從“Aurora Borealis”號看科考破冰船的設(shè)計思路

秦 琦

“Aurora Borealis”號是世界上所設(shè)計的具有最高破冰能力的重型破冰船，具備連續(xù)破碎超過2.5米厚的多年冰和通過最高15米冰脊的能力，可在北極和南極水域全年執(zhí)行包括科考鉆井項目在內(nèi)的研究任務(wù)，而無需其他船舶的支持。該船集破冰船、鉆井船、多用途船等多種船型于一體，在設(shè)計建造方面“Aurora Borealis”號沒有先例可循，因此需要開發(fā)和制定新的技術(shù)概念。

設(shè)計工作遇到了相當(dāng)多的挑戰(zhàn)，其中之一是如何選擇在最大厚度達到2米的實心浮動薄冰環(huán)境中進行破冰、航行和定位的推進概念與裝置。

該科考破冰船的主要任務(wù)包括：①在工作水深100～500米、鉆井深度1000米以上的實心冰區(qū)進行科考鉆井巖芯取樣；②在6級海況、8級蒲福氏風(fēng)級的敞水水域進行科學(xué)鉆井和動力定位；③進行大量的海洋研究任務(wù)時，多數(shù)情況采用動力定位；④擴大航行時間，例如從北極水域航行到南極；⑤具備全年在北極和南極操作的能力。主要工況（包括動力定位系統(tǒng)和定位分析）以下列狀態(tài)作為設(shè)計基準：冰區(qū)定位，該船應(yīng)能在1.0～2.0米以上的厚度浮動薄冰層保持定位；敞水環(huán)境中的動力定位，6級海況、有義波高5米、波浪周期12.4秒、海流速度1.5節(jié)、蒲福氏風(fēng)級8級、風(fēng)速38節(jié)。

“Aurora Borealis”號是一型用于全球操作的多用途研究船，應(yīng)滿足海洋研究公眾團體現(xiàn)有和未來的要求，并盡可能地滿足未來即將生效的環(huán)保規(guī)則規(guī)范。

據(jù)了解，該船由瓦錫蘭船舶設(shè)計公司（WSDG）設(shè)計，Alfred Wegener極地與船舶研究所負責(zé)項目管理。

推進系統(tǒng)的選擇。船舶在定位時會受到浮冰、風(fēng)浪和潮汐等環(huán)境的影響，“Aurora Borealis”號的推進系統(tǒng)應(yīng)滿足以下任務(wù)要求：①以相對高的航速（服務(wù)航速15.5節(jié)以上，最大航速20節(jié)）航行較遠的距離，例如從北極到南極；②提高破冰時間；③冰區(qū)定位；④敞水環(huán)境定位。研究人員在設(shè)計之初確定了以下設(shè)計基本衡準：①所有系統(tǒng)及部件應(yīng)盡可能地保證堅固、可行和冗余；②盡可能地簡化所有部件，以降低部件失效的速率和維護要求；③在船舶浮動和作業(yè)時，應(yīng)盡可能方便地接近所有部件和系統(tǒng)，便于現(xiàn)場維修，而無需其他船舶支持或進塢修理。

為滿足上述任務(wù)要求和設(shè)計基本衡準，研究人員確立了以下兩點推進概念：①該船應(yīng)采用大功率、多槳常規(guī)推進系統(tǒng)；②在船首和船尾安裝一些可反轉(zhuǎn)的橫向推力器（即側(cè)推），這些推力器僅用于敞水環(huán)境和冰區(qū)的定位。

推進系統(tǒng)部件的選擇。對于主推進系統(tǒng)的性能要求，該船在赫爾辛基的AARC冰池和漢堡船模試驗水池進行了大量模型試驗，用于確定不同工況如航行、破冰和定位（薄冰層）所需的推力。在主推進器的布置方面，基本考慮事項包括推進器類型和推進器數(shù)量的選擇。對推進器類型的分析，研究人員比較了常規(guī)螺旋槳和導(dǎo)管螺旋槳的優(yōu)缺點；推進器數(shù)量的確定涉及到吃水、船寬、船尾線型、推進機械的布置與尺寸、推進器載荷等，破冰船一般采用多槳，對于大功率破冰船而言，設(shè)計難點之一是對兩槳或三槳的選擇。研究人員選擇了三槳、雙槳（常規(guī)）、雙槳（導(dǎo)管）等三種方案進行了性能計算，結(jié)果表明三槳變?yōu)殡p槳時，如果槳梢與冰流之間的間距保持不變，那么將增大槳盤載荷和降低可利用推力，導(dǎo)致破冰操作的燃油成本增加。

“Aurora Borealis”號冰區(qū)航行模擬圖 1

研究人員最終選定的主推進系統(tǒng)如下：常規(guī)敞水螺旋槳3個，主槳采用五葉定距槳，鎳鋁銅材料，船舶處于操作吃水狀態(tài)時其中一片可以更換，直徑6.5米，功率2700kW，轉(zhuǎn)速100r/m（隨著操作而變化），最大系柱拉力（速度為0）為2230KN。需要指出的是，推力的主要考慮因素是破冰需求（遠超過船舶縱向定位推力需求），因此主槳的選擇并未考慮定位能力的計算。

主驅(qū)動布置的選擇。在不同的操作模式下，功率要求高和性能優(yōu)化的需求大，這意味著可采取電力驅(qū)動布置。一般最為常見的布置是選擇一臺直接耦合的低速電動機驅(qū)動一根槳軸。這種布置勢必影響船尾的可利用空間，由于船尾線型已完成了船舶/冰之間作用的優(yōu)化，因此不大可能為滿足直接電機驅(qū)動布置而重新優(yōu)化線型。最終的驅(qū)動布置選擇是采用一臺高速電動機，通過一個單級減速箱驅(qū)動槳軸。

橫向推力器。為獲得兩個方向的作用力，該船設(shè)計有6個推力器（帶反轉(zhuǎn)和雙向槳），船首和船尾各3個。

冰區(qū)定位和敞水環(huán)境定位所需推力的評估采用了模型試驗這種方式，不過在試驗之前應(yīng)獲取推力器尺寸和重量。研究人員對這些參數(shù)進行了基本估算，確定了推力器的概念方案。選擇的推力器直徑為4.1米，功率研究范圍包括3500kW、4500kW、5500kW和6400kW（最大）。

冰區(qū)定位操作研究。為研究“Aurora Borealis”號的冰區(qū)定位概念方案，研究人員分析兩種截然不同的破冰模式：①推進模式，采用常規(guī)推進器（例如主螺旋槳和橫向推力器）進行常規(guī)破冰；②船舶運動控制模式：導(dǎo)入船舶橫搖和縱搖運動，分析船舶定位狀態(tài)時的破冰。

（1）推進模式下的定位能力。該船的冰區(qū)定位能力分析的主要目標是：①確定船舶在冰區(qū)保持定位和航向的可行性；②研究不同級別的推進器功率對冰區(qū)定位能力的影響；③研究兩個典型厚度的冰況。

a 冰力。船舶受到的冰力大小可通過AARC和HSVA的船模試驗獲得，其中在AARC進行了12天試驗，在HSVA進行了15天試驗。這些試驗包括阻力與推進、伴流測量、操縱性、耐波性、航行破冰試驗，其中推進模式下的冰區(qū)定位試驗數(shù)據(jù)包括：①在1.0米和2.0米厚的實心薄冰層上進行了回轉(zhuǎn)試驗；②在1.0米和2.0米厚的實心薄冰層上進行了傾斜阻力試驗（后來為研究船舶運動控制模式下的破冰性能，模擬了1.7米厚冰層的橫搖和縱搖運動）。

定位能力的計算基于AARC試驗中2.0米冰厚數(shù)據(jù)和HSVA試驗中1.0米冰厚數(shù)據(jù)，研究人員根據(jù)船模冰池試驗數(shù)據(jù)繪制了航向角與冰力/力矩關(guān)系圖。在計算冰區(qū)定位能力時，環(huán)境（例如風(fēng)、潮汐）作用力未予以考慮，因為其大小遠小于冰力。

b 推力。最優(yōu)推力器尺寸的計算考慮基于以下推力，不考慮螺旋槳對冰區(qū)定位的作用，僅考慮橫向推力器對航向變化的影響。

c 計算方法。冰區(qū)定位能力的計算目的是確定改變航向角所需的推力，實現(xiàn)作用在船上的環(huán)境力/力矩與主螺旋槳和推力器產(chǎn)生的力的平衡。研究人員為“Aurora Borealis”號開發(fā)了一種新的推力分布算法，這種數(shù)學(xué)模型能夠計算所需的推力，該推力是環(huán)境作用力/力矩的量級和攻角的函數(shù)。鉆井月池中心作為動力定位基準點，外部力矩和推力力矩也基于此點考慮。將冰池試驗、航向角與冰力/力矩關(guān)系圖中的作用力導(dǎo)入MatchCAD表格，可計算出船尾和船首推力器以及主螺旋槳所需的推力。所有的定位能力計算結(jié)果表明船尾推力器負載小，而船首推力器負載大。因此，船首推力器所需的推力是定位能力的決定因素。由于主螺旋槳可利用功率大，因此未考慮其影響。

將船首推力器的推力要求導(dǎo)入冰區(qū)定位能力與所需推力器尺寸關(guān)系表，可得到航向角和薄冰層厚度變化時的“Aurora Borealis”號性能。

d 結(jié)果討論。船舶所需的推力器功率，可應(yīng)對浮冰攻角變化帶來的偏航。例如：在1.0米厚的冰區(qū)，配有4500kW推力器的船舶能夠控制最大浮冰攻角達到7°帶來的偏航；在2.0米厚的冰區(qū)，配有4500kW推力器的船舶能夠控制最大浮冰攻角達到3.2°帶來的偏航。

對于“Aurora Borealis”號而言，配備先進的浮冰變化警報/測量系統(tǒng)有利于達到高效的冰區(qū)定位操作，這一點非常重要。

綜上，船舶在推進模式下的定位性能分析匯總?cè)缦拢?/p>

① 在縱向（X）方向上，主螺旋槳可利用的作用力遠大于在冰厚1.0～2.0米之間的浮冰定位時所需功率。不過在冰區(qū)定位時使用螺旋槳，可能會造成目標的偏離，要求進行位置的即時修正，這會對推進裝置產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

② 在橫向（Y）方向上，浮冰作用力超過推進功率。

③ 航向角是橫向推力器可利用功率的函數(shù)。一套反映浮冰方向及速度變化的先進警告系統(tǒng)對于船舶安全和有效的定位操作十分重要。

④ 必須進行大量的試驗項目以便操作人員熟悉在實心浮動薄冰環(huán)境中操作遇到的問題和限制。

“Aurora Borealis”號冰區(qū)航行模擬圖 2

運動控制模式下的定位能力。除了推進裝置產(chǎn)生的破冰能力以外，該船還配備有一套獨特的運動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許在定位模式下破冰而無需船舶縱向/橫向位移或運動。該系統(tǒng)誘導(dǎo)船舶產(chǎn)生橫搖和縱搖運動，這些運動匹配獨特的船形有利于改善船舶定位時的縱向和橫向破冰能力。

HSVA冰池進行了大量試驗項目，以驗證研究人員的構(gòu)想有效性。對于橫搖運動的模擬，船模上配備有一個與線性發(fā)動機連接的重塊，該重塊在船模上進行可控頻率的橫向移動，誘導(dǎo)船舶橫搖運動。縱搖運動以一種相對較簡單的方式模擬：在船模首部以所需頻率升降重物。在1.8米厚的冰區(qū)進行了橫搖和縱搖試驗，試驗表明當(dāng)船舶受到諧振橫搖和縱搖運動時，破冰具有可行性（前進速度為0）。船舶運動使得浮冰與船舶之間的摩擦力具有動態(tài)性而非靜態(tài)，摩擦力會變小。此外，誘導(dǎo)運動還可改善常規(guī)破冰性能。

WSDG引入兩個有利于船舶橫向破冰的船體設(shè)計特點：①船中形狀利于船舶在橫搖運動時破冰；②液艙系統(tǒng)允許調(diào)節(jié)橫搖運動，該橫搖液艙由2對液艙組成，每對與導(dǎo)管連接。海水以60～100秒/次的時間從一個液艙泵送到另一個液艙，可以獲得3°～5°的橫搖角（最大橫搖角5°由該船的斜肩坡度決定）。該系統(tǒng)能使船首和船尾產(chǎn)生縱搖運動，可使船舶在定位模式下破冰。該系統(tǒng)能夠最多在18秒內(nèi)將2×750t的海水從船尾移到船首，在既定的頻率下加、減速這些海水大約需要2×3000kW的軸向泵（帶有可控的縱搖葉輪）。

“Aurora Borealis”號具備在實心浮動薄冰環(huán)境下定位的能力。采用了兩種定位技術(shù)分析：推進模式和運動管理模式，組合這兩種模式可進一步改善定位能力。模型試驗表明在2.0米厚的冰區(qū)定位存在限制性，具體的性能制約有待試驗的確定。冰區(qū)定位時的控制模式為動力定位-操縱桿控制。橫向推力器的操作：模型試驗表明導(dǎo)管偶爾會被大塊冰阻塞，將螺旋槳進行短時間的逆轉(zhuǎn)可將冰塊排除導(dǎo)管。所有推進裝置的操作應(yīng)連續(xù)監(jiān)控和可視化。推力器和主螺旋槳應(yīng)可以手動控制，便于處理冰塊阻塞，這對于未來有效和安全操作十分必要。