“雪龍2”號：中國定制的臺前幕后

　　9月10日，我國首艘自主建造的極地科考破冰船——“雪龍2”號在江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司下水。乍看之下，“雪龍2”號比“雪龍”號敦實(shí)了不少：在船舶型寬相差無幾的情況下，其總長較“雪龍”號短了近45米，這意味著，身寬體胖的“雪龍2”號破冰能力和科考能力會更強(qiáng)。近日，中船集團(tuán)第七〇八研究所（以下簡稱“七〇八所”）研究員、“雪龍2”號總設(shè)計(jì)師吳剛，站在設(shè)計(jì)者的角度，向我們披露了“雪龍2”號設(shè)計(jì)臺前幕后的不少故事。

　　A、中外聯(lián)合設(shè)計(jì)是十年前的正確決定

　　1993年，我國從烏克蘭購買了一艘北冰洋運(yùn)輸補(bǔ)給船，經(jīng)多次改造后，該船成為我國唯一一艘極地科考破冰船“雪龍”號。按船齡計(jì)，“雪龍”號已是老驥伏櫪，加上是“半路出家”，其科考與破冰能力都不足以滿足我國極地科考的需求。

　　2009年，我國正式啟動“雪龍2”號新建極地科考船建設(shè)項(xiàng)目，國務(wù)院確立了“國內(nèi)外聯(lián)合設(shè)計(jì)、國內(nèi)建造”的基本原則。

　　“中國就不能自主設(shè)計(jì)新一代的極地科考船嗎？”業(yè)內(nèi)對此曾有爭議。“其實(shí)，國務(wù)院定調(diào)由國內(nèi)外聯(lián)合設(shè)計(jì)是非常英明的。”吳剛說，當(dāng)時國內(nèi)船舶設(shè)計(jì)單位對極地船舶的認(rèn)識僅停留在理論階段，缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和論證條件。

　　由國外公司負(fù)責(zé)基本設(shè)計(jì)并不是簡單地買圖紙。“如果我們自己不做充分的前期調(diào)研，即使買來圖紙，很多東西還是學(xué)不會。”吳剛說，船東也意識到了這一點(diǎn)，在確定國外設(shè)計(jì)公司之前，就選擇擁有豐富科考船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的七〇八所擔(dān)任技術(shù)支撐單位，全程參與新造船項(xiàng)目。2012年，德國、挪威、芬蘭的3家公司參與競標(biāo)“雪龍2”號基本設(shè)計(jì)項(xiàng)目，船東邀請了由中國、韓國、加拿大等多國專家組成的國際評標(biāo)團(tuán)，其中就包括七〇八所的張炳炎院士和吳剛本人。

　　“當(dāng)時經(jīng)過一輪比較后我們發(fā)現(xiàn)，三家公司的設(shè)計(jì)方案都不能滿足中國科考破冰船的定制要求。”吳剛透露，期間一度停標(biāo)。

　　B、聚焦破冰設(shè)計(jì) “相中”阿克北極

　　什么是中國的定制要求？

　　秦為稼——原國家海洋局極地考察辦公室主任，憑借對極地探索作出的杰出貢獻(xiàn)，2016年被《自然》雜志評為“中國十大科學(xué)之星”——被吳剛親切地稱為“老秦”。吳剛說，“雪龍2”號很多的設(shè)想、需求，都是“老秦”提出的。

　　多年前，秦為稼就曾向媒體表示：中山站附近海冰厚度1.5米左右，“雪龍”號在安全季節(jié)到達(dá)很困難。“我們這20年來基本上在11月底12月初‘雪龍’號才能在連續(xù)冰比較松動的情況下勉強(qiáng)接近中山站，在只有‘雪龍’號的情況下，在海冰上作業(yè)是非常危險的。”

　　中國的定制要求就是：新一代的科考破冰船“底盤”一定要好，確保其多年在冰區(qū)航行依舊“扛造”；同時，為了提高船舶的破冰能力和靈活性，“雪龍2”號要采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)。

　　“進(jìn)一步明確需求后，評標(biāo)團(tuán)都將目光聚焦到了芬蘭的阿克北極公司。”吳剛回憶，“阿克北極對船型的理解是比較接近船東設(shè)想的，其船體設(shè)計(jì)做得相當(dāng)好，可以實(shí)現(xiàn)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)，船舶破冰的功率小而效果又很好。”

　　“既然實(shí)現(xiàn)了全回轉(zhuǎn)推進(jìn)，那么船艉也能當(dāng)船艏開呀！”秦為稼代表船東進(jìn)一步提出了雙向破冰的想法，七〇八所和阿克北極公司分析、討論后認(rèn)為也是可以實(shí)現(xiàn)的。“全回轉(zhuǎn)推進(jìn)帶來了一個很可觀的好處，就是‘雪龍2’號在冰脊冰水域不需要調(diào)頭了。”吳剛介紹，極地水域水平冰和冰脊冰的分布非常復(fù)雜，有時即便是看上去開闊的水域，也會讓船舶寸步難行，就是由于水下隱藏了大量松軟且難纏的冰脊冰。因此，“雪龍2”號雙向破冰的指標(biāo)被確定為：艏向在覆蓋有0.2米厚積雪的1.5米厚冰層上以2-3節(jié)的速度連續(xù)破冰；艉向破冰則能在20米當(dāng)年冰冰脊（含4米堆積層）中不被卡住。

　　2012年7月31日，國家海洋局、中國極地研究中心、芬蘭阿克北極技術(shù)有限公司簽署了極地科學(xué)考察破冰船基本設(shè)計(jì)合同。

　　C、科考、敞水設(shè)計(jì)還得靠自己

　　確定基本設(shè)計(jì)方后，新問題也隨之暴露。

　　“2012年的3-7月，七〇八所的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與阿克北極就各個專業(yè)的問題展開了漫長的交流、談判。”吳剛介紹，阿克北極設(shè)計(jì)方案的主要問題是：其沒有科考船的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，原方案的母型船是一艘貨船，在船舶穩(wěn)性等方面無法滿足科考船的要求。此外，中國到極地之間有大量的敞水（Open Water）水域，原方案在該領(lǐng)域有所欠缺。“這時候，七〇八所在科考船、敞水水域的設(shè)計(jì)優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了。”

　　由七〇八所許學(xué)彥院士、張炳炎院士分別領(lǐng)銜設(shè)計(jì)的“遠(yuǎn)望”系列和“向陽紅”系列是國內(nèi)出色的科考船型，該所的設(shè)計(jì)優(yōu)勢在中國新一代科考破冰船項(xiàng)目上得到了傳承。“雪龍2”號的船底安裝了重要聲學(xué)設(shè)備，很容易受到氣泡和碎冰的影響。為此，七〇八所專門設(shè)計(jì)了下沉式龍骨的船底結(jié)構(gòu)。“阿克北極向我們反饋，這個設(shè)計(jì)不僅解決了下泄碎冰干擾的問題，船舶航行的經(jīng)濟(jì)性也沒有受到很大影響。”吳剛說。與其他商船相比，破冰船在敞水水域的油耗更高。七〇八所利用拖曳水池的實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對船舶的壓冰角、排冰角、線型等都進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

　　“在‘雪龍2’號項(xiàng)目中，七〇八所與阿克北極是相互融合、相互伴隨的關(guān)系。”吳剛說，雙方各自發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢、取長補(bǔ)短，在破冰船的設(shè)計(jì)、防寒應(yīng)用上，七〇八所也從阿克北極學(xué)了不少。

　　就在七〇八所艱難的談判期，2012年8月2日，張炳炎院士逝世。“其實(shí)在基本設(shè)計(jì)招標(biāo)的時候，老爺子身體就很不好了，但他一直親身參與和指導(dǎo)這個項(xiàng)目。”吳剛說。

　　2012年10月22日，中國極地研究中心與七〇八所簽署了中國新建極地科學(xué)考察破冰船項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)合同。

　　D、南極之行帶來的啟迪

　　2015年年初，為了設(shè)計(jì)好“雪龍2”號，吳剛曾隨“雪龍”號赴南極考察。70多天的南極之行，帶給吳剛最大的感受是，側(cè)重于科考的“雪龍2”號，必須為科研人員提供更為科學(xué)、便捷的工作環(huán)境。

　　“受船型限制，我們科研人員的作業(yè)模式太落后了。”令吳剛印象很深的一幕是，科學(xué)家需要自己到“雪龍”號的右舷，靠人力從水里取回重達(dá)幾百公斤的采水裝置。在極地惡劣的環(huán)境下，人員在甲板上作業(yè)本就危險；另一方面，珍貴的水體樣品離開了水下恒溫的環(huán)境、長時間暴露在極寒的溫度下，可能會導(dǎo)致樣品中的生物死亡，影響科研結(jié)果。從南極回來后，吳剛帶領(lǐng)著七〇八所的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了專門的采樣艙室和設(shè)備，不僅提高了工作效率，也保障了科研人員的操作安全。

　　“科學(xué)家曾向我們反映，希望我國的科考船與國外接軌，科學(xué)家們在船上可以專注于實(shí)驗(yàn)，甚至能一邊喝著咖啡，一邊操作科考設(shè)備。”吳剛說，“雪龍2”號采用了集中實(shí)驗(yàn)室格局、大尺度作業(yè)車間和較大面積調(diào)查作業(yè)甲板設(shè)計(jì)，加之冰區(qū)月池系統(tǒng)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)船舶調(diào)查實(shí)驗(yàn)功能的最大兼容與共享，與國際上專業(yè)的極地海洋科考布置和流程全面接軌。“‘雪龍2’號上的科學(xué)家不需要再干多余的體力活了，其實(shí)隨著船上科考設(shè)備機(jī)械化、自動化水平的提升，我們還需要培養(yǎng)更多專業(yè)的科考設(shè)備操作手來輔助科學(xué)家。”吳剛表示。

　　“當(dāng)年我在‘雪龍’號上另一個深刻感受就是，船上的通信實(shí)在是需要投入力量改進(jìn)了。”吳剛說，“雪龍2”號實(shí)現(xiàn)了WIFI全覆蓋，這也是“雪龍2”號上人性化設(shè)計(jì)的一個小側(cè)面。據(jù)了解，“雪龍2”號在駕駛員輪替值班、實(shí)驗(yàn)室和甲板科考作業(yè)的保護(hù)性和便利性、健身活動場所的合理設(shè)置、房間的保溫通風(fēng)遮光、室外梯道防滑處理、馬桶真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)、冷凝水處理、茶水站、垃圾房、行李間、洗衣房等設(shè)置以及蔬菜、水果和淡水的便捷運(yùn)輸?shù)确矫妫紩o船上人員帶來更舒適、便捷的體驗(yàn)。

　　通過“雪龍2”號項(xiàng)目，七〇八所積累了極地船規(guī)則規(guī)范經(jīng)驗(yàn)，掌握了雙向破冰船型設(shè)計(jì)、PC3級破冰船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和破冰船低溫防寒設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，打造了一支日趨成熟的科考船設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。2017年，由七〇八所牽頭的“極地重型破冰船關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目經(jīng)工業(yè)和信息化部批復(fù)后正式立項(xiàng)。曾經(jīng)，針對“雪龍2”號是否應(yīng)該由國內(nèi)自主設(shè)計(jì)的爭論言猶在耳，如今吳剛有信心作出肯定的回答。（李儼兒）

　　延伸閱讀　揭秘“雪龍2”的智能庫

　　“雪龍2”號智能船體、智能機(jī)艙、智能實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)，為船舶在極區(qū)大洋航行和科考提供了安全保障。那么，“雪龍2”號的先進(jìn)性和智能性都有哪些呢？

　　整個船體“全智能”

　　在我國的科考船大家庭中，“雪龍2”號是唯一一艘真正意義上的“智能船舶”。它有一套集智能航行、智能能效、智能機(jī)艙、智能船體為一體的綜合平臺，這就相當(dāng)于船舶的“大腦”，控制著整個船體系統(tǒng)。

　　在“雪龍2”號的船體和設(shè)備上，共安裝設(shè)置了7000多個智能感應(yīng)點(diǎn)，相當(dāng)于船舶的“神經(jīng)系統(tǒng)”。它可以對內(nèi)、對外收集各種信息，豐富數(shù)據(jù)庫并繼續(xù)“學(xué)習(xí)”以優(yōu)化船體功能，也可以使其在復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自動駕駛。

　　極地科考“全天候”

　　通常情況下，科考隊(duì)員進(jìn)行取樣調(diào)查和布放海水探測器的時候都是站在船邊。一旦風(fēng)浪過大，加上船體搖擺，就會給作業(yè)人員和儀器設(shè)備帶來安全隱患。考察船在極區(qū)航行，如果海上的浮冰太多、太厚，取樣器甚至到不了水下，科考作業(yè)極為不便。

　　新船的月池系統(tǒng)改變了這一切。在“雪龍2”號的船艉中部，有一個3米見方、深達(dá)底層甲板的“井口”，這就是“月池”。科考儀器設(shè)備可以從這里直接入水，即便是100%海冰覆蓋的海區(qū)也能進(jìn)行采樣作業(yè)，極大提升了在極地冰區(qū)的作業(yè)能力。

　　前后雙向能破冰

　　作為我國首艘自主建造的破冰船，“雪龍2”號的冰區(qū)航行能力遠(yuǎn)不止這么簡單，它采用的是先進(jìn)的雙向破冰新技術(shù)，船艏、船艉均可破冰，是世界上第一艘采用雙向破冰技術(shù)的極地科考船。

　　雙向破冰技術(shù)使船舶在冰區(qū)的操縱性能極大提高，可實(shí)現(xiàn)冰區(qū)快速掉頭、轉(zhuǎn)向，尤其是在冰情復(fù)雜、水域狹窄的環(huán)境中，極大地增強(qiáng)了船舶的安全性。

　　原地立定穩(wěn)如山

　　傳統(tǒng)科考船的動力定位都是一套系統(tǒng)，而“雪龍2”號則配備了兩套，技術(shù)更為先進(jìn)。定位時，通過船上的電力推進(jìn)器、舵、艏艉側(cè)推協(xié)調(diào)配合，船艏根據(jù)海上風(fēng)向和海水流向選擇合適角度，使船體“穩(wěn)如泰山”。

　　動力定位技術(shù)，使“雪龍2”號在4級海況下可滿足大型科考設(shè)備的定位收放要求，在6級風(fēng)、1.5節(jié)流時能滿足漂泊調(diào)查作業(yè)要求。同時，該船還采用被動可控式減搖水艙以改善船的耐波性，提高了新船在極區(qū)作業(yè)時較常見的小回旋空間、大風(fēng)浪海況的安全性。（趙寧）

　　轉(zhuǎn)自：中國水運(yùn)報

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