北極航道航行船舶操縱性設計需求分析

胡曉芳，蔡敬標

1 中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

2 中國人民解放軍92537 部隊，北京100161

0 引 言

隨著全球變暖所引起的海冰大面積消退，使得北極海上通航逐漸成為可能。對我國而言，開通北極航道具有明顯的距離優勢，和傳統的航線相比，最多可以縮短50%的距離，其在促進我國航運業發展的同時，還可減少對傳統航線的過分依賴，具有重大的戰略意義［1］。然而，由于北極氣候環境惡劣，缺乏足夠的水文資料，且航運基礎設施也不完善，使得船舶在北極地區航行十分危險，即使是在夏季，該航區一半以上的海面上仍有浮冰。由于海冰的消融和風、流的作用，海冰之間會形成曲折蜿蜒的冰區水道，并會不斷發生收縮、擴散和位移等變化，造成船舶計劃航線需根據海冰的阻擋而隨時改變，同時船舶也需要頻繁改變航向航速以盡可能利用冰間水道和薄冰區［2］。由此可見，北極航道對通航船舶的操縱性要求遠高于普通航區航行的船舶，在設計時應予以特殊考慮。

目前，國內外關于冰區安全航行方面的研究主要集中在冰區航行船舶的操作方法方面［3-6］，其中，Su 等［7-8］探究了冰壓力對旋回性能的影響，孫昱浩［9］開展了冰區操縱的視景仿真研究。上述研究成果多是根據駕駛者的實際使用經驗歸納得到，主要集中在對操船人員的實際使用要求方面，對于設計的指導意義不強。本文擬嘗試從北極航道的水域特點、氣象環境條件等方面著手，分析航行于北極航道、以舵為航向控制方式船舶的操縱性設計要求，為相關設計人員開展該航道航行船舶的設計提供參考。

1 北極航道水域特點

國際上將北極航道分為“東北航道”和“西北航道”，如圖1 所示。

1.1 東北航道

東北航道（圖2）是指西起冰島，經巴倫支海，沿歐亞大陸北方海域向東，直至白令海峽的航道，又稱為“北方海航道”（NSR）。

圖1 北極航道Fig.1 The Arctic Passage

圖2 東北航道Fig.2 The routes of the Northeast Passage

東北航道海域淺的特點是影響航運的一個關鍵因素。其中，喀拉海40%海域的水深不足50 m，最小水深21 m；拉普捷夫海53%區域的水深在10～40 m 之間；東部拉普捷夫海峽最淺水深不到10 m，僅限吃水小于6.7 m 的船只通過［10］；東西伯利亞海的平均水深僅為45 m，較淺處的水深不足40 m；楚科奇海的平均水深為88 m，但一半以上的水深低于50 m；白令海峽的平均水深為42 m，最大水深僅52 m。沿途的桑尼科夫海峽有不足9 m的淺灘；尤戈爾海峽的寬度在2～12 km 之間，其海底崎嶇，最淺處僅12 m；維利基茨基海峽的最窄處寬度不足60 m，深度在40～230 m 之間；約戈爾斯基·薩海峽的水深在13～30 m 之間。

受地形要素的影響，東北航道的表層海流主要是自西向東流動，呈逆時針環流的形態，大部分時間其流速小于0.5 kn。部分海峽由于寬度狹窄而使得潮流較大，如楊斯克海峽在遭遇東北氣流時的洋流最高時速可達6.9 kn，維利基茨基海峽可達5 kn，拉普捷夫海峽在強風時也能達到3～4 kn［11］。

1.2 西北航道

西北航道（NWP）是指由格陵蘭島經加拿大北部北極群島到阿拉斯加北岸的航道（圖3）。該水域島嶼眾多，星羅棋布，是地球上地形最為復雜的海域之一［12］。

圖3 西北航道Fig.3 The routes of the Northwest Passage

西北航道氣候惡劣、溫度很低、冰情嚴重，一半左右的航道全年被冰所阻塞。其中，波弗特海北部的麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽受到來自北冰洋流冰的侵襲，冰況多變；維多利亞海峽和富蘭克林海峽冰情嚴重，全年只有8月底才能開通航線；拉森海峽是航線上的主要冰障流段，直接影響西北航線的通行；布希亞海域的冰情較為嚴重，夏季冰量可達70%［13］；巴羅海峽有巴芬灣漂來的冰山，航行時需要注意防范。

航道上，有多處航段航道窄、水深淺，給船舶航行帶來了不利影響。其中，辛普森海峽、詹姆斯羅斯海峽和雷伊海峽寬度窄、水深淺、暗礁多。辛普森海峽最窄處寬約3 km，多處水深小于5.5 m；雷伊海峽的水深僅為5～18 m；拜洛特海峽寬度較窄，且具有較強的流，其北部的淺灘水深僅為4.3 m；阿蒙森灣附近的多芬聯合海峽有多處水深小于10 m。

在該航線上，巴芬灣和戴維斯海峽存在逆時針環流，平均流速為2 kn，西部沿加拿大東岸有拉布拉多冷流，平均流速為0.5 kn；波弗特海為順時針環流，平均流速為0.5 kn［14］。

1.3 航道的共同特點

綜合東北航道和西北航道的水域特征，從船舶操縱性設計的角度出發，認為在設計中應著重關注如下幾點：

1）淺水。航行于淺水中的船舶通常伴隨有顯著的下沉和縱傾，會對其快速性和操縱性產生明顯的不利影響，可能導致觸底和擱淺事故的發生［15］。東北航道全線海域較淺，西北航道上的辛普森海峽、多芬聯合海峽等處的水深也較淺，使得淺水效應成為北極航道航行船舶操縱性設計中不可忽視的問題。

2）狹航道。在狹航道中航行的船舶易受航道岸壁和周圍航行或停泊船舶、橋墩及其他系泊物的水動力干擾作用，使得發生碰撞、擱淺等海難事故的危險性更大［16］。無論是東北航道還是西北航道，航線上都有大量狹窄的海峽需要穿越，這些海峽形成了天然的狹航道，也成為北極航道航行船舶操縱性設計中必須考慮的要素。

3）海流。海流會引起船舶漂移而改變其速度和位置，使其偏離預定的航向和航跡［17］。北極地區水深較淺，整體流速較高。根據各國的觀測資料和基于觀測資料的分析結果可知，北極航線上長期存在著較為穩定的海流，其流速約為0.5 kn。實際操作時，0.5 kn 的流速是較為安全的，但仍應給予必要的重視。

2 北極航道冰況

浮冰是北極航道區別于其他航道最為顯著的特征，也是影響該航道航行船舶操縱性的關鍵因素。船舶航行于大面積的冰區時，其航向穩定性由于受船體兩邊冰的作用而有所改善，但轉向卻變得困難，會出現小舵角轉不動，大舵角一旦轉動若想回舵把定住航向又很難的現象，尤其是在航道的轉向點附近，轉向操作有可能會造成船舶擱淺［18］。

度量浮冰對船舶操縱性的影響最重要的參數為冰量，通常采用十分法來表示。根據視界范圍內海面上浮冰覆蓋的比例量，冰量可以分為如表1所示的10 級。

表1 冰量等級表Tab.1 Grade of ice

當冰量在1/10 以下時，船舶可以自由航行；冰量為1/10～5/10 時，船舶需根據冰況調整航向；冰量為5/10～8/10 時，將對船舶航行造成嚴重的障礙；當冰量達到8/10 以上時，需在破冰船的協助下航行。

2.1 東北航道

根據對東北航道各海域歷史冰情的分析，可歸納東北航道的冰情如表2［19］所示。

表2 東北航道各海域冰情一覽表Tab.2 List of sea ice conditions in Northeast Passage

通過對歷年冰況的統計分析，發現東北航道最適合通航的時間為每年的9月，8月次之。

2.2 西北航道

根據對西北航道各海域歷史冰情的分析，可歸納西北航道的冰情如表3［20］所示。

表3 西北航道各海域冰情一覽表Tab.3 List of sea ice conditions in Northwest Passage

通過對歷年冰況的統計分析，發現西北航道最適合通航的時間為每年的8月和9月。

3 北極航道氣象環境條件

氣象環境條件是影響船舶航行安全的重要因素，而北極惡劣的氣候環境更是對船舶航行安全有著嚴重的威脅，主要包括氣溫、能見度和風等［21］。

3.1 氣 溫

氣溫對航行船舶的影響主要表現在低溫會使海水結冰并依附于船體上，而船體上依附的冰層會增大船舶的慣性力和慣性力矩，從而影響船舶的操縱性能。

受溫室效應的影響，近年來，北極地區的氣溫呈不斷上升的趨勢，但跟其他海域的環境溫度相比，北極地區仍然極其寒冷。統計結果表明，北極的年平均氣溫為-23 ℃，冬季平均氣溫達到了-34 ℃，夏季的氣溫介于-2～0 ℃之間。在最寒冷的1月，北極航區的氣溫在-5 ℃（挪威北部沿海）至-35 ℃（格林蘭中部、加拿大群島北部和西伯利亞北部）之間［22］；在最溫暖的7月，航區主要海域的溫度可達0 ℃以上。在夏季，北冰洋中央的多年海冰區能保持在恒溫0 ℃左右，為該航區的通航帶來了可能。北極地區7月及1月的氣溫分布如圖4所示。

圖4 北極地區7月及1月氣溫分布圖Fig.4 The distribution of Arctic temperature in July and January

依附于船體上的冰層對船舶操縱性的影響與附連水的效果相似，但作用力要大得多，在進行操縱性預報及評估時，可視情況參照附加質量的表達方法來表示。

3.2 能見度

能見度是指船員在船舶上能夠分辨目標輪廓的最大距離，對船舶的航行安全有著直接影響。

在北極地區，影響能見度的最主要因素是海霧。霧對能見距離的影響嚴重，大霧可以使能見距離下降至幾米，并持續較長的時間。在溫暖的季節，隨著海冰的融化，開闊水域、冰間水道和融池不斷增加，水氣交換就會形成平流霧。夏季的東西伯利亞海和楚科齊海，其50%～70%的時間為霧天；白令海的情況更為嚴重，夏季有60%～70%的時間為霧天。在寒冷的季節，冷空氣經過開放水域時會使洋面較暖的水汽凝結形成蒸汽霧。當溫度低于-30 ℃時，高緯度地區還會產生由懸浮顆粒所形成的冰霧。

冬季的吹雪也是影響航行能見度的一個常見因素。在北極地區，積雪松散且呈顆粒片狀，易于被風吹起而形成吹雪。當風速高于24 km/h 時，吹雪將使能見度降低至10 km 以內；當風速超過48 km/h 時，能見度將降低至5 km 以下。

相關研究統計表明，當能見距離低于4 km時，船舶會產生一定的航行安全隱患，而當能見距離降低至1 km 以內時，事故發生的概率將急劇增大，船舶航行危險度進一步加大。由于在北極地區發生霧、雨、雪等影響能見度的天氣現象很常見，因此，在設計中應充分考慮能見度對船舶成功實現最終避讓所需操縱性能的影響。

3.3 風

風主要作用于水線以上的主船體和上層建筑，會使船在行駛過程中產生偏航。通常將6 級風作為影響船舶航行安全的標準風。

目前，能系統地說明北極地區洋面上風的情況的資料較少，主要風向分布情況參見圖5?，F有的科考觀測數據表明，在北極地區，冬季多風，夏季少風，大風的概率較小，全年的平均風速為4～6 m/s，最大風速極少超過25 m/s。

圖5 北極地區風向分布Fig.5 The distribution of Arctic wind

東北航道各海域洋面上的風主要受來自亞洲大陸和北冰洋上季節性氣壓系統的影響而呈現出一定的規律性，每年的11月至次年的3月主要為南風或西風，4～8月主要為東北風或東南風。其中，喀拉海冬季的平均風力為5 級，夏季為3～4 級；拉普捷夫海和東西伯利亞海冬季的平均風力為3～4 級；白令海屬阿留申低壓常年控制的海域，風力較大；受白令海氣旋活動的影響，楚科奇海的風力也較大。

西北航道各海域受過境氣壓系統的影響而多變，但大多數海域仍以西北風為主。其中，加拿大附近的海域主要為西北風；波弗特海以東南風為主；戴維斯海峽和巴芬灣主要為東南風或西北風；由于氣旋活動頻繁，巴芬灣海域的風力較大；西格陵蘭沿岸有強烈的地方性風。

船舶在風中航行時，由于必須用一定的平衡舵角來克服風力的作用，且在回轉時能提供回轉舵力的舵角比無風時小，因而無法像無風時那樣回轉自如。由于北極航區常年有風，行駛于該海域的船舶需要有一定的壓舵角方能保持直航，因此在操縱性設計中應考慮留有一定的設計余量。

4 操縱性設計需求

從以上對北極航道的特點及氣象環境條件的分析可以看出，淺水、狹航道、浮冰、氣溫、能見度和風等因素為開展該航區航行船舶操縱性設計所必須考慮的因素。與此同時，由于上述因素同時還影響著船舶快速性，而航速對船舶操縱性具有直接影響，因此在北極航道航行船舶的操縱性設計中，還需考慮船舶以較低航速航行時對操縱性的影響。

4.1 影響因素分析

在上述各影響因素中，有的因素會直接降低船舶的操縱性能（如航速、淺水、狹航道、浮冰和氣溫），而有的因素則對船舶的操縱性能提出了更高的要求（如能見度和風）。

1）航速。

航速對船舶操縱性的影響可以用傅汝德數Fr對回轉性指數K 和直線穩定性T 的影響來反映。當Fr增大時，由于興波以及隨之而來的船艉縱傾的變化，使得回轉阻力對慣性力或舵力矩的比例提高，即K，T 指數均減小，從而使直線穩定性增加而回轉性下降；而當Fr減小時，由于發生了使船艏擺動或橫移的力，或者由于修正該力的舵力減小，所以使得航向穩定性和回轉性均降低［23］。

在設計中，應根據實際航行速度來估計船舶操縱性的變化情況，以便采取相應的措施。

2）淺水。

圖6 戰術直徑與相對水深的關系Fig.6 The relationship of DT and h/T

在設計中，可將航道最淺處的水深作為目標水深進行淺水效應對操縱性影響的計算。

3）狹航道。

狹航道除了會產生類似淺水效應的現象外，還有可能會使船舶產生偏轉和橫移。一般認為，在水深較深的狹航道內，當航道有效寬度與船寬之比b/B＜20，航速（其中：V 為航速，kn；L為船長，m）時，便會出現狹航道效應［25］。

在北極地區，由于除維利基茨基海峽的最窄處外，其他海峽的寬度一般都在2 km 以上，其寬度與船寬之比遠大于20，而航速方面可以通過控制來避免狹航道效應，因此，在設計中可以不用過多考慮狹航道對船舶操縱所帶來的不利影響。

4）海流。

由于海流作用于船體水線以下，因此通常只考慮定常和均勻流，其作用力可表達如下：

式中：Xc，Yc和Nc分別為沿船體x 軸和y 軸的流動力以及繞z 軸的流動力矩；CX(β)，CY(β)和CN(β)分別為沿船體x 軸和y 軸的流動力系數以及繞z 軸的流動力矩系數；AfW，AsW分別為船舶水線以下的正投影和側投影面積；LoA為總長；Vc為流速。

北極地區由于水深較淺，會造成整體流速偏大，根據模式同化的SODA（Simple Ocean Data Assimilation 2.0.2）月平均資料得到的海流情況及部分實測數據［26］，可知北極航道的表層流速多在0.5 kn 左右，屬于可安全航行范圍。對于部分流速較高的航段，如楊斯克海峽、維利基茨基海峽等，由于其潮流主要為潮汐或風生流，因而可以通過選擇時機來予以規避。所以，在設計中可按照0.5 kn 的流速進行海流對操縱性影響的估算。

5）浮冰。

浮冰對船舶操縱性的影響與其密度和厚度相關，會因船艏兩側浮冰的厚薄不均而產生“厚冰效應”。可利用碰撞能量法對各種情況下浮冰對船的影響進行估算。

式中：Ek為浮冰碰撞能量，N·m；k 為能量耗散折減系數；m=γitA，為浮冰質量，kg，其中γi為冰密度，kg/m3，t 為海冰厚度，m，A 為浮冰面積，m2；v 為碰撞時的浮冰速度，m/s；Cm為附加質量因數。

上述碰撞力用能量公式表示如下：

式中：Es為船體吸收碰撞能量，N·m；F 為碰撞力，N；D1為位移，m。

設計中，取Es=Ek即可根據航區航行季節的平均浮冰密度和厚度進行浮冰對船舶操縱性影響的計算。

6）氣溫。

氣溫對船舶操縱性的影響是通過凝結在船體上的浮冰來體現的。

目前，針對不同氣溫、不同航速、不同形狀海洋結構物在低溫下的結冰情況尚無有效的估算方法，因此，暫時無法就氣溫對船舶操縱性的影響提出有效的估計，只能在設計中留取一定的余量以作為儲備。

7）能見度。

能見度不會直接影響船舶的操縱性能，但其對船舶操縱的影響卻非常明顯。相關統計表明，船舶發生的事故數與能見距離之間具有如式（4）所示的指數關系。

式中：K1為船舶事故數；D2為能見距離，km。

設計中，應根據當時的能見度選取安全的航速，并進行該航速下的操縱性計算預報，以核實該航速下航行的安全性，從而為駕駛人員提供理論支撐。

8）風。

風主要作用于水線以上的主船體和上層建筑，其對船舶操縱運動的影響可用下式表示：

式中：Xa，Ya，Ka和Na分別為沿船體x 軸和y軸的氣動力以及繞x 軸和z 軸的氣動力矩；CXa，CYa，CKa和CNa分別為沿船體x 軸和y 軸的氣動力系數以及繞x 軸和z 軸的氣動力矩系數；AT，AL分別為船舶水線以上的正投影和側投影面積；HLm為相對船高，；Va，ρa分別為風速和空氣密度。

設計中，可按照25 m/s 的風速（即北極地區極少超過的風速）對船舶所可能采用的最大壓舵角進行估算，以留取設計舵角余量。

4.2 操縱性設計建議

由于北極航道所存在的各項影響因素均對船舶安全操縱產生不利影響，因此，應對航行于該海區船舶的操縱性設計提出更高的要求，主要體現在以下幾方面：

1）選取更大的舵面積系數。較之各類船舶設計手冊舵面積系數的推薦值，北極航道航行船舶在進行舵設計時應選取更大的舵面積系數。可根據所航行海區通常的能見度范圍、水深吃水比、岸壁距離、浮冰密度及氣溫等進行調整，調整原則為：能見度越低，所需的舵面積系數便越大；水深吃水比越小，所需的舵面積系數便越大；岸壁距離越小，所需的舵面積系數便越大；浮冰密度越大，所需的舵面積系數便越大；氣溫越低，所需的舵面積系數便越大。

2）留取一定的設計舵角余量。由于北極航區常年有風，因此需留有一定的壓舵角以保證船舶具有所需的操縱性能。根據對幾型不同噸位船舶的理論計算，認為在設計中留取5°～10°的舵角可滿足使用需求。

3）在設計階段應開展多個航速的操縱性計算預報。由于北極航區存在淺水、狹航道、浮冰以及能見度低等不利影響，其航區內船舶的航行速度受到了限制，較之其正常航行速度可能會有一定幅度的降低。為保證船舶在整個航段內的航行安全，建議在設計階段對各典型航速下的操縱性能進行計算預報，以便船舶駕駛人掌握狀態。

5 結 論

1）淺水、狹航道、浮冰、氣溫、能見度和風等因素為開展北極航道航行船舶操縱性設計所必須考慮的因素。

2）極區環境影響了船舶的快速性，這一點在操縱性設計中需重點關注。

3）在北極航道航行船舶操縱性設計中，建議選取更大的舵面積系數，并留取一定的設計舵角余量，以確保所設計船舶能充分適應極區環境對操縱性的要求。

4）建議在北極航道航行船舶設計階段開展多個典型航速的操縱性計算預報，以保證船舶在整個航段內的航行安全。

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