0 引　言

具备较强极区空间进入能力与时间驻留能力的重型破冰船，成为各国实施极地战略的重要依托装备^[1]。我国尚未有重型破冰船工程实例，在开展相关装备的论证与设计过程中，充分吸收国外设计经验，建立切合实际任务需求的能力评估体系对于探索更合理的国产重型破冰船方案具有重要意义。

俄罗斯、美国、加拿大是少数几个拥有重型破冰船装备的国家^[2]，其中俄罗斯为将北极东北航道打造成为具有国际竞争力的常态航线，计划在2035年建成包括5艘新“北极”级与3艘“领袖”级核动力破冰船在内的庞大重型破冰船船队^[3]。由于“重型破冰船”的概念并未有国际统一标准界定，很多欧洲国家把服务于MOSAiC北极科考计划的德国Polarstern以及曾到达北极点的瑞典Oden号也称作广义上的重型破冰船。为界定评估对象范围，本文按照“重型破冰船”的定义出处，以现役或计划建造中破冰能力较强、排水量较大的典型重型破冰船为研究对象，比较分析各型船设计方案的主要特征，构建并探讨总体方案的量化评估框架，以各国船型方案为实例开展综合评估，为建立标准化的评估方法奠定基础。

1 重型破冰船的定义

即便仅从1897年“叶尔马克”号开始追溯，破冰船的发展历史也长达120多年。然而，如何将破冰船分级却迟迟未有统一的标准，国际船级社协会在2007年才颁布《极地级船舶要求》^[4]，从结构安全和推进系统角度提出PC7～PC1等7个级别的对应要求。2005年美国海岸警卫队极地任务分析报告采用的分级标准为“重型破冰船”、“中型破冰船”、“轻型破冰船”以及“冰区加强船”4个等级^[5]，其中重型破冰船定义为具备以3 kn速度连续破6 ft厚度冰（约1.83 m）能力，同时能以冲撞破冰形式破至少20 ft厚度冰（约6.1 m），推进功率不小于45000 hp（约33 MW）的大型破冰船^[6]。由美国海岸警卫队编制并更新至2017年的“全球主要破冰船图册”被广泛引用^[7]，也使得这一破冰船等级划分概念得到推广。

综上，从破冰船具备的运动冲量大小（体现在推进功率和排水量）、船舶结构可承受的冰载荷能力、破冰线型特征等方面评估，“重型破冰船”为能够在极区2年冰以上冰情独立安全破冰航行的大型破冰船。对应PC等级的描述，应至少为PC2冰级，连续破冰能力2.0 m层冰以上，推进功率大于33 MW的大型破冰船。

2 重型破冰船总体技术方案综合评估方法

一型装备总体方案的评价，需要建立在任务需求的基础上^[8]，亦即通过最小的资源代价和最合理的技术路线实现既定目标^[9]。综合国际上现有的重型破冰船功能特点与典型装备任务分析报告^[10]，参考船舶KPI评估标准^[11], 本文建立如图1所示的重型破冰船技术方案评估流程。对应装备任务需求的能力属性设定为 $ {A}_{i} $ ，根据不同的评估目的选择不同能力属性的权重比 $ {w}_{i} $ ，每项能力属性由具体性能参数 $ {A}_{ij} $ 反映。重型破冰船的综合评估分值SPI计算方式如下：

$ SPI={\sum }_{i}\left({KPI}_{{A}_{i}}{w}_{i}\right) ，$

(1)

$ {KPI}_{{A}_{i}}={\sum }_{j}\left(\frac{{PI}_{{A}_{ij}}-{PI}_{\min}}{{PI}_{\max}-{PI}_{\min}}\times 100\right)/j 。$

(2)

式中： $ {KPI}_{{A}_{i}} $ 为单项能力属性的评估分值； $ {{PI}_{A}}_{ij} $ 为单项性能参数数值； ${PI}_{{\rm{max}}},{PI}_{{\rm{min}}}$ 为各参与对比的技术方案的性能参数最大值与最小值。

3 俄罗斯重型破冰船船型方案

自1959年至今，俄罗斯的核动力破冰船共有5型，表1给出了这些船型的数量与服役状态统计。除核动力破冰船外，LK25型常规动力破冰船虽在推进功率方面略低于定义指标，但具备了连续破2 m层冰的破冰能力。鉴于其与美国极地安全舰的船型方案在动力型式与推进系统方面的类同性，本文仅选择几型俄罗斯核动力破冰船作为重点分析对象。

“泰梅尔”级是苏联联合芬兰赫尔辛基船厂建造的一型浅水型破冰船^[12]。如图2所示，从破冰线型看，“泰梅尔”级所采用的首柱倾角（约23°）、止冰前趾、船首形状等符合Riska^[13]定义的现代破冰船型特点。由于叶尼塞河的吃水限制，船型最小营运吃水7.5 m，这对于核动力船舶的重量与排水量平衡而言有较大难度，也因此“泰梅尔”的船长吃水比（18.5）以及船宽吃水（3.6）较其他破冰船型显著更大。

该船型采用热功率171 MW的KLT-40M反应堆，通过2台18.4 MW的主汽轮发电机为3台12 MW交流推进电机供电，并配备2台2 MW辅助汽轮发电机。当核动力装置失效或主动停堆时，3台中速备用柴油机驱动3200 kVA的交流发电机为全船供电。以上动力系统配置体现在破冰所需的推进功率供给上，最大可提供35.5 MW的推进功率，可长时间持续提供32.5 MW的推进功率，同时保证了在反应堆失效或停堆的情况下，仍可由备用柴油机在保障全船日用电的基础上提供约4 MW的推进功率。

50 Let Pobedy号是“北极”级的一个后续改型船型，相较于前5艘，船长增加了9.6 m，船首线型也采用了改型设计，2 kn持续破冰厚度提升至2.7～2.8 m。50 Let Pobedy号的使命任务主要为维护东北航道，为运输船提供引航及拖曳服务，近年来也用于开展极地旅游业务。

“北极”级采用2个热功率171 MW的OK-900A型反应堆，配备2台27.6 MW的主汽轮发电机，通过6部整流器为3台18 MW直流推进电机供电。5台2 MW辅助汽轮发电机主要为全船推进之外的负载供电，另配备1台1 MW备用柴油发电机和2台200 kW应急柴油机。该动力系统为50 Let Pobedy号提供约55 MW的推进功率。

其全船布置如图3所示，与“泰梅尔”级不同，其主汽轮机舱布置于堆舱前靠船首方向，而辅机舱布置于堆舱后靠船尾方向。核动力破冰船为满足核舱装换料以及辐射防护的要求，生活区一般布置与堆舱靠船首前，因此50 Let Pobedy号的布局方式，在使得堆舱相对更靠近舯后的同时增长了上建生活区的长度, 使其设计定员达到最大180人，满足开展北极旅游业务的乘客舱室需求。

新“北极”级首制船Arktika号于2020年10月交付，是俄罗斯打通东北航道，提供全年破冰引航服务的主要装备。新“北极”级任务使命主要是为包括大型LNGC在内的运输船提供抵达俄罗斯各资源产出地港口的破冰服务，并为浅海区的码头、海洋平台、油田等提供物资燃料、设备运输补给。考虑叶尼塞河和鄂毕湾的冬季冰厚（约2.3 m）和最浅11 m的吃水限制，新“北极”级船型设计采用了8.5 m/10.5 m的双吃水设计。根据模型试验的结果，新“北极”级2 kn持续破冰能力在2.8～2.9 m左右^[15]。

新“北极”级的动力采用了2座RITM-200一体化压水堆，单座反应堆热功率达到175 MW，配备2台36 MW的主汽轮发电机组，推进功率约60 MW，分别采用3台20 MW的推进电机驱动三轴桨推进。该型船设计有2台2 MW柴油发电机，2座辅助锅炉以及3台200 kW应急柴油发电机组。与“泰梅尔”和“胜利50周年”相比，新“北极”级的动力系统方案中一个重要变化是取消了辅助汽轮发电机组的设置，2台主汽轮发电机组直接为全船所有负载供电。

总布置格局方面，该船型与“泰梅尔”级基本一致，同时由于辅助汽轮机组的取消和RITM-200系列核堆的尺寸优化，在装机功率大幅提升的同时，动力舱室所占空间并未显著增大。辅助锅炉和备用柴油机布置于辅机舱中，位于长度约15.2 m的堆舱靠船首方向，2台主汽轮发电机及推进电机、配电板、变频器等则依次布置与堆舱后靠船尾方向。

“领袖”级是俄罗斯冰山设计局主持研发的最新一代重型破冰船，其任务使命较新“北极”级而言，除了保持全年东北航道的畅通，还需要保持从航运经济性角度考虑的引航航速。从破冰能力上看，该型船的设计指标达到了以2 kn在4.3 m层冰（考虑0.2 m积雪）持续破冰航行，而在2 m层冰中的连续破冰速度则达到12 kn^[16]。

为实现前所未有的破冰能力指标，“领袖”级无论从动力系统配置还是船型规模上都达到了现有船型方案的最大。采用2座RITM-400反应堆，单台热功率达到315 MW，通过4台37 MW主汽轮发电机组，提供约120 MW的推进功率及全船其他负载用电。此外全船设置有2台3 MW备用柴油发电机及3台400 kW应急柴油机。

同时，为保证推进系统的整体可靠性，“领袖”级各级系统采用了多种串并联设计，以使单一设备故障影响的有效推进功率损失降至最低。图4为动力电力系统简图及整体布置方案^[17]，其中布置图是“领袖”级研发过程中的一稿概念方案图^[18]。“领袖”级考虑了加装模块化防空及对舰武备的空间与预置设施，因此具备短时间内改装形成一定冰区防务能力的条件^[19]。

4 美国及加拿大重型破冰船船型方案

美国海岸警卫队（USCG）极地安全舰（polar security cutter）预计在2025年实现首舰交付，满载排水量约23300 t，冰级PC2级，采用柴电动力系统，推进功率达到33.7MW，主机采用Caterpillar M32E机型。全船采用中间一组轴桨加两侧吊舱的混合推进模式。此种推进方式是近年来在重型破冰船型应用较多的方案，一方面吊舱提供了在冰区良好的操纵与回转性能，另一方面根据敞水、冰区等不同的功率需求切换推进形式和功率分配，提升综合节能效果^[20]。

在总体布置方面，该船型在全遮蔽式上建设计、驾驶室以上的更高观测台（瞭望塔）、参考客船“安全返港”设计要求的动力系统冗余、轴吊混合推进等技术特征与德国Polarstern II方案相似，同时实现了比科考船更丰富的多功能任务系统集成。

加拿大John G. Diefenbaker号的建造计划几经推延，目前公布的首舰交付时间预计为2030年。其排水量约23700 t，冰级PC2，总装机功率约39.6 MW，推进功率达到34 MW，采用12 MW的中间吊舱和两侧11 MW的轴桨混合推进方式。2014年公布的动力方案为6台6.6 MW柴油机，布置于2个相邻机舱中。与USCG的极地安全舰类似，John G. Diefenbaker号融合了包括物资运输、科学考察、模块化搭载等多种功能。根据加拿大国家研究委员会（NRC）2014年开展的冰池船模试验，该型具备在2.6 m层冰厚度下连续破冰航行的能力，且具有较好的冰区回转、星状回转操作性能^[21]。如图6所示，John G. Diefenbaker号首部布置有货舱，用于物资转运补给；上建居住生活区提供60名船员和40名工作人员的住舱，上建尾部设置有直升机甲板及机库、科考调查工作区、模块化功能搭载区、车库等。

5 重型破冰船技术方案比较评估

根据俄罗斯、美国及加拿大重型破冰船的资料分析，将各船型方案可搜集到的具体参数和评估分值统计于表2。需要说明的是，表2择取了具体性能参数的比较维度。对于自主设计方案而言，有条件通过更为具体的性能参数评估功能属性分值。

6 结　语

本文在对各国重型破冰船技术方案资料开展分析与参数提取的基础上，通过建立评估框架对各型方案进行了量化评分。主要研究结论如下：

1）不同使命任务需求及运营场景，使得各国重型破冰船的技术方案在能力侧重方面有较大差异，也影响了诸如动力型式、推进方式等具体技术途径的选择。俄罗斯重型破冰船主要运营场景为破冰形成一条可供运输船跟随的航道。因此此类破冰船侧重于破冰厚度的绝对值与破冰速度，推进方式上保障较好的航向稳定性和推进系统的可靠性。美国加拿大的重型破冰船运营方均为海岸警卫队，其重型破冰船方案体现了海岸警卫队本身多重职责的特点，有多功能集成的特征。在破冰能力和推进方式的选择上，由于应用场景并非长距离的航道保障，更注重对于特定冰区的海冰管理操作，侧重破冰船的操纵灵活性。

2）相较于单一技术指标的对比，本文采用的评估方法可以从多视角维度评估船型方案，而各能力属性的权重选择，应该基于评估项目的任务目标进行调整。如重型破冰科考船可加大环境调查能力属性所占权重，而重型破冰保障船则可加大物资补给、搜索救援的所占权重。

3）设计者在进行自主设计方案的比较评估时，可纳入更全面的具体技术参数作为评估依据，如破冰能力可拆分为层冰破冰厚度、对应冰强、破冰脊厚度、尾向破冰厚度、回转半径、星状操作180°回转时长等等。经济性的横向比较难度较大，不同年代的投资额等效到一个维度需要考虑当年实际购买力以及汇率变动的影响，而运营成本与收益则更难获取详尽数据。作为资源代价的重要评估方面，在自主设计的多方案比较时可以考虑更全面的经济性具体参数拆解。将各项能力属性评分通过标准化的性能参数组合表达，也是后续需要进一步研究的重点内容。