一种履带式冰区海域两栖科考艇

万玉春 张洪燕 彭千烨 吴芮 黎武鑫

摘 要：本作品设计出了一种履带式冰区海域两栖科考艇，它能够轻松实现水、冰区域的航行转换模式，具有一定的自主破冰功能。在水中以螺旋桨和履带双重推进模式航行，在到达冰面以后采用履带在冰面行驶，破冰船首设置为锥形船首，并在船首上方设置倾斜的破冰刃，更有利于薄冰层的破碎。

关键词：极地科考艇;破冰;两栖船舶

0 引言

北极航道缩短我国与西欧、我国与北美洲东海岸的距离，北极黄金水道全部开通将为我国降低533亿～1 274亿美元的国际贸易海运成本，降低途经马六甲海峡、苏伊士运河和索马里海域等高敏感区的政治风险。北极蕴藏丰富的油气、矿产、渔业、旅游等资源，北极将成为新的海外资源能源重要采购地，为我国高速经济发展提供清洁能源、战略金属资源、优质蛋白质的有效供给。

我国开展北极科考、资源开发等极地活动均离不开极地科考艇，此外我国极地权益的维护需要极地船舶提供装备支撑。但我国极地科考艇船舶装备在研发设计方面还存在一定的缺陷。

1 设计思路

由于极地区域的冰区分布的特殊性，不论是现有的“黄河号”科考艇还是水冰两栖船，均难以解决目前冰区航行、科考作业存在的问题，因此为解决以上两种现有方式存在的问题，本作品设计出了一种履带式冰区海域两栖科考艇，它能够轻松实现水、冰区域的航行转换模式，在水中以螺旋桨和履带双重推进模式航行，在到达冰面以后采用履带在冰面行驶;破冰船首设计为锥形船首，并在船首上方设置倾斜的破冰刃，更有利于薄冰层的破碎。能够在极地各种复杂地形和极端天气下进行作业，比传统的水冰两栖船更具有灵活机动性，防止发生科考人员被困冰面的情况，节约科考人员体力和宝贵的科考时间。

2 工作原理

2.1 锥形船首的设计

常见的科考艇船首并不具有特殊的破冰功能，考虑到冰区航道的浮冰再次聚集形成厚冰层的情况，为保证科考艇作业的安全系数，所以本作品的船首设计成一种具有破冰功能的锥形式船首，水线以上为后倾式船首，水线以下为普通的前倾式船首，可利用倾斜向后的船首线型，并在船首上方设置倾斜的破冰刃，破冰刃对于薄冰层具有自后下、往前上方向的破冰作用力，更有利于薄冰層的破碎。这种形式的破冰船船首结构紧凑，体积更小，轻便性更好，更符合本作品设计的两栖科考艇的船首，此外本作品的两体的形状也类似于锥形，同样具有一定的破冰能力。

当科考艇脱离母船，到达薄冰区时采用船首连续破冰的方式前进，通过调节船首尾的压载水舱使得船舶适当首倾，使船首进入冰层以下，利用艏部浮力与推进力的合力进行破冰。

2.2 履带悬挂行走机构的设计

为了提高在冰区水域航行的稳性，我们考虑将船型设计为三体船型，并将旁边的两体上设置履带轮，船体四周及底部设置总浮力大于两栖船总重量的水密隔舱、船舱的甲板上方四周设置隔水围挡。在厚冰区时，采用上冰面的方式行进可以有效地提高作业效率。当到达厚冰面将要上岸时，需要将船舶保持适当的尾倾状态，将船尾的压载水打入，使船头翘起，减少上岸时与陆地的冲撞，同时，水舱能够使船体在陆地上行驶更好地调节重心，能够提高行驶速度。

3 创新点

3.1 设计了一种适合冰区恶劣环境下的两栖船舶行进方式

本作品所设计的履带式冰区海域两栖科考艇，在宽敞的冰区航道可利用螺旋桨推进自由航行，在厚冰区、冰原区，通过船身两侧的履带登陆上冰层，与传统方式相比上冰过程更安全，在冰面上利用特制的履带机构行走，能够实现高效率的科考作业，节约科考人员的体力。

3.2 设计具有后倾线型的船首，并加装冰刃，破冰效果好

利用倾斜向后的船首线型，并在船首上方设置倾斜的破冰刃，破冰刃对于薄冰层具有自后下、往前上方向的破冰作用力，更有利于薄冰层的破碎。这种形式的破冰船船首结构紧凑，体积更小，轻便性更好，更适合科考艇这种小型船舶的船首设置。

4 结束语

综合国内外研究现状可以发现，国内外许多学者在科考艇上做了一定的研究，并取得了一定的成果，但关于履带式的冰区航行船舶并没有相关研究，后续制作出完善作品以后，将实地测试冰区的破冰功能以及是否在冰面具体能够承受多大的载重，将不断优化履带的结构，以及校核上层建筑、人员的设计载荷。

参考文献：

[1]师桂杰，高大威.我国极地船舶能力分析与发展建议[J].极地研究，2018，30（04）：429-438.

[2]张磊，朱越星，张艳，刘文华，陆琛亮.一种新型破冰船船首[P].中国专利：CN204432918U，2015-07-01.

[3]王晓晓.两栖船履带行驶系统设计与仿真研究[D].江苏大学，2019.

[4]王凤华.SISUNA系列橡胶履带两栖全地形车辆[J].重型汽车，1996（01）：41-42.

[5]姚宇辉，吴恭兴，操安喜，张健.新型极地科考艇上冰过程的强度分析及可行性研究[J].船舶工程，2018，40（05）：4-8+24.

[6]张健，徐振桓，张焱飞，姚宇辉，刘凡.一种水冰两栖科考艇[P].中国专利：CN104626901A，2015-05-20.

[7]崔连正，徐双喜，郑自强，张文哲，黄家乐，董威.一种撬冰式破冰艏设计及静水阻力计算[J].船舶工程，2018，40（08）：1-4+71.