破冰船

1864年，俄國人將一艘小輪船“派洛特”號改裝成世界第一艘破冰船，為在冰凍期保持喀琅施塔得至奧蘭寧鮑姆航線的通航，而英國為俄國建造的“葉爾馬克”號破冰船，則是第一艘在北極航行的破冰船。 ^[1] 

1912年，中國首次建造了“通凌”號破冰船和“開凌”號破冰船，排水量均為410噸，功率為688馬力。隨着南北極考察事業的發展，現代破冰船已成為極地考察的重要裝備，除用於破冰外，還兼負運輸和海洋考察等任務。這類破冰船的航程遠，破冰進展慢，燃料消耗大。採用核動力推進裝置，能適應其特殊需要，但造價昂貴。

1957年，蘇聯建造的“列寧”號破冰船，是世界上第一艘核動力破冰船。 ^[2] 

中國海域曾經出現過多次嚴重的冰情，1936、1947、1969年是最嚴重的三次，其中1969年最為嚴重。

1969年2－3月渤海出現了最大的冰封，盛冰期比常年推遲1個月，渤海灣的冰期達到4個月，冰封嚴重時，冰外緣線距渤海海峽僅35海里，整個渤海幾乎全部被海冰所覆蓋，冰封狀態維持長達40-50天之久，小型冰丘堆積高達5米，123條各型船隻被困，7條船隻進水；海井2號平台被流冰推倒，損失嚴重。

破冰船(2張)

該情況引起了國務院的高度重視，周恩來指示破冰，空軍進行了轟炸破冰，同時指示海軍建造破冰船，海軍在100天內相繼完成了海冰722、721（上海造船廠建造，1969年12月26日下水）的建造，並於1970年起對渤海及黃海北部海冰冰情進行了連續調查，航測及岸邊定點測量由國家海洋局負責，海上調查由海軍負責，雙方配合進行。

1989年起海軍獨立執行海冰調查任務。海冰調查的目的在於獲取冬季海上冰情、水文、氣象資料，為防凍破冰、減災防災、保障艦艇冬季海上航行安全和海洋開發、支援地方經濟建設，進行海冰生消規律和理化性質研究，為海上冰情預報工作提供實況依據。

2015年3月25日，一艘21900M型柴油動力破冰船“摩爾曼斯克”號（Murmansk）在芬蘭的赫爾辛基造船廠下水。“摩爾曼斯克”號屬於3艘21900M型破冰船中的最後一艘，首艘“符拉迪沃斯託克”號已於2014年4月29日下水，2015年5月交付使用。

2021年12月，由波羅的海造船廠建造的第二艘22220型核動力破冰船，也是改型破冰船的首艘量產型“西伯利亞”號已經於12月24日交付俄羅斯原子能集團。 ^[5] 

2023年1月，中國高校首艘破冰船“中山大學極地”號在渤海遼東灣開展冰區試航，成功驗證了船舶低温航行、破冰、船載科考設備、冰區科考保障等能力，成為繼“雪龍”號、“雪龍2”號之後，中國第三艘具備極地科考能力的破冰船。 ^[6] 

2023年12月18日，我國首艘自主研製的大洋鑽探船正式命名為“夢想”號。 ^[7] 

破冰船的長寬比例同一般海船大不一樣，縱向短，橫向寬，這樣可以闢開較寬的航道。一艘排水量在37000噸、擁有7.35×10⁷瓦的現代破冰船，長度為194米，而寬度則達32.2米。破冰船船頭外殼用至少5釐米厚的鋼板製成，裏面用密集的型鋼構件支撐，船身吃水線部位用抗撞擊的合金鋼加固。

破冰船一般常用兩種破冰方法，當冰層不超過1.5米厚時，多采用“連續式”破冰法。主要靠螺旋槳的力量和船頭把冰層劈開撞碎，每小時能在冰海航行9.2千米。如果冰層較厚，則採用“衝撞式”破冰法。衝撞破冰船船頭部位吃水淺，會輕而易舉地衝到冰面上去，船體就會把下面厚厚的冰層壓為碎塊。然後破冰船倒退一段距離，再開足馬力衝上前面的冰層，把船下的冰層壓碎。如此反覆，就開出了新的航道。用燃料油為動力的破冰船，多采用柴油機帶動發動機發電，電動機驅動螺旋槳（組合機組驅動），驅動功率可達上百萬瓦，可以滿足較長時間破冰航行的需要。

1957年，前蘇聯製造出第一艘核動力破冰船——“列寧”號。它的動力心臟是壓水式核反應堆，高壓蒸汽推動汽輪機，帶動螺旋槳推動航船。 如果核動力破冰船帶上10千克鈾，就相當於帶上25000噸標準煤，可以在遠離港口的冰封海域裏常年作業。破冰船裝有2～4只螺旋槳。

由於很多海域在冬季都會出現結冰的現象，所以很多國家都有破冰船，一些靠近北極的國家還擁有專門的北極破冰船。俄羅斯擁有7到8艘核動力極地破冰船，可執行任務的有6艘。美國海岸警衞隊的中型極地破冰船隊主要有3艘船組成，其中，“希利”號號稱美國時下最新、最強的破冰船。此外，英國、挪威、加拿大、日本、芬蘭等國也擁有自己的破冰船。中國的“雪龍號”也是極地破冰船。

破薄冰的船在船尾和靠近船頭的側位，分別各裝兩隻螺旋槳，船頭螺旋槳從冰下將水抽出，削弱冰層的支託並使其成為片狀裂開。船在後兩隻螺旋槳的推動下前進。破厚冰的破冰船，為使船可以衝到衝層上面，多在船尾兩側對稱地裝兩隻螺旋槳。

一般對付半米以下的冰用那種方法，當遇到更厚的冰塊時，就要用船的撞擊作用來制服它。這時候破冰船就向後退，然後用自己的全部質量向冰塊猛撞上去。這時候起作用的已經不是重力，而是運動着的輪船的動能；船好像變成了一個速度不大但是質量極大的炮彈，變成了一個撞錘。

幾米高的冰山，破冰船就得用它堅固的船首猛烈撞擊幾次，才能把它們撞碎。所以破冰船都是用很厚的鋼板做的，很結實的。

中國極地研究中心

破冰船(2張)

新建船舶為極地科學考察破冰船，配備國際先進的調查設備，裝備船載直升機。滿足無限航區和南北兩極海域要求，成為具有全球航行能力的“綠色”極地科學考察破冰船。

在綜合環境調查方面具備與氣候變化密切相關的主要海洋和大氣綜合觀測取樣能力，能夠成為極地海洋基礎研究綜合調查觀測平台；在海洋地質地球物理調查方面具備在極地海區季節性地開展海洋地質、海洋重力、磁力和地震的調查作業能力，能夠成為極地海底科學調查研究的工作平台；在海洋生物、生態調查方面，具備海洋生物、生態調查和評估的手段，能夠成為極地海洋生物儲量調查的基本平台。能夠承擔部分南極考察站物資運輸任務。

輕載排水量8000噸級，續航力20000海里，自持力60天。

作業航速約0~15節，在0～最大航速範圍內無級變速，常用航速12～15節。可動力定位。

破冰厚度不低於1.5m加0.2m雪，連續破冰速度2~3節。在冰區中航行時可在較短時間內進行轉向並具有良好的操縱性。

耐波性：

配備主動式減搖系統，提高船的耐波性，有效減少波浪對船舶的影響。

具備公共生活區、休閒區和學術交流場所。

具備在全球各大洋區進行大範圍水深內的海洋水文、物理、地質、生物、化學、聲學、大氣等綜合要素的立體、實時、同步探測、分析和處理能力，以及海基數據系統集成和信息傳輸能力。具備考察數據採集、樣品的保真取樣和現場分析能力和與陸基實驗室的聯合處理能力，具有裝備無人纜控深潛器(ROV)、無人遙控深潛器(AUV)和水下探測系統的支撐平台，以滿足環境、海洋地球物理、海洋生態綜合調查的需求。

具備一定的考察站後勤物資運輸能力。

新船建成後，與現有的“雪龍”號船一起，編隊赴南北極進行科學考察和後勤補給。

破冰船的工作是用相同的物理現象做基礎的：露在水面上的那一部分船身，因為它的重量沒有水的浮力作用把它抵消掉，所以仍舊有它原來的“陸上”重量。你不要以為破冰船在行駛的時候是用自己的船首部分的壓力不斷地切開冰的。破冰船不是這樣工作的，這樣工作的是切冰船，例如像在三十年代著名的“裏特克”號。這種工作方法只能用來對付比較薄的冰。

真正的海洋破冰船是用另外一種方法工作的。破冰船上的強大的機器在開動的時候，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為這個緣故造得非常斜。船首出現在水面上的時候，就恢復了自己的全部重量，而這個極大的重量就能把冰壓碎。為了加強作用力，有時候在船首的貯水艙裏，還要盛滿水“液體壓艙物”。 ^[3] 

在冰塊的厚度不超過半米的時候，破冰船就是這樣工作的。遇到更厚的冰塊，就要用船的撞擊作用來制服它。這時候破冰船就向後退，然後用自己的全部質量向冰塊猛撞上去。這時候起作用的已經不是重量，而是運動着的輪船的動能；船好象變成了一個速度不大但是質量極大的炮彈，變成了一個撞錘。

參加過1932年有名的“西伯利亞人”號通過極地的航行的水手馬爾科夫曾經這樣描寫過這隻破冰船的工作： 在幾百座冰山中間，在密實地覆蓋着冰的地方，“西伯利亞人”號開始了戰鬥。連續五十二小時，信號機上的指針老是在從“全速度後退”跳到“全速度前進”。在十三班每班四小時的海上工作裏，“西伯利亞人”號疾馳着向冰塊衝去，用船首撞它們，爬到冰上把它們壓碎，然後又退了回來。厚達四分之三米的冰塊慢慢地讓出了一條路。每撞一次，船身就可以向前推進三分之一。

但這裏還有一個值得關注的問題。船舷與豎直線是有一定的夾角的，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裏凹的，就像集裝箱船。那麼為什麼破冰船會有那樣的構造呢？

這裏就要説到一個問題。眾所周知，冰面是很滑的，那麼當破冰船在有冰的海面上行走的時候，船體與冰面的摩擦係數是多少呢？想想冬天在有冰的路面走路的時候情景。

但是，科學家發現，船體的鋼板與冰面的摩擦並沒有想象中的小，並且有些船因此而到了船毀人亡的境地。經過研究發現，冰面與新船的鋼殼之間的摩擦係數達到了0.2，因此這就導致了一個問題，如果船舷與豎直面之間的夾角太小的話，冰就會把船給壓壞了。

冰對船的壓力分為兩個力，垂直於船舷的力R和相切於船舷的力F，P和R之間 的夾角等於船舷對豎直線的傾斜角 ，冰對船弦的摩擦力Q等於力R乘以摩擦係數，即Q=0.2R。

如果Q比F小，力F就把壓在船身上的冰推到水裏去，這時，並就沿着船舷滑動，並不損壞船；如果Q比F大，摩擦力就妨礙着冰塊的滑動，使冰塊長時間壓在船舷上，就要把船舷壓壞。

從三角函數表裏可以查出，正切函數是0.2的角是11°。這就是説，在α>11°的時候，Q<F.根據上面所説的，就可以確定船舷對豎直線的傾斜度應該是多少，才能保證船在冰塊中間安全航行。這個傾斜度應該不比11°小。

這就是為什麼破冰船不能設計成集裝箱船那樣的樣子。下面讓我們看一下船員描述的船因為沒有注意到上面那點的後果。

“派洛特”號破冰船、“葉爾馬克”號破冰船、“列寧”號破冰船、“雪龍號”破冰船、海冰721破冰船。

“海冰721號”破冰船採用錳鋼建造，船艏甲板厚度24毫米，它的最大撞擊力能破開1米厚的冰。這艘屢立戰功的破冰船曾經成功救出過被困冰海的挪威、塞浦路斯等國的商船。 該船船體長84.28米，最大寬16米，排水量3191.86噸，平均吃水深度3.68米，最大馬力3.82兆瓦，最大航速16.5節，續航力達1萬海里，自持力30晝夜，現已服役40年，在擔負冰情調查任務的同時，還擔負搶險救生任務。

破冰船一般常用兩種破冰方法，當冰層不超過1.5米厚時，多采用“連續式”破冰法。主要靠螺旋槳的力量和船頭把冰層劈開撞碎，每小時能在冰海航行9.2千米。如果冰層較厚，則採用“衝撞式”破冰法。衝撞破冰船船頭部位吃水淺，會輕而易舉地衝到冰面上去，船體就會把下面厚厚的冰層壓為碎塊。然後破冰船倒退一段距離，再開足馬力衝上前面的冰層，把船下的冰層壓碎。如此反覆，就開出了新的航道。還有一種方法是使用螺旋槳當刀子把冰切碎。用燃料油為動力的破冰船，多采用柴油機帶動發動機發電，電動機驅動螺旋槳（組合機組驅動），驅動功率可達上百萬瓦，可以滿足較長時間破冰航行的需要。

俄羅斯已經推出世界上最大核動力破冰船的船體Arktika。成為最強大的雙核反應堆破冰船，並加入Rosatomflot艦隊來幫助維護國家防禦並航行於北極。這艘巨大船隻是斥資19億美元的22220項目的一部分，當完成後，它能夠處理近150噸的海水。該船於星期四在聖彼得堡波羅的海造船廠隆重推出，是俄羅斯22220項目的領頭船。距2013年11月Arktika龍骨的鋪設已有近三年，龍骨為船體提供了結構支撐。

俄羅斯巨大的破冰船有586英尺長，100多英尺寬，能夠打破高達10英尺厚、13英尺深的冰。俄羅斯聯邦原子能機構首席Sergey Kiriyenko表示，從任何意義上來説，Arktika的推出都是成功的。可以説，到2017年底，該破冰船加入Rosatomflot。為維護俄羅斯國家防禦以及北極的全年通航開闢新的機遇，還能確保對俄羅斯和整個世界都是至關重要的地區經濟發展。

Arktika配備有兩個蒸餾水器，每個蒸餾水器能夠處理70公噸和轉移33540公噸的水。據俄羅斯媒體消息，該船具有“可變浮力特徵”來幫助船隻護送隊穿越冰凍的水域。波羅的海工廠已經組裝了10000公噸的金屬結構，建築工人已經開始為Arktika組裝上層建築、以及組裝Sibir的部件和該系列中的第二艘船。

該小組為Ural組裝前三個框架部分。Arktika有兩個 RITM-200核動力反應堆，這些於6月份從波多利斯克帶來現場。根據Sputnik，前兩艘船於2019年12月及2020年12月投入服務。聯邦議會議長Valentina Matviyenko、原子能公司負責人Sergey Kiriyenko、聯邦委員會成員、國家極地學院院長Artur Chilingarov以及聯合造船公司總裁Aleksey Rakhmanov出席了船體啓動儀式 ^[4]  。