作者 | 陈俊宇，清华大学机械系博士生
昨天，从自然资源部传来消息，中国第一艘自主建造的极地科考破冰船“雪龙2”号首度在南极破冰成功，为“雪龙”号开拓航道，共同向南极中山站靠近，为下一步开展卸货做准备。
“雪龙2”号有什么与众不同之处？极地破冰船与普通船只相比，又有何不同？破冰船在建造上的难度究竟在哪儿？我们慢慢道来。
（一）极地破冰船是怎么破冰的？
冰对运输是危险的。
除了被撞和沉没的明显危险外，一艘船可能被封闭的冰困住，被迫在数月或超过一年的时间里漂流数百乃至数千海里（1海里=1.852公里）。
2014年1月份，中国科考船“雪龙”号成功营救困在南极的俄罗斯极地科考船“绍卡利斯基院士”号，救援过程颇为艰险，甚至雪龙号本身还一度受困，这也说明了极地航运的风险。
面对极地条件，所有的极地船舶都会对自身结构进行加强，而极地破冰船就是极地船舶中十分重要的种类，可以单独在极地前行，也可以为整个舰队在极地开辟航道。
（破冰船护航其他极地船舶通过冰区）
极地破冰船，顾名思义，是指可以在极地海冰水域破冰前行的船舶。
破冰船的破冰方法不像我们大多数人想象的那样是从中间向两侧劈开，而一般是在竖直方向施力，将冰压坏或者顶坏的。这是因为，冰一般是层状的，在水平方向可以看做是无限延伸的，而竖直方向则仅有有限的截面积用来承受外力。同样大小的力，作用在水平方向给冰造成的剪切应力（即压强）接近于零，而竖直方向上则可以将冰破开。
（破冰船破冰一般是竖直方向施力）
破冰船的破冰方法包括顶推法、首压法、舷压法、冲撞法、气力法等，其中，最常见的方法就是顶推法，依靠破冰船前进时所具有的冲力，以及螺旋桨的推进力、自身坚硬的外壳和上翘的船首将冰层劈开撞碎，适用于破较薄的冰层。
（破冰船利用顶推法进行连续破冰）
其他的方法还包括首压法，即利用船体重力使破冰船冲上冰层将冰压碎，并通过调节压载水使船身左右晃动，加大破冰效果，以便开出更加宽阔的航道；
舷压法是依靠破冰船特有的头部造型和螺旋桨工作时所产生的巨大推动力，从而“爬”上冰面，此时船头利用自身的重量将冰层压碎，进而开辟出航道；
冲撞法（徒步破冰法）多用于冰层较厚的情况下，利用破冰船船头部位吃水浅的特征，加大马力冲到冰面上，船体依靠自身的重量进行一次破冰，然后破冰船倒退一段距离，再次开足马力冲上前面的冰层进行二次破冰；
气力法是通过气泡系统将压缩的空气从船体底部喷出，使船侧的冰块受到向上的浮力作用，并随着气泡上升破裂，以此减少对船体的摩擦；
此外，还有一些破冰船上安装有船体加热设备，可对低温船体进行加热，避免船体结冰，从而避免船体钢材因低温导致韧性降低，同时避免船侧碎冰再次冻结。
（破冰船破冰方法）
破冰能力是极地破冰船最重要的参数之一，可分连续航行破冰能力和反复冲压破冰能力。目前，从动力系统角度来看，大多数柴电破冰船其连续航行破冰能力在1.2米以上，较为先进的可破开1.8米厚的冰层，而核动力系统破冰船可连续破开2～3米的冰层。
在连续航行破冰受限的情况下，破冰船会以反复冲压的方法进行破冰作业。一般来看，破冰船的反复冲压破冰厚度通常是连续航行破冰厚度的2～4倍左右。
（二）破冰船的建造难在哪儿？
目前，中国由于缺乏冰水池，船舶设计、低温材料与配套技术发展受到严重影响，极地船舶数量和技术水平极大落后于欧洲、俄罗斯、日本、韩国等国家和地区。以破冰船为例，中国目前唯一能在极地破冰前行的船只为正在服役的“雪龙”号，属于中国第三代极地破冰船和科学考察船，同时也是中国最大的极地考察船。
而俄罗斯有30余艘破冰船，最大的一艘破冰船可以在北极的任何海域航行并执行任务，航行时可破冰层厚度达3米；美国曾拥有仅次于俄罗斯的破冰船舰队，包括5艘极地破冰船。
那么破冰船的建造难度到底在哪里呢？是什么因素制约了之前中国破冰船的发展？我们从基础理论、船体设计、动力系统几个方面来介绍。
（1）基础理论：冰载荷计算还有很长的路要走
船舶在冰区中航行会由于海冰的作用而受到额外的冰载荷，因此，合理的确定船舶冰载荷是进行冰区船舶设计的基本能力要求。
冰载荷一直以来都是国内外相关研究人员关注的热点。目前冰载荷计算主要采用理论分析、试验测试和计算仿真三类方法。与波浪载荷相比，冰载荷的研究历史尚短，理论还不成熟，还需要系统的开展相关的研究。
（海冰具有多种破坏模式）
（2）船体设计：耐低温结构材料目前仍依赖进口
2009年，中国正式启动“雪龙2”号新建极地科考船建设项目，当时国内船舶设计单位对极地船舶的认识仅停留在理论阶段，缺乏实际经验和论证条件，无法独立完成破冰船船体结构的设计。
国务院确立了“国内外联合设计、国内建造”的基本原则。为了满足中国的科考需求，中国向芬兰的船舶设计公司提出了相应的定制化需求：新一代的科考破冰船“底盘”要好，确保其服役寿命；同时，为了提高船舶的破冰能力和灵活性，“雪龙2”号要采用全回转推进，可以实现双向破冰。
芬兰公司开始提供的船体设计方案的母型船是一艘货船，无法满足科考需求，在中国相关研究单位的优化下，船的设计在敞水性能、行船稳定性等方面得到了优化，其中做了大量的研究工作。
为了防止低温对船体的损害，在船体结构设计中，一般选取特殊低温高性能钢材，并在船艏、船艉和水线附近对其进行加厚。
中国现有的高级别超高强海工钢主要采用淬火+回火生产工艺，以中碳成分为主，钢板焊接性能较差，无法满足极地船舶建造焊接和超低温焊接维修的要求，这种低温钢材中国还依赖进口。
（3）动力系统：极端天气条件下工程应用相比国外仍有差距
极地船舶的航行环境恶劣，极低的环境温度会影响船舶电气设备及其器部件的运行性能，降低可靠性，影响船舶的正常航行、作业与生活。
对于极地科考船，它们在破冰过程中，由于冰载荷的随机波动性，船舶电力推进系统将处于随机性、冲击性负载作用的极端运行工况，这对电力推进系统的设计与变频控制提出了极高的要求。
中国目前已经掌握了船舶电力推进系统的大部分关键技术，并且在电制形式、功率密度、运行效率等方面优于国外，但在极端天气条件下的工程应用还与国外有较大差距。
另外大负荷下结构件容易因材料的低温脆性而损坏，铸钢件易冻裂；钢丝绳冻硬，难于缠绕甚至出现断股现象；低温下机械设备内外部结冰，发动机启动困难，液压系统卡死，无法正常工作；在极低温度下，齿轮箱中电机、齿轮线等机械传动部件中的润滑油会过于粘稠导致阻力升高，甚至出现齿轮箱或天线因冰冻而无法工作的情况。
这些都需要逐一解决。
（三）“雪龙2”号有哪些新特点？
“雪龙2”号长122.5米，宽22.3米，航速12-15节，续航力达到两万海里，接近绕地球一周，定员90人，能在极地1.5米厚冰、0.2米雪情况下连续破冰行驶，破冰能力达到P3级，为中型破冰船型，可以将中国的极地科考从夏季延展到春秋季。
此外，雪龙2号还具有以下几个新特点：
（1）首尾双向破冰
“雪龙2”号是全球第一艘采用船艏、船艉双向破冰技术的极地科考破冰船，在遇到很难“拱”的冰脊时，船体可以转动180度，让船尾变成船头，尾部的螺旋桨能在海面下削冰，把10多米高的冰脊“掏空”，从而突出重围。这也大大提高了船的脱困能力，雪龙号曾经碰到过的受困问题在未来的“雪龙2”号身上将有更多的解决手段。
（2）月池液压仓
以往极地科考中，科考队员进行采样、布放探测器等科考操作时都是站在船边，安全隐患很大，同时极端天气也让这一过程艰苦无比。
为了克服这一问题，在“雪龙2”号的船艉中部，建有一个3米见方、深达底层甲板的“井口”，被称为“月池”。科考仪器设备可以从这里直接入水，即便是100%海冰覆盖的海区也能进行采样作业，在这里工作也比室外要温暖舒适得多。
（“雪龙2”号的月池）
（3）智能化管控平台
“雪龙2”号拥有一套集智能航行、智能能效、智能机舱、智能船体的综合平台，控制着整个船体系统。
船上共安装设置了7000多个智能感应“神经系统”，可以对内、对外收集信息，优化船体功能，也可以使其在复杂的环境中实现自动驾驶。
在这样的条件下，乘员的工作生活条件得到了大幅度的改善。
结语
从2016年12月20日完成第一块钢材点火切割，到2018年9月下水，再到昨天传来消息“雪龙2”号首度在南极破冰，中国积累了极地船规则规范经验，掌握了双向破冰船型设计、PC3级破冰船结构设计和破冰船低温防寒设计等关键技术，打造了一支日趋成熟的科考船设计团队。在雪龙2号这样的中型破冰船的基础上，中国即将开展“极地重型破冰船关键技术研究”的重大科研专项，进一步进军到重型破冰船领域。
