极地破冰船为啥难造？

从2016年12月20日完成第一块钢材点火切割，到2018年9月下水，“雪龙2”号的建造历时近两年。通过“雪龙2”号项目，中国积累了极地船规则规范经验，掌握了双向破冰船型设计、PC3级破冰船结构设计和破冰船低温防寒设计等关键技术，打造了一支日趋成熟的科考船设计团队。在“雪龙2”号这样的中型破冰船的基础上，中国即将开展“极地重型破冰船关键技术研究”的重大科研专项，进一步进军到重型破冰船领域。那么，极地破冰船是怎么破冰的？我国在建造极地破冰船领域还有哪些亟待攻克的难题呢？
极地破冰船是怎么破冰的？
冰对运输是危险的。
除了被撞和沉没的明显危险外，一艘船可能被封闭的冰困住，被迫在数月或超过一年的时间里漂流数百乃至数千海里（1海里=1.852公里）。
2014年1月份，中国科考船“雪龙”号成功营救困在南极的俄罗斯极地科考船“绍卡利斯基院士”号，救援过程颇为艰险，甚至“雪龙”号本身还一度受困，这也说明了极地航运的风险。
极地破冰船，顾名思义，是指可以在极地海冰水域破冰前行的船舶。
破冰船的破冰方法不像我们大多数人想象的那样是从中间向两侧劈开，而一般是在竖直方向施力，将冰压坏或者顶坏的。这是因为，冰一般是层状的，在水平方向可以看做是无限延伸的，而竖直方向则仅有有限的截面积用来承受外力。同样大小的力，作用在水平方向给冰造成的剪切应力（即压强）接近于零，而竖直方向上则可以将冰破开。破冰船的破冰方法包括顶推法、首压法、舷压法、冲撞法、气力法等，其中，最常见的方法就是顶推法，依靠破冰船前进时所具有的冲力，以及螺旋桨的推进力、自身坚硬的外壳和上翘的船首将冰层劈开撞碎，适用于破较薄的冰层。
其他的方法还包括首压法，即利用船体重力使破冰船冲上冰层将冰压碎，并通过调节压载水使船身左右晃动，加大破冰效果，以便开出更加宽阔的航道；
舷压法是依靠破冰船特有的头部造型和螺旋桨工作时所产生的巨大推动力，从而“爬”上冰面，此时船头利用自身的重量将冰层压碎，进而开辟出航道；
冲撞法多用于冰层较厚的情况下，利用破冰船船头部位吃水浅的特征，加大马力冲到冰面上，船体依靠自身的重量进行一次破冰，然后破冰船倒退一段距离，再次开足马力冲上前面的冰层进行二次破冰；
气力法是通过气泡系统将压缩的空气从船体底部喷出，使船侧的冰块受到向上的浮力作用，并随着气泡上升破裂，以此减少对船体的摩擦；
此外，还有一些破冰船上安装有船体加热设备，可对低温船体进行加热，避免船体结冰，从而避免船体钢材因低温导致韧性降低，同时避免船侧碎冰再次冻结。
破冰能力是极地破冰船最重要的参数之一，可分连续航行破冰能力和反复冲压破冰能力。目前，从动力系统角度来看，大多数柴电破冰船其连续航行破冰能力在1.2米以上，较为先进的可破开1.8米厚的冰层，而核动力系统破冰船可连续破开2-3米的冰层。
在连续航行破冰受限的情况下，破冰船会以反复冲压的方法进行破冰。一般来看，破冰船的反复冲压破冰厚度通常是连续航行破冰厚度的2-4倍。
极地破冰船的建造难在哪儿？
目前，中国由于缺乏冰水池，船舶设计、低温材料与配套技术发展受到严重影响，极地船舶数量和技术水平极大落后于欧洲、俄罗斯、日本、韩国等国家和地区。以破冰船为例，我国在“雪龙2”号之前，唯一能在极地破冰前行的船只为正在服役的“雪龙”号，属于中国第三代极地破冰船和科学考察船，同时也是中国最大的极地考察船。
而俄罗斯有30余艘破冰船，最大的一艘破冰船可以在北极的任何海域航行并执行任务，航行时可破冰层厚度达3米。
那么极地破冰船的建造难度到底在哪里呢？
（1）基础理论：冰载荷计算还有很长的路要走
船舶在冰区中航行会由于海冰的作用而受到额外的冰载荷，因此，合理地确定船舶冰载荷是进行冰区船舶设计的基本能力要求。
冰载荷一直以来都是国内外相关研究人员关注的热点。目前冰载荷计算主要采用理论分析、试验测试和计算仿真三类方法。与波浪载荷相比，冰载荷的研究历史尚短，理论还不成熟，还需要系统地开展相关的研究。
（2）船体设计：耐低温结构材料目前仍依赖进口
2009年，中国正式启动“雪龙2”号新建极地科考船建设项目，当时国内船舶设计单位对极地船舶的认识仅停留在理论阶段，缺乏实际经验和论证条件，无法独立完成破冰船船体结构的设计。
国务院确立了“国内外联合设计、国内建造”的基本原则。为了满足中国的科考需求，中国向芬兰的船舶设计公司提出了相应的定制化需求：新一代的科考破冰船“底盘”要好，确保其服役寿命；同时，为了提高船舶的破冰能力和灵活性，“雪龙2”号要采用全回转推进，可以实现双向破冰。
芬兰公司开始提供的船体设计方案的母型船是一艘货船，无法满足科考需求，在中国相关研究单位的优化下，船的设计在敞水性能、行船稳定性等方面得到了优化，其中做了大量的研究工作。
为了防止低温对船体的损害，在船体结构设计中，一般选取特殊低温高性能钢材，并在船艏、船艉和水线附近对其进行加厚。
我国现有的高级别超高强海工钢主要采用淬火+回火生产工艺，以中碳成分为主，钢板焊接性能较差，无法满足极地船舶建造焊接和超低温焊接维修的要求，这种低温钢材还依赖进口。
（3）动力系统：极端天气条件下工程应用相比国外仍有差距
对于极地科考船，它们在破冰过程中，由于冰载荷的随机波动性，船舶电力推进系统将处于随机性、冲击性负载作用的极端运行工况，这对电力推进系统的设计与变频控制提出了极高的要求。
我国目前已经掌握了船舶电力推进系统的大部分关键技术，并且在电制形式、功率密度、运行效率等方面优于国外，但在极端天气条件下的工程应用还与国外有较大差距。
另外大负荷下结构件容易因材料的低温脆性而损坏，铸钢件易冻裂；低温下机械设备内外部结冰，发动机启动困难，液压系统卡死，无法正常工作等情况,都需要一一解决。
不断升级换代的中国极地考察船
“极地考察船”是专门在南北极海域进行海洋调查和考察的专业海洋调查船，可供科考队员在特定海域进行环境调查和科学研究。它具有船体坚固、破冰能力强、防寒性能好等特点。随着极地科考事业的发展壮大，我国极地科考船发展不断“转型升级”，让我们一起了解一下那些伴随着中国科考队员出征南北极的极地科考船。
带您一同回顾那些为我国极地科考立下功勋的国之重器。
“向阳红10”号“海军J121”首航南极
“向阳红10”号是中国自行设计制造的第一艘万吨级远洋科学考察船。这是一艘满载排水量为1.3万吨的普通船只，无破冰能力。1979年11月由上海江南造船厂建成并交付国家海洋局东海分局使用。曾参加中国首次发射运载火箭、同步通信卫星等重大科研试验任务，1984年11月，我国派出591人组成的中国首次南极科考队，搭乘“向阳红10”号远洋科考船和“海军J121”打捞救生艇首赴南极，建立中国首个南极科考站——长城站，1988年获国家科技进步特等奖。
由于“向阳红10”号不具备冰区航行能力，在完成首次南极考察任务过程中，受到恶劣气候影响，船体在剧烈颠簸中受损严重，无法达到继续进行南极科考要求，只能遗憾地退出南极科考舞台。
首艘抗冰船“极地”号6赴南极
“极地”号是我国第一艘“真正意义”上的极地科学考察船。它原来是由芬兰劳马船厂建造的一艘具有1A级抗冰能力的运输船，我国于1985年购入后由沪东造船厂进行了改装，使它成为了一艘多功能、多用途、综合性强并适宜于高纬度高严寒海域航行的科学考察船。当时船上装有较先进的卫星导航和通讯设备，以及直升飞机平台和机库等。1986年9月，改装完成的科考船更名为“极地”号，成为我国第二代极地考察船。
1986年10月，“极地”号科考船开始环球航行。它从青岛港拔锚启航，载着我国南极科学考察队队员圆满完成了长城站扩建和科学调查任务。随着我国位于东南极的考察站——中山站的建成，面对南极高纬度的严重冰情，“极地”号终因抗冰能力和船龄的限制退出了中国极地考察船序列。从首航南极到1994年退役，“极地”号共完成了6个南极科考航次。
“雪龙”号南征北战至今
“雪龙”号是我国第三代极地考察船，原系乌克兰赫尔松船厂1993年建造的一艘具有B1级破冰能力的破冰船。全长167米、满载排水2.1万吨，技术性能先进，配备了现代化的航行、定位和导航系统，具备以1.5节航速连续破冰1.1米的能力，可搭乘科考队员120人，初期主要承担了南极考察站物资补给运输、科考队员的交替和南北极大洋调查等三大任务。
我国购入“雪龙”号后，曾先后对它进行过4次改造：
1994年，由沪东船厂改装而成极地科学考察兼运输补给船，替代原有的“极地”号。
1995年，“雪龙”号再次改造，在原来1号货仓上加装了3层建筑，有实验室、餐厅和考察队员住舱，并加装了科考设备，科考能力有了极大提高。
2007年，“雪龙”号驶进上海浦西修船码头进行升级改造。主甲板以上被全部割除重建，并更换了驾驶系统和机舱设备自动控制系统，新增了实验室和考察设备。
2013年，“雪龙”号在江南造船厂完成了包括动力系统、甲板机械和环保系统等为主的恢复性修理和改造，更换了主机和3台发电机，加装了压载水处理装置；升级船载海事卫星；并更换了4台吊车以便装卸。
投入使用以后，参加了我国自1994年至今的历次南极和北极科学考察活动。取得了大批珍贵的南大洋和极地海域综合数据，获得了许多新发现，还到达了船舶可以到达的地球最南端海域，南纬77度47分的罗斯海，创造了我国船舶到达地球最南纬度纪录。
2019年1月19日，“雪龙”号在执行中国第35次南极考察任务期间，在阿蒙森海密集冰区航行中，受浓雾影响与冰山碰撞，船艏桅杆及部分舷墙受损。通过检修，“雪龙”号依然正常运行，并于3月10日回到上海。
“海洋四号”“海洋六号”加入南极科考
在南极科考中，还出现过数艘海洋科考船的身影。在第7次南极科考中，“海洋四号”船在南极海域开展海洋地质与地球物理综合调查，完成了沉积物、微生物和地质考察任务。
在第33次南极科考中，“海洋六号”船远赴南极半岛海域科考。和前辈“海洋四号”相比，“海洋六号”的整体性能更加先进，集地震、地质调查等多项调查功能于一体，既可以开展地质调查，也可以从事石油天然气资源的调查。
“向阳红01”号达国际先进水平
在第34次南极科考中，“向阳红01”号圆满完成南极航段科考任务，首次在南极发现了海底热液与冷泉并存的现象。
作为一艘满足海洋科学多学科交叉研究的现代化科考船，“向阳红01”号技术水平和考察能力已经达到国际海洋综合考察船先进水平。
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“雪龙2”号之外还有哪些著名的破冰船
包括“雪龙”号、“雪龙2”号，世界上还有许多著名的破冰船。
俄罗斯“列宁”号
1957年下水的前苏联的“列宁”号（Lenin），是世界第一艘核动力破冰船，其动力心脏是核反应堆，高压蒸汽推动汽轮机，带动螺旋桨推动船只。
俄罗斯“北极”号
俄罗斯“北极”号（Arktika）核动力破冰船，安装有两座核反应堆，是世界上最大的破冰船，首舰1975年服役。可在北极圈内深水海域使用，破冰厚度2米。1977年8月17日，首舰“北极”号是第一艘到达北极点的水面舰船。
俄罗斯“亚马尔”号
“亚马尔”号破冰船一般常用两种破冰方法，当冰层不超过1.5米时，多采用“连续式”破冰法。主要靠螺旋桨的力量和船头把冰层劈开撞碎；如果冰层较厚，则采用“冲撞式”破冰法。冲撞破冰船船头部位吃水浅，会轻而易举地冲到冰面上去，船体就会把下面厚厚的冰层压为碎块，如此周而复始。
俄罗斯“50年胜利号”
“50年胜利号”是世界上最大的核动力破冰船，该船于2006年建成下水试航，2007年正式交付使用。“50年胜利号”船长159米，宽30米，有船员138名，满载排水量2.5万吨，最大航速21节，航速为18节时最大破冰厚度2.8米，总功率为75000匹马力，船上还载有米八直升机一架，用于侦察冰情和人员物资的运输。
俄罗斯“马卡罗夫元帅”号
2011年1月，俄罗斯“马卡罗夫元帅”号破冰船在鄂霍次克海将一艘被困在冰层中长达1个月的大型鱼品加工船救出，这艘船从2010年年底起，就与其它几艘船被困在鄂霍次克海海域厚约2米的冰层中，无法行动，不得不请求救援。而这次救援，耗费了大约500万美元。
俄罗斯“绍卡利斯基院士”号
2013年12月25日，俄罗斯“绍卡利斯基院士”号科学考察船在南极洲航行时被浮冰所困，当时船上除一支澳大利亚科考队外，还有来自英国、阿根廷、荷兰、新西兰、智利等国的游客。“绍卡利斯基院士”号受困后，中国、澳大利亚和法国的科考船参与了救援。
美国“北极星”号
美国“北极星”号(WAGB-10)是世界上最强的常规动力破冰船，满载排水量13000吨，隶属于美国海岸警卫队。“北极星”号破冰船，共建造2艘，全长121.6米，装备2架直升机。“北极星”号能以3节航速连续破1.8米厚冰，如果用倒车冲击法，可破开6米厚的冰。“北极星”号的三个泵轴由柴电发动机或燃气轮机所驱动。每个轴连接到一个直径16英尺（4.9米），四叶，可调螺距的螺旋桨。柴电发动机可以提供18000轴马力（13兆瓦），而燃气轮机共可提供75000轴马力（56兆瓦）。
美国“北极海”号
“北极海”号是“北极星”号破冰船的姊妹舰。“北极海”号和“北极星”号均是从20世纪70年代起服役至今的“破冰”老兵，今后预计需要花费数以百计美元保养和维修
美国“希利”号
美国现役最大的破冰船是“希利”号（Healy、WAGB-20），1997年下水，1999年服役。“希利”号船长128米，宽25米，吃水9.8米，最大航速18节，满载排水16700吨，主要作为高纬度科学研究平台和执行冰区护航任务。“北极星”号与“希利”号、“北极海”号共同组成美国海岸警卫队的中型极地破冰船队。
中国的科考船还有哪些
“远望1”号测量船
“远望1”号测量船由中国船舶工业集团公司下属的708研究所开发和设计，江南造船（集团）有限责任公司制造的第一代综合性航天远洋测量船，主要担负卫星、飞船和火箭飞行器全程飞行试验测量和控制任务，圆满完成远程运载火箭、气象卫星、载人飞船等57次国家级重大科研试验任务，为国家和民族作出了巨大的贡献，被誉为“航天功勋船”，享有“海上科学城”的美誉，退役后作为爱国主义和科普教育场所向公众开放。
船上配备有C－和S－波段单脉冲跟踪雷达、激光测距经纬仪和跟踪系统、测速系统和舰载计算机去跟踪并控制宇宙飞船。它们使用组合惯性、卫星和星形用于精确导航和定位。通信包括HF、ULF、UHF和SATCOM，采用保密电话，传真和数据链形式。船上也被装备多种天气预报设备，包括气象雷达、探测器和气象气球，气象卫星图像接收终端机。
“大洋一号”远洋科学考察船
“大洋一号”是目前中国第一艘现代化的综合性远洋科学考察船，也是我国远洋科学调查的主力船舶。“大洋一号”原名“地质学家彼得·安德罗波夫号”，曾是前苏联的一艘海洋地质和地球物理考察船，1984年在前苏联基辅造船厂建成。1994年，为了中国大洋矿产资源调查的需要，中国大洋矿产资源研究开发协会从俄罗斯远东海洋地质调查局购买并经初步改装后，命名为“大洋一号”。“大洋一号”具备海洋地质、海洋地球物理、海洋化学、海洋生物、物理海洋、海洋水声等多学科的研究工作条件，可以承担海底地形、重力和磁力、地质和构造、综合海洋环境、海洋工程以及深海技术装备等方面的调查和试验工作。
“远望4”号远洋测控船
1998年8月，“远望4”号航天远洋测控船由“向阳红10”号改建成，此次改装共改造、更新、修理、特装了4大类，400余个工程项目。改装工程由江阴澄西船舶修造厂承担。1999年7月完成技术改装，正式交付中国卫星发射测控系统部海上测控部使用。主要担负导弹、卫星和宇宙飞船的海上跟踪、遥测、通信和控制任务。具有测控精度高、实时性强、全天候工作等优点。在短短的几年时间里，出色地完成了我国载人宇宙飞船和“嫦娥一号”绕月卫星的测控任务。
新“向阳红10”号科考船
2011年，国家海洋局批准新建科考船“向阳红10”号。2014年3月28日，新“向阳红10”号入列国家海洋调查船队。当年5月14日零点15分，随着最后一套海底地震仪回收至新“向阳红10”号船甲板，中国大洋第49航次第四航段科考队成功完成14套海底地震仪的回收任务。
“远望6”号测量船
“远望6”号测量船，是中国第二艘第三代航天远洋测量船，是中国自行研制的具有国际先进水平的大型航天远洋测量船，由中国船舶工业集团公司第七〇八研究所设计、江南造船（集团）有限责任公司建造，满载排水量25000吨，抗风能力可达12级以上，可在南北纬60度以内的任何海域航行。“远望6”号测量船采用了当今船舶建造、航海气象、电子、机械、光学、通信、计算机等领域的先进技术。甲板上同时安装多套大型测控设备，不仅能完成对火箭、卫星、飞船等各类航天飞行器的海上跟踪测控任务，而且在测量船建造史上尚属首次。船上具备日常生活基本设施，包括卫星电视、多功能俱乐部、电子阅览室、健身房等一应俱全，并配备有直升机库，甲板中央还设有游泳池，闲暇时可组织多种体育趣味活动。“远望6”号测量船采用了航天、航海气象、电子、机械、光学、通信、计算机等领域的最新技术，船上安装了S波段统一测控系统、C波段统一测控系统和C波段脉冲雷达等大型测控设备，能够执行对火箭、卫星、飞船等各类航天飞行器的海上跟踪测控任务，并能与任务中心进行实时通信和数据交换。

本版稿件综合新华社、《中国海洋报》
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