0 引　言

随着全球气候变暖，北极海冰呈现出厚度整体减薄、多年冰比例显著下降以及季节性可航窗口期逐步延长的趋势^[1]。这一环境演变使得东北航道（NSR）、西北航道（NWP）及跨北极航道（TSR）的航运与科考活动工程可行性显著增强^{[2 - 3]}。然而，冰区航行环境依然受制于残留多年冰、密集冰脊及复杂混合冰况等强不确定性因素，这对船舶的连续破冰能力、低温环境下的材料韧性、结构强度安全性及作业可靠性提出了严峻挑战。在此背景下，具备稳定破冰能力与全寿期多工况适应性的极地破冰船，已成为保障极地航运安全、支撑深远海科考活动的关键核心装备。

过去几十年，破冰技术经历了从传统线型优化向推进方式革新、从经验破冰向机理化设计的关键转折。全回转电力吊舱推进系统（Azipod）使破冰船可以在艉向航行时利用推进器尾流冲刷冰层，大幅提升脱困能力与重冰区操控性^[4]。基于此技术研发的双向破冰船（Double-Acting Ship, DAS）成为极地破冰技术发展的重要里程碑，其核心思想“艏向航行于开敞水域，艉向航行于厚冰区”，实现破冰效率最大化^[5]。与此同时，船首弯曲破冰机理研究不断深化，冰板弯曲承载理论推动船首线型优化^[6]，使破冰船由高能耗压碎破冰向更高效的弯曲破冰模式演进。

此外，随着国际极地航行需求的增长，船级社体系逐步从区域性规范走向统一化设计理念。国际船级社协会（IACS）发布的极地船级（Polar Class，PC）标准明确了冰载荷计算、板厚要求和强化区段，为现代破冰船结构设计提供了全球统一的工程基础^[7]。同时，数值模拟技术如有限元分析和实时冰船交互模型被广泛用于结构响应预测与破冰性能评估^[8]，推动破冰船设计从经验主导转向机制与模拟驱动。

鉴于极地航运持续增长以及冰情的不确定性，破冰船在效率、结构安全与多任务适应性方面正面临新的综合挑战。国内现有研究主要分为两类。一类研究聚焦船体结构，包括冰载荷作用、骨架强化布局与极地船级规范^{[9 - 12]}；另一类研究侧重破冰模式及其推进系统优化^{[13 - 15]}。两类研究多为并行展开，缺乏对结构与破冰模式耦合关系的系统认识。

在我国积极推进“冰上丝绸之路”建设、深化北极事务参与的背景下，高效、安全且具备多工况适应能力的破冰船需求日益凸显。本文系统梳理国外极地破冰船船体结构演变与破冰模式的技术机理，揭示结构与模式之间的耦合关系，对提升我国极地工程装备自主设计能力具有现实意义。

1 船体结构体系演进

为适应极地航行需求，国外破冰船船体结构在过去数十年中经历了由传统压碎破冰向高效弯曲破冰、由经验设计向机制化设计、由单一破冰功能向多工况适应能力的系统演进，其发展脉络大体可分为5个阶段。

1.1 传统破冰阶段（20世纪中期之前）

早期破冰船主要采用楔形艏线型，依赖船体自身重量实现“冲击-上升-压碎”式破冰。其设计重点在于艏部与水线带，通过加厚外板与加密骨架来承受反复发生的挤压与冲击载荷。此阶段的破冰船在线型与结构上呈现单一性，结构设计多依赖经验公式与冰损累积，缺乏对冰载分布规律系统认识。后续模型试验进一步揭示了当时的局限性：在直航破冰工况下，艏部与肩部区域的冰载高于船体其他部位，表现为典型的“艏强艉弱”载荷分布模式^[16]。该阶段主要特征是“被动抗冰”，船体结构更多针对局部极端载荷进行经验性加固，尚未形成对船体与冰相互作用机理的系统性认知^[17]。

1.2 结构优化阶段（20世纪中后期）

20世纪中后期，破冰船结构设计聚焦于破冰优化线型的发展，有效提升了连续破冰能力。苏联和美国在此阶段形成了如勺型艏、脊型艏等改良艏部线型，同时广泛应用德国怀特凹形艏设计理念，旨在强化船体冲冰和压冰机制^[18]。结构强度方面，各国普遍加强了冰带区（如舷侧水线位置）的结构，包括加厚外板、缩小肋距、大规模采用优异低温韧性的高强度钢材，以应对冰载荷和低温脆断风险^[18]。该时期设计从“单点加固”转向“线型与结构协同优化”，为后续高冰级船型及双向破冰船奠定了结构基础。

1.3 规范体系化阶段（20世纪末至21世纪初）

20世纪末，各国船级社开始制定独立的冰区加强规范，例如ABS A1–A5、DNV Polar/Ice、RMRS冰级、LR冰级等，但理念不尽一致。随着国际极地航运需求的增长，国际船级社协会最终整合形成Polar Class（PC1–PC7）体系，将冰载荷定义、冰带划分、受载板尺寸、局部构件加固等要求系统化，构成统一的全球极地船体结构规范^[7]。同时，Polar Class体系将“可接受风险水平”引入极地结构设计，使设计者可以在统一规则下，通过调整冰级与作业区域，将结构冗余、建造成本与破冰能力进行更精细的权衡，为后续开展基于风险与性能的抗冰结构设计研究提供了规范基础。在该规范体系下，船体受冰载的主控因素更加明确，尤其对于PC2级及以上的重型破冰船，冰致弯矩与剪力已超过波浪载荷，成为主甲板与纵舱壁等关键构件的主控载荷^[19]。这一时期标志着破冰船结构设计迈向“国际一致性”的时代。

1.4 双向破冰阶段（1990年代至今）

1990年，以芬兰Aker Arctic为代表的研发团队提出“双向破冰船”概念，使船舶在开阔水域保持艏向航行，而在冰区格外采用艉向航行以获得更高破冰效率^[20]。由此，艏部结构被设计为光顺、圆滑的敞水优化线型，而艉部发展出具有倾角、加强吊舱支座、W型艉封板等专用于艉向破冰的结构形式^[14]。特别是1993年后全回转Azipod吊舱推进器的大规模应用，使艉向破冰被广泛采用，进一步促进了艉部破冰结构的快速演进。双向破冰阶段率先在结构层面引入了“功能分区”思想，即艏部优先满足敞水节能需求，艉部则针对重冰破冰进行局部强化，使船体结构真正实现了与破冰模式和推进方式的协同演化^[5]。

1.5 现代多功能阶段（21世纪至今）

21世纪以来，现代破冰船结构呈现明显的多功能与大型化趋势。设计上，极端破冰艏采用圆滑水线和小外飘角，向下弯折破冰，优化了功率效能比^[21]。俄罗斯非对称舷侧结构的特种破冰船，能够兼具破冰与溢油回收等新任务功能^[18]。结构优化方面，船体主尺度持续增大，长宽比核心范围为3.5～5，以提升破冰稳定性并拓宽破冰航道^[18]。同一时期，模型试验和数值模拟对船体各区域冰载差异的认识不断深化，推动外板和框架布局从“均匀加强”向“分区强化”演变^{[7, 22 - 23]}。多维度的技术革新，确立了现代破冰船结构设计迈向高效多能的核心演进范式。更重要的是，现代极地船舶设计正逐步采用基于全船有限元分析与冰载统计方法的数字化结构模型，形成可用于工况重现的“数字样船”。这为构建面向任务场景、与自主航行决策系统协同的结构与模式一体化平台奠定了基础，并推动船体结构从静态安全设计向全寿命周期的主动适应设计转型^[24]。

2 国外破冰模式的技术机理 2.1 传统破冰模式

传统极地破冰模式的核心原理是船舶依靠特定的船首线型和主机推力来破坏冰层。该模式主要分为连续破冰法和冲撞破冰法。在连续破冰中，船舶以前进方向（船首）航行，利用船首的斜升角骑压冰层，通过弯曲应力或压缩、剪切作用使其断裂。船舶设计的关键能力指标便是能连续破开的最大平整冰厚^[21]，此法适用于冰层厚度较低的冰区，如在工程实践与模型试验中，连续破冰通常适用于冰层厚度约低于1.5 m的情形^[25]。当遭遇重冰区或冰脊时，则需采用冲撞破冰法，即船舶后退加速，利用动量反复冲击冰层，以强大的冲击力实现冰层的脆性破坏。但冲撞法是一种应急和突破重冰的手段，其效率远低于连续破冰^[25]。传统破冰模式在工程应用上存在两大局限，一是能量利用效率低，对主机功率依赖度高；二是难以针对冰脊、压实冰等复杂冰况进行精细化控制。这些限制为现代破冰船发展新型推进系统和非对称线型等技术，提供了明确的改进方向。

2.2 新型双向破冰模式

20世纪90年代以来，新型双向破冰模式成为国外极地船舶工程领域最具革命性的技术突破之一，由芬兰的Kvaerner Masa-Yards极地技术中心（现称Aker Arctic Technology Inc.）研发，旨在彻底解决传统破冰船在重冰区低效率和机动性差的问题。其关键技术突破在于采用了吊舱式推进器（Azipod）。Azipod将推进电动机、螺旋桨与传统舵的转向功能集成在一个可360°全回转的舱外单元，有效提升推进效率和操纵性能^[26]，为船舶提供了卓越的电推优势。

双向破冰船在设计上实现了“两端都是艏”的功能。在开阔水域或薄冰区，船舶采用前进模式（船首）航行，以实现良好的水动力性能和航速。而在重冰区、冰脊或需高机动性的狭窄水域时，船舶则切换为艉向航行，利用优化后的艉部破冰线型执行反向破冰任务^[5]。艉向破冰时，吊舱推进器产生的强推力和强尾流会直接冲刷冰层，减少冰与船体底部的接触面积，从而提高破冰效率和脱困能力^[27]。

双向破冰模式的设计重心转向优化艉部线型^[14]，通过精确设计艉封板倾角、加强W型横剖面以及加强吊舱安装底座，提升艉向破冰能力与碎冰排出效率。此外，该技术使船舶减少对外部破冰船的依赖^[21]，如MT Vasily Dinkov、MT Kapitan Grotskiy与MT Timofey Guzhenko等极地穿梭油轮已实现无需破冰船协助的冰区航行。凭借其在重冰突破、自主脱困和复杂冰区航行中的高效率与灵活性，双向破冰模式显示出较高的发展潜力。

近年来，艉向破冰的阻力组成和机理研究不断深化。例如，将总阻力划分为破碎阻力、下沉阻力和推进器附体阻力3部分，为建立基于阻力特性、功率配置与线型几何特征的评价体系提供了量化基础^[28]。这不仅推动双向破冰模式从工程经验走向可计算设计，也为未来构建多工况破冰模式的统一机理模型提供了研究基础。

3 船体结构与破冰模式协同发展分析

极地破冰船的设计核心在于实现船体、动力与任务需求的高度统一。其船体结构与破冰模式之间并非简单的线性对应关系，而是一种深度耦合、相互驱动的协同演进过程。每一次破冰模式的革新，都对船体结构提出了新的要求；反之，船体结构理论与材料科学的突破，也为更高效、更安全的破冰模式提供了可能。从系统工程视角看，船体线型、结构强度与推进控制系统共同构成了“破冰能力”的三大支柱^[29]。船体线型决定船冰接触形式与破冰路径，结构强度限定船体可承受的极限载荷，推进系统则提供可调节的能量输入与姿态控制能力。三者通过破冰模式这一“操作层”实现耦合，并在长期技术演进中形成协同发展关系。船体结构与破冰模式协同机理如图1所示。

3.1 船体线型对破冰模式的决定性作用

船体线型是决定极地破冰船破冰模式的首要几何条件，其通过控制船冰接触角度、受力方向及冰板破坏形式，对破冰路径和破冰效率产生根本性影响。从机理上看，不同船体线型所诱导的冰破坏方式存在明显差异，主要表现为以弯曲破坏为主或以压碎破坏为主，而这种差异进一步限定了破冰模式的可行性与适用范围。因此，破冰模式的形成与演进并非独立于船体设计的操作选择，而是在很大程度上由船体线型所决定。

传统极地破冰船多采用楔形艏或勺形艏线型，其典型特征是较小的艏柱角和缓倾斜的艏底线型。在直航破冰工况下，该类线型能够有效诱导冰板产生向下弯曲变形，使冰层以弯曲破坏为主，从而降低破冰所需能量^[30]。这一几何特性决定了其天然适用于以船首为主要破冰部位的艏向连续破冰模式，并长期成为重型破冰船和传统破冰运输船中占主导地位的设计方案。

然而，在面对厚冰脊等需采用冲撞模式的极端冰况时，单一艏向破冰线型逐渐暴露出在敞水航行阻力和推进效率方面的局限。为此，芬兰Aker Arctic公司提出并系统发展了“双向破冰”设计理念，其核心在于通过船体艏、艉线型的功能分离，实现破冰模式的灵活切换。具体而言，船首采用近似敞水线型的平直或球鼻艏，以优化敞水航行性能^[31]；而船艉则整合了高效破冰线型与吊舱推进系统。在尾向航行时，吊舱推进器产生的强力尾流能产生“铣削”与冲刷效应，有效清除船底碎冰，避免冰块堆积与二次破碎，从而提升在厚冰及冰脊区的作业效能^[32]。正是这种艏、艉线型功能分区的设计，从几何条件上决定了双向破冰模式的可行性，使破冰模式由单一艏向破冰演进为可在艏向与艉向之间切换的复合模式。

除艏向与艉向破冰外，部分新型破冰船还通过引入具有横向倾角的船体线型，发展出倾斜破冰等特殊破冰模式。在该模式下，船舶以较大斜角横向推进，冰层主要在剪切与弯折共同作用下破碎，形成宽度明显大于船宽的冰渠^[33]。这类破冰模式对船体横向线型具有高度依赖性，若缺乏相应几何条件，倾斜破冰模式将难以实现。

总体而言，不同船体线型通过改变船冰接触形式与冰破坏机理，对破冰模式的形成具有决定性影响，其对应关系及作用机理见表1。

3.2 船体结构强度对破冰能力的支撑与制约

船体结构强度直接决定了破冰船的最大破冰厚度和恶劣海况下的生存能力。破冰作业时，船体承受着远超普通商船设计标准的巨大、高度随机的冰载荷。因此，强大的结构是破冰模式的支撑。IACS制定的极地船级（Polar Class, PC）规范，提供了统一的结构强度标准。该规范将船舶按作业环境和破冰能力划分为PC1（最高）到PC7（最低）7个等级。PC等级越高，意味着船舶被允许在更厚、更陈年的冰区中作业，对其船体结构的要求也随之大幅增加^[34]。如表2所示，PC等级不仅是结构强度的量化指标，也在客观上为不同破冰模式的可行性划定了边界。

结构强度与破冰模式的协同关系主要体现在对冲撞模式的支撑。破冰船采用冲撞破冰时，船首和冰带区域承受极端的瞬时局部冲击载荷。高等级破冰船（如PC1-PC3）的船首和船体冰带区域，必须采用特殊的低温高韧性钢材，并辅以极厚的板材和密集的骨架结构进行强化。这种加强设计的典型特征是肋骨间距大幅减小，并增设纵向桁材，从而形成高密度的网格结构。密集骨架的承载机制，能有效将集中在船体外板上的高应力，分散并传递至整个船体，大幅提高结构对冲撞载荷的塑性极限能力和抗变形能力^[35]。另一方面，结构重量是破冰船设计中的关键制约因素。虽然无限增加钢材厚度能提升强度，但将导致船舶吃水增加、重心升高，进而影响稳性和航行性能。因此，设计者必须在结构强度、船体重量和破冰效率之间进行精密权衡与优化^[36]。

3.3 动力与推进技术驱动的模式变革

在船体线型与结构强度之外，动力与推进技术构成了推动破冰模式演进的重要协同因素。现代推进系统通过高效率、可调节的推力输出与姿态控制能力，改变了船冰相互作用方式，使破冰作业由被动承载冰载逐步转向对船体姿态与受力状态的主动调控。全回转电力吊舱推进器Azipod的应用是该变革的典型代表。相较传统“轴-舵”推进系统在倒航工况下效率低、操纵能力受限的问题，Azipod通过可360°回转的吊舱推进单元提升倒航破冰的推进效率与操纵性能，为双向破冰模式的工程实现提供了关键技术支撑。双向破冰模式依赖于艏、艉线型功能分离的结构设计，而吊舱推进系统则为该结构在实际作业中实现破冰模式切换提供了必要的动力与控制条件。如图2所示，其工程示意直观展示了推进系统在艏向敞水航行与艉向破冰作业之间的功能切换机理^[37]。

Azipod带来的模式变革效益显著。一是破冰作业方式由传统高耗能的“冲撞-后退”转变为以艉向连续低速破冰为特征的稳定作业模式，大幅提升冰区航行效率与作业连续性。二是吊舱推进系统可提供多方向可控推力，使船舶能够主动调整船体与冰层的接触姿态，提升机动性与破冰效率，并在一定程度上突破传统前后对称性的线型约束，与非对称破冰模式形成协同。总体来看，由推进技术驱动的破冰模式创新为提升极地航道运行的连续性与工程可行性提供了重要技术支撑。

4 未来破冰模式的关键技术趋势

在全球气候变化加剧、极地航道需求增长和环保法规趋严的背景下，国际破冰技术呈现出系统化、智能化与低碳化的发展趋势。未来破冰船的发展框架正逐步显现出以动力与推进系统演进、船体结构优化、破冰模式拓展和任务模式智能化为核心的协同演进特征。

4.1 动力与推进系统

动力与推进系统是未来破冰能力提升的技术基础。近年来，双燃料LNG发动机、电力推进和能量管理技术成为发展重点。一方面，双燃料电力混合系统在环境排放方面具有明显优势，可在保持高破冰功率的同时有效降低碳氢化合物排放。其双燃料系统与大型吊舱推进器之间的高兼容性，使冰区航行可在低排放模式与高功率模式之间快速切换^[38]。另一方面，未来破冰船的动力与推进系统正逐步体现出更强的“场景适配能力”。随着冰况、风浪与航道需求瞬时变化，能量管理系统需要根据工况实时分配推进功率、电力储能与辅助机械负载，从而维持破冰效率并延长设备寿命。此外，在气候变暖导致冰况波动更剧烈的背景下，高响应性的动力与推进系统对于复杂破冰任务尤为重要。

4.2 船体结构

船体结构设计正从传统抗冰结构优化迈向更高层次的一体化集成理念。在双向破冰船中，当艉部作为主要破冰界面时，其局部结构不仅需能抵抗复杂的多向冰载荷，还需兼顾流体动力性能，以确保艉向破冰时船舶保持稳定姿态与较高机动性^[39]。这种集成化的需求推动传统单向破冰船的结构布置模式发生重要转变，形成以推进器位置、艉部线型、冰载荷路径为核心的新一代结构设计逻辑。再者，创新船型研究也在推动结构设计的突破。三体冰区船型凭借其侧体在破冰和引导碎冰方面的优势，被认为能在较低推进功率下形成宽冰渠，从而有效提升整体水动力效率^[40]。相比单体船，三体船所创造的宽裕作业航道为工程船、补给船或极地巡航船等特殊任务船舶提供了更大的设计和作业空间。此外，结构设计的前沿方向还包括可拆卸式破冰艏、轻量化冰区结构，以及开发适应“温冰”和边缘冰区的新型结构材料。

4.3 破冰模式

随着传统破冰船在重冰区效率下降的问题日益突出，破冰模式的创新成为未来发展的关键突破点。双向破冰模式的核心在于让船舶在前进和后退时都具备稳定的破冰能力，从而能根据复杂冰况动态调整破冰策略，提高航行效率。这表明破冰船正由单一方向破冰，逐步发展为在不同工况下由艏、艉两端分工协同参与的破冰模式。其中，艉向破冰是一个复杂的受力过程，并非传统破冰的简单反转。其总阻力可分解为冰破碎阻力、下沉阻力与吊舱附体阻力三类，且相对贡献受冰厚、推进器转速和艉部线型等因素的影响。如在厚冰条件下，下沉阻力会呈明显的非线性增长，而吊舱推进器则通过改变局部流场对总阻力比例产生重要影响^[28]。这种定量的阻力分解框架，将艉向破冰机理从经验判断推向可计算、可验证的工程模型，为优化双向破冰船船型的艉部设计、推进器布置和多工况协同设计提供了可靠的科学依据，从而确立了“双端协同破冰”作为未来破冰船关键发展方向的技术基础。

与双向破冰并行发展的倾斜破冰技术，利用船舶以大斜角横向推进，通过剪切与弯折作用破碎冰层，形成明显宽于船宽的冰渠^[41]。这种宽冰渠能力是其核心优势，能够为大型船舶提供更稳定的通行走廊。因此，未来的冰区通航保障模式可望突破传统的“破窄冰缝”，转而主动规划“提前形成稳定且足够宽的航线”。倾斜破冰与双向破冰模式互补，共同推动破冰技术向多方向、高效率发展，是未来冰区通航的重要补充路径。

此外，全球变暖正重塑破冰机理，主要表现为冰层变暖、结构性减弱和边缘冰区扩大。其中，暖冰区的低强度和不稳定的黏塑性行为，是冰载荷模式不确定性增大的主要原因^[33]。因此，未来破冰模式必须重新评估暖冰环境对破冰效率和安全裕度的影响，并通过大型冰水池与数值模型进行系统验证。

4.4 任务模式

随着感知、通信与控制技术的发展，极地破冰任务模式呈现出由单船作业向协同化、智能化扩展的研究趋势。引入自动化航行与辅助决策系统，有助于在一定程度上提升复杂冰况下的航行安全性与作业效率^[41]。在此基础上，部分研究开始探索多船协同或无人平台参与冰区作业的可能性，相关工作主要集中于漂移冰管控、航道维护等局部任务场景，其研究重点在于验证协同控制与任务分配等关键技术的可行性^[42]。总体来看，现阶段极地破冰任务仍以有人破冰船为主体，协同化与智能化技术主要作为辅助能力，其工程化应用仍需通过进一步的实际运行验证。

5 结　语

极地破冰船的发展体现出船体结构与破冰模式并行演进、相互牵引的特征。结构设计由经验性加强逐步转向分区优化，破冰模式由单一艏向破冰拓展至双向、倾斜等多元化形式。两者协同显著提升了破冰船在复杂冰况下的工程适应能力。以Azipod为代表的推进系统，是实现结构与破冰模式协同演化的关键驱动力。未来，数字化、智能化与绿色动力技术将进一步推动船体结构与破冰模式的深度融合。结合我国现有破冰船以科考任务为主、工程化经验仍在积累阶段的现实，未来研究可进一步聚焦高冰级结构设计、艉向破冰机理验证及动力与推进系统集成优化等方向，为“冰上丝绸之路”相关极地装备能力建设提供工程技术参考。