破冰船为什么依靠自身压力破冰，而不靠设备击破或切开冰层？ 第1页

破冰船是一种高科技专用船舶，随着破冰的理论和技术的发展，不断发展。不仅有最常用最传统的冲撞压碎冰面的方式，也有其它技术破冰。在充分利用破冰船自身巨大重锤以外，开发了其它设备或设施切开冰层，提高破冰速度和效率。毕竟万吨巨锤不要另用其它设备太浪费能源了。

背景：北极航道促冰区船升温北极航道包括西北航道和东北航道。西北航道东起美国和加拿大东海岸,向西穿过加拿大北极群岛,经波弗特海、白令海峡抵达美加太平洋港口;东北航道西起西欧和北欧港口,穿过西伯利亚沿岸海域,绕过白令海峡到达中国或日本港口。世界发达国家大多处于北纬30度以北地区,这个地带生产了当今世界80%的工业产品,占据70%的国际贸易。如果北冰洋航线畅通,这些地区的国际贸易航线将会缩短大约6000～8000公里的航程,节省40%的航运成本。届时,国际航运的重心必将转向北极,大量的货物将会通过该航线运输,这将会对船舶的需求产生重大改变。所以北极航道的经济性和战略性突显。但不可忽视的是这个地区毕竟是高纬度地区，常年有大量冰层、浮冰覆盖。因此破冰船这种只在高纬度地区国家使用的小众特种船舶受到各国的注意。

破冰船使用的环境包括港口、航道。冰的种类大体分为地缘冰、浮冰、开阔海域或湖波。厚度也因此有1.2米以下较薄和几米厚的大块冰或部分冲撞叠压形成的十几米高的冰脊。

1、传统破冰船破冰方式：

1.1、连续顶撞法：利用船舶自重，将船视为设备，变为凿子，在冰层不太厚的时候直接较高速度（每小时9公里左右）向前开。靠着巨大的自重惯性和船舶动力，连续撞击并硬顶前面的冰面。

1.2、冲撞法：当冰层较厚，直接硬顶不行。那么就要利用船舶万吨自重变为超大号电锤。倒车2到3个船身，然后正车加速向前开。反复倒车、正车撞击。操作中要频繁倒车，所以专用破冰船的航速较低。用冲撞法时航速就更低只能2、3公里每小时。

1.3、冲压法：如果冰层更厚或环境复杂，甚至遇到冰脊，冲撞法也不行了。为了能开上冰面破冰船的船首一般做成类似勺型圆弧，同时还会向船身后半部特制水箱中注水调节重心，让船头稍微向上，这样会轻而易举地冲到冰面上去。冲上去后如果不能直接压破冰面就会向船头特制的水箱里注水增重，直到船体把下面厚厚的冰层压为碎块。压碎后再调节水箱到船体后半部。

为了避免开入冰面后因为破开的航道狭小卡住船身，同时为了能为比破冰船大很多的其它运输船舶开路，所以经常第二次向前冲上冰面不是直接向前，而是调整为向左或向右侧一个船身宽度的距离再向前开。压破冰面后倒车，然后第三次是向第一次行驶的方向线冲压冰面；第四次是向第二次方向冲压冰面。反复冲压的样子俯视就像是人徒步左右脚交替向前踩冰前行。故而，这样又叫做徒步破冰法。这种破冰时航速更低了。

注意，这种冲压破冰方法，向前冲上冰面时候要注意控制好功率和船速，尽量不要一次冲上的距离大于船身1/3，避免被冰层卡住。

以上三种为传统破冰方式。

2、传统破冰方法的局限性：

2.1、连续顶撞法破冰：因为是蛮力硬顶，所以功率效率低，能耗很大。同时只能在冰厚度较薄的海域使用。大于1.2米就很难使用。

2.2、连续顶撞和冲撞法破冰：最大的问题容易被卡住！

2.2.1、由于柴油机主机特性限制，倒车功率仅能发挥70%，拉力经常不够；在破冰进入狭窄航道或船首冲上冰面时，倒车困难。

2.2.2、主机长时间在破开的狭长航道工作，容易螺旋桨打冰。虽然破冰船的螺旋桨经过特殊设计，有时候甚至利用其削冰，但长时间工作容易过载；

2.2.3、传统转向舵转向力较小，不足以在恶劣冰况下摆脱困境；

2.2.4、冲压法（徒步破冰法）虽然能应对毕竟厚的冰层，但要拓宽较宽航路要求有很大的动力和自重，同时其破冰效率较低。

3、旋回破冰法：在前三种的基础上，人们开发了侧身冲撞压冰的技术，采用这种技术的破冰船不容易被卡住，同时，破开的航路宽度能比船身宽度大大增加。中小吨位就能有很宽的航路拓展能力。

近年，还进一步研发了不对称的破冰船船身结构，破冰时，直接侧身压冰。

侧身破冰的柴油的波罗的海号（Baltika）破冰船是世界上第一艘采用不对称（倾斜）船体建造的船舶。由Hietalahti 造船厂（芬兰赫尔辛基）、Yantar 造船厂 JSC（俄罗斯加里宁格勒）联合制造。2014年12月30日交付，20​​15年2月20日举行了俄罗斯升旗仪式。2015年3月6日入役。

Baltika 的这种设计使它不仅可以向前/向后运行，还可以侧向运行（具有大迎角），为更大的商船打开宽阔的航道。Baltika 是一艘专门设计的多用途船破冰船。可用于紧急情况下拖曳船舶、执行救援行动、扑灭外部火灾。万一漏油，她的不对称船体的垂直侧还可以用作一个大的清扫臂，当船倾斜穿过浮油时，将漂浮在水面上的油引导到内置的撇油器。

4、在三种基本破冰形式以外，在实际使用中，人们根据以上各种问题开发了新的破冰技术和设备设施并应用于破冰船上。

4.1、空泡系统：人们发现破碎后的碎冰漂浮在破冰船周围，与冰岸和破冰船互相反复撞击对破冰船造成很大伤害。所以又开发了气泡破冰的空泡系统技术。也就是利用气泵从破冰船底部向周围的冰面下大量注入压缩空气。利用巨大的气泡浮力向上托举剪切破冰，同时利用气泡推开碎冰，减小对破冰船船体的冲撞和摩擦，辅助破冰。(芬兰Otso号和Kontio号破冰船）

4.2、冰刃和热水辅助技术：

例如俄罗斯的Yamal，这艘目前唯一可以安全抵达北极点的民用船舶，在船首下面装具专门设计的冰刃。冰刃宽度70cm，冰刃两侧有两个大型螺旋桨，并在需要的时候不断的喷洒高温热水，这样加上船身的重量可以很容易的切开冰层，并将大冰块切割为小冰块。

4.3、吊舱推进系统：

例如ABB公司提供的全向柴电推进系统。主轴和柴油发电机不直接轴连，提供充足动力、各个方向推动船体而不是只能前后方向行驶，快速摆脱卡困，更方便的将船体推上冰面或拉下。同时因为不是直接轴连所以还有效避免过载以外。

很多新破冰船均采用了类似的吊舱推进技术。例如雪龙2号就采用了这项技术。

4.4、上撬式破冰：

除了传统冲撞压破，借鉴虎鲸从水面下向上用背部撞击浮冰将浮冰撞断、撞斜，使上面的海豹落水后被捕食。人们发明了上撬式破冰。即设计上宽下窄的特殊船首，很容易的插入冰下，然后通过压水系统调节船的中心，上撬冰层。过程中力的方向有连续式的向前和上撬的向上作用力。

5、试验性新破冰方式：半潜式破冰

在上橇式的基础上，进一步发展出半潜式破冰船。苏联工程师瓦迪坶·皮库尔设计了该原理的破冰船。他声称新型的破冰船将使目前的原子能破冰船远远落后。新设计的排水量为一万吨的半潜式破冰船,可以在水面上航行,也可以半潜式航行。它以特別加强的船壳结构和“梳子”式的破冰设备来破冰。在冰层相当厚的情况下,它可先潜入一个预定的深度,然后很快地排出压载水,使船体快速往上浮,从下面往上顶。把冰层顶破。它的破冰能力将比目前的破冰船提高许多,可破碎厚达五米的冰层。

该船既能在水面行驶，也能在冰下行进。通过特殊设计加强的船壳和背上巨大梳齿装破冰冰刃进行破冰。需要破冰时向冰面下潜到预订深度，在快速排出压仓水上浮。利用巨大的浮力和梳齿冰刃顶破冰层。该破冰船的主要结构为，浮力舱、压载水仓、和主副机等设备的下层船体和一个20米高左右的塔楼。塔楼里设置有驾驶台和控制系统等。由于不用考虑上划到冰面上因此船首的形状可以设计的和普通船舶类似，有利于提高航速。螺旋桨始终在水下所以功效较高。

对比：感谢评论区 @飞墨士 的提醒，补充一下我国研发破冰船的原因和具有最新破冰技术的雪龙2号。

我国虽然解放前就有渤海冰冻封海的局部灾害。但因为早期技术弱加上海上冰灾影响没有苏联那么紧迫，仅仅是购买了几条国外小吨位破冰船。自建破冰船起步很晚。1969年，我国渤海出现了史上罕见的“大冰害”。不仅天津港航道无法使用，而且海冰强大的冲击力把我国“渤海2号”石油钻井平台也拦腰撞断，天津港内就有几十艘轮船被冰挤压坏，许多海岸工程也被海冰破坏。当年在周总理的亲自指示下上海求实造船厂用101天建造成功第一首国产破冰船。该船很好的进行了破冰、救援、科研、培养专业技术人员的工作。2015年第二代722号破冰船入列。

近年，为了拓展渤海以外其它深海、高纬度冰区，我国又采购了一些较大的破冰船或综合科考船，例如雪龙号。但总体破冰能力有限，雪龙号具有抗冰能力而已，甚至发生过救援国外被困船舶后自己也被海冰暂时困在的情况。不过落后就要追赶，在消化引进破冰船的技术基础上，我国由中船集团江南造船于2016年底开始建造“雪龙2”号。这是中国首艘自主建造的极地科学考察破冰船,2019年7月11日正式交付。船长122.5米，舷宽22.3米，吃水7.85米，满载排水量13990吨，雪龙二号是中型破冰船，同时是目前世界上最大的极地破冰科考船。

柴电动力的雪龙2号极地考察船了很多新技术，就破冰方面，采用两台7.5MW破冰型吊舱推进器，是全球第一艘采用船艏、船艉双向破冰技术的极地科考破冰船。舰艏存在着一个巨大的破冰艏，这种设计可以利用船本身巨大的动能将坚冰直接割裂。破冰艏采用了高柔韧性的钢材，且舰艏的装甲厚度是常规舰艏厚度的5倍以上，只有这样才能破开将近2米厚的海冰。遇到无法冲破也无法冲上压碎的冰脊，可以调头用船尾进行水面下的削冰破坏其结构。双向破冰均具有以2~3节船速连续破1.5米冰加0.2米积雪的能力。

由此，中国制造的综合科考船可以纵横四海。

引用资料：

1、于新伟、陈林、王化明、赵春慧、李莉莉《破冰船技术发展现状分析》，《造船技术》2017年第3期，；

2、王志华主编；李亚旭执行副主编，航电技术特刊《 先进的电力推进船舶·民用篇 4 破冰船 海洋调查船 研究船 科学考察船》，武汉船电技术杂志社 , 2012

3、孙呜岐，半潜式破冰船[J]，航海杂志,1984,(第4期)

4、波罗的海号船。BALTIKA | Aker Arctic

5、B站上的纪录片 雪龙2号

2022-1-3更新：

补充了波罗的海号的信息，添加了对半潜式破冰船的一些想法。

没想到这个回答冷了半年，这两周突然有不少人浏览并点赞了。这就是知乎，这种冷门的话题也有人认真看。谢谢大家。另外补充：

我最初看的半潜式破冰船的介绍是在《科学画报》上，差不多也是80年代。半潜式破冰船虽然有它独特的力学设计，但查了一下，目前是停留在俄国、美国等国都已经取得专利，并有验证的原形船的阶段。有些消息来源说有俄罗斯有正在利用这个技术建造的破冰船，但没看到正式的民用或军用破冰船下水。暂时没查到船级社的登记，从网上找到
一份全世界破冰船的信息列表，不会俄语，没来得及细看，如果查到抽空更新。

半潜式没有广泛推广，我考虑是所有破冰船都有意外被冰面卡住的问题，水面破冰船的技术比较成熟，脱困手段也相对成熟。而半潜式如果发生意外脱困技术还需要进一步验证。另外，其他类型的破冰船都有一定程度的多用途，除了直接破冰开除航路，还有其它救援能力。甚至是中国雪龙号这样本身就是具有破冰能力的多功能科考船，而半潜式破冰船由于水面部分很少，前面大部分甲板上立着巨大的锯齿无法安装吊车、直升机平台，所以综合能力就很弱了。性价比不一定比向下压破冰面的破冰船好吧。

2021-1-8日

以前我对破冰技术也有一定理解不准确的地方，更正并补充了冲压法中徒步冲压操作细节。

同时补充了我国最早的自建破冰船，海冰101以及最新自建的雪龙2号的资料。