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专访“雪龙2”号总设计师吴刚:一艘“特种船”如何诞生

2019-7-11 11:22| 查看: 274| 评论: 0|来源: 新京报

设计建造这样一艘全新的极地科考破冰船,历经整整十年。

  

今日(7月11日),中国第一艘自主建造的极地科考破冰船“雪龙2”号在上海正式交付,即将开启南极首航。

  

“雪龙2”号是世界上第一艘采用船艏、船艉双向破冰技术的极地科考破冰船,具有连续破1.5米冰加0.2米积雪的能力,可突破极区20米当年冰冰脊,满足无限航区包括极区航行和作业的需求。

  

设计建造这样一艘全新的极地科考破冰船,历经整整十年。

  

日前,中船集团第七〇八研究所科考船设计专家、“雪龙2”号总设计师吴刚接受新京报记者专访,讲述了这艘“特种船”诞生的幕后故事。“对于‘雪龙2’号,三门考试(常规试航、科考试航、破冰试航)顺利完成一门,后面还有两门,希望最后的总分对得起逝去的老师张炳炎院士,对得起这么多人加在一起的十年寒窗。”吴刚说。

吴刚在南极中山科考站。中船集团七〇八所供图

 

 “急需一艘更强大的极地科考船”

  

新京报:我们为什么要建造一艘全新的极地科考破冰船?

  

吴刚:“雪龙2”号诞生前,我国唯一一艘极地科考破冰船“雪龙”号已经服役多年,它是由集装箱运输船经过多次改装而成的。以“雪龙”号的破冰能力,只有等到夏季两极冰川大面积融化时,才能到达考察位置,而且即使是夏季,也无法深入北冰洋中心区。由于船型和航次任务原因,“雪龙”号的科考与破冰能力都不足以满足我们极地科考的需求,我们急需一艘更强大的极地科考船。

  

我国在南极有中山站、长城站等科考站,未来可能还会建立更多的极地考察站,最迫切需要解决的就是,我们怎么去到那里。科考船除了具备抵达科考站这一运输功能外,它还是一个非常重要的海洋研究平台,可以搭载很多科考设备,在海上进行长时间观测。这是我们一定要造一艘全新的极地科考船的原因。

  

新京报:为设计“雪龙2”号赴南极考察,最大的感受是什么?

  

吴刚:那是2015年初,我亲身经历了70多天的南极之行。到南极去参加破冰科考,和在图纸上设计、在常规船上参加海试,是完全不一样的。

  

当时坐着“雪龙”号去南极,却并不感觉“雪龙”号是一个专业的科考破冰船,因为船的局限性,一次四五个月的航程,真正科考时间却只有半个月,科考只能在小范围内进行,时间还限制在极地夏季。时间窗口没法拉长,就无法看到很多新的生物季节变化等科学现象。我了解到,科学家们对全新的“雪龙2”号是非常期待的,我们肩负的任务很艰巨。

 

 “要新造一艘船,而不是改造”

  

新京报:“雪龙2”号的设计方案是怎么确定的?

  

吴刚:中国需要一艘新的极地科考船,这一想法早在2008年就已经酝酿成熟。当时,我也跟随我的老师——如今已故的张炳炎院士,参与到项目的策划中。2009年6月,国务院专题会议批准立项,正式启动“雪龙2”号极地科考船建设项目,并确定由国内外联合设计、国内自主建造。

  

任何一项大工程都要经过严格的论证过程,因为要对船的功能定位、船型、排水量、造价估算等进行系统的认证,每次遇到新难点,或提出自主创新的要求,都需要有针对性地进行调整改进。到2012年,我们基本上构思出了“雪龙2”号的需求轮廓。根据这个需求,形成了中英文招标文件,最终确定由芬兰阿克北极公司来和七〇八所对“雪龙2”号进行联合设计。

 

张炳炎院士及吴刚一行参加新建极地科考破冰船项目相关会议。中船集团七〇八所供图

  

新京报:国内外联合设计,当时是出于什么考虑?

  

吴刚:主要考虑是在缺少实船经验和冰池硬件方面。国内没有设计破冰船所需的“冰池”,“雪龙2”号作为我国第一艘新型极地科考破冰船,有很多有中国特色的特殊要求,需要结合国外冰池的船型研发能力来进行探索。另外,与国外设计公司合作,也能够吸收更多国际上破冰船的先进理念,培养我们自己的技术能力。

  

在构想提出之初,也有一种声音说,我们可以到国外参观了解一些设计公司和船厂,选择符合需求的设计图纸买回来建造,因为大家太希望这艘船尽快面世了。但“雪龙2”号与一般可以批量建造的运输船不同,它是一艘极其复杂的“特种船”,各种功能都需要根据实际情况来进行定制,所以我们一定要新造一艘船,而不是改造,更不能照搬国外已有的船型图纸进行建造。

  

新京报:“雪龙2”号针对哪些方面进行了特别定制?

  

吴刚:当时我们在挪威参观考察时,看到一套非常成熟的破冰船设计方案,但这套方案是根据从挪威沿海出发前往北极的路线定制的,所面临的海况、冰情以及科考需求,跟我们的需求完全不一样,面临的改动就会非常大。

  

更重要的是,它的破冰能力只有1.0米厚度,这是抵达挪威极地考察站的破冰指标;要抵达中国中山站——我们测算过——至少需要破1.5米厚度的冰,这就是现在“雪龙2”号的破冰能力。这里所说的“破冰”,是一个连续破冰且有夹杂多年冰的概念,涉及船型、主机功率、船的螺旋桨、撞击能力、造价等各个方面,在整个设计上会完全不一样。

  

而且中国是一个处于非极地圈的国家,例如我们的科考船从上海出发前往南极,需要先停靠澳大利亚或新西兰,过西风带穿插到极地,整个航程路线都是定制化设计的,细致到在海上航行多长时间,在冰上航行多长时间,在哪个港口补给。如果纯粹地照搬一艘国外的破冰船,将会带来非常致命的问题。

 

“雪龙2”号极地科考破冰船。中国极地研究中心供图

 

“首次实现双向破冰,WIFI覆盖全船”

  

新京报:“雪龙2”号在技术上实现了哪些创新和突破?

  

吴刚:“雪龙2”号最大的亮点是它的双向破冰技术能力,我们采用了全回转吊舱电力推进系统,在遇到很难“拱”的冰脊时,船体可以转动180°,船艉变船艏,尾部的螺旋桨能在海面下削冰,把10多米高的冰脊掏空,这是全球首次。

  

“雪龙2”采用了国际标准的DP-2动力定位系统,它还将是国际上第一艘获得智能船舶符号的极地科考破冰船,拥有智能船体和智能机舱。船体正中间还设有一个用于科考作业的方形月池及 CTD 收放系统,科考仪器设备可以从这里直接入水。从有记载的资料来看,这是世界上第一个水密月池。

  

新京报:“雪龙2”号最人性化的一个设计是什么?

  

吴刚:最人性化的设计应该是“雪龙2”号实现WIFI全覆盖,这也是极地中心船东和我们团队在设计这艘船的时候,给新船下的一个硬指标。

  

当时乘坐“雪龙”号去考察,每天晚上很多人蹲在走廊楼梯口,那是船上信号最集中的地方,大家都从房间出来,握着手机跟家人通讯。但船上的卫星带宽速度太慢了,慢到只能发送文字,还需要几分钟才能等到回复。即便是这样的联络方式,在“雪龙”号上也是很奢侈的,是大家跟家人联系的唯一方式。

  

设计这艘船的时候,我想,未来登上这艘船,手机一定要可以流畅上网。这需要在船上加载拥有很大带宽的VAST卫星通信系统。同时,还要做更多“放大器”,让WIFI信号覆盖船的各个区域。这个设计让船上跟岸上联系时,可快速地传输图像和声音。

 

 “最大难点是破冰与科考功能的兼顾”

  

新京报:整个设计过程中,最大的难点是什么?

  

吴刚:“雪龙2”号是世界首艘拥有双向破冰能力的科考船,整艘船最大的难点在于破冰与科考功能的兼顾。

  

对于破冰来说,船艏的倾斜角在一定范围内越低越好,但“雪龙2”号也是一艘科考船,船艏倾斜角太低会导致航行的时候科考性能受到极大干扰。船艏压低会带来大量气泡,一些科考装备比如全海深多波束的表面是不允许受到气泡干扰的,否则扫测数据会不准确。

  

经过大量实验,我们最后为“雪龙2”号的船艏找到了一个最佳平衡角度,首次在船前部采用箱型龙骨的船底结构,实现了船底重要声学设备避免气泡和碎冰影响与航行经济性之间的协调。这是决定船型最重要的一点,也是我们自己的一个专利设计。

  

新京报:从一艘不够专业的极地科考船跃升到世界一流的极地科考船,主要体现在哪些细节?

  

吴刚:既要破冰航行,又要兼顾科考性能,在理念上“雪龙2”号就与其他船不同。而且,这艘船要以科考为主,科考是目的,破冰是保证,破冰是为了航行到有科考价值的海域。很多科学家期待新的科考船能把他们带到那里,在科考上也实现一个大的跨越。

  

31次南极航次中,我在船上看到,“雪龙”号上的科考人员需要手动操作采水装置作业,效率很低而且很危险。在一次科考船论坛上,吴立新院士说:“我们希望我国的科学家能在船上喝着咖啡,坐在实验室里,拿到他的海水样本。”所以我们在“雪龙2”号上进行了很多减少人工的改装,比如加大尾部作业的自动化程度、船体的智能程度等。

  

在“雪龙”号上生活过以后,我们对科学考察实验室的布局、防寒加热区域,哪些地方需要加温防寒,哪些地方需要加强通讯,都有一个切身的体验。在“雪龙2”号上,针对船上人员的生活起居做了很多人性化的设计,比如房间加热设施、窗户双层保温、室内防滑处理、淡水的充足供给等,让大家工作得更舒服。

 

七〇八所“雪龙2”号项目组部分成员参加“雪龙2”号试航前。中船集团七〇八所供图

 

 “不久将承担南极航次科考任务”

  

新京报:交付使用前,“雪龙2”号进行了哪些测试?

  

吴刚: 5月31日开始,“雪龙2”号进行了为期半个月的试航,46个大系统200多台套设备在海上进行测试验收,包括船舶操纵性能试验、一人桥楼试验、电力推进系统试验、DP2动力定位系统试验、无人机舱和智能机舱试验、舱室振动噪声测量试验、水下辐射噪声测量,以及部分科考系统和实验室功能试验,可以说高分通过了“初考”。

  

新京报:“雪龙2”号未来将承担哪些科考任务?

  

吴刚:接下来,还要进行科考试航和破冰试航,但这些必须要到深海和极地海域去进行试验,预计不久就将开启南极首航,承担科学考察任务。

  

“雪龙2”号在环境调查方面,能够进行极地海洋、海冰、大气等环境基础综合调查观测研究;在地球物理调查方面,能够在极地冰区海洋开展油气、生物等调查;同时也承担了极地考察站部分物资和人员的运输任务。

  

新京报:“雪龙2”号的诞生,对我国极地科考事业有什么重要意义?

  

吴刚:“雪龙2”号既承载和实现了近40年国内业界所做的诸多储备研究工作,也为未来可能的航线开道、科考救援等任务打下了基础。可以说,“雪龙2”号对中国极地科考领域是一场“及时雨”。

  

我们花了10年时间来设计建造这艘船,大大拓展了目前极地科考的范围,能够前往极地更中心海域,也不再只能将科考集中在夏季,春秋季节也可以前往。而且有了这10年的积累,我们在规范、设计、建造、材料、设备各方面对造一艘科考破冰船有了全新的认识。未来,我们对建造重型破冰船将更有信心。

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