0 引　言

随着全球变暖的加剧，南北两级的战略地位日益凸显。破冰船是各国进行极地探索的必备船只，可用于两级的航行、极地科学探索和极地海洋资源运输等重要领域。作为北极航道开辟、自然资源开采的必要装备，极地破冰船是各国推进极地战略的重要抓手，具有重要战略地位^[1]。近年来各国不断加快对南北两极探索的步伐，俄罗斯、美国、加拿大以及欧洲多个国家都掌握着中型以上破冰船的研发和制造技术，部分国家拥有本国的破冰船队。由于地理因素，俄罗斯在破冰船的研究领域最为领先，其掌握的技术最为先进，且数量最多，俄罗斯也是全球唯一掌握核动力破冰船的国家。我国近年来在极地探索的规则制定和极地科研等领域发挥着积极作用，这对于两极地区的开发研究意义重大。

极地分为南极和北极，南极是一个覆盖着巨大冰盖的大陆，北极主要由浮动的北极冰层和一些孤立的终年冰岛组成。破冰船的航行常常要面临种种挑战，这些挑战包括常年存在的冰层、冰盖、冰岛、冰山以及浮冰，还有频繁出现的暴风雪天气。这些因素都不利于船舶的航行。南北两极的冰情在过去几十年发生了一些显著变化，平均海冰范围和厚度每年也在不断减小，这是全球变暖的一个直接结果^[2]。部分海域的沿岸夏季也会有浮冰甚至冰山，由于风力和风向的变化，浮冰会向四面八方浮动，这严重威胁到破冰船的航行^[3]。北冰洋海雾和大雪频发，严重影响北极地区能见度。影响南极能见度的不利因素较多，如海雾、大风、吹雪及雪暴，且会同时出现。极地低温也是影响破冰船航线的重要因素。北极冬季（12月～次年2月）的平均气温则可下降到−30℃甚至最低温度达到−60℃，而南极冬季（6月至8月）冰雪覆盖的南极地表反射大部分的太阳辐射，使得地表温度持续保持在极低水平，所以其平均气温可下降到−60℃甚至最低温度达到−90℃。

由于极地地区气候恶劣，以及对极地地区的航行条件缺乏了解，导致破冰船在南北两极的航行难度系数过大且危险系数过高。目前，已有国内学者对破冰船的吊舱推进系统进行了研究，但相关研究数量较少。廖慧清等^[4]总结了混合电力吊舱推进系统在机舱布置、燃油消耗量、投资成本等方面的优良性能。黄嵘等^[5]分析了ABB(Asea Brown Boveri Ltd.)公司Azipod吊舱式推进器的组成特点和优势，介绍了吊舱推进系统中电力系统的构成。桂阳等^[6]对各级破冰船的动力系统和推进系统的优缺点进行了总结；龙飞等^[7]总结了吊舱推进系统的特点和优势，并阐述了该推进系统未来的发展趋势。

本文介绍影响破冰船航行的极地环境条件，分析不同国家破冰船的分类及特征，总结破冰船吊舱推进系统的发展及特点。通过分析和讨论，展望吊舱推进系统在破冰船领域的应用前景。

1 国外极地破冰船发展现状

目前，只有少数国家掌握破冰船技术且拥有自己的船队。俄罗斯共有51艘不同级别的破冰船正在服役，其中包括几艘核动力破冰船；芬兰11艘，加拿大8艘，丹麦7艘，美国5艘，瑞典5艘，以及挪威2艘等。其中，俄罗斯占比近46%，其他国家共占比近54%。

1.1 俄罗斯

作为最大的北极国家，俄罗斯拥有漫长的北极海岸线。但由于地理位置和气候环境的影响，俄罗斯的航运并不发达，一年中仅有不到3个月的时间通航。随着其破冰船数量不断增多，这一局面有所改善。在俄罗斯的战略计划中，核动力破冰船扮演着至关重要的角色。但俄罗斯破冰船船龄较大，船体也有损耗，所以急需新开发的破冰船。

22220型是新一代通用核破冰船，目的是取代苏联时代的“北极”级和“泰梅尔”级核破冰船，确保沿北方航道的全年航行，设计工作于2006年正式开始。该型核动力破冰船长度173.3 m，宽34 m，排水量为33 500 t，破冰厚度可达3 m。其动力装置包括2座RITM200型核反应堆，每座反应堆可提供175 MW的热功率，为螺旋桨提供60 MW的推动力。该型破冰船包括5艘船，分别是“北极”号、“西伯利亚”（Sibir）号、“乌拉尔”（Ural）号、“雅库特”（Yakutia）号和“楚科奇”（Chukotka）号。目前，前3艘已经服役。

俄罗斯计划建造3艘新型破冰船，属于10510型核动力破冰船的第四代。建造将在俄罗斯红星造船厂进行。其中，旗舰破冰船被命名为“俄罗斯”号，属于“领袖”级破冰船。“俄罗斯”号将由2座RITM-400核反应堆提供动力，每座核反应堆的功率为120 MW，热功率为315 MW。该船将采用4部螺旋桨进行推进，预计于2027年竣工。这些新型核动力破冰船的建造标志着俄罗斯在极地技术领域的巨大进步。它们将具备更强大的破冰能力和更高的航行续航能力，为俄罗斯在北极地区的科学研究、能源开发以及海上运输提供重要支持。其建造将进一步加强俄罗斯在极地事务中的地位，并展示了俄罗斯在核动力破冰船技术方面的领先地位。22220型船总体性能如表1所示^[8]。

1.2 美　国

美国目前共有2艘极地破冰船，1艘“极星”号和1艘“希利”号，主要由海岸警卫队管理，负责美国两极地区的各类任务，包括科学研究、冰区护航、搜索救援和渔业监管等。极地破冰船是美国实现地缘战略并获取极地竞争优势关键工具。然而，由于美国的极地破冰船数量有限，极大地限制其在高纬度海域的作业能力。这种情况对于美国在北极和南极地区的利益以及地缘政治的影响力构成了挑战。因此，美国一直在努力增加其极地破冰船的数量和能力，以提升在极地地区的存在和影响力。

“极星”号于1976年服役，其主要职责是协助补给船向美国在南极的科考站运送人员和物资，可支持和保障科学研究、航行安全以及特定任务的执行，在保护美国利益、探索极地地区并维护国际合作方面发挥着重要作用。“极星”号的设计使用寿命为30年，目前已超期服役16年，与该船同期建造的“极海”号破冰船，因发动机故障于2010年退役。

“希利”号于2000年服役。由于其破冰能力的限制，该船无法独立应对南极地区的冰情，因此通常用于北极地区的保障任务。其主要任务包括在北极地区执行科学研究、海洋保护和执法，以及为其他科考船提供支援。在北极地区，它扮演着多种角色，如地理勘测、海洋生物学研究、气候变化观测等重要任务的执行者。美破冰船总体性能如表2所示。

近日，美国密西西比州布林格造船厂已开始制造美国新一代重型破冰船的首批部件，标志着美国正式启动了“极地安全巡逻舰”项目。这是自20世纪70年代以来美国再次建造此类船只，展示了对于极地安全和科考能力的重视。这将使美国能够重新拥有自己的重型破冰船队伍，以满足不断增长的北极地区需求，并与其他国家在极地竞争中保持竞争力。

1.3 加拿大

作为环北极圈国家，加拿大也拥有一支破冰船队，且数量客观。加拿大目前共有8艘破冰船在服役，主要包括4种型号：1100型破冰船、1200型破冰船、1300型破冰船及Terry Fox远洋破冰船，等级也依次递增。其中，1100型破冰船归属加拿大海上自卫队管理，共有6艘。1200型破冰船共建了4艘，1978−1988年期间开始服役。1300型破冰船共建造了1艘，于1969年服役。Terry Fox级远洋破冰船建造了1艘。该型号的破冰船搭载全柴动力系统，总功率达23 200 hp。其航速可达16 kn，续航力为1920 n mile（以15 kn航速计算）。这艘破冰船在远洋航行中表现出色，具备优秀的破冰能力，可应对恶劣的冰雪环境。加破冰船总体性能如表3所示。

1.4 芬　兰

芬兰是一个拥有世界领先水平的破冰船建造和运营国家，因为有长达1100 km的海岸线和可能急降到−30℃的冬日气候，促成了该国在破冰船的设计和建造上的领先地位，其破冰船业务在全球享有很高的声誉。

目前芬兰拥有多艘破冰船，分为3个等级：Karhu型破冰船、Tarmo级破冰船及Urho型破冰船，芬兰破冰船总体性能如表4所示。

2 国外破冰船吊舱推进系统发展研究 2.1 应用特点分析

吊舱推进器通过围绕连接船体的垂直轴旋转360°，能够产生指向任意方向的推力，这使得船舶具备卓越的操纵性能^[9]。吊舱推进器是一种特殊的推进系统，通常由一个或多个推进器组成，而这些推进器位于船舶底部的可旋转吊舱内。与传统的舵桨装置相比，其电机装置位于吊舱内部，吊舱推进器不需要使用机械式齿轮传动装置，因此其传动效率更高且更加节省船体空间^[10]。

吊舱式推进器的独立模块化设计使得维护和维修更加方便。由于推进电机和螺旋桨组成一个整体，如需进行维护或更换，可简单地将整个推进模块吊起并进行相关操作，而无需进行复杂的拆卸和重新安装。这样可节省时间和人力成本，并减少维护过程中的船舶停航时间。同时，这种推进器在船舶工业中得到广泛应用，提供了可靠而高效的推进解决方案。基于以上优势，该推进器得以广泛应用，可用于各种船舶类型，如破冰船、货船和客船，以提供推进力和操纵性能。ABB最初开发吊舱原型机就是应用在破冰船上，主要优势为：使用倒航破冰，可斜向破冰，开出比船宽还宽的航道^[12]。

同传统的轴桨推进相比，吊舱式推进器在破冰方面优势更为明显。

1）通过在水平方向上实现360°旋转，推进器极大地增强了船舶的操纵性和机动性能。由于吊舱的支架上安装有回转轴承，吊舱能够实现水平面上360°的旋转，从而在水平面上产生来自任意方向的推力。这意味着使用吊舱推进器的船舶即使取消了传统舵的使用，仍能获得卓越的操纵性能和机动性。以“乌拉尔”号的主推进装置——破冰型吊舱式全回转推进系统为例，推进系统中的螺旋桨可做到360°旋转，使航行中的动作精度显著提升。

2）灵活性强。吊舱式推进器通常具有良好的可调位置和全方位旋转能力，使得船舶能够根据冰层的情况进行灵活的操纵。通过调整吊舱位置和推进器方向，船舶可找到最佳的破冰方式，更轻松地穿过冰层。如得益于更加先进的动力和推进装置，与前代极地科考船相比，无论是转弯、停泊离泊、原地回转还是冰区作业，“乌拉尔”号都更加灵活，在恶劣海况下的安全性和调查作业精度也大大提高。

3）推力强大，推进效率高。吊舱式推进器通常具有较大的推力输出能力，可提供足够的动力来推进船舶穿过冰层。这一强大的推力使得船舶能够克服冰层的阻力，保持航速并顺利前进。由于吊舱推进器位于更平稳的流场中，进入螺旋桨的水流更加均匀，这有助于减小螺旋桨的振动并提高其推进效率。另外，主推电机直接安装在吊舱内，直接驱动螺旋桨，使得整个推进系统的机械零部件数量减少到最低限度，从而降低了机械损耗并提高了效率。

4）冰刀设计。部分吊舱式推进器还配备了冰刀设计，这些冰刀位于推进器的前缘，能够切割冰层并减少阻力。冰刀的存在使得吊舱式推进器更加适应破冰任务，并提高了破冰效率。可斜向破冰，增加航道的宽度。破冰性能同样是“乌拉尔”号的一大亮点。船首破冰厚度3 m，且在3 m厚的冰层上，航速可达2 kn。采用双吃水设计，既可在北极环境下指挥船队前进，也可在极地河流河口附近的浅水区工作

5）高度可靠。吊舱式推进器通常采用坚固耐用的材料和设计，能够承受在破冰过程中可能出现的严酷环境和挑战，确保了推进器在破冰任务中的稳定性和持久性。

6）吊舱推进器具有方便布置和节省舱容的优势。由于吊舱推进器不需要传统机械推进系统中的舵系、轴系、轴毂和人字架（轴支架），船舶内所需的空间更少，从而节省了舱容。此外，吊舱推进器不受轴系安装位置的限制，可更加便利地进行布置。不再局限于传统推进器只能后置布置，吊舱推进器可根据需要在适合的位置布置。这对于提高舰船推进系统的操纵性和适应性具有重要意义，使得舰船能够更灵活地应对不同的操纵需求，增强了其生命力。

2.2 代表性产品及应用

目前，国际上主流的吊舱推进器产品主要有4个系列：ABB公司的Azipod系列、卡米瓦和阿尔斯通公司的Mermaid系列、西门子和肖特尔公司的SSP系列，以及荷兰瓦特希拉Marine Division和SAM电子公司的Dolphin系列。

其中，作为吊舱推进器领域的开拓者，Azipod系列在该领域的地位举足轻重。Azipod推进器目前已在市场上广泛应用的有Azipod C、Standard Azipod和CRP Azipod这3种系列^[13]。以其外形紧凑、航行速度快、噪声低、燃油效率高和操纵性优良等一系列优点独树一帜，俄罗斯“乌拉尔”号破冰船配备了该系列推进器。

Mermaid吊舱推进器所采用的AC-DC-AC变频器具备显著优势^[15]。相较于其他系统，该变频器系统与大功率异步电动机可实现完美契合，带来了卓越的性能表现，如效能高、声低等特点。此外，Mermaid系列推进器还配备了精确的控制系统，通过同步转换器或脉冲宽度调制转换器实现对推进器速度的精确控制。这使得船舶在各种操作条件下都能保持稳定的推进力和船舶操纵性能。

SSP推进器适用于高功率船舶，如破冰船、大型豪华邮轮等。该推进装置采用高效电动机和专业设计的螺旋桨，搭配1台Permasyn永磁同步电动机进行驱动，通过精确的控制系统实现船舶的推进和操纵，其具有出色的推进效率、灵活性和操纵性能，同时也具备低噪声、低振动等优点。

Dolphin系列推进器引人注目的特征在于其运用无刷同步电动机作为推进电机，以及以同步转换器或脉宽调制转换器来有效掌控推进速度^[16]。与固定螺距螺旋桨相比，Dolphin系列推进器实现了2部螺旋桨旋转并且方向相反，使其推进效率得到了较大提升^[17]。

SISHIP eSIPOD推进器是西门子能源公司（Siemens Energy）开发的一种创新型电动船舶推进系统。与传统的机械推进系统相比，eSIPOD推进器采用电动驱动，利用电动技术，能够实现高效能源利用和节能效果。通过电动驱动，减少了能量的转换损失，并且在需要时可实时调整功率输出，以适应不同的航行工况，从而提高效率和节省燃料成本。此外，eSIPOD推进器采用模块化架构，可根据船舶的需求进行灵活配置^[18]。船舶可根据自身要求选择推进器的数量和布局方式，以达到最佳的航行性能和船体平衡。同时，还为船舶提供了宝贵的空间，以安装其他设备或货物。

3 结　语

推进系统决定破冰船的破冰能力。本文介绍了影响破冰船航行的极地环境条件，分析了不同国家破冰船的分类及特征，总结了破冰船吊舱推进系统的应用及优势。吊舱式电力推进器是一种近年来发展迅速并广泛应用于各类高技术船舶的推进系统。尽管其开发时间相对较短，但凭借其出色特性，成功装载与各类船舶，未来破冰船推进系统的发展将紧密围绕吊舱推进器展开。