極地科學(xué)及技術(shù)學(xué)科布局與發(fā)展的探索與研究

薛彥卓 狄少丞 倪寶玉 鞠磊

【摘要】面向“冰上絲綢之路”建設(shè)的國家戰(zhàn)略需求，充分借助和發(fā)揮哈爾濱工程大學(xué)在極地船舶設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的雄厚技術(shù)儲備，開展極地科學(xué)與技術(shù)學(xué)科布局與發(fā)展的探索與研究，為我國極地戰(zhàn)略的開展提供技術(shù)支撐。

【關(guān)鍵詞】極地科學(xué)及技術(shù) ?極地學(xué)科 ?極地發(fā)展

【基金項(xiàng)目】哈爾濱工程大學(xué)教改立項(xiàng)《極地科學(xué)及技術(shù)學(xué)科布局與發(fā)展的探索與研究》（JG10217Y02）。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）09-0254-02

1.引言

隨著全球氣候變暖，北極冰蓋逐漸融化，北極航線的開通可能性大大提高。北極航道是連接太平洋北部與大西洋北部最短的航線，極大縮短了同處于北半球的歐洲、北美和東亞之間的海上航線距離;北極地區(qū)藏有豐富的資源，包括礦產(chǎn)資源和可再生資源，豐富油氣資源使北極地區(qū)被稱為“第二個中東”。

2013年5月15日，中國正式成為北極理事會“永久觀察員國”，這不但意味著北極理事會成員國已經(jīng)理解和認(rèn)可了中國在北極的活動和相關(guān)主張，也預(yù)示著中國在北極事務(wù)中將擁有更大發(fā)言權(quán)和扮演更重要角色，在北極資源勘探開發(fā)、航線開辟及科考等方面將擁有更大的運(yùn)作空間。2016年7月，國務(wù)院發(fā)布《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，明確提出：發(fā)展深地、極地關(guān)鍵核心技術(shù)等內(nèi)容?！吨袊圃?025》中明確提出“重點(diǎn)開展適用不同冰級要求的極地油船、集裝箱船等船舶研制，重點(diǎn)研究PC3、PC4冰級的船舶，實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保特征處于國際先進(jìn)水平”。 2017年7月3日，國家主席習(xí)近平與俄羅斯總統(tǒng)普京提出要開展北極航道合作，共同打造“冰上絲綢之路”。2018年1月，《中國的北極政策》白皮書正式發(fā)布，明確表達(dá)了“中國是北極的利益攸關(guān)方”這一立場。

極地科學(xué)及技術(shù)學(xué)科布局與發(fā)展的探索與研究是為了對標(biāo)“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃、“中國制造2025”、“冰上絲綢之路”等國家戰(zhàn)略，滿足國家和行業(yè)對北極航道和極地資源開發(fā)中裝備制造能力和關(guān)鍵技術(shù)問題的迫切需求，充分借助哈爾濱工程大學(xué)高緯度地理位置和發(fā)揮哈爾濱工程大學(xué)在極地船舶領(lǐng)域的雄厚技術(shù)儲備。依托學(xué)校現(xiàn)有的學(xué)科優(yōu)勢和基礎(chǔ)，重點(diǎn)梳理了極地船型開發(fā)與設(shè)計(jì)技術(shù)、極地導(dǎo)航、極地通信、極地聲學(xué)、極地甲板機(jī)械、極地動力、極地材料等研究方向， 對推動我國極地科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)科布局與發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。

2.國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)對于極地領(lǐng)域的研究重點(diǎn)多集中在極地科學(xué)領(lǐng)域，主要包括：極地環(huán)境與氣候、極地生態(tài)與微生物、極地地質(zhì)等，多屬于地球科學(xué)，對于工程與裝備領(lǐng)域的研究較少，也沒有相對完整的體系，缺少綜合性、集成性的學(xué)科布局。

中國科學(xué)院的低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是我國唯一綜合性的低溫工程科學(xué)技術(shù)研究單位，是中國制冷學(xué)會制冷與低溫專業(yè)委員會的主任單位，圍繞低溫工程學(xué)的重要基礎(chǔ)問題和關(guān)鍵核心技術(shù)研究。中國科學(xué)院的冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室圍繞冰凍圈過程、機(jī)理及冰凍圈與其它圈層相互作用等科學(xué)前沿問題開展大量的研究工作。國家海洋局的中國極地研究中心是我國開展極地科學(xué)研究的重要依托平臺，主要實(shí)施考察、標(biāo)本搜集整理、極地考察裝備研制，觀察極地雪冰-海洋與全球變化，研究極區(qū)電離層-磁層耦合與天氣和極地生態(tài)環(huán)境及生命科學(xué)等。大連海事大學(xué)的北極海事研究中心立足北極海事、服務(wù)國家航運(yùn)主要開展北極通航立法、北極戰(zhàn)略和政策研究、北極地區(qū)氣候和水文氣象和北極自然資源和環(huán)境保護(hù)的研究。大連理工大學(xué)主要開展了海冰厚度和融池、冰下海水溫度變化、海冰表面形態(tài)特征等研究。

3.極地學(xué)科群

圍繞“冰上絲綢之路”的建設(shè)和極地資源的開發(fā)利用的重大需求，開展極地科學(xué)與技術(shù)學(xué)科布局與發(fā)展的探索與研究，重點(diǎn)圍繞極地船型開發(fā)與設(shè)計(jì)技術(shù)、極地導(dǎo)航、極地通信、極地聲學(xué)、極地甲板機(jī)械、極地動力、極地材料等研究方向， 對推動我國極地科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)科布局與發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。各學(xué)科的主要內(nèi)容總結(jié)如下：

（1）極地船型開發(fā)與設(shè)計(jì)技術(shù)

極地船型開發(fā)與設(shè)計(jì)技術(shù)研究主要包括極地船舶結(jié)構(gòu)性能和運(yùn)動性能研究、極地船舶與海洋平臺設(shè)計(jì)方法、冰池實(shí)驗(yàn)技術(shù)等。其中極地船舶結(jié)構(gòu)性能包含冰載荷的理論模型與數(shù)值方法、海冰-結(jié)構(gòu)碰撞的模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)、不同破冰模式下船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核、不同破冰模式下船舶疲勞強(qiáng)度校核、船舶碰撞海冰破損后剩余強(qiáng)度研究、船冰碰撞過程結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析和船舶冰激振動和艙室沖擊噪聲傳播規(guī)律等子方向。

（2）極地導(dǎo)航

極地導(dǎo)航研究內(nèi)容主要包括極區(qū)高精度組合導(dǎo)航理論與技術(shù)、極區(qū)智能安全航海方法、極區(qū)多元海洋環(huán)境信息獲取、集成與服務(wù)技術(shù)和極區(qū)精密測繪方法等。其中極區(qū)高精度組合導(dǎo)航理論與技術(shù)包含極區(qū)典型環(huán)境條件下導(dǎo)航傳感器測試方法與研究、極區(qū)環(huán)境下多傳感器信息融合理論與方法、組合導(dǎo)航系統(tǒng)的極區(qū)導(dǎo)航體系和極區(qū)導(dǎo)航綜合模擬測試?yán)碚撆c方法等子方向。

（3）極地通信

極地通信技術(shù)主要包括極地多源遙感海冰監(jiān)測技術(shù)和極地高可靠通信系統(tǒng)技術(shù)等。其中極地多源遙感海冰監(jiān)測技術(shù)包含面向極地海冰監(jiān)測的多源遙感影像預(yù)處理技術(shù)、面向極地海域精確分類的光譜特征選擇技術(shù)、基于高光譜影像極地海域分類技術(shù)、基于高分辨率光學(xué)影像的浮冰檢測和分布形態(tài)鑒別技術(shù)和基于多時相影像的浮冰形態(tài)變化檢測及評估技術(shù)等子方向。

（4）極地聲學(xué)

極地聲學(xué)技術(shù)主要包括冰下聲學(xué)物理特性研究、冰下水聲技術(shù)研究和極地水聲設(shè)備與系統(tǒng)研發(fā)等。其中冰下聲學(xué)物理特性研究包含冰層散射及混響特性研究與建模、冰下水聲信道特性研究與建模、極地噪聲場監(jiān)測技術(shù)與特性研究、冰體內(nèi)聲傳播特性研究和冰-水、冰-空氣、冰-雪界面聲學(xué)特性研究等子方向。

（5）極地甲板機(jī)械

極地甲板機(jī)械主要包括極地船舶上層建筑結(jié)構(gòu)防覆冰/雪設(shè)計(jì)、極地環(huán)境長期服役防冰/疏冰涂層技術(shù)和極地船舶除冰技術(shù)及設(shè)備研發(fā)技術(shù)等。其中極地船舶上層建筑結(jié)構(gòu)防覆冰/雪設(shè)計(jì)包含結(jié)構(gòu)表面形冰過程模擬及覆冰預(yù)報、霜-霾-冰形成機(jī)制及上層建筑防霜霾流場設(shè)計(jì)和上層建筑防濺淋構(gòu)造及防冰/除冰一體化設(shè)計(jì)等子方向。

（6）極地動力

極地動力主要包括極地環(huán)境下發(fā)動機(jī)工作適應(yīng)能力研究、極地環(huán)境下動力系統(tǒng)集成匹配技術(shù)研究和極地環(huán)境下超清潔發(fā)動機(jī)技術(shù)研究等。其中極地環(huán)境下發(fā)動機(jī)工作適應(yīng)能力研究包含低溫進(jìn)排氣問題、極地環(huán)境對動力系統(tǒng)影響規(guī)律和低溫啟動、冷卻問題等子方向。

（7）極地材料

極地材料主要包括極地用耐低溫高性能鋼、復(fù)合板及評價技術(shù)、極地用寬溫域耐低溫阻尼高分子材料和極地船舶分區(qū)涂層防護(hù)體系研究等。其中極地用耐低溫高性能鋼、復(fù)合板及評價技術(shù)包含50mm厚 -60°C以下極地用355MPa和500MPa鋼、極地用不銹鋼復(fù)合板、極地環(huán)境對材料性能變化的影響研究、極地環(huán)境下材料性能評價和極地船舶工程示范應(yīng)用等子方向。

4.總結(jié)

極地蘊(yùn)含的巨大政治、經(jīng)濟(jì)、科技、軍事利益，正越來越成為國際爭奪的重要目標(biāo)和新的戰(zhàn)略要地。我國在地緣上雖不屬于環(huán)極地國家，但國際間急劇升溫的北極戰(zhàn)略利益的博弈，與我國的戰(zhàn)略利益和長遠(yuǎn)發(fā)展密切相關(guān)。本文充分借助哈爾濱工程大學(xué)高緯度地理位置和發(fā)揮哈爾濱工程大學(xué)在極地船舶領(lǐng)域的雄厚技術(shù)儲備，提出了極地科學(xué)及技術(shù)學(xué)科布局與發(fā)展的探索與研究，總結(jié)了極地學(xué)科群建設(shè)及發(fā)展中的主要內(nèi)容，對推動我國極地科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)科布局與發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。

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