考人员，其科考设施包括实验室和模块化集装箱、通用货舱和月池，机库可容纳2 架中型直升机。

欧洲各国目前拥有的PC5 级以上极地科考船有6艘，为英国的大卫·爱登堡爵士号（RRS Sir David Attenborough）、德国的极星号（Polaerstern）、挪威的哈康王储号（RV Kronprins Haakon）、瑞典的奥登号（RV Oden）、法国的星空号（MV L'Astrolabe）和意大利的劳拉·巴斯号（RV Laura Bassi）。欧盟在这些极地科考船的基础上成立了欧洲北极研究破冰船联盟（ARICE），为欧洲提供更好的北极研究平台。目前欧洲范围内仅德国计划建造一艘新型极地科考船极星2 号，计划2023 年开工，2027 年完工。船长145 m，型宽27.3 m，吃水11 m，排水量26 000 t，在3 节航速下能连续破1.8 m 冰层，载货量1 000 t，定员110 人，科考设备齐全，船舶设计绿色低噪音。

南半球国家拥有的PC5 级以上3 艘，澳大利亚努伊娜号（RSV Nuyina）、南非阿古拉斯2 号（SA Agulhas II）、阿根廷伊里萨尔海军上将号（ARA Almirante Irízar）。努伊娜号是目前世界最先进的极地科考船之一，该船可在-30～45 ℃的气温和-2～32 ℃的水温中正常航行。可以存放包括96 个集装箱在内的1 200 t 固体货物和1 671 t 的液体货物。船上可以搭载4 架轻型直升机（AS350）或2 架中型直升机（S92），还有2 艘载重量45 t 的铝制转运驳船和4 艘工作艇。智利正在建造南极1 号(Antarctic I）极地科考船，船长111 m，型宽21 m，型深10.6 m，吃水7.2 m，排水量10 000 t，定员120 人，续航力14 000 海里，自持力60 d，破冰等级PC5，能够在-30 ℃的环境下正常航行，3 节航速下连续破冰1 m，船首货舱可以装载集装箱、车辆和燃料，配有2 台20 t 起重机吊运货物，满足南极科考站补给要求。阿根廷计划建造尼古拉耶夫船长号极地科考船，由芬兰阿克北极技术公司设计，船长131.5 m，型宽23.9 m，设计吃水8 m，型深11.3 m，续航力15 000 海里，定员165 人，破冰等级PC4，能以2 节航速连续破1.3 m 厚冰层。

亚洲各国拥有的PC5 级以上（包括PC5）极地科考船5 艘，包括日本的白濑号（AGB-5003），韩国的阿里郎号（ARAON），我国的雪龙号、雪龙2 号和中山大学·极地号。日本目前计划建造北极科考船，力争2026 年投入使用。该船全长128 m、宽23 m，可载99 人，破冰等级PC5，将搭载先进的气象观测雷达和仪器，装备高性能无人探测器，通过对海冰、海水和海底堆积物等的取样、分析，弄清海冰因气候变暖而融化的机制，掌握极地生态系统的变化情况。韩国计划建造北极科考船，力争2027 年投入使用。新船破冰等级PC3，排水量超过10 000 t，定员约70 人，针对北极气候、海洋、生物和地质等多方面展开研究。我国自然资源部北海局在建有3 000 t级破冰型海洋调查船，该船具有DP-1 级动力定位能力，破冰等级PC6，总长87.3 m，型宽17 m，型深8 m，设计吃水（+凸出龙骨）5.5（+0.4）m。定员为60 人，其中船员25 人，科考人员34 人，机动1 人。续航力8 000海里/12节时，自持力60 d，最大航速15.5 节，服务航速12 节，可实现无级变速，破冰航速1.5～2 节，该船有良好的耐波性和抗风浪能力，采用减摇水舱，在4 级海况满足调查作业要求，7 级海况安全航行。

在表2 中对世界范围内PC5 以上主尺度进行对比，船长、行宽、吃水和排水量中单一参数与破冰等级的关系并不明确，因此，需要开展无因次化处理，来有效地发掘主尺度与破冰能力的关系。无因次化处理主要通过船型系数的计算来实现，通过已知参数求得长宽比、宽度吃水比和方形系数，无因次化分析结果如图1 所示。

表2 极地科考船主尺度对比

从图1 中长宽比、宽度吃水比、方形系数等重要船型系数的统计可以看出，在长宽比和宽度吃水比的选择上，随着技术进步发生了显著变化。长宽比由3.5～7.5 的范围，缩减至4.5～6.0；宽度吃水比由2.0～2.7 的范围，漂移至2.5～3.0；但方形系数总体上变化不大。其主要原因是近些年来，极地科考对于破冰能力的要求越来越高，主机、科考设备等专项技术也取得长足进展，因此长宽比、宽度吃水比等直接影响破冰性能的船型参数发生了趋势性变化。

图1 典型船型系数

3 破冰等级与主尺度系数分析

极地科考船破冰能力主要取决于船型和动力系统及其匹配性，在选型设计中一般根据母型船参数或冰水池模型试验结果进行论证。从破冰船的发展历程来看，主尺度和破冰等级是需要全面考虑来确定的一对矛盾关系。一般来说船舶越瘦削，破冰等级越高；但船舶过于瘦削，尺度空间不利于主机选型布置、货物运输和科考仪器设备展开等。下面对不同破冰等级船型的长宽比、宽度吃水比和方形系数进行分析，如图2 所示。