张 羽，李岳阳，王 敏

(1. 中海油信息科技有限公司北京分公司 北京 100027；2. 中国船舶信息中心 北京 100101)

极地破冰船发展现状与趋势

张 羽1，李岳阳2，王 敏2

(1. 中海油信息科技有限公司北京分公司 北京 100027；2. 中国船舶信息中心 北京 100101)

极地破冰船作为开辟极地航道、资源开采的必要装备，是各国推进极地战略的重要抓手。本文重点介绍美俄等环北极国家近年来破冰船技术的发展现状及未来趋势，并以此对我国破冰船的发展给出启示与建议。

破冰船；发展现状；未来趋势

0 引 言

近年来，世界各国对北极争夺日趋激烈，不仅抢夺北极航道，还进行自然资源的争夺，而作为北极航道开辟、自然资源开采的必要装备，极地破冰船是各国推进极地战略的重要抓手，具有重要的战略地位。

1 发展现状

1.1 发展规模

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。截至2016年，世界主要国家在役极地破冰船（马力≥10 000 HP）共有约74艘（见表1）。综合来看，环北极国家共拥有极地破冰船64艘，占全世界在役破冰船的86%，其余国家仅占约14%。

在这74艘极地破冰船中，俄罗斯拥有37艘，占比约50%（见图1），是全世界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。目前，俄罗斯在役的37艘极地破冰船中，包括重型4艘，中型17艘，轻型16艘，其中常规动力破冰船33艘，核动力破冰船4艘（均为重型），主要由Rosatomflot公司、摩尔曼斯克航运公司（MSCO）、Sovcomflot公司、GAZFLOT公司、SCF SW IRE PACIFIC OFFSHORE公司、远东船运公司（FESCO）、NORILSK NICKEL公司等运营使用[1]。其中核动力全部由Rosatomflot公司、摩尔曼斯克航运公司（MSCO）运营。

美国曾拥有仅次于于俄罗斯的破冰船舰队，包括“极地星”号、“极地海”号、“希利”号、“帕尔默”号和“艾维克”号5艘极地破冰船，其中“极地星”号更是全球破冰能力最强的常规动力破冰船之一，其最大破冰厚度达6.4 m。然而美国在近25年来并没有建造新的破冰船，如今随着旧破冰船的退役，即便加上超期服役的“极地星”号也仅有4艘。

近年，加拿大、瑞典、芬兰、丹麦也加大了极地破冰船建造力度。目前，加拿大拥有6艘，瑞典拥有6艘，芬兰拥有6艘，丹麦拥有4艘，合计拥有极地破冰船22艘，约占世界在役破冰船的1/3。这4国不仅拥有规模不小的极地破冰船队，而且均拥有自己的极地破冰船建造技术，芬兰更是拥有世界一流的破冰船建造技术，承担了大量其他国家破冰船的建造任务。

表1 世界主要国家极地破冰船数量与服役情况Tab. 1 General information of icebreakers in the world

此外，挪威、中国、澳大利亚、日本、德国、爱沙尼亚、智利、韩国、南非、拉脱维亚等共拥有在役极地破冰船11艘，合计不到世界在役破冰船的1/6。其中爱沙尼亚拥有的2艘极地破冰船，均是从芬兰海事局购买的退役破冰船，经维修改造后再使用。除此之外，其他国家均只有1艘极地破冰船。

1.2 船体设计

极地破冰船的性能很大程度上依赖于船体设计，其直接影响极地破冰船的破冰能力、破冰效率以及对螺旋桨等重要部件的保护能力。当前，极地破冰船船体设计的重点是保护船体的重要结构及部件。

1） 船体结构

破冰能力、破冰效率以及对螺旋桨等重要部件的保护能力是极地破冰船设计考虑的核心因素。因此，首先在总体结构设计上，极地破冰船与一般海船不同。相较于一般海船，其不仅拥有更大的自重，而且长宽比也更小，约为5∶1，而一般海船远远大于这个比例，如“高月”级驱逐舰船长为136 m，宽却只有13.4 m。该设计使极地破冰船船身纵向短横向宽，具有更好的操纵性。

其次，为减少破冰过程中，碎冰对船体的损害，极地破冰船通常没有减摇装置和突出部分，并将船身设计为有利于保护舵和螺旋桨的结构，防止倒车时舵和桨叶被海冰撞坏。

此外，为使破冰船更易冲上海冰进行破冰作业，破冰船的船首一般设计为勺型，底部具有平缓的角度（约为15°），以提高破冰效率。

2）船体材料

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，并在船首、船尾和水线附近对其进行加厚。美国极地破冰船“极地星”号选取的钢材，可抗–51.5 ℃的低温。瑞典极地破冰船“奥登”号对船体进行了加厚，最厚处钢材厚度达6 cm。

3） 防腐涂料

为避免船体涂料因寒冷而受损，从而丧失对船体的保护能力，水线附近船壳一般使用特殊的防腐涂料，即抗冰漆。不仅有效地保护了船体，还有效减少了船体与冰的摩擦，提高了破冰效率。

1.3 推进动力

从动力系统发展来说，破冰船从蒸汽动力、柴电动力一直发展到核动力，其推进能力有了明显提高。由于蒸汽动力已无法满足当前各国极地战略的需求，目前世界上大多数破冰船的动力系统均采用了柴电动力系统，而更先进的则采用了核动力推进系统，如俄罗斯在建的“LK-60”号，单个反应堆核能发电功率就达175 MW，全船推进功率达60 MW，远远超越了大多数柴电动力的破冰船。然而，作为世界海洋强国，美国“极地星”号是现役推进能力最强的柴电动力破冰船，虽然其发电功率仅68.4 MW，远远不如俄罗斯核动力破冰船，但其推进功率达到惊人的81 000 hp，是目前世界仅有的推进性能堪比核动力破冰船的柴电动力破冰船。

从推进装置上来说，蒸汽发动机、柴油发动机均是通过减速齿轮将动力传给固定螺距螺旋桨，这类系统容易由于螺旋桨击打船头撞击产生的碎冰而发生机械损伤。目前多数破冰船都改进使用电气传动装置，将原动机与推进器分离以减少击冰损伤，使得机舱设计更灵活，且不再需要传动轴和减速齿轮。与此同时，在螺旋桨周围加装了喷嘴或导流管，不仅更好地保护了暴露在外的螺旋桨，还改善了水体流动，增加了推力。此外，目前最先进的破冰船还采用了全向吊舱系统，该系统是一个悬挂于船体之下的封闭装置，其中含有与螺旋桨直接相连的电动机。全向吊舱可以做360°旋转，从而迅速地朝任何方向施加推进力。这种可旋转推进器与船首的侧向推进器互相配合，可以实现对船只的动态定位，大大提高破冰船在冰区和开阔水域的机动性。

1.4 破冰能力

毋庸置疑，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[2]。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 m以上，较为先进的可破开1.8 m厚的冰层，而核动力系统破冰船可连续破开2 ～3 m的冰层（俄罗斯“泰米尔”级连续航行下可破开2 m厚的冰面，而动力更强劲的“胜利50周年”号则可破开3 m厚的冰面）。

然而，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作业。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倍左右。如俄罗斯的“北极”号破冰船可连续破冰2.25 m，反复冲压可破开5 m厚的冰层；美国的“极地星”号，在3 kn的航速下连续破冰厚度为1.8 m，反复冲压破冰厚度可达6.4 m。

此外，常用的辅助破冰设备/系统有冲水系统、气泡系统、船体加热设备和快速侧倾系统等。例如世界上最大的核动力破冰船“北极”级安装有瓦锡兰气泡系统和快速侧倾系统，气泡系统可以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；快速侧倾系统则可通过强大的抽水系统改变船体的重量分布，从而在冰密条件下使船体发生摇摆，摆脱两侧冰雪对船身的束缚。此外，俄罗斯“弗拉季斯拉夫·斯特里诺夫”号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。

2 功能分析

一般来说，破冰船最基本的功能是进行破冰护航，但随着各国对极地科考、资源开发需求的增加，破冰船也作为平台承担有科学考察、海上支援等功能。

2.1 破冰护航

破冰护航作为极地破冰船的基本功能，多数极地破冰船主要用于极地破冰护航。当今世界北极航线主要有俄罗斯北部沿海的“东北航线”，以及大部分航段位于加拿大北极群岛海域的“西北航线”。随着破冰能力的提高，又增加了一条穿越北极点的“跨极航线”，该航线的海冰最为密集且厚实，目前仅有少数高性能破冰船满足其通航需求，能够在夏季的几个星期内提供跨极旅行或科考；而在大部分时间内，世界极地破冰船主要用于“东北航线”、“西北航线”，以及波罗的海等冰覆海域的破冰护航工作。其中，相较于波罗的海等局部冰覆海域的破冰作业，“东北航线”和“西北航线”对破冰船破冰护航能力有着更高的要求。目前，尚未有国家具有对北极各航道一年四季破冰护航的能力，但随着全球变暖，北极海冰不断减少，以及破冰船的快速发展，实现北极航道的全年通航将指日可待。

2.2 极地科考

由于极地巨大的经济、战略价值，以及在全球气候变化中的重要作用，越来越多的国家加入极地科考队伍，而极地破冰船作为极地科考平台得到了大力发展。在破冰船中，多数是以破冰为主，兼顾有科考功能。还有一部分破冰船，是专用极地科考船，如美国“希利”号极地破冰船、瑞典“奥登”号极地破冰船，其极地科考能力与其设计用途、破冰能力和搭载设备有着很大的关系。

“希利”号是美国最具代表性的极地科考船，主要服务于北极海域，在役期间主要承担了北极水下潜航器测试、燃料运输、北冰洋和白令海大陆架观察、气候变化数据收集、海冰岩石样本收集等任务。船上设有5个科考实验室，分别为主实验室、湿度实验室、生物化学实验室、电子实验室及气象实验室，且配备了各种实验器材、工具、传感器和样本采集器等。在“希利”号左右两舷还安装了2个铰链式起重机，分别可吊装4.5 t（港口侧）和14 t（右舷侧）的货物。此外，该船上还配备了1艘北极勘察船和2艘刚性充气船，能够独立进行科考作业。此外，“希利”号上还可搭载直升机2架，为附近的科考站进行人员运输及物资补给。

瑞典“奥登”号破冰船建造于1989年，最初用于波士尼亚湾货运航线的破冰任务。现定位专用极地科考船，且从2007–2010年连续4年对南极开展了科考旅行。该船配备的科考设备主要有Kongsberg EM 122多波束测深仪（频率为12 kHz）、Kongsberg SBP120海床基断面仪（深度范围50～1 100 m）、SMHI气象站、A型架构、绞车、船载实验室以及先进的导航设备等。

2.3 海上支援

破冰船为往来极地的船只开辟航路、保驾护航的同时，也承担着支援、救助、补给的任务。大多数破冰船都配备了搜救雷达和救生艇，可在紧急情况下承担救援任务，部分还配备有直升机，可独立执行海上支援或救援任务。此外，一些破冰船上还配备了拖曳设备及起重设备，以便对附近的船只提供及时的救援补给。

目前，部分先进的破冰船更是配备了溢油回收装置。例如俄罗斯斜破冰船“波罗的海”号，该船由芬兰赫尔辛基造船厂和俄罗斯Yantar JSC造船厂联合建造，于2013年正式交付。“波罗的海”号设计用于破冰护航、拖曳船只或漂浮设施、灭火及各种救援活动。其最显著的特点就是其非对称的斜侧结构，该设计使其不但可以侧向行驶破冰，开辟更宽的航路（侧向行驶可破冰厚0.6 m），而且在原油泄漏时，不对称船体的垂直侧可以用作大清扫臂，当船舶倾斜地通过油膜移动时，该清扫臂将浮在表面上的油引导到内置的撇渣器内，从而进行溢油回收作业。

3 发展趋势

3.1 更新计划

截止到2016年，世界主要国家在建极地破冰船3艘，计划建造13艘，其中俄罗斯在建2艘，计划建造6艘，是全世界计划建造极地破冰船最多的国家，也是唯一在建和计划建造核动力破冰船的国家。预计到2020年底，俄罗斯将拥有极地破冰船45艘，包括8艘核动力，将继续是世界上唯一拥有核动力极地破冰船的国家。

目前，俄罗斯在建的极地破冰船包括1艘“LK-60”级核动力破冰船和1艘“维克托·切尔诺梅尔金”号（Viktor Chernomyrdin）柴电动力破冰船。通过对比（见表2和表3），可知俄罗斯在建破冰船在船型结构、动力系统等性能参数上都有了很明显的提升，船舶自动化程度有了较大提高。

表2 “LK-60”级（在建）与“北极”级核动力破冰船参数对比Tab. 2 Technical com parison between “LK-60” and“Arktika” icebreakers

表3 “维克托·切尔诺梅尔金”号（在建）与“摩尔曼斯克”号柴电动力破冰船技术参数对比Tab. 3 Technical com parison between “V iktor” and“Murmansk”

与此同时，美国只有1艘可以在北极长期航行的极地破冰船且2019年即将退役。目前，美国仅计划建造1艘极地破冰船，与美国北极战略发展严重不符。不过，美国已经逐渐意识到极地破冰船的重要性。

最近，美国海军造船基金拟提供10亿美元为海岸警卫队建造极地破冰船，这是美国25年来建造的第1艘极地破冰船。同时，在美国白宫的不断呼吁下，美国国会已将极地破冰船再注资计划纳入2017财年国防拨款法案，美国新极地破冰船建造的准备工作正式启动。与此同时，美国智库与学者也已开始了对核动力极地破冰船建造必要性的论证，把核动力极地破冰船建造提升了议程。

此外，芬兰、加拿大、澳大利亚、德国、挪威和英国也有极地破冰船建造计划。

3.2 破冰技术发展

从传统的单一功能型破冰船到如今核动力、多功能型破冰船，破冰船无论是在破冰性能还是其他功能上的发展都显而易见。总结几十年来破冰船技术的演变。主要的发展方向在以下4个领域：船体设计、辅助破冰能力、推进系统设计、双向破冰设计。

1）船体设计

在几十年、上百年的发展过程中，为了能适应更加恶劣的海冰环境，具有更强的破冰能力、更大的体积与排水量一直是极地破冰船船体设计的追求目标，未来仍将是其在船体结构方面的主要发展趋势。同时，随着新型造船材料的不断涌现，高强度、高韧性、耐腐蚀和耐低温的新型钢材或其他复合型材料将被广泛使用。

2）辅助破冰能力

在近50年里，为提高极地破冰船破冰能力，发展了多种辅助破冰系统，但这些系统仅应用在个别较为先进的破冰船上，尚未普及。未来，如船体加热设备、快速侧倾系统等辅助破冰系统将发展为极地破冰船的标准配置，促进新型辅助破冰系统的发展。

3）推进装置设计

破冰船的发展离不开推进装置的发展，全向吊舱系统作为新型推进装置，可实现360°全向推进，并在船首侧向推进器配合下，可实现船只动态定位，大大提高破冰船在冰区和开阔水域的机动性，是极地破冰船推进装置的主要发展方向。

4） 双向破冰设计

近年来极地破冰船技术领域中最具创新性的概念要属双向破冰设计，该设计使破冰船在前进时具有标准的适航特征，可以保持良好的航速，适合连续破冰作业；而在反向行驶时，又具有适合反复冲压破冰作业的船尾形态。这种设计赋予了受困破冰船从冰层脱困的能力，同时也大大提高了其破冰效率，在未来破冰船的设计建造中有着更好的发展前景。

4 启示建议

4.1 进行新极地破冰船建造

俄罗斯和美国等环北极国家都拥有专业化的极地破冰船舰队，它们既拥有可常年在北极进行破冰，保持航道畅通的北极极地破冰船，也拥有可常年在南极进行科学考察和提供物资补给的南极极地破冰船。而我国仅有1艘极地破冰船，每年仅能进行1次南极科考物资补给，每2年才能进行1次北极科考，已经无法完全满足我国极地研究与战略发展需要。对此，我国急需进行新的极地破冰船建造。

4.2 发展轻型、中型和重型系列化极地破冰船

与俄罗斯、美国等国家对比（见表4），我国“雪龙”号破冰船无论在破冰能力还是续航能力上，均有着明显差距。这种差距既增加了极地科考成本，又严重制约了极地科考的效率。

表4 世界典型极地破冰船性能对比Tab. 4 The comparison of performance among major icebreakers in the world

目前，俄罗斯拥有轻型极地破冰船16艘，中型17艘，重型4艘。同样，美国拥有轻型1艘，中型2艘，重型1艘，而我国仅有1艘轻型极地破冰船，无法满足我国船队在北极航道的通航需求，需发展系列化极地破冰船。

4.3 提高极地破冰船自主设计、制造能力

我国目前尚未完全掌握极地破冰船设计、建造技术，唯一的极地破冰船“雪龙”号也是从乌克兰购买的。即便是目前刚刚开建的首艘自行建造极地科学考察破冰船，一些核心设备仍然依靠国外进口。为适应我国北极战略发展需求，急需提高极地破冰船自主设计、制造能力。

4.4 进行核动力极地破冰船技术研究

目前，俄罗斯作为世界上唯一拥有核动力极地破冰船的国家，在役核动力极地破冰船4艘，在北极航道护航、资源开采等领域拥有着绝对的优势。同样，美国也意识到核动力极地破冰船的重要性，展开相关讨论。因此，我国也应展开核动力极地破冰船相关技术研究，支撑我国进行北极航道护航、资源开采，支撑我国北极战略发展。

[1]杨燮庆. 俄罗斯破冰船和冰海商船开发现状[J]. 船舶,2002(4): 5–7.

[2]沈权, 赵炎平. 破冰船技术及几种破冰方法[J]. 航海技术,2010(1): 5–7.

Overview and trend of the icebreakers

ZHANG Yu1, LI Yue-yang2, WANG M in2
(1. CNOOC Information Technology Co., Ltd., Beijing Branch, Beijing 100027, China;2. Shipbuilding Information Center of China, Beijing 100101, China)

As the essential equipment to assist the shipping and resources exploitation, icebreakers are the key to advance the Arctic strategy. This article focuses on the current development and future trend of the icebreaker technology in Russia, the United States and other surround-arctic countries. Finally, the enlightenments and suggestions to the development of icebreakers in our country are given.

icebreakers；development；trend

U665

A

1672–7649(2017)12–0188–06

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.040

2017–10–26

张羽(1984–)，男，硕士研究生，研究方向为海洋环境监测。