胡晓芳，蔡敬标

1 中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

2 中国人民解放军92537 部队，北京100161

0 引 言

随着全球变暖所引起的海冰大面积消退，使得北极海上通航逐渐成为可能。对我国而言，开通北极航道具有明显的距离优势，和传统的航线相比，最多可以缩短50%的距离，其在促进我国航运业发展的同时，还可减少对传统航线的过分依赖，具有重大的战略意义［1］。然而，由于北极气候环境恶劣，缺乏足够的水文资料，且航运基础设施也不完善，使得船舶在北极地区航行十分危险，即使是在夏季，该航区一半以上的海面上仍有浮冰。由于海冰的消融和风、流的作用，海冰之间会形成曲折蜿蜒的冰区水道，并会不断发生收缩、扩散和位移等变化，造成船舶计划航线需根据海冰的阻挡而随时改变，同时船舶也需要频繁改变航向航速以尽可能利用冰间水道和薄冰区［2］。由此可见，北极航道对通航船舶的操纵性要求远高于普通航区航行的船舶，在设计时应予以特殊考虑。

目前，国内外关于冰区安全航行方面的研究主要集中在冰区航行船舶的操作方法方面［3-6］，其中，Su 等［7-8］探究了冰压力对旋回性能的影响，孙昱浩［9］开展了冰区操纵的视景仿真研究。上述研究成果多是根据驾驶者的实际使用经验归纳得到，主要集中在对操船人员的实际使用要求方面，对于设计的指导意义不强。本文拟尝试从北极航道的水域特点、气象环境条件等方面着手，分析航行于北极航道、以舵为航向控制方式船舶的操纵性设计要求，为相关设计人员开展该航道航行船舶的设计提供参考。

1 北极航道水域特点

国际上将北极航道分为“东北航道”和“西北航道”，如图1 所示。

1.1 东北航道

东北航道（图2）是指西起冰岛，经巴伦支海，沿欧亚大陆北方海域向东，直至白令海峡的航道，又称为“北方海航道”（NSR）。

图1 北极航道Fig.1 The Arctic Passage

图2 东北航道Fig.2 The routes of the Northeast Passage

东北航道海域浅的特点是影响航运的一个关键因素。其中，喀拉海40%海域的水深不足50 m，最小水深21 m；拉普捷夫海53%区域的水深在10～40 m 之间；东部拉普捷夫海峡最浅水深不到10 m，仅限吃水小于6.7 m 的船只通过［10］；东西伯利亚海的平均水深仅为45 m，较浅处的水深不足40 m；楚科奇海的平均水深为88 m，但一半以上的水深低于50 m；白令海峡的平均水深为42 m，最大水深仅52 m。沿途的桑尼科夫海峡有不足9 m的浅滩；尤戈尔海峡的宽度在2～12 km 之间，其海底崎岖，最浅处仅12 m；维利基茨基海峡的最窄处宽度不足60 m，深度在40～230 m 之间；约戈尔斯基·萨海峡的水深在13～30 m 之间。

受地形要素的影响，东北航道的表层海流主要是自西向东流动，呈逆时针环流的形态，大部分时间其流速小于0.5 kn。部分海峡由于宽度狭窄而使得潮流较大，如杨斯克海峡在遭遇东北气流时的洋流最高时速可达6.9 kn，维利基茨基海峡可达5 kn，拉普捷夫海峡在强风时也能达到3～4 kn［11］。

1.2 西北航道

西北航道（NWP）是指由格陵兰岛经加拿大北部北极群岛到阿拉斯加北岸的航道（图3）。该水域岛屿众多，星罗棋布，是地球上地形最为复杂的海域之一［12］。

图3 西北航道Fig.3 The routes of the Northwest Passage

西北航道气候恶劣、温度很低、冰情严重，一半左右的航道全年被冰所阻塞。其中，波弗特海北部的麦克卢尔海峡和梅尔维尔子爵海峡受到来自北冰洋流冰的侵袭，冰况多变；维多利亚海峡和富兰克林海峡冰情严重，全年只有8月底才能开通航线；拉森海峡是航线上的主要冰障流段，直接影响西北航线的通行；布希亚海域的冰情较为严重，夏季冰量可达70%［13］；巴罗海峡有巴芬湾漂来的冰山，航行时需要注意防范。

航道上，有多处航段航道窄、水深浅，给船舶航行带来了不利影响。其中，辛普森海峡、詹姆斯罗斯海峡和雷伊海峡宽度窄、水深浅、暗礁多。辛普森海峡最窄处宽约3 km，多处水深小于5.5 m；雷伊海峡的水深仅为5～18 m；拜洛特海峡宽度较窄，且具有较强的流，其北部的浅滩水深仅为4.3 m；阿蒙森湾附近的多芬联合海峡有多处水深小于10 m。

在该航线上，巴芬湾和戴维斯海峡存在逆时针环流，平均流速为2 kn，西部沿加拿大东岸有拉布拉多冷流，平均流速为0.5 kn；波弗特海为顺时针环流，平均流速为0.5 kn［14］。

1.3 航道的共同特点

综合东北航道和西北航道的水域特征，从船舶操纵性设计的角度出发，认为在设计中应着重关注如下几点：

1）浅水。航行于浅水中的船舶通常伴随有显著的下沉和纵倾，会对其快速性和操纵性产生明显的不利影响，可能导致触底和搁浅事故的发生［15］。东北航道全线海域较浅，西北航道上的辛普森海峡、多芬联合海峡等处的水深也较浅，使得浅水效应成为北极航道航行船舶操纵性设计中不可忽视的问题。

2）狭航道。在狭航道中航行的船舶易受航道岸壁和周围航行或停泊船舶、桥墩及其他系泊物的水动力干扰作用，使得发生碰撞、搁浅等海难事故的危险性更大［16］。无论是东北航道还是西北航道，航线上都有大量狭窄的海峡需要穿越，这些海峡形成了天然的狭航道，也成为北极航道航行船舶操纵性设计中必须考虑的要素。

3）海流。海流会引起船舶漂移而改变其速度和位置，使其偏离预定的航向和航迹［17］。北极地区水深较浅，整体流速较高。根据各国的观测资料和基于观测资料的分析结果可知，北极航线上长期存在着较为稳定的海流，其流速约为0.5 kn。实际操作时，0.5 kn 的流速是较为安全的，但仍应给予必要的重视。

2 北极航道冰况

浮冰是北极航道区别于其他航道最为显著的特征，也是影响该航道航行船舶操纵性的关键因素。船舶航行于大面积的冰区时，其航向稳定性由于受船体两边冰的作用而有所改善，但转向却变得困难，会出现小舵角转不动，大舵角一旦转动若想回舵把定住航向又很难的现象，尤其是在航道的转向点附近，转向操作有可能会造成船舶搁浅［18］。

度量浮冰对船舶操纵性的影响最重要的参数为冰量，通常采用十分法来表示。根据视界范围内海面上浮冰覆盖的比例量，冰量可以分为如表1所示的10 级。

表1 冰量等级表Tab.1 Grade of ice

当冰量在1/10 以下时，船舶可以自由航行；冰量为1/10～5/10 时，船舶需根据冰况调整航向；冰量为5/10～8/10 时，将对船舶航行造成严重的障碍；当冰量达到8/10 以上时，需在破冰船的协助下航行。

2.1 东北航道

根据对东北航道各海域历史冰情的分析，可归纳东北航道的冰情如表2［19］所示。

表2 东北航道各海域冰情一览表Tab.2 List of sea ice conditions in Northeast Passage

通过对历年冰况的统计分析，发现东北航道最适合通航的时间为每年的9月，8月次之。

2.2 西北航道

根据对西北航道各海域历史冰情的分析，可归纳西北航道的冰情如表3［20］所示。

表3 西北航道各海域冰情一览表Tab.3 List of sea ice conditions in Northwest Passage

通过对历年冰况的统计分析，发现西北航道最适合通航的时间为每年的8月和9月。

3 北极航道气象环境条件

气象环境条件是影响船舶航行安全的重要因素，而北极恶劣的气候环境更是对船舶航行安全有着严重的威胁，主要包括气温、能见度和风等［21］。

3.1 气 温

气温对航行船舶的影响主要表现在低温会使海水结冰并依附于船体上，而船体上依附的冰层会增大船舶的惯性力和惯性力矩，从而影响船舶的操纵性能。

受温室效应的影响，近年来，北极地区的气温呈不断上升的趋势，但跟其他海域的环境温度相比，北极地区仍然极其寒冷。统计结果表明，北极的年平均气温为-23 ℃，冬季平均气温达到了-34 ℃，夏季的气温介于-2～0 ℃之间。在最寒冷的1月，北极航区的气温在-5 ℃（挪威北部沿海）至-35 ℃（格林兰中部、加拿大群岛北部和西伯利亚北部）之间［22］；在最温暖的7月，航区主要海域的温度可达0 ℃以上。在夏季，北冰洋中央的多年海冰区能保持在恒温0 ℃左右，为该航区的通航带来了可能。北极地区7月及1月的气温分布如图4所示。

图4 北极地区7月及1月气温分布图Fig.4 The distribution of Arctic temperature in July and January

依附于船体上的冰层对船舶操纵性的影响与附连水的效果相似，但作用力要大得多，在进行操纵性预报及评估时，可视情况参照附加质量的表达方法来表示。

3.2 能见度

能见度是指船员在船舶上能够分辨目标轮廓的最大距离，对船舶的航行安全有着直接影响。

在北极地区，影响能见度的最主要因素是海雾。雾对能见距离的影响严重，大雾可以使能见距离下降至几米，并持续较长的时间。在温暖的季节，随着海冰的融化，开阔水域、冰间水道和融池不断增加，水气交换就会形成平流雾。夏季的东西伯利亚海和楚科齐海，其50%～70%的时间为雾天；白令海的情况更为严重，夏季有60%～70%的时间为雾天。在寒冷的季节，冷空气经过开放水域时会使洋面较暖的水汽凝结形成蒸汽雾。当温度低于-30 ℃时，高纬度地区还会产生由悬浮颗粒所形成的冰雾。

冬季的吹雪也是影响航行能见度的一个常见因素。在北极地区，积雪松散且呈颗粒片状，易于被风吹起而形成吹雪。当风速高于24 km/h 时，吹雪将使能见度降低至10 km 以内；当风速超过48 km/h 时，能见度将降低至5 km 以下。

相关研究统计表明，当能见距离低于4 km时，船舶会产生一定的航行安全隐患，而当能见距离降低至1 km 以内时，事故发生的概率将急剧增大，船舶航行危险度进一步加大。由于在北极地区发生雾、雨、雪等影响能见度的天气现象很常见，因此，在设计中应充分考虑能见度对船舶成功实现最终避让所需操纵性能的影响。

3.3 风

风主要作用于水线以上的主船体和上层建筑，会使船在行驶过程中产生偏航。通常将6 级风作为影响船舶航行安全的标准风。

目前，能系统地说明北极地区洋面上风的情况的资料较少，主要风向分布情况参见图5。现有的科考观测数据表明，在北极地区，冬季多风，夏季少风，大风的概率较小，全年的平均风速为4～6 m/s，最大风速极少超过25 m/s。

图5 北极地区风向分布Fig.5 The distribution of Arctic wind

东北航道各海域洋面上的风主要受来自亚洲大陆和北冰洋上季节性气压系统的影响而呈现出一定的规律性，每年的11月至次年的3月主要为南风或西风，4～8月主要为东北风或东南风。其中，喀拉海冬季的平均风力为5 级，夏季为3～4 级；拉普捷夫海和东西伯利亚海冬季的平均风力为3～4 级；白令海属阿留申低压常年控制的海域，风力较大；受白令海气旋活动的影响，楚科奇海的风力也较大。

西北航道各海域受过境气压系统的影响而多变，但大多数海域仍以西北风为主。其中，加拿大附近的海域主要为西北风；波弗特海以东南风为主；戴维斯海峡和巴芬湾主要为东南风或西北风；由于气旋活动频繁，巴芬湾海域的风力较大；西格陵兰沿岸有强烈的地方性风。

船舶在风中航行时，由于必须用一定的平衡舵角来克服风力的作用，且在回转时能提供回转舵力的舵角比无风时小，因而无法像无风时那样回转自如。由于北极航区常年有风，行驶于该海域的船舶需要有一定的压舵角方能保持直航，因此在操纵性设计中应考虑留有一定的设计余量。

4 操纵性设计需求

从以上对北极航道的特点及气象环境条件的分析可以看出，浅水、狭航道、浮冰、气温、能见度和风等因素为开展该航区航行船舶操纵性设计所必须考虑的因素。与此同时，由于上述因素同时还影响着船舶快速性，而航速对船舶操纵性具有直接影响，因此在北极航道航行船舶的操纵性设计中，还需考虑船舶以较低航速航行时对操纵性的影响。

4.1 影响因素分析

在上述各影响因素中，有的因素会直接降低船舶的操纵性能（如航速、浅水、狭航道、浮冰和气温），而有的因素则对船舶的操纵性能提出了更高的要求（如能见度和风）。

1）航速。

航速对船舶操纵性的影响可以用傅汝德数Fr对回转性指数K 和直线稳定性T 的影响来反映。当Fr增大时，由于兴波以及随之而来的船艉纵倾的变化，使得回转阻力对惯性力或舵力矩的比例提高，即K，T 指数均减小，从而使直线稳定性增加而回转性下降；而当Fr减小时，由于发生了使船艏摆动或横移的力，或者由于修正该力的舵力减小，所以使得航向稳定性和回转性均降低［23］。

在设计中，应根据实际航行速度来估计船舶操纵性的变化情况，以便采取相应的措施。

2）浅水。

图6 战术直径与相对水深的关系Fig.6 The relationship of DT and h/T

在设计中，可将航道最浅处的水深作为目标水深进行浅水效应对操纵性影响的计算。

3）狭航道。

狭航道除了会产生类似浅水效应的现象外，还有可能会使船舶产生偏转和横移。一般认为，在水深较深的狭航道内，当航道有效宽度与船宽之比b/B＜20，航速（其中：V 为航速，kn；L为船长，m）时，便会出现狭航道效应［25］。

在北极地区，由于除维利基茨基海峡的最窄处外，其他海峡的宽度一般都在2 km 以上，其宽度与船宽之比远大于20，而航速方面可以通过控制来避免狭航道效应，因此，在设计中可以不用过多考虑狭航道对船舶操纵所带来的不利影响。

4）海流。

由于海流作用于船体水线以下，因此通常只考虑定常和均匀流，其作用力可表达如下：

式中：Xc，Yc和Nc分别为沿船体x 轴和y 轴的流动力以及绕z 轴的流动力矩；CX(β)，CY(β)和CN(β)分别为沿船体x 轴和y 轴的流动力系数以及绕z 轴的流动力矩系数；AfW，AsW分别为船舶水线以下的正投影和侧投影面积；LoA为总长；Vc为流速。

北极地区由于水深较浅，会造成整体流速偏大，根据模式同化的SODA（Simple Ocean Data Assimilation 2.0.2）月平均资料得到的海流情况及部分实测数据［26］，可知北极航道的表层流速多在0.5 kn 左右，属于可安全航行范围。对于部分流速较高的航段，如杨斯克海峡、维利基茨基海峡等，由于其潮流主要为潮汐或风生流，因而可以通过选择时机来予以规避。所以，在设计中可按照0.5 kn 的流速进行海流对操纵性影响的估算。

5）浮冰。

浮冰对船舶操纵性的影响与其密度和厚度相关，会因船艏两侧浮冰的厚薄不均而产生“厚冰效应”。可利用碰撞能量法对各种情况下浮冰对船的影响进行估算。

式中：Ek为浮冰碰撞能量，N·m；k 为能量耗散折减系数；m=γitA，为浮冰质量，kg，其中γi为冰密度，kg/m3，t 为海冰厚度，m，A 为浮冰面积，m2；v 为碰撞时的浮冰速度，m/s；Cm为附加质量因数。

上述碰撞力用能量公式表示如下：

式中：Es为船体吸收碰撞能量，N·m；F 为碰撞力，N；D1为位移，m。

设计中，取Es=Ek即可根据航区航行季节的平均浮冰密度和厚度进行浮冰对船舶操纵性影响的计算。

6）气温。

气温对船舶操纵性的影响是通过凝结在船体上的浮冰来体现的。

目前，针对不同气温、不同航速、不同形状海洋结构物在低温下的结冰情况尚无有效的估算方法，因此，暂时无法就气温对船舶操纵性的影响提出有效的估计，只能在设计中留取一定的余量以作为储备。

7）能见度。

能见度不会直接影响船舶的操纵性能，但其对船舶操纵的影响却非常明显。相关统计表明，船舶发生的事故数与能见距离之间具有如式（4）所示的指数关系。

式中：K1为船舶事故数；D2为能见距离，km。

设计中，应根据当时的能见度选取安全的航速，并进行该航速下的操纵性计算预报，以核实该航速下航行的安全性，从而为驾驶人员提供理论支撑。

8）风。

风主要作用于水线以上的主船体和上层建筑，其对船舶操纵运动的影响可用下式表示：

式中：Xa，Ya，Ka和Na分别为沿船体x 轴和y轴的气动力以及绕x 轴和z 轴的气动力矩；CXa，CYa，CKa和CNa分别为沿船体x 轴和y 轴的气动力系数以及绕x 轴和z 轴的气动力矩系数；AT，AL分别为船舶水线以上的正投影和侧投影面积；HLm为相对船高，；Va，ρa分别为风速和空气密度。

设计中，可按照25 m/s 的风速（即北极地区极少超过的风速）对船舶所可能采用的最大压舵角进行估算，以留取设计舵角余量。

4.2 操纵性设计建议

由于北极航道所存在的各项影响因素均对船舶安全操纵产生不利影响，因此，应对航行于该海区船舶的操纵性设计提出更高的要求，主要体现在以下几方面：

1）选取更大的舵面积系数。较之各类船舶设计手册舵面积系数的推荐值，北极航道航行船舶在进行舵设计时应选取更大的舵面积系数。可根据所航行海区通常的能见度范围、水深吃水比、岸壁距离、浮冰密度及气温等进行调整，调整原则为：能见度越低，所需的舵面积系数便越大；水深吃水比越小，所需的舵面积系数便越大；岸壁距离越小，所需的舵面积系数便越大；浮冰密度越大，所需的舵面积系数便越大；气温越低，所需的舵面积系数便越大。

2）留取一定的设计舵角余量。由于北极航区常年有风，因此需留有一定的压舵角以保证船舶具有所需的操纵性能。根据对几型不同吨位船舶的理论计算，认为在设计中留取5°～10°的舵角可满足使用需求。

3）在设计阶段应开展多个航速的操纵性计算预报。由于北极航区存在浅水、狭航道、浮冰以及能见度低等不利影响，其航区内船舶的航行速度受到了限制，较之其正常航行速度可能会有一定幅度的降低。为保证船舶在整个航段内的航行安全，建议在设计阶段对各典型航速下的操纵性能进行计算预报，以便船舶驾驶人掌握状态。

5 结 论

1）浅水、狭航道、浮冰、气温、能见度和风等因素为开展北极航道航行船舶操纵性设计所必须考虑的因素。

2）极区环境影响了船舶的快速性，这一点在操纵性设计中需重点关注。

3）在北极航道航行船舶操纵性设计中，建议选取更大的舵面积系数，并留取一定的设计舵角余量，以确保所设计船舶能充分适应极区环境对操纵性的要求。

4）建议在北极航道航行船舶设计阶段开展多个典型航速的操纵性计算预报，以保证船舶在整个航段内的航行安全。

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