浅谈北极地区破冰船新概念设想

刘赛棚

摘 要：近年来，陆上油气资源日益枯竭，而北极地区资源储量丰富，具有巨大的战略意义和研究潜力。我国所需资源的进口及与西方国家的贸易往来，一直受困于传统航线过长以及航行过程遭遇的海况较为恶劣，风险性较高，由此造成航运成本过大。但如果开发出北极新航道，将极大地缩短航行路线，燃油消耗量随之降低，由此节约航行成本。因此，无论是从北极地区资源开发利用的角度，还是从新航线的开辟角度来讲，北极的资源开发利用都势在必行。但是从1978—2016，北极冰层平均面积为6.8×106 km2，且这些冰层的厚度在250～400 m不等。这些外界条件因素无疑为北极地区的开发增加了难度，提出更严峻的挑战。欲开发北极，必先破冰，而目前破冰行之有效的方式为使用破冰船。

关键词：北极地区；破冰船；上浮式破冰；可变曲线顶块

中图分类号：U674.81 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.034

就目前来讲，破冰船的工作原理主要有2种，即利用冲击力破冰和利用重力破冰。下面将简要介绍这2种原理的具体内容。所谓“冲击力破冰”，是指冰层厚度较薄时，破冰船在距离冰层一定距离处开足马力，以较快的速度冲击冰层，凭借其坚固的艏部在巨大的惯性力作用下撞碎冰层。然后破冰船倒车，退至距离未破冰层一定距离处，继续重复上述过程。但是运用此种破冰方式，首先船体艏部的结构强度应该足够大，可以抵抗巨大的冲击力。这就对艏部的建造材料及结构形式有一定的要求。其次，运用这种破冰方式每次的破冰范围有限，导致工作效率较低。而所谓“重力破冰”，是指冰层较厚时，破冰船在距离冰层一定距离处，在尾部注入压载水，同时将艏部压载水抽出，使其呈艏倾状态，开足马力，使船艏冲上冰面，再往艏部注入压载水，在压载水和破冰船自身巨大的重力作用下压碎冰层。然后破冰船倒车，退至距离未破冰层一定距离处，继续重复上述过程。这种破冰方式主要是通过调节压载水来改变船体的纵倾姿态。这样在工作过程中，就势必要考虑安全性和平稳性问题。如果操作不当，容易造成船体摇晃，甚至倾覆。通过对上述2种破冰原理的论述和分析可知，这2种破冰方式均存在一些不足之处。因此，研制一种更为安全、工作效率更高的新式破冰船成为各方关注的焦点。接下来将从研究背景、设计方案及优势与不足这3个方面来论述这种新型上浮式破冰船。

1 研究背景

目前来讲，北极地区油气资源丰富，我国也提出了海洋强国的战略部署，利用破冰船对北极地区的资源进行开发利用成为众多科研工作者努力的目标。而本文中提出的新型上浮式破冰船主要是基于美国的潜艇破冰而获得设计灵感。近期，网上公布了一段视频——美军潜艇在北极区上浮破冰，潜艇上浮破冰的过程中与冰面直接作用的是其非耐压壳，既然潜艇的非耐压壳在上浮过程中可以破冰，那么做一个耐压壳体，通过增大其浮力，利用类似原理进行上浮破冰也应该是可行的。因此，这种新型上浮式破冰船与传统破冰船最大的不同之处在于它是利用重力与浮力二者产生的压力差，由此向上将冰层顶碎。接下来将详细介绍这一设计方案。

2 设计方案

这种新型上浮式破冰船的破冰原理可以简述为上浮式静浮力破冰，即通过向船舶压载水舱注入压载水，增加船体质量，令船体下潜至冰层以下。当下潜至合适的深度后，将压载水排出，从而增大重力与浮力之间的压力差，使船体上浮与冰面接触；再继续排出压载水，提供巨大浮力，使冰层在浮力作用下破碎。通过这个破冰过程可以看出，由于整个工作过程是在冰面以下进行的，所以无疑增加了操作难度，且船体的平稳性难以保证。为了解决这个问题，设计方案时，首先要给船体安装一个横向稳定翼，可以兼做操纵翼，当船体上浮至冰层底面时与冰层底面接触，可以保证整个破冰过程较为平稳地进行，防止出现横摇等各种问题。接下来介绍设计方案的核心部分，即上浮式破冰关键技术。在船体上安装可变曲线顶块，由于船体提供的上浮力有限，这便要求顶块与冰层的接触面积尽可能小，从而产生足够大的压强，达到良好的破冰效果。目前，初步方案为将数个顶块通过可变行程的液压装置连接在船体上，沿船长方向布置，改变不同位置处的液压行程，可以得到凸点位于不同位置处的顶块上端面曲线。假设冰层有1，2 2个受力点，可以使受力点有最大的集中力作用。冰层首先在受力点处产生极大的应力而破坏，继而受力点沿顶块上端面曲线改变，使冰层连续破坏。先将顶块上端面曲线调节至凸点位于位置1处，即冰层自由边处，可适用于较厚的冰层。自由边处受集中力作用时，容易破坏。然后向后推移，逐点破碎冰层自由边。接着将顶块上端面曲线调节至凸点位于位置2处，即冰层中部，可破碎沿船长区域内的冰层，提高破冰效率。

3 优势与不足

这种新型上浮式破冰船的优势如下：①相比于传统的破冰船，该新型上浮式破冰船破冰效率较高，尤其是从船中开始破冰时，破冰长度几乎与船长接近；破冰厚度大于传统破冰船，破冰能力更强。②避免了传统破冰船因冰层太厚船艏冲上冰面无法破冰而搁浅的现象，提升了破冰过程中的安全性。③比传统的破冰船更加安全、可靠，降低了因冲撞冰层而导致横向倾覆的概率。④单独作业时，可自由穿梭在冰层之下，比如承担极区救援任务时，有极大的应变能力。該新型上浮式破冰船的不足之处为，整个破冰过程在冰面以下进行，增加了操纵难度，并且一旦遇到设备故障问题，较难展开维修。

4 结论

随着我国综合国力的提升以及对海工领域的重视程度与日俱增，对北极冰区进行的科研考察也日渐深入。这一切都源于北极蕴含的丰富资源及北极新航线开辟后所带来的巨大经济利益。因此，一种新型的更为高效的破冰船的研制意义不言而喻。本文所提出的新型上浮式破冰船从设计到应用还有很长的一段路要走，但它对应对北极复杂、恶劣的海洋环境具有实质性的意义，值得我们深入研究。

参考文献

[1]李子音.雪龙号破冰记[J].学与玩，2014（4）.

[2]刘星.极地破冰船的的新型破冰结构要求[D].镇江：江苏科技大学，2014.

〔编辑：刘晓芳〕