“雪龙2”号南极首航破冰试验

为在自然条件下实尺度测试“雪龙2”号的破冰能力,2019年11月“雪龙2”号在南极首航期间,中国在南极考察站——中山站附近普里兹湾固定冰区,首次自主开展了一系列专业破冰试验。通过选取破冰区域、实地测量冰雪厚度、钻采冰芯测量冰温度和盐度、切取完整冰坯并加工冰梁,完成了冰弯曲强度试验和艏艉双向破冰时的实船数据测量,首次获取了中山站附近固定冰的弯曲强度力学特性,成功验证了“雪龙2”号的破冰能力。本文详细介绍了“雪龙2”号现场破冰试验,并根据测量的海冰特性和船舶破冰航行数据对其艏向破冰能力进行了初步评估,摸索了一套在极地冰区开展破冰船破冰试验的方法,同时也对现场破冰试验中需要改进的方向提出了思考,可为我国新的破冰船建设提供参考。

目前我国极地考察破冰船综合保障能力分析与评估

历经40多载发展,中国极地考察体系总体趋于成熟,保障能力日益加强。然而极地考察破冰船综合保障能力无法完全满足国家需求,与发达国家相比仍存在一定差距。冰区作业时间受限、需适应冰-海-气-生物相互作用等立体科学观测技术等要求,为考察船的支撑保障能力提出了更高的要求。本文深入分析了“雪龙”号和“雪龙2”号的综合保障能力,以及在执行科考调查和后勤综合保障的运行模式,对比国外主流极地考察船,从支撑保障能力、管理模式和运行机制等方面探讨了存在的差异、面临的挑战以及存在的不足,为进一步提高我国极地考察综合实力提供建议。

“雪龙2”号极地科考破冰船实验室的特殊设计

为尽可能满足极地科考破冰船多学科多专业的实验需求,"雪龙2"号通过采用大格局和柔性化两大设计理念,在有限的实验室空间内实现"科考为主,运输为辅"的功能定位。采用大格局的实验室,克服船舶实验室面积有限的劣势,尽可能满足各学科专业通用的要求,提高实验室使用效率;采用柔性化的设计,均衡各学科专业实验之间的特殊需求;结合移动式集装箱实验室的调配,采取分航段作业模式,拓展实验支撑能力。工程技术上,通过模块化实验台拼装技术、灵活的水电气衔接技术和标准化固定技术等来实现大格局和柔性化的设计理念。有效解决了多重矛盾:现代极地科考破冰船科考与运输需求并存,航程长但调查窗口期较短,实验室种类少、空间小但综合调查涉及学科专业多、对实验室种类空间要求高,等。

“雪龙2”号冰区表层海水采集系统的设计与实现

表层海水采集系统是现代科学考察船装备的基础科考设备,通过连续水样采集,可以为走航观测设备、实验室以及培养容器连续提供表层海水,并获取表层海水pCO2、温度、盐度、叶绿素、营养盐等基础数据。南、北极科考要求表层海水采集系统在南北极浮冰区以及南大洋区域提供实时、高保真以及连续的表层海水。由于极地考察海域的特殊性,表层海水采集系统常会遇到问题,如:在浮冰区经常被碎冰堵塞吸口导致无法正常供应表层海水、海洋生物在管道内附着导致管道污染、海水在输送过程中升温导致无法保持其原位状态、管道生锈污染海水等。为解决上述问题,“雪龙2”号在“雪龙”号的基础上,对防冰堵、海水高保真、实时性、防海生物污染等几个关键技术点进行重点设计,成功建成了一套可在冰区连续运行作业的表层海水采集系统,经过中国第36次南极考察一个航次实践,大概率降低冰堵情况的发生,获取了大量珍贵的科考数据。

“雪龙2”号国内首套Sea Ⅲ型海洋重力仪应用分析

Sea Ⅲ型海洋重力仪是Micro-g LaCoste公司在L&R SⅡ型重力仪原理基础上开发的新型摆杆-斜拉零长弹簧海洋重力仪。本文以Sea Ⅲ型海洋重力仪在"雪龙2"号上应用为例,梳理了Sea Ⅲ型海洋重力仪工作原理、重力计算公式、结构特点和优势。对其静态试验及海上动态性能测试进行研究,通过设计重复线、交叉点来评估仪器的动态精度情况。试验表明Sea Ⅲ静态线性月漂移约为0.85×10^(-5)m·s^(2),重力仪观测值能够清晰反映当地固体潮变化特征,动态内符合精度为0.23×10^(-5)m·s^(2),均远优于海洋调查规范相关标准要求。在此基础上,结合"雪龙2"号船型、设备布置等分析总结仪器数据处理流程及仪器性能指标,为后续相关用户提供参考。

“雪龙2”号极地考察船月池系统的设计与应用

[目的]在极地密集浮冰区极地考察船通过舷侧投放和回收科考探测及采样设备的作业模式受限,因此,为顺利获取极地密集浮冰区内数据和样品,需在“雪龙2”号极地考察船舯部设计月池。[方法]结合我国多年极地科学考察的经验,充分考虑极地冰区作业的特点,合理设计可在舷侧与月池作业切换的动线方案,使用创新的水压密月池底盖、特殊的轨道对接方案、低温环境下活动关节除冰等针对性设计,并经过南极考察现场作业的检验。[结果]结果表明,该设计方案可有效开展极地密集浮冰区内科考调查设备的投放和回收作业。[结论]所设计的月池系统能够较好地适用于我国极地考察船的实际需求,形成了与“雪龙2”号船破冰能力相匹配的密集浮冰区调查取样能力。

“雪龙2”号长柱状取样器的极地应用

中国南北极科考为极地生态、气候等学科发展提供了丰富的数据资源,其中海底沉积物取样是历次科考所涵盖的内容之一。在国际上,箱式、蚌式和多管采泥器作为常规的表层沉积物取样设备。在我国,应注意到在长柱状沉积物取样设备上和国外存在很大差距,增强沉积物取样能力为时下迫切需要解决的难点之一。早期服役的"雪龙"号极地科考船不具备搭载长柱状取样器的能力,采用的为总长度小于8m的普通重力取样器来进行柱状沉积物取样作业,所获取的沉积物岩心样品长度较短,一般在4~6 m。从2019年7月11日始,"雪龙2"号正式交付自然资源部并加入我国极地考察序列。"雪龙2"号配备达到国际主流水平的总长度22 m的长柱状重力活塞取样器。该取样器分别在南北极进行了首次应用,成功获取了长度超过18 m的高质量长柱状沉积物样品,取心率超过80%,极大增强了我国在极地考察过程中采集高质量长柱状沉积物样品的能力。

新一代极地考察船“雪龙2”号的科考功能模块

为达到新一代极地考察船“科考为主,运输为辅”的功能定位,满足不断发展的极地海洋科考需求,“雪龙2”号研发团队结合我国多年极地现场考察经验,通过采用箱型龙骨安装水下声学设备换能器、月池系统用于密集冰区科考设备下放和回收、大空间柔性化实验室和共享显示控制系统等科考功能模块研究应用,实现我国新一代极地考察船科考平台的建造。经多次海试和极地现场航次检验,创新设计的科考功能模块已被实践证明和接受,从硬件上有效提升我国船基科考保障能力。

“雪龙2”号表层海水多要素实时观测系统的设计与应用

极地考察破冰船航线穿越太平洋、印度洋、南大洋和北冰洋在内的多个大洋,具有长期性和固定性,对于海洋调查研究及许多重大科学问题的研究具有重要意义。海水表层多要素的连续实时观测是海洋调查研究的基础,因此在“雪龙”号表层海水走航观测系统应用的基础上,“雪龙2”号结合国际前沿热点问题,从提高数据准确性、增强系统集成性、提高系统自动化程度等方面着手,设计了一套适合我国现代化极地科学考察的表层海水多要素实时采集系统。经数次极地考察实地检验,系统能较好地满足我国极地考察需求,且运行状态稳定、观测数据准确、维护成本较低。该系统的成功应用,对极区海洋现场观测调查具有重要意义,也对后续科学考察船的走航连续观测系统建设具有一定借鉴意义。

极地考察破冰船吊舱推进系统分析及其控制性能仿真研究

吊舱式电力推进器可提高船舶总体性能和推进效率,操纵灵活,节省舱室空间,增加有效载荷,在破冰船上得到广泛运用。本文以"雪龙2"号极地科考破冰船为例,分析了ABB(Asea Brown BoveriLtd.)公司Azipod^®吊舱式推进器的组成特点和优势,介绍了吊舱推进系统中电力系统的构成。通过突变负载的仿真实验,验证了"雪龙2"号吊舱推进器控制系统对转速控制的可靠性。

中山站前沿固定冰破冰方案及船舶操纵方法

为了向“雪龙号”提供一条可行的卸货用航行水道,中国第一艘自主建造的破冰船“雪龙2号”急需在南极大陆的中山站前沿复杂的固定冰中制订一条破冰路线。在“雪龙号”过去多年积累数据和经验基础之上,通过详细分析破冰水域的航行环境、固定冰区当年冰情、最新气象辅助资料以及可用的先进设备,制订一条破冰计划路线。采用首尾破冰、进退速度控制、预留距离控制以及操纵船舶辅助破冰等方法,顺利完成破冰开路任务。实际破冰结果证明,计划路线既绕开了危险的冰裂缝和冰山,也为“雪龙号”节省大量的卸货时间。总结“雪龙2号“在固定冰中的破冰能力,指出相应的困难和急需解决的问题;为我国破冰船在极区常态化航行、冰区航行的船舶驾驶员、按极地规则要求进行的冰区航行培训以及相应的业务模拟提供参考。

船载可移动实验室的设计与应用探索

中国极地科考破冰船科考设备多,又兼顾物资运输功能,导致实验室空间和功能受到压缩,现有固定实验室已无法满足使用需求。为缓解矛盾提升极地科考船利用效率,以“雪龙2”号为例,结合中国多年极地考察经验,通过充分考虑实验室的具体需求及极地科考破冰船运营特征,将可移动实验室引入其设计建造。“雪龙2”号配备的可移动实验室能满足极地科考分航段实施的需求,有效解决船载固定实验室空间有限而新需求不断涌现的问题,顺利通过中国第36、37次南极及第11次北极考察现场检验。其在“雪龙2”号上的成功应用,对后续执行多航段、长距离考察任务的大洋级和全球级海洋科考船的实验室建造具有一定借鉴意义。