中國極地科考破冰船航行實踐和未來極地船型發展建議

黃 嶸

（中國極地研究中心 上海 201209）

0 引言

兩極地區（北緯66°以北，南緯60°以南）的陸地面積約2 200 萬km2，其中南極洲面積約為 1 400 萬km2，是全球緯度最高的大陸，絕大部分地區常年被冰雪覆蓋[1]。海洋面積約3 300 萬km2，海洋約占兩極地區總面積的60%。隨著北極海冰的迅速融化、兩極大陸架油氣資源的高度預期[2]，以及冰區海洋生物資源商業捕撈可能性的增加，兩極海洋作為極地戰略目標區域的重要地位日益凸顯，刺激和引導各極地考察國家戰略投資的方向朝向這片冰封的海洋及其洋底的大陸架區域。

近年來，極地資源與權益的紛爭暗流涌動，約6 000 萬 km2無明確主權歸屬的陸地和海洋蘊藏的豐富戰略資源對人類未來的可持續發展影響至關重要。世界主要的國家（如美國、德國和澳大利亞等）[3-5]近年來在較高的極地考察能力基礎上進一步加強了對于極地的投入力度，我國作為世界上第二大經濟體，在新一輪的極地多元化考察和資源探索中也應有所作為。

面對國際上對南北極潛在利益爭奪進一步升溫的態勢，我國除在政策、法規和科研等領域加強對極地的深度研究之外，非常有必要進一步加強我國的極地考察平臺建設[6]，全面提升目前主要依賴于站基的南北極考察能力，努力建設一支可周年性活動在極地區域的極地破冰船隊，有效拓展極地考察的空間地理范圍和考察時間尺度。

有關主權權益的調查活動具有明顯的緊迫性，因為這類活動總是表現出歷史單向性和唯一性。如有關主權權益的調查活動需要超過10 年以上的時間才能完成，將會直接影響維權決策的科學性和時效性。

按照上述思路考慮，我國極地工作實際需要的工作船舶應該不少于美俄兩國的規模，否則將永遠無法與國際先進的極地工作同步。因此，我國極地工作的理想常態為極地破冰船保用量5～ 6 艘，從而更好地以國家戰略為先導、以科學考察為載體、以船基的長時間大范圍考察方式為基礎，為我國在極地區域主權、資源和科學方面取得必需的成果。無論未來國際局勢如何變幻，我們將以雄厚的實力全面提升我國在國際極地事務上的發言權和影響力，為我國取得更多更大的極地權益，成為一支重要的力量，助推中華民族在21 世紀中葉迎來偉大復興。

1 我國極地科學考察船現狀

我國的極地考察任務由中國極地研究中心承擔。中國極地研究中心是中國唯一專門從事極地考察的科學研究和保障業務中心，現有“雪龍”號[7]和“雪龍2”號[8]共2 艘極地科考破冰船，以及4個南極考察站和2 個北極考察站。目前每年由2 艘雪龍系列的極地科考破冰船為南極考察站提供物資保障，同時進行極地冰區和大洋考察任務。

“雪龍”號是我國于1993 年從烏克蘭購買的1艘北極多用途船，原屬烏克蘭赫爾松船廠，破冰等級為PC6。該船自1994 年購入后，已歷經數次改裝，從原先的北冰洋多用途船改裝成為兼備極地科考和貨運的極地科考船，到目前為止一共承擔了24 次南極考察和9 次北極考察任務。“雪龍”號最近一次改裝于2004 年啟動論證，至2013 年完成（兩期改裝）。改裝工程進行了總布置優化及設備更新換代，融合了船舶平臺、科考平臺、物流平臺、綠色節能、航空保障、極地救援、通信指揮、適航性、操縱性、舒適性、安全性和電氣自動化的提升，并挖掘改進破冰潛能，使“雪龍”號轉變為1 艘兼具敞水、極地科學考察功能，可為極地考察站提供物資運輸保障的極地破冰科學考察船。該船目前概況如圖1[9]所示。

圖1 “雪龍”號船舶概況圖

“雪龍2”號極地科考船是中國首艘自主建造的極地科學考察破冰船，于2019 年7 月交付使用。該船還是全球首艘采用船首和船尾雙向破冰技術的極地科考破冰船，實船照片如下頁圖2所示。

圖2 “雪龍2”號實船圖（攝于2019 年11 月）

“雪龍2”號能夠在1.5 m 厚冰+0.2 m 雪中連續破冰航行，填補了中國在極地科考重大裝備領域的空白。該船由國外公司完成基本設計，國內由中國船舶與海洋工程設計研究院完成詳細設計，江南造船廠實現建造。其總長122.5 m、排水量約1.4 萬t、破冰等級為PC3，滿足包括極區在內的無限航區航行和作業需求，艏向破冰時能以2～ 3 kn 航速連續破1.5 m 厚的冰+0.2 m 的雪；艉向破冰可在20 m當年冰的冰脊中（含4 m 堆積層）不被卡住，且可實現冰區快速掉頭[10]。

綜合上述，我國現有考察船的總體情況為最大破冰能力PC3，根據船舶的現有能力，在每年北半球夏季時進行北極考察任務，在南半球夏季時進行南極考察任務。

2 近3 年中國極地考察航行情況

自2019 年“雪龍2”號交付使用后，我國的極地考察能力實現大幅提升，為我國的極地考察和大洋科考注入了新的活力，近幾年的極地考察任務得到加強擴充。

2.1 中國第36次南極考察

“雪龍2”號于2019 年10 月15 日啟航首航南極，與“雪龍”號一起展開“雙龍探極”，形成中國南極考察新格局。兩船于11 月15 日到達中山站外圍浮冰區，期間曾發生2 次“雪龍”號在普里茲灣九層浮冰區中被卡后無法動彈，隨后靠“雪龍2”號掉頭解救的情況，如圖3所示。

圖3 “雪龍2”號在浮冰區中解救“雪龍”號

11 月21 日中午，“雪龍2”號正式開始第1次對中山站外陸緣冰進行破冰作業，破冰照片如 圖4 所示。當年冰情良好，整體冰厚1.35～ 1.55 m、雪厚40～ 80 cm，“雪龍2”號穿越冰山群，共計花費11 h 左右，破固定冰超過14 n mile（25.928 km），到達了神州灣北部區域，距離中山站約10 km。

圖4 “雪龍2”號中山站外首次破陸緣冰

“雪龍”號跟航“雪龍2”號開辟的航道，得以挺進中山站陸緣冰縱深，很大程度上縮短了運貨距離，大大提高了中山站物資的卸貨效率。本次考察雙龍船隊在11 月份距離中山站約10 km，是我國極地考察船裝備在南極考察季前期，首次較近距離接近中山站，大大縮短了物資裝備和油料補給的運輸距離，同時節省了物資裝卸時間，為考察船隊執行考察任務延長了時間窗口期。“雪龍2”號的首航極大地鼓舞了極地考察工作人員的士氣，凸顯了我國極地裝備能力的提升。

2.2 中國第37次南極考察

“雪龍2”號于2020 年11 月10 日從上海起航，奔赴南極執行科學考察任務，本次為“雪龍2”號單船航行。2020 年12 月19 日21∶00，“雪龍2”號穿過普里茲灣冰間湖到達固定冰外浮冰區。浮冰區北面邊緣為南緯68°38′，浮冰區密度9～ 10 層，冰厚約1.2 m，積雪約50 cm。經過9 h的浮冰區航行，其中沖撞破冰4 次（破冰記錄如表1 所示），于12月20 日06∶00 到達中山站外固定冰外緣，外緣位置位于南緯69°02′附近。

表1 第37 次南極考察“雪龍2”號中山站外固定冰破冰數據記錄

當年冰情不理想，整個固定冰區域以亂冰為主且存在較多冰脊，其中較大的冰脊多呈東北-西南向，普里茲灣東側傳統破冰路線上多為亂冰，并分布較多冰脊及冰山。圖5 為2020 年12 月20 日所測得的中山站附近冰情圖。

圖5 2020 年12 月20 日中山站附近冰情圖

從海冰服務專題信息和實際探冰情況來看，無論哪個方向進入固定冰都較為困難。經過綜合評判規劃，確定了相對較好的破冰路線后，“雪龍2”號在中山站外固定冰區域開始破冰。當時由于冰厚1.2～1.5 m、積雪40～100 cm，且間斷性夾雜多年冰脊等原因破冰受阻，此次破冰共進行了5 d，最后船舶停航位置距離中山站約27 km，開始使用直升機從船上遠距離吊運物資至中山站。“雪龍2”號無法到達距離中山站更近的位置，使我們認識到了現有極地裝備能力的局限性。

2.3 中國第38次南極考察

2021 年11 月5 日，中國第38 次南極科學考察隊繼續前行。“雪龍”號從上海先行出發前往中山站，“雪龍2”號于11 月23 日出發前往南極長城站等地執行科考任務，本次考察為第2 次進行雙龍探極。“雪龍”號于12 月3 日進入普里茲灣浮冰區，12 月5 日抵達中山站陸緣冰外圍。此次冰情與上一年度類似，陸緣冰外圍還有2 n mile 左右的亂冰帶，冰厚逾2 m，已遠超“雪龍”號的破冰能力。經過18 d 的艱苦破冰，于12 月23 日停止前進。最終，船舶停航位置距離中山站約28 km，第1 階段的卸貨等工作只能借助直升機吊運作業，時間與油料消耗大大增加。

2.4 中國第11次和12次北極考察

2020 年7 月15 日，中國第11 次北極科學考察隊暨“雪龍2”號首航北極從上海啟航，于9 月28 日順利返回位于上海的中國極地考察國內基地碼頭，歷時76 d，航程超1.38 萬n mile，冰區航行5 152 n mile（航時約696 h）。

2021 年7 月12 日，中國第12 次北極考察隊搭乘“雪龍2”號從上海起航，歷時79 d，航程1.4萬n mile，冰區航行超5 100 n mile。2021 年9 月28 日，圓滿完成考察任務后，“雪龍2”號順利返回上海基地碼頭。

“雪龍2”號進行的2 次北極考察任務，由于受考察航線上冰厚、密度及考察時間等綜合因素限制，最高緯度分別到達86°10.14′N 和86°09.56′N，未能到達北極點。

2.5 我國極地科考特點

通過第36～38次南極考察和第11～ 12 次北極考察的船隊航行情況可以發現，目前我國的兩極考察任務由于裝備能力因素，具有如下 特點：

（1）時間限制。目前的極地科考船只能在極區夏季進行，極區冬季無法進入，也就意味著時間段制約著我國的極地科考能力。

（2）地點限制。主要是當年冰情條件相對理想，但隨后2 年由于冰情、雪厚和冰脊等多種因素以及編隊中雪龍船能力的限制等問題，船舶無法更接近考察站。為了節省時間、減少船站之間的貨運距離，應該進一步向更厚冰層區域突進，突破地點的限制，實現新的能力提升。

兩極地區由于能源和地緣政治及戰略因素等，越來越被各國所重視，且美國和俄羅斯等西方國家的極地裝備能力建設十分強大，我國的裝備十分有必要突破時間和地點限制，使之能到達我們想去的地方和能夠去的地方，這就需要不斷提升極地裝備的能力。因此，我國亟需建設更強大的極地裝備——重型破冰船。

3 重型破冰船研究現狀及建設需求

3.1 國外重型破冰船建設情況

雖然破冰船的發展歷史長達120 多年，但如何界定破冰船能力的高低卻遲遲未有統一的標準，國際船級社協會在《極地級船舶要求》中通過PC7至PC1 等7 個級別來界定破冰船在對應環境下的安全航行能力。目前對重型破冰船的通用定義為：結構冰級一般不小于PC2 級，破冰厚度不小于2 m，裝機功率超過33 MW，能破多年冰，能長時間在極地絕大部分海域航行的破冰船。

俄羅斯、美國和法國是少數幾個擁有重型破冰船裝備的國家。近幾年，國際上主要國家已建、在建及擬建的重型破冰船均有相應計劃，都在提升兩極地區的裝備能力。

俄羅斯近幾年重型破冰船的建造包括新“北極”級（Arktika-Class）首制船“Arktika”號（如圖6所示），其已于2020 年10 月交付。該型船任務使命主要是為包括大型LNGC 在內的運輸船提供抵達俄羅斯各資源產出地港口的破冰服務，并為淺海區的碼頭、海洋平臺及油田等提供物資燃料與設備運輸補給。該型船長173.3 m、寬34 m，滿載排水量 3.35 萬t，裝備2 套175 MW 的PITM-200 壓水反應堆，最大推進功率60 MW。新“北極”級破冰能力達到以2 kn 持續破冰2.8～ 2.9 m，該船為電力推進，推進形式為推進電機驅動三軸槳驅動[11]。

圖6 俄羅斯新“北極”級 “Arktika”號

“領袖”級（Lider-Class）是俄羅斯冰山設計局主持研發的最新一代重型破冰船[12]，如圖7所示。

圖7 俄羅斯“領袖”級（Lider-Class）

其任務使命較新“北極”級而言，除了保持全年東北航道的暢通，還需要保持從航運經濟性角度考慮的引航航速。從破冰能力看，該型船的設計指標達到了以2 kn 在4.3 m 層冰（考慮0.2 m 積雪）持續破冰航行，而在2 m 層冰中的連續破冰速度則達到12 kn。該船推進形式也是電力推進形式，由推進電機驅動軸系和螺旋槳。

“Viktor Chernomyrdin”號破冰船（LK-25）是目前俄羅斯采用常規動力的重型破冰船，已于2020 年交付。其船長146.8 m、船寬28.5 m、吃水 9.5 m、滿載排水量22 600 t，破冰等級為PC2 級，采用柴電推進，最大推進功率25 MW。該船采用兩邊吊艙加中間軸槳的推進方式，最大航速17 kn，破冰能力為2.1 m，船舶概念圖如圖8 所示。美國海岸警衛隊（USCG）極地安全艦（Polar Security Cutter）預計在2025 年實現首艦交付，滿載排水量約23 300 t，冰級PC2 級，采用柴電動力系統，推進功率達到33.7 MW，如圖9 所示[13]。全船采用中間一組軸槳加兩側吊艙的混合推進模式。此種推進方式是近年來在重型破冰船型應用較多的方案，一方面吊艙提供了在冰區良好的操縱與回轉性能，另一方面根據敞水、冰區等不同的功率需求切換推進形式和功率分配，有效提升綜合節能效果。

圖8 俄羅斯“Viktor Chernomyrdin”號破冰船

圖9 美國重型極地安全巡邏艦

加拿大也在加緊建造自己的重型破冰船“John G.Diefenbaker”號，如圖10 所示，公布的首艦交付時間預計為2030 年。該船排水量約23 700 t、冰級為PC2 級、總裝機功率約39.6 MW、推進功率達到34 MW，采用12 MW 的中間吊艙和兩側 11 MW 的軸槳混合推進方式[14]。該型重型破冰船功能包括物資運輸、科學考察和模塊化搭載等多種功能。根據資料顯示，其具備在2.6 m 層冰厚度下連續破冰航行的能力，且具有較好的冰區回轉、星狀回轉操作性能。該船為電力推進，推進形式為兩側電機驅動軸系及螺旋槳，中間為1個吊艙推進器。

圖10 加拿大重型破冰船“John G.Diefenbaker”號

對上述提到的國際、國內重要破冰船性能進行匯總整理，結果見表2。

表2 典型破冰船性能匯總表

續表2

3.2 我國對重型破冰船建設要求

通過實施目前和未來新的科考破冰船項目，打造一支能夠執行科考任務和保護北極安全環保發展前景的中國科考破冰船隊，對維護我國極地戰略利益具有十分重要的意義。同時，通過實施科考破冰船項目這一典型示范工程，將科考破冰船的關鍵和基礎技術延伸至冰區航行船舶領域，提升船型技術的關聯應用，實現冰區航行船舶設計建造和冰區船用設備開發的突破，實現“裝備先行”戰略。

結合我國的極地考察任務需求，為了突破時間限制和地點限制的要求，替代現有的雪龍船功能，拓展提升新船的功能，擁有極地補給、極地科考、破冰開道和應急救援等功能。我國的重型破冰船的建造設想，從地理位置應考慮較強的續航力和適航性；采用最優船型設計和綜合經濟性最佳的動力推進系統，破冰能力滿足在兩極水域中等厚度多年海冰中破冰航行，建議破冰能力不低于PC2 等級；防寒能力能實現-40℃的極地氣溫覆蓋[15-16]；從實踐操控靈活性、船舶機動性能以及螺旋槳冰堵所需超扭矩性能等方面綜合考慮，電力推進方式比常規主機加上CPP 推進形式更具優越性和安全性，并且考慮推進器在保障設備可靠性的前提下提升國產設備的應用[17]。推進形式的考慮需兼顧如下工況：

（1）極地破冰能力的需求；

（2）多工況作業特點以及長航程航行需求；

（3）兼顧船舶科考作業功能的靈活操縱性要求。

4 結語

本文對我國極地科考破冰船現有能力分析，結合近幾年極地實船航行情況，引出我國的重型破冰船的建設需求，同時簡要介紹了近年國外重型破冰船的建設情況，基于我國重型破冰船的任務使命和船舶航行工況需求，主要建議如下：

（1）未來我國極地裝備的建設需求應定標為重型破冰船，破冰能力不低于PC2 級，防寒能力能覆蓋-40 ℃的極地氣溫環境，突破現有雪龍系列船的“時間限制、地點限制”，改善目前我國極地考察任務以船舶能力來進行的局面；

（2）新型極地重型破冰船除替代“雪龍”號的科考和物資運輸功能外，應進一步提升能力，實現和“雪龍2”號的能力互補、編隊航行，在保有目前能力的基礎上實現新突破；

（3）推進形式滿足高冰級等級需求，充分考慮選取破冰能力強大、能有效服務科考特點、船舶操縱機動靈活性等方面的推進形式，滿足極區船舶功能需求；

（4）結合現有船舶管理和船員操作人員綜合能力，以及未來兩極地區的“和平利用、綠色環保”等特點，主動力采用常規柴電動力。