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台前幕后,国内已具有自己作主设计和建筑破冰船的力量

作者:通信科技    来源:未知    发布时间:2020-03-07 22:44    浏览量:

9月10日,我国首艘自主建造的极地科考破冰船——“雪龙2”号在江南造船有限责任公司下水。乍看之下,“雪龙2”号比“他哥”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。

昨天下午,上海长兴岛将迎来我国造船业的一个里程碑雪龙2号极地科学考察破冰船在江南造船有限责任公司下水。这是我国第一艘中外联合设计、自主建造的极地科考破冰船,计划明年5月交付使用,7月将载着我国科考队员前往北极,11月与雪龙号一起奔赴南极,结束我国极地科考单船作战的历史。

近日,中国船舶工业集团有限公司第七〇八研究所研究员、“雪龙2”号总设计师吴刚接受了《中国船舶报》记者的采访,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。

中国船舶工业集团公司第七〇八研究所研究员、雪龙2号总设计师吴刚表示,通过这一项目实践,我国已完全具备自主开发设计极地科考破冰船的技术能力。今年,中船七〇八所还在牵头承担国家极地重型破冰船关键技术研究项目,有望使我国成为继俄、美、加之后少数拥有重型破冰船的国家。

中外联合设计是十年前英明的决定

雪龙2号极地科考破冰船在上海长兴岛竣工。

1993年,我国从乌克兰购买了一艘前苏联北冰洋运输补给船,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当前我国极地科考的需求。

中芬联合设计国际先进破冰船

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。

自1984年我国开展首次南极科考以来,先后使用过5艘船舶,分别是向阳红10号、J121号、海洋四号、极地号和雪龙号。雪龙号原为乌克兰赫尔松船厂建造的一艘集装箱运输破冰船,我国购入后,将其改造成极地科考运输船,从1994年起服役至今。

“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。

中国何时能自主设计、建造极地破冰船?这是我国几代造船业工作者的梦想。2009年6月,国务院批准我国新建极地科考船建设项目立项,并确立了国内外联合设计、国内建造这一基本原则。用业内人士的话说,我国当时缺乏设计破冰船的实际经验,得先向国外企业交几千万元学费,以便掌握自主开发设计破冰船的能力。

由国外公司负责基本设计并不是简单地买图纸。“如果我们前期不做充分的调研,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。

雪龙2号的设计是由中船七〇八所和芬兰阿克北极公司联合完成的,国内中船七〇八所作为船东技术支撑单位,全程参与了评标确定国外公司并与其在核心概念设计和基本设计环节联合分工,同时独立承担了送审中国船级社和英国船级社的详细设计。吴刚回忆,2012年,中国工程院院士、中船七〇八所研究员张炳炎和他一同参与了国际投标方案评选,德、英、芬三国企业提交的三个中国新建极地科考船基本设计方案入围。专家组第一轮的打分显示,没有一个方案完全达标。为此,专家组只能再进行一轮打分,选出最适合改进的方案。最终,芬兰阿克北极公司的方案凭借最好的破冰功率和结构设计中标。此后,中船七〇八所与这家芬兰企业开展了深度合作。

“当时经过一轮比较后我们发现,3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。

而今,中芬合作催生了这艘达到国际先进水平的第二代极地科考破冰船。它长122.5米,宽22.3米,设计吃水7.85米,设计吃水排水量约13990吨,航速1215节,续航力2万海里,自持力60天,能载员90人。新的雪龙2号具有很强的破冰能力,能在1.5米厚度冰、0.2米厚度雪的海况下,以23节航速连续破冰行驶。

聚焦破冰设计“情归”阿克北极

院士逝世前还在病床上看图纸

什么是中国的定制要求?

参加过中国第31次南极考察队的吴刚说,雪龙号破冰能力有限,距中山站2030海里时,怎么也拱不动了。有时,不得不等待俄罗斯费德洛夫院士号科考船来开道,雪龙号跟随行驶。有了雪龙2号,这种情况就不会出现了。今后,我们可以让其他国家的科考船跟在雪龙2号后面。

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,他在2016年被《自然》杂志评为“中国十大科学之星”,吴刚亲切地称他为“老秦”。吴刚说,“雪龙2”号很多的设想、需求,都是“老秦”提出来的。

作为世界上第一艘能双向破冰的破冰船,在遇到难拱的冰脊时,雪龙2号可以让尾部推进器转动180度,让船尾变成船头,尾部的螺旋桨能在海面下掏冰,确保通过20米厚度的冰脊。

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。“这20年来,基本在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。”

雪龙2号极地科考破冰船在极地航行。

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方式。

这艘破冰船还拥有世界首创、获得专利授权的下沉式箱型龙骨。在冰池实验中,水里的碎冰碰到船底后,会随着下沉式箱型龙骨的独特结构向两边散开,从而对放在船底的声学探测设备形成保护。2012年7月,中船七〇八所团队设计出了下沉式龙骨,而团队负责人张炳炎已卧床不起。设计建造出中国的极地科考船,是这位院士晚年最大的心愿。张院士逝世前几天,还在医院的病床上审阅龙骨型线图纸吴刚动情地告诉记者。

“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技术有限公司。”吴刚回忆说,“阿克北极公司对船型的理解比较接近船东的设想,其船体设计做得相当好,可以实现全回转推进,船舶破冰的功率小且效果又很好。”

可以告慰张院士的是,从2009年国务院批准立项至今,经过10年努力,我国第一艘中外联合设计、自主建造的极地科考船终于竣工下水。

“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。”吴刚介绍说,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,这是因为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米当年冰冰脊中不被卡住。“雪龙2”号成为全球首艘具备双向破冰能力的极地科考船。

我国启动重型破冰船技术研究

2012年7月31日,国家海洋局、中国极地研究中心、芬兰阿克北极公司签署了极地科学考察破冰船基本设计合同。

江南造船集团极地科考破冰船总建造师陈建新介绍,雪龙2号建造工艺复杂,采取分段制造、总体拼装的建造方法,共分为11个总段、114个分段。自2016年12月进行第一块钢材点火切割以来,总体进展顺利。

科考、敞水设计还得靠七〇八所

经超前设计和精良建造,雪龙2号符合国际上最新实施的规则和规范,如国际海事组织《极地规则》和国际公约TieIII的排放限值要求;抗风稳性强,即便在西风带遭遇12级阵风,也不会出现稳性问题;拥有智能化船体、机舱和实验室;装有全回转电力推进系统、DP-2动力定位系统、声学探测系统、地震探测系统、重力取样等先进设备。船上住房条件也很好,装有卫星电视接收系统,覆盖无线网络,为科考队员提供了舒适便利的生活环境。

确定基本设计方后,新问题也随之暴露。

从明年起,雪龙2号将主要承担科考任务,雪龙号则主要承担物资运输补给任务。今后,我国极地科考破冰船将形成雪龙系列。

“2012年的3~7月,七〇八所的设计团队与阿克北极公司就各个专业的问题展开了漫长的交流、谈判。”据吴刚介绍,阿克北极设计方案的主要问题在于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。”吴刚说。

雪龙2号极地科考破冰船在极光下航行。

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。“阿克北极公司向我们反馈,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,为此,七〇八所设计团队利用拖曳水池的实验优势,对船舶的压冰角、排冰角、线型等都进行了优化调整。

据悉,雪龙2号的结构破冰强度为PC3级,虽然已属上乘,但不如PC1级、PC2级的重型破冰船。后者能常年在极地多年冰的环境下游弋,对一个国家实施极地战略具有重要意义。去年底,国家工业和信息化部启动了极地重型破冰船关键技术研究项目,中船七〇八所牵头承担。吴刚表示:在联合设计出雪龙2号的基础上,我们有信心在未来3-5年内设计出我国亟需且实用的常规动力重型破冰船,为我国极地战略打造国之重器。

“在‘雪龙2’号项目中,七〇八所与阿克北极公司是相互融合、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公司学到了不少经验。

值得注意的是,雪龙2号虽然由我国自主建造,但吊舱推进器、低温钢板等一些部件和材料仍来自国外企业。如何实现高质量的进口替代,是我国科技界和产业界必须解决的问题。

正值艰难的谈判期,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,张院士身体就很不好了,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。

南极之行的启发和实践

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。一方面,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’号上的另一个深刻感受就是,船上的通信设备实在是需要投入力量改进了。”吴刚说,“雪龙2”号实现了无线局域网全覆盖,这也侧面体现了“雪龙2”号的人性化设计。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,都能给船上人员带来更舒适的体验。

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,如今吴刚用行动作出了肯定的回答。 来源:中船集团网站

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