美俄破冰船技术发展研究

黄金星，王 凯，李岳阳

(1. 军委联参战场环境保障局，北京 100088；2. 中国人民解放军31010 部队，北京 100081；3. 中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

由于蕴藏着丰富的油气、矿产、渔业等资源，以及全球变暖，两极冰层开始融化，极地资源开采的可能性越来越大，世界各国纷纷把目光投向极地。而破冰船作为破冰护航、极地科考、资源开采的必要装备，其发展对一国的经济、军事、科考地位有着重要的影响。

目前，世界上拥有极地破冰船的国家主要分布于近极地区域，包括俄罗斯、芬兰、加拿大、瑞典、美国、中国、澳大利亚等16 个国家。其中，美国拥有世界上破冰能力最强的常规动力破冰船，俄罗斯则是世界上拥有极地破冰船最多的国家，也是世界上唯一拥有核动力极地破冰船的国家。本文基于对近2 年美俄破冰船发展情况的梳理，分析美俄极地破冰船发展建造情况和特点。

1 破冰船技术发展现状

1.1 破冰原理及设计依据

传统破冰船作业原理是通过自身船体线型设计及大功率推进系统使其冲上冰层，再利用破冰船自重将冰层压碎，实现破冰航行。根据此原理，传统破冰船主要依靠其船首线型设计及自身重量进行破冰作业。

破冰能力划定方面，各国对于冰级和破冰作业规范的定义略有区别。为了更好地统一标准，较好地指导破冰船的设计，国际船级社协会依据主要国家的冰级规范于2006 年制定了国际冰区航行船舶冰级规范，该规范以海冰形态和季节差异为参考，将破冰船抗冰能力划分为7 个层次，如表1 所示。

表 1 国际船级社协会关于冰级描述

因此，破冰船通常依据此标准，结合其设计航行的海域环境特点及特殊设计要求，完成设计建造工作。

1.2 技术特点及发展现状

自美国1837 年建造了“城市破冰船1 号”以来，破冰船历经近200 年的发展，在设计技术上不断改进。尤其在1959 年，苏联设计建造了第1 艘核动力破冰船，将破冰船技术推向了一个新的高度。纵观近年来破冰船的发展，其技术特点主要体现在船体结构、新型材料、抗冰涂料、推进系统及辅助破冰系统等方面。

1）船体结构。破冰船在主尺度、型线、舷侧结构等方面的技术设计日趋完善。主尺度方面，随着推进能力的提升，现阶段破冰船在排水量设计上不断增大，从而能够更好地进行破冰作业；其次，破冰船长宽比更加优化，通常保持在3.5～5 之间，能够更好地提升破冰航行时的稳性，并且便于开辟更宽的航路。型线方面，传统破冰船在设计上主要采用楔形首，后来逐渐发展为怀特凹形首，近年来又发展有梅尔维尔首、绞刀型勺型首、脊型半勺型首等。舷侧结构方面，为了更好地兼顾执行任务和破冰航行，近年来俄罗斯发展了新型非对称舷侧的斜破冰船，除破冰航行外还能够利用其舷侧结构实现溢油回收等作业。

2）船体材料。断裂韧度是表征材料抗低温能力的重要指标，也是影响船体在冰区作业能力的重要因素。此外，船体材料的摩擦系数及防腐特性对于破冰船设计寿命也有巨大影响。随着材料科学的不断进步，破冰船船体材料更多使用了特殊低温高性能钢材，并在首尾、舷侧水线的位置进行了额外加厚及特殊处理。

3）抗冰涂料。为有效避免壳体涂料由于寒冷的环境而受损，丧失对破冰船的保护能力。破冰船通常在水线上下的船壳上使用特殊的抗冰漆，保护船体结构的同时还有效减少了壳体与浮冰之间的摩擦，避免破冰船被浮冰卡住。

4）推进系统。破冰船在动力方面从蒸汽动力发展为柴电动力，俄罗斯先进的破冰船更是采用了核动力驱动。传动方式上，由传统的机械式传动演变为电气传动，从而避免了由于螺旋桨击打碎冰而发生的机械损伤。此外，俄罗斯多数破冰船均采用了辅助推进系统，利用全向吊舱技术，不但能够帮助破冰船获得更强的推进动力，还可以在二次结冰船体受困的情况下使其船体进行横摇，实现舷侧碎冰作业。俄罗斯最先进的破冰船更是能够利用全向吊舱系统，配合船尾型线设计，实现反向破冰作业。

5）辅助破冰系统。随着破冰技术的发展，更多的破冰船配备了喷水系统、气泡发生系统、快速倾侧系统、船体加热系统及舷侧绞刀系统。其中，喷水系统和气泡发生系统用于清理船身周围的碎冰，同时利用水或空气形成物理隔离，避免船身被碎冰损伤；快速倾侧系统用于冰密条件下或冰面较厚时，利用船体的摇摆加强自身破冰能力；船体加热系统用于对低温船体进行加热，从而提高船体韧度，避免碎冰二次冻结；舷侧绞刀系统则用于提高破冰效率，同时拓宽破冰航路。

2 俄罗斯破冰船最新概况

俄罗斯拥有世界上规模最大的极地破冰船队，其在破冰船技术、装备和作战应用等方面具有领先优势。截至2016 年底，俄罗斯在役极地破冰船37 艘，占世界破冰船总数的一半，且发展有重型、中型、轻型、柴电动力、核动力等全系列破冰船。近年来，俄罗斯根据《2020 年前及更远的未来俄罗斯联邦在北极的国家政策原则》和《2020 年前俄罗斯联邦北极地区发展与国家安全保障战略》等规划，大力支持破冰船等北极基础设施发展，为其北极战略实施保驾护航。近2 年，俄罗斯继续推进其极地战略，计划、开工、下水和服役多艘破冰船，并投入大量资金展开基础设施升级改造，以进一步提高破冰船建造能力。

2.1 完成第4 代“领袖”级核动力破冰船设计研发

2017 年，俄罗斯克雷洛夫国家科学中心设计研发了第4 代核动力破冰船—“领袖”级破冰船（10510 型），该级船将超越第3 代LK-60 级破冰船，成为世界最大的核动力破冰船。该船长209 m，宽47.7 m，配备2 座315 MW 的RITM-400 反应堆，航速24 kn，破冰厚度近4.5 m，各项参数与LK-60 级均有较大提升，预计将在2030 年前建造3 艘。

2.2 开始“冰雪”级柴电动力破冰船建造

俄罗斯于2017 年4 月在圣彼得堡海军上将造船厂开始了“冰雪”级首船“伊万·帕帕宁”号（23550 型）的龙骨铺设，预计在2020 年交付。该级船设计排水量近7 000 t，全长110 m，宽20 m，吃水6 m，最大航速16 kn，自持力长达60 d，定位为破冰巡逻舰，计划建造2 艘。

2.3 第3 代核动力破冰船陆续下水

2017 年6 月16 日，俄罗斯第3 代核动力破冰船LK-60 级（22220 型）首船“北极”号在圣彼得堡波罗的海造船厂正式下水。9 月22 日，2 号舰“西伯利亚”号也完成下水。与此同时，3 号舰“乌拉尔”号正在建造中。LK-60 级核动力破冰船是目前全球最大、功率最强的破冰船，船长173.3 m，宽34 m，排水量高达33 500 t，标志着俄罗斯为北极开发取得重大技术突破。目前，“北极”号和“西伯利亚”号已投入舾装作业，预计分别与2019 年和2020 年交付使用。

2.4 完成首艘军用破冰船建造，正式交付俄罗斯海军

2017 年底，俄罗斯还完成了首艘军用破冰船“伊利亚·穆罗梅茨”号（21180 型）的建造并正式交付海军。该船是俄罗斯第1 艘螺旋桨舵位于船体外通过铰链运行的船，能够以纵轴为中心旋转360°，使船首、船尾、船舷可以自由活动，也是40 多年来第1 艘交付海军的辅助舰队破冰船，用于保障俄罗斯海军在北极地区的活动。

随着核动力破冰船的大规模建造，俄罗斯各大船厂面临着巨大压力。2017 年，国家原子能公司（Rosatom）投入了大量资金用于摩尔曼斯克基础设施的建造与维护，其中包括1 个新的干船坞、螺旋桨及转向系统维修设施、以及1 个价值2 600 万美元的反应堆换料维修综合体。

3 美国破冰船发展概况

3.1 意图加强极地能力建设

美国已有40 年未曾建造过破冰船，目前仅有1 艘可以在北极长期航行的极地破冰船（“极地星”号），且即将在2019 年退役。2017 年10 月，美国战略预算评估中心发布了名为《保卫前线：美国极地海洋行动的挑战与解决方案》长篇报告，指出美国对于极地地区的实力部署很大程度上依赖于冷战时期建立的平台和基础设施，近年来能力建设较少，相关技术和基础设施及已大幅落后，在北极地区与俄罗斯等大国的竞争中，面临巨大压力。因此，美国海岸警卫队表示新破冰船一定要在美国本土建造，从而借此加强基础设施的建造，芬兰将很可能为其提供技术转让和专业培训。

3.2 计划建造6 艘破冰船，配备舰炮、导弹等武器装备

近年来，美国逐渐意识到极地能力建设的重要性，确立了包括加强北极行动和演习、提高海事领域意识、确保美海岸警卫队军事能力、地面和空中相关平台基础设施等一系列极地战略任务，北极进一步成为了美国海洋战略研究的重点领域。2017 年，美国海岸警卫队决定在未来10 年内建造3 艘重型破冰船和3 艘中型破冰船以弥补其破冰舰队数量的不足，同时希望为这6 艘破冰船配备机枪舰炮、甚至长距离反舰导弹和巡航导弹，以适应新时期下的极地竞争。

4 美俄破冰船技术发展趋势

美俄作为世界上2 个主要拥有破冰船的国家，其破冰船发展特点很大程度上代表着全球发展趋势。纵观近年来美俄破冰船的发展，呈现3 个特点。

4.1 核动力技术优势显著，已成未来发展的必然趋势

迄今为止，俄罗斯在核动力破冰船技术上遥遥领先，且仍旧是世界上唯一拥有核动力破冰船的国家，发展有四代五型核动力破冰船。其中包括第1 代核动力破冰船“列宁”号，第2 代核动力破冰船“北极”级和“泰米尔”级，第3 代也是目前建成最新一代的核动力破冰船“LK-60”级，以及已经开始研发工作的第4 代核动力破冰船“领袖”级。

由于破冰航行对推进能力要求较高，核动力推进系统以其强劲的推进功率具有巨大优势。极地港口相对较少，燃料补给较为困难，核动力破冰船不必频繁对燃料进行补给，且节约了燃料所需的空间，便于配置更多的科考及作业装备。经济性方面，美国海军研究表明，核动力破冰船全寿期费用与常规动力破冰船基本相当，因此在其极地战略规划中也提及了核动力破冰船的相关计划。由此可见，核动力技术在破冰船领域的应用已成为其未来发展的必然趋势。

4.2 破冰船开始配备武器，其功能走向军用化

俄罗斯最新建造或设计的破冰船均配备了先进的武器系统，如23550 型“伊万·帕帕宁”号破冰船搭载了1 门AK-176MA 型单管76 mm 舰炮，8 枚NK”反舰导弹，可安装专为北极作战研制的“道尔-M2DT”防空导弹，且预留了集装箱式巡航导弹的安装阵位，甚至还计划加装功率为30～200 kW 的高能激光器，从而反制空中优势和导弹攻击。美国则计划在新建6 艘破冰船上安装机枪、舰炮和导弹等武器装备。这标志着未来破冰船已不仅仅是用于破冰护航的民用船只，而且还是未来极地作战、资源争夺、战略部署的重要装备。

4.3 破冰船建造中开始广泛使用模块化技术

俄罗斯“领袖”级破冰船作为世界最新型破冰船，对研究其技术发展极具代表性，其采纳了“开放船尾”的新理念，将破冰船视作海上平台而并非传统意义上专业化作业船。“领袖”级船尾是自由舱，可依据任务需要搭载不同的作业模块，其中包括反潜装置、导弹、火炮、以及无线电或潜水设备等特种集装箱模块，快速完成多种功能之间的转换。

5 结 语

结合美俄近年来极地战略转变及破冰船技术的发展，未来破冰船已不仅仅是极地航路开辟、科学考察、资源开采的必要装备，而是将更多地扮演极地军事扩张的重要抓手。我国应更多地借鉴美俄破冰船的技术发展路径，充分论证核动力破冰船及军用破冰船对于推进我国极地战略的价值与意义，从而更好地支撑我国海洋强国发展。