0 引　言

由于南北极特殊的地理位置和丰富的自然资源，世界各国积极推进极地航线发展^[1]。我国至今已开展了40次南极考察和13次北极考察。随着极地考察的不断深入，极地装备的重要性日渐凸显^[2]。作为南北极航道开辟、自然资源开采的必要装备，极地破冰船具有重要的战略地位。我国在极地科学研究和极地航行方面的起步相对较晚，相较于环极地国家，我国在破冰船的建造和运营方面的实践经验相对较少^{[3 − 4]}。

“雪龙2”号是我国第一艘专业的极地科考破冰船。它是中国极地考察的重要平台，能够承担各种科学研究任务，包括气候变化、生态环境、地质地球物理、生物多样性等领域^[5]。“雪龙2”号极地考察船是多功能科考破冰船，设计与建造符合中国船级社（CCS）和英国劳氏船级社（LR）入级规范要求，具有国际领先的双向破冰能力^[6]。“雪龙2”号极地船级为PC3，根据破冰设计指标，需在自然条件下对“雪龙2”号进行实船破冰试验^[7]。在“雪龙2”号南极首航破冰试验中，已开展了冰弯曲强度试验和艏艉双向破冰试验。本次试验将进一步开展冰区启动试验、层冰连续破冰试验、冰区冲撞试验等试验，进一步探索复杂工况下的破冰试验方法。其中，冰区启动试验主要探究破冰船从静止状态到连续稳定破冰过程的功率和航速的变化。由于船体周围存在冰雪固结且启动阶段与冰层的摩擦系数较大，故所需的启动功率往往较大，而启动后在一段航速内功率呈下降趋势，到了某个临界航速所需功率最小，随后航速不断增加所需功率也不断增加。通过该试验可以获取破冰船在层冰中启动阶段的功率变化情况（包括启动功率以及临界航速）。该试验结果对破冰船最大推进功率的选取以及破冰能力试验鉴定具有重要意义。层冰连续破冰试验是指在冰封水域中，通过不断前进，持续地将冰块破碎和清除，以保持航道畅通的过程。连续破冰试验通常在2～3 kn航速下进行，在1.0 ～1.6 m的完整层冰下破冰航行，通过实船试验获得破冰船在层冰连续破冰工况下的实验数据，获得破冰能力指标。冲撞试验是指破冰船以超过8 kn的限制航速冲撞冰脊，如船在冰脊中完全停止后，向后倒车3倍船长的距离，继续向前冲撞，重复以上过程直到完全通过冰脊。本试验计划获得“雪龙2”号通过冰脊的能力。实船破冰试验是验证破冰船破冰能力的重要环节。本文详细介绍了我国第39次南极科考、第13次北冰洋科考任务中开展的实船破冰试验过程，具体说明了随船数据采集、海冰采集与力学试验、层冰连续破冰试验、冰区启动试验、冰区冲撞试验等实验过程，并对实验数据进行记录与评估。在自然条件下，实尺度验证“雪龙2”号的破冰能力，可为我国开展后续的破冰船设计建造提供可靠的参考。

1 试验内容 1.1 第39次南极航次

在第39次南极航次中，“雪龙2”号于2022年11月27日抵达距离中山站14 km的卸货点，于2022年11月29日在船舷侧冰面开展海冰试样采集与冰力学测试，并于2022年12月3日、12月4日开展冰区启动试验。本航次主要试验内容如表1所示。由于破冰船是跨时区航行，实际时间需在船时基础上进行换算，其中UTC为世界标准时间（Universal Time Coordinated），表1的试验时间是在UTC基础上加5 h。

1.2 第13次北极航次

在第13次北冰洋科考中，“雪龙2”号于2023年7月25日−2023年9月9日抵达冰区开展航行及作业任务。其中，2023年8月12日−8月18日到达楚科奇海北部、9月3日−9月5日到达北冰洋冰区开展海冰试样采集。“雪龙2”号在2023年8月18日开展冰区启动试验，2023年8月29日进行层冰连续破冰试验，2023年8月29日进行冰区冲撞试验。本航次主要试验内容如表2所示。

2 海冰采集与力学试验

通过前期确定目标试验冰区后，需要对该冰区的冰、雪厚度进行实地测量，明确实船试验的冰区环境。第39次南极考察期间在中山站前陆缘冰区进行冰样采集，采样方式分为大型冰坯和冰芯两类，测试内容包括海冰基本物理性质以及力学性能。第13次北极考察期间共对包括北极点在内的6个短期冰站与1个长期冰站的海冰进行冰芯采样，并对其开展了海冰物理力学性质试验。其中，在所有站位均开展了单轴压缩试验，对N13ICE02与N13ICEL两个站位的海冰开展了三点弯曲试验。

2.1 冰层特性测量 2.1.1 冰物理特性测量

冰物理特性测量是指对冰的各种物理特性进行定量测量和分析的过程^[8]。科考队员下至冰面进行大冰样、冰芯采集工作，主要进行冰面上的海冰测厚、钻取冰芯、切割冰坯以及吊运等工作。科考人员采用手动采冰装置在距离船一定距离的位置切取大冰坯。冰样采集完成后，记录采集时间、采集地点经纬度、冰样温度与盐度、覆雪厚度与密度等。

2.1.2 冰力学特性测量

利用冰力学特性测量获取海冰弯曲强度^[9]。利用大冰坯进行海冰弯曲强度试验，首先对大冰坯进行积雪清除，再沿船长方向将冰坯从上到下切成冰片，最后将冰片加工成一段段弯曲试样，通过三点弯曲方法进行弯曲试验^[10]。海冰单轴压缩强度试验与弯曲强度试验冰样制备类似，先制取冰片，继而将冰片加工成压缩强度试样，进行单轴压缩强度试验^[11]。

2.2 海冰采集与力学试验结果

第39次南极考察期间在中山站前陆缘冰区进行冰样采集，采样方式分为大型冰坯和冰芯两类，共取得6只冰芯，测试内容包括海冰基本物理性质以及力学性能。此外，采样过程中所测量的平整冰厚度约1.2～2 m，积雪厚度为0.3～0.5 m。由于后续的冰区启动试验与海冰采集与力学试验在同一区域进行，海冰采集与力学试验结果可为实船破冰试验补充冰厚、雪厚等环境条件。

第13次北冰洋考察期间在楚科奇海北部海域、北极中央海域中山站前陆缘冰区进行冰样采集，采样方式分为大型冰坯和冰芯两类，测试内容包括海冰基本物理性质以及力学性能。各站海冰单轴压缩强度的平均值最小值为N13ICE03的1.77 MPa，最大值为冰站N13ICE02的3.65 MPa。北极海冰的厚度较为接近，各冰站在采样过程中所测量的平整冰厚度约1.2～2 m。

海冰采集与力学试验可为后续的“雪龙2”号实船试验提供环境数据，进一步验证“雪龙2”号的破冰能力。

3 “雪龙2”号实船破冰试验

“雪龙2”号实船破冰试验包括层冰连续破冰试验、冰区启动试验、冰区冲撞试验。通过实船试验获得破冰船在各种工况下的实验数据，为后续初步分析极地破冰船的破冰能力提供数据基础。

3.1 第39次南极航次实船破冰试验 3.1.1 冰区启动试验

1）第一阶段试验

2022年12月3日23:14:50−2022年12月3日23:23:51时，“雪龙2”位于中山站附近海域（东经76°24.7′，南纬69°14.0′）的层冰区进行第一阶段的冰区启动试验（尾向）。试验初始时，大气温度为−3.1℃，风速为12 kn。

如图1所示，随着推进功率的不断增加，船舶航速开始慢慢启动至1 kn左右；当推进功率占设计总功率53.3%并保持恒定时，此时航速在0.6～1 kn之间波动；再缓慢增加功率，航速波动上升；当推进功率占设计总功率73.3%并保持稳定时，航速在0.7～1.4 kn波动。本阶段对地速度总趋势随着推进功率增加呈上升趋势。如图2所示，当航速从0.2 kn提升至1.4 kn时，此阶段的冰阻力处于900～1300 kN之间，并呈现缓慢增加的趋势。根据图3可知，试验阶段推进功率约占电站总功率的85%，约占设计总功率11.3%的剩余功率将用于破冰船的日用电消耗（查询“雪龙2”号的电力负荷估算书，其中破冰工况的日用电约1848 kW）。以上数据较好地验证了实船日用电的电力负荷较设计工况偏小，约8%，可为合理估算实船在破冰工况下的日用电负荷提供参考。

2）第二阶段试验

2022年12月4日00:15:39−2022年12月4日00:30:00时，“雪龙2”位于中山站附近海域（东经76°24.7′，南纬69°14.0′）的层冰区进行第二阶段的冰区启动试验（尾向）。试验初始时，大气温度为−3.6℃，风速为13.8 kn。

如图4所示，随着推进功率的不断增加，船舶开始慢慢启动至1.2 kn左右；当功率增加到约占设计总功率40%并保持恒定时，此时航速骤降至0.1 kn，并在0～0.8 kn之间波动；再缓慢增加功率约占设计总功率60%时，航速处于0～0.7 kn之间波动；后续仍提升推进功率至约设计总功率80%，航速出现瞬时提升现象，但并未获得持续航速。如图5所示，此阶段的冰阻力处于800～1400 kN之间。分析本阶段的冰区启动试验，存在的原因如下：

①由于试验场层冰厚度、冰强分布不均匀，导致启动阶段破冰航速不稳定，出现多次启动后航速又降为0的情况。

②由于启动阶段破冰航速较低，冰层破碎模式介于弯曲破坏和压溃失效之间，出现韧脆转换临界点，故启动速度出现较大波动。

根据图6可知，在试验阶段，吊舱功率约占电站总功率84.2%，平均约设计总功率10.7%的剩余功率用于破冰船其余功耗。实船日用电的电力负荷较设计工况偏小，约12%。

3.2 第13次北冰洋航次实船破冰试验 3.2.1 层冰连续破冰试验

“雪龙2”号于2023年8月29日，在北极中央海域（东经100°54.02′，北纬84°97.865′）进行层冰破冰试验（艏向）。选取2023年8月29日07:34:00至2023年8月29日07:38:00匀速破冰试验数据进行分析。图7为匀速破冰试验时右舷侧摄像机拍摄图像。据录像视频显示，“雪龙2”号正在开展层冰连续破冰试验。试验初始时，大气温度为−1.7℃，风速为3.1 kn，海冰厚度约1 m，雪厚约为0.1 m。同时采用无人机拍摄视频监测船舶是否开始移动。

根据图8进一步分析“雪龙2”号特性。连续破冰时，航速在3.5～5 kn之间波动，而推进功率持续稳定在设计总功率的63.3%上下。根据图9可知，在试验阶段，吊舱功率约占电站总功率约84%，平均约占电站总功率12%的剩余功率用于破冰船日用电消耗。

3.2.2 冰区启动试验

1）第一次冰区启动试验

2023年8月18日，“雪龙2”位于楚科奇海北部海域（东经151°61.068′，北纬84°20.356′）的冰区进行冰区启动试验（首向）。试验选取2023年8月18日20:28:13−2023年8月18日20:33:43的冰区启动试验数据进行分析。图10为第一次冰区启动试验时，右舷侧摄像机拍摄图像。据录像视频显示，“雪龙2”号正在开展冰区启动试验。试验初始时，大气温度为0.5℃，风速为6.7 kn。同时采用无人机拍摄视频监测船舶是否开始移动。

如图11所示，随着推进功率的不断增加，船舶开始慢慢启动至0.7 kn左右；持续推进功率至占设计总功率的44.6% ，航速持续提升至2.6 kn；后续推进功率开始波动下降，但航速依然持续提升至3.9 kn。本次的冰区启动试验，“雪龙2”最终获得了3.9 kn的航速。计算当前冰区启动试验的冰阻力，根据冰区启动冰阻力-对地速度，进一步分析“雪龙2”号冰区启动特性。如图12所示，当航速从0.2 kn提升至1.5 kn时，此阶段的冰阻力迅速增加至750 kN上下；后续航速持续提升至3.9 kn，冰阻力呈现波动提升的趋势。

根据图13可知，在试验阶段，吊舱功率约占电站总功率74%，平均约占设计总功率的8%剩余功率用于破冰船日用电功耗。实船日用电的电力负荷较设计工况偏小。

2）第二次冰区启动试验

2023年8月18日，“雪龙2”位于楚科奇海北部海域（东经151°57.962′，北纬84°20.4′）的冰区进行第二次冰区启动试验（艏向）。试验选取2023年8月18日21:29:00—2023年8月18日21:36:00的冰区启动试验数据进行分析。图14为第二次冰区启动试验时，左舷侧摄像机拍摄图像。据图像显示，当前“雪龙2”在层冰中进行试验，明确当前的试验冰况。试验初始时，大气温度为0.3℃，风速为7.2 kn。

如图15所示，初始阶段随着推进功率的不断增加，航速未有明显提升；当推进功率增加至设计总功率的24.6%上下，航速开始快速提升至2.8 kn；当功率稳定在占设计总功率的40%时，航速稳定在2.8 kn；后续推进功率开始波动下降。如图16所示，当航速从0.2 kn提升至0.5 kn时，此阶段的冰阻力迅速增加至650 kN左右；后续航速持续提升至3 kn，冰阻力呈现持续提升的趋势。根据图17可知，在试验阶段，吊舱功率约占电站总功率70%，平均约占设计总功率的8%的功率用于破冰船其余日用电功耗。

3.2.3 冲撞破冰试验

2023年8月29日，“雪龙2”号位于北极中央海域（东经100°77.165′，北纬84°81.275′）层冰区进行冲撞破冰试验（艏向）。试验选取2023年8月29日14:45:00−14:48:00的冲撞破冰试验数据进行分析。图18为冲撞破冰试验时，右舷侧摄像机拍摄图像。据录像视频显示，“雪龙2”号正在开展冲撞破冰试验。试验初始时，大气温度为−1.4℃，风速为8.8 kn，海冰厚度约1 m，雪厚约为0.1 m。

如图19所示，冲撞破冰初始阶段，航速在7.4 kn左右；接触在厚冰后航速落至4 kn；又提升至5.1 kn，在4～5 kn上下波动。在此阶段，推进功率始终占设计总功率的53.3%左右波动。如图20所示，但航速在4～7 kn之间时，当前的冰阻力在800～1000 kN之间波动，当航速超出7 kn后，冰阻力呈下降趋势。根据图21可知，在试验阶段，吊舱功率约占电站总功率84%，平均约占设计总功率11%的剩余功率用于破冰船日用电功耗。

4 结　语

第39次南极航次和第13次北冰洋航次，顺利完成了“雪龙2”号破冰能力的实船测试。本次实船试验可行有效，所采集的数据广泛涵盖了应力、气象、导航、运动、冰情等多个方面。通过对本航次中破冰船在连续破冰、冲撞破冰以及冰区启动等典型场景下的表现进行分析，得到了极地破冰船在不同典型工况下的试验数据。试验数据不仅提供了实船试验经验，还为破冰试验方法提供技术支撑，为后续破冰船设计提供参考。