破冰船技術發展現狀分析

于新偉， 陳 林， 王化明，2， 趙春慧， 李莉莉

(1. 浙江海洋大學 a.船舶與機電工程學院； b.東海科學技術學院， 浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技術重點實驗室， 浙江 舟山 316022)

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破冰船技術發展現狀分析

于新偉1a， 陳 林1b， 王化明1a，2， 趙春慧1a， 李莉莉1a

(1. 浙江海洋大學 a.船舶與機電工程學院； b.東海科學技術學院， 浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技術重點實驗室， 浙江 舟山 316022)

對各類破冰船文獻資料進行分析，研究國內外破冰船技術特點，概括傳統破冰船的破冰方法以及存在問題，重點介紹近年來國內外破冰船技術的新發展、新構想，以及特種裝備及新技術在破冰船上的應用，可為破冰船的研究提供有益的參考。

破冰船；破冰技術；現狀；發展趨勢

0 引言

破冰船是專門用于在冰區水域開辟航道以及救助被困船只的特種船。作為特種船舶，破冰船的歷史久遠，早在1857年，瑞典建成了世界上第1艘真正意義上的破冰船 “波爾海姆” 號。

近年來，隨著世界資源的緊缺，各國紛紛把目光投向蘊藏著豐富油氣、礦產、漁業等資源的極地。隨著各國間對極地資源爭奪的不斷升溫，各國對破冰船的重視程度也相應提高，先后開始研制、改良、建造新型破冰船，發展新型破冰技術[1]。目前，很多國家都裝備有破冰船。破冰船作為一種特殊的船型，具有許多技術特點，也存在巨大的創新改進潛力。因此，研究和發展破冰船具有極大的意義。

1 傳統破冰船技術分析

1.1 傳統破冰船破冰方法

破冰船一般采用連續破冰和沖撞破冰2種方法進行破冰作業。傳統的破冰船破冰時除了利用自身的重量外，一般還需要利用前后左右壓水艙之間的配合完成破冰工作。例如，艏向破冰時，就將后壓水艙注滿水，讓船艏上翹前行，使船身前半部分壓在冰層上，然后再將前壓水艙注滿水，同時讓后壓水艙排水，隨著船體重心的前移達到壓碎冰層的目的；左右破冰時，使其壓載艙進行左右交替注水，進而使船體左右搖晃，以此破冰。

當冰層厚度未達到破冰船設計破冰厚度時，采用連續破冰法。依靠螺旋槳的推力、破冰線型以及破冰船自重緩慢地、起伏地把冰層劈開撞碎，每小時能在冰海航行9.2 km左右。如果冰層較厚，超過了破冰船設計時的最大破冰厚度或者在較為復雜的堆積冰、厚冰區及更嚴峻的冰脊區等冰區中時，則采用沖撞破冰法。首先，破冰船需要倒退1～2個船長的距離，然后加速向前沖撞，破冰船傾斜式的船艏能方便地沖上冰面，再配合船體自重和壓載水，能把冰層壓為碎塊。在厚冰區或遇到冰脊冰時，則通過反復沖撞的方法破冰。

極地通常存在3種海況：開闊海域、浮冰區、陸緣冰區。在不同海況下，進行不同方式的破冰作業。特別是在陸緣冰區作業時，當陸緣冰厚度超過破冰船連續破冰能力時，需采用旋回破冰法和徒步破冰法，本文對上述2種方法不再深入介紹[2]。

1.2 傳統破冰船的局限性

目前破冰船的破冰方式：連續破冰和沖撞破冰，主要存在以下幾點問題。

(1) 對于連續破冰法，目前存在的主要問題是破冰緩慢，破冰效率較低且能耗較大，只能在冰面強度小、厚度薄的海域使用，對船舶自身強度要求較高。

(2) 對于沖撞破冰法，最主要的問題是船體容易被冰卡住。導致卡住不易退出的原因[3]為：① 由于柴油機主機特性限制，船舶倒車功率只有正車功率的70%，導致提供的拉力不夠；② 主機倒車長時間運作，易發生螺旋槳打冰現象，繼而出現嚴重的主機過載；③ 傳統推進舵其轉向力較小，不足以轉動船體使其掙脫。

2 破冰船技術新發展

為解決上述問題，本文分析破冰船技術的最新發展，總結出幾個較為實用的方法，以及一些應用于破冰船上的特種裝備，這些技術將顯著促進破冰船的發展。

2.1 新型破冰船型發展

2.1.1 各國新建破冰船介紹

近年來，許多國家研究發展新型破冰船技術，建造新型破冰船。本文對近幾年新建或者有計劃建造的破冰船進行簡單介紹。

俄羅斯因其獨特的地理位置，擁有數量眾多的破冰船，但因船齡較大，船體老化，故急需新的破冰船。據悉俄羅斯目前在建造新一代 22220 型核動力破冰船，包括改型共3艘。此外，俄羅斯還啟動了 Yamal LNG 項目，該項目旨在建造新型的高冰級LNG運輸船。

美國雖然已經40年未新建破冰船，但近年來政府已經重新認識到破冰船的重要性，并計劃于2020年前購買1艘新型破冰船。

歐盟早在2002年便啟動了 “北極光”新型破冰船的建造項目，英國也正在獨立建造新型破冰船。此外，日本也有新建破冰船的計劃。

近年來，我國在新型破冰船設計建造上取得了不錯的成績，相關科研工作也穩步進行。不久前，我國自主設計的新型極地科考破冰船開工建造，據悉新船將采用吊艙式電力推進，運用多項先進的技術，其中包括下文提到的雙動力技術。海軍方面，我國自主研發的新一代破冰船“海冰722船”“海冰723船”也已相繼入列。下文重點介紹近年來出現的兩類具有突出創新性的新型破冰船。

2.1.2 不對稱專業破冰船

由于特殊的功能要求和功率需求的限制，專業破冰船的尺寸不可能太大，尤其是對船寬的限制(一般在20 m左右)。隨著運輸需求的不斷提高和港口航道的發展， 20 m船寬的破冰船已無法滿足日益增長的實際需求，目前采取的常規措施是2艘船同時進行破冰，但這大幅提高了破冰的成本。為解決這一問題，船舶設計專家們開發設計一種新型的不對稱船體專業破冰船“Baltika”號，如圖1所示。該船在破冰時可以斜向航行，顯著提高破冰的寬度[4]。憑借這一獨特船型與全回轉推進技術的融合，該船具有較好的靈活性、通用性和操縱性。

圖1 破冰船“Baltika”號

2.1.3 雙向(雙重作用)破冰船

雙向破冰船或稱雙重作用破冰船，是在雙動力技術的基礎上，補充和加強破冰功能的新型破冰船，例如世界首艘雙動力破冰穿梭油船“Vasily Dinkov”號，如圖2所示。雙向破冰船的艏向和艉向都可以進行連續破冰作業，它實現了船艏前進時適合敞水航行，船艉前進時又能適合破冰作業，解決破冰航行和敞水航行對船體線性不同要求所產生的經濟性問題。

圖2 世界首艘雙動力破冰穿梭油船“Vasily Dinkov”號

需要特別注意的是，雙向破冰船艉向破冰時的作業方式并不是簡單地沖撞破冰，而是靈活地來回轉動全回轉推進器，利用強大的水流，沖洗、移走和粉碎海冰，使其最終崩坍，達到破冰目的(特別是冰脊冰)，同時也使船艉轉動，拓寬航道。不過，這一過程較為緩慢。

2.2 新型破冰船構想

對各種新型破冰船方面的專利、文獻進行匯總和分析，提出一些可能的新型破冰船設計猜想。當然，這些新型的構思能否應用于實際并產生合理、有效且高效的破冰作用，仍有待于進一步的科學驗證。

2.2.1 撬冰式破冰船

撬冰式破冰船創新地設計一種上窄下寬的錐型結構船艏(見圖3)，這種結構使得艏部能夠很容易地伸入冰面以下。當進行破冰作業時，船體小角度艏傾，船艏水下的錐形結構伸入冰層以下，通過船上的壓載水系統作用，改變壓載水分布，使船體重心后移。在船艏上翹的力矩、水以及動力推進下，前進的船體產生使錐形結構向前的力，對冰層造成向前和向上兩個方向的沖擊，實現了“撬冰式”破冰過程。

圖3 撬冰式破冰船船艏

圖4 半潛式破冰船

2.2.2 半潛式破冰船

半潛式破冰船的設想最先由前蘇聯工程師瓦迪姆·皮庫爾提出，如圖4所示。他提出的這種既能在水面上航行，也能半潛式航行的破冰船，通過特殊設計加強的船殼和“梳子”式的破冰機構進行破冰。具體的破冰方法是：下層船體潛至預定深度，再快速排出壓載水，使其上浮，利用“梳子”式的破冰機構頂破冰層。這種破冰船主要的結構為：裝備有浮力艙，壓載水艙和主副機等設備的下層船體和1個20 m左右的塔樓。塔樓里設置駕駛臺和控制系統等。半潛式破冰船的破冰能力和目前的破冰船相比會有較大提高，可對5 m厚的冰層進行破冰作業。同時，由于螺旋槳處在冰層以下的水中，故可提高螺旋槳工作效能[5]。

3 特種裝備及新技術在破冰船上的應用

3.1 吊艙式(全回轉)推進器的應用

吊艙式推進器是一種在吊艙內部安裝電機，推進與操舵裝置一體化，螺旋槳軸與電動機轉軸一體化的新型推進器。其最大的特點是可繞軸線360°旋轉。

該推進器主要優點有：較好的操控性能，較高的整體效率，優化船艉設計及簡化機械裝置，噪聲低以及增加船舶有效容積等，其中最為主要的是其大幅提高了船舶的操縱性、靈活性。吊艙式推進器可以360°旋轉，同時再與船艏側推器配合，可以達到使船舶橫向移動、原地回轉和多向航行等效果[6]。

目前，吊艙式推進器在破冰船上有廣泛的應用，如俄羅斯 “Baltika”號破冰船。本文提到的雙動力技術、不對稱專業破冰船、雙向破冰船都應用了吊艙式推進系統，同時，越來越多的破冰型運輸船、科考船也開始使用吊艙式推進器。

3.2 電力推進系統的應用

電力推進系統指的是推進器不與原動機直接相連，而是與電氣發電機直接相連的新型推進系統。工作原理為原動機提供動力給發電機發電，發電機再驅動推進器。

電力推進系統與傳統的機械推進方式相比，具有更高的經濟性、操控性、安全性和舒適性。目前最為流行的電力推進系統是電力推進系統與吊艙式推進器技術的結合，即吊艙式電力推進系統，該系統能大幅提高船舶的推進效率和操縱性能，省去了傳統的舵機、傳動軸系，節省空間，減輕自重[7]。

吊艙式電力推進系統在破冰船上的應用，成功地解決破冰船在破冰時最可能出現的軸系槳正倒車效率問題、螺旋槳碰冰損壞和螺旋槳轉速下降等問題，推動破冰船技術的發展與革新。據悉，我國新一代極地科學考察破冰船也將采用此技術。

3.3 輔助破冰系統

目前較為流行的輔助破冰系統有快速傾斜系統、氣泡發生系統和沖水系統等。

快速傾斜系統也稱主動增搖系統，它可以快速地把壓載水從一側泵至另一側，即進行左右調駁。當破冰船處在密冰狀況下時，也能進行左右搖擺，擺脫船體兩側冰的摩擦力阻礙。氣泡發生系統的工作原理是將經過壓縮的空氣從船體的底部噴射出來，作用于冰層下部，使其受到向上的推力作用，進而向上運動破裂。同時，壓縮空氣作用于船體與海水、冰層之間，降低摩擦，提高船舶性能。沖水系統是指可以將大量的海水通過大功率水泵和管道系統泵至船前方冰面上的一套系統。該系統可以減少船體與冰之間的摩擦，使船頭更易駛到冰面上。

3.4 雙動力技術

由阿克北極設計公司研發的雙動力技術，是應用全回轉電力推進技術以達到船舶前后向均能航行目的的一種動力系統設計技術。目前，此技術已在多型破冰運輸船上成功應用，例如1AS冰級(PC5 ～ PC6)的7×104t穿梭油船和11×104t阿芙拉型原油船等。由于設備成本和電推的二次能量損失等一些因素，這一技術在破冰等級較低的船舶上較少采用。

4 結語

本文通過對國內外破冰船技術的研究分析，以及對各類文獻資料的概括，總結目前破冰船技術現狀、破冰方法和現存的問題，重點介紹近年來國內外破冰船技術的新發展、新構想，以及特種裝備及新技術在破冰船上的應用，為我國破冰船的研究提供一些有益的參考。

[1] 健豪. 世界各國打造破冰船爭奪極地資源[J]. 西部資源，2014，2:62-66.

[2] 沈權，趙炎平. 破冰船技術及幾種破冰方法[J]. 航海技術，2010，1:5-7.

[3] 沈權. 從“雪龍”號救援俄羅斯船看極地航行風險及破冰船發展趨勢[J]. 航海，2014，2: 14-18.

[4] 秦琦. 未來破冰船開發的技術標桿[J]. 中國船檢，2014，12:65.

[5] 孫嗚岐. 半潛式破冰船[J]. 航海，1984，4:45.

[6] 謝清程，易小冬. 吊艙式電力推進器的新進展[J]. 機電設備，2007，1：55-56.

[7] 陳家金，王和平. 船舶電力推進系統的發展[J]. 世界海運，2006，4:9-11.

Analysis of the Development of Icebreaker Technology

YU Xinwei1a, CHEN Lin1b, WANG Huaming1a,2, ZHAO Chunhui1a, LI Lili1a

(1. a.School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering, b.Donghai Science and Technology College, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China; 2.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province, Zhoushan 316022, Zhejiang, China)

The literatures on various types of icebreaker are analyzed, the technology characteristics of icebreaker at home and abroad are studied. The traditional methods of ice breaking and existing problems are summarized, and some new development and conceptions of ice breaking technologies in recent years are introduced. The application of special equipment and new technologies in the icebreaker are also presented. It provides references for study on the icebreaker.

icebreaker; ice breaking technology; current situation; development trend

2016年浙江海洋大學大學生科技創新活動計劃暨育苗人才計劃(編號：YMJH201616)；浙江省自然科學基金項目(編號：LQ15F030007，LY16E090004，LY17E090002)；舟山市科技局項目(編號：2016C41019)

于新偉(1995-)，男，本科，研究方向為船舶工程

1000-3878(2017)03-0001-04

U674

A