□ 李俨儿
9月10日，我国首艘自主建造的极地科考破冰船——“雪龙2”号在江南造船（集团）有限责任公司下水。乍看之下，“雪龙2”号比“雪龙”号敦实了不少：在船舶型宽相差无几的情况下，其总长较“雪龙”号短了近45米，这意味着，身宽体胖的“雪龙2”号破冰能力和科考能力会更强。近日，中船集团第七〇八研究所（以下简称“七〇八所”）研究员、“雪龙2”号总设计师吴刚，站在设计者的角度，向我们披露了“雪龙2”号设计台前幕后的不少故事。
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中外联合设计是十年前的正确决定
1993年，我国从乌克兰购买了一艘北冰洋运输补给船，经多次改造后，该船成为我国唯一一艘极地科考破冰船“雪龙”号。按船龄计，“雪龙”号已是老骥伏枥，加上是“半路出家”，其科考与破冰能力都不足以满足我国极地科考的需求。
2009年，我国正式启动“雪龙2”号新建极地科考船建设项目，国务院确立了“国内外联合设计、国内建造”的基本原则。
“中国就不能自主设计新一代的极地科考船吗？”业内对此曾有争议。“其实，国务院定调由国内外联合设计是非常英明的。”吴刚说，当时国内船舶设计单位对极地船舶的认识仅停留在理论阶段，缺乏实际经验和论证条件。
由国外公司负责基本设计并不是简单地买图纸。“如果我们自己不做充分的前期调研，即使买来图纸，很多东西还是学不会。”吴刚说，船东也意识到了这一点，在确定国外设计公司之前，就选择拥有丰富科考船设计经验的七〇八所担任技术支撑单位，全程参与新造船项目。2012年，德国、挪威、芬兰的3家公司参与竞标“雪龙2”号基本设计项目，船东邀请了由中国、韩国、加拿大等多国专家组成的国际评标团，其中就包括七〇八所的张炳炎院士和吴刚本人。
“当时经过一轮比较后我们发现，三家公司的设计方案都不能满足中国科考破冰船的定制要求。”吴刚透露，期间一度停标。
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聚焦破冰设计 “相中”阿克北极
什么是中国的定制要求？
秦为稼——原国家海洋局极地考察办公室主任，凭借对极地探索作出的杰出贡献，2016年被《自然》杂志评为“中国十大科学之星”——被吴刚亲切地称为“老秦”。吴刚说，“雪龙2”号很多的设想、需求，都是“老秦”提出的。
多年前，秦为稼就曾向媒体表示：中山站附近海冰厚度1.5米左右，“雪龙”号在安全季节到达很困难。“我们这20年来基本上在11月底12月初‘雪龙’号才能在连续冰比较松动的情况下勉强接近中山站，在只有‘雪龙’号的情况下，在海冰上作业是非常危险的。”
中国的定制要求就是：新一代的科考破冰船“底盘”一定要好，确保其多年在冰区航行依旧“扛造”；同时，为了提高船舶的破冰能力和灵活性，“雪龙2”号要采用全回转推进。
“进一步明确需求后，评标团都将目光聚焦到了芬兰的阿克北极公司。”吴刚回忆，“阿克北极对船型的理解是比较接近船东设想的，其船体设计做得相当好，可以实现全回转推进，船舶破冰的功率小而效果又很好。”
“既然实现了全回转推进，那么船艉也能当船艏开呀！”秦为稼代表船东进一步提出了双向破冰的想法，七〇八所和阿克北极公司分析、讨论后认为也是可以实现的。“全回转推进带来了一个很可观的好处，就是‘雪龙2’号在冰脊冰水域不需要调头了。”吴刚介绍，极地水域水平冰和冰脊冰的分布非常复杂，有时即便是看上去开阔的水域，也会让船舶寸步难行，就是由于水下隐藏了大量松软且难缠的冰脊冰。因此，“雪龙2”号双向破冰的指标被确定为：艏向在覆盖有0.2米厚积雪的1.5米厚冰层上以2-3节的速度连续破冰；艉向破冰则能在20米当年冰冰脊（含4米堆积层）中不被卡住。
2012年7月31日，国家海洋局、中国极地研究中心、芬兰阿克北极技术有限公司签署了极地科学考察破冰船基本设计合同。
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科考、敞水设计还得靠自己
确定基本设计方后，新问题也随之暴露。
“2012年的3-7月，七〇八所的设计团队与阿克北极就各个专业的问题展开了漫长的交流、谈判。”吴刚介绍，阿克北极设计方案的主要问题是：其没有科考船的设计经验，原方案的母型船是一艘货船，在船舶稳性等方面无法满足科考船的要求。此外，中国到极地之间有大量的敞水（Open Water）水域，原方案在该领域有所欠缺。“这时候，七〇八所在科考船、敞水水域的设计优势就显现出来了。”
由七〇八所许学彦院士、张炳炎院士分别领衔设计的“远望”系列和“向阳红”系列是国内出色的科考船型，该所的设计优势在中国新一代科考破冰船项目上得到了传承。“雪龙2”号的船底安装了重要声学设备，很容易受到气泡和碎冰的影响。为此，七〇八所专门设计了下沉式龙骨的船底结构。“阿克北极向我们反馈，这个设计不仅解决了下泄碎冰干扰的问题，船舶航行的经济性也没有受到很大影响。”吴刚说。与其他商船相比，破冰船在敞水水域的油耗更高。七〇八所利用拖曳水池的实验优势，设计团队对船舶的压冰角、排冰角、线型等都进行了优化调整。
“在‘雪龙2’号项目中，七〇八所与阿克北极是相互融合、相互伴随的关系。”吴刚说，双方各自发挥技术优势、取长补短，在破冰船的设计、防寒应用上，七〇八所也从阿克北极学了不少。
就在七〇八所艰难的谈判期，2012年8月2日，张炳炎院士逝世。“其实在基本设计招标的时候，老爷子身体就很不好了，但他一直亲身参与和指导这个项目。”吴刚说。
2012年10月22日，中国极地研究中心与七〇八所签署了中国新建极地科学考察破冰船项目详细设计合同。
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南极之行带来的启迪
2015年年初，为了设计好“雪龙2”号，吴刚曾随“雪龙”号赴南极考察。70多天的南极之行，带给吴刚最大的感受是，侧重于科考的“雪龙2”号，必须为科研人员提供更为科学、便捷的工作环境。
“受船型限制，我们科研人员的作业模式太落后了。”令吴刚印象很深的一幕是，科学家需要自己到“雪龙”号的右舷，靠人力从水里取回重达几百公斤的采水装置。在极地恶劣的环境下，人员在甲板上作业本就危险；另一方面，珍贵的水体样品离开了水下恒温的环境、长时间暴露在极寒的温度下，可能会导致样品中的生物死亡，影响科研结果。从南极回来后，吴刚带领着七〇八所的设计团队，设计了专门的采样舱室和设备，不仅提高了工作效率，也保障了科研人员的操作安全。
“科学家曾向我们反映，希望我国的科考船与国外接轨，科学家们在船上可以专注于实验，甚至能一边喝着咖啡，一边操作科考设备。”吴刚说，“雪龙2”号采用了集中实验室格局、大尺度作业车间和较大面积调查作业甲板设计，加之冰区月池系统的应用，可实现船舶调查实验功能的最大兼容与共享，与国际上专业的极地海洋科考布置和流程全面接轨。“‘雪龙2’号上的科学家不需要再干多余的体力活了，其实随着船上科考设备机械化、自动化水平的提升，我们还需要培养更多专业的科考设备操作手来辅助科学家。”吴刚表示。
“当年我在‘雪龙’号上另一个深刻感受就是，船上的通信实在是需要投入力量改进了。”吴刚说，“雪龙2”号实现了WIFI全覆盖，这也是“雪龙2”号上人性化设计的一个小侧面。据了解，“雪龙2”号在驾驶员轮替值班、实验室和甲板科考作业的保护性和便利性、健身活动场所的合理设置、房间的保温通风遮光、室外梯道防滑处理、马桶真空系统设计、冷凝水处理、茶水站、垃圾房、行李间、洗衣房等设置以及蔬菜、水果和淡水的便捷运输等方面，都会给船上人员带来更舒适、便捷的体验。
通过“雪龙2”号项目，七〇八所积累了极地船规则规范经验，掌握了双向破冰船型设计、PC3级破冰船结构设计和破冰船低温防寒设计等关键技术，打造了一支日趋成熟的科考船设计团队。2017年，由七〇八所牵头的“极地重型破冰船关键技术研究”项目经工业和信息化部批复后正式立项。曾经，针对“雪龙2”号是否应该由国内自主设计的争论言犹在耳，如今吴刚有信心作出肯定的回答。
延伸阅读
揭秘“雪龙2”的智能库
“雪龙2”号智能船体、智能机舱、智能实验室的设计，为船舶在极区大洋航行和科考提供了安全保障。那么，“雪龙2”号的先进性和智能性都有哪些呢？
整个船体“全智能”
在我国的科考船大家庭中，“雪龙2”号是唯一一艘真正意义上的“智能船舶”。它有一套集智能航行、智能能效、智能机舱、智能船体为一体的综合平台，这就相当于船舶的“大脑”，控制着整个船体系统。
在“雪龙2”号的船体和设备上，共安装设置了7000多个智能感应点，相当于船舶的“神经系统”。它可以对内、对外收集各种信息，丰富数据库并继续“学习”以优化船体功能，也可以使其在复杂的环境中实现自动驾驶。
极地科考“全天候”
通常情况下，科考队员进行取样调查和布放海水探测器的时候都是站在船边。一旦风浪过大，加上船体摇摆，就会给作业人员和仪器设备带来安全隐患。考察船在极区航行，如果海上的浮冰太多、太厚，取样器甚至到不了水下，科考作业极为不便。
新船的月池系统改变了这一切。在“雪龙2”号的船艉中部，有一个3米见方、深达底层甲板的“井口”，这就是“月池”。科考仪器设备可以从这里直接入水，即便是100%海冰覆盖的海区也能进行采样作业，极大提升了在极地冰区的作业能力。
前后双向能破冰
作为我国首艘自主建造的破冰船，“雪龙2”号的冰区航行能力远不止这么简单，它采用的是先进的双向破冰新技术，船艏、船艉均可破冰，是世界上第一艘采用双向破冰技术的极地科考船。
双向破冰技术使船舶在冰区的操纵性能极大提高，可实现冰区快速掉头、转向，尤其是在冰情复杂、水域狭窄的环境中，极大地增强了船舶的安全性。
原地立定稳如山
传统科考船的动力定位都是一套系统，而“雪龙2”号则配备了两套，技术更为先进。定位时，通过船上的电力推进器、舵、艏艉侧推协调配合，船艏根据海上风向和海水流向选择合适角度，使船体“稳如泰山”。
动力定位技术，使“雪龙2”号在4级海况下可满足大型科考设备的定位收放要求，在6级风、1.5节流时能满足漂泊调查作业要求。同时，该船还采用被动可控式减摇水舱以改善船的耐波性，提高了新船在极区作业时较常见的小回旋空间、大风浪海况的安全性。（赵宁）
未来有望“双龙探极”提高极地科考能力
根据建造计划，新船将于2019年上半年交付使用，执行我国极地考察任务。 特别的是，“雪龙2”号的建造和装修都坚持绿色环保的原则。不论烟囱排气、污水和垃圾排放控制，还是空调、采暖实时调节，装备小型化和材料轻质化的研制，以及环保无污染涂料的应用，都使新船足够环保，以此保护极地纯净脆弱的生态环境。 未来“雪龙2”号将如何发挥作用？ 我国目前已建成长城站、中山站、昆仑站、泰山站4座南极科考站和北极黄河站，也将在南极罗斯海沿岸建设中国第五座南极科考站，现有的“雪龙”号单船难以满足快速增长的科考需求。因此，未来“雪龙2”号有望和“雪龙”号组成极地科考破冰船队，共赴极地科考。 自然资源部中国极地研究中心“雪龙2”号船船长赵炎平认为，“雪龙”号的后勤补给能力强大，将以后勤保障支撑为主，兼顾科学考察。而“雪龙2”号科学调查能力突出，将以极区海洋科考调查作业为主，还可为部分南极考察站提供适量的物资和油料。同时，“雪龙2”号的破冰能力和冰区操纵性能，也可为极地考察船舶提供作业支持和救援。 自然资源部中国极地研究中心极地海洋学研究室主任、破冰船建设工程部科考系统负责人何剑锋说：“双船作业的模式可以较为灵活。例如两艘船一同出发到南极，再分别奔赴不同的地区进行科考作业或补给，这样将极大提高我国极地科考的效率；也可以组成船队，由‘雪龙2’号担任前列船舶，进行破冰开道，‘雪龙’号紧随其后，二者实现功能互补。若需要提前前往南极进行考察，鉴于‘雪龙’号的破冰能力有限，船队作业可能是首选。” “雪龙2”号的命名人是自然资源部第二海洋研究所陈大可院士，他在命名词中这样写道：“我命名你为‘雪龙2’号，愿你：承续永恒的南极精神，满载极地人和祖国的期许，承载起极地求索的使命与担当，承载起兴海强国的光荣与梦想，面向南北两极，劈波斩浪，破冰前行，顺利平安！” （欣华）
