破冰船性能及设计经验述评

摘要：文章对极地船舶技术进行了回顾，对破冰船的性能以及设计经验进行了述评；对加拿大、日本、芬兰、苏联、美国、丹麦以及瑞典等国家的破冰船进行了技术分析，旨在为破冰船的初步设计提供借鉴，以帮助设计者选择破冰船的形状、尺寸。

关键词：破冰船；极地船舶技术；船舶设计；海洋破冰船；湖泊破冰船；江河破冰船 文献标识码：A

中图分类号：U615 文章编号：1009-2374（2015）28-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.005

1 概述

第一艘破冰船诞生在俄国，它就是1899年俄国人设计的“叶尔马克”号破冰船。破冰船的作用就是将水面上的冰层破碎，进而开辟船舶的航道，可以引导在冰区航行的勤务船进行正常航行，还可以保障舰船正常进出冰封的港口，因此意义非常重大。

破冰船由于使用地区不同可以分为很多种类型，比如海洋破冰船、湖泊破冰船以及江河破冰船等。破冰船的船身较短，但是比较宽，也就是具有较小的长宽比，船体的首柱尖削前倾，强度是十分惊人的。破冰船的水线区域以及首位施工的是对密骨架以及厚钢板进行加固。破冰船的推动系统使用的是多螺旋桨的装置，一般使用的是双轴的或者是双轴以上的装置。破冰船的动力源是柴油机，它的舵和螺旋桨进行了一定的加固。因此，破冰船在破冰工作中可以用首部进行连续的破冰工作。破冰船是一种特殊船舶，是具有在结冰的水面上开辟航道功能的船舶。破冰船的船壳很厚重，马力也比较大，破冰船的各个地方都有压水舱的设置。

2 破冰船的优良性能

破冰船的横向较宽、纵向较短，这样的比例和一般情况下的海船相比具有很大的区别，使用这样的长宽比是为了更好地开辟航道。比如一艘破冰船具有37000吨的排水量，马力达到7.35×107瓦，长度在190多米的情况下，这艘破冰船的宽度大概在30多米，破冰船的外壳要用5厘米以上厚度的钢板进行制作，破冰船里面使用密集型的支撑构件，吃水线的地方用合金钢进行加固，这种材料的抗撞击能力非常好。

破冰船的破冰方法一般来说有两种，当冰层的厚度在1.5米以内的情况下，破冰船可以使用连续的破冰方式，也就是使用破冰船的船头将冰层撞碎并且劈开，这一工作是依靠螺旋桨的力量完成的，这样的情况下破冰船的航行能力在9.2千米/小时。当冰层较厚实的时候，破冰船的破冰方式使用的是冲撞的方法，这时候的破冰船的船头部位吃水线，所以很容易冲到冰面上，这样破冰船的船体就能将下面的冰层压碎。最后破冰船要倒退一段距离，使足马力冲向冰层，就可以压碎破冰船下的冰层了。反复进行这样的工作就会开辟出一个新的航道。破冰船的驱动功率非常高，所以即使是长时间的破冰航行也可以很好地满足。

很多国家的海域在冬天都有严重的结冰现象发生，因此很多国家都使用破冰船进行航道的开辟。还有一些国家使用专用的北极破冰船，主要是用于北极的一些少数国家。目前俄罗斯有7～8艘极地破冰船，可以使用的有6艘。美国的希利号破冰船号称是美国威力最强的破冰船，除此之外，在加拿大、英国、日本、挪威以及芬兰等地也有自己的破冰船，我们国家的雪龙号破冰船也是极地破冰船。

破冰船的威力不可小觑，对于几米高的冰山，只要经过破冰船几次猛烈的撞击，就可以将冰山击得粉碎。因此，对于破冰船的制造材料也有极高的要求，所有的破冰船均使用非常厚的钢板进行制作，强度非常大。

破冰船在航行中经常遇到被冰块卡住的现象，这就需要破冰船具有一定的应急技术。在20世纪80年代，美国海岸警队的一艘破冰船曾经在海面上冰冻了几乎一年的时间，现代破冰船使用了更加先进的系统，也就是气泡减阻系统以及倾侧技术等，这都是为了防止破冰船被冻住或者被冰块夹住。倾侧技术顾名思义就是让船身一直摇摆不停，这是通过在破冰船两边加设螺旋桨带来的效果，主要是使破冰船的两边水舱连续的加注以及抽吸海水造成的。气泡减阻技术就是使用空气经过压缩之后形成的空气膜，这样就可以很好地防治破冰船的冰冻。

破冰船的自重相当大，因此在压垮海冰时的效果更加明显。破冰船的船壳位于水线以下的部分，一般都涂有特殊的抗冰漆，这样可以大大减小冰与船体之间的摩擦力。破冰船使用的大多是高性能并且低温的钢材进行制作的，在水线附近，船头以及船尾的位置还进行了加厚处理，船头的结构十分科学，可以轻易地行驶到海冰上，整个破冰船的形状可以很好地保护螺旋桨以及船舵，在进行倒退行驶的时候可以保证舵与螺旋桨不被冰山撞坏。另外，为了给破冰船提供较好的探路与导航，还可以配备直升机。

3 破冰船设计经验

3.1 船舷和竖直线之间的夹角

破冰船船舷和竖直线之间的夹角是一个值得深入探讨的问题。一般来说所有船的船舷以及竖直线之间都是存在一定夹角的，不过有的船舶的下部是比较直的构造，而有的船的下部是比较凹陷的结构，和集装箱船相类似。可是破冰船为什么使用那么特殊的构造呢？这不得不引起设计者的思考。因为冰面是十分光滑的，因此破冰船在有冰的海面上行驶，就涉及到一个摩擦系数的问题，回想一下我们冬天在冰面上行走时候的场景，就知道非常光滑。研究人员发现，破冰船和冰面之间的摩擦系数没有那么小，有的破冰船在行驶过程中甚至发生了船毁人亡的惨剧。通过学者们的不断研究可以发现，破冰船和冰面之间的摩擦系数大概是0.2，这也就产生了一个问题，如果船舷与竖直面之间的夹角太小的话，冰有可能严重破坏船体，导致事故。

3.2 破冰船与冰面之间的压力

冰面对于破冰船的压力可以分为两种：一种是相切于船舷的力F；另一种压力是垂直于船舷的力R。破冰船的重力是P的情况下，P和R之间的夹角一般来说和破冰船的船舷与竖直线的夹角是一样的。冰面对于破冰船的摩擦力是摩擦系数以及垂直于船舷的力R的乘积，也就是Q=0.2R。

在Q比F小的情况下，破冰船船身上的冰就会被力F推到水里面，与此同时还会沿着船舷进行滑动，但是不会造成船身的毁坏。在Q比F大的情况下，摩擦力Q就会阻碍冰块的继续滑动，这样的情况下，冰块有可能长时间地压在破冰船的船舷上，因此破冰船的船舷有被压坏的危险，要对船舷与竖直线之间的夹角进行合理的确定。根据三角函数表里查出的结果显示，当正切函数是0.2的时候，角度是11°。这个数据表明，当船舷与竖直线之间的夹角大于11°的情况下，就可以保证破冰船的正常使用，这就是为破冰船独有的设计特点。

4 结语

破冰船具有一个共同的特点，那就是强大的动力以及坚固的船体，再加上破冰船独特的结构，使得破冰船可以在严峻的环境中进行作业。通常情况下破冰船的吨位在万吨级，宽度在25米左右，长度120米左右。因此，破冰船就像是一个尺寸较大的大马力的拖轮，可以在有浮冰的地区十分灵活地变换方向，具有良好的可操作性，并且稳定性也是非常好的，即使是在风浪巨大的情况下使用也有良好的安全性能。

在纬度较高的北太平洋，以及北大西洋和北冰洋的海域中，一年四季都有货船来来往往，这也是世界贸易中十分重要的一部分。然而在这些海域当中，每年的几个月中都是冰山四伏、冰面冻结。想要实现在这些海域的正常航行，破冰船就显得尤为重要。破冰船的形状十分特别，船头十分结实，螺旋桨和机械设备的强度也极高，它呈现一种短粗的面貌，具有十分强大的主机系统、辅机系统。破冰船还具有一个十分明显的特点，那就是破冰船的船头吃水比较浅，到船的中间部位吃水逐渐加深，这也给破冰船良好的使用性能奠定了基础。正因为破冰船的独特性能，其为航运事业的发展做出了巨大贡献。

参考文献

[1] 石磊.现代破冰船和破冰技术[J].知识就是力量，2003，（10）.

作者简介：王帅（1988-），男，陕西宝鸡人，山东省科学院海洋仪器仪表研究所助理工程师，硕士，研究方向：特种船舶总体设计。

（责任编辑：周 琼）