[科普中国]-破冰船

历史

1864年，俄国人将一艘小轮船“派洛特”号改装成世界第一艘破冰船，为在冰冻期保持喀琅施塔得至奥兰宁鲍姆航线的通航，而英国为俄国建造的“叶尔马克”号破冰船，则是第一艘在北极航行的破冰船。1

1912年，中国首次建造了“通凌”号破冰船和“开凌”号破冰船，排水量均为410吨，功率为688马力。随着南北极考察事业的发展，现代破冰船已成为极地考察的重要装备，除用于破冰外，还兼负运输和海洋考察等任务。这类破冰船的航程远，破冰进展慢，燃料消耗大。采用核动力推进装置，能适应其特殊需要，但造价昂贵。

1957年，苏联建造的“列宁”号破冰船，是世界上第一艘核动力破冰船。2

中国海域曾经出现过多次严重的冰情，1936、1947、1969年是最严重的三次，其中1969年最为

严重。

1969年2－3月渤海出现了最大的冰封，盛冰期比常年推迟1个月，渤海湾的冰期达到4个月，冰封严重时，冰外缘线距渤海海峡仅35海里，整个渤海几乎全部被海冰所覆盖，冰封状态维持长达40-50天之久，小型冰丘堆积高达5米，123条各型船只被困，7条船只进水；海井2号平台被流冰推倒，损失严重。

该情况引起了国务院的高度重视，周恩来指示破冰，空军进行了轰炸破冰，同时指示海军建造破冰船，海军在100天内相继完成了海冰722、721（上海造船厂建造，1969年12月26日下水）的建造，并于1970年起对渤海及黄海北部海冰冰情进行了连续调查，航测及岸边定点测量由国家海洋局负责，海上调查由海军负责，双方配合进行。

1989年起海军独立执行海冰调查任务。海冰调查的目的在于获取冬季海上冰情、水文、气象资料，为防冻破冰、减灾防灾、保障舰艇冬季海上航行安全和海洋开发、支援地方经济建设，进行海冰生消规律和理化性质研究，为海上冰情预报工作提供实况依据。

特点破冰船的长宽比例同一般海船大不一样，纵向短，横向宽，这样可以辟开较宽的航道。一艘排水量在37000吨、拥有7.35×107瓦的现代破冰船，长度为194米，而宽度则达32.2米。破冰船船头外壳用至少5厘米厚的钢板制成，里面用密集的型钢构件支撑，船身吃水线部位用抗撞击的合金钢加固。

破冰船一般常用两种破冰方法，当冰层不超过1.5米厚时，多采用“连续式”破冰法。主要靠螺旋桨的力量和船头把冰层劈开撞碎，每小时能在冰海航行9.2千米。如果冰层较厚，则采用“冲撞式”破冰法。冲撞破冰船船头部位吃水浅，会轻而易举地冲到冰面上去，船体就会把下面厚厚的冰层压为碎块。然后破冰船倒退一段距离，再开足马力冲上前面的冰层，把船下的冰层压碎。如此反复，就开出了新的航道。用燃料油为动力的破冰船，多采用柴油机带动发动机发电，电动机驱动螺旋桨（组合机组驱动），驱动功率可达上百万瓦，可以满足较长时间破冰航行的需要。

1957年，前苏联制造出第一艘核动力破冰船——“列宁”号。它的动力心脏是压水式核反应堆，高压蒸汽推动汽轮机，带动螺旋桨推动航船。 如果核动力破冰船带上10千克铀，就相当于带上25000吨标准煤，可以在远离港口的冰封海域里常年作业。破冰船装有2～4只螺旋桨。

由于很多海域在冬季都会出现结冰的现象，所以很多国家都有破冰船，一些靠近北极的国家还拥有专门的北极破冰船。俄罗斯拥有7到8艘核动力极地破冰船，可执行任务的有6艘。美国海岸警卫队的中型极地破冰船队主要有3艘船组成，其中，“希利”号号称美国时下最新、最强的破冰船。此外，英国、挪威、加拿大、日本、芬兰等国也拥有自己的破冰船。中国的“雪龙号”也是极地破冰船。

破薄冰的船在船尾和靠近船头的侧位，分别各装两只螺旋桨，船头螺旋桨从冰下将水抽出，削弱冰层的支托并使其成为片状裂开。船在后两只螺旋桨的推动下前进。破厚冰的破冰船，为使船可以冲到冲层上面，多在船尾两侧对称地装两只螺旋桨。

一般对付半米以下的冰用那种方法，当遇到更厚的冰块时，就要用船的撞击作用来制服它。这时候破冰船就向后退，然后用自己的全部质量向冰块猛撞上去。这时候起作用的已经不是重力，而是运动着的轮船的动能；船好像变成了一个速度不大但是质量极大的炮弹，变成了一个撞锤。

几米高的冰山，破冰船就得用它坚固的船首猛烈撞击几次，才能把它们撞碎。所以破冰船都是用很厚的钢板做的，很结实的。

中国即将自主建造第一艘极地科学考察破冰船，这艘破冰船今后将与“雪龙”号极地科学考察船结伴进行南北极多学科综合考察。国家海洋局将面向社会为这艘极地科学考察破冰船公开征名。

以下为该船简介：

新船的运行管理单位：

中国极地研究中心

新船的主要用途：

新建船舶为极地科学考察破冰船，将配备国际先进的调查设备，装备船载直升机。满足无限航区和南北两极海域要求，成为具有全球航行能力的“绿色”极地科学考察破冰船。

在综合环境调查方面具备与气候变化密切相关的主要海洋和大气综合观测取样能力，能够成为极地海洋基础研究综合调查观测平台；在海洋地质地球物理调查方面具备在极地海区季节性地开展海洋地质、海洋重力、磁力和地震的调查作业能力，能够成为极地海底科学调查研究的工作平台；在海洋生物、生态调查方面，具备海洋生物、生态调查和评估的手段，能够成为极地海洋生物储量调查的基本平台。能够承担部分南极考察站物资运输任务。

吨位：

轻载排水量8000吨级，续航力20000海里，自持力60天。

航速：

作业航速约0~15节，在0～最大航速范围内无级变速，常用航速12～15节。可动力定位。

破冰能力：

破冰厚度不低于1.5m加0.2m雪，连续破冰速度2~3节。在冰区中航行时可在较短时间内进行转向并具有良好的操纵性。

耐波性：

配备主动式减摇系统，提高船的耐波性，有效减少波浪对船舶的影响。

适居性：

具备公共生活区、休闲区和学术交流场所。

主要能力：

具备在全球各大洋区进行大范围水深内的海洋水文、物理、地质、生物、化学、声学、大气等综合要素的立体、实时、同步探测、分析和处理能力，以及海基数据系统集成和信息传输能力。具备考察数据采集、样品的保真取样和现场分析能力和与陆基实验室的联合处理能力，具有装备无人缆控深潜器(ROV)、无人遥控深潜器(AUV)和水下探测系统的支撑平台，以满足环境、海洋地球物理、海洋生态综合调查的需求。

具备一定的考察站后勤物资运输能力。

新船建成后，将会与现有的“雪龙”号船一起，编队赴南北极进行科学考察和后勤补给。

工作原理简介破冰船的工作是用相同的物理现象做基础的：露在水面上的那一部分船身，因为它的重量没有水的浮力作用把它抵消掉，所以仍旧有它原来的“陆上”重量。你不要以为破冰船在行驶的时候是用自己的船首部分的压力不断地切开冰的。破冰船不是这样工作的，这样工作的是切冰船，例如像在三十年代著名的“里特克”号。这种工作方法只能用来对付比较薄的冰。

真正的海洋破冰船是用另外一种方法工作的。破冰船上的强大的机器在开动的时候，能把自己的船首移到冰面上去，它的船首的水下部分就是因为这个缘故造得非常斜。船首出现在水面上的时候，就恢复了自己的全部重量，而这个极大的重量就能把冰压碎。为了加强作用力，有时候在船首的贮水舱里，还要盛满水“液体压舱物”。3

在冰块的厚度不超过半米的时候，破冰船就是这样工作的。遇到更厚的冰块，就要用船的撞击作用来制服它。这时候破冰船就向后退，然后用自己的全部质量向冰块猛撞上去。这时候起作用的已经不是重量，而是运动着的轮船的动能；船好象变成了一个速度不大但是质量极大的炮弹，变成了一个撞锤。

实验参加过1932年有名的“西伯利亚人”号通过极地的航行的水手马尔科夫曾经这样描写过这只破冰船的工作： 在几百座冰山中间，在密实地覆盖着冰的地方，“西伯利亚人”号开始了战斗。连续五十二小时，信号机上的指针老是在从“全速度后退”跳到“全速度前进”。在十三班每班四小时的海上工作里，“西伯利亚人”号疾驰着向冰块冲去，用船首撞它们，爬到冰上把它们压碎，然后又退了回来。厚达四分之三米的冰块慢慢地让出了一条路。每撞一次，船身就可以向前推进三分之一。

夹角但这里还有一个值得关注的问题。船舷与竖直线是有一定的夹角的，但是，有些船的下部是很直的，甚至有些船的下部有些地方是往里凹的，就像集装箱船。那么为什么破冰船会有那样的构造呢？

这里就要说到一个问题。众所周知，冰面是很滑的，那么当破冰船在有冰的海面上行走的时候，船体与冰面的摩擦系数是多少呢？想想冬天在有冰的路面走路的时候情景。

但是，科学家发现，船体的钢板与冰面的摩擦并没有想象中的小，并且有些船因此而到了船毁人亡的境地。经过研究发现，冰面与新船的钢壳之间的摩擦系数达到了0.2，因此这就导致了一个问题，如果船舷与竖直面之间的夹角太小的话，冰就会把船给压坏了。

压力冰对船的压力分为两个力，垂直于船舷的力R和相切于船舷的力F，P和R之间 的夹角等于船舷对竖直线的倾斜角 ，冰对船弦的摩擦力Q等于力R乘以摩擦系数，，即Q=0.2R。

如果Q比F小，力F就把压在船身上的冰推到水里去，这时，并就沿着船舷滑动，并不损坏船；如果Q比F大，摩擦力就妨碍着冰块的滑动，使冰块长时间压在船舷上，就要把船舷压坏。

倾角从三角函数表里可以查出，正切函数是0.2的角是11°。这就是说，在α>11°的时候，Q