9月10日，我國(guó)首艘自主建造的極地科考破冰船——“雪龍2”號(hào)在江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司下水。乍看之下，“雪龍2”號(hào)比“他哥”敦實(shí)了不少：在船舶型寬相差無(wú)幾的情況下，其總長(zhǎng)較“雪龍”號(hào)短了近45米，這意味著，身寬體胖的“雪龍2”號(hào)破冰能力和科考能力會(huì)更強(qiáng)。

近日，中船集團(tuán)第七〇八研究所研究員、“雪龍2”號(hào)總設(shè)計(jì)師吳剛接受了《船報(bào)》記者的采訪(fǎng)，站在設(shè)計(jì)者的角度，向我們披露了“雪龍2”號(hào)設(shè)計(jì)臺(tái)前幕后的不少故事。

中外聯(lián)合設(shè)計(jì)是十年前英明的決定

1993年，我國(guó)從烏克蘭購(gòu)買(mǎi)了一艘前蘇聯(lián)北冰洋運(yùn)輸補(bǔ)給船，經(jīng)多次改造后，該船成為我國(guó)唯一一艘極地科考破冰船“雪龍”號(hào)。按船齡計(jì)，“雪龍”號(hào)已是老驥伏櫪，加上是“半路出家”，其科考與破冰能力都不足以滿(mǎn)足我國(guó)極地科考的需求。

2009年，我國(guó)正式啟動(dòng)“雪龍2”號(hào)新建極地科考船建設(shè)項(xiàng)目，國(guó)務(wù)院確立了“國(guó)內(nèi)外聯(lián)合設(shè)計(jì)、國(guó)內(nèi)建造”的基本原則。

“中國(guó)就不能自主設(shè)計(jì)新一代的極地科考船嗎？”業(yè)內(nèi)對(duì)此曾有爭(zhēng)議。“其實(shí)，國(guó)務(wù)院定調(diào)由國(guó)內(nèi)外聯(lián)合設(shè)計(jì)是非常英明的。”吳剛說(shuō)，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)船舶設(shè)計(jì)單位對(duì)極地船舶的認(rèn)識(shí)僅停留在理論階段，缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和論證條件。

由國(guó)外公司負(fù)責(zé)基本設(shè)計(jì)并不是簡(jiǎn)單地買(mǎi)圖紙。“如果我們自己不做充分的前期調(diào)研，即使買(mǎi)來(lái)圖紙，很多東西還是學(xué)不會(huì)。”吳剛說(shuō)，船東也意識(shí)到了這一點(diǎn)，在確定國(guó)外設(shè)計(jì)公司之前，就選擇擁有豐富科考船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的七〇八所擔(dān)任技術(shù)支撐單位，全程參與新造船項(xiàng)目。2012年，德國(guó)、挪威、芬蘭的3家公司參與競(jìng)標(biāo)“雪龍2”號(hào)基本設(shè)計(jì)項(xiàng)目，船東邀請(qǐng)了由中國(guó)、韓國(guó)、加拿大等多國(guó)專(zhuān)家組成的國(guó)際評(píng)標(biāo)團(tuán)，其中就包括七〇八所的張炳炎院士和吳剛本人。

“當(dāng)時(shí)經(jīng)過(guò)一輪比較后我們發(fā)現(xiàn)，三家公司的設(shè)計(jì)方案都不能滿(mǎn)足中國(guó)科考破冰船的定制要求。”吳剛透露，期間一度停標(biāo)。

資料圖／七〇八所提供

聚焦破冰設(shè)計(jì)  “情歸”阿克北極

什么是中國(guó)的定制要求？

秦為稼——原國(guó)家海洋局極地考察辦公室主任，憑借對(duì)極地探索作出的杰出貢獻(xiàn)，2016年被《自然》雜志評(píng)為“中國(guó)十大科學(xué)之星”——被吳剛親切地稱(chēng)為“老秦”。吳剛說(shuō)，“雪龍2”號(hào)很多的設(shè)想、需求，都是“老秦”提出的。

多年前，秦為稼就曾向媒體表示：中山站附近海冰厚度1米5左右，“雪龍”號(hào)在安全季節(jié)到達(dá)很困難。“我們這20年來(lái)基本上在11月底12月初‘雪龍’號(hào)才能在連續(xù)冰比較松動(dòng)的情況下勉強(qiáng)接近中山站，在只有‘雪龍’號(hào)的情況下，在海冰上作業(yè)是非常危險(xiǎn)的。”

中國(guó)的定制要求就是：新一代的科考破冰船“底盤(pán)”一定要好，確保其多年在冰區(qū)航行依舊“扛造”；同時(shí)，為了提高船舶的破冰能力和靈活性，“雪龍2”號(hào)要采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)。

圖片來(lái)自七〇八所

“進(jìn)一步明確需求后，評(píng)標(biāo)團(tuán)都將目光聚焦到了芬蘭的阿克北極公司。”吳剛回憶，“阿克北極對(duì)船型的理解是比較接近船東設(shè)想的，其船體設(shè)計(jì)做得相當(dāng)好，可以實(shí)現(xiàn)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)，船舶破冰的功率小而效果又很好。”

“既然實(shí)現(xiàn)了全回轉(zhuǎn)推進(jìn)，那么船艉也能當(dāng)船艏開(kāi)呀！”秦為稼代表船東進(jìn)一步提出了雙向破冰的想法，七〇八所和阿克北極公司分析、討論后認(rèn)為也是可以實(shí)現(xiàn)的。“全回轉(zhuǎn)推進(jìn)帶來(lái)了一個(gè)很可觀(guān)的好處，就是‘雪龍2’號(hào)在冰脊冰水域不需要調(diào)頭了。”吳剛介紹，極地水域水平冰和冰脊冰的分布非常復(fù)雜，有時(shí)即便是看上去開(kāi)闊的水域，也會(huì)讓船舶寸步難行，就是由于水下隱藏了大量松軟且難纏的冰脊冰。因此，“雪龍2”號(hào)雙向破冰的指標(biāo)被確定為：艏向在覆蓋有0.2米厚積雪的1.5米厚冰層上以2～3節(jié)的速度連續(xù)破冰；艉向破冰則能在20米當(dāng)年冰冰脊（含4米堆積層）中不被卡住。“雪龍2”號(hào)成為全球首艘具備雙向破冰能力的極地科考船。

2012年7月31日，國(guó)家海洋局、中國(guó)極地研究中心、芬蘭阿克北極技術(shù)有限公司簽署了極地科學(xué)考察破冰船基本設(shè)計(jì)合同。

科考、敞水設(shè)計(jì)還得靠八所

確定基本設(shè)計(jì)方后，新問(wèn)題也隨之暴露。

“2012年的3～7月，七〇八所的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與阿克北極就各個(gè)專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題展開(kāi)了漫長(zhǎng)的交流、談判。”吳剛介紹，阿克北極設(shè)計(jì)方案的主要問(wèn)題是：其沒(méi)有科考船的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，原方案的母型船是一艘貨船，在船舶穩(wěn)性等方面無(wú)法滿(mǎn)足科考船的要求；此外，中國(guó)到極地之間有大量的敞水（Open Water）水域，原方案在該領(lǐng)域有所欠缺。“這時(shí)候，七〇八所在科考船、敞水水域的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來(lái)了。”

由七〇八所許學(xué)彥院士、張炳炎院士分別領(lǐng)銜設(shè)計(jì)的“遠(yuǎn)望”系列和“向陽(yáng)紅”系列是國(guó)內(nèi)出色的科考船型，該所的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在中國(guó)新一代科考破冰船項(xiàng)目上得到了傳承。“雪龍2”號(hào)的船底安裝了重要聲學(xué)設(shè)備，很容易受到氣泡和碎冰的影響。為此，七〇八所專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了下沉式龍骨的船底結(jié)構(gòu)。“阿克北極向我們反饋，這個(gè)設(shè)計(jì)不僅解決了下泄碎冰干擾的問(wèn)題，船舶航行的經(jīng)濟(jì)性也沒(méi)有受到很大影響。”吳剛說(shuō)。與其他商船相比，破冰船在敞水水域的油耗更高。七〇八所利用拖曳水池的實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)船舶的壓冰角、排冰角、線(xiàn)型等都進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

“在‘雪龍2’號(hào)項(xiàng)目中，七〇八所與阿克北極是相互融合、相互伴隨的關(guān)系。”吳剛說(shuō)，雙方各自發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，在破冰船的設(shè)計(jì)、防寒應(yīng)用上，七〇八所也從阿克北極學(xué)了不少。

就在七〇八所艱難的談判期，2012年8月2日，張炳炎院士逝世。“其實(shí)在基本設(shè)計(jì)招標(biāo)的時(shí)候，老爺子身體就很不好了，但他一直親身參與和指導(dǎo)這個(gè)項(xiàng)目。”吳剛說(shuō)。

2012年10月22日，中國(guó)極地研究中心與七〇八所簽署了中國(guó)新建極地科學(xué)考察破冰船項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)合同。

吳剛（左）與張炳炎院士

南極之行的啟發(fā)和實(shí)踐

2015年年初，為了設(shè)計(jì)好“雪龍2”號(hào)，吳剛曾隨“雪龍”號(hào)赴南極考察。70多天的南極之行，帶給吳剛最大的感受是，側(cè)重于科考的“雪龍2”號(hào)，必須為科研人員提供更為科學(xué)、便捷的工作環(huán)境。

“受船型限制，我們科研人員的作業(yè)模式太落后了。”令吳剛印象很深的一幕是，科學(xué)家需要自己到“雪龍”號(hào)的右舷，靠人力從水里取回重達(dá)幾百公斤的采水裝置。在極地惡劣的環(huán)境下，人員在甲板上作業(yè)本就危險(xiǎn)；另一方面，珍貴的水體樣品離開(kāi)了水下恒溫的環(huán)境、長(zhǎng)時(shí)間暴露在極寒的溫度下，可能會(huì)導(dǎo)致樣品中的生物死亡，影響科研結(jié)果。從南極回來(lái)后，吳剛帶領(lǐng)著七〇八所的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的采樣艙室和設(shè)備，不僅提高了工作效率，也保障了科研人員的操作安全。

“科學(xué)家曾向我們反映，希望我國(guó)的科考船與國(guó)外接軌，科學(xué)家們?cè)诖�上可以�?zhuān)注于實(shí)驗(yàn)，甚至能一邊喝著咖啡，一邊操作科考設(shè)備。”吳剛說(shuō)，“雪龍2”號(hào)采用了集中實(shí)驗(yàn)室格局、大尺度作業(yè)車(chē)間和較大面積調(diào)查作業(yè)甲板設(shè)計(jì)，加之冰區(qū)月池系統(tǒng)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)船舶調(diào)查實(shí)驗(yàn)功能的最大兼容與共享，與國(guó)際上專(zhuān)業(yè)的極地海洋科考布置和流程全面接軌。“‘雪龍2’號(hào)上的科學(xué)家不需要再干多余的體力活了，其實(shí)隨著船上科考設(shè)備機(jī)械化、自動(dòng)化水平的提升，我們還需要培養(yǎng)更多專(zhuān)業(yè)的科考設(shè)備操作手來(lái)輔助科學(xué)家。”吳剛表示。

“當(dāng)年我在‘雪龍’號(hào)上另一個(gè)深刻感受就是，船上的通信實(shí)在是需要投入力量改進(jìn)了。”吳剛說(shuō)，“雪龍2”號(hào)實(shí)現(xiàn)了WIFI全覆蓋，這也是“雪龍2”號(hào)上人性化設(shè)計(jì)的一個(gè)小側(cè)面。據(jù)了解，“雪龍2”號(hào)在駕駛員輪替值班、實(shí)驗(yàn)室和甲板科考作業(yè)的保護(hù)性和便利性、健身活動(dòng)場(chǎng)所的合理設(shè)置、房間的保溫通風(fēng)遮光、室外梯道防滑處理、馬桶真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)、冷凝水處理、茶水站、垃圾房、行李間、洗衣房等設(shè)置以及蔬菜、水果和淡水的便捷運(yùn)輸?shù)确矫妫�都�?huì)給船上人員帶來(lái)更舒適、便捷的體驗(yàn)。

通過(guò)“雪龍2”號(hào)項(xiàng)目，七〇八所積累了極地船規(guī)則規(guī)范經(jīng)驗(yàn)，掌握了雙向破冰船型設(shè)計(jì)、PC3級(jí)破冰船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和破冰船低溫防寒設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，打造了一支日趨成熟的科考船設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。2017年，由七〇八所牽頭的“極地重型破冰船關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目經(jīng)工業(yè)和信息化部批復(fù)后正式立項(xiàng)。曾經(jīng)，針對(duì)“雪龍2”號(hào)是否應(yīng)該由國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)的爭(zhēng)論言猶在耳，如今吳剛有信心作出肯定的回答。