中国极地科考破冰船航行实践和未来极地船型发展建议

2023-03-05黄嵘

船舶 2023年1期

黄嵘

（中国极地研究中心上海 201209）

0 引言

两极地区（北纬66°以北，南纬60°以南）的陆地面积约2 200 万km2，其中南极洲面积约为 1 400 万km2，是全球纬度最高的大陆，绝大部分地区常年被冰雪覆盖[1]。海洋面积约3 300 万km2，海洋约占两极地区总面积的60%。随着北极海冰的迅速融化、两极大陆架油气资源的高度预期[2]，以及冰区海洋生物资源商业捕捞可能性的增加，两极海洋作为极地战略目标区域的重要地位日益凸显，刺激和引导各极地考察国家战略投资的方向朝向这片冰封的海洋及其洋底的大陆架区域。

近年来，极地资源与权益的纷争暗流涌动，约6 000 万 km2无明确主权归属的陆地和海洋蕴藏的丰富战略资源对人类未来的可持续发展影响至关重要。世界主要的国家（如美国、德国和澳大利亚等）[3-5]近年来在较高的极地考察能力基础上进一步加强了对于极地的投入力度，我国作为世界上第二大经济体，在新一轮的极地多元化考察和资源探索中也应有所作为。

面对国际上对南北极潜在利益争夺进一步升温的态势，我国除在政策、法规和科研等领域加强对极地的深度研究之外，非常有必要进一步加强我国的极地考察平台建设[6]，全面提升目前主要依赖于站基的南北极考察能力，努力建设一支可周年性活动在极地区域的极地破冰船队，有效拓展极地考察的空间地理范围和考察时间尺度。

有关主权权益的调查活动具有明显的紧迫性，因为这类活动总是表现出历史单向性和唯一性。如有关主权权益的调查活动需要超过10 年以上的时间才能完成，将会直接影响维权决策的科学性和时效性。

按照上述思路考虑，我国极地工作实际需要的工作船舶应该不少于美俄两国的规模，否则将永远无法与国际先进的极地工作同步。因此，我国极地工作的理想常态为极地破冰船保用量5～ 6 艘，从而更好地以国家战略为先导、以科学考察为载体、以船基的长时间大范围考察方式为基础，为我国在极地区域主权、资源和科学方面取得必需的成果。无论未来国际局势如何变幻，我们将以雄厚的实力全面提升我国在国际极地事务上的发言权和影响力，为我国取得更多更大的极地权益，成为一支重要的力量，助推中华民族在21 世纪中叶迎来伟大复兴。

1 我国极地科学考察船现状

我国的极地考察任务由中国极地研究中心承担。中国极地研究中心是中国唯一专门从事极地考察的科学研究和保障业务中心，现有“雪龙”号[7]和“雪龙2”号[8]共2 艘极地科考破冰船，以及4个南极考察站和2 个北极考察站。目前每年由2 艘雪龙系列的极地科考破冰船为南极考察站提供物资保障，同时进行极地冰区和大洋考察任务。

“雪龙”号是我国于1993 年从乌克兰购买的1艘北极多用途船，原属乌克兰赫尔松船厂，破冰等级为PC6。该船自1994 年购入后，已历经数次改装，从原先的北冰洋多用途船改装成为兼备极地科考和货运的极地科考船，到目前为止一共承担了24 次南极考察和9 次北极考察任务。“雪龙”号最近一次改装于2004 年启动论证，至2013 年完成（两期改装）。改装工程进行了总布置优化及设备更新换代，融合了船舶平台、科考平台、物流平台、绿色节能、航空保障、极地救援、通信指挥、适航性、操纵性、舒适性、安全性和电气自动化的提升，并挖掘改进破冰潜能，使“雪龙”号转变为1 艘兼具敞水、极地科学考察功能，可为极地考察站提供物资运输保障的极地破冰科学考察船。该船目前概况如图1[9]所示。

图1 “雪龙”号船舶概况图

“雪龙2”号极地科考船是中国首艘自主建造的极地科学考察破冰船，于2019 年7 月交付使用。该船还是全球首艘采用船首和船尾双向破冰技术的极地科考破冰船，实船照片如下页图2所示。

图2 “雪龙2”号实船图（摄于2019 年11 月）

“雪龙2”号能够在1.5 m 厚冰+0.2 m 雪中连续破冰航行，填补了中国在极地科考重大装备领域的空白。该船由国外公司完成基本设计，国内由中国船舶与海洋工程设计研究院完成详细设计，江南造船厂实现建造。其总长122.5 m、排水量约1.4 万t、破冰等级为PC3，满足包括极区在内的无限航区航行和作业需求，艏向破冰时能以2～ 3 kn 航速连续破1.5 m 厚的冰+0.2 m 的雪；艉向破冰可在20 m当年冰的冰脊中（含4 m 堆积层）不被卡住，且可实现冰区快速掉头[10]。

综合上述，我国现有考察船的总体情况为最大破冰能力PC3，根据船舶的现有能力，在每年北半球夏季时进行北极考察任务，在南半球夏季时进行南极考察任务。

2 近3 年中国极地考察航行情况

自2019 年“雪龙2”号交付使用后，我国的极地考察能力实现大幅提升，为我国的极地考察和大洋科考注入了新的活力，近几年的极地考察任务得到加强扩充。

2.1 中国第36次南极考察

“雪龙2”号于2019 年10 月15 日启航首航南极，与“雪龙”号一起展开“双龙探极”，形成中国南极考察新格局。两船于11 月15 日到达中山站外围浮冰区，期间曾发生2 次“雪龙”号在普里兹湾九层浮冰区中被卡后无法动弹，随后靠“雪龙2”号掉头解救的情况，如图3所示。

图3 “雪龙2”号在浮冰区中解救“雪龙”号

11 月21 日中午，“雪龙2”号正式开始第1次对中山站外陆缘冰进行破冰作业，破冰照片如图4 所示。当年冰情良好，整体冰厚1.35～ 1.55 m、雪厚40～ 80 cm，“雪龙2”号穿越冰山群，共计花费11 h 左右，破固定冰超过14 n mile（25.928 km），到达了神州湾北部区域，距离中山站约10 km。

图4 “雪龙2”号中山站外首次破陆缘冰

“雪龙”号跟航“雪龙2”号开辟的航道，得以挺进中山站陆缘冰纵深，很大程度上缩短了运货距离，大大提高了中山站物资的卸货效率。本次考察双龙船队在11 月份距离中山站约10 km，是我国极地考察船装备在南极考察季前期，首次较近距离接近中山站，大大缩短了物资装备和油料补给的运输距离，同时节省了物资装卸时间，为考察船队执行考察任务延长了时间窗口期。“雪龙2”号的首航极大地鼓舞了极地考察工作人员的士气，凸显了我国极地装备能力的提升。

2.2 中国第37次南极考察

“雪龙2”号于2020 年11 月10 日从上海起航，奔赴南极执行科学考察任务，本次为“雪龙2”号单船航行。2020 年12 月19 日21∶00，“雪龙2”号穿过普里兹湾冰间湖到达固定冰外浮冰区。浮冰区北面边缘为南纬68°38′，浮冰区密度9～ 10 层，冰厚约1.2 m，积雪约50 cm。经过9 h的浮冰区航行，其中冲撞破冰4 次（破冰记录如表1 所示），于12月20 日06∶00 到达中山站外固定冰外缘，外缘位置位于南纬69°02′附近。

表1 第37 次南极考察“雪龙2”号中山站外固定冰破冰数据记录

当年冰情不理想，整个固定冰区域以乱冰为主且存在较多冰脊，其中较大的冰脊多呈东北-西南向，普里兹湾东侧传统破冰路线上多为乱冰，并分布较多冰脊及冰山。图5 为2020 年12 月20 日所测得的中山站附近冰情图。

图5 2020 年12 月20 日中山站附近冰情图

从海冰服务专题信息和实际探冰情况来看，无论哪个方向进入固定冰都较为困难。经过综合评判规划，确定了相对较好的破冰路线后，“雪龙2”号在中山站外固定冰区域开始破冰。当时由于冰厚1.2～1.5 m、积雪40～100 cm，且间断性夹杂多年冰脊等原因破冰受阻，此次破冰共进行了5 d，最后船舶停航位置距离中山站约27 km，开始使用直升机从船上远距离吊运物资至中山站。“雪龙2”号无法到达距离中山站更近的位置，使我们认识到了现有极地装备能力的局限性。

2.3 中国第38次南极考察

2021 年11 月5 日，中国第38 次南极科学考察队继续前行。“雪龙”号从上海先行出发前往中山站，“雪龙2”号于11 月23 日出发前往南极长城站等地执行科考任务，本次考察为第2 次进行双龙探极。“雪龙”号于12 月3 日进入普里兹湾浮冰区，12 月5 日抵达中山站陆缘冰外围。此次冰情与上一年度类似，陆缘冰外围还有2 n mile 左右的乱冰带，冰厚逾2 m，已远超“雪龙”号的破冰能力。经过18 d 的艰苦破冰，于12 月23 日停止前进。最终，船舶停航位置距离中山站约28 km，第1 阶段的卸货等工作只能借助直升机吊运作业，时间与油料消耗大大增加。

2.4 中国第11次和12次北极考察

2020 年7 月15 日，中国第11 次北极科学考察队暨“雪龙2”号首航北极从上海启航，于9 月28 日顺利返回位于上海的中国极地考察国内基地码头，历时76 d，航程超1.38 万n mile，冰区航行5 152 n mile（航时约696 h）。

2021 年7 月12 日，中国第12 次北极考察队搭乘“雪龙2”号从上海起航，历时79 d，航程1.4万n mile，冰区航行超5 100 n mile。2021 年9 月28 日，圆满完成考察任务后，“雪龙2”号顺利返回上海基地码头。

“雪龙2”号进行的2 次北极考察任务，由于受考察航线上冰厚、密度及考察时间等综合因素限制，最高纬度分别到达86°10.14′N 和86°09.56′N，未能到达北极点。

2.5 我国极地科考特点

通过第36～38次南极考察和第11～ 12 次北极考察的船队航行情况可以发现，目前我国的两极考察任务由于装备能力因素，具有如下特点：

（1）时间限制。目前的极地科考船只能在极区夏季进行，极区冬季无法进入，也就意味着时间段制约着我国的极地科考能力。

（2）地点限制。主要是当年冰情条件相对理想，但随后2 年由于冰情、雪厚和冰脊等多种因素以及编队中雪龙船能力的限制等问题，船舶无法更接近考察站。为了节省时间、减少船站之间的货运距离，应该进一步向更厚冰层区域突进，突破地点的限制，实现新的能力提升。

两极地区由于能源和地缘政治及战略因素等，越来越被各国所重视，且美国和俄罗斯等西方国家的极地装备能力建设十分强大，我国的装备十分有必要突破时间和地点限制，使之能到达我们想去的地方和能够去的地方，这就需要不断提升极地装备的能力。因此，我国亟需建设更强大的极地装备——重型破冰船。

3 重型破冰船研究现状及建设需求

3.1 国外重型破冰船建设情况

虽然破冰船的发展历史长达120 多年，但如何界定破冰船能力的高低却迟迟未有统一的标准，国际船级社协会在《极地级船舶要求》中通过PC7至PC1 等7 个级别来界定破冰船在对应环境下的安全航行能力。目前对重型破冰船的通用定义为：结构冰级一般不小于PC2 级，破冰厚度不小于2 m，装机功率超过33 MW，能破多年冰，能长时间在极地绝大部分海域航行的破冰船。

俄罗斯、美国和法国是少数几个拥有重型破冰船装备的国家。近几年，国际上主要国家已建、在建及拟建的重型破冰船均有相应计划，都在提升两极地区的装备能力。

俄罗斯近几年重型破冰船的建造包括新“北极”级（Arktika-Class）首制船“Arktika”号（如图6所示），其已于2020 年10 月交付。该型船任务使命主要是为包括大型LNGC 在内的运输船提供抵达俄罗斯各资源产出地港口的破冰服务，并为浅海区的码头、海洋平台及油田等提供物资燃料与设备运输补给。该型船长173.3 m、宽34 m，满载排水量 3.35 万t，装备2 套175 MW 的PITM-200 压水反应堆，最大推进功率60 MW。新“北极”级破冰能力达到以2 kn 持续破冰2.8～ 2.9 m，该船为电力推进，推进形式为推进电机驱动三轴桨驱动[11]。

图6 俄罗斯新“北极”级 “Arktika”号

“领袖”级（Lider-Class）是俄罗斯冰山设计局主持研发的最新一代重型破冰船[12]，如图7所示。

图7 俄罗斯“领袖”级（Lider-Class）

其任务使命较新“北极”级而言，除了保持全年东北航道的畅通，还需要保持从航运经济性角度考虑的引航航速。从破冰能力看，该型船的设计指标达到了以2 kn 在4.3 m 层冰（考虑0.2 m 积雪）持续破冰航行，而在2 m 层冰中的连续破冰速度则达到12 kn。该船推进形式也是电力推进形式，由推进电机驱动轴系和螺旋桨。

“Viktor Chernomyrdin”号破冰船（LK-25）是目前俄罗斯采用常规动力的重型破冰船，已于2020 年交付。其船长146.8 m、船宽28.5 m、吃水 9.5 m、满载排水量22 600 t，破冰等级为PC2 级，采用柴电推进，最大推进功率25 MW。该船采用两边吊舱加中间轴桨的推进方式，最大航速17 kn，破冰能力为2.1 m，船舶概念图如图8 所示。美国海岸警卫队（USCG）极地安全舰（Polar Security Cutter）预计在2025 年实现首舰交付，满载排水量约23 300 t，冰级PC2 级，采用柴电动力系统，推进功率达到33.7 MW，如图9 所示[13]。全船采用中间一组轴桨加两侧吊舱的混合推进模式。此种推进方式是近年来在重型破冰船型应用较多的方案，一方面吊舱提供了在冰区良好的操纵与回转性能，另一方面根据敞水、冰区等不同的功率需求切换推进形式和功率分配，有效提升综合节能效果。

图8 俄罗斯“Viktor Chernomyrdin”号破冰船

图9 美国重型极地安全巡逻舰

加拿大也在加紧建造自己的重型破冰船“John G.Diefenbaker”号，如图10 所示，公布的首舰交付时间预计为2030 年。该船排水量约23 700 t、冰级为PC2 级、总装机功率约39.6 MW、推进功率达到34 MW，采用12 MW 的中间吊舱和两侧 11 MW 的轴桨混合推进方式[14]。该型重型破冰船功能包括物资运输、科学考察和模块化搭载等多种功能。根据资料显示，其具备在2.6 m 层冰厚度下连续破冰航行的能力，且具有较好的冰区回转、星状回转操作性能。该船为电力推进，推进形式为两侧电机驱动轴系及螺旋桨，中间为1个吊舱推进器。

图10 加拿大重型破冰船“John G.Diefenbaker”号

对上述提到的国际、国内重要破冰船性能进行汇总整理，结果见表2。

表2 典型破冰船性能汇总表

续表2

3.2 我国对重型破冰船建设要求

通过实施目前和未来新的科考破冰船项目，打造一支能够执行科考任务和保护北极安全环保发展前景的中国科考破冰船队，对维护我国极地战略利益具有十分重要的意义。同时，通过实施科考破冰船项目这一典型示范工程，将科考破冰船的关键和基础技术延伸至冰区航行船舶领域，提升船型技术的关联应用，实现冰区航行船舶设计建造和冰区船用设备开发的突破，实现“装备先行”战略。

结合我国的极地考察任务需求，为了突破时间限制和地点限制的要求，替代现有的雪龙船功能，拓展提升新船的功能，拥有极地补给、极地科考、破冰开道和应急救援等功能。我国的重型破冰船的建造设想，从地理位置应考虑较强的续航力和适航性；采用最优船型设计和综合经济性最佳的动力推进系统，破冰能力满足在两极水域中等厚度多年海冰中破冰航行，建议破冰能力不低于PC2 等级；防寒能力能实现-40℃的极地气温覆盖[15-16]；从实践操控灵活性、船舶机动性能以及螺旋桨冰堵所需超扭矩性能等方面综合考虑，电力推进方式比常规主机加上CPP 推进形式更具优越性和安全性，并且考虑推进器在保障设备可靠性的前提下提升国产设备的应用[17]。推进形式的考虑需兼顾如下工况：

（1）极地破冰能力的需求；

（2）多工况作业特点以及长航程航行需求；

（3）兼顾船舶科考作业功能的灵活操纵性要求。