极地装备技术与工程新兴交叉学科建设与探索

倪宝玉 薛彦卓 鲁阳

摘    要：文章面向极地认知、保护和开发利用的需求，立足于哈尔滨工程大学船舶与海洋工程优势学科特色，充分借助和发挥哈尔滨工程大学在极地装备领域的雄厚技术储备，开展极地装备技术与工程新兴交叉学科建设方向的布局与发展的探索和研究，为我国极地战略实施提供人才储备方略。

关键词：极地装备技术与工程；交叉学科；极地战略；极地发展

中图分类号：G642          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2023）08-0036-03

极地，特别是北极，资源蕴藏丰富，航运潜力巨大，战略位置特殊，已引起全世界的关注。俄罗斯、美国、北欧等国家和地区高度关注极地装备技术与工程的发展，纷纷出台相关的战略文件，例如俄罗斯的《2035年前国家北极政策基础》、美国的《蓝色北极——北极战略蓝图》，对极地科学技术、工程装备、人才培养等均提出了明确要求[1-2]。《中国的北极政策》指出，“中国是北极事务的重要利益攸关方”，需“加强北极人才培养和科普教育，支持高校和科研机构培养北极自然和社会科学领域的专业人才”。

极地自然环境恶劣，极地装备的工作环境面临着极寒、低温冰冻、冰块杂多、狭窄航道、能见度差、复杂地磁、电磁环境、救援困难等挑战，给极地装备技术与工程带来了巨大的挑战。以船舶为例，船舶从敞水域向极地发展，面临的主要载荷由波浪载荷转变为海冰载荷，海冰载荷具有脉冲性且均值较波浪载荷大得多，对船舶局部结构产生较大冲击，可能造成船舶冰损、冰困等事故。此外，低温也会造成船舶设备失效、稳性降低等危害。为此，开展极地装备技术与工程的基础研究和学科建设，揭示极地装备技术与工程的本质规律，培养极地装备技术与工程的专业人才，必要而迫切。

《中国的北极政策》白皮书指出，“技术装备是认

知、利用和保护北极的基础”。极地装备技术与工程学科点的设立，立足于哈尔滨工程大学船舶与海洋工程优势学科特色，紧扣国家极地战略、振兴东北老工业基地区域发展战略，积极推进黑龙江省极地装备龙头工程建设，为地方建设服务，以船舶与海洋工程、动力工程及工程热物理、控制科学与工程、信息与通信工程、材料科学与工程等学科中涉及极地技术问题为研究对象，综合自然科学、工程技术等相关学科的理论、方法和技术，研究领域涵盖极地冰载荷环境、极地船舶与海洋工程、极地通信与导航工程、极地装备与材料低温适应性等，突出解决跨学科交叉产生的极地海洋环境载荷与结构物响应耦合作用机理和分析方法等科学问题和关键技术，培养跨学科交叉的极地装备技术与工程领域的高端复合人才[3]。

一、国内外现状调研及分析

目前，在国内开设的极地技术与工程相关的专业和课程的高校中，较为突出的包含天津大学、大连理工大学、哈尔滨工程大学、北京师范大学、中山大学、中国海洋大学、吉林大学等，但是均比较关注于单一学科或领域的研究，且课程体量较小，例如天津大学的冰力学课程（选修课，24学时）、哈尔滨工程大学的冰水船耦合运动学导论（研究生选修课，32学时）等，均没有设置面向极地技术与装备行业培养专门复合型人才的学科。2018年4月，北京师范大学联合国内25所高校牵头成立了“中国高校极地联合研究中心”，旨在搭建高校极地研究协同合作与交流的平台、高校极地对外交流合作的窗口以及极地交叉人才培养的基地和服务极地科技与外交的智库。该中心为我国极地科学和技术的联合研究起到了促进作用，但是没有完整的学科体系，尚无法直接培养多学科交叉的极地复合型人才。

在极地技术和人才培养方面，芬兰、挪威、丹麦等北欧国家和俄罗斯均走在世界前列。芬兰阿尔托大学设有北极技术（Arctic Technology）专业，授予机械工程硕士学位，课程涉及冬季航行、船舶和结构上的冰载荷、结构设计、冰力学和一般应用力学等。丹麦理工大学（牵头单位）、挪威科技大学、芬兰阿尔托大学联合设立了寒冷气候工程（Cold Climate Engineering）专业，学生需要在上述3所高校中的任何2个大学中修满120

ECTS的学分，并获取双硕士学位。该专业旨在提升极地技术和支撑极地可持续发展，主要研究方向包含极地船舶与海洋工程、极地岩土工程、极地遥感与测绘等，课程涉及北极和海洋工程、极地结构上的冰作用、极地基础工程、极地资源开发与发展等。此外，在北极理事会领导和支持下，“北极大学联盟”于2001年6月成立，目前成员包括环北极8国和非北极国家的超过150个成员机构和组织，例如美国华盛顿大学、丹麦奥尔堡大学、加拿大阿尔伯塔大学、英国杜伦大学等，中国的成员大学包含中国海洋大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学等。该联盟致力于通过合作研究，推动环北极地区的可持续发展等。

极地装备技术与工程是集力学、工程、通信、导航、材料等多学科交叉的战略性高技术，我国目前在相关课程设置上零散，学科体系上尚没有布局，缺乏针对极地技术与工程特点的交叉学科，不能满足极地工程与装备领域的技术需求。极地工程与装备领域的发展亟待高校设置具有多学科交叉特点的极地技术与工程学科专业，建立具有多学科交叉特点的极地装备技术与工程课程体系和人才培养方案。上述可见，建立具有多学科交叉特点的极地技术与工程学科势在必行。

二、学科主要研究方向及研究内容

极地技术与工程学科根据国际上学科发展动态，面向极地工程与装备的技术发展需求，针对极地冰载荷环境、极地船舶与海洋工程、极地通信与导航工程、极地装备与材料低温适应性等研究方向开展研究，主要研究内容如下[4]。

（一）極地冰载荷环境

1.冰力学。研究冰的物理和力学性质，冰的本构关系，冰的裂纹扩展形式，冰与结构相互作用过程中冰的断裂、破碎机制，结构物上冰载荷特征，冰力学行为的物理实验和数值模拟技术。

2.冰水耦合力学。研究冰与水、波浪、海流等动力因素的相互作用，浪流在多种类型海冰中传播的能量衰减理论，风浪流作用下的海冰破碎与漂移堆积机制，冰水耦合力学的物理实验和数值模拟技术。

（二）极地船舶与海洋工程

1.极地船舶与海洋结构物设计制造。研究破冰船、极地航行船舶、水下航行器、海洋平台等结构物在冰水耦合载荷下的运动性能和结构响应特征，研究、设计、开发极地船舶与海洋结构物新构型，研究极地船舶与海洋结构物建造、检验、维修和管理的基础理论和方法。

2.极地船舶与海洋结构物动力系统。研究极地低温环境下极地船舶与海洋结构物动力系统能质循环机理与热功转换规律，研究极地动力系统的低温燃烧技术、低污染排放技术、安全设计与评估技术、智能化控制技术，研究极地动力装置数字化技术、故障诊断与健康管理技术。

（三）极地通信与导航工程

1.极地水声技术。研究极地冰下声场特性和冰下声学技术，主要包括极地冰层声学特性、极地冰下声传播、极地冰下噪声场特性、极地冰下混响场特性，研究冰下水声通信技术、冰下导航定位技术、冰下水声探测技术，发展与极地冰下声场特性适配的水声信号处理技术，评估、预报、提升声纳极地冰下作用性能。

2.极地通信技术。特指冰下水声通信以外的通信技术，主要包括北极海区冰、水、地各海洋水文环境要素和海洋地球物理信息的多模异构特征，研究极地环境对无线通信信道影响、建立极地无线通信信道模型，研究极地环境无线通信设备可靠性技术。

3.极地导航技术。特指冰下水声导航以外的导航技术，研究极地特殊物理场作用下导航系统误差产生与传播的机理，建立极地导航参考框架及其在该框架下的导航方法，研究惯性导航系统的高纬度初始对准与误差综合校正技术，研究极地气象水文观测、分析及预报，以及航海导航定位装备性能测试与评估理论与方法等。

（四）极地装备与材料低温适应性

1.极地装备低温适应性。研究极地环境下机械装备的低温可靠性，研究极地装备抗冰、防冰和除冰方法和技术，极地装备低温适应性评价及设计方法，研究低能耗除冰技术及全舰防冰防冻的顶层设计理论。研究极地环境下积冰形成机制，建立极地环境下的积冰预报理论。

2.极地材料低温适应性。研究低温材料的动态力学行为、疲劳特性、低温金属的韧脆机制、低温材料结构设计和控制技术、低温下材料腐蚀机理等，研究极地装备用高性能钢铁材料、极地用钛合金和复合材料、极地结构减振抗震高阻尼合金等设计和制备技术等。

三、学科建设方案

（一）研究方向建设方案

学科将从极地冰载荷环境、极地船舶与海洋工程、极地水声工程、极地导航与通信工程、极地装备及材料低温适应性五个研究方向开展建设[4]。主要建设方案如下。

1.极地冰载荷环境。主要从冰力学与冰水耦合力学两个核心方向进行建设，是极地船舶与海洋结构物、极地水声工程、极地装备及材料低温适应性等研究方向的力学基础。冰力学为冰水耦合力学提供冰的物理和力学特性基础，以及必要的物理实验和数值模拟方法。拟分别从冰的物理/力学性质，冰的本构方程，冰的裂纹扩展，冰与结构物相互作用，冰与水、浪、流等流体动力因素相互作用等方面研究。

2.极地船舶与海洋工程。主要从极地船舶与海洋结构物设计制造和极地船舶与海洋结构物动力系统两个核心方向进行建设，其中极地船舶与海洋结构物包含船舶、水下航行器、海洋平台等。第一个研究方向主要关注总体、运动、结构性能。第二个研究方向主要关注动力系统，二者互相支撑，共同为后续研究方向提供载体。拟分别从极地船舶与海洋结构物性能、设计、建造、检验、维修和管理的基础理论和方法，极地动力系统的热功循环转换机理、动力装置数字化、安全设计与评

估、低污染排放等方面进行研究。

3.极地通信与导航工程。这部分主要按照冰面以下和冰面以上两个层面进行研究方向的分解。对于冰面以下，主要采用水声技术进行通信导航，设置极地水声技术研究方向；对于冰面以上，进一步设置极地通信技术与极地导航技术两个研究方向。对于极地冰下水声技术，拟分别从冰层介质中的声传播、极地冰下半波导和双声道声传播、极地冰下噪声场特性研究与建模、极地冰下混响场特性研究与建模等基础理论和极地冰下水声通信技术、探测技术、导航定位技术以及跨冰层介质声通信技术等应用技术方面进行研究。对于极地水面以上的通信導航技术，拟分别从极地重力、温度、电磁等特殊物理场作用下导航系统误差产生与传播的机理，极地导航参考框架及其该框架下的导航方法，惯性导航系统的高纬度初始对准与误差综合校正技术，极地气象水文观测、分析及预报，航海导航定位装备性能测试与评估理论与方法，北极海区冰、水、地各海洋水文环境要素和海洋地球物理信息的多模异构特征，极地无线通信信道模型、极地无线通信设备可靠性技术，极地海洋及地球物理关键要素探测方法等方面进行研究。

4.极地装备与材料低温适应性。主要从极地装备低温适应性和极地材料低温适应性两个核心方向进行建设，二者联合支撑研究方向2、3、4中涉及到的装备及材料在低温环境下的工作性能。拟分别从极地船舶与海洋平台甲板机械可靠性，极地装备抗冰、防冰和除冰方法和技术，极地装备低温适应性评价及设计方法，低能耗除冰的能量控制及装备防冰防冻的顶层设计方法，低温材料的动态力学行为、低温金属的韧脆机制、低温材料结构设计和控制技术、低温下材料腐蚀机理，极地装备用高性能钢铁材料，极地用钛合金和复合材料，极地结构防冻、减振、抗震高阻尼合金等设计和制备技术等方面进行研究。

（二）研究方法建设方案

学科将以组建师资队伍、开设交叉课程、整合课程体系、配置对应教材四个研究方法开展建设，推进“新工科”建设，培养一流人才[5]。主要教改方法如下。

1.组建师资队伍。本学科将依托于哈尔滨工程大学船舶与海洋工程（入选国家“双一流”建设学科， 2017 年学科评估获评 A+）[6]，并与力学、动力工程及工程热物理、控制科学与工程、信息与通信工程、材料科学与工程等学科交叉，针对开设的课程，实现跨学科组建师资队伍。通过开展协同创新，促进交叉学科、交叉领域的研究合作，加强不同学科间沟通交流，共建跨学科交叉研究和学术交流平台，形成人才培养、科学研究、技术攻关的学术高地。

2.开设交叉课程。面向硕士研究生开设冰水船耦合运动学、现代通信信号处理、船舶导航系统原理、极地生命保障系统工程原理、复杂电磁环境无线信道建模、通信系统可靠性设计等课程；拟面向博士研究生开设极端环境船舶动力系统热力循环分析、船舶导航系统原理、极地冰下声传播原理、现代通信信号处理、极地船舶设计理论与方法、极地冰下噪声场、冰层声散射特性与建模、低温功能材料概论等课程。

3.整合课程体系。结合本学科硕士点、博士点的人才培养方案，整合对应的课程体系。研究生培养课程体系结合学科特点，遵循科学理论基础与学科前沿技术的结合创新，注重学生自主研究能力和创新能力的培养。同时，结合社会发展和人才市场需求来优化课程结构，优化培养计划， 完善课程体系。

4.配置对应教材。在具有多学科交叉特点的极地装备技术与工程课程体系的基础上，根据新开设课程的内容和前沿发展，汇编授课讲义，出版教学教材。

四、结语

与发达国家相比，我国极地技术与装备领域起步晚，极地装备技术与工程相关的教育相对薄弱、相关人才缺口较大导致极地技术与国际水平存在较大差距，极大地制约了我国极地战略的实施和极地领域的发展。因此，极地装备技术与工程新兴交叉学科点的设立可为满足我国极地装备技术与工程领域高级人才的需求提供培养基地。

根据国内外极地装备技术相关学科的发展动态并结合学科现状，本文进一步分析凝练研究方向，初步探索了面向极地装备技术与工程学科研究方向发展的建设方案，通过开展协同创新，促进交叉学科、交叉领域的研究合作，加强不同学科间沟通交流，共建跨学科交叉研究和学术交流平台，形成人才培养、科学研究、技术攻关的学术高地，旨在使极地装备技术与工程学科逐渐成为学术水平高、自主创新能力强、在国内外有较大影响的特色学科。

参考文献：

[1]  郭培清，杨楠.俄罗斯任职北极理事会主席及其北极政

策的调整[J].国际论坛，2022（2）.

[2]  王傳兴.美国北极战略演进研究[J].东北亚论坛，2022（3）.

[3]  薛彦卓，狄少丞，倪宝玉，等.极地科学及技术学科布局与

发展的探索与研究[J].课程教育研究，2020（9）.

[4]  薛彦卓，倪宝玉.极地船舶与浮体结构物力学问题研究

综述[J].哈尔滨工程大学学报，2016（1）.

[5]  吴岩.深化“四新”建设走好人才自主培养之路[J].重庆高

教研究，2022（3）.

[6]  赵宁宁.全国第四轮学科评估结果（节选）[J].考试与招生，

2021（Z1）.