吳剛：中外聯合設計“雪龍2”號的臺前幕后

9月10日，我國首艘自主建造的極地科考破冰船——“雪龍2”號在江南造船（集團）有限責任公司下水。乍看之下，“雪龍2”號比“他哥”敦實了不少：在船舶型寬相差無幾的情況下，其總長較“雪龍”號短了近45米，這意味著，身寬體胖的“雪龍2”號破冰能力和科考能力會更強。

近日，中船集團第七〇八研究所研究員、“雪龍2”號總設計師吳剛接受了《船報》記者的采訪，站在設計者的角度，向我們披露了“雪龍2”號設計臺前幕后的不少故事。

中外聯合設計是十年前英明的決定

1993年，我國從烏克蘭購買了一艘前蘇聯北冰洋運輸補給船，經多次改造后，該船成為我國唯一一艘極地科考破冰船“雪龍”號。按船齡計，“雪龍”號已是老驥伏櫪，加上是“半路出家”，其科考與破冰能力都不足以滿足我國極地科考的需求。

2009年，我國正式啟動“雪龍2”號新建極地科考船建設項目，國務院確立了“國內外聯合設計、國內建造”的基本原則。

“中國就不能自主設計新一代的極地科考船嗎？”業內對此曾有爭議。“其實，國務院定調由國內外聯合設計是非常英明的。”吳剛說，當時國內船舶設計單位對極地船舶的認識僅停留在理論階段，缺乏實際經驗和論證條件。

由國外公司負責基本設計并不是簡單地買圖紙。“如果我們自己不做充分的前期調研，即使買來圖紙，很多東西還是學不會。”吳剛說，船東也意識到了這一點，在確定國外設計公司之前，就選擇擁有豐富科考船設計經驗的七〇八所擔任技術支撐單位，全程參與新造船項目。2012年，德國、挪威、芬蘭的3家公司參與競標“雪龍2”號基本設計項目，船東邀請了由中國、韓國、加拿大等多國專家組成的國際評標團，其中就包括七〇八所的張炳炎院士和吳剛本人。

“當時經過一輪比較后我們發現，三家公司的設計方案都不能滿足中國科考破冰船的定制要求。”吳剛透露，期間一度停標。

資料圖／七〇八所提供

聚焦破冰設計  “情歸”阿克北極

什么是中國的定制要求？

秦為稼——原國家海洋局極地考察辦公室主任，憑借對極地探索作出的杰出貢獻，2016年被《自然》雜志評為“中國十大科學之星”——被吳剛親切地稱為“老秦”。吳剛說，“雪龍2”號很多的設想、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”號在安全季節到達很困難。“我們這20年來基本上在11月底12月初‘雪龍’號才能在連續冰比較松動的情況下勉強接近中山站，在只有‘雪龍’號的情況下，在海冰上作業是非常危險的。”

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

圖片來自七〇八所

“進一步明確需求后，評標團都將目光聚焦到了芬蘭的阿克北極公司。”吳剛回憶，“阿克北極對船型的理解是比較接近船東設想的，其船體設計做得相當好，可以實現全回轉推進，船舶破冰的功率小而效果又很好。”

“既然實現了全回轉推進，那么船艉也能當船艏開呀！”秦為稼代表船東進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、討論后認為也是可以實現的。“全回轉推進帶來了一個很可觀的好處，就是‘雪龍2’號在冰脊冰水域不需要調頭了。”吳剛介紹，極地水域水平冰和冰脊冰的分布非常復雜，有時即便是看上去開闊的水域，也會讓船舶寸步難行，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”號雙向破冰的指標被確定為：艏向在覆蓋有0.2米厚積雪的1.5米厚冰層上以2～3節的速度連續破冰；艉向破冰則能在20米當年冰冰脊（含4米堆積層）中不被卡住。“雪龍2”號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，國家海洋局、中國極地研究中心、芬蘭阿克北極技術有限公司簽署了極地科學考察破冰船基本設計合同。

科考、敞水設計還得靠八所

確定基本設計方后，新問題也隨之暴露。

“2012年的3～7月，七〇八所的設計團隊與阿克北極就各個專業的問題展開了漫長的交流、談判。”吳剛介紹，阿克北極設計方案的主要問題是：其沒有科考船的設計經驗，原方案的母型船是一艘貨船，在船舶穩性等方面無法滿足科考船的要求；此外，中國到極地之間有大量的敞水（Open Water）水域，原方案在該領域有所欠缺。“這時候，七〇八所在科考船、敞水水域的設計優勢就顯現出來了。”

由七〇八所許學彥院士、張炳炎院士分別領銜設計的“遠望”系列和“向陽紅”系列是國內出色的科考船型，該所的設計優勢在中國新一代科考破冰船項目上得到了傳承。“雪龍2”號的船底安裝了重要聲學設備，很容易受到氣泡和碎冰的影響。為此，七〇八所專門設計了下沉式龍骨的船底結構。“阿克北極向我們反饋，這個設計不僅解決了下泄碎冰干擾的問題，船舶航行的經濟性也沒有受到很大影響。”吳剛說。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驗優勢，設計團隊對船舶的壓冰角、排冰角、線型等都進行了優化調整。

“在‘雪龍2’號項目中，七〇八所與阿克北極是相互融合、相互伴隨的關系。”吳剛說，雙方各自發揮技術優勢、取長補短，在破冰船的設計、防寒應用上，七〇八所也從阿克北極學了不少。

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。“其實在基本設計招標的時候，老爺子身體就很不好了，但他一直親身參與和指導這個項目。”吳剛說。

2012年10月22日，中國極地研究中心與七〇八所簽署了中國新建極地科學考察破冰船項目詳細設計合同。

吳剛（左）與張炳炎院士

南極之行的啟發和實踐

2015年年初，為了設計好“雪龍2”號，吳剛曾隨“雪龍”號赴南極考察。70多天的南極之行，帶給吳剛最大的感受是，側重于科考的“雪龍2”號，必須為科研人員提供更為科學、便捷的工作環境。

“受船型限制，我們科研人員的作業模式太落后了。”令吳剛印象很深的一幕是，科學家需要自己到“雪龍”號的右舷，靠人力從水里取回重達幾百公斤的采水裝置。在極地惡劣的環境下，人員在甲板上作業本就危險；另一方面，珍貴的水體樣品離開了水下恒溫的環境、長時間暴露在極寒的溫度下，可能會導致樣品中的生物死亡，影響科研結果。從南極回來后，吳剛帶領著七〇八所的設計團隊，設計了專門的采樣艙室和設備，不僅提高了工作效率，也保障了科研人員的操作安全。

“科學家曾向我們反映，希望我國的科考船與國外接軌，科學家們在船上可以專注于實驗，甚至能一邊喝著咖啡，一邊操作科考設備。”吳剛說，“雪龍2”號采用了集中實驗室格局、大尺度作業車間和較大面積調查作業甲板設計，加之冰區月池系統的應用，可實現船舶調查實驗功能的最大兼容與共享，與國際上專業的極地海洋科考布置和流程全面接軌。“‘雪龍2’號上的科學家不需要再干多余的體力活了，其實隨著船上科考設備機械化、自動化水平的提升，我們還需要培養更多專業的科考設備操作手來輔助科學家。”吳剛表示。

“當年我在‘雪龍’號上另一個深刻感受就是，船上的通信實在是需要投入力量改進了。”吳剛說，“雪龍2”號實現了WIFI全覆蓋，這也是“雪龍2”號上人性化設計的一個小側面。據了解，“雪龍2”號在駕駛員輪替值班、實驗室和甲板科考作業的保護性和便利性、健身活動場所的合理設置、房間的保溫通風遮光、室外梯道防滑處理、馬桶真空系統設計、冷凝水處理、茶水站、垃圾房、行李間、洗衣房等設置以及蔬菜、水果和淡水的便捷運輸等方面，都會給船上人員帶來更舒適、便捷的體驗。

通過“雪龍2”號項目，七〇八所積累了極地船規則規范經驗，掌握了雙向破冰船型設計、PC3級破冰船結構設計和破冰船低溫防寒設計等關鍵技術，打造了一支日趨成熟的科考船設計團隊。2017年，由七〇八所牽頭的“極地重型破冰船關鍵技術研究”項目經工業和信息化部批復后正式立項。曾經，針對“雪龍2”號是否應該由國內自主設計的爭論言猶在耳，如今吳剛有信心作出肯定的回答。