中國船舶及海洋工程設計研究院 吳 剛 張東江

隨著全球氣候變暖、海冰加速融化，極地蘊藏的豐富資源和極具價值的北極航道已將極地潛在價值推到現(xiàn)實的高度。然而，要想實施極地戰(zhàn)略，必先發(fā)展適應本國的極地船舶裝備。

極地船型的發(fā)展需求

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查和研究。這三類代表了不同國家、不同階段對于極地船舶的主要需求。

首先，資源開發(fā)與運輸成為近年來極地船舶發(fā)展的主要動力。據(jù)美國地質調查局（USGS）2008 年評估，北極油氣儲量巨大，目前全球未開發(fā)油氣儲量的1/4均分布在北極地區(qū)，初步預計有石油900億桶、天然氣約47.27萬億立方米（1669萬億立方英尺）、天然氣凝析液440億桶，油當量總計為565億噸。北極還有豐富的煤炭資源，估計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)及運輸帶動，冰區(qū)油船的破冰等級和載重量有增大趨勢。目前，船只數(shù)和總噸位最大的還當屬1A冰級（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，芬蘭阿克北極設計公司（AARC）結合吊艙推出采用雙動技術（雙動技術是采用全回轉電力推進確保船舶前向和后向均能航行的動力系統(tǒng)設計技術）的新船型，該船型已成功應用于1AS冰級（PC5 ～PC6）的7萬噸穿梭油船和11萬噸阿芙拉型原油船（見圖1），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重冰情下獨立操作。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冰級的B-Max型原油船（見圖2）總長325.5米、型寬66米、設計吃水僅為15米，貨艙容量為31.1萬立方米。該船型采用雙機雙槳雙舵并有雙船體外殼和堅固的冰帶，主機功率在惡劣環(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1 1AS冰級/11萬噸原油船

圖2 1A冰級/26萬噸B-Max型原油船

LNG運輸相對于油料運輸?shù)某杀敬蟠笤黾?，但北極油氣資源相當大的部分為天然氣和天然氣液體，因此冰區(qū)LNG運輸船將會是造船界的新寵，雖然其設計和建造風險極高。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公司運營的LNG船“鄂畢河”號抵達日本氣田，成功完成世界首次東北航道LNG運輸。最近，俄羅斯亞馬爾（Yamal）項目將建造一批破冰LNG運輸船（見圖3），這些船具有ARC7（PC3）的破冰能力，能在約1.5米厚的冰中以3 ～5節(jié)的速度持續(xù)航行，每艘LNG運輸船負責將17萬立方米的液化天然氣從西伯利亞運往歐洲和亞洲，預計未來還會將那些需要運作于巴倫支海-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3 PC3冰級/17萬立方米天然氣運輸船

此外，針對加拿大海上補給和礦石運輸?shù)男枨螅瑸榈V區(qū)運輸貴重礦石和補給的靈便型散貨船，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，具備高等級冰區(qū)加強的多用途船（見圖4）、集裝箱船和模塊運輸船的研究和設計也在加緊進行。

其次，航程大大縮短且避免海盜的北極航線催生冰區(qū)加強型船舶。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5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，到達白令海峽和遠東的北極水域，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)運作較成熟；西北航線（Northwest Passage）則以白令海峽為起點，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)運輸。

圖4 PC6冰級/15000載重噸集裝箱多用途船

圖5 東北航線和西北航線西北航線東北航線

東北和西北兩條航線更接近地球表面上兩點的最短連線，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%的燃料費用，同時可避免海盜風險，也無需繳納運河通行費，縮短近10天的運輸時間。以從我國上海到荷蘭鹿特丹港的集裝箱運輸為例，若經馬六甲海峽、蘇伊士運河，航程約12500海里，需22天；若改走東北航線，航程僅約7500海里，15天即可到達。可以預計，北極航線一旦全面貫通，全球海上運輸格局將面臨重大變革，從而導致國際分工和產業(yè)布局發(fā)生連鎖反應。

北極航行的商業(yè)運作取決于利潤和風險的評估。破冰船引航費用，破冰功率增加導致油耗的增加，動力裝置加強導致的初投資增加，破冰結構導致結構質量增加、載重量減少，防凍設計導致建造成本增加以及極地運輸貨物保險增加等等，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，通航時間是20 ～30天。據(jù)測算，到2080年通航時間是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，這一時間在2080年將達到150天，屆時北極航行的經濟性將更加凸顯。對我國而言，目前來自俄羅斯的石油、天然氣能源輸入較多采用管線運輸，北極航線船舶運輸?shù)呢浧分饕€是礦石、零散的大件貨和包裝貨。

其次，極區(qū)環(huán)境和資源調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冰或冰情不嚴重，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該是極地科考破冰船。上世紀80年代末至90年代中期，國際南極考察活動進入新的時代，北極考察活動全面解凍，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)范出臺與涉及極地海洋經濟政治的戰(zhàn)略需求，近年來，各國開始建造或計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大且船體規(guī)模大型化。以歐盟最新投資的“北極光”號科考船為例（見圖6），該船投資巨大，建成后的破冰能力將達到2.5米。

圖6 歐盟新一代“北極光”號科考破冰船

“雪龍”號作為我國第一代極地科考破冰船，自1993年從烏克蘭進口，已歷經幾次大的改造，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考察破冰船（見圖7）。經論證，該船將設計成一艘具備PC3冰級采用全回轉電力推進系統(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米加0.2米雪，連續(xù)破冰速度2 ～3節(jié)。該船艏向航行時具有沖撞破冰的能力，艉向航行時能確保在當年20米冰脊（含4米堆積層）加0.2米雪層中不被卡住，能獨立運行。

極地船舶技術發(fā)展特點

圖7 中國新一代極地科考破冰船

極地船舶從功能上大致可分為極地運輸船、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：高要求的船體強度，船舶要能承受冰壓力和沖擊載荷；強勁的動力設備包括推進機械，確保船舶在冰中不失去動力；可靠的設備系統(tǒng)在低溫環(huán)境中能正常運行，確保航行安全。

2006年，國際船級社協(xié)會（IACS）頒布了《極地級船舶要求》，將極地船破冰等級分為PC1至PC7級，PC1級破冰能力最強，PC7級最弱。

IACS《極地級船舶要求》適用于航行于極地并獲取PC 船級符號的船舶，其中最低的兩個等級PC6 和PC7 分別近似對應于芬蘭-瑞典冰級規(guī)則中最高的兩個等級IA Super 和IA。IACS 建立統(tǒng)一的極地級船舶要求后，直接導致有關船級社冰級規(guī)范的更新和改版，特別是以前自身船級規(guī)范中已具有超出FSICR 系統(tǒng)的更強冰級要求的船級社，這些船級社需要逐步將超出FSICR 系統(tǒng)對應的冰級符號，統(tǒng)一到IACS 建立的PC 級要求中。目前有部分船級社已完成了新規(guī)范的改版和升級，但是，船級社要想通過完全的映射，從而將過去自身的冰級規(guī)范與當前統(tǒng)一的極地船級一一對應，卻并不容易，特別是DNV船級規(guī)定。例如冰級劃分的等級數(shù)目不同，船體有關冰帶、首尾加強區(qū)域的定義不同，所要求的腐蝕與磨損裕量不同，扶強材模數(shù)、剪切面積及質量要求不同，采用彈性或塑性理論計算方法引起的不同等，都會導致無法建立簡單的冰級等效關系，尤其是IACS PC 級船舶要求中還缺少最小主機功率的要求，這些都將成為極地船舶規(guī)范后續(xù)所要面臨的發(fā)展。

此外，國際海事組織（IMO）自1993成立外部工作組（Outside Working Group，簡稱OWG），由加拿大牽頭負責制定船舶在極地水域作業(yè)的建議性要求到當前即將強制實施的統(tǒng)一的《極地規(guī)則》，經歷了從冰區(qū)到極地，從北極到南極，從導則到規(guī)則的歷程。目前的強制性極地規(guī)則將極地航行船按航行水域劃分為A、B、C三類，A類船是指被設計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冰級的船舶。B類船系指除A類船以外的，被設計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冰級的船舶。C類船系指被設計能在開闊水域或冰況低于A級和B級船舶適用的水域中航行的船舶。

目前，極地船舶技術發(fā)展呈現(xiàn)出三大特點：

一是在具備護航的前提下，冰區(qū)加強的船舶可季節(jié)性地在極區(qū)通航，因此在新船設計中，B類極地船（PC6、PC7）的冰區(qū)加強船型將成為重點優(yōu)化方向。

近幾年，北極航線成功商業(yè)運 行 均 是 由PC6 或PC7 冰 級 的運輸船扮演著主要角色。2009 年8 月，德國布魯格航運（Beluga Shipping）使用重吊多用途船（GL E3=PC7）運送44 件重大件從韓國蔚山經俄羅斯諾維港到達荷蘭鹿特丹；2010 年9 月，挪威楚迪船運（Tschudi Group）的抗冰散貨船運載41000 噸鐵礦石從挪威希爾科內斯港到達中國 連 云 港；2010 年9 月， 俄 羅斯MMC NorikskNickle 公 司以15000 載重噸集裝箱多用途船（RMRSLU6=PC6）從俄羅斯杜金卡港運送集裝箱到達中國上海；2013 年9 月，中國“永盛”號貨船（1AIceClass=PC7）也順利完成東北航線的首航。

二是運輸船設計強調無冰（或薄冰）航行與破冰航行的經濟平衡。自上世紀90年代以來，由于全回轉推進技術的日益成熟和廣泛應用，阿克北極設計公司投入力量研發(fā)基于吊艙應用而衍生出的雙動技術。雙動技術從船舶的機動性上看，傳統(tǒng)軸系推進對于船舶航行方向的制約作用已幾乎不復存在，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；從動力形式來看，由于雙動技術采用了電力推進，在遭遇嚴重冰情而導致螺旋槳轉速下降時，扭矩特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)柴油機推進。基于此技術成功開發(fā)的雙動船型已在多型運輸船（尤其是冰區(qū)油船）上得以應用（見圖8）。應該認識到，雙動技術較好地融合了電力推進、全回轉推進以及雙向航行的設計技術，研發(fā)的初衷主要是為了協(xié)調破冰航行和敞水航行的線型差異所帶來的經濟性問題。需要指出的是，由于電力推進的二次能量損失和冰區(qū)吊艙設備的采購成本影響，雙動技術在需要有破冰船引航、破冰等級較低的船型上較少采用，因此，未來低等級冰區(qū)加強型船型的軸槳推進技術仍將是研究重點。

圖8 世界首艘雙動破冰穿梭油船“Vasily Dinkov”號

三是新型不對稱專業(yè)破冰船型出現(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，特別是船寬對最大破冰功率的影響極大（傳統(tǒng)船寬一般在20米左右），但是，隨著船舶運輸需求和航道港口的發(fā)展，需要破冰領航的船舶寬度已遠遠大于20米，這時需要兩艘船同時進行破冰，大大提高了破冰成本。針對這種情況，新型不對稱船體的專業(yè)破冰船得以應用。通過該船破冰時的斜向航行，破冰寬度大大提高，這種船型的出現(xiàn)是全回轉推進技術和破冰船型技術融合的創(chuàng)新（見圖9）。

四是合理確定極區(qū)航行季節(jié)和時間，采取適當?shù)姆蓝O計。在極區(qū)通行時，通常的船用設備系統(tǒng)都將經受嚴酷的環(huán)境考驗，貨物系統(tǒng)、甲板機械、系泊設備、救生設備及室外電器設備等均有不同的要求。防冬化設計與船舶的建造成本有非常密切的關系，特別是當航行時間越接近全年，成本增加的速度就越快，因此，對于全年航行在極區(qū)的船舶建造必須謹慎對待。

圖9 新型不對稱船體專業(yè)破冰船

我國發(fā)展極地船舶的若干建議

一是積極參與極地規(guī)則制訂，加快推進我國極地船規(guī)范建設與研究；

二是加快推進當前我國新一代破冰科考船項目，提供設計/ 建造/ 驗船等方面的實際經驗，時機成熟可建自有冰池；

三是建立健全極地航運市場的設備配套及相關規(guī)范標準；

四是大力培育富有經驗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書；

五是重視非冰級船舶升級到冰級船舶的改裝技術，同時關注核動力破冰船的發(fā)展；

六是不斷完善我國北極航線的氣象與保險服務，同時加快北方港口設施和物流建設。

地球兩極雖存在氣溫極低、冰塊雜多、天空昏暗、距離遙遠、操作不便、難以救援、環(huán)境脆弱、政治敏感等風險，但由于諸多因素，現(xiàn)已成為“必爭之地”。為此，我國有關部門需盡早認知、熟悉并善加利用，有效地降低潛在風險，因為只有消除潛在風險，未來的極地才能成為我們真正的“聚寶地”和“黃金航線”。