极地破冰船操纵设计需求分析及研究方法综述_刘小健.pdf

123刘小健，等：极地破冰船操纵设计需求分析及研究方法综述2023年第3期总第204 期极 地 工 程 装 备 研 究 专 栏极地破冰船操纵设计需求分析及研究方法综述刘小健1,3 刘 义2,3 魏跃峰1,3（1.喷水推进技术重点实验室 上海 2 0 0 0 1 1；2.上海市船舶工程重点实验室 上海 2 0 0 0 1 1；3.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 2 0 0 0 1 1）摘 要：船舶在极地地区航行时的操纵问题远比常规水域复杂，使得船舶在极地的航行十分危险，而目前关于极地破冰船特点及操纵性设计需求等方面的分析研究较少。该文介绍了与破冰船操纵性相关的风、浪、流、浅水、狭窄水道、低温和能见度等极地环境条件，分析了俄罗斯等国破冰船的分类及特征，总结了吊舱、多桨多舵破冰船操纵装置操纵性标准相关需求。为满足操纵设计的需要，介绍了破冰船操纵性模型试验、实船试验和数值模拟等操纵性研究方法，提出船-冰相互作用力的计算方法，如经验公式法、有限元法和离散元法等。通过以上分析与总结，为极地破冰船的操纵性设计提供了思路和参考。关键词：极地；破冰船；操纵性；研究设计；数值模拟法；试验研究法中图分类号：U661.3 文献标志码：A DOI：10.19423/ki.31-1561/u.2023.03.123Requirement Analysis and Research Methods of Maneuverability Design for IcebreakerLIU Xiaojian1,3 LIU Yi2,3 WEI Yuefeng1,3(1.Science and Technology on Water Jet Propulsion Laboratory,Shanghai 200011,China；2.Shanghai Key Laboratory on Ship Engineering,Shanghai 200011,China；3.Marine Design&Research Institute of China,Shanghai 200011,China)Abstract:The maneuvering of ships sailing in Polar Regions is much more complex than those in conventional waters,imposing hazards on ships sailing in Polar Regions.However,there are currently few analysis and research on the characteristics and maneuverability design requirements of polar icebreakers.This study introduces the polar environment related to the maneuverability of icebreakers,such as the wind,wave and current,shallow water,narrow waterway,low temperature and low visibility.It also analyzes the classification and ship characteristics of the icebreakers in Russia and other countries,and summarizes the relevant requirements of maneuverability standards for maneuvering devices on ice breakers with pod,multi-propeller and multi-rudder.In order to meet the requirement of maneuverability design,it introduces the maneuverability research methods such as the model test,full-scale test and numerical simulation of ice breakers,and the calculation methods for the ship-ice interaction forces such as the empirical formula method,finite element method and discrete element method.The above analysis and summary can provide references for the maneuverability design of icebreakers.Keywords:polar region;icebreaker;maneuverability;design and research；numerical simulation;experimental research收稿日期：2022-09-24；修回日期：2022-10-21作者简介：刘小健（1979-），男，博士，研究员。研究方向：船舶操纵性。刘 义（1988-），女，博士，高级工程师。研究方向：船舶操纵水动力与控制。魏跃峰（1981-），男，博士，研究员。研究方向：船舶与海洋平台水动力性能。0 引 言地球的南北两端是最寒冷的 2 个区域，冰山、冰盖与浮冰等恶劣的自然环境不利于船舶航行。而随着南极科考以及东北、西北等北极航道的逐步开通，破冰船作为极地救援、领航与科考的重要装备，需求日益强烈。北欧各国以及美国、加拿大和俄罗斯等环北极国家都拥有自己的破冰船队，俄罗斯更是在破冰船技术、装备和作战应用等方面具有领先优势，其同时也是目前世界上唯一拥有核动力极地124破冰船的国家。中国作为近北极国家，并且在南极规则制定等事务中也发挥积极作用，进行极地破冰船的研究和开发具有重大意义。然而，由于缺少水文资料，加之极地地区的气候条件非常恶劣，船舶在极地地区航行时的操纵问题远比常规水域复杂，因此船舶在极地航行十分危险。目前，有国内学者针对极地船舶性能开展了研究：胡晓芳等1从气候环境和舵设计等方面进行了北极航道航行船舶的操纵性设计需求分析；张媛等2、韩阳等3从数值计算和模型试验等角度总结了冰区航行的操纵性研究进展；赵炎平等4介绍了中山站前沿固定冰破冰方案及船舶操纵方法；吴刚等5简要介绍了适用于我国国情的不同等级极地破冰船的总体船型、推进系统、防寒系统设计，以及结构冰载荷模拟、冰带构件优化设计等方面内容。总体而言，关于极地破冰船特点及操纵性设计需求等方面的分析研究较少。本文将介绍极地破冰船航行中遇到的风、浪、流、浅水、狭窄水道、低温和能见度等极地环境，分析国内外破冰船的分类、特点及船舶特征，总结破冰船操纵性设计相关需求。为满足操纵设计的需要，本文介绍目前破冰船操纵性数值模拟、模型试验和实船试验等操纵性研究方法，为极地破冰船的研究设计提供思路和参考。1 极地航行环境极地分为南极和北极，其中南极大陆 95%以上的面积被极厚的冰雪所覆盖。除了严寒外，南极大部分地区的年平均风速为 17 18 m/s，最大风速可达 60 m/s，年平均降水量为 55 mm。北极地区气候终年寒冷，北冰洋表面绝大部分终年被海冰覆盖，是地球上唯一的白色海洋。北冰洋海冰平均厚 3 m，冬季覆盖海洋总面积的 73%，占 1 000 万 1 100 万 km2；夏季覆盖 53%，占 749 万 800 万 km2。中央北冰洋的海冰已持续存在 300 万年，属永久性海冰。北极航道分为东北航道和西北航道，如图1（a）所示，东北航道如图 1（b）所示，西起冰岛，经巴伦支海，沿欧亚大陆北方海域向东，直至白令海峡。西北航道由格陵兰岛经加拿大北部北极群岛到阿拉斯加北岸如图 1（c）所示，该水域岛屿众多，是地球上地形最为复杂的海域之一。航线由于大部分位于北极圈内，航道中的常年冰、冰盖、冰岛、冰山、浮冰和暴风雪天气不利于船舶航行，给航行造成极大的挑战。（a）北极航道 （b）东北航道 （c）西北航道图 1 北极航道示意图1.1 海冰和冰山北极海冰的中心平均厚度达 3 4 m，并且向边缘逐渐减小。这些冰是由许多不连续的冰场组成，在空气和洋流作用下不断移动。在此过程中，往往因挤压作用形成冰山，其厚度明显超过冰盖平均厚度，可达几百米。格陵兰半岛上大陆冰层平均厚度 1 500 m，有的甚至达 1 900 m。由于风和海流的作用，进入冬季后，南极海冰不断向较低纬度的海洋流出、伸展，范围从南极大陆沿岸直达南纬 55。到了夏末（2 月），约 80%的海冰融化，剩余海冰面积为 300 万 400 万 km2，这些海冰将成为 2 年或 2 年以上的多年海冰。南大洋的多年海冰厚度一般在 1 2 m，最大冰厚约 5 m；季节性海冰较薄，通常小于 1 m。多年海冰主要分布在威德尔海、别林斯高晋海和阿蒙森海沿岸。125刘小健，等：极地破冰船操纵设计需求分析及研究方法综述2023年第3期总第204 期极 地 工 程 装 备 研 究 专 栏船舶在极地航行时并没有固定航线，其主要受海域水深、海冰分布以及部分海峡弯曲度的影响。船舶在航道弯曲处操纵难度加大，易发生事故。北极东北航道全程 2 700 3 500 n mile，不同月份和不同海域的冰情也不一样。东西伯利亚海海域的东部沿岸在夏季仍有浮冰，有时还有长年搁浅的冰山。受风力、风向等影响，北极地区的冰块会以不同速度向不同方向漂浮、堆积，导致大量海冰进入海峡，影响船舶通航安全。海冰密集度和海冰厚度是影响船舶航行的主要因素。每年 10 月底到次年 6 月，东北航道除巴伦支海外，其他地区都因冰雪覆盖而无法通航，必须在破冰船的协助下才能航行；7 月底，部分海域可以通航，9 月则是通航最好的月份。海冰会造成海水管堵塞，导致辅机无法正常工作，船体失去动力；海冰挤压船体，造成结构破坏；海冰与螺旋桨碰撞，造成桨叶损伤。1.2 海 流海流会引起船舶漂移，使其偏离预定的航向和航迹。根据各国的观测资料和分析结果可知，北极地区整体流速较高，北极航线上长期存在着较为稳定的海流。受地形影响，东北航道的表层海流大部分时间流速小于 0.5 kn，部分海峡潮流较大，如杨斯克海峡的洋流最高时速可达 6.9 kn，维利基茨基海峡可达 5.0 kn，拉普捷夫海峡能达到 3.0 4.0 kn。6西北航道上，巴芬湾和戴维斯海峡平均流速为 2.0 kn；西部沿加拿大东岸有拉布拉多冷流，平均流速为 0.5 kn；波弗特海为顺时针环流，平均流速为 0.5 kn。71.3 浅 水航行于浅水中的船舶通常会有纵倾和下沉，严重时可能导致触底和搁浅事故的发生。8东北航道海域的浅水效应是影响船舶航行的关键因素之一。其中，拉普捷夫海 53%海域的水深为 10 40 m；喀拉海 40%海域的水深不足 50 m，最小水深为 21 m；东部拉普捷夫海峡最浅水深不足 10 m，仅限吃水小于 6.7 m 的船只通过9-10；沿途的桑尼科夫海峡有不足 9 m 深的浅滩；尤戈尔海峡宽度为 2 12 km，最浅处仅 12 m；维利基茨基海峡的最窄处宽度不足60 m，深度为40 230 m；约戈尔斯基萨海峡水深为 13 30 m。西北航道上，同样有多处航道窄、水深浅的地方。其中，阿蒙森湾附近的多芬联合海峡有多处水深不足 10 m；拜洛特海峡宽度较窄，且具有较强的流，其北部的浅滩水深仅为 4.3 m；辛普森海峡最窄处宽仅 3 km，多处水深不足 5.5 m；雷伊海峡的水深仅为 5 18 m。1.4 低温和低能见度北极是四周被大陆包围的海洋，中间是北冰洋，只有夏季和冬季 2 个季节。冬季极夜一片漆黑，整个冬天没有白天，最低温度达到-60。南极是被海洋