極地破冰船操縱設(shè)計(jì)需求分析及研究方法綜述

劉小健 劉 義 魏躍峰

（1. 噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200011； 2. 上海市船舶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200011；3. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

地球的南北兩端是最寒冷的2 個(gè)區(qū)域，冰山、冰蓋與浮冰等惡劣的自然環(huán)境不利于船舶航行。而隨著南極科考以及東北、西北等北極航道的逐步開通，破冰船作為極地救援、領(lǐng)航與科考的重要裝備，需求日益強(qiáng)烈。北歐各國(guó)以及美國(guó)、加拿大和俄羅斯等環(huán)北極國(guó)家都擁有自己的破冰船隊(duì)，俄羅斯更是在破冰船技術(shù)、裝備和作戰(zhàn)應(yīng)用等方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，其同時(shí)也是目前世界上唯一擁有核動(dòng)力極地破冰船的國(guó)家。中國(guó)作為近北極國(guó)家，并且在南極規(guī)則制定等事務(wù)中也發(fā)揮積極作用，進(jìn)行極地破冰船的研究和開發(fā)具有重大意義。

然而，由于缺少水文資料，加之極地地區(qū)的氣候條件非常惡劣，船舶在極地地區(qū)航行時(shí)的操縱問題遠(yuǎn)比常規(guī)水域復(fù)雜，因此船舶在極地航行十分危險(xiǎn)。目前，有國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)極地船舶性能開展了研究：胡曉芳等[1]從氣候環(huán)境和舵設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了北極航道航行船舶的操縱性設(shè)計(jì)需求分析；張媛等[2]、韓陽等[3]從數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)等角度總結(jié)了冰區(qū)航行的操縱性研究進(jìn)展；趙炎平等[4]介紹了中山站前沿固定冰破冰方案及船舶操縱方法；吳剛等[5]簡(jiǎn)要介紹了適用于我國(guó)國(guó)情的不同等級(jí)極地破冰船的總體船型、推進(jìn)系統(tǒng)、防寒系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及結(jié)構(gòu)冰載荷模擬、冰帶構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容。總體而言，關(guān)于極地破冰船特點(diǎn)及操縱性設(shè)計(jì)需求等方面的分析研究較少。

本文將介紹極地破冰船航行中遇到的風(fēng)、浪、流、淺水、狹窄水道、低溫和能見度等極地環(huán)境，分析國(guó)內(nèi)外破冰船的分類、特點(diǎn)及船舶特征，總結(jié)破冰船操縱性設(shè)計(jì)相關(guān)需求。為滿足操縱設(shè)計(jì)的需要，本文介紹目前破冰船操縱性數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)等操縱性研究方法，為極地破冰船的研究設(shè)計(jì)提供思路和參考。

1 極地航行環(huán)境

極地分為南極和北極，其中南極大陸95%以上的面積被極厚的冰雪所覆蓋。除了嚴(yán)寒外，南極大部分地區(qū)的年平均風(fēng)速為17 ~ 18 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)60 m/s，年平均降水量為55 mm。北極地區(qū)氣候終年寒冷，北冰洋表面絕大部分終年被海冰覆蓋，是地球上唯一的白色海洋。北冰洋海冰平均厚3 m，冬季覆蓋海洋總面積的73%，占1 000 萬 ~ 1 100 萬km2；夏季覆蓋53%，占749 萬 ~800 萬km2。中央北冰洋的海冰已持續(xù)存在300 萬年，屬永久性海冰。

北極航道分為東北航道和西北航道，如圖1（a）所示，東北航道如圖 1（b）所示，西起冰島，經(jīng)巴倫支海，沿歐亞大陸北方海域向東，直至白令海峽。西北航道由格陵蘭島經(jīng)加拿大北部北極群島到阿拉斯加北岸如圖 1（c）所示，該水域島嶼眾多，是地球上地形最為復(fù)雜的海域之一。航線由于大部分位于北極圈內(nèi)，航道中的常年冰、冰蓋、冰島、冰山、浮冰和暴風(fēng)雪天氣不利于船舶航行，給航行造成極大的挑戰(zhàn)。

圖1 北極航道示意圖

1.1 海冰和冰山

北極海冰的中心平均厚度達(dá)3 ~ 4 m，并且向邊緣逐漸減小。這些冰是由許多不連續(xù)的冰場(chǎng)組成，在空氣和洋流作用下不斷移動(dòng)。在此過程中，往往因擠壓作用形成冰山，其厚度明顯超過冰蓋平均厚度，可達(dá)幾百米。格陵蘭半島上大陸冰層平均厚度1 500 m，有的甚至達(dá)1 900 m。

由于風(fēng)和海流的作用，進(jìn)入冬季后，南極海冰不斷向較低緯度的海洋流出、伸展，范圍從南極大陸沿岸直達(dá)南緯55°。到了夏末（2 月），約80%的海冰融化，剩余海冰面積為300 萬 ~ 400 萬km2，這些海冰將成為2 年或2 年以上的多年海冰。南大洋的多年海冰厚度一般在1 ~ 2 m，最大冰厚約5 m；季節(jié)性海冰較薄，通常小于1 m。多年海冰主要分布在威德爾海、別林斯高晉海和阿蒙森海沿岸。

船舶在極地航行時(shí)并沒有固定航線，其主要受海域水深、海冰分布以及部分海峽彎曲度的影響。船舶在航道彎曲處操縱難度加大，易發(fā)生事故。北極東北航道全程2 700 ~ 3 500 n mile，不同月份和不同海域的冰情也不一樣。東西伯利亞海海域的東部沿岸在夏季仍有浮冰，有時(shí)還有長(zhǎng)年擱淺的冰山。受風(fēng)力、風(fēng)向等影響，北極地區(qū)的冰塊會(huì)以不同速度向不同方向漂浮、堆積，導(dǎo)致大量海冰進(jìn)入海峽，影響船舶通航安全。

海冰密集度和海冰厚度是影響船舶航行的主要因素。每年10 月底到次年6 月，東北航道除巴倫支海外，其他地區(qū)都因冰雪覆蓋而無法通航，必須在破冰船的協(xié)助下才能航行；7 月底，部分海域可以通航，9 月則是通航最好的月份。

海冰會(huì)造成海水管堵塞，導(dǎo)致輔機(jī)無法正常工作，船體失去動(dòng)力；海冰擠壓船體，造成結(jié)構(gòu)破壞；海冰與螺旋槳碰撞，造成槳葉損傷。

1.2 海 流

海流會(huì)引起船舶漂移，使其偏離預(yù)定的航向和航跡。根據(jù)各國(guó)的觀測(cè)資料和分析結(jié)果可知，北極地區(qū)整體流速較高，北極航線上長(zhǎng)期存在著較為穩(wěn)定的海流。

受地形影響，東北航道的表層海流大部分時(shí)間流速小于 0.5 kn，部分海峽潮流較大，如楊斯克海峽的洋流最高時(shí)速可達(dá)6.9 kn，維利基茨基海峽可達(dá)5.0 kn，拉普捷夫海峽能達(dá)到3.0 ~ 4.0 kn。[6]

西北航道上，巴芬灣和戴維斯海峽平均流速為2.0 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(shí)針環(huán)流，平均流速為 0.5 kn。[7]

1.3 淺 水

航行于淺水中的船舶通常會(huì)有縱傾和下沉，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致觸底和擱淺事故的發(fā)生。[8]

東北航道海域的淺水效應(yīng)是影響船舶航行的關(guān)鍵因素之一。其中，拉普捷夫海53%海域的水深為10 ~ 40 m；喀拉海40%海域的水深不足50 m，最小水深為21 m；東部拉普捷夫海峽最淺水深不足10 m，僅限吃水小于6.7 m 的船只通過[9-10]；沿途的桑尼科夫海峽有不足9 m 深的淺灘；尤戈?duì)柡{寬度為2 ~ 12 km，最淺處僅12 m；維利基茨基海峽的最窄處寬度不足60 m，深度為40 ~ 230 m；約戈?duì)査够_海峽水深為13 ~ 30 m。

西北航道上，同樣有多處航道窄、水深淺的地方。其中，阿蒙森灣附近的多芬聯(lián)合海峽有多處水深不足10 m；拜洛特海峽寬度較窄，且具有較強(qiáng)的流，其北部的淺灘水深僅為4.3 m；辛普森海峽最窄處寬僅3 km，多處水深不足5.5 m；雷伊海峽的水深僅為5 ~ 18 m。

1.4 低溫和低能見度

北極是四周被大陸包圍的海洋，中間是北冰洋，只有夏季和冬季2 個(gè)季節(jié)。冬季極夜一片漆黑，整個(gè)冬天沒有白天，最低溫度達(dá)到-60 ℃。南極是被海洋包圍的大陸，平均海拔2 350 m，是世界上海拔最高的大洲，但是95%以上的南極洲常年被冰雪覆蓋，最低溫度達(dá)到-90 ℃。低溫會(huì)使海水結(jié)冰，使船舶的操縱性能受到影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)船員身體造成影響，從而對(duì)船舶操縱產(chǎn)生不利影響。

北極地區(qū)的積雪容易被吹起，導(dǎo)致能見度降低，影響船舶操縱人員對(duì)前方險(xiǎn)情的判斷，容易發(fā)生船舶與冰山等的碰撞。

2 極地破冰船發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)

根據(jù)破冰船的用途，可分為以下幾類[11]：

（1）領(lǐng)航破冰船。是領(lǐng)導(dǎo)船隊(duì)的超大功率破冰船，如目前仍在設(shè)計(jì)中的“LK-120YA”。

（2）航道破冰船。用于保障工作船隊(duì)和商船隊(duì)的運(yùn)輸航行， 如俄羅斯的“北極”號(hào)、“烏拉爾”號(hào)、“西伯利亞”號(hào)和“泰梅爾”號(hào)核動(dòng)力破冰船，“葉爾馬克”號(hào)破冰船；美國(guó)的“北極星”號(hào)、“北極海”號(hào)和“希利”號(hào)破冰船。

（3）科考破冰船。用于極地科學(xué)考察和極地科考站的物資運(yùn)輸，如中國(guó)的“雪龍”號(hào)、“雪龍2”號(hào)，俄羅斯的“紹卡利斯基院士”號(hào)等。

（4）多用途破冰船。用于保障船隊(duì)在冰凍港口和淺水區(qū)域航行，輔助船只停靠岸等，如“莫斯科”號(hào)、“索羅金船長(zhǎng)”號(hào)、“穆久閣”號(hào)和“伊茲馬伊洛夫船長(zhǎng)”號(hào)破冰船。

2.1 破冰船發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 俄羅斯

俄羅斯已建成12 艘核動(dòng)力破冰船，目前有7 艘在役，見表1。

表1 俄羅斯核動(dòng)力破冰船

表2 加拿大破冰船

1989 年退役的“列寧”號(hào)，是世界上首艘核動(dòng)力破冰船，排水量約 2 萬t、螺旋槳提供 32 MW推力。從 1975 年開始，俄羅斯已陸續(xù)建成 8 艘第2 代核動(dòng)力破冰船，包括2 艘泰梅爾級(jí)和6 艘北極級(jí)。泰梅爾級(jí)共有 2 艘，即 “泰梅爾”號(hào)和“瓦伊加奇”號(hào)，長(zhǎng)151.8 m、寬 29.2 m、槳推力 35 MW、排水量2.1 萬t、破冰厚度為1.77 m，目前這2 艘破冰船均在服役。北極級(jí)的螺旋槳推動(dòng)力達(dá)到54 MW，共建成6 艘，但目前只有“亞馬爾”號(hào)和“勝利 50 周年”號(hào)仍在服役，另外 4 艘均已退役。“勝利50 周年”號(hào)是目前最強(qiáng)大的在役核動(dòng)力破冰船，滿載排水量 2.52 萬t、長(zhǎng) 160 m、寬 30 m，破冰厚度可達(dá) 2.8 m。

俄羅斯在波羅的海造船廠建造了“北極”號(hào)、“西伯利亞”號(hào)和“烏拉爾”號(hào)共3 艘LK-60 級(jí)核動(dòng)力破冰船。它們屬于第3 代核動(dòng)力破冰船，船長(zhǎng) 173 m、寬 34 m、排水量 3.35 萬t、破冰厚度為3 m，螺旋槳可產(chǎn)生60 MW 推力。“北極”號(hào)是首艘 LK-60 級(jí)，第2 艘是“西伯利亞”號(hào)，第3 艘是“烏拉爾”號(hào)（該船已于2022 年底交付）。俄羅斯將于2027 年前再建設(shè)2 艘LK-60 級(jí)。

俄羅斯目前正在研發(fā) LK-120 級(jí)和 LK-40 級(jí)2個(gè)新型核動(dòng)力破冰船項(xiàng)目。LK-120 級(jí)長(zhǎng)200 m、寬50 m、排水量達(dá)7 萬t，配備 2 座 315 MW 的 RITM-400 反應(yīng)堆，為螺旋槳提供 120 MW 推動(dòng)力，破冰厚度可達(dá) 4.3 m，能夠以 11 kn 的航速在 2 m 厚的冰層中航行。俄羅斯目前決定在紅星造船廠建設(shè)3 艘該類船，與此同時(shí)，其還在開展LK-40 級(jí)研發(fā)。該型船長(zhǎng) 152 m、寬 31 m、排水量 2.07 萬t、破冰厚度為 2.4 m，螺旋槳可獲 40 MW 推力。

2.1.2 加拿大

加拿大擁有的破冰船種類較多，主要包括：“Teny Fox”級(jí)破冰船；1100 型破冰船；1200 型破冰船，如“Radisson”破冰船；1300 型破冰船，如“Louis S.St Laurent”破冰船。其主要參數(shù)見表 2。

2.1.3 美 國(guó)

美國(guó)破冰船主要參數(shù)及在役狀態(tài)見表3。Polar級(jí)重型破冰船“北極星”號(hào)（WAGB-10）和“北極海”號(hào)（WAGB-11）船長(zhǎng) 121.6 m、寬 25.6 m、吃水 9.4 m、滿載排水量13 900 t，能夠以3 kn 的速度連續(xù)在最厚冰層達(dá)1.83 m 的冰區(qū)航行，沖撞式破冰能力為6.4 m、最大航速為17.5 kn、巡航航速為13 kn。該級(jí)船是世界上功率最強(qiáng)的非核動(dòng)力破冰船，安裝有3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)與3 個(gè)槳軸連接，推進(jìn)動(dòng)力由6 臺(tái)柴電推進(jìn)裝置或 3 臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)提供，在敞水環(huán)境航行時(shí)采用柴電推進(jìn)，破冰時(shí)則采用燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)。該級(jí)船采用可調(diào)螺距槳，以方便在冰上操縱[12]。

表3 美國(guó)破冰船

“希利”號(hào)破冰船（WAGB-20）是目前美國(guó)現(xiàn)役最大的破冰船，配備了 DP 精確操縱系統(tǒng)。

2.1.4 日 本

日本目前分別擁有“富士（AGB-5001）”號(hào)、“白瀨（AGB-5002）”號(hào)和“白瀨（AGB-5003）號(hào)”（二代）共計(jì)3 艘破冰船，使用了最新的噴淋技術(shù)，先除雪再破冰，可破1.5 m 厚的冰，見表4。

表4 日本破冰船

2.1.5 中 國(guó)

中國(guó)“雪龍”號(hào)和“雪龍2”號(hào)主要參數(shù)及在役狀態(tài)見表5。“雪龍”號(hào)科考船采用單槳單舵以及可調(diào)螺距螺旋槳，是我國(guó)1993 年從烏克蘭進(jìn)口后，按照需求進(jìn)行改造而成。“雪龍”號(hào)破冰能力強(qiáng)，能以1.5 kn 航速連續(xù)沖破1.2 m 厚的冰層（含0.2 m 雪）前行。“雪龍2”號(hào)采用雙吊艙推進(jìn)，是中國(guó)首艘自主建造的極地科學(xué)考察破冰船，于2019 年7 月交付使用。該船也是全球首艘采用船首、船尾雙向破冰技術(shù)的極地破冰船，能夠在1.5 m 厚冰環(huán)境中連續(xù)破冰航行，填補(bǔ)了我國(guó)在極地科考重大裝備領(lǐng)域的空白。

表5 中國(guó)破冰船

2.2 極地破冰船特點(diǎn)

2.2.1 主尺度及配置

核動(dòng)力破冰船造價(jià)昂貴，多采用多軸槳推進(jìn)；而常規(guī)動(dòng)力破冰船相對(duì)造價(jià)低廉，多采用吊艙推進(jìn)。如“安德烈.維爾基茨基”號(hào)破冰船，船長(zhǎng)121 m、寬26 m、最大吃水8.2 m、最大航速16 kn，安裝了3 部吊艙式推進(jìn)器，具備360°原地轉(zhuǎn)向能力；LK-25 型 “維克托.切爾諾梅爾金”號(hào)破冰船安裝了創(chuàng)新性的推進(jìn)-轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即2 個(gè)吊艙和中間軸槳的推進(jìn)形式。俄破冰船總體性能如表6 所示[13]。

表6 俄羅斯破冰船總體性能表

核動(dòng)力破冰船破冰要求高，艏部線型等船體參數(shù)不同于其他常規(guī)動(dòng)力破冰船。

領(lǐng)航破冰船總長(zhǎng)超過148 m、設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)超過136 m、寬度超過30 m、排水量24 000 t 以上，均為3 軸或4 軸定距槳。其采取核動(dòng)力推進(jìn)，設(shè)計(jì)敞水航速為21 ~ 24 kn，2 kn航速破冰能力均大于2.25 m。破冰能力最強(qiáng)的為計(jì)劃建造的LK-120YA，可破厚度為4.3 m 的冰，軸功率約120 MW。領(lǐng)航破冰船長(zhǎng)寬比為4.53 ~ 4.85，方形系數(shù)為0.52 ~ 0.56，比功率為1.82 ~ 2.04，并且推進(jìn)功率約占動(dòng)力裝置總功率的83% ~ 89%。

航道破冰船總長(zhǎng)120 ~ 150 m、設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)112 ~140 m、寬度24 ~ 29 m、排水量13 000 ~ 20 000 t，多為三槳定距槳。其采用常規(guī)電力推進(jìn)，設(shè)計(jì)敞水航速為18.2 ~ 20.2 kn，2 kn 航速破冰能力均大于1.05 ~1.95 m，軸功率為16.1 ~ 32 MW，長(zhǎng)寬比為4.59 ~5.00，方形系數(shù)0.51 ~ 0.59，比功率為1.44 ~ 1.91。另外，柴油動(dòng)力破冰船推進(jìn)功率約占動(dòng)力裝置總功率的84.3% ~ 87.2%。

科考破冰船的長(zhǎng)寬比為4.09 ~ 5.54，方形系數(shù)0.51 ~ 0.69，比功率為0.73 ~ 1.64。另外，早期的科考破冰船（如美國(guó)“極海”號(hào)、德國(guó)“極星”號(hào)、加拿大“亨利·拉森”號(hào)），推進(jìn)功率占動(dòng)力裝置總功率的84.3% ~ 87.2%，而后期建造的科考類破冰船推進(jìn)功率占動(dòng)力裝置總功率的56% ~ 77%，且多采用吊艙推進(jìn)。

多用途破冰船總長(zhǎng)為90 ~ 174 m、設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)80 ~ 164 m、寬度為19 ~ 26 m、排水量為6 000 ~24 000 t，采用定距槳、調(diào)距槳或吊艙槳，設(shè)計(jì)敞水航速為13.5 ~ 19 kn，2 kn 航速破冰能力通常為0.6 ~1.3 m，軸功率為6.6 ~ 22 MW 不等。多用途破冰船的長(zhǎng)寬比為3.93 ~ 7.10，方形系數(shù)為0.49 ~ 0.7。另外，柴油動(dòng)力破冰船推進(jìn)功率約占動(dòng)力裝置總功率的69% ~ 94%。各類破冰船特點(diǎn)如表7 所示。

表7 各類破冰船特點(diǎn)

2.2.2 推進(jìn)器布置及數(shù)量

破冰船安裝的推進(jìn)器有螺旋槳和吊艙推進(jìn)器2種，推進(jìn)器可以全部為螺旋槳，也可以全部為吊艙，也可以是吊艙和螺旋槳的組合推進(jìn)。

螺旋槳的布置主要受船舶吃水深度、船寬、船體尾部線型和螺旋槳之間所需間隙的空間限制。常規(guī)破冰船船型可配置單槳、雙槳和三槳。單槳有效軸功率超過20 MW 時(shí)，會(huì)導(dǎo)致螺旋槳直徑過大，但槳容易保護(hù)。雙槳推進(jìn)可以使螺旋槳直徑減小，但不如單槳布置容易保護(hù)。雙槳推進(jìn)或三槳推進(jìn)的布置上都沒有單槳更容易保護(hù)。

俄羅斯破冰船（如LK-25 級(jí)破冰船）大多采用輔助推進(jìn)系統(tǒng)。該推進(jìn)系統(tǒng)由1 個(gè)10 MW 的傳統(tǒng)螺旋槳和2 個(gè)7.5 MW 的ABB Azipod VI1600 型電推吊艙組成，可獲得更強(qiáng)的推進(jìn)動(dòng)力，還可使船體進(jìn)行橫搖，實(shí)現(xiàn)舷側(cè)碎冰作業(yè)。我國(guó)的“雪龍2”號(hào)采用了雙吊艙推進(jìn)系統(tǒng)。未來常規(guī)動(dòng)力破冰船的設(shè)計(jì)，采用雙吊艙或雙吊艙與槳組合推進(jìn)形式將可能成為發(fā)展趨勢(shì)之一。

3 極地破冰船操縱性需求

根據(jù)破冰船的推進(jìn)功率，可分為：推進(jìn)功率1 萬 ~ 2 萬hp（7.35 MW ≤P＜14.7 MW）為輕型破冰船 ；2 萬 ~ 4.5 萬hp（14.7 MW ≤P ＜ 33 MW）為中型破冰船；≥4.5 萬hp（≥33 MW）為重型破冰船。我國(guó)的“雪龍2 ”號(hào)推進(jìn)功率為15 MW，屬于中型破冰船，可破1.5 m 厚的冰[5]。

破冰船需穿越最強(qiáng)風(fēng)力12 級(jí)、最高浪級(jí)30 m的西風(fēng)帶到達(dá)南北極，為提高舒適性，設(shè)計(jì)減搖水艙和舭部能有效抑制破冰船的橫搖運(yùn)動(dòng)等。除此以外，破冰船未來將承擔(dān)調(diào)查、引航和拖帶等多種任務(wù)，涉及多種工作場(chǎng)景，如浮冰中航行、沖撞破冰與破碎被困船舶周圍冰層等，均要求該船具有良好的機(jī)動(dòng)和操縱性能。如破冰船在冰區(qū)航行時(shí)，應(yīng)盡可能利用冰間水道和薄冰區(qū)，破冰過程需克服外部環(huán)境（如風(fēng)和流）的影響；沖撞破冰中，船舶需要不停地進(jìn)行倒車和正車加速等操作；破碎被困船舶周圍冰層的過程，需要在被困船舶周圍靈活運(yùn)動(dòng)。如果要破2.25 m 厚及以上的冰，就需要建造重型破冰船，推進(jìn)功率要達(dá)33 MW 以上，推進(jìn)系統(tǒng)就需要3 軸槳或4 軸槳方案。

因此，破冰船的推進(jìn)和操縱裝置多采用以下4 種組合，即雙吊艙、雙吊艙加中間軸槳、單吊艙加雙軸槳以及多軸槳加多舵的布置形式。雙吊艙加中間軸槳以及單吊艙加雙軸槳的布置，則利用了吊艙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，可有效提高船舶在冰中的機(jī)動(dòng)性。

3.1 操縱裝置需求分析

（1）雙吊艙

吊艙槳是集推進(jìn)和操舵裝置于一體的新型船舶推進(jìn)裝置，它將推進(jìn)電機(jī)置于船艙外部，直接與螺旋槳相連，可以在360°內(nèi)水平轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)。“雪龍2”號(hào)采用2 臺(tái)7.5 MW 破冰型吊艙槳，可船首和船尾雙向破冰，在冰中的回轉(zhuǎn)半徑只有1 倍多船長(zhǎng)。“雪龍2”號(hào)在固定冰中掉頭是利用艉向破冰功能，1 h 以內(nèi)便可完成掉頭。而“雪龍”號(hào)在固定冰中掉頭需花12 h 以上，來回沖撞40 次以上。雙吊艙設(shè)計(jì)配合艏側(cè)推，“雪龍2”號(hào)船還能自由出入港口。在清水區(qū)，依靠雙吊艙以及艏側(cè)推的作用，可完成需要?jiǎng)恿Χㄎ坏目瓶甲鳂I(yè)。隨著國(guó)產(chǎn)5 MW、PC3 級(jí)6 MW 吊艙推進(jìn)裝置樣機(jī)的成功研制，不僅打破了國(guó)外壟斷，也為下一步開展實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證和更大功率的吊艙推進(jìn)裝置研制打下基礎(chǔ)。

（2）雙吊艙加中間軸槳

吊艙推進(jìn)裝置的功率有限，船型越大、需要破的冰越厚，所需的推進(jìn)功率也就越大。目前ABB公司主要推出了7.5 ~ 14.5 MW吊艙推進(jìn)系列產(chǎn)品，17 MW 及以上產(chǎn)品還處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段。考慮到吊艙國(guó)產(chǎn)化、吊艙安裝布置和操縱靈活等問題，雙吊艙與中間軸槳組合操縱裝置成了首選。2 個(gè)邊吊艙推進(jìn)器加上中間軸槳的設(shè)計(jì)，需要考慮吊艙或槳損傷等情況。若遇中間槳損傷，可依靠2 個(gè)邊吊艙進(jìn)行推進(jìn)與操縱；若遇一邊吊艙損傷，可以通過調(diào)節(jié)吊艙角度保持船舶直線航行或者進(jìn)行回轉(zhuǎn)操縱。不過，吊艙或槳無論哪個(gè)裝置出現(xiàn)損傷，破冰船的破冰能力都將大大減弱，一旦超過其破冰所需功率，破冰船便有被困風(fēng)險(xiǎn)，故應(yīng)引起重視。

（3）單吊艙加雙軸槳

這種布置形式是將單吊艙安裝在3 個(gè)推進(jìn)器中間，軸槳安裝在船體兩側(cè)。中間安裝1 個(gè)吊艙，其作用遠(yuǎn)大于舵：首先，其為矢量推進(jìn)，在原地即使沒有吸收船體的尾流，也能產(chǎn)生較大的橫向力使船舶回轉(zhuǎn)；其次，吊艙本體反轉(zhuǎn)方便，可以有效減少緊急停車的距離，應(yīng)變突發(fā)情況比3 軸槳加單舵組合更為靈活。在敞水中航行，通過吸收船體的尾流，吊艙本體轉(zhuǎn)動(dòng)，還能起到與舵相同的效果。雙吊艙的布置優(yōu)勢(shì)更為明顯，但是回轉(zhuǎn)過程中，由于吊艙本體以及矢量推進(jìn)產(chǎn)生橫向力的雙重作用，回轉(zhuǎn)橫傾角較大，因此在操舵過程中應(yīng)格外注意。

（4）多軸槳加多舵

吊艙操縱靈活，具有其他操縱裝置無法比擬的優(yōu)勢(shì)，但無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外產(chǎn)品，吊艙的推進(jìn)功率都有限，若想采用吊艙推進(jìn)破厚度3 m 及以上的冰，技術(shù)難度極大。從目前俄羅斯等國(guó)家的破冰船發(fā)展來看，軸槳與舵的組合仍然是重型破冰船的首選推進(jìn)操縱裝置，單軸槳功率22 MW 及以上，吊艙功率目前無法企及。通過安裝3 軸槳或4 軸槳，利用槳舵、側(cè)推的聯(lián)合操縱可以實(shí)現(xiàn)敞水中橫移，利用邊槳轉(zhuǎn)速的差異化，可以實(shí)現(xiàn)不打舵情況下船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者打舵情況下加速船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。單舵處于船體中央，破冰船后退時(shí)舵需回中，否則容易損傷，舵的設(shè)計(jì)更多需要考慮冰刀、舵桿強(qiáng)度和舵機(jī)功率等；雙舵布置除了需要考慮舵的破壞保護(hù)外，還需要考慮舵的布置是否處于槳的有利尾流中。俄羅斯在領(lǐng)航級(jí)破冰船的設(shè)計(jì)中，目前都考慮了雙吃水，舵的保護(hù)設(shè)計(jì)以及雙吃水下的操縱性都需全面考慮。

我國(guó)在南極擁有長(zhǎng)城站、中山站、昆侖站、泰山站以及羅斯海新站等5 個(gè)站點(diǎn)，僅依靠“雪龍”號(hào)和“雪龍2”號(hào)仍難以承擔(dān)這些站點(diǎn)的日常運(yùn)輸和維護(hù)任務(wù)。未來去往南極的重型破冰船最有可能采用的還是常規(guī)動(dòng)力。為了可破3 m 厚層冰，應(yīng)將冰區(qū)加強(qiáng)等級(jí)提升為PC2，同時(shí)具備雙向破冰能力，還可配備360°全向旋轉(zhuǎn)的電力推進(jìn)吊艙系統(tǒng)。

3.2 操縱規(guī)范需求分析

（1）模型和實(shí)船試驗(yàn)規(guī)程

敞水中的操縱性試驗(yàn)經(jīng)過長(zhǎng)期的摸索和發(fā)展，目前已形成了模型試驗(yàn)、實(shí)船試驗(yàn)的操縱性規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)。冰中試驗(yàn)方面，德國(guó)漢堡水池、俄羅斯克雷洛夫研究院以及加拿大海洋技術(shù)研究所等較早開展冰中模型試驗(yàn)。近十年來，我國(guó)也逐步開展了類似工作，但至今尚未看到公開發(fā)表的試驗(yàn)規(guī)程等成果。ITTC 在2021 年修訂了《冰中操縱性試驗(yàn)規(guī)程》（ITTC 7.5-02-04-02.3），該試驗(yàn)規(guī)程中就回轉(zhuǎn)、星型操縱、破離航道等試驗(yàn)進(jìn)行了介紹（如圖2 所示），但未詳細(xì)說明船冰碰撞之前的航速、距離等技術(shù)細(xì)節(jié)，給模型試驗(yàn)帶來了不少難度，而對(duì)于跟馳作業(yè)、船船救援等操縱標(biāo)準(zhǔn)更是缺乏。

圖2 冰水中操縱性試驗(yàn)

（2）冰水中操縱試驗(yàn)衡準(zhǔn)

2002 年，IMO 發(fā)布了《船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)》（MSC.137（76）決議），規(guī)定了適用于該標(biāo)準(zhǔn)的敞水試驗(yàn)船大小、試驗(yàn)類型和試驗(yàn)特征參數(shù)的衡準(zhǔn)范圍等，但目前還沒有冰水中單船開展回轉(zhuǎn)、星型操縱和破離航道等試驗(yàn)的操縱性標(biāo)準(zhǔn)，用于衡準(zhǔn)不同噸位和不同操縱裝置船舶回轉(zhuǎn)圈大小、星型操縱所需時(shí)間、所占冰面積等。

4 極地破冰船操縱性研究方法

解決極地破冰船的操縱性問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用數(shù)值模擬法和物理實(shí)驗(yàn)法。

4.1 數(shù)值模擬法

操縱性數(shù)值模擬主要有2 種方法： 一是參照常規(guī)水域船舶操縱性方程，將海冰的影響考慮到常規(guī)操縱性方程的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)中，得到理論分析結(jié)果；二是直接建立在冰中的操縱性方程。第1 種方法的應(yīng)用并不廣泛，第2 種方法采用如下方程：

式中：X、Y分別為船體上的力，N；N為力矩，Nm；下標(biāo)H、P、R、I 和ice 分別代表船體、螺旋槳、舵、慣性和冰的作用。

船冰相互作用力可以采用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算，如LIU[14]完成了1 種用于預(yù)報(bào)平整冰中船舶操縱性的數(shù)值計(jì)算軟件。該軟件使用Lindqvist 半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算冰阻力，建立了船舶三自由度運(yùn)動(dòng)方程，通過編程模擬了船舶在平整冰中的直航和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

目前船-冰作用分析常用的數(shù)值模擬方法主要為有限元法和離散元法。有限元法可同時(shí)對(duì)船體的變形與海冰的破壞進(jìn)行求解；而離散元法可對(duì)平整冰、浮冰和碎冰的運(yùn)動(dòng)特性，以及船舶在平整冰、浮冰和碎冰區(qū)中的航行過程進(jìn)行建模分析，有基于球形顆粒粘結(jié)的離散元法，基于擴(kuò)展多面體的離散元法和粘結(jié)破碎特性的離散元法等。破冰船與海冰相互作用主要是以接觸、擠壓、彎曲破壞、海冰脫落和再接觸的模式進(jìn)行，主要接觸部位在船首和船舯，首先需要確定船冰的接觸位置。隨船體向前運(yùn)動(dòng)，海冰將會(huì)被擠壓，進(jìn)而產(chǎn)生破冰力。隨著破冰船不斷前進(jìn)，海冰發(fā)生擠壓破壞并發(fā)生彎曲破壞，海冰將發(fā)生翻轉(zhuǎn)、滑動(dòng)和淹沒，產(chǎn)生碎冰力，由破冰力和碎冰力計(jì)算得到冰載荷。

LAU[15-16]應(yīng)用DECICE 商業(yè)離散元代碼軟件對(duì)“TERRY FOX”號(hào)破冰船在平整冰中的直行和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析。狄少丞等[17]基于離散元方法，使用冰水船相互作用模型模擬了破冰船在平整冰和浮冰中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。何菲菲[18]基于彈性力學(xué)理論建立了冰載荷計(jì)算方法，并通過建立船舶三自由度運(yùn)動(dòng)方程，求解破冰船的破冰能力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。李志鵬[19]使用經(jīng)驗(yàn)公式方法計(jì)算冰力和冰力矩，冰將冰力和力矩加入到三自由度運(yùn)動(dòng)方程中，分析了船舶冰區(qū)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；基于非線性有限元方法對(duì)船舶直行與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)與海冰發(fā)生碰撞的情形進(jìn)行了模擬；使用流固耦合方法，模擬了存在流體域時(shí)船舶與海冰的相互作用；結(jié)合有限元法與操縱性理論，求解水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，建立計(jì)入冰中操縱系數(shù)的三自由度運(yùn)動(dòng)模型。

4.2 試驗(yàn)研究法

試驗(yàn)研究法分為模型試驗(yàn)法和實(shí)船試驗(yàn)法，模型試驗(yàn)分為自航模試驗(yàn)和約束模試驗(yàn)。

4.2.1 模型試驗(yàn)

近年來，俄羅斯、芬蘭等國(guó)開始有計(jì)劃地升級(jí)已有的冰水池，主要體現(xiàn)在水池尺度的擴(kuò)建和試驗(yàn)設(shè)備的更新?lián)Q代方面。目前，世界上主要冰水池有：俄羅斯 2 座、芬蘭 2 座、德國(guó) 2 座、加拿大 4 座、美國(guó) 4 座、日本 5 座、韓國(guó) 1 座、中國(guó)3 座。世界主要冰水池的建成時(shí)間與主要參數(shù)見表8。

表8 世界主要冰水池

冰池船模試驗(yàn)一般可以分為2 類：自航模試驗(yàn)和約束模試驗(yàn)。自航模試驗(yàn)（見下頁圖3）可直接觀測(cè)到船模在不同冰類型下的操縱性，但冰水池的大小有限，一般只能跑出 1/4 回轉(zhuǎn)軌跡，即可測(cè)量得到回轉(zhuǎn)直徑。約束模試驗(yàn)（見下頁圖4）使用平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等迫使船模按照預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，可通過測(cè)量船模的受力和力矩確定水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)等，從而得到船舶運(yùn)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)公式。

圖3 模型回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

圖4 平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型試驗(yàn)

日本國(guó)家海洋研究機(jī)構(gòu)2005 年在冰水池中進(jìn)行了自航下的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線航行這2 種模型試驗(yàn)[20]。模型冰采用丙二醇晶體結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)過程的冰載荷由壓力傳感系統(tǒng)測(cè)試得到。2003 年，LAU[21]在冰水池中進(jìn)行了平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（planar motion mechanism, PMM）試驗(yàn)，船模為縮尺比1∶21.8 的“Terry Fox”號(hào)，由大振幅PMM 牽引船模的重心，完成了 0°漂角直航阻力試驗(yàn)以及在40 mm 厚平整冰中的純搖首試驗(yàn)。

4.2.2 實(shí)船試驗(yàn)

破冰船的實(shí)船操縱試驗(yàn)主要有破離航道試驗(yàn)、回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和星型操縱等。破離航道試驗(yàn)主要是為了測(cè)量冰中改變航道的能力；回轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要是為了測(cè)量船舶回轉(zhuǎn)所需的空間[22]；星型操縱試驗(yàn)主要測(cè)量船舶機(jī)動(dòng)所需要的空間和時(shí)間。

MENON 等[23-24]分析總結(jié)了在南極洲麥克默多海峽“北極星”號(hào)破冰船的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，見圖5。

圖5 USCGC“北極星”號(hào)破冰船的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

該試驗(yàn)采用多種航速、舵角、冰厚、軸推力和回轉(zhuǎn)方向，試驗(yàn)測(cè)得了回轉(zhuǎn)半徑。USCGC“希利”號(hào)的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)采用不同的船速、冰厚，完成了2 組整回轉(zhuǎn)圈與8 組半回轉(zhuǎn)圈試驗(yàn)[25]。赫爾辛基工業(yè)大學(xué)船舶實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了 Tor Viking II[26]的冰區(qū)試驗(yàn)，該試驗(yàn)分別選取平整冰、碎冰通道和冰脊區(qū)域這3種冰況。平整冰中，共進(jìn)行了 7 組回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，均滿舵 45°，其中2 組是在 28 cm 厚的薄冰中進(jìn)行，一組船身正吃水，另一組船身橫傾 3°。

5 結(jié) 語

南極磷蝦、北極石油和天然氣等自然資源豐富。北極變暖以及東北航道和西北航道的初步形成，使亞洲、歐洲和美洲的航線距離縮短了25%以上。在極區(qū)航行，船舶不但受到風(fēng)、浪、流和淺水等影響，而且會(huì)遭遇冰、雪、霧等惡劣天氣，這些因素極大影響并推動(dòng)著破冰船的發(fā)展，用于為商船提供求援、開辟航道、引領(lǐng)航行等服務(wù)。

操縱性是極地破冰船非常重要的性能之一。本文介紹了與之相關(guān)的極地環(huán)境、國(guó)內(nèi)外破冰船分類及特點(diǎn)、破冰船操縱裝置和標(biāo)準(zhǔn)等操縱性設(shè)計(jì)需求，同時(shí)介紹破冰船操縱性實(shí)船試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等操縱性研究方法，為后續(xù)極地破冰船的研究設(shè)計(jì)提供思路和參考。