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吳剛:“雪龍2”號誕生的幕后故事

2019-07-12 10:20:47 來源: 新京報  作者: 吳嬌穎
摘要:設計建造這樣一艘全新的極地科考破冰船,歷經整整十年。

  原標題:專訪“雪龍2”號總設計師吳剛:一艘“特種船”如何誕生

  7月11日,中國第一艘自主建造的極地科考破冰船“雪龍2”號在上海正式交付,即將開啟南極首航。

  “雪龍2”號是世界上第一艘采用船艏、船艉雙向破冰技術的極地科考破冰船,具有連續破1.5米冰加0.2米積雪的能力,可突破極區20米當年冰冰脊,滿足無限航區包括極區航行和作業的需求。

  設計建造這樣一艘全新的極地科考破冰船,歷經整整十年。

  日前,中船集團第七〇八研究所科考船設計專家、“雪龍2”號總設計師吳剛接受新京報記者專訪,講述了這艘“特種船”誕生的幕后故事。“對于‘雪龍2’號,三門考試(常規試航、科考試航、破冰試航)順利完成一門,后面還有兩門,希望最后的總分對得起逝去的老師張炳炎院士,對得起這么多人加在一起的十年寒窗。”吳剛說。

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  吳剛在南極中山科考站。中船集團七〇八所供圖

  “急需一艘更強大的極地科考船”

  新京報:我們為什么要建造一艘全新的極地科考破冰船?

  吳剛:“雪龍2”號誕生前,我國唯一一艘極地科考破冰船“雪龍”號已經服役多年,它是由集裝箱運輸船經過多次改裝而成的。以“雪龍”號的破冰能力,只有等到夏季兩極冰川大面積融化時,才能到達考察位置,而且即使是夏季,也無法深入北冰洋中心區。由于船型和航次任務原因,“雪龍”號的科考與破冰能力都不足以滿足我們極地科考的需求,我們急需一艘更強大的極地科考船。

  我國在南極有中山站、長城站等科考站,未來可能還會建立更多的極地考察站,最迫切需要解決的就是,我們怎么去到那里。科考船除了具備抵達科考站這一運輸功能外,它還是一個非常重要的海洋研究平臺,可以搭載很多科考設備,在海上進行長時間觀測。這是我們一定要造一艘全新的極地科考船的原因。

  新京報:為設計“雪龍2”號赴南極考察,最大的感受是什么?

  吳剛:那是2015年初,我親身經歷了70多天的南極之行。到南極去參加破冰科考,和在圖紙上設計、在常規船上參加海試,是完全不一樣的。

  當時坐著“雪龍”號去南極,卻并不感覺“雪龍”號是一個專業的科考破冰船,因為船的局限性,一次四五個月的航程,真正科考時間卻只有半個月,科考只能在小范圍內進行,時間還限制在極地夏季。時間窗口沒法拉長,就無法看到很多新的生物季節變化等科學現象。我了解到,科學家們對全新的“雪龍2”號是非常期待的,我們肩負的任務很艱巨。

  “要新造一艘船,而不是改造”

  新京報:“雪龍2”號的設計方案是怎么確定的?

  吳剛:中國需要一艘新的極地科考船,這一想法早在2008年就已經醞釀成熟。當時,我也跟隨我的老師——如今已故的張炳炎院士,參與到項目的策劃中。2009年6月,國務院專題會議批準立項,正式啟動“雪龍2”號極地科考船建設項目,并確定由國內外聯合設計、國內自主建造。

  任何一項大工程都要經過嚴格的論證過程,因為要對船的功能定位、船型、排水量、造價估算等進行系統的認證,每次遇到新難點,或提出自主創新的要求,都需要有針對性地進行調整改進。到2012年,我們基本上構思出了“雪龍2”號的需求輪廓。根據這個需求,形成了中英文招標文件,最終確定由芬蘭阿克北極公司來和七〇八所對“雪龍2”號進行聯合設計。

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  張炳炎院士及吳剛一行參加新建極地科考破冰船項目相關會議。中船集團七〇八所供圖

  新京報:國內外聯合設計,當時是出于什么考慮?

  吳剛:主要考慮是在缺少實船經驗和冰池硬件方面。國內沒有設計破冰船所需的“冰池”,“雪龍2”號作為我國第一艘新型極地科考破冰船,有很多有中國特色的特殊要求,需要結合國外冰池的船型研發能力來進行探索。另外,與國外設計公司合作,也能夠吸收更多國際上破冰船的先進理念,培養我們自己的技術能力。

  在構想提出之初,也有一種聲音說,我們可以到國外參觀了解一些設計公司和船廠,選擇符合需求的設計圖紙買回來建造,因為大家太希望這艘船盡快面世了。但“雪龍2”號與一般可以批量建造的運輸船不同,它是一艘極其復雜的“特種船”,各種功能都需要根據實際情況來進行定制,所以我們一定要新造一艘船,而不是改造,更不能照搬國外已有的船型圖紙進行建造。

  新京報:“雪龍2”號針對哪些方面進行了特別定制?

  吳剛:當時我們在挪威參觀考察時,看到一套非常成熟的破冰船設計方案,但這套方案是根據從挪威沿海出發前往北極的路線定制的,所面臨的海況、冰情以及科考需求,跟我們的需求完全不一樣,面臨的改動就會非常大。

  更重要的是,它的破冰能力只有1.0米厚度,這是抵達挪威極地考察站的破冰指標;要抵達中國中山站——我們測算過——至少需要破1.5米厚度的冰,這就是現在“雪龍2”號的破冰能力。這里所說的“破冰”,是一個連續破冰且有夾雜多年冰的概念,涉及船型、主機功率、船的螺旋槳、撞擊能力、造價等各個方面,在整個設計上會完全不一樣。

  而且中國是一個處于非極地圈的國家,例如我們的科考船從上海出發前往南極,需要先停靠澳大利亞或新西蘭,過西風帶穿插到極地,整個航程路線都是定制化設計的,細致到在海上航行多長時間,在冰上航行多長時間,在哪個港口補給。如果純粹地照搬一艘國外的破冰船,將會帶來非常致命的問題。

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  “雪龍2”號極地科考破冰船。中國極地研究中心供圖

  “首次實現雙向破冰,WIFI覆蓋全船”

  新京報:“雪龍2”號在技術上實現了哪些創新和突破?

  吳剛:“雪龍2”號最大的亮點是它的雙向破冰技術能力,我們采用了全回轉吊艙電力推進系統,在遇到很難“拱”的冰脊時,船體可以轉動180°,船艉變船艏,尾部的螺旋槳能在海面下削冰,把10多米高的冰脊掏空,這是全球首次。

  “雪龍2”采用了國際標準的DP-2動力定位系統,它還將是國際上第一艘獲得智能船舶符號的極地科考破冰船,擁有智能船體和智能機艙。船體正中間還設有一個用于科考作業的方形月池及CTD收放系統,科考儀器設備可以從這里直接入水。從有記載的資料來看,這是世界上第一個水密月池。

  新京報:“雪龍2”號最人性化的一個設計是什么?

  吳剛:最人性化的設計應該是“雪龍2”號實現WIFI全覆蓋,這也是極地中心船東和我們團隊在設計這艘船的時候,給新船下的一個硬指標。

  當時乘坐“雪龍”號去考察,每天晚上很多人蹲在走廊樓梯口,那是船上信號最集中的地方,大家都從房間出來,握著手機跟家人通訊。但船上的衛星帶寬速度太慢了,慢到只能發送文字,還需要幾分鐘才能等到回復。即便是這樣的聯絡方式,在“雪龍”號上也是很奢侈的,是大家跟家人聯系的唯一方式。

  設計這艘船的時候,我想,未來登上這艘船,手機一定要可以流暢上網。這需要在船上加載擁有很大帶寬的VAST衛星通信系統。同時,還要做更多“放大器”,讓WIFI信號覆蓋船的各個區域。這個設計讓船上跟岸上聯系時,可快速地傳輸圖像和聲音。

  “最大難點是破冰與科考功能的兼顧”

  新京報:整個設計過程中,最大的難點是什么?

  吳剛:“雪龍2”號是世界首艘擁有雙向破冰能力的科考船,整艘船最大的難點在于破冰與科考功能的兼顧。

  對于破冰來說,船艏的傾斜角在一定范圍內越低越好,但“雪龍2”號也是一艘科考船,船艏傾斜角太低會導致航行的時候科考性能受到極大干擾。船艏壓低會帶來大量氣泡,一些科考裝備比如全海深多波束的表面是不允許受到氣泡干擾的,否則掃測數據會不準確。

  經過大量實驗,我們最后為“雪龍2”號的船艏找到了一個最佳平衡角度,首次在船前部采用箱型龍骨的船底結構,實現了船底重要聲學設備避免氣泡和碎冰影響與航行經濟性之間的協調。這是決定船型最重要的一點,也是我們自己的一個專利設計。

  新京報:從一艘不夠專業的極地科考船躍升到世界一流的極地科考船,主要體現在哪些細節?

  吳剛:既要破冰航行,又要兼顧科考性能,在理念上“雪龍2”號就與其他船不同。而且,這艘船要以科考為主,科考是目的,破冰是保證,破冰是為了航行到有科考價值的海域。很多科學家期待新的科考船能把他們帶到那里,在科考上也實現一個大的跨越。

  31次南極航次中,我在船上看到,“雪龍”號上的科考人員需要手動操作采水裝置作業,效率很低而且很危險。在一次科考船論壇上,吳立新院士說:“我們希望我國的科學家能在船上喝著咖啡,坐在實驗室里,拿到他的海水樣本。”所以我們在“雪龍2”號上進行了很多減少人工的改裝,比如加大尾部作業的自動化程度、船體的智能程度等。

  在“雪龍”號上生活過以后,我們對科學考察實驗室的布局、防寒加熱區域,哪些地方需要加溫防寒,哪些地方需要加強通訊,都有一個切身的體驗。在“雪龍2”號上,針對船上人員的生活起居做了很多人性化的設計,比如房間加熱設施、窗戶雙層保溫、室內防滑處理、淡水的充足供給等,讓大家工作得更舒服。

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  七〇八所“雪龍2”號項目組部分成員參加“雪龍2”號試航前。中船集團七〇八所供圖

  “不久將承擔南極航次科考任務”

  新京報:交付使用前,“雪龍2”號進行了哪些測試?

  吳剛:5月31日開始,“雪龍2”號進行了為期半個月的試航,46個大系統200多臺套設備在海上進行測試驗收,包括船舶操縱性能試驗、一人橋樓試驗、電力推進系統試驗、DP2動力定位系統試驗、無人機艙和智能機艙試驗、艙室振動噪聲測量試驗、水下輻射噪聲測量,以及部分科考系統和實驗室功能試驗,可以說高分通過了“初考”。

  新京報:“雪龍2”號未來將承擔哪些科考任務?

  吳剛:接下來,還要進行科考試航和破冰試航,但這些必須要到深海和極地海域去進行試驗,預計不久就將開啟南極首航,承擔科學考察任務。

  “雪龍2”號在環境調查方面,能夠進行極地海洋、海冰、大氣等環境基礎綜合調查觀測研究;在地球物理調查方面,能夠在極地冰區海洋開展油氣、生物等調查;同時也承擔了極地考察站部分物資和人員的運輸任務。

  新京報:“雪龍2”號的誕生,對我國極地科考事業有什么重要意義?

  吳剛:“雪龍2”號既承載和實現了近40年國內業界所做的諸多儲備研究工作,也為未來可能的航線開道、科考救援等任務打下了基礎。可以說,“雪龍2”號對中國極地科考領域是一場“及時雨”。

  我們花了10年時間來設計建造這艘船,大大拓展了目前極地科考的范圍,能夠前往極地更中心海域,也不再只能將科考集中在夏季,春秋季節也可以前往。而且有了這10年的積累,我們在規范、設計、建造、材料、設備各方面對造一艘科考破冰船有了全新的認識。未來,我們對建造重型破冰船將更有信心。


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