1984年12月30日，中国南极考察队首次登上乔治王岛，第一面五星红旗插上了南极洲。今天，中国极地科学考察已经进入船队合作模式，具备国际先进水平。38年来，中国极地科考经历了怎样艰辛的历程？请听中国船舶集团公司第708研究所首席专家、“雪龙2”号总设计师吴刚在《中国经济大讲堂》上的讲述。

  从“向阳红10”号到“雪龙”号

  2022年10月，“雪龙”号和“雪龙2”号极地考察船先后出发，开启了中国第39次南极科考的航程。

  我们为什么要去极地进行科学考察？因为南极和北极这两块常年被冰雪封锁的极寒之地，是影响全球气候变化的重要地区，也是开展气象、陆地、海洋、生物等科学研究的天然实验室。极地考察能力是一个国家科研能力和综合国力的体现。

“雪龙 2”号起航前往南极 （视觉中国供图）

  我国极地科考事业的发展是从无到有的。1984年11月，我国首次派出科考队向南极进发，开启了极地探索之路。科考队第一次登上了乔治王岛，建成了南极长城站。1989年，我国在南极大陆普里兹湾建立了常年考察站——中山站，后来相继建成了昆仑站（2009年）和泰山站（2014年）。泰山站是一个中继站，昆仑站则位于南极内陆的最高点，它在天文观测和高空物理研究方面具有独特的优势。不久，我国还将在恩克斯堡岛附近建成一个新的考察站——罗斯海新站。

  然而，在很长一段时间里，我国极地科考事业的推进一直受到船只破冰能力的制约。其实，南极长城站所在的纬度并不是很高，因为首航南极的“向阳红10”号根本没有破冰能力。“向阳红10”号不是一艘专业的破冰船，它是我的老师张炳炎院士设计的一艘海洋综合调查船。当时我国第一次去南极科考，没有其他的船，经过反复挑选，并进行了一定的改造，“向阳红10”号由海军的一艘打捞救生船护航，来到了遥远的南极。正因为如此，我国只能选择在南极大陆附近的乔治王岛建设第一座科考站，并且，我国南极科考只能选择在南半球的夏季进行。

  要想考察极地，首先要能到达极地，否则一切无从谈起。但是，与地球上其他陆地不同，南极洲大陆周围的海面上不仅有漂浮的冰山，临近陆地的海面更是被厚厚的海冰所覆盖，终年不化，被称为“冰盖”。而北极所在的北冰洋则大部分海面终年处于冰冻状态。地球南北两极的这种特点决定了只有依靠破冰船强劲的动力和坚硬的船体才能把科考工作需要的人员、装备运达指定位置。因此，破冰船是名副其实的极地科考“开路先锋”。

  1993年，大名鼎鼎的“雪龙”号诞生。“雪龙”号是我国从乌克兰购入的一艘极地多用途集装箱船，经过多次改造，我们把它变成了一艘极地科考破冰船。当时，我国正在南极进行大量的建设工作，所以它的主要任务是进行物资和人员的运输。

  “雪龙”号全长167米，排水量为21000吨，可以搭载120人，还能搭载两架双旋翼的KA32直升机，这艘船的主机有13.2兆瓦，按照破冰能力等级划分，属于PC6级。PC6是什么概念？国际上把破冰船的破冰能力分成7档，从PC1到PC7，PC1级破冰能力最强，PC7级破冰能力最弱。实际上，破冰能力共分成三个级别：PC1、PC2是重型级别，也就是核动力的破冰船，破冰的厚度在2.25—3米；PC3、PC4、PC5是中型级别，破冰厚度为1—1.5米；PC6、PC7属于抗冰型级别，破冰厚度在0.45—0.7米。“雪龙”号就是一艘抗冰型的破冰船。

  事实证明，经过改造后，“雪龙”号的破冰能力虽然有所提升，但因为基础薄弱，它在极地开展科考的能力非常有限。曾经有一次，它在航行中被冰雪卡住，陷入进退维谷的险境。因此，破冰船成为我国极地科考事业的一块短板，打造一艘真正属于我们自己的专业极地科考船迫在眉睫。

  自主设计建造破冰船难在哪里

  2009年，“雪龙2”号极地科考船项目终于立项，这是我的老师张炳炎院士多年的心愿。但是，当他全身心投入研发设计工作时，他的健康状况出了问题，不幸于2012年8月去世。在这3年时间里，我从他身上感受到老一辈科学家那种无私忘我的精神。他去世之后，我肩负着两代人的使命继续着工作。

舰船工程专家张炳炎院士  （资料图片）

  2019年7月11日，“雪龙2”号终于在上海江南造船厂正式交付。它是我国第一艘自主建造的极地科学考察破冰船，填补了我国在极地科考重大装备领域的空白。

  我们自主设计和建造“雪龙2”号，需要面对哪些挑战呢？

  摆在我们面前的第一个难题，不是什么具体的技术，而是这艘极地科考破冰船将具备什么样的先进设计理念，以至于在未来10年、20年也不会被淘汰。为了解决这个难题，中国船舶集团公司第708研究所由张炳炎院士领衔的团队和芬兰专家进行了联合设计。联合设计并不是对方直接把设计好的方案交给我们，而是我们组成团队，分享各自的设计理念，最终形成全新的设计方案。同时，我国完全拥有“雪龙2”号破冰船设计的知识产权。

  讲到设计和建造上的难点，主要有以下几个。

  我国地理位置的特点决定了我们不能照搬国外的设计。我国离南极比较远，也不是环北极国家，破冰船的航行路线要经过魔鬼西风带，需要中途补给，还要考虑在敞开水面上航行很长时间，油耗不能过多，又要有强大的抗风浪能力。所以，“雪龙2”号不能照搬任何一个成熟船型的设计，而是要根据实际需求进行自主设计。

  由于远离极地和高纬度海拔地区，当时我国船舶业在设计和建造以破冰船为代表的极地船舶上几乎是一片空白，尤其是缺乏对冰雪以及极地环境的认知，这给研制装备带来了很大风险。比如，我们的科学家一般比较关心冰雪的化学成分、晶体结构以及冰的覆盖状态，但是，对冰雪的强度、厚度、紧致度以及与破冰船摩擦带来的变化等情况不够了解。在南极，有雪和没雪的情况下，破冰船的状态是完全不一样的。所以，设计破冰船，需要懂冰、懂雪，这也是我们面临的一大挑战。

  “雪龙2”号的主要任务是科考，所以还要兼顾科考任务的综合性。比如，一般的破冰船船底是不安装设备的，因为会与破冰功能相冲突，但是这艘科考船要在船底安装声呐设备、测深系统，用来探测海底的地形地貌。我们必须想尽办法完成科考任务。

  “雪龙2”号的方案研究和技术设计花了整整7年时间，整个设计和建造可以说是“十年磨一剑”。

  破冰能力大幅提升的“雪龙2”号

  “雪龙2”号全长122米，排水量为15000吨，可以搭载科考人员和船员共90人，还能搭载一架KA32双旋翼直升机和一架小型的H425直升机。它的破冰能力等级已经达到PC3级，比“雪龙”号提升了三档。为什么它的排水量小，破冰能力反而大幅提升了呢？

  大家在电视里看到破冰船一路碾轧，破冰前行，似乎很轻松，但实际上破冰船蕴含着很大的风险。这些风险主要体现在什么地方？第一，高频度的破冰碰撞会给破冰船带来巨大冲击。这就像一辆汽车如果一直在崎岖的山路上行驶，对设备可靠性的要求就非常高。第二，在南北极，海面上的冰山可能只是一角，海底下才藏着真正庞大的冰山，风险会随时出现在你看不见的地方。稍有差池，就会陷入孤立无援的境地。

吴刚在南极中山站  （资料图片）

  “雪龙2”号强大的破冰能力体现在哪里呢？第一，它的船型就是专为破冰而设计的。第二，它的推进器是双向的，可以360度旋转的推进器带来的好处是，船在冰层中有更强的机动性，脱困的能力也就更强。“雪龙”号是单轴单桨，“雪龙2”号则采用了双轴双桨，也就是配备了2台推进器，即使一个出现故障，还有一个备用，这样大大降低了风险。第三，对周围冰区的探测能力比较全面。在茫茫“冰盖”上，一艘破冰船是依靠全方位的感知系统来保证安全航行的。“雪龙2”号的感知系统包括3个部分：一是探冰雷达。随时对周围的冰层进行大范围的探查。二是气象观察室。每天能接收最新的卫星云图，了解海冰变化趋势，从而判断海冰的变化范围。三是船上的瞭望台。在船艏的罗经甲板顶部安装了用于摄像的云平台，来观察一定范围内冰的形态以及船周围的冰在翻转过程中的厚度和冰的年龄。还有，在船底安装了声呐设备，用以观测前方水下的冰山。

  “雪龙2”号是全球第一艘采用艏艉双向破冰技术的极地科考破冰船。为了突破不同厚度的海面“冰盖”，破冰船破冰大致有两种方法。第一种叫连续破冰法，即依靠船艉的巨大动力，将船头抬起，上插到前方冰面上，同时利用船头配重和坚硬的结构压碎冰面，使船只顺利前行。但当冰层厚度超过一定数值或遭遇冰脊围困时，就要采用第二种方法——冲撞式破冰法，即破冰船短暂后退后，开足马力向前冲撞，撞碎前方冰层后再倒退，如此反复循环，直至突破困境。与大部分破冰船都是依靠船头艏向破冰不同，“雪龙2”号还可以艉向破冰，但不是只依靠冲击力，而是利用艉部螺旋桨在海面下削冰，使一定范围“冰盖”的冰面塌陷碎裂，从而使船只破冰前行。

  “雪龙2”号于2019年首航南极，执行我国第36次南极科考任务，此后3年间，又3次远航南极，两次奔赴北极，大大加快了我国极地科考事业的进程。

  一座移动的极地海上科学城

  “雪龙2”号的本领远不止破冰和运输这两项，它还是一座移动的极地海上科学城。有科学家说，它是一艘“带有十八般武艺”的极地科考破冰船，因为几乎所有的学科都可以在这艘船上开展科学考察。

  “雪龙2”号上总共装备了40台（套）仪器设备，其中有12套是首次装备在国内科考船上。这艘船被分成几大探测区域：一是罗经平台。主要进行大气成分探测以及大气湿度、温度、微波和气象遥感的探测。二是竖在船头的桅杆，我们把它叫作科考桅杆。桅杆上有一个斜伸出去的6平方米的平台，就像船的鼻子，里面放置了很多探测仪器，用于大气科学观测采样。三是船底的箱型龙骨。其中装备了很多先进的水下全方位声呐设备，比如低频的万米测深仪、多波束，还有浅海多波束、浅地层剖面仪、生物储量评估回声探测仪，可以进行海底精细化探测和生物资源探测。四是艉部甲板，又分为室内和室外两个区域。室内有一个贯通几层甲板的160平方米的通海月池车间，可以在其中放置设备进行科学考察，不用出舱门就能取到海水样本，又可以保证设备回收的安全性。

  作为世界上少数能在极地独立开展科学考察并建立考察站的国家之一，几十年间，我国上千名科研人员登陆南极、航向北极，在极地冰川学、海洋学、地质学、生物生态学、大气科学、日地物理学等领域深入研究，获得了一系列重要的科学发现，取得了一批高水平的科研成果，为人类认知极地作出了积极的贡献。

  自从有了“雪龙2”号，我国的极地科考事业翻开了“双龙探极”的新篇章。“雪龙”号自1994年开始每年去南极完成科考任务，单船航行不仅孤零零的，而且风险极大。有一次，“雪龙”号就不小心碰上了冰山，200吨的冰山一下子覆盖在船头，幸亏船头上没有人，航速又较低，操作得当，才躲过了一劫。现在有了“雪龙2”号，两艘船形成了良好的船队合作模式。“雪龙”号以运送物资和人员为主，“雪龙2”号则以科考调查为主。两艘船一起进入冰区时，“雪龙2”号破冰能力强，冲在前面，为“雪龙”号开辟航道，减少风险。两艘船互相配合，所向披靡。

  与目前国际上新一代的极地科考破冰船相比，“雪龙2”号在极地科考破冰船中首创双向破冰和下沉式龙骨设计，首次采用智能船体和智能机舱设计，具有中国特色，也具备了国际先进水平。

  未来，为了能常年在极地环境下进行作业，执行更深入的科学考察任务，满足全域进入和全时进入的更高要求，我们需要设定更高的目标，进一步研发PC1和PC2级的重型破冰船，继续打造新的“国之重器”。

  建设海洋强国，永远是我们这一代人的历史使命。