漫谈“雪龙2”号极地考察船破冰能力

试验前停泊在极地冰区的“雪龙2”号。 王庆凯 摄  

近日，由自然资源部组织的中国第11次北极考察队搭乘“雪龙2”号极地考察船从上海出发，执行科学考察任务。这是“雪龙2”号完成南极首航任务后，首航北冰洋。

“雪龙2”号由芬兰阿克北极有限公司承担基本设计、中国船舶工业集团公司第七〇八研究所承担详细设计、江南造船（集团）有限责任公司负责建造。该船是全球第一艘采用船艏、船艉双向破冰技术的极地考察船，能够以2~3节的航速在冰厚1.5米+雪厚0.2米的情况下连续破冰航行，具备全回转电力推进功能和冲撞破冰能力，可实现极地冰区360度旋转，并能突破极区20米厚的当年冰脊。

在实际冰区航行中，“雪龙2”号能否达到设计能力？作为一项工程科学问题，不能仅凭感性认识，还需要通过一系列试验做出定量评估，得出科学结论。

正在冰区航行试验的“雪龙2”号。王庆凯 摄    

中国第36次南极考察是“雪龙2”号首航南极，船上有一支专业团队对“雪龙2”号破冰能力进行实地评估。他们业务能力强，分工明确，配合默契，团队成员有船东代表——中国极地研究中心船长赵炎平，负责操纵“雪龙2”号，指挥机舱、甲板等部门船员；动力设备代表——ABB（中国）有限公司工程师肖兴海，负责评估船舶吊舱推进器等动力设备的输出功率；适航性认证机构代表——中国船级社上海分社验船师马乔一，负责检验船体、推进器等工作状况，并为“雪龙2”号性能进行认证；设计方代表——中国船舶工业集团公司第七〇八研究所研究员、“雪龙2”号总设计师吴刚，芬兰阿克北极有限公司工程师沙米·莎瑞能，负责编制船舶冰区破冰能力评估现场试验技术方案。由于破冰船冰区航行属于冰工程领域，团队还必须拥有极地海冰专业技术人员，大连理工大学博士后王庆凯就扮演了这个角色，负责提供现场冰物理和力学性质等参数。

据悉，“雪龙2”号现场试验工作流程为：首先，船舶设计师、海冰专家等根据现场实际情况确定试验位置、试验方式、试验内容，明确所需记录的试验参数。然后，船长、动力工程师、验船师等各司其职，操纵“雪龙2”号按照预定航线进行破冰航行。最后，汇总“雪龙2”号航行数据和现场海冰物理、力学等参数，由验船师和设计师对“雪龙2”号破冰能力进行评估，并与其设计能力相对比，从而得出科学结论。在“雪龙2”号破冰航行期间，评估船舶的艏向、艉向、回转、冰脊等破冰能力，离不开冰物理、力学专家提供的技术支持，他们要在冰面测试积雪厚度、密度，冰层的厚度、温度、盐度、密度，对冰层的弯曲强度、弹性进行模量，记录“雪龙2”号推进器功率、螺旋桨转速、船速、操纵数据等。

事实上，南极现场冰情难以与设计冰情完全一致，如何找到适合的冰区开展试验评估是团队必须攻克的难题。为此，团队设计了一套科学严谨的试验规则和步骤，内容主要包括3个方面。一是实测破冰试验航线上的积雪相关情况以及海冰物理、力学等参数，操纵“雪龙2”号输出不同功率进行船艏破冰、船艉破冰等试验，详细记录船舶破冰航速。二是根据海冰参数和船舶操纵数据，估算“雪龙2”号冰区航行受阻情况，再与船舶净推力相比较，得出对应“冰厚+雪厚”在不同功率输出情况下的破冰速度。三是将现场实测“冰雪厚度—速度关系点”模拟到设计冰雪厚度情况下，得出“雪龙2”号在不同功率输出情况下的破冰速度。通过中国第36次南极考察现场试验，团队认为“雪龙2”号的船艏、船艉实际破冰能力比设计能力高。

下一步，为全面评估“雪龙2”号的破冰能力，还需要在约冰厚1.5米+雪厚0.2米的冰区、以2节破冰航速的最小转弯为试验半径、约20米厚的当年冰脊区等条件下进行通航试验。一般而言，南极海冰冰脊厚度比北极冰脊厚度小，南极冰区平整条件比北极更为理想。因此，开展“雪龙2”号破冰能力现场试验需要寻找合适契机，分别在南极、北极进行，时间、场景、冰情、航行路线等条件均制约试验开展。相信“雪龙2”号破冰航行评估将为全球气候变化大背景下的破冰船设计与建造提供更多实践经验。

（作者为大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室教师、国家重点研发计划“高分辨率海冰模式的研发”等项目成员）