1、    淺談北極地區(qū)破冰船新概念設(shè)想    劉賽棚摘 要：近年來(lái)，陸上油氣資源日益枯竭，而北極地區(qū)資源儲(chǔ)量豐富，具有巨大的戰(zhàn)略意義和研究潛力。我國(guó)所需資源的進(jìn)口及與西方國(guó)家的貿(mào)易往來(lái)，一直受困于傳統(tǒng)航線過(guò)長(zhǎng)以及航行過(guò)程遭遇的海況較為惡劣，風(fēng)險(xiǎn)性較高，由此造成航運(yùn)成本過(guò)大。但如果開發(fā)出北極新航道，將極大地縮短航行路線，燃油消耗量隨之降低，由此節(jié)約航行成本。因此，無(wú)論是從北極地區(qū)資源開發(fā)利用的角度，還是從新航線的開辟角度來(lái)講，北極的資源開發(fā)利用都勢(shì)在必行。但是從19782016，北極冰層平均面積為6.8×106 km2，且這些冰層的厚度在25040

2、0 m不等。這些外界條件因素?zé)o疑為北極地區(qū)的開發(fā)增加了難度，提出更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。欲開發(fā)北極，必先破冰，而目前破冰行之有效的方式為使用破冰船。關(guān)鍵詞：北極地區(qū)；破冰船；上浮式破冰；可變曲線頂塊：u674.81 ：a doi：10.15913/ki.kjycx.2017.08.034就目前來(lái)講，破冰船的工作原理主要有2種，即利用沖擊力破冰和利用重力破冰。下面將簡(jiǎn)要介紹這2種原理的具體內(nèi)容。所謂“沖擊力破冰”，是指冰層厚度較薄時(shí)，破冰船在距離冰層一定距離處開足馬力，以較快的速度沖擊冰層，憑借其堅(jiān)固的艏部在巨大的慣性力作用下撞碎冰層。然后破冰船倒車，退至距離未破冰層一定距離處，繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程。但是運(yùn)用

3、此種破冰方式，首先船體艏部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)該足夠大，可以抵抗巨大的沖擊力。這就對(duì)艏部的建造材料及結(jié)構(gòu)形式有一定的要求。其次，運(yùn)用這種破冰方式每次的破冰范圍有限，導(dǎo)致工作效率較低。而所謂“重力破冰”，是指冰層較厚時(shí)，破冰船在距離冰層一定距離處，在尾部注入壓載水，同時(shí)將艏部壓載水抽出，使其呈艏傾狀態(tài)，開足馬力，使船艏沖上冰面，再往艏部注入壓載水，在壓載水和破冰船自身巨大的重力作用下壓碎冰層。然后破冰船倒車，退至距離未破冰層一定距離處，繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程。這種破冰方式主要是通過(guò)調(diào)節(jié)壓載水來(lái)改變船體的縱傾姿態(tài)。這樣在工作過(guò)程中，就勢(shì)必要考慮安全性和平穩(wěn)性問題。如果操作不當(dāng)，容易造成船體搖晃，甚至傾覆。通過(guò)對(duì)

4、上述2種破冰原理的論述和分析可知，這2種破冰方式均存在一些不足之處。因此，研制一種更為安全、工作效率更高的新式破冰船成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。接下來(lái)將從研究背景、設(shè)計(jì)方案及優(yōu)勢(shì)與不足這3個(gè)方面來(lái)論述這種新型上浮式破冰船。1 研究背景目前來(lái)講，北極地區(qū)油氣資源豐富，我國(guó)也提出了海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略部署，利用破冰船對(duì)北極地區(qū)的資源進(jìn)行開發(fā)利用成為眾多科研工作者努力的目標(biāo)。而本文中提出的新型上浮式破冰船主要是基于美國(guó)的潛艇破冰而獲得設(shè)計(jì)靈感。近期，網(wǎng)上公布了一段視頻美軍潛艇在北極區(qū)上浮破冰，潛艇上浮破冰的過(guò)程中與冰面直接作用的是其非耐壓殼，既然潛艇的非耐壓殼在上浮過(guò)程中可以破冰，那么做一個(gè)耐壓殼體，通過(guò)增大其浮

5、力，利用類似原理進(jìn)行上浮破冰也應(yīng)該是可行的。因此，這種新型上浮式破冰船與傳統(tǒng)破冰船最大的不同之處在于它是利用重力與浮力二者產(chǎn)生的壓力差，由此向上將冰層頂碎。接下來(lái)將詳細(xì)介紹這一設(shè)計(jì)方案。2 設(shè)計(jì)方案這種新型上浮式破冰船的破冰原理可以簡(jiǎn)述為上浮式靜浮力破冰，即通過(guò)向船舶壓載水艙注入壓載水，增加船體質(zhì)量，令船體下潛至冰層以下。當(dāng)下潛至合適的深度后，將壓載水排出，從而增大重力與浮力之間的壓力差，使船體上浮與冰面接觸；再繼續(xù)排出壓載水，提供巨大浮力，使冰層在浮力作用下破碎。通過(guò)這個(gè)破冰過(guò)程可以看出，由于整個(gè)工作過(guò)程是在冰面以下進(jìn)行的，所以無(wú)疑增加了操作難度，且船體的平穩(wěn)性難以保證。為了解決這個(gè)問題，設(shè)

6、計(jì)方案時(shí)，首先要給船體安裝一個(gè)橫向穩(wěn)定翼，可以兼做操縱翼，當(dāng)船體上浮至冰層底面時(shí)與冰層底面接觸，可以保證整個(gè)破冰過(guò)程較為平穩(wěn)地進(jìn)行，防止出現(xiàn)橫搖等各種問題。接下來(lái)介紹設(shè)計(jì)方案的核心部分，即上浮式破冰關(guān)鍵技術(shù)。在船體上安裝可變曲線頂塊，由于船體提供的上浮力有限，這便要求頂塊與冰層的接觸面積盡可能小，從而產(chǎn)生足夠大的壓強(qiáng)，達(dá)到良好的破冰效果。目前，初步方案為將數(shù)個(gè)頂塊通過(guò)可變行程的液壓裝置連接在船體上，沿船長(zhǎng)方向布置，改變不同位置處的液壓行程，可以得到凸點(diǎn)位于不同位置處的頂塊上端面曲線。假設(shè)冰層有1，2 2個(gè)受力點(diǎn)，可以使受力點(diǎn)有最大的集中力作用。冰層首先在受力點(diǎn)處產(chǎn)生極大的應(yīng)力而破壞，繼而受力點(diǎn)

7、沿頂塊上端面曲線改變，使冰層連續(xù)破壞。先將頂塊上端面曲線調(diào)節(jié)至凸點(diǎn)位于位置1處，即冰層自由邊處，可適用于較厚的冰層。自由邊處受集中力作用時(shí)，容易破壞。然后向后推移，逐點(diǎn)破碎冰層自由邊。接著將頂塊上端面曲線調(diào)節(jié)至凸點(diǎn)位于位置2處，即冰層中部，可破碎沿船長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的冰層，提高破冰效率。3 優(yōu)勢(shì)與不足這種新型上浮式破冰船的優(yōu)勢(shì)如下：相比于傳統(tǒng)的破冰船，該新型上浮式破冰船破冰效率較高，尤其是從船中開始破冰時(shí)，破冰長(zhǎng)度幾乎與船長(zhǎng)接近；破冰厚度大于傳統(tǒng)破冰船，破冰能力更強(qiáng)。避免了傳統(tǒng)破冰船因冰層太厚船艏沖上冰面無(wú)法破冰而擱淺的現(xiàn)象，提升了破冰過(guò)程中的安全性。比傳統(tǒng)的破冰船更加安全、可靠，降低了因沖撞冰層而導(dǎo)致橫向傾覆的概率。單獨(dú)作業(yè)時(shí)，可自由穿梭在冰層之下，比如承擔(dān)極區(qū)救援任務(wù)時(shí)，有極大的應(yīng)變能力。該新型上浮式破冰船的不足之處為，整個(gè)破冰過(guò)程在冰面以下進(jìn)行，增加了操縱難度，并且一旦遇到設(shè)備故障問題，較難展開維修。4 結(jié)論隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升以及對(duì)海工領(lǐng)域的重視程度與日俱增，對(duì)北極冰區(qū)進(jìn)行的科研考察也日漸深入。這一切都源于北極蘊(yùn)含的豐富資源及北極新航線開辟后所帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)利益。因此，一種新型的更為高效的破冰船的研制意義不言而喻。本文所提出的新型上浮式破冰船從設(shè)計(jì)到應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段