未來(lái)北極航道的船型

　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2012年夏季開(kāi)始平均每年通過(guò)東北航道的商船約有60多艘，通行時(shí)間主要集中在7月上旬至11月上旬?？傮w而言，北極航道作為連接亞歐交通新干線的雛形已經(jīng)顯現(xiàn)。然而，北極海域內(nèi)所特有的嚴(yán)寒、風(fēng)暴與極晝極夜的環(huán)境特點(diǎn)決定了未來(lái)的極地船舶將具有很多不同于目前國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)上主流船型的全新特點(diǎn)。

　　極地船舶設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

　　毗鄰北極圈的俄羅斯在極地海域航行方面擁有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。前蘇聯(lián)在上世紀(jì)80年代建造的一批極地船舶目前依然在北極地區(qū)從事貨運(yùn)，這些船舶有望成為未來(lái)極地船舶的雛形。這批極地船舶在布局上類似于干雜貨船，沿船長(zhǎng)方向布置有3～4個(gè)貨艙，艙內(nèi)可載運(yùn)雜貨，部分貨艙可載運(yùn)集裝箱，艙口蓋上也可載運(yùn)集裝箱。這批船舶根據(jù)載重量主要可分為兩個(gè)系列。載重量2萬(wàn)噸左右、折合載箱量1200TEU左右的中型極地船舶，船長(zhǎng)170米、型寬22米、設(shè)計(jì)航速在18節(jié)左右，基本采用柴油機(jī)動(dòng)力裝置推進(jìn)，具備一定的破冰能力；載重量3.4萬(wàn)噸左右、折合載箱量2500TEU左右的大型極地船舶，船長(zhǎng)260米、型寬32米、設(shè)計(jì)航速20節(jié)，受當(dāng)時(shí)柴油機(jī)技術(shù)的限制，大多采用蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置推進(jìn)，一些船舶還采用核動(dòng)力，破冰能力較強(qiáng)。

　　北極圈內(nèi)復(fù)雜的氣象條件與極晝極夜的特點(diǎn)給船舶航行過(guò)程中的瞭望增加了不小的難度，為確保航行安全，未來(lái)的極地船舶很可能會(huì)選擇將駕駛室布置在船首。相對(duì)于絕大部分將駕駛室布置在船尾的設(shè)計(jì)方案相比，首駕駛艙的設(shè)計(jì)將減少船舶前進(jìn)過(guò)程中的駕駛盲區(qū)，有利于船員在惡劣的天氣下對(duì)冰情進(jìn)行觀察，縮短船員到達(dá)船首錨機(jī)所需要的時(shí)間，對(duì)于確保船舶航行安全有著非常重要的作用。與此同時(shí)，將駕駛室設(shè)置在船首的方案可以讓船舶甲板貨物的裝載不受駕駛盲區(qū)的限制，增加甲板載貨數(shù)量，提升船舶的綜合經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于采用核動(dòng)力的極地船舶而言，前置駕駛室的設(shè)計(jì)方案還能夠有效地減少船員在船上受到的核輻射。然而由于船舶機(jī)艙不可避免地需要布置在船尾，因此將駕駛室設(shè)計(jì)在船首的方案將導(dǎo)致船上管系與電纜的數(shù)量顯著增加，由此而導(dǎo)致的空船重量增加與建造成本的提升將在一定程度上抵消由此帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。另外，極地海域內(nèi)特有的嚴(yán)寒與暴風(fēng)天氣決定了相對(duì)于裝載在貨艙內(nèi)的貨物而言，那些裝載在露天甲板上的貨物更容易發(fā)生貨損。因此，絕大部分航行在北冰洋內(nèi)的船舶都不會(huì)選擇裝載甲板貨。

　　目前助航設(shè)備的迅速發(fā)展也讓未來(lái)極地船舶繼續(xù)保留后駕駛艙的設(shè)計(jì)成為了可能。與將駕駛室整體遷移到船首的方案相比，未來(lái)船員完全可以通過(guò)安裝在船首的高清攝像頭觀察浮冰的狀況。

　　與前置駕駛艙的設(shè)計(jì)方案相比，雙殼結(jié)構(gòu)將成為未來(lái)極地航行船舶的標(biāo)配。雙殼結(jié)構(gòu)能夠有效地減少船殼由于受到海冰沖擊而破損的風(fēng)險(xiǎn)，提高船舶遇險(xiǎn)后的生存能力，還能對(duì)油艙等破損后容易發(fā)生污染事故的部位進(jìn)行特殊的保護(hù)。受破艙穩(wěn)性衡準(zhǔn)的影響，未來(lái)1萬(wàn)DWT以下級(jí)小型極地船舶的雙舷側(cè)部分可能全部作為壓載艙或隔離空艙，而1萬(wàn)DWT以上級(jí)中大型極地船舶的雙舷側(cè)空間通常會(huì)采用下部作為壓載艙，上部作為甲板下通道的布置方案。對(duì)于油輪、散貨船等載重型船舶而言，實(shí)際營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的空載航行將是難以避免的，需要大量的壓載水以確保船舶空載航行時(shí)的穩(wěn)性，此時(shí)壓載艙內(nèi)的加熱設(shè)置就顯得非常必要了。不過(guò)，從目前經(jīng)北極航道運(yùn)輸?shù)呢浳镱愋蛠?lái)看，未來(lái)北極航道航行的載重型船舶不會(huì)太多。

　　在推進(jìn)器方面，導(dǎo)管螺旋槳也將成為未來(lái)極地航行船舶的標(biāo)配。對(duì)于推進(jìn)效率要求較高的船舶都會(huì)選擇螺旋槳的周圍增加一圈導(dǎo)管，使得推進(jìn)器附近的伴流集中，提升整體推進(jìn)效率。通常情況下增加導(dǎo)管后的螺旋槳能夠在同樣的尺寸下增加30%左右的推力。導(dǎo)管螺旋槳的這一特點(diǎn)對(duì)于極地航行船舶而言具有非常重要的意義。一方面，極地海域內(nèi)特有的大范圍浮冰為船舶航行增加了額外的阻力，而增加導(dǎo)管后的螺旋槳所獲得的額外推力能在一定程度上增加船舶推力，克服額外阻力對(duì)于船舶航行速度的影響。另一方面，導(dǎo)管能夠有效地保護(hù)螺旋槳葉梢在船舶輕載航行時(shí)不至與周邊的浮冰發(fā)生碰撞而損壞，提升船舶在極地航行的安全性。通常情況下在拖輪、渡輪等小型船舶上采用導(dǎo)管螺旋槳的成本與技術(shù)難度都不是很高。然而對(duì)于螺旋槳尺寸較大的大型船舶而言，過(guò)于笨重的大型導(dǎo)管在制造成本與安裝的工藝性方面都會(huì)存在較大的難度。因此，這類船舶將更傾向于選擇通過(guò)調(diào)整浮態(tài)的方式避免螺旋槳在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到浮冰的影響。

　　是否需要具備破冰能力是未來(lái)極地航行船舶設(shè)計(jì)方案中最大的懸念。一般來(lái)說(shuō)，自身具備破冰能力的船舶在極地海域內(nèi)航行時(shí)受天氣和冰情的影響較小，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)全季節(jié)通航，且航行過(guò)程中無(wú)需雇傭?qū)I(yè)破冰船開(kāi)道，在極地海域內(nèi)可航行的時(shí)間長(zhǎng)，航行總成本相對(duì)較低。然而具備破冰能力的貨船建造難度較高，初始投資較大。與此同時(shí)，船舶破冰需要專門(mén)的操作技巧，船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的管理也更為復(fù)雜，對(duì)于缺乏極地海域航行經(jīng)驗(yàn)的船員團(tuán)隊(duì)而言，單獨(dú)駕駛破冰船在極地海域內(nèi)航行的風(fēng)險(xiǎn)很高。相對(duì)而言，采用專業(yè)破冰船開(kāi)道的模式在北極航道運(yùn)營(yíng)初期的實(shí)踐性更強(qiáng)。這主要是由于對(duì)于非極地國(guó)家的船員而言，北極航道是非常陌生的海域，在海面浮冰密度較大的情況下，有專業(yè)的破冰船引導(dǎo)將大大降低船舶操作的難度與船員的心理壓力。與此同時(shí)，在破冰船開(kāi)辟的航道內(nèi)航行的模式能夠有效避免船體受大塊浮冰的撞擊，提升船舶在極地海域航行的安全性。更為重要的是，一旦船舶在北極航道內(nèi)發(fā)生險(xiǎn)情，開(kāi)道的破冰船能夠提供及時(shí)而專業(yè)的應(yīng)急，大大提升船舶在北極航行的安全性。因此，目前航行在北極海域內(nèi)的大部分船舶都采用了雇傭?qū)I(yè)破冰船開(kāi)道的運(yùn)營(yíng)模式。

　　極地船舶動(dòng)力裝置的選擇

　　從技術(shù)角度而言，與目前民船常用的柴油機(jī)動(dòng)力裝置相比，核動(dòng)力裝置似乎更能匹配未來(lái)極地航行船舶的動(dòng)力需求。核動(dòng)力裝置的本質(zhì)是一種蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置，以核反應(yīng)堆取代主鍋爐作為蒸汽發(fā)生源，以高溫高壓的過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽透平運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)船舶推進(jìn)器推動(dòng)船舶航行。與柴油機(jī)動(dòng)力裝置相比，蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置在極地航行水域的優(yōu)越性就非常明顯了。蒸汽輪機(jī)強(qiáng)大的單機(jī)功率是柴油機(jī)所無(wú)法比擬的，目前最大的船用柴油機(jī)單機(jī)輸出功率為80Mw，而蒸汽輪機(jī)可達(dá)300Mw以上，強(qiáng)大的單機(jī)功率足以提供極地航行船舶沖破冰層所需的動(dòng)力。與柴油機(jī)相比，蒸汽輪機(jī)運(yùn)用于船舶推進(jìn)的歷史更悠久，技術(shù)也更成熟。與將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的柴油機(jī)相比，直接采用高溫高壓蒸汽沖擊透平葉輪做功的蒸汽輪機(jī)工作原理更為簡(jiǎn)單，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，維護(hù)保養(yǎng)周期可達(dá)30個(gè)月以上。蒸汽輪機(jī)高度的可靠性也為船舶在極地海域安全航行提供了必要的保障。

　　與采用燃油的常規(guī)動(dòng)力裝置相比，核動(dòng)力裝置在極地航行船舶方面的優(yōu)越性也是顯而易見(jiàn)的。首先，與使用礦物燃料的常規(guī)動(dòng)力裝置相比，核動(dòng)力裝置在運(yùn)行過(guò)程中基本不會(huì)產(chǎn)生大氣污染物，是一種非常清潔的能源型式，很容易滿足目前國(guó)際海事法規(guī)關(guān)于船舶污染與能耗的嚴(yán)苛要求。其次，核燃料的能量密度遠(yuǎn)大于常規(guī)礦物燃料，采用核動(dòng)力裝置的船舶在整個(gè)生命周期內(nèi)通常無(wú)需添加燃料，這將為船東節(jié)約大量的船舶維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間與成本，提高船舶在航率，從整體上提升船舶的經(jīng)濟(jì)效益。更為重要的是，核動(dòng)力裝置巨大而廉價(jià)的能源供應(yīng)能夠有效地解決目前民用船舶在極地海域內(nèi)航速過(guò)低的問(wèn)題。航速的提升將有有助于船舶以盡可能快的航速通過(guò)航行風(fēng)險(xiǎn)較高的極地水域，進(jìn)而從整體上降低船舶在極地航行期間發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)，并在一定程度上提升極地航道的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。極地航道特有的環(huán)境條件也將核動(dòng)力裝置在常規(guī)海域低效率的缺點(diǎn)轉(zhuǎn)變成了優(yōu)點(diǎn)。與柴油機(jī)動(dòng)力裝置接近56%的熱效率相比，蒸汽輪機(jī)不到20%的熱效率在常規(guī)民用船舶領(lǐng)域毫無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力。然而航行于極地海域的船舶對(duì)于全船熱量供應(yīng)的持續(xù)性需求將大大提升蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置在極地海域的綜合熱效率。采用柴油機(jī)動(dòng)力裝置的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)所排除的廢熱有限，通常情況下還需要消耗額外的電力對(duì)船上的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行加熱以確保其正常運(yùn)行。而對(duì)于采用核動(dòng)力裝置的船舶而言，驅(qū)動(dòng)蒸汽透平做功后的乏氣即可用來(lái)進(jìn)行加熱，無(wú)需再消耗額外的燃料。與常規(guī)的柴油機(jī)動(dòng)力裝置相比，核動(dòng)力裝置在極地海域高效率的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。

　　隨著近年來(lái)船舶動(dòng)力裝置技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)極地航行船舶動(dòng)力裝置的配備可能會(huì)有兩種。以高壓蒸汽透平直接帶動(dòng)螺旋槳推動(dòng)船舶航行的動(dòng)力裝置方案很可能成為未來(lái)極地航行核動(dòng)力船舶動(dòng)力裝置的首選方案。蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置運(yùn)用于機(jī)動(dòng)船舶推進(jìn)的歷史最為悠久，技術(shù)相對(duì)成熟，總體可靠性很高，當(dāng)船舶采用核動(dòng)力時(shí)也不存在燃料成本過(guò)高的問(wèn)題。蒸汽輪機(jī)在機(jī)動(dòng)性方面的缺陷將成為其未來(lái)在極地航行船舶上運(yùn)用的最大短板。極地海域冰情復(fù)雜，船舶航行過(guò)程中經(jīng)常需要避讓大塊的浮冰，這對(duì)于船舶的操縱性能提出了更高的要求。然而蒸汽透平的工作原理決定了其換向時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題始終難以解決，這對(duì)于未來(lái)極地航行船舶而言顯然是一個(gè)安全隱患。以低壓蒸汽透平驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)并以電力提供船舶推進(jìn)的新型電力推進(jìn)模式是未來(lái)極地航行船舶動(dòng)力裝置的另一種模式。與大功率的主推進(jìn)蒸汽透平相比，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的蒸汽透平無(wú)需能量過(guò)大的蒸汽，因而整體熱效率較高。多臺(tái)發(fā)電機(jī)并車供電的模式相對(duì)于單一的主推進(jìn)透平而言在推進(jìn)冗余度方面顯然更具優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，無(wú)論采用吊艙式推進(jìn)還是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的推進(jìn)模式，相對(duì)由蒸汽透平與柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器而言都擁有更好的機(jī)動(dòng)性。蒸汽透平電力推進(jìn)裝置的這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于提升船舶在極地高風(fēng)險(xiǎn)海域航行的安全性而言具有非常重要的意義。與常規(guī)船舶動(dòng)力裝置相比，核動(dòng)力船特有的安全風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致了船舶建造的初始投資不會(huì)很低，這也將在一定程度上掩蓋船舶采用電力推進(jìn)系統(tǒng)初始投資過(guò)高的問(wèn)題，促進(jìn)未來(lái)蒸汽透平電力推進(jìn)裝置在極地航行船舶上的推廣。

　　公眾對(duì)于核燃料泄漏后放射性污染的恐慌是導(dǎo)致核能無(wú)法在航運(yùn)業(yè)中推廣的最主要原因。如何有效地防止事故后的核燃料泄漏，建立全球民眾，特別是北冰洋沿岸國(guó)家對(duì)于核動(dòng)力裝置安全性的信心，是為未來(lái)核能在航運(yùn)業(yè)中廣泛采用之前必須解決的問(wèn)題。核軍事技術(shù)的保密性要求與核能船舶相應(yīng)法規(guī)的缺失是制約核能在航運(yùn)業(yè)中廣泛采用的另一個(gè)重要原因。核動(dòng)力裝置的特點(diǎn)決定了其具有非常重要的軍事價(jià)值，掌握該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于提升國(guó)家軍事實(shí)力與維護(hù)國(guó)際地位有著無(wú)可替代的作用。目前全球范圍內(nèi)掌握核動(dòng)力裝置技術(shù)的國(guó)家只有6個(gè)，且核動(dòng)力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要由相應(yīng)國(guó)家的軍隊(duì)掌握。不同國(guó)家國(guó)情與工業(yè)水平的差距決定了其核動(dòng)力船設(shè)計(jì)與建造的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。對(duì)于在國(guó)際航行領(lǐng)域擁有豁免權(quán)的軍艦而言，這種設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn)上的差異不會(huì)存在太大的問(wèn)題，然而對(duì)于從事商業(yè)航行的民用船舶而言，從事國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸?shù)暮藙?dòng)力船很可能由于兩國(guó)法律與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差異而被拒絕入港。盡快建立全球范圍內(nèi)統(tǒng)一的核動(dòng)力船設(shè)計(jì)、建造與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也是未來(lái)核動(dòng)力運(yùn)用于極地航道的前提之一。

　　極地船型的發(fā)展趨勢(shì)

　　從目前北極航道的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，集裝箱、能源與干雜貨將成為未來(lái)經(jīng)北極航道運(yùn)輸?shù)淖钪饕浳?，因此多用途船、集裝箱船、油輪、LNG船將成為未來(lái)極地海域內(nèi)的四大主力船型。目前歐亞與歐美貿(mào)易貨運(yùn)中機(jī)械設(shè)備和工業(yè)制成品占據(jù)了絕大多數(shù)，因此未來(lái)第一代極地船舶可能是一種類似多用途船的船型，船長(zhǎng)可能會(huì)控制在200米以下，最大載重量在2萬(wàn)噸左右。隨著未來(lái)北極航道內(nèi)貨運(yùn)數(shù)量的持續(xù)增加，極地航行船舶的船長(zhǎng)將逐漸增加到250米左右，最大載重量可達(dá)到3萬(wàn)噸。對(duì)于未來(lái)的極地集裝箱船而言，主尺度自然是越大越好。一方面，極地海域的特殊環(huán)境要求船舶配備更多的安全設(shè)備，船身空間越大，設(shè)備的布置就越方便；另一方面，與常規(guī)海域相比極地海域的運(yùn)輸成本依然偏高，而大型船舶的規(guī)模優(yōu)勢(shì)將有助于降低單位貨物的運(yùn)輸成本，從整體上提升極地運(yùn)輸?shù)木C合競(jìng)爭(zhēng)力。

　　然而，極地海域內(nèi)特有的低溫對(duì)于鋼材韌性的影響，在很大程度上制約了未來(lái)極地集裝箱船船長(zhǎng)和船寬的增長(zhǎng)。集裝箱船所特有的大開(kāi)口結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了其甲板位置承受總縱強(qiáng)度的能力受到了很大的制約，在實(shí)踐中需要采用厚板作為連續(xù)的艙口圍板對(duì)船體梁上部的強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充。與常規(guī)集裝箱船相比，航行于極地海域的集裝箱船位于露天位置的甲板與艙口圍板在低溫環(huán)境下更容易發(fā)生脆裂，危害船舶安全。與此同時(shí)，型寬越寬的集裝箱船在風(fēng)浪中艙口位置的變形越明顯，在交變載荷作用下開(kāi)裂的可能性也越大，維持貨艙內(nèi)氣密的難度也越高。因此，在目前的船用材料與造船技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性的突破前，極地航行的集裝箱船能夠增加的就只有型深了。然而，受集裝箱最大堆裝高度與港口橋吊高度的限制，未來(lái)極地集裝箱船在型深方面的增長(zhǎng)潛力也十分有限，預(yù)計(jì)只能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上最多增加6～7層集裝箱的裝載量，總載箱量只能提升30%左右。從這個(gè)角度來(lái)看，未來(lái)北極集裝箱運(yùn)輸線與常規(guī)集裝箱運(yùn)輸線的博弈還將延續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。

　　與干雜貨運(yùn)輸相比，極地海域內(nèi)特有的低溫對(duì)于原油和天然氣的海上運(yùn)輸極為有利。原油中所溶解的石油氣和輕質(zhì)烴類在海上運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中極易逸出，通常情況下環(huán)境溫度越高所揮發(fā)的石油氣和輕質(zhì)烴類越多。為防止貨艙超壓，船舶在海上航行的過(guò)程中這些價(jià)格昂貴的石油氣與輕質(zhì)烴類只能通過(guò)貨艙的透氣閥排放掉。而對(duì)于常壓下在-173℃才能液化的天然氣而言，避免運(yùn)輸過(guò)程中氣體揮發(fā)的難度更大。目前的液化天然氣船（LNG船）只能通過(guò)將貨艙揮發(fā)出的氣體作為船舶燃料或通過(guò)再液化裝置將其重新轉(zhuǎn)化為液態(tài)運(yùn)輸，實(shí)踐中這兩種做法的成本都不低。而極地地區(qū)所特有的嚴(yán)寒氣候能夠?qū)⑹团c天然氣在運(yùn)輸過(guò)程中揮發(fā)處氣體的數(shù)量降到最低，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)非常明顯。

　　從地理位置上來(lái)看，目前除中俄能源貿(mào)易能夠大規(guī)模使用管道運(yùn)輸?shù)哪Ｊ揭酝?，俄羅斯出口到日本、韓國(guó)以及東南亞市場(chǎng)的石油和天然氣選擇走北極航道的可能性很大。以東北航道為例，目前能源運(yùn)輸已占據(jù)其貨品運(yùn)輸總量的70%。