具备冰区作业能力的远洋科考调查船研究与设计

胡 斌，张洪欣，谷志珉，刘婷婷

（国家海洋局北海海洋技术保障中心，山东 青岛 266034）

0 引 言

近年来，随着海洋权益需求的不断增加，国家对走向“极地”和“大洋”的需求越来越迫切，大型深远海调查船成为国家执行深远海任务的首选平台。当前，国家各有关单位都在积极加大对极地和海洋开发的研究和投入力度，迫切需要具备极地和大洋工作能力的深远海船舶［1-2］。

国内现有的冰区作业船舶主要是“雪龙”号船和“雪龙2”号船，常年执行南极和北极的科考保障任务。“雪龙”号船为改造船，船龄较长。“雪龙2”号船为我国自主研发、设计、建造的极地科考船，具有国际领先水平，有较强的代表性。这2艘船是我国当前执行极地任务的主体船舶，主要在极地地区完成人员投送、物资补给和监测调查等任务，同时兼顾极地救援功能。

近几年国内科考船的发展速度较快，近年来全国建造完成并下水的大型综合科考船有十余艘，加上原有的远洋调查船，组建了国家海洋调查船队，基本满足了我国现有的深远海调查任务需求。现有的远洋调查船的吨位大致在3 000～6 000 t，其中以最近下水或在建的“大洋号”“东方红3”号和“中山”号等船舶最具参考价值。

国内船舶在极地与大洋领域的任务区分相对明晰。近几年，“向阳红01”号等远洋科考调查船也执行过极区调查任务，主要在极区的敞水区域作业，对本文提出的船舶类型有一定的借鉴作用［3］。国内部分远洋科考调查船的主要参数见表1。

表1 国内部分远洋科考调查船的主要参数

1 船舶需求分析

参考国内相关船舶的设计和功能定位，根据国内极地与大洋调查任务工作量的不同，确定船舶设计定位应以深远海调查为主，辅以具备在“雪龙”号和“雪龙2”号船执行任务期间补充参与极地（以北极为主）任务的能力。船舶在常规情况下作为深远海科考调查船使用，当极地冰区或黄渤海冰区等区域有作业空缺时，可作为后备船舶执行调查或保障任务。该定位和需求的确定，既能满足船舶日常运行维护保养所需任务量的要求，又能作为我国自然资源权益在两极地区和我国黄渤海冰区等区域的有益补充，有效缓解用船压力，形成系统内船舶使用和运行的良性循环。

2 船舶功能分析

在设计该船时，在考虑其定位和需求的基础上，对其破冰能力和敞水航行能力提出了要求，两者之间存在一定的矛盾，如何兼顾成为船舶设计的重点。为使船舶在满足敞水适用性要求的同时具有一定的破冰能力，需从船型设计和船舶动力推进系统设计等方面进行针对性设计。同时，水下辐射噪声也是该船设计中的一个重要考量指标，直接关系到水下大量声学设备所采集数据的真实性和可靠性［4］。

破冰能力、动力推进系统和水下辐射噪声等3个指标对此类船舶的成功建造具有重要影响，是此类船舶设计的关键技术指标。

2.1 破冰能力

具有破冰能力是该船有别于常规科考船的重要特点，作为一艘能破冰的科考船，确定其破冰等级是首要设计目标。作为常规的深远海科考船，该船的吨位定在4 000左右，不能像“雪龙”号和“雪龙2”号一样在大吨位情况下进行重度破冰，破冰能力需根据自身等级确定。因此，主要破冰作业区域圈定为夏季的北极区域和冬季的黄渤海区域。北极夏季为7—9月，这是到北极考察的最佳时间，参照近几年7—9月北极冰区海冰的密集度变化，7月份北冰洋70°N～80°N范围内的楚科奇海冰区的冰线都在1 m以下，8月份和9月份该冰区的冰线甚至开始收缩。我国黄渤海区域冬季的冰层厚度自有记录以来最大为1.2 m，近年来随着气候的变化，最厚冰层的厚度越来越小；该区域的冰层全部是当年冰，属于强度较低的冰层。

目前，船舶的冰级定义主要从船舶服务的海域内海冰的冰龄、冰层厚度和冰层强度等3个方面区分，大致可分为当年冰（当年冰冻，冰层厚度不超过1.2 m，强度较低）和多年冰（2 a及2 a以上冰冻，冰层厚度可达3 m以上，强度较高）2类。当前国际上并无统一的强制性标准，国际船级社协会（International Association ofClassification Societies，IACS）、主要船级社及相关国家和机构都有自己的一套规范和定义标准，各类规范既有相似的地方，又有不同的理念，大致上分为面向船东和面向建造方2种。从船舶设计的角度（船东）出发，冰级定义的标准采用IACS标准更为方便简洁（见表2）［5］。

表2 IACS标准中的破冰船级描述

船舶对破冰能力的要求越高，船舶设计和建造成本就会越高。因此，应依照船舶的作业区域合理地对其破冰等级进行核定。根据以上对船舶主要作业区域的冰情分析，对应冰级分类，将该船的破冰等级定义为PC6较为符合其定位，即具备对冰层厚度小于1 m的当年冰的破冰能力。

2.2 动力推进系统

动力推进系统是船舶设计和建造中的关键一环，对船舶的航行动力、航行经济性、噪声和成本控制等起到决定性作用。

在动力推进方式方面，国内外主流的科考船大多采用双桨推进方式，尤其考虑到本文设计的船舶具备破冰能力，对其采用双桨推进方式。国内外现有的主流双桨推进方式主要有轴桨式、全回转式和吊舱式等3种，见图1［6］。

图1 3种推进方式船舶的概念设计示意图

上述3种推进方式各有利弊（见表3），具体如下：

表3 3种推进方式的优缺点对比

1）轴桨式推进系统的电机和轴承都在船体内部，虽然会占用船体一部分空间，但能最大程度地降低水下辐射噪声，尤其是高频段噪声。由于该系统采用直轴连接螺旋桨，因此相对来说动力损耗较少，但操作的灵活性较低，若船舶须具有动力定位能力，需通过增加艉部侧推器辅助实现。另外，轴桨式推进系统的购置成本和后期维护保养成本都较低。

2）全回转式推进系统主要分为水下和船体2部分，螺旋桨在水下，电机在船体内，二者之间通过转接轴承连接。该系统可实现水下360°旋转，操作较为方便，可规避部分水下辐射噪声。全回转推进系统的购置成本较高，后期维护成本不算太高。

3）吊舱式推进系统的电机置于船体外部，直接与螺旋桨相连，可在水下实现360°转动。这种设计能大大提升船舶的操作灵活性，不占用船舶建造空间，并能充分发挥电力推进方式的优越性。但是，该设计也存在一定的劣势：一是电机在水下，很难降低水下辐射噪声；二是购置成本较高，且因电机在水下，密封和维修较为困难，后期维护成本很高。

综合对比上述3种推进方式的优劣，该船的推进系统采用轴桨式推进系统较为合理。因为轴桨式推进系统的主要劣势在于操作的灵活性较差，其他方面的表现皆优于另外2种推进系统。在破冰船设计方面，现有新船往往会选择吊舱式推进系统，因为其在冰区具有很强的灵活性，可实现“倒车”等功能。但是，考虑到该船的作业任务以敞水的常规深远海调查为主，以冰区作业为辅，且在吊舱技术未出现之前破冰船采用的推进系统都是轴桨式推进系统，在该技术具备冰区作业的可实现性和可靠性的前提下，可牺牲一部分操作的灵活性提升船舶在成本控制和水下噪声控制等方面的性能［7］。

在动力方面，现有的主流调查船都采用电力推进方式，不同厂家建造的船舶可能在具体技术方面（如变频转矩等方面）有所区别，但其采用的电力推进系统整体来说性能较好，操作的灵活性较高，辐射噪声较小。为进一步提升船舶的续航能力，可适当降低对其最大航速和经济航速的要求，通过调整主机功率尽量匹配船舶的常用工作功率，以此降低油耗，提升船舶的深远海作业能力。

选择螺旋桨是动力推进系统中的另一个技术难题。现有的主流调查船采用的螺旋桨一般分为四叶桨和五叶桨2种。从船舶振动性能的角度考虑，在同等设计水平下，五叶桨在降低振动方面的表现优于四叶桨；从船舶推进效率的角度考虑，在同等设计水平下，四叶桨的推进效率高于五叶桨。综合考虑，由于螺旋桨噪声主要集中在较低的频率区间内，与大部分水下科考设备的振动频率不重合，可通过牺牲部分低频段船舶的振动性能提升船舶的推进效率，变相提升船舶的续航能力，提高船舶的深远海作业效率。因此，使用四叶桨对于该船而言是较优的设计方案。另外，选择螺旋桨材质也是一个技术难点，因为该船需具备一定的破冰能力。因此，选择破冰性能较好的铝制螺旋桨代替性价比较高的铜质螺旋桨是更优的设计方案［8］。

2.3 水下辐射噪声

当前的科考船越来越重视调查设备所采集数据的质量，大部分调查设备都是水下的声学设备，船舶本身的辐射噪声会对这些设备产生影响，因此科考船对水下辐射噪声的影响越来越重视［9-10］。

当前国际上最权威的水下噪声等级标准是挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）提出的SILENT水下噪声等级标准，入级符号共有SILENT-A、SILENT-S、SILENT-F和SILENT-R等4个，其中：SILENT-A对高频段的要求较高；SILENT-S主要针对低频段；SILENT-F主要针对渔业探测频段；SILENT-R主要针对高精尖的水下声学设备。2018年10月，中国船级社（China Classification Society，CCS）发布了《船舶水下辐射噪声指南》，给出了水下噪声入籍符号Underwater Noise 1（CCS_URN_1）、Underwater Noise 2（CCS_URN_2）和UnderwaterNoise 3（CCS_URN_3），对应的等级要求与DNV等级对比见图2［11-12］。

图2 DNV与CCS的水下噪声等级对比

船舶作业所需多波束、声学多普勒流速剖面仪和浅地层剖面仪等水下设备的频率主要集中在中高频段，因此中高频段的水下噪声带来的影响较为明显。同时，噪声等级控制涉及船型设计、船舶动力推进系统设计、降噪工艺设计和船舶建造工艺设计等船舶设计建造中的几乎所有环节，提高一点噪声等级控制能力会使船舶建造成本成倍增加。因此，综合考虑船舶设计需求和经济适用性，选择SILENT-A＋SILENT-S较为理想。在低频段，可降低一部分噪声要求；在高频段，全力保证噪声等级满足大多数水下声学设备的使用要求。此种设计能在最大程度地保障科考船的噪声控制的同时，有效降低造船成本。

3 结 语

本文从远洋科考调查船的定位和需求入手，针对船舶设计和建造过程中面临的几个重大技术问题，提出了设计指标和设计方向，使船舶能在破冰能力与深远海科考调查能力2个方面合理兼顾，最大程度地利用现有资源完成科考调查任务。当然，本文提出的设计方向和内容主要考虑的是船舶的定位和需求指标，船型、布局和工艺等也是此类船舶能否建成并达到要求的重要影响因素，需在设计和建造船舶过程中予以关注。