極地科考船主尺度選型研究

韓藝鋒，鄭亞雄

（1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715；2.武漢船舶職業(yè)技術學院，武漢 430050）

破冰船在近北極圈國家分布廣泛，主要用于科考、貨運和旅游等用途。極地科考船是破冰船的一種，主要搭載極地科學研究設備，用于極地氣象、水文等環(huán)境研究。近年來隨著科技進步和全球氣候變化，極地地區(qū)科學、經濟、軍事戰(zhàn)略地位凸顯。隨著人類探索邊界的不斷延伸，各海洋強國和近極地國家都以極地作為未來發(fā)展的重要方向和利益關切所在，維持有一定數量的極地科考船以彰顯極地戰(zhàn)略需求。根據歐洲海洋委員會統(tǒng)計，世界目前PC5 級以上（包括PC5）的中型重型極地科考船共21 艘，PC6 至PC7 級的輕型極地科考船共13 艘，在建極地科考船13 艘[1]。

1 極地科考船分布

極地科考船是具有破冰能力能滿足極地水域科學考察，兼具極地科考站后勤物資補給能力的特種船舶。由于一般船舶設計壽命為30 年，即使采用延壽保養(yǎng)措施，也很少超過40 年，因此在對世界各國極地科考船調查研究時，重點選取1980 年后的船舶進行統(tǒng)計分析[2]?？傮w來看，各海洋強國的極地科考船的發(fā)展呈現以下特點。

1.1 極地科考船體系化

俄美加等國極地科考船數量多，破冰等級從高到低成體系化發(fā)展，能同時在南北極開展科考。隨著雪龍2 號的服役，我國的極地科考船雖然數量有所增長，但尚未完全形成常態(tài)化極地科考船舶體系。

1.2 破冰能力加強

加拿大、美國發(fā)展的重型極地科考船破冰等級PC2，能連續(xù)破2～2.5 m 厚冰層，能夠更好地深入高緯度海域進行科考和護航。隨著雪龍2 號的服役，我國極地科考船破冰能力有所增強，但總體來說依舊不足。

1.3 船舶功能綜合化

各國近年來設計建造的中型和重型極地科考船均有多系統(tǒng)科考設備和實驗室，而且還能攜帶集裝箱實驗室、移動式科考設備和潛水器，配有貨艙能夠向科考站提供物資和燃料補給，配有直升機、登陸艇和工作艇等滿足航道觀測、航空補給及淺水作業(yè)等需求，多元化的需求使得極地科考船承擔多面手的功能。

1.4 船舶智能化、環(huán)?；⑹孢m化

船舶設計上向智能化、環(huán)?；?、舒適化發(fā)展，通過為極地科考船設備配備信息化系統(tǒng)和智能化傳感器，實現包括科考數據在內的多種信息的獲取、交換和遠程傳輸。船舶有害氣體排放滿足最新的國際公約，減少對極地的污染。船體水下輻射噪聲低，降低對水聽器的影響。

隨著時代發(fā)展，各國紛紛制定極地戰(zhàn)略，開始興建極地科考船，在世界范圍內目前的分布情況見表1。

表1 極地科考船的建造數量分布情況

從表1 中看出，極地科考船分布的國家非常廣，但每個國家所擁有的數量并不多，其主要原因是，極地科考船的造價和養(yǎng)護成本較高，極地科研投入大，回報周期長，此類項目基本都是由國家層面進行主導[3]。因此，極地科考船的總體設計和尺度論證需要開展大量細致的研究工作，以獲取經濟性和船舶性能的最優(yōu)平衡。

2 主尺度選型分析

在船舶設計中，船長、型寬、吃水、排水量等主尺度對性能有直接影響，還對極地科考船的破冰性能有影響[4]。在破冰性能衡量中，有國際通用的PC 系列[5]，也有ABS、DNV 等船級社規(guī)范規(guī)定的編號序列[6]，文章中均采用PC系列。由于我國極地科考船基本都是PC5 級以上，因此在進行主尺度對比分析時選取PC3、PC4、PC5 級船舶，詳情見表2。

美國目前有PC5 級以上的極地科考船3 艘，分別是納撒尼爾·B·帕爾默號（RVIB Nathaniel B.Palmer），希利號（Healy、WAGB-20）和西庫廖克號（RV Sikuliaq）。帕爾默號負責執(zhí)行美國南極計劃，主要任務是向美國南極科考站運輸人員和貨物，執(zhí)行南極海域的海洋環(huán)境、海洋地質、海冰變化和海洋生物的調查任務?！跋＠碧柡汀拔鲙炝慰恕碧栔饕诒睒O海域開展多學科海洋科考，2 船加入了美國大學國家海洋實驗室系統(tǒng)船隊（UNOLS），利用效率高。美國的極地科考船上科考設備齊全，以最新服役的“西庫廖克”號為例，船上設有A 型架、3 臺吊車和升降鰭板等科考支持設備，安裝了多波束聲納測深儀、ADCP、海底淺地層剖面儀和CTD 溫鹽深儀等調查設備。船上實驗室總面積209 m2，包括主實驗室、濕實驗室和生物分析實驗室等。美國正在建造3 艘重型極地科考船，該型船長140.2 m，寬26.8 m，滿載排水量約為23 300 t。采用電力推進方式，推進器為2 個ABB 吊艙和1 個螺旋槳，總功率33.7 MW，破冰等級PC2，3 節(jié)航速下能連續(xù)破2 m 厚的冰層。定員186 人，自持力80 d，船上還為武器預留安裝位置。

俄羅斯PC5 級以上的極地科考船2 艘，分別是費奧多羅夫院士（Akademik Fyodorov）號、特列什尼科夫院士（Akademik Tryoshnikov）號。其現役22220 型核動力破冰船軸功率60 MW，能連續(xù)破2.9 m 厚的冰層。費奧多羅夫院士號和特列什尼科夫院士號是俄羅斯極地科考的主力，多次前往南極和北極海域。2021 年第67次俄羅斯南極考察由2 船共同承擔。2007 年8 月，一支俄羅斯科考隊搭乘“費奧多羅夫院士”號科考船使用載人潛水器在北冰洋羅蒙諾索夫海嶺插上了俄羅斯國旗，意圖宣示俄羅斯的主權，證明北極附近富含油氣資源的大陸架是俄羅斯領土的自然延伸。特列什尼科夫院士號曾在執(zhí)行“穿越北極—2019”科考活動時作為季節(jié)性浮冰漂流站研究北極海洋—冰—大氣系統(tǒng)。在建的“領袖”級核動力破冰船軸功率120 MW，能連續(xù)破4.1 m 的冰層。在建的北極點號極地科考船，破冰等級PC5，長83.1 m，寬22.5 m，排水量約1 萬t，軸功率3 600 kW，定員48 人，可進行海洋地質、地球物理和水文調查。該船是作為可執(zhí)行12 個月的科研任務的北冰洋浮冰漂流站而設計的。

加拿大現有PC5 級以上的極地科考船2 艘，包括路易斯·圣勞倫特號（CCGS Louis S.St Laurent）和阿蒙森號（Amundsen）。加拿大計劃建造2 艘約翰·迪芬貝克型（CCGS John G.Diefenbaker）重型極地科考船。該船排水量約23 500 t，船長150.1 m，設計水線長137.6 m，型寬28 m，吃水10.5 m，型深13.5 m。該船的動力系統(tǒng)由4 臺8 400 kW 柴油機和2 臺3 000 kW 柴油機組成，總功率為39 600 kW，驅動2 個11 MW 的螺旋槳（位于船尾兩側）和1 個12 MW 的吊艙推進器（位于船尾中間），巡航速度12 節(jié)，最高航速18 節(jié)，續(xù)航力26 000 海里。2 臺1 900 kW 的艏側推可提供操縱性。冰區(qū)等級PC2，3 節(jié)航速下連續(xù)破2.5 m 厚冰加0.3 m 厚雪。自持力270 d，定員100 人，包括60 名船員和40 名科考人員，其科考設施包括實驗室和模塊化集裝箱、通用貨艙和月池，機庫可容納2 架中型直升機。

歐洲各國目前擁有的PC5 級以上極地科考船有6艘，為英國的大衛(wèi)·愛登堡爵士號（RRS Sir David Attenborough）、德國的極星號（Polaerstern）、挪威的哈康王儲號（RV Kronprins Haakon）、瑞典的奧登號（RV Oden）、法國的星空號（MV L'Astrolabe）和意大利的勞拉·巴斯號（RV Laura Bassi）。歐盟在這些極地科考船的基礎上成立了歐洲北極研究破冰船聯盟（ARICE），為歐洲提供更好的北極研究平臺。目前歐洲范圍內僅德國計劃建造一艘新型極地科考船極星2 號，計劃2023 年開工，2027 年完工。船長145 m，型寬27.3 m，吃水11 m，排水量26 000 t，在3 節(jié)航速下能連續(xù)破1.8 m 冰層，載貨量1 000 t，定員110 人，科考設備齊全，船舶設計綠色低噪音。

南半球國家擁有的PC5 級以上3 艘，澳大利亞努伊娜號（RSV Nuyina）、南非阿古拉斯2 號（SA Agulhas II）、阿根廷伊里薩爾海軍上將號（ARA Almirante Irízar）。努伊娜號是目前世界最先進的極地科考船之一，該船可在-30～45 ℃的氣溫和-2～32 ℃的水溫中正常航行?？梢源娣虐?6 個集裝箱在內的1 200 t 固體貨物和1 671 t 的液體貨物。船上可以搭載4 架輕型直升機（AS350）或2 架中型直升機（S92），還有2 艘載重量45 t 的鋁制轉運駁船和4 艘工作艇。智利正在建造南極1 號(Antarctic I）極地科考船，船長111 m，型寬21 m，型深10.6 m，吃水7.2 m，排水量10 000 t，定員120 人，續(xù)航力14 000 海里，自持力60 d，破冰等級PC5，能夠在-30 ℃的環(huán)境下正常航行，3 節(jié)航速下連續(xù)破冰1 m，船首貨艙可以裝載集裝箱、車輛和燃料，配有2 臺20 t 起重機吊運貨物，滿足南極科考站補給要求。阿根廷計劃建造尼古拉耶夫船長號極地科考船，由芬蘭阿克北極技術公司設計，船長131.5 m，型寬23.9 m，設計吃水8 m，型深11.3 m，續(xù)航力15 000 海里，定員165 人，破冰等級PC4，能以2 節(jié)航速連續(xù)破1.3 m 厚冰層。

亞洲各國擁有的PC5 級以上（包括PC5）極地科考船5 艘，包括日本的白瀨號（AGB-5003），韓國的阿里郎號（ARAON），我國的雪龍?zhí)?、雪? 號和中山大學·極地號。日本目前計劃建造北極科考船，力爭2026 年投入使用。該船全長128 m、寬23 m，可載99 人，破冰等級PC5，將搭載先進的氣象觀測雷達和儀器，裝備高性能無人探測器，通過對海冰、海水和海底堆積物等的取樣、分析，弄清海冰因氣候變暖而融化的機制，掌握極地生態(tài)系統(tǒng)的變化情況。韓國計劃建造北極科考船，力爭2027 年投入使用。新船破冰等級PC3，排水量超過10 000 t，定員約70 人，針對北極氣候、海洋、生物和地質等多方面展開研究。我國自然資源部北海局在建有3 000 t級破冰型海洋調查船，該船具有DP-1 級動力定位能力，破冰等級PC6，總長87.3 m，型寬17 m，型深8 m，設計吃水（+凸出龍骨）5.5（+0.4）m。定員為60 人，其中船員25 人，科考人員34 人，機動1 人。續(xù)航力8 000海里/12節(jié)時，自持力60 d，最大航速15.5 節(jié)，服務航速12 節(jié)，可實現無級變速，破冰航速1.5～2 節(jié)，該船有良好的耐波性和抗風浪能力，采用減搖水艙，在4 級海況滿足調查作業(yè)要求，7 級海況安全航行。

在表2 中對世界范圍內PC5 以上主尺度進行對比，船長、行寬、吃水和排水量中單一參數與破冰等級的關系并不明確，因此，需要開展無因次化處理，來有效地發(fā)掘主尺度與破冰能力的關系。無因次化處理主要通過船型系數的計算來實現，通過已知參數求得長寬比、寬度吃水比和方形系數，無因次化分析結果如圖1 所示。

表2 極地科考船主尺度對比

從圖1 中長寬比、寬度吃水比、方形系數等重要船型系數的統(tǒng)計可以看出，在長寬比和寬度吃水比的選擇上，隨著技術進步發(fā)生了顯著變化。長寬比由3.5～7.5 的范圍，縮減至4.5～6.0；寬度吃水比由2.0～2.7 的范圍，漂移至2.5～3.0；但方形系數總體上變化不大。其主要原因是近些年來，極地科考對于破冰能力的要求越來越高，主機、科考設備等專項技術也取得長足進展，因此長寬比、寬度吃水比等直接影響破冰性能的船型參數發(fā)生了趨勢性變化。

圖1 典型船型系數

3 破冰等級與主尺度系數分析

極地科考船破冰能力主要取決于船型和動力系統(tǒng)及其匹配性，在選型設計中一般根據母型船參數或冰水池模型試驗結果進行論證。從破冰船的發(fā)展歷程來看，主尺度和破冰等級是需要全面考慮來確定的一對矛盾關系。一般來說船舶越瘦削，破冰等級越高；但船舶過于瘦削，尺度空間不利于主機選型布置、貨物運輸和科考儀器設備展開等。下面對不同破冰等級船型的長寬比、寬度吃水比和方形系數進行分析，如圖2 所示。

圖2 不同破冰等級對應船型系數

從系數對比來看，不同破冰等級有一定的差異，主要體現如下。

（1）破冰等級越低，長寬比選擇范圍越大，高等級破冰船為了更好的破冰效果，長寬比的選擇相對集中。

（2）破冰等級越低，寬度吃水比系數相對越小，設計時更多考慮無冰環(huán)境下巡航的快速性。

（3）破冰等級對于方形系數的要求差異并不顯著，科考船舶的功能裝載大體相同，船舶的肥瘦程度相當。

4 結論

本文通過對國內外近40 年極地科考船的尺度信息統(tǒng)計，分析出尺度選擇范圍和變化規(guī)律，為我國極地科考船舶的選型設計提供參考。結論如下。

（1）破冰等級提升，極地科考船的船長、吃水和排水量都有顯著增加，型寬變化并不明顯。

（2）極地科考船選型時，長寬比范圍4.5～6.0；寬度吃水比范圍2.5～3.0；方形系數范圍0.4～0.7。

（3）隨著破冰等級的提升，長寬比集中于5.0～6.0；寬度吃水比可達到3.5 左右。

在工程化設計中，通過以上數據可快速劃定主尺度范圍，確定基本型式，縮短設計周期，提高設計論證效率。