极地破冰船的破冰技术发展趋势研究

　　摘要：本文对国内和国外目前先进破冰技术和学者们对破冰技术的研究进行归纳和整理，重点介绍新涌现的极地破冰船的破冰技术，并对未来破冰船的发展趋势进行研究，为极地破冰船未来发展的研究方向提供有益参考。

　　关键词：破冰技术;发展趋势;破冰船

　　全球气候变暖导致北冰洋冰川融化加剧，北冰洋的冰域面积不断缩小，这使得北极航道的通航成为可能。北极航道的开通意味着全球航运格局将发生巨大变化。2019年1月，中国政府发表了《中国的北极政策》白皮书，以加强北极地区基础设施建设和数字化建设为核心纲领，以北极航道和能源合作开发作为经济投资重心，并与多方共同建设“冰上丝绸之路”。

　　作为担负开辟航道、运输物资、科研考察任务的极地船舶，在开拓北极航道和发展北极经济圈中扮演着重要角色。目前中国仅有两艘具有破冰能力的极地破冰船，分别是破冰等级为PC6级的“雪龙”号和PC3级的“雪龙2”号，无法满足日益增长的极地科学研究和战略发展的需求，因此发展和提高各类极地船舶的自主设计能力刻不容缓。

　　1 国内破冰船技术

　　1.1 破冰船的特点及破冰等级

　　破冰船一般依赖船体线型和动力推进破碎冰层，开辟航道。为获得更大的破冰宽度，船身长宽比值较小，首柱较为尖削，以一定角度前倾。总体强度高，首尾和水线区具有结构加强。破冰船的推进系统多采用多螺旋桨，对螺旋桨和舵有防护装置。破冰船以柴油机或核动力为动力推进。总体来说，船体短而宽，船体强度高是破冰船的主要特点[1]。

　　极地船舶的冰级划分可参考lACS冰级要求，见表1。

　　1.2 破冰船的破冰方式

　　破冰船在破冰作业时，船艏担任主要的破冰任务，受到集中载荷的作用;船体与海冰发生碰撞，受到冲击载荷的作用。传统的破冰方式主要有连续破冰法和冲撞破冰法[2]。

　　(1)连续破冰法：在冰层较薄的冰区，一般冰层厚度低于1.5米时，使用连续破冰法。破冰船以一定航速，利用螺旋桨的推力、船体破冰线型直接将冰层破开撞碎。如图1所示。

　　(2)冲撞破冰法：在冰层更厚的冰区、复杂的堆积冰区或冰脊区，采用冲撞破冰法。首先，破冰船需倒退约两个船长的距离，然后加速向前冲，冲撞式破冰船艏部吃水较浅，船体会冲上冰面将冰层压碎，若冰层未完全破开，可利用左右压载水舱交替注水，使船体左右一定幅度摇晃，以达到开辟航道的目的。如图2所示。

　　1.3 国内破冰船现状

　　目前我国带高等级冰级的极地船舶较少，拥有两艘抗0.8m以上浮冰的极地船舶，大量的极地船舶能抵抗的浮冰厚度在0.4m以下[3]。这两艘极地破冰船，分别是由乌克兰购进并改造而来的“雪龙”号极地科考船和我国第一艘自主研发的“雪龙2”号科考船。

　　“雪龙2”号是全球第一艘采用双向破冰技术的极地科考船，也是第一艘我国自主研发的高冰级破冰船。能够在1.5米厚冰条件下连续破冰航行，填补了我国在极地科考重大装备领域的空白[4]。“雪龙2”号的动力系统为全电力推进，尾部的螺旋桨吊舱可360。旋转，即桨舵合一，既是螺旋桨也是舵，因此其非常灵活，可实现船体原地调头。推进性能和机动性能更加优越，利用船尾可突破极区20米当年冰冰脊。“雪龙2”号科考船代表了我国极地破冰船的先进制造技术。

　　1.4 国内破冰技术发展现状

　　近几年，我国在破冰船设计和技术的发展上取得了不错的成绩，相关科研工作也在积极开展。相较于美俄等拥有先进破冰船制造技术的国家来说，我国的破冰船舶的制造技术还有提升的空间，随着国家极地战略发展的需求，吸引了越来越多的学者展开深入的研究。

　　随着有限元技术在工程设计和科研领域的逐步成熟，众多学者利用非线性有限元软件做了大量的研究。

　　关于冰一船碰撞结构响应和冰载荷计算方面，杨亮等利用有限元软件LS-DYNA进行了船舶与海洋平台之间在海冰为介质的作用下的仿真分析[5]，分析海冰对海洋平台碰撞的影响。王凯民基于经验公式和LS-DYNA中的ALE流固耦合算法对船舶破冰阻力预报研究[6]，同时也对水介质中破冰船艏部结构响应及极端应力进行了研究。冯卫永等基于瞬态动力学分析法对破冰船冲撞式破冰过程进行有限元数值仿真研究[7]，并建立计算破冰船冲撞式破冰过程船体应力的方法。任奕舟等介绍一种破冰船在冰层中连续破冰的冰材料数值模型并进行验证[8]，并对破冰船的破冰阻力进行计算。苏干利用LS-DYNA软件结合ISO推荐压强一面积理论曲线验证数值模型可靠性[9]。杨征基于多年海冰的力学特性与数值仿真模型对极地重型破冰船冰载荷计算方法和冰带典型結构区域极限承载能力进行研究[10]。周峰等通过数值模拟为冰区船舶预报破冰载荷提供技术参考[11]。

　　关于破冰船结构、线型研究以及新型破冰设计方面，哈尔滨工程大学的王川使用MSC.Dytran软件对破冰船首柱倾角对破冰速度的敏感性进行分析[12]。上海交通大学的王健伟使用LS-DYNA软件对楔形首和勺形首对船舶破冰时冰层的变形损伤和破冰阻力的影响进行分析[13]。哈尔滨工业大学的史江海比较了前倾首、飞剪首、直立首、球鼻首和破冰首的破冰能力[14]，发现在相同情况下破冰首的破冰能力最好。丁悦等开发PC6冰级的阿芙拉油船线型并探究破冰船破冰线型的基本特点[15]。朱彬研究了破冰结构和船体艏艉线型形状对破冰效率的影响[16]，并提出了破冰船的破冰冰刀设计方法。刘林伟设计研发了一种具有破冰功能的全回转拖船[17]。白旭等通过数值模拟得到破冰结构角度对整冰失效模式的影响[18]。高嵩等分析了极地气垫破冰和运输平台破冰机理以及关键技术[19]。

　　关于破冰船推进动力以及辅助破冰方式方面，翟燕对舰船混合动力系统的优化配置与控制进行了仿真研究这20]。吴文翔分析吊舱推进器艉部型线特征，即艉部较宽[21]，型深和干舷较大，剖面呈V型等。黄嵘通过突变负载的仿真实验，验证了“雪龙2”号吊舱推进器控制系统对转速控制的可靠性[22]。王平团等介绍几种主要的压载水调驳技术[23]，并对比分析其优缺点。

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