孔憲才，尹 宏，劉志兵，封 婧，姜秋富

（1. 中國科學院海洋研究所，山東青島 266071；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引言

澳大利亞緊鄰南極洲，也是最早開展南極科學考察的國家之一，在南極科學考察中占有重要的地位。澳大利亞在南極洲有3個全年運轉的研究站，在次南極的麥考瑞島上有1個研究站，開展幾十個極地科學研究項目，目前由1989年下水的“南極光”（Aurora Australis）號極地科考破冰船（圖1）提供補給。

圖1 澳大利亞南極研究站和提供服務的“南極光”號科學考察船

考慮到“南極光”號極地科考破冰船的使用壽命、船舶功能、投送能力、科考能力等諸多因素，2013年澳大利亞國家能源和環(huán)境部南極局發(fā)起了新建極地研究和破冰船的項目的社會征集。為鞏固澳大利亞在南極的科考地位并保持南極研究持續(xù)領先，2016年4月28日澳大利亞發(fā)布了新的《南極戰(zhàn)略以及20年行動計劃》。政府撥款5.29億澳元建造一艘新型極地科考破冰船，于2020年取代運營30余年的“南極光”號極地科考破冰船，支撐南極科考站運轉，負責南大洋漁業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)等的海洋調(diào)查等工作。新造極地科考破冰船取名為“努伊娜”號（Nuyina）（圖2），它來自于澳大利亞塔斯馬尼亞原住民的土著語言，意思為“南極之光”。

圖2 “努伊娜”號極地科考破冰船概念圖

建成后的“努伊娜”號極地科考破冰船將是澳大利亞南極和次南極站的主要生命線，也是澳大利亞南極和南大洋科學研究的中心平臺。與“南極光”號相比，它更快、更大、更強、更持久。“努伊娜”號極地科考破冰船將提供一個最先進的平臺，用于在海冰和開放水域開展多學科科學研究。它能在多級海況下向南極和亞南極站大批量運送人員、貨物和設備；在9級海況（14 m有效浪高）、風速達蒲福 12級（颶風）、氣溫為?30 ℃～?45 ℃、水溫為?2 ℃～32 ℃情況下安全生存。

該船由丹麥克納伊?漢森船舶設計公司（Knud E.Hansen A/S）進行概念設計，荷蘭達門舍爾德皇家海軍造船廠（Damen Schelde Naval Shipbuilding）進行詳細設計和項目管理，羅馬尼亞達門加拉茨造船廠（Damen Shipyard Galati）進行建造和設備安裝。船舶于2017年6月11日開始建造，預計于2020年—2021年交付并投入使用。

1 船舶規(guī)范

“努伊娜”號極地科考破冰船側視圖見圖3。船舶總長為160.3 m；船寬（最大）為25.6 m；最大吃水為9.3 m；排水量為25 500 t；破冰能力為航速3 kn破冰1.65 m；經(jīng)濟航速為12 kn；最大航速為16+ kn；續(xù)航力＞16 000 n mile；自持力為90 d；貨油量為1 900 000 L / 1 671 t；集裝箱裝載能力為96 TEU；載貨量為1 200 t；乘客為117人；船員為32 人。

圖3 “努伊娜”號極地科考破冰船側視圖

“努伊娜”號極地科考破冰船裝配有2臺推進柴油機（2×9 600 kW）和2 臺推進電機（2×3 700 kW），總推進功率達2.66 MW。破冰工況或巡航時，采用2臺柴油機推進；考察作業(yè)時，采用2臺推進電機推進，以較少噪聲干擾提高探測精確度。

“努伊娜”號極地科考破冰船配置的2臺可調(diào)螺距螺旋槳，同2臺艏側推、2臺尾側推協(xié)調(diào)工作的動力定位功能，大大提高了船舶的機動操控性能。

“努伊娜”號極地科考破冰船以12 kn的有效巡航速度航行，在開闊水域的最大持續(xù)航速為16 kn；可以連續(xù)3 kn的航速在厚度為1.65 m的冰層上破冰航行；船舶可裝載1 200 t的固體貨物（主要包括集裝箱和散貨），以及1 900 000 L散裝液體貨物（用于南極工作站工作的特殊燃料油等）；船舶支持長達90 d的航行，包括在南極地區(qū)停留長達80 d的能力；可為117名乘員和32名船員提供包括專業(yè)醫(yī)療設施在內(nèi)的現(xiàn)代化醫(yī)療服務；船舶海上運營符合高標準的環(huán)保要求。

圖4 “努伊娜”號極地科考破冰船主要考察設備和能力

該船能夠進行多學科海洋調(diào)查和并行的科學操作，支持多種樣品和數(shù)據(jù)的采集接收和現(xiàn)場處理能力，包括海底、海冰、海洋生命和大氣等多維研究能力；船舶具有動態(tài)可控的固定和便攜式工作空間，擁有500 m的實驗空間用以支持科學考察工作；可使用一系列水上、冰上和空中運輸工具將人員、設備和貨物從船上轉移到南極站點，包括操作和支持4架輕型直升機或2架中型直升機的能力。船舶具有的眾多海上投送手段，極大地滿足了人員、設備和物資等的雙向投送。

2 科學考察能力

“努伊娜”號極地科考破冰船是“三合一”船舶的典型代表，具有強大的破冰能力和補給能力，是澳大利亞南極和南大洋海洋科學研究的移動平臺，具備大氣、海冰、海洋水體和海底的綜合立體探測研究能力（圖5）。

圖5 “努伊娜”號極地科考破冰船立體探測能力示意圖[9]

2.1 船底聲學探測設備

“努伊娜”號極地科考破冰船配備了一整套聲學儀器設備（圖6），可進行水中生命（生物量）的觀察和測量以及繪制海底和大陸架地圖等，這些聲學設備將根據(jù)使用要求安裝在船體底部和位于船舯的2個升降鰭板上。其中安裝在船舶底部的全海深多波束，可以在深達11 000 m海底的走航調(diào)查中繪制出一條25 km寬的海底和大陸架地貌。船底裝載的淺地層剖面儀可對200 m以下海底沉積層和巖石成像，提供有關海底棲息地形成過程的信息；淺地層剖面儀也將被用來識別較軟的沉積物地層，以輔助柱狀樣的取心站位選擇。

圖6 “努伊娜”號極地科考破冰船船底聲學設備布置示意圖

為了完成地形地貌、三維水流、游泳動物和淺地層等探測功能，多數(shù)聲學儀器安裝在船體中間的2個升降鰭板（Drop Kell）上。

升降鰭板（長3.9 m×寬1.4 m×高6 m，見圖7）可以下降到船體以下3 m，減少船舶振動和噪聲的干擾，可獲取更為精準的探測數(shù)據(jù)。這艘新船升降鰭板上裝載的水聽器，可讓科學家聽到海洋哺乳動物的聲音；裝載的魚探儀能讓科學家容易地找到魚群或磷蝦并探知其數(shù)量；船上配置的聲學多普勒剖面儀，能提供船下三維水流的信息。

圖7 “努伊娜”號極地科考破冰船升降鰭板布置示意圖[9]

2.2 側舷和月池作業(yè)

與常規(guī)極地科考破冰船的布置類似，探測設備的釋放和回收作業(yè)多半布置在船的側面和船尾（圖8），這只能夠在海況和天氣良好的情況下開展工作，但當天氣特別惡劣或者船進入海冰中時，一些研究工作就不得不停下。但是“努伊娜”號極地科考破冰船配置的月池（圖9）解決了這個問題，基本滿足了全天候作業(yè)的要求。

圖8 “努伊娜”號極地科考破冰船的右舷和船尾工作區(qū)

圖9 “努伊娜”號極地科考破冰船的月池工作區(qū)

“努伊娜”號極地科考破冰船的月池是一個13 m深的豎井，4 m見方，從科學甲板穿過船體，一直延伸到開闊的海洋。當它的頂部和底部艙口打開時，月池允許釋放和回收CTD、漁網(wǎng)、潛水器和其他儀器設備，在相對舒適和保護的區(qū)域內(nèi)工作，效率會更高。

配置的CTD可容納36個12 L的塑料瓶，深度可達6 500 m，用于收集不同深度的水樣。

2.3 水密濕井取樣間

“努伊娜”號極地科考破冰船的另一特色就是開發(fā)了一種捕捉磷蝦的新方法——水密濕井（wet well）取樣間（圖10）。這個水密房間可以接入多個海水入口，有3個過濾平臺和1個用于臨時安置捕獲動物的小型水族館。水密濕井取樣空間是對船舶科學采樣能力的一種巧妙補充。這個位于水面以下的水密空間，通過水面以下2 m和5 m間取水口連接到外部海洋，海水也可以取自月池和拖網(wǎng)甲板。

圖10 “努伊娜”號極地科考破冰船水密濕井取樣空間工作原理圖

不同水深的海水流入水密濕井，進入過濾平臺，過濾平臺可以捕捉磷蝦和更脆弱的生命形式，比如水母和海蜇。“努伊娜”號極地科考破冰船的水密濕井取樣空間三維圖見圖11。觀察每個過濾平臺上的水體可以讓科研人員觀察脆弱的生命形態(tài)，收集它們并放置到一個臨時的水族館里。像磷蝦這樣頑強的生物將被捕捉到過濾站上，在那里它們就被收集起來并轉移到水族館。

圖11 “努伊娜”號極地科考破冰船的水密濕井取樣空間三維圖

科學家們預測，以前只有潛水員在條件完美的情況下才能捕捉到的脆弱生物，水密濕井空間的投用將開啟新的研究機會。

2.4 近冰平臺

研究海冰的科學家們能夠通過近冰平臺出入口的坡道直接離開船到達海冰上。一旦上了冰，他們將收集冰芯，測量海冰和雪的溫度、厚度和其他特性，并調(diào)查其化學成分和所支持的生物生態(tài)系統(tǒng)?！芭聊取碧枠O地科考破冰船的能力可以讓它全年航行到更厚更堅固的冰區(qū)，這進一步提高了該船進行海冰和冰原研究的能力。

科學家們利用該通道（圖12）把他們的設備或模塊化實驗室儲存在貨艙內(nèi)，貨艙可容納48個20 ft（1 ft=0.304 8 m）長的集裝箱，用于極地研究站的補給。

圖12 “努伊娜”號極地科考破冰船上的貨物近冰出入通道

“努伊娜”號極地科考破冰船的船首也有1個可伸縮的吊桿，延伸出船破冰前沿10 m，在上面安裝傳感器。這些傳感器包括一個高度計和探雪雷達。當船破冰航行時，這個傳感器套件將提供關于雪和冰厚度的實時信息，這將增強船的冰區(qū)航行和冰上實地實驗的工作能力。來自傳感器的冰剖面數(shù)據(jù)也將擴展科研人員對南極海冰和積雪厚度分布的探索范圍，并幫助科研人員校準衛(wèi)星對海冰厚度的探測誤差。

2.5 上層甲板及桅桿上的大氣探測

“努伊娜”號極地科考破冰船的上層甲板和桅桿上配備雷達、衛(wèi)星信號接收裝置等其他儀器設備，協(xié)助氣象和大氣研究。海冰特性、溫度、風速和浪高等氣象數(shù)據(jù)對船舶的日常航行非常重要，這些氣象測量數(shù)據(jù)的獲取為氣候信息服務提供有力支持。

大氣研究包括研究大氣、冰和海洋之間的相互作用。氣象與大氣數(shù)據(jù)的獲取依賴于專業(yè)儀器來獲取氣溶膠、云、重力波、宇宙射線、臭氧和消耗臭氧等物質(zhì)和樣品。“努伊娜”號極地科考破冰船配置了以下大氣探測設備。

1）在船的最高處布置的氣象雷達，測量離船數(shù)百公里范圍內(nèi)的降水和風力，以支持船舶的操作和科學研究；

2）在離開船舶本身避免造成二次空氣污染的船首的空氣取樣桿上布置和安裝測量氣體、氣溶膠和臭氧的一系列儀器；

3）測量大氣和海洋中二氧化碳含量的儀器；

4）配置的氣球充氣和發(fā)射設施，用于收集溫度、風速和方向、濕度和臭氧濃度數(shù)據(jù)的氣球載探空儀；

5）測量云高和云屬性的云高計，用于直升機操作和空中云的研究；

6）冰區(qū)導航雷達，用于區(qū)分開闊水域、冰山、影響冰區(qū)作業(yè)的較厚的冰脊；

7）波浪監(jiān)測雷達，用來測量波浪高度和方向，以及表面流向等；

8）衛(wèi)星接收器收集實時極地軌道環(huán)境衛(wèi)星圖像，用于海冰分析、天氣分析和預報；

9）自動全天候成像儀（automatic total sky imager），用于計算云量和日照時間。

2.6 艉部甲板的地質(zhì)調(diào)查

“努伊娜”號極地科考破冰船船尾后甲板（圖13）擁有支撐地球科學研究的一系列探測設備。該船的地球科學研究側重于古氣候研究，利用保存在巖石和沉積物中的信息來了解地球過去的氣候和地質(zhì)歷史；它還能夠進行海底測繪，以查看海底的深度和地貌，這些信息可用于制作導航地圖或協(xié)助海洋學研究。

圖13 “努伊娜”號極地科考破冰船尾部工作甲板

用于支持地球科學研究的探測系統(tǒng)設備包括：

1）在尾甲板布置的活塞重力取樣器，可收集長達24 m的沉積物巖芯。該取樣裝置與船舶尾部30 t的A型架和絞車艙內(nèi)的8 500 m合成纜索的深海牽引絞車一起協(xié)同完成取芯作業(yè)；

2）尾甲板配置的多用途的起重機，可方便地將設備在船尾甲板周圍移動，并可將重力活塞取樣器直接安裝在船尾；

3）側舷的拖臂可拖曳設備，如地震水聽器陣列等；

4）后甲板上的矩陣固定點，用于固定定制的集裝箱和設備，如絞盤或其他投放系統(tǒng)；

5）尾部后甲板可裝載14個集裝箱式科學實驗室，其中8個提供全面的科學服務（包括各種供水、供電、制冷、報警和網(wǎng)絡接入），2個集裝箱位置可用于高性能集裝箱式地震空壓機的安裝和布放；

6）配置多個大功率電源插座，為外加絞車和系統(tǒng)的部署提供動力，如用于收集巖石樣本的海底巖石鉆機，用于收集深達海底100 m深處的機器人鉆機等；

7）配置的可在厚冰中釋放和回收探測設備的月池，以滿足船舶在大多數(shù)船只無法到達的區(qū)域進行巖石或沉積物樣品的采集；

8）用于棲息地測繪、制圖和海底剖面測量的科學設備投送設施；

9）利用高速光纜傳輸深海拖曳體、拖網(wǎng)和雪橇上的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時視頻和聲音信息的傳送。

2.7 科考設備的操控

“努伊娜”號極地科考破冰船尾部的科學設備見圖14。

圖14 “努伊娜”號極地科考破冰船尾部的科學設備

圖14是拖網(wǎng)甲板的后部和主A型架，從這里可以釋放和回收設備，如沉積物取樣器、拖網(wǎng)、雪橇和海洋系泊設施等。在500 m寬敞的后甲板上配置一系列矩陣布置的附著固定點、穩(wěn)定運行的絞車和起重設備，以及系列完備的電源和水，使該船的考察范圍更為廣泛。后甲板支持的探測活動有：

1）部署多種類型的漁網(wǎng)和沉積物采集設備；

2）海底沉積層和巖石層的地震探測；

3）長達24 m的沉積物巖芯提?。?/p>

4）部署軟管和水泵系統(tǒng)，從數(shù)百米以下的海洋收集海水樣品；

5）部署大型儀器系泊系統(tǒng)；

6）操作自動潛水器（automatic underwater viehcle，AUV）；

7）部署多種類型的拖放照相機和儀器系統(tǒng)。

后甲板配置有4個20 ft的集裝箱和6個10 ft的集裝箱的存放位置，這些集裝箱將容納專門的科學設備，其中8個集裝箱將為實驗室提供服務，這樣就不需要在船上建造專門的實驗室來進行尚未設想到的科學研究。

這些重型起重設備（絞車、起重機和A型架）可以在甲板和船尾吊起和移動多達10 t的物品，并在從海底提取沉積物巖芯時拉動30 t重的物品。甲板上不同的固定點意味著科學家們可以在甲板上安裝他們自己的專用絞車和其他大型設備。表1是“努伊娜”號極地科考破冰船絞車配置一覽表，表2是“努伊娜”號極地科考破冰船吊機配置一覽表。

表1 “努伊娜”號極地科考破冰船絞車配置一覽表[16]

3 船舶載運和投送能力

3.1 載貨能力

為了更好地擴充船舶的補給功能，新建造的“努伊娜”號極地科考破冰船在干貨艙的甲板上可裝載1 200 t的貨物，可裝載在96個20 ft的集裝箱里?！芭聊取碧枠O地科考破冰船船的貨艙見圖15。

圖15 “努伊娜”號極地科考破冰船的貨艙

表2 “努伊娜”號極地科考破冰船吊機配置一覽表[16]

另外船尾甲板上還有14個20 ft和6個10 ft的科學集裝箱，直升機吊架上方有4個科學集裝箱，直升機甲板前部有7個科學集裝箱。

此外，“努伊娜”號極地科考破冰船裝載 190萬升/1 671噸的燃料油。

以上載貨能力的大幅提升，可在一次航程中為2個南極站點提供補給，而不是一次一個科考站。

3.2 吊運能力

為了移動這些集裝箱和重型設備，“努伊娜”號極地科考破冰船配置2臺55 t的折臂起重機，在直升機甲板上配置1臺15 t的起重機，1臺15 t的側舷起重機可以將集裝箱從碼頭移到科學船尾甲板上。如此一旦船舶抵達南極站點，就有多種選擇將貨物從船上轉移到站上。

3.3 投送能力

“努伊娜”號極地科考破冰船有了更大的載貨能力，因此其投送能力（圖16）也隨之有了更大的提高。表3是“努伊娜”號極地科考破冰船科考輔助船舶一覽表，表4是“努伊娜”號極地科考破冰船直升飛機容納能力一覽表。

圖16 “努伊娜”號極地科考破冰船投送能力示意圖

表3 “努伊娜”號極地科考破冰船科考輔助船舶一覽表[16]

表4 “努伊娜”號極地科考破冰船直升飛機容納能力一覽表[16]

駁船在南極站點的補給過程中扮演著重要的角色，“努伊娜”號極地科考破冰船配備了2艘可裝載45 t以上貨物的駁船，駁船能夠滿足一輛載有20 ft集裝箱的卡車進出船只。在船舶和南極站點之間的通道上，載貨卡車通過船舶的首部起重機裝載貨物，并將貨物運送至工作站點。這將為澳大利亞的3個南極站及其位于麥夸里島的次南極站的補給提供強有力的支撐。

此外，“努伊娜”號極地科考破冰船有4艘更小的投送船。2艘配備了移動補償系統(tǒng)的人員投送船分別位于船的兩側，允許在中等海域進行釋放和回收。第3艘投送船布置在船尾，以支持海冰作業(yè)。這些投送船1次最多可以運送8名乘客及其設備。第4艘工作艇配置有A型架、小型絞車和多波束回聲探測儀，負責進行對近岸地區(qū)的研究，可在危險的淺水未知區(qū)域進行科學考察。

“努伊娜”號極地科考破冰船能容納 4架AS350 B3小型直升飛機或二架類似Sikorsky s92的中型直升飛機（表4）。B3型吊索能將貨物從船上吊到岸上，一次吊重達1 200 kg。4架直升飛機能夠同時操作，一架可降落在尾部直升機上，另一架從前部吊起裝載貨物，另外2架在運輸或卸載到岸上。

3.4 并行運作

“努伊娜”號極地科考破冰船的投送作業(yè)可做到并行操作，這是其顯著特點。例如，當直升機在直升機甲板上裝載貨物時，2臺55 t的貨物起重機可以裝載駁船，同時科學探測可以在船尾、側面和前方的浮冰區(qū)進行。這種并行作業(yè)可大大減少補給時間，并留出更多的科學考察作業(yè)時間。

為方便進行過水及過冰加油作業(yè)，該船設有動力定位系統(tǒng)，可在強風、潮汐及惡劣海況的情況下保持其位置。這意味著“努伊娜”號極地科考破冰船更容易接近南極工作站點，從而提高燃料泵送效率，大大減少補充燃料的作業(yè)時間，也減少了作業(yè)危險。下一步，隨著“努伊娜”號極地科考破冰船的投用實踐，其大小、規(guī)模和能力將為南極站點的科學研究和站點再補給提供一個新的參考范例。

4 結論

隨著科學考察的深入，南北極的奧秘和環(huán)境資源價值不斷地被發(fā)現(xiàn)，極地領域的競爭愈發(fā)激烈，權益爭端不斷加劇。目前世界有關國家都把極地區(qū)域視為影響未來地緣政治和世界貿(mào)易的重要因素，不斷加入對南北極考察開發(fā)的關注和投入力度。近幾年，挪威、英國、俄羅斯、歐盟等國家和地區(qū)組織建造的極地科考破冰船相繼投入運營，極大地促進了世界極地研究的深入發(fā)展和技術提高；我國自己建造的“雪龍2”號極地科考破冰船在2019年投入使用，并同“雪龍”號極地科考破冰船一道首航實現(xiàn)了雙龍?zhí)綐O，使得我國的極地考察能力跨入了一個新時代。下一步，隨著澳大利亞“努伊娜”號極地科考破冰船完成航行試驗和投入使用，其有別于以往科考破冰船的濕井設計、近冰平臺、強大的投送能力等設計亮點的實踐檢驗，必將為后續(xù)新的極地科考破解冰船的設計、建造和應用提供全新的借鑒。