破冰船性能及設計經驗述評

摘要：文章對極地船舶技術進行了回顧，對破冰船的性能以及設計經驗進行了述評；對加拿大、日本、芬蘭、蘇聯、美國、丹麥以及瑞典等國家的破冰船進行了技術分析，旨在為破冰船的初步設計提供借鑒，以幫助設計者選擇破冰船的形狀、尺寸。

關鍵詞：破冰船；極地船舶技術；船舶設計；海洋破冰船；湖泊破冰船；江河破冰船 文獻標識碼：A

中圖分類號：U615 文章編號：1009-2374（2015）28-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.005

1 概述

第一艘破冰船誕生在俄國，它就是1899年俄國人設計的“葉爾馬克”號破冰船。破冰船的作用就是將水面上的冰層破碎，進而開辟船舶的航道，可以引導在冰區航行的勤務船進行正常航行，還可以保障艦船正常進出冰封的港口，因此意義非常重大。

破冰船由于使用地區不同可以分為很多種類型，比如海洋破冰船、湖泊破冰船以及江河破冰船等。破冰船的船身較短，但是比較寬，也就是具有較小的長寬比，船體的首柱尖削前傾，強度是十分驚人的。破冰船的水線區域以及首位施工的是對密骨架以及厚鋼板進行加固。破冰船的推動系統使用的是多螺旋槳的裝置，一般使用的是雙軸的或者是雙軸以上的裝置。破冰船的動力源是柴油機，它的舵和螺旋槳進行了一定的加固。因此，破冰船在破冰工作中可以用首部進行連續的破冰工作。破冰船是一種特殊船舶，是具有在結冰的水面上開辟航道功能的船舶。破冰船的船殼很厚重，馬力也比較大，破冰船的各個地方都有壓水艙的設置。

2 破冰船的優良性能

破冰船的橫向較寬、縱向較短，這樣的比例和一般情況下的海船相比具有很大的區別，使用這樣的長寬比是為了更好地開辟航道。比如一艘破冰船具有37000噸的排水量，馬力達到7.35×107瓦，長度在190多米的情況下，這艘破冰船的寬度大概在30多米，破冰船的外殼要用5厘米以上厚度的鋼板進行制作，破冰船里面使用密集型的支撐構件，吃水線的地方用合金鋼進行加固，這種材料的抗撞擊能力非常好。

破冰船的破冰方法一般來說有兩種，當冰層的厚度在1.5米以內的情況下，破冰船可以使用連續的破冰方式，也就是使用破冰船的船頭將冰層撞碎并且劈開，這一工作是依靠螺旋槳的力量完成的，這樣的情況下破冰船的航行能力在9.2千米/小時。當冰層較厚實的時候，破冰船的破冰方式使用的是沖撞的方法，這時候的破冰船的船頭部位吃水線，所以很容易沖到冰面上，這樣破冰船的船體就能將下面的冰層壓碎。最后破冰船要倒退一段距離，使足馬力沖向冰層，就可以壓碎破冰船下的冰層了。反復進行這樣的工作就會開辟出一個新的航道。破冰船的驅動功率非常高，所以即使是長時間的破冰航行也可以很好地滿足。

很多國家的海域在冬天都有嚴重的結冰現象發生，因此很多國家都使用破冰船進行航道的開辟。還有一些國家使用專用的北極破冰船，主要是用于北極的一些少數國家。目前俄羅斯有7～8艘極地破冰船，可以使用的有6艘。美國的希利號破冰船號稱是美國威力最強的破冰船，除此之外，在加拿大、英國、日本、挪威以及芬蘭等地也有自己的破冰船，我們國家的雪龍號破冰船也是極地破冰船。

破冰船的威力不可小覷，對于幾米高的冰山，只要經過破冰船幾次猛烈的撞擊，就可以將冰山擊得粉碎。因此，對于破冰船的制造材料也有極高的要求，所有的破冰船均使用非常厚的鋼板進行制作，強度非常大。

破冰船在航行中經常遇到被冰塊卡住的現象，這就需要破冰船具有一定的應急技術。在20世紀80年代，美國海岸警隊的一艘破冰船曾經在海面上冰凍了幾乎一年的時間，現代破冰船使用了更加先進的系統，也就是氣泡減阻系統以及傾側技術等，這都是為了防止破冰船被凍住或者被冰塊夾住。傾側技術顧名思義就是讓船身一直搖擺不停，這是通過在破冰船兩邊加設螺旋槳帶來的效果，主要是使破冰船的兩邊水艙連續的加注以及抽吸海水造成的。氣泡減阻技術就是使用空氣經過壓縮之后形成的空氣膜，這樣就可以很好地防治破冰船的冰凍。

破冰船的自重相當大，因此在壓垮海冰時的效果更加明顯。破冰船的船殼位于水線以下的部分，一般都涂有特殊的抗冰漆，這樣可以大大減小冰與船體之間的摩擦力。破冰船使用的大多是高性能并且低溫的鋼材進行制作的，在水線附近，船頭以及船尾的位置還進行了加厚處理，船頭的結構十分科學，可以輕易地行駛到海冰上，整個破冰船的形狀可以很好地保護螺旋槳以及船舵，在進行倒退行駛的時候可以保證舵與螺旋槳不被冰山撞壞。另外，為了給破冰船提供較好的探路與導航，還可以配備直升機。

3 破冰船設計經驗

3.1 船舷和豎直線之間的夾角

破冰船船舷和豎直線之間的夾角是一個值得深入探討的問題。一般來說所有船的船舷以及豎直線之間都是存在一定夾角的，不過有的船舶的下部是比較直的構造，而有的船的下部是比較凹陷的結構，和集裝箱船相類似。可是破冰船為什么使用那么特殊的構造呢？這不得不引起設計者的思考。因為冰面是十分光滑的，因此破冰船在有冰的海面上行駛，就涉及到一個摩擦系數的問題，回想一下我們冬天在冰面上行走時候的場景，就知道非常光滑。研究人員發現，破冰船和冰面之間的摩擦系數沒有那么小，有的破冰船在行駛過程中甚至發生了船毀人亡的慘劇。通過學者們的不斷研究可以發現，破冰船和冰面之間的摩擦系數大概是0.2，這也就產生了一個問題，如果船舷與豎直面之間的夾角太小的話，冰有可能嚴重破壞船體，導致事故。

3.2 破冰船與冰面之間的壓力

冰面對于破冰船的壓力可以分為兩種：一種是相切于船舷的力F；另一種壓力是垂直于船舷的力R。破冰船的重力是P的情況下，P和R之間的夾角一般來說和破冰船的船舷與豎直線的夾角是一樣的。冰面對于破冰船的摩擦力是摩擦系數以及垂直于船舷的力R的乘積，也就是Q=0.2R。

在Q比F小的情況下，破冰船船身上的冰就會被力F推到水里面，與此同時還會沿著船舷進行滑動，但是不會造成船身的毀壞。在Q比F大的情況下，摩擦力Q就會阻礙冰塊的繼續滑動，這樣的情況下，冰塊有可能長時間地壓在破冰船的船舷上，因此破冰船的船舷有被壓壞的危險，要對船舷與豎直線之間的夾角進行合理的確定。根據三角函數表里查出的結果顯示，當正切函數是0.2的時候，角度是11°。這個數據表明，當船舷與豎直線之間的夾角大于11°的情況下，就可以保證破冰船的正常使用，這就是為破冰船獨有的設計特點。

4 結語

破冰船具有一個共同的特點，那就是強大的動力以及堅固的船體，再加上破冰船獨特的結構，使得破冰船可以在嚴峻的環境中進行作業。通常情況下破冰船的噸位在萬噸級，寬度在25米左右，長度120米左右。因此，破冰船就像是一個尺寸較大的大馬力的拖輪，可以在有浮冰的地區十分靈活地變換方向，具有良好的可操作性，并且穩定性也是非常好的，即使是在風浪巨大的情況下使用也有良好的安全性能。

在緯度較高的北太平洋，以及北大西洋和北冰洋的海域中，一年四季都有貨船來來往往，這也是世界貿易中十分重要的一部分。然而在這些海域當中，每年的幾個月中都是冰山四伏、冰面凍結。想要實現在這些海域的正常航行，破冰船就顯得尤為重要。破冰船的形狀十分特別，船頭十分結實，螺旋槳和機械設備的強度也極高，它呈現一種短粗的面貌，具有十分強大的主機系統、輔機系統。破冰船還具有一個十分明顯的特點，那就是破冰船的船頭吃水比較淺，到船的中間部位吃水逐漸加深，這也給破冰船良好的使用性能奠定了基礎。正因為破冰船的獨特性能，其為航運事業的發展做出了巨大貢獻。

參考文獻

[1] 石磊.現代破冰船和破冰技術[J].知識就是力量，2003，（10）.

作者簡介：王帥（1988-），男，陜西寶雞人，山東省科學院海洋儀器儀表研究所助理工程師，碩士，研究方向：特種船舶總體設計。

（責任編輯：周 瓊）