美俄破冰船技術發展研究

黃金星，王 凱，李岳陽

(1. 軍委聯參戰場環境保障局，北京 100088；2. 中國人民解放軍31010 部隊，北京 100081；3. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

由于蘊藏著豐富的油氣、礦產、漁業等資源，以及全球變暖，兩極冰層開始融化，極地資源開采的可能性越來越大，世界各國紛紛把目光投向極地。而破冰船作為破冰護航、極地科考、資源開采的必要裝備，其發展對一國的經濟、軍事、科考地位有著重要的影響。

目前，世界上擁有極地破冰船的國家主要分布于近極地區域，包括俄羅斯、芬蘭、加拿大、瑞典、美國、中國、澳大利亞等16 個國家。其中，美國擁有世界上破冰能力最強的常規動力破冰船，俄羅斯則是世界上擁有極地破冰船最多的國家，也是世界上唯一擁有核動力極地破冰船的國家。本文基于對近2 年美俄破冰船發展情況的梳理，分析美俄極地破冰船發展建造情況和特點。

1 破冰船技術發展現狀

1.1 破冰原理及設計依據

傳統破冰船作業原理是通過自身船體線型設計及大功率推進系統使其沖上冰層，再利用破冰船自重將冰層壓碎，實現破冰航行。根據此原理，傳統破冰船主要依靠其船首線型設計及自身重量進行破冰作業。

破冰能力劃定方面，各國對于冰級和破冰作業規范的定義略有區別。為了更好地統一標準，較好地指導破冰船的設計，國際船級社協會依據主要國家的冰級規范于2006 年制定了國際冰區航行船舶冰級規范，該規范以海冰形態和季節差異為參考，將破冰船抗冰能力劃分為7 個層次，如表1 所示。

表 1 國際船級社協會關于冰級描述

因此，破冰船通常依據此標準，結合其設計航行的海域環境特點及特殊設計要求，完成設計建造工作。

1.2 技術特點及發展現狀

自美國1837 年建造了“城市破冰船1 號”以來，破冰船歷經近200 年的發展，在設計技術上不斷改進。尤其在1959 年，蘇聯設計建造了第1 艘核動力破冰船，將破冰船技術推向了一個新的高度。縱觀近年來破冰船的發展，其技術特點主要體現在船體結構、新型材料、抗冰涂料、推進系統及輔助破冰系統等方面。

1）船體結構。破冰船在主尺度、型線、舷側結構等方面的技術設計日趨完善。主尺度方面，隨著推進能力的提升，現階段破冰船在排水量設計上不斷增大，從而能夠更好地進行破冰作業；其次，破冰船長寬比更加優化，通常保持在3.5～5 之間，能夠更好地提升破冰航行時的穩性，并且便于開辟更寬的航路。型線方面，傳統破冰船在設計上主要采用楔形首，后來逐漸發展為懷特凹形首，近年來又發展有梅爾維爾首、絞刀型勺型首、脊型半勺型首等。舷側結構方面，為了更好地兼顧執行任務和破冰航行，近年來俄羅斯發展了新型非對稱舷側的斜破冰船，除破冰航行外還能夠利用其舷側結構實現溢油回收等作業。

2）船體材料。斷裂韌度是表征材料抗低溫能力的重要指標，也是影響船體在冰區作業能力的重要因素。此外，船體材料的摩擦系數及防腐特性對于破冰船設計壽命也有巨大影響。隨著材料科學的不斷進步，破冰船船體材料更多使用了特殊低溫高性能鋼材，并在首尾、舷側水線的位置進行了額外加厚及特殊處理。

3）抗冰涂料。為有效避免殼體涂料由于寒冷的環境而受損，喪失對破冰船的保護能力。破冰船通常在水線上下的船殼上使用特殊的抗冰漆，保護船體結構的同時還有效減少了殼體與浮冰之間的摩擦，避免破冰船被浮冰卡住。

4）推進系統。破冰船在動力方面從蒸汽動力發展為柴電動力，俄羅斯先進的破冰船更是采用了核動力驅動。傳動方式上，由傳統的機械式傳動演變為電氣傳動，從而避免了由于螺旋槳擊打碎冰而發生的機械損傷。此外，俄羅斯多數破冰船均采用了輔助推進系統，利用全向吊艙技術，不但能夠幫助破冰船獲得更強的推進動力，還可以在二次結冰船體受困的情況下使其船體進行橫搖，實現舷側碎冰作業。俄羅斯最先進的破冰船更是能夠利用全向吊艙系統，配合船尾型線設計，實現反向破冰作業。

5）輔助破冰系統。隨著破冰技術的發展，更多的破冰船配備了噴水系統、氣泡發生系統、快速傾側系統、船體加熱系統及舷側絞刀系統。其中，噴水系統和氣泡發生系統用于清理船身周圍的碎冰，同時利用水或空氣形成物理隔離，避免船身被碎冰損傷；快速傾側系統用于冰密條件下或冰面較厚時，利用船體的搖擺加強自身破冰能力；船體加熱系統用于對低溫船體進行加熱，從而提高船體韌度，避免碎冰二次凍結；舷側絞刀系統則用于提高破冰效率，同時拓寬破冰航路。

2 俄羅斯破冰船最新概況

俄羅斯擁有世界上規模最大的極地破冰船隊，其在破冰船技術、裝備和作戰應用等方面具有領先優勢。截至2016 年底，俄羅斯在役極地破冰船37 艘，占世界破冰船總數的一半，且發展有重型、中型、輕型、柴電動力、核動力等全系列破冰船。近年來，俄羅斯根據《2020 年前及更遠的未來俄羅斯聯邦在北極的國家政策原則》和《2020 年前俄羅斯聯邦北極地區發展與國家安全保障戰略》等規劃，大力支持破冰船等北極基礎設施發展，為其北極戰略實施保駕護航。近2 年，俄羅斯繼續推進其極地戰略，計劃、開工、下水和服役多艘破冰船，并投入大量資金展開基礎設施升級改造，以進一步提高破冰船建造能力。

2.1 完成第4 代“領袖”級核動力破冰船設計研發

2017 年，俄羅斯克雷洛夫國家科學中心設計研發了第4 代核動力破冰船—“領袖”級破冰船（10510 型），該級船將超越第3 代LK-60 級破冰船，成為世界最大的核動力破冰船。該船長209 m，寬47.7 m，配備2 座315 MW 的RITM-400 反應堆，航速24 kn，破冰厚度近4.5 m，各項參數與LK-60 級均有較大提升，預計將在2030 年前建造3 艘。

2.2 開始“冰雪”級柴電動力破冰船建造

俄羅斯于2017 年4 月在圣彼得堡海軍上將造船廠開始了“冰雪”級首船“伊萬·帕帕寧”號（23550 型）的龍骨鋪設，預計在2020 年交付。該級船設計排水量近7 000 t，全長110 m，寬20 m，吃水6 m，最大航速16 kn，自持力長達60 d，定位為破冰巡邏艦，計劃建造2 艘。

2.3 第3 代核動力破冰船陸續下水

2017 年6 月16 日，俄羅斯第3 代核動力破冰船LK-60 級（22220 型）首船“北極”號在圣彼得堡波羅的海造船廠正式下水。9 月22 日，2 號艦“西伯利亞”號也完成下水。與此同時，3 號艦“烏拉爾”號正在建造中。LK-60 級核動力破冰船是目前全球最大、功率最強的破冰船，船長173.3 m，寬34 m，排水量高達33 500 t，標志著俄羅斯為北極開發取得重大技術突破。目前，“北極”號和“西伯利亞”號已投入舾裝作業，預計分別與2019 年和2020 年交付使用。

2.4 完成首艘軍用破冰船建造，正式交付俄羅斯海軍

2017 年底，俄羅斯還完成了首艘軍用破冰船“伊利亞·穆羅梅茨”號（21180 型）的建造并正式交付海軍。該船是俄羅斯第1 艘螺旋槳舵位于船體外通過鉸鏈運行的船，能夠以縱軸為中心旋轉360°，使船首、船尾、船舷可以自由活動，也是40 多年來第1 艘交付海軍的輔助艦隊破冰船，用于保障俄羅斯海軍在北極地區的活動。

隨著核動力破冰船的大規模建造，俄羅斯各大船廠面臨著巨大壓力。2017 年，國家原子能公司（Rosatom）投入了大量資金用于摩爾曼斯克基礎設施的建造與維護，其中包括1 個新的干船塢、螺旋槳及轉向系統維修設施、以及1 個價值2 600 萬美元的反應堆換料維修綜合體。

3 美國破冰船發展概況

3.1 意圖加強極地能力建設

美國已有40 年未曾建造過破冰船，目前僅有1 艘可以在北極長期航行的極地破冰船（“極地星”號），且即將在2019 年退役。2017 年10 月，美國戰略預算評估中心發布了名為《保衛前線：美國極地海洋行動的挑戰與解決方案》長篇報告，指出美國對于極地地區的實力部署很大程度上依賴于冷戰時期建立的平臺和基礎設施，近年來能力建設較少，相關技術和基礎設施及已大幅落后，在北極地區與俄羅斯等大國的競爭中，面臨巨大壓力。因此，美國海岸警衛隊表示新破冰船一定要在美國本土建造，從而借此加強基礎設施的建造，芬蘭將很可能為其提供技術轉讓和專業培訓。

3.2 計劃建造6 艘破冰船，配備艦炮、導彈等武器裝備

近年來，美國逐漸意識到極地能力建設的重要性，確立了包括加強北極行動和演習、提高海事領域意識、確保美海岸警衛隊軍事能力、地面和空中相關平臺基礎設施等一系列極地戰略任務，北極進一步成為了美國海洋戰略研究的重點領域。2017 年，美國海岸警衛隊決定在未來10 年內建造3 艘重型破冰船和3 艘中型破冰船以彌補其破冰艦隊數量的不足，同時希望為這6 艘破冰船配備機槍艦炮、甚至長距離反艦導彈和巡航導彈，以適應新時期下的極地競爭。

4 美俄破冰船技術發展趨勢

美俄作為世界上2 個主要擁有破冰船的國家，其破冰船發展特點很大程度上代表著全球發展趨勢。縱觀近年來美俄破冰船的發展，呈現3 個特點。

4.1 核動力技術優勢顯著，已成未來發展的必然趨勢

迄今為止，俄羅斯在核動力破冰船技術上遙遙領先，且仍舊是世界上唯一擁有核動力破冰船的國家，發展有四代五型核動力破冰船。其中包括第1 代核動力破冰船“列寧”號，第2 代核動力破冰船“北極”級和“泰米爾”級，第3 代也是目前建成最新一代的核動力破冰船“LK-60”級，以及已經開始研發工作的第4 代核動力破冰船“領袖”級。

由于破冰航行對推進能力要求較高，核動力推進系統以其強勁的推進功率具有巨大優勢。極地港口相對較少，燃料補給較為困難，核動力破冰船不必頻繁對燃料進行補給，且節約了燃料所需的空間，便于配置更多的科考及作業裝備。經濟性方面，美國海軍研究表明，核動力破冰船全壽期費用與常規動力破冰船基本相當，因此在其極地戰略規劃中也提及了核動力破冰船的相關計劃。由此可見，核動力技術在破冰船領域的應用已成為其未來發展的必然趨勢。

4.2 破冰船開始配備武器，其功能走向軍用化

俄羅斯最新建造或設計的破冰船均配備了先進的武器系統，如23550 型“伊萬·帕帕寧”號破冰船搭載了1 門AK-176MA 型單管76 mm 艦炮，8 枚NK”反艦導彈，可安裝專為北極作戰研制的“道爾-M2DT”防空導彈，且預留了集裝箱式巡航導彈的安裝陣位，甚至還計劃加裝功率為30～200 kW 的高能激光器，從而反制空中優勢和導彈攻擊。美國則計劃在新建6 艘破冰船上安裝機槍、艦炮和導彈等武器裝備。這標志著未來破冰船已不僅僅是用于破冰護航的民用船只，而且還是未來極地作戰、資源爭奪、戰略部署的重要裝備。

4.3 破冰船建造中開始廣泛使用模塊化技術

俄羅斯“領袖”級破冰船作為世界最新型破冰船，對研究其技術發展極具代表性，其采納了“開放船尾”的新理念，將破冰船視作海上平臺而并非傳統意義上專業化作業船。“領袖”級船尾是自由艙，可依據任務需要搭載不同的作業模塊，其中包括反潛裝置、導彈、火炮、以及無線電或潛水設備等特種集裝箱模塊，快速完成多種功能之間的轉換。

5 結 語

結合美俄近年來極地戰略轉變及破冰船技術的發展，未來破冰船已不僅僅是極地航路開辟、科學考察、資源開采的必要裝備，而是將更多地扮演極地軍事擴張的重要抓手。我國應更多地借鑒美俄破冰船的技術發展路徑，充分論證核動力破冰船及軍用破冰船對于推進我國極地戰略的價值與意義，從而更好地支撐我國海洋強國發展。