吳 剛 張東江

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

引 言

從南北極的范圍劃分來看［1］，南極是由大部分水和冰環(huán)繞的陸地，而北極基本上是由陸地框圍的一片冰蓋水域組成，參見圖1和下頁圖2。南北兩極具有重要的戰(zhàn)略價(jià)值，尤其是近年來，隨著全球氣候變暖、海冰加速融化，極地蘊(yùn)藏的豐富資源和極具價(jià)值的北極航道已進(jìn)一步將極地的潛在價(jià)值推到現(xiàn)實(shí)的高度。人類在距離遙遠(yuǎn)、氣候惡劣且環(huán)境脆弱的極地水域進(jìn)行商業(yè)運(yùn)輸以及科學(xué)考察、資源開發(fā)和漁業(yè)捕撈等活動(dòng)都必須依靠適用于極地航行且符合經(jīng)濟(jì)、安全和環(huán)保要求的“極地船舶”，任何國家若想實(shí)施極地戰(zhàn)略，必先發(fā)展適應(yīng)本國的極地船舶裝備。

圖1 南極水域應(yīng)用的最大范圍

圖2 北極水域應(yīng)用的最大范圍

1 極地船舶的主要需求與船型發(fā)展

以南北兩極的極地船舶為例，總體上可分為三類：第一類是以北極為目的地的開發(fā)和運(yùn)輸；第二類是跨北極的過境航行；第三類是在南北兩極開展的科考調(diào)查和研究。這三類代表了不同國家、不同階段對(duì)于極地船舶的主要需求。

1.1 資源開發(fā)與運(yùn)輸是近年來以北極為目的地的極地船發(fā)展主要?jiǎng)恿?/h3>

據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）2008年評(píng)估［2］，北極油氣儲(chǔ)量巨大，目前全球未開發(fā)油氣儲(chǔ)量的1/4均分布在北極地區(qū)，初步預(yù)計(jì)有石油900億桶、天然氣約47.27萬億立方米（1 669萬億立方英尺）、天然氣凝析液440億桶，油當(dāng)量總計(jì)為565億噸。北極還有豐富的煤炭資源，估計(jì)占世界煤炭資源總量的9%，此外還有大量金、銀、金剛石、鈾、銅、鈷、鎳、鉛、鋅、石棉和稀有元素等礦產(chǎn)資源。除了這些不可再生資源外，北極地區(qū)還有豐富的漁業(yè)、水力、電力、森林等可再生的自然資源。

油船方面，受極地資源開發(fā)及運(yùn)輸帶動(dòng)，冰區(qū)油船的破冰等級(jí)和載重量有增大趨勢。目前，船只數(shù)和總噸位最大的還當(dāng)屬1A冰級(jí)（PC7）的阿芙拉型油船，未來波羅的海油船載重噸位將可能從10萬噸提升到27萬噸，同時(shí)伯朝拉海還需要7萬載重噸的極地穿梭油船。值得注意的是，芬蘭阿克北極設(shè)計(jì)公司（AARC）結(jié)合吊艙推出采用雙動(dòng)技術(shù)（注：雙動(dòng)技術(shù)是采用全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)確保船舶前向和后向均能航行的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)）的新船型，該船型已成功應(yīng)用于1AS冰級(jí)（PC5～PC6）的7萬噸穿梭油船和11萬噸阿芙拉型原油船（見圖3），該船型球鼻艏能在敞水或波羅的海薄冰環(huán)境下操作，破冰型船尾能在波羅的海嚴(yán)重冰情下獨(dú)立操作。此外，瑞典Stena Bulk公司積極開發(fā)各種冰區(qū)油船，其開發(fā)的26.65萬噸具有1A冰級(jí)的B-Max型原油船（見圖4）總長325.5 m、型寬66 m、設(shè)計(jì)吃水僅為15 m，貨艙容量為31.1萬立方米。該船型采用雙機(jī)雙槳雙舵并有雙船體外殼和堅(jiān)固的冰帶，主機(jī)功率在惡劣環(huán)境中可提供富余功率，大大提高了冰區(qū)淺水通過性、冰區(qū)航行安全性和操縱性。

圖3 1AS冰級(jí)/11萬噸原油船

圖4 1A冰級(jí)/26萬噸B-Max型原油船

LNG運(yùn)輸相對(duì)于油料運(yùn)輸?shù)某杀敬蟠笤黾樱睒O油氣資源相當(dāng)大的部分為天然氣和天然氣液體，因此冰區(qū)LNG運(yùn)輸船將會(huì)是造船界的新寵，雖然其設(shè)計(jì)和建造風(fēng)險(xiǎn)極高。2012年12月6日，由俄羅斯天然氣工業(yè)股份有限公司全資子公司租賃、希臘Dynagas公司運(yùn)營的LNG船“鄂畢河”號(hào)抵達(dá)日本氣田，成功完成世界首次東北航道LNG運(yùn)輸。最近，俄羅斯亞馬爾（Yamal）項(xiàng)目將建造一批破冰LNG運(yùn)輸船（見圖5），這些船具有ARC7（PC3）的破冰能力，能在約1.5 m厚的冰中以3～5 kn的速度持續(xù)航行，每艘LNG運(yùn)輸船負(fù)責(zé)將17萬立方米的液化天然氣從西伯利亞運(yùn)往歐洲和亞洲，預(yù)計(jì)未來還會(huì)將那些需要運(yùn)作于巴倫支海-亞馬爾半島的LNG船的載貨能力由15.5萬立方米逐步提升到20萬立方米。

圖5 PC3冰級(jí)/17萬立方米天然氣運(yùn)輸船

此外，針對(duì)加拿大海上補(bǔ)給和礦石運(yùn)輸?shù)男枨螅瑸榈V區(qū)運(yùn)輸貴重礦石和補(bǔ)給的靈便型散貨船以及可用于鐵礦石出口的好望角型散貨船也在未來需求之列，除此之外，具備高等級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)的多用途船（見圖6）、集裝箱船［3］和模塊運(yùn)輸船的研究和設(shè)計(jì)也在加緊進(jìn)行。

1.2 航程大大縮短且避免海盜的北極航線催生冰區(qū)加強(qiáng)型船舶

圖6 PC6冰級(jí)/15 000載重噸集裝箱多用途船

圖7 東北航線和西北航線

北極航線包括“東北航線”、“西北航線”和“中央航道”，中央航道冰情惡劣，目前還未有商船通過的記錄。如圖7所示，東北航線（又稱北海航線Northern Sea Route，簡稱NSR），它由巴倫支海的摩爾曼斯克沿著西伯利亞海岸到達(dá)白令海峽和遠(yuǎn)東的北極水域，是連接大西洋和太平洋間的海上捷徑，也是聯(lián)系歐、亞兩地海上的最短航線，該航線目前商業(yè)運(yùn)作較成熟；西北航線（Northwest Passage）則以白令海峽為起點(diǎn)，向東沿美國阿拉斯加北部離岸海域，穿過加拿大北極群島，直到戴維斯海峽，該航線目前已嘗試商業(yè)運(yùn)輸。

東北和西北兩條航線更接近地球表面上兩點(diǎn)的最短連線，是連接太平洋北部與大西洋北部最短的航線。與繞道蘇伊士運(yùn)河相比，從東北亞地區(qū)駛往歐洲的貨船取道東北航線大約可節(jié)省20%的燃料費(fèi)用，同時(shí)可避免海盜風(fēng)險(xiǎn)，也無需繳納運(yùn)河通行費(fèi)，縮短近10天的運(yùn)輸時(shí)間。以從我國上海到荷蘭鹿特丹港的集裝箱運(yùn)輸為例，若經(jīng)新加坡的馬六甲海峽、經(jīng)蘇伊士運(yùn)河，航程約12 500 n mile，需22天；若改走東北航線，航程僅約7 500 n mile，15天即可到達(dá)。可以預(yù)計(jì)，北極航線一旦全面貫通，全球海上運(yùn)輸格局將面臨重大變革，從而導(dǎo)致國際分工和產(chǎn)業(yè)布局發(fā)生連鎖反應(yīng)。

北極航行的商業(yè)運(yùn)作取決于利潤和風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。破冰船引航費(fèi)用，破冰功率增加導(dǎo)致油耗的增加，動(dòng)力裝置加強(qiáng)導(dǎo)致的初投資增加，破冰結(jié)構(gòu)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加、載重量減少，防凍設(shè)計(jì)導(dǎo)致建造成本增加以及極地運(yùn)輸貨物保險(xiǎn)增加等等，將是制約船東目前決策的主要因素。從1979年以來，北極航道總體上呈現(xiàn)出海冰不斷減少的趨勢，目前東北航道比西北航道更具通航條件，東北航道在冰蓋率低于50%的情況下，通航時(shí)間是20～30天，由圖8曲線可測算，到2080年通航時(shí)間是90～100天，如果帶有自破冰能力的船舶可通行在冰蓋率75%的航道中，這一時(shí)間在2080年將達(dá)到150天，屆時(shí)北極航行的經(jīng)濟(jì)性將更加凸顯。對(duì)于我國而言，目前來自俄羅斯的石油、天然氣能源輸入較多采用管線運(yùn)輸，北極航線船舶運(yùn)輸?shù)呢浧分饕€是礦石、零散的大件貨和包裝貨。

圖8 東北航線在不同冰蓋率下通航時(shí)間預(yù)測

1.3 極區(qū)環(huán)境和資源調(diào)查的迫切需求加快各國更新極地科考破冰船

除俄羅斯、芬蘭、加拿大、美國等環(huán)極地國家需要專門用于救助、港口管理的專業(yè)破冰船外，其他大多數(shù)國家的港口冬季不結(jié)冰或冰情不嚴(yán)重，不需要大量的專業(yè)破冰船，因此非極地國家首先要造的破冰船應(yīng)該是極地科考破冰船。上世紀(jì)80年代末至90年代中期，國際南極考察活動(dòng)進(jìn)入新的時(shí)代，北極考察活動(dòng)全面解凍，一批極地科考破冰船誕生，其中，德國、俄羅斯、澳大利亞、美國、瑞典、日本等國的第一代極地科考破冰船陸續(xù)下水投入使用。由于船舶生命周期、新規(guī)則規(guī)范出臺(tái)與涉及極地海洋經(jīng)濟(jì)政治的戰(zhàn)略需求，近年來，各國開始建造或計(jì)劃建造第二代極地科考破冰船，這些國家包括俄羅斯、德國、挪威、澳大利亞、美國、韓國和南非等?？傮w上說，新一代極地科考破冰船的特征是破冰能力更強(qiáng)大且船體規(guī)模大型化。以歐盟最新投資的“北極光”號(hào)科考船為例（見圖9），該船投資巨大，建成后的破冰能力將達(dá)到2.5 m。

圖9 歐盟新一代“北極光”號(hào)科考破冰船

“雪龍”號(hào)作為我國第一代極地科考破冰船，自1993年從烏克蘭進(jìn)口，已歷經(jīng)幾次大的改造，為我國極地事業(yè)屢建功勛。為滿足極地科學(xué)考察的需要，緩解長期以來制約我國極地科考事業(yè)發(fā)展的裝備瓶頸問題，國家海洋局和中國極地研究中心正在積極籌建我國新一代極地科學(xué)考察破冰船（見圖10）。經(jīng)論證，該船將設(shè)計(jì)成一艘具備PC3冰級(jí)采用全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)系統(tǒng)的極地綜合科考船，具備雙向破冰功能，艏向和艉向航行均能破水平冰厚度不低于1.5 m加0.2 m雪，連續(xù)破冰速度2～3 kn。該船艏向航行時(shí)具有沖撞破冰的能力，艉向航行時(shí)能確保在當(dāng)年20 m冰脊（含4 m堆積層）加0.2 m雪層中不被卡住，能獨(dú)立運(yùn)行［4］。

圖10 中國新一代極地科考破冰船

2 極地船舶的技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)

極地船舶從功能上大致可分為極地運(yùn)輸船、極地科考船、極地海洋工程船和專業(yè)破冰船等。極地船舶與常規(guī)船舶的不同之處在于：高要求的船體強(qiáng)度，船舶要能承受冰壓力和沖擊載荷；強(qiáng)勁的動(dòng)力設(shè)備包括推進(jìn)機(jī)械，確保船舶在冰中不失去動(dòng)力；可靠的設(shè)備系統(tǒng)在低溫環(huán)境中能正常運(yùn)行，確保航行安全。

2.1 冰級(jí)劃分

2006年，國際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）頒布了《極地級(jí)船舶要求》［5］，將極地船破冰等級(jí)分為PC1至PC7級(jí)，PC1級(jí)破冰能力最強(qiáng)，PC7級(jí)最弱。結(jié)合文獻(xiàn)［6］歸納得到極地船PC等級(jí)分類表（見表1）。

IACS《極地級(jí)船舶要求》適用于航行于極地并獲取PC船級(jí)符號(hào)的船舶，其中最低的兩個(gè)等級(jí)PC6和PC7分別近似對(duì)應(yīng)于芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)則中最高的兩個(gè)等級(jí)IA Super和IA。IACS建立統(tǒng)一的極地級(jí)船舶要求后，直接導(dǎo)致有關(guān)船級(jí)社冰級(jí)規(guī)范的更新和改版，特別是以前自身船級(jí)規(guī)范中已具有超出FSICR系統(tǒng)的更強(qiáng)冰級(jí)要求的船級(jí)社，這些船級(jí)社需要逐步將超出FSICR系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的冰級(jí)符號(hào)統(tǒng)一到IACS建立的PC級(jí)要求中。目前有部分船級(jí)社已完成了新規(guī)范的改版和升級(jí)，但是，船級(jí)社要想通過完全的映射從而將過去自身的冰級(jí)規(guī)范與當(dāng)前統(tǒng)一的極地船級(jí)一一對(duì)應(yīng)卻并不容易，特別是DNV船級(jí)規(guī)定。例如冰級(jí)劃分的等級(jí)數(shù)目不同，船體有關(guān)冰帶、首尾加強(qiáng)區(qū)域的定義不同，所要求的腐蝕與磨損裕量不同，扶強(qiáng)材模數(shù)、剪切面積及質(zhì)量要求不同，采用彈性或塑性理論計(jì)算方法引起的不同等，都會(huì)導(dǎo)致無法建立簡單的冰級(jí)等效關(guān)系，尤其是IACS PC級(jí)船舶要求中還缺少最小主機(jī)功率的要求，這些都將成為極地船舶規(guī)范后續(xù)所要面臨的發(fā)展。表2為各船級(jí)社冰級(jí)間大致對(duì)比，僅供參考。

表1 極地船PC等級(jí)分類表

表2 各船級(jí)社冰級(jí)間大致對(duì)比（來自IMO DE 54/13/10）

此外，國際海事組織（IMO）自1993成立外部工作組（Outside Working Group，簡稱OWG），由加拿大牽頭負(fù)責(zé)制定船舶在極地水域作業(yè)的建議性要求到當(dāng)前即將強(qiáng)制實(shí)施的統(tǒng)一的《極地規(guī)則》，經(jīng)歷了從冰區(qū)到極地，從北極到南極，從導(dǎo)則到規(guī)則的歷程［7］。目前的強(qiáng)制性極地規(guī)則將極地航行船按航行水域劃分為A、B、C三類［8］，A類船是指被設(shè)計(jì)能在一年及一年以上中冰（可包括混雜老冰）的極地水域中航行的船舶，通常指PC1～PC5冰級(jí)的船舶。B類船系指除A類船以外的，被設(shè)計(jì)成能在一年及以上薄冰（可包括混雜老冰）的極地水域中航行的船舶，通常指PC6～PC7冰級(jí)的船舶。C類船系指被設(shè)計(jì)能在開闊水域或冰況低于A級(jí)和B級(jí)船舶適用的水域中航行的船舶。

2.2 當(dāng)前極地船舶技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 在具備護(hù)航的前提下，冰區(qū)加強(qiáng)的船舶可季節(jié)性地在極區(qū)通航，在新船設(shè)計(jì)中，B類極地船（PC6、PC7）的冰區(qū)加強(qiáng)船型將成為重點(diǎn)優(yōu)化方向

近幾年，北極航線成功商業(yè)運(yùn)行均是由PC6或PC7冰級(jí)的運(yùn)輸船扮演著主要角色。2009年8月，德國布魯格航運(yùn)（Beluga Shipping）使用重吊多用途船 （GL E3=PC7）運(yùn)送44件重大件從韓國蔚山經(jīng)俄羅斯諾維港到達(dá)荷蘭鹿特丹；2010年9月，挪威楚迪船運(yùn)（Tschudi Group）的抗冰散貨船運(yùn)載41 000 t鐵礦石從挪威希爾科內(nèi)斯港到達(dá)中國連云港；2010年9月，俄羅斯MMC Noriksk Nickle公司以15 000載重噸集裝箱多用途船（RMRS LU6=PC6）從俄羅斯杜金卡港運(yùn)送集裝箱到達(dá)中國上海；2013年9月，中國永盛號(hào)貨船（1A Ice Class=PC7）也順利完成東北航線的首航。

2.2.2 運(yùn)輸船設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)無冰（或薄冰）航行與破冰航行的經(jīng)濟(jì)平衡

自上世紀(jì)90年代以來，由于全回轉(zhuǎn)推進(jìn)技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，阿克北極設(shè)計(jì)公司投入力量研發(fā)基于吊艙應(yīng)用而衍生出的雙動(dòng)技術(shù)。雙動(dòng)技術(shù)從船舶的機(jī)動(dòng)性上看，傳統(tǒng)軸系推進(jìn)對(duì)于船舶航行方向的制約作用已幾乎不復(fù)存在，這些制約作用主要來自軸系槳正倒車效率和碰冰損壞等問題；從動(dòng)力形式來看，由于雙動(dòng)技術(shù)采用了電力推進(jìn)，在遭遇嚴(yán)重冰情而導(dǎo)致螺旋槳轉(zhuǎn)速下降時(shí)，扭矩特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)?；诖思夹g(shù)成功開發(fā)的雙動(dòng)船型已在多型運(yùn)輸船（尤其是冰區(qū)油船）上得以應(yīng)用，參見圖11。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，雙動(dòng)技術(shù)較好地融合了電力推進(jìn)、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)以及雙向航行的設(shè)計(jì)技術(shù)，研發(fā)的初衷主要是為了協(xié)調(diào)破冰航行和敞水航行的線型差異所帶來的經(jīng)濟(jì)性問題。需要指出的是，由于電力推進(jìn)的二次能量損失和冰區(qū)吊艙設(shè)備的采購成本影響，雙動(dòng)技術(shù)在需要有破冰船引航、破冰等級(jí)較低的船型上較少采用，因此，未來低等級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)型船型的軸槳推進(jìn)技術(shù)仍將是研究重點(diǎn)。

圖11 世界首艘雙動(dòng)破冰穿梭油船 “Vasily Dinkov”號(hào)（Loa /B/T：258 m/34 m/14 m）

2.2.3 新型不對(duì)稱專業(yè)破冰船型的出現(xiàn)

由于專業(yè)破冰船的特殊功能和功率需求，破冰船不可能做得太大，特別是船寬對(duì)最大破冰功率的影響極大（傳統(tǒng)船寬一般在20 m左右），但是，隨著船舶運(yùn)輸需求和航道港口的發(fā)展，需要破冰領(lǐng)航的船舶寬度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20 m，這時(shí)需要兩艘船同時(shí)進(jìn)行破冰，大大提高了破冰成本。針對(duì)這種情況，新型不對(duì)稱船體的專業(yè)破冰船得以應(yīng)用。通過該船破冰時(shí)的斜向航行，破冰寬度大大提高，這種船型的出現(xiàn)是全回轉(zhuǎn)推進(jìn)技術(shù)和破冰船型技術(shù)融合的創(chuàng)新（見下頁圖12）。

2.2.4 合理確定極區(qū)航行季節(jié)和時(shí)間，采取適當(dāng)?shù)姆蓝O(shè)計(jì)

在極區(qū)通行時(shí)，通常的船用設(shè)備系統(tǒng)都將經(jīng)受嚴(yán)酷的環(huán)境考驗(yàn)，貨物系統(tǒng)、甲板機(jī)械、系泊設(shè)備、救生設(shè)備及室外電器設(shè)備等均有不同的要求。防冬化設(shè)計(jì)與船舶的建造成本有非常密切的關(guān)系，特別是當(dāng)航行時(shí)間越接近全年，成本增加的速度就越快，因此，對(duì)于全年航行在極區(qū)的船舶建造必須謹(jǐn)慎對(duì)待。

3 我國發(fā)展極地船舶的若干建議

（1）積極參與極地規(guī)則制訂，加快推進(jìn)我國極地船規(guī)范建設(shè)與研究；

（2）加快推進(jìn)當(dāng)前我國新一代破冰科考船項(xiàng)目，提供設(shè)計(jì)/建造/驗(yàn)船等方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，時(shí)機(jī)成熟可建自有冰池；

圖12 新型不對(duì)稱船體專業(yè)破冰船

（3）建立健全極地航運(yùn)市場的設(shè)備配套及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；

（4）大力培育富有經(jīng)驗(yàn)的極地船舶操縱和管理人員，努力形成適用于我國成熟的極地航行操作指導(dǎo)書；

（5）重視非冰級(jí)船舶升級(jí)到冰級(jí)船舶的改裝技術(shù)，同時(shí)關(guān)注核動(dòng)力破冰船的發(fā)展；

（6）不斷完善我國北極航線的氣象與保險(xiǎn)服務(wù)，同時(shí)加快北方港口設(shè)施和物流建設(shè)。

4 結(jié) 論

地球兩極雖存在氣溫極低、冰塊雜多、天空昏暗、距離遙遠(yuǎn)、操作不便、難以救援、環(huán)境脆弱、政治敏感等風(fēng)險(xiǎn)，但由于諸多因素，現(xiàn)已成為“必爭之地”。為此，我國有關(guān)部門需盡早認(rèn)知、熟悉并善加利用，有效地降低潛在風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橹挥邢凉撛陲L(fēng)險(xiǎn)，未來的極地才能成為我們真正的“聚寶地”和“黃金航線”。

［1］ IMO Resolution A.1024（26）-Guidelines for Ships Operating in Polar Waters-（Adopted on 2 December 2009）［S］.2009.

［2］ 美國地質(zhì)調(diào)查局USGS.世界油氣資源評(píng)估報(bào)告［R］.2008.

［3］ Arpiainen M，Kiili R.Arctic Shuttle Container Link from Alaska US to Europe, Project Report K- 63［S］.2006.

［4］ 中國國家海洋局極地辦公室，中國極地研究中心.中國新建極地科學(xué)考察破冰船可行性研究報(bào)告［R］.2013.

［5］ International Association of Classification Societies.Requirements concerning Polar Class （UR-I）［S］.2007.

［6］ Robert E.Dvorak.Engineering and Economic Implications of Ice Classed Containerships［S］.2007.

［7］ 中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第708研究所.船舶規(guī)則規(guī)范參考［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012：182-192.

［8］ MSC 385（94）.International Code for Ships Operating in Polar Waters（Polar Code）［S］.2014.