科技日報：國產科考船極地破冰
文章來源：科技日報 發布時間：2021-06-30
2020年2月8日，“雪龍2”號實施南極長城站卸貨作業。 劉詩平 攝
作為一艘智能化的極地科考船，“雪龍2”號有著多項技術創新：搭載雙向破冰技術，可以在1.5米厚冰層中連續破冰前進，可原地360度自由轉動，裝備各種國際先進的海洋和考察設備，可執行多樣化科學考察任務。
5月6日，歷經5個多月的極地考驗，“雪龍2”號靠泊上海外高橋港中國極地考察國內基地碼頭，順利“回家”，這也標志著中國第37次南極考察圓滿完成。
歷時179天、總行程3.6萬余海里，這次南極考察也是“雪龍2”號首次單船執行環南極考察任務。
“雪龍2”號是我國第一艘自主建造的極地科學考察破冰船，也是世界上第一艘雙向破冰極地科考船。
作為一艘智能化的極地科考船，它有著多項技術創新：搭載雙向破冰技術，可以在1.5米厚冰層中連續破冰前進，可原地360度自由轉動，裝備各種國際先進的海洋和考察設備，可執行多樣化科學考察任務。
從2009年6月獲批立項，到2019年7月交付使用，“雪龍2”號是真正的“十年磨一劍”。
中外聯合設計結出的碩果
1993年，我國從烏克蘭購買了一艘蘇聯北冰洋運輸補給船，經多次改造，成為我國唯一一艘極地科考破冰船“雪龍”號。不過， 當時的“雪龍”號本身就是“高齡服役”，還是“半路改行”，科考與破冰能力都不足以滿足我國極地科考的需求。
中船集團第七〇八研究所研究員、“雪龍2”號總設計師吳剛曾表示，“雪龍2”號誕生前，我國唯一一艘極地科考破冰船“雪龍”號已經服役多年，它是由集裝箱運輸船經過多次改裝而成的。以“雪龍”號的破冰能力，只有等到夏季兩極冰川大面積融化時，才能到達考察位置，而且即使是夏季，也無法深入北冰洋中心區。其科考與破冰能力都不足以滿足我們極地科考的需求，我國急需一艘更強大的極地科考船。
“科考船除了具備抵達科考站這一運輸功能外，它還是一個非常重要的海洋研究平臺，可以搭載很多科考設備，在海上進行長時間觀測。這是我們一定要造一艘全新的極地科考船的原因。”吳剛說。
2009年，我國正式啟動“雪龍2”號新建極地科考船建設項目。
吳剛回憶，2009年6月，“雪龍2”號獲批立項，有關方面選擇國內和國外在科考及破冰方面領先的設計公司開展聯合設計，同時確定新船在入級中國船級社的基本前提下，再入級一個國外相關領域資深的船級社，獲得雙船級。雙船級意味著船舶要分別接受兩家機構的檢驗，需要滿足更多規范。
2012年7月31日，國家海洋局、中國極地研究中心、芬蘭阿克北極技術有限公司簽署了極地科學考察破冰船基本設計合同。
吳剛介紹，中船集團第708研究所作為技術支撐單位，在需求論證、敞水性能、科考設計、智能設計，以及雙船級送審上發揮了主導作用，同時完成了基本設計的技術審圖，以及用于建造的最終詳細設計等。
芬蘭阿克北極技術有限公司與中方進行了“朋友般的深度合作”。該公司在破冰船型等方面經驗豐富，提供了最初的概念船型，并按合同約定承擔了基本設計，以及設計建造中的重大問題咨詢和指導等。
“在眾多單位的通力合作下，‘雪龍2’號項目克服重重困難，取得了振奮人心的成果。”吳剛說。2019年7月，由江南造船（集團）有限責任公司負責建造的“雪龍2”號在上海交付。
全球首艘雙向破冰極地科考船
“雪龍2”號總長122.5米，排水量約1.4萬噸。它的設計建造并不容易，技術難題接踵而至。比如破冰艏和側推孔帶來的氣泡下泄，可能干擾船底換能器正常工作的問題；吊艙全回轉推進帶來的操縱安全性問題；首制船如何精準控制整船重量重心的問題。
“‘雪龍2’號項目的實施，對我國業界極地船舶設計、建造、規范應用和完善，以及極地規則在國內有效實施方面發揮了重大推動作用。”吳剛說，通過建造“雪龍2”號，國內掌握了雙向破冰船型設計技術、PC3級破冰船結構設計技術、破冰船低溫防寒設計技術和破冰船建造焊接技術，逐步建立起我國自己的極地船規則規范。
其中，雙向破冰是“雪龍2”號的最大亮點。
所謂雙向破冰，是指船艏和船艉均可破冰。一般的破冰船是由船艏向前破冰，可一旦遇到較厚的冰脊需要轉向時，容易被冰脊卡住、難以突破。但“雪龍2”號船艉的兩個大型吊艙推進器，能夠360度自由轉動，形成很強的冰層切削力，在多冰脊的海域，就可以讓船艉進行破冰，“啃硬骨頭”。
吳剛說，通過采用全回轉吊艙電力推進系統，“雪龍2”號在遇到很難“拱”的冰脊時，船艉變船艏，尾部的螺旋槳能在海面下削冰并形成抽吸作用，把10多米高的冰脊掏空，這在全球尚屬首次。
據介紹，“雪龍2”號艏向破冰能持續破1.5米冰加0.2米雪，艉向破冰可在20米當年冰冰脊（含4米堆積層）中不被卡住。
另外，“雪龍2”號船體強度滿足PC3級破冰船結構設計要求，能在1.5米厚度冰、0.2米厚度雪的海況下，以2—3節航速連續破冰行駛。通過結構設計，“雪龍2”號安全性大大提高，在極地的低溫環境下具有很強的防寒能力，同時也很環保。
這種破冰能力的突破直接帶來極地科考作業模式的改變。
目前國際上絕大多數基于考察船的極地科考工作在極地的11月到次年3月間進行。但擁有更強破冰能力和抗寒能力的“雪龍2”號可以更早進入極地，更晚離開。科考作業的范圍也一并擴大，科學家可以選擇在以前無法設立站位的位置布放儀器，開展更充分的調查和研究。
另外，“雪龍2”號實現了WiFi全覆蓋，這也是吳剛眼中最為人性化的一項設計。
“在以前的‘雪龍’號上，一到休息時間就出現感人一幕，大家都坐在樓梯口給家人朋友發信息，因為只有樓梯口有信號。”吳剛說，“那時我就下決心，下一代的破冰船一定要加強信息通訊能力，好歹能讓大家隨時語音通話。”
“雪龍2”號真正實現全船WiFi覆蓋、擴展到每個房間的收音廣播和衛星電視接收系統以及智能多媒體調度（會議）系統，在信息化建設上取得了很大進步。
極地海洋調查與研究的重要平臺
作為探索極地的利器，“雪龍2”號的“殺手锏”還有很多。
據自然資源部中國極地研究中心“雪龍2”號船船長趙炎平介紹，“雪龍2”號內部建造了一個大約160平方米的月池車間。
“雪龍2”號的月池系統，是我國科考船上配備的首套月池系統，技術處于國際領先水平。月池貫穿各層甲板，并與海水相通，科考設備可以通過月池，避開冰層直達海中。
具體來看，當船在密集冰區活動時，盡管完成了破冰，仍然會有大量碎冰聚集在船身周圍，很難將科考設備通過船艉或舷外下放。此時可以通過月池下放儀器，避開冰層直達海中。海域環境過于惡劣時，這樣操作還能消除大風浪對設備和操作人員的安全威脅。此外，月池系統還配備了加熱除冰裝置，確保遇到意外情況時，在低溫環境下隨時可以融化冰塊。
“雪龍2”號的動力定位系統也是一大亮點。趙炎平介紹，其配置了先進的動力定位系統，能夠讓船停得更穩，不僅增加安全性，還有助于科學考察的順利進行，比如有的站點需要數小時的停船調查時間，如果沒有動力定位，作業過程中就容易因風浪和海流的影響偏離原位，產生觀測誤差。
“雪龍2”號還裝備了國際先進的海洋調查和觀測設備，科研人員可在船上開展極地海洋、海冰、大氣等環境的基礎綜合調查觀測，進行有關氣候變化的海洋環境綜合觀測取樣。“雪龍2”號實現科考系統的高度集成，是我國開展極地海洋調查與研究的重要基礎平臺。
兼具中國特色和國際先進水平
作為新一代極地科考破冰船，“雪龍2”號和它的國際“同行”相比處在什么位置？
吳剛介紹，目前國際新一代極地科考破冰船主要包括：2011年交付的俄羅斯“特列什尼科夫院士”號，航速2節時破冰厚度1.5米；2012年交付的南非“阿古哈斯Ⅱ”號和2016年交付的挪威“哈康王儲”號，均為航速5節時破冰厚度1.0米；2019年交付的英國“大衛·愛登堡爵士”號，航速3節時破冰厚度1.0米；預計2020年交付的澳大利亞“新南極光”號，航速3節時破冰厚度1.65米；還有建造中的德國“極星Ⅱ”號，破冰厚度大于1.5米。
吳剛表示，“雪龍2”號在極地科考破冰船中首創雙向破冰和下沉式龍骨設計，首次采用智能船體和智能機艙設計，具有中國特色，也進入世界先進水平。
據介紹，“雪龍2”號的船體和設備上共安裝了7000多個智能感應點，智能機艙能通過傳感器等設備進行船體全壽命監測，智能船體可以自動進行“健康體檢”，并收集船體鋼板與冰面的摩擦數據，為今后設計制造新船型提供參考。
“雪龍2”號的名字來自自然資源部第二海洋研究所陳大可院士。
他在命名詞中這樣寫道：“我命名你為‘雪龍2’號，愿你：承續永恒的南極精神，滿載極地人和祖國的期許，承載起極地求索的使命與擔當，承載起興海強國的光榮與夢想，面向南北兩極，劈波斬浪，破冰前行，順利平安！”
如他所言，填補了中國在極地科考重大裝備領域空白的“雪龍2”號，正承載著中國人探索極地的夢想，破冰前行。
【責任編輯：張思嘉】
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