未來北極航道的船型

　　據不完全統計，自2012年夏季開始平均每年通過東北航道的商船約有60多艘，通行時間主要集中在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顯現。然而，北極海域內所特有的嚴寒、風暴與極晝極夜的環(huán)境特點決定了未來的極地船舶將具有很多不同于目前國際航運市場上主流船型的全新特點。

　　極地船舶設計的特點

　　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驗。前蘇聯在上世紀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，這些船舶有望成為未來極地船舶的雛形。這批極地船舶在布局上類似于干雜貨船，沿船長方向布置有3～4個貨艙，艙內可載運雜貨，部分貨艙可載運集裝箱，艙口蓋上也可載運集裝箱。這批船舶根據載重量主要可分為兩個系列。載重量2萬噸左右、折合載箱量1200TEU左右的中型極地船舶，船長170米、型寬22米、設計航速在18節(jié)左右，基本采用柴油機動力裝置推進，具備一定的破冰能力；載重量3.4萬噸左右、折合載箱量2500TEU左右的大型極地船舶，船長260米、型寬32米、設計航速20節(jié)，受當時柴油機技術的限制，大多采用蒸汽輪機動力裝置推進，一些船舶還采用核動力，破冰能力較強。

　　北極圈內復雜的氣象條件與極晝極夜的特點給船舶航行過程中的瞭望增加了不小的難度，為確保航行安全，未來的極地船舶很可能會選擇將駕駛室布置在船首。相對于絕大部分將駕駛室布置在船尾的設計方案相比，首駕駛艙的設計將減少船舶前進過程中的駕駛盲區(qū)，有利于船員在惡劣的天氣下對冰情進行觀察，縮短船員到達船首錨機所需要的時間，對于確保船舶航行安全有著非常重要的作用。與此同時，將駕駛室設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，增加甲板載貨數量，提升船舶的綜合經濟性。對于采用核動力的極地船舶而言，前置駕駛室的設計方案還能夠有效地減少船員在船上受到的核輻射。然而由于船舶機艙不可避免地需要布置在船尾，因此將駕駛室設計在船首的方案將導致船上管系與電纜的數量顯著增加，由此而導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的優(yōu)勢。另外，極地海域內特有的嚴寒與暴風天氣決定了相對于裝載在貨艙內的貨物而言，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的船舶都不會選擇裝載甲板貨。

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

　　與前置駕駛艙的設計方案相比，雙殼結構將成為未來極地航行船舶的標配。雙殼結構能夠有效地減少船殼由于受到海冰沖擊而破損的風險，提高船舶遇險后的生存能力，還能對油艙等破損后容易發(fā)生污染事故的部位進行特殊的保護。受破艙穩(wěn)性衡準的影響，未來1萬DWT以下級小型極地船舶的雙舷側部分可能全部作為壓載艙或隔離空艙，而1萬DWT以上級中大型極地船舶的雙舷側空間通常會采用下部作為壓載艙，上部作為甲板下通道的布置方案。對于油輪、散貨船等載重型船舶而言，實際營運過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的穩(wěn)性，此時壓載艙內的加熱設置就顯得非常必要了。不過，從目前經北極航道運輸的貨物類型來看，未來北極航道航行的載重型船舶不會太多。

　　在推進器方面，導管螺旋槳也將成為未來極地航行船舶的標配。對于推進效率要求較高的船舶都會選擇螺旋槳的周圍增加一圈導管，使得推進器附近的伴流集中，提升整體推進效率。通常情況下增加導管后的螺旋槳能夠在同樣的尺寸下增加30%左右的推力。導管螺旋槳的這一特點對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，克服額外阻力對于船舶航行速度的影響。另一方面，導管能夠有效地保護螺旋槳葉梢在船舶輕載航行時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管螺旋槳的成本與技術難度都不是很高。然而對于螺旋槳尺寸較大的大型船舶而言，過于笨重的大型導管在制造成本與安裝的工藝性方面都會存在較大的難度。因此，這類船舶將更傾向于選擇通過調整浮態(tài)的方式避免螺旋槳在轉動過程中受到浮冰的影響。

　　是否需要具備破冰能力是未來極地航行船舶設計方案中最大的懸念。一般來說，自身具備破冰能力的船舶在極地海域內航行時受天氣和冰情的影響較小，理論上能夠實現全季節(jié)通航，且航行過程中無需雇傭專業(yè)破冰船開道，在極地海域內可航行的時間長，航行總成本相對較低。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，船舶破冰需要專門的操作技巧，船舶營運過程中的管理也更為復雜，對于缺乏極地海域航行經驗的船員團隊而言，單獨駕駛破冰船在極地海域內航行的風險很高。相對而言，采用專業(yè)破冰船開道的模式在北極航道運營初期的實踐性更強。這主要是由于對于非極地國家的船員而言，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)的破冰船引導將大大降低船舶操作的難度與船員的心理壓力。與此同時，在破冰船開辟的航道內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發(fā)生險情，開道的破冰船能夠提供及時而專業(yè)的應急，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的大部分船舶都采用了雇傭專業(yè)破冰船開道的運營模式。

　　極地船舶動力裝置的選擇

　　從技術角度而言，與目前民船常用的柴油機動力裝置相比，核動力裝置似乎更能匹配未來極地航行船舶的動力需求。核動力裝置的本質是一種蒸汽輪機動力裝置，以核反應堆取代主鍋爐作為蒸汽發(fā)生源，以高溫高壓的過熱蒸汽驅動蒸汽透平運轉，進而帶動船舶推進器推動船舶航行。與柴油機動力裝置相比，蒸汽輪機動力裝置在極地航行水域的優(yōu)越性就非常明顯了。蒸汽輪機強大的單機功率是柴油機所無法比擬的，目前最大的船用柴油機單機輸出功率為80Mw，而蒸汽輪機可達300Mw以上，強大的單機功率足以提供極地航行船舶沖破冰層所需的動力。與柴油機相比，蒸汽輪機運用于船舶推進的歷史更悠久，技術也更成熟。與將往復運動轉化為回轉運動的柴油機相比，直接采用高溫高壓蒸汽沖擊透平葉輪做功的蒸汽輪機工作原理更為簡單，連續(xù)穩(wěn)定運轉時間長，維護保養(yǎng)周期可達30個月以上。蒸汽輪機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)動力裝置相比，核動力裝置在極地航行船舶方面的優(yōu)越性也是顯而易見的。首先，與使用礦物燃料的常規(guī)動力裝置相比，核動力裝置在運行過程中基本不會產生大氣污染物，是一種非常清潔的能源型式，很容易滿足目前國際海事法規(guī)關于船舶污染與能耗的嚴苛要求。其次，核燃料的能量密度遠大于常規(guī)礦物燃料，采用核動力裝置的船舶在整個生命周期內通常無需添加燃料，這將為船東節(jié)約大量的船舶維護保養(yǎng)時間與成本，提高船舶在航率，從整體上提升船舶的經濟效益。更為重要的是，核動力裝置巨大而廉價的能源供應能夠有效地解決目前民用船舶在極地海域內航速過低的問題。航速的提升將有有助于船舶以盡可能快的航速通過航行風險較高的極地水域，進而從整體上降低船舶在極地航行期間發(fā)生事故的風險，并在一定程度上提升極地航道的綜合競爭力。極地航道特有的環(huán)境條件也將核動力裝置在常規(guī)海域低效率的缺點轉變成了優(yōu)點。與柴油機動力裝置接近56%的熱效率相比，蒸汽輪機不到20%的熱效率在常規(guī)民用船舶領域毫無競爭力。然而航行于極地海域的船舶對于全船熱量供應的持續(xù)性需求將大大提升蒸汽輪機動力裝置在極地海域的綜合熱效率。采用柴油機動力裝置的船舶發(fā)動機所排除的廢熱有限，通常情況下還需要消耗額外的電力對船上的關鍵設備進行加熱以確保其正常運行。而對于采用核動力裝置的船舶而言，驅動蒸汽透平做功后的乏氣即可用來進行加熱，無需再消耗額外的燃料。與常規(guī)的柴油機動力裝置相比，核動力裝置在極地海域高效率的優(yōu)勢是顯而易見的。

　　隨著近年來船舶動力裝置技術的不斷進步，未來極地航行船舶動力裝置的配備可能會有兩種。以高壓蒸汽透平直接帶動螺旋槳推動船舶航行的動力裝置方案很可能成為未來極地航行核動力船舶動力裝置的首選方案。蒸汽輪機動力裝置運用于機動船舶推進的歷史最為悠久，技術相對成熟，總體可靠性很高，當船舶采用核動力時也不存在燃料成本過高的問題。蒸汽輪機在機動性方面的缺陷將成為其未來在極地航行船舶上運用的最大短板。極地海域冰情復雜，船舶航行過程中經常需要避讓大塊的浮冰，這對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間過長的問題始終難以解決，這對于未來極地航行船舶而言顯然是一個安全隱患。以低壓蒸汽透平驅動發(fā)電機并以電力提供船舶推進的新型電力推進模式是未來極地航行船舶動力裝置的另一種模式。與大功率的主推進蒸汽透平相比，驅動發(fā)電機的蒸汽透平無需能量過大的蒸汽，因而整體熱效率較高。多臺發(fā)電機并車供電的模式相對于單一的主推進透平而言在推進冗余度方面顯然更具優(yōu)勢。與此同時，無論采用吊艙式推進還是電機直接驅動螺旋槳的推進模式，相對由蒸汽透平與柴油機直接驅動的推進器而言都擁有更好的機動性。蒸汽透平電力推進裝置的這些優(yōu)勢對于提升船舶在極地高風險海域航行的安全性而言具有非常重要的意義。與常規(guī)船舶動力裝置相比，核動力船特有的安全風險導致了船舶建造的初始投資不會很低，這也將在一定程度上掩蓋船舶采用電力推進系統初始投資過高的問題，促進未來蒸汽透平電力推進裝置在極地航行船舶上的推廣。

　　公眾對于核燃料泄漏后放射性污染的恐慌是導致核能無法在航運業(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家對于核動力裝置安全性的信心，是為未來核能在航運業(yè)中廣泛采用之前必須解決的問題。核軍事技術的保密性要求與核能船舶相應法規(guī)的缺失是制約核能在航運業(yè)中廣泛采用的另一個重要原因。核動力裝置的特點決定了其具有非常重要的軍事價值，掌握該項技術對于提升國家軍事實力與維護國際地位有著無可替代的作用。目前全球范圍內掌握核動力裝置技術的國家只有6個，且核動力設計標準主要由相應國家的軍隊掌握。不同國家國情與工業(yè)水平的差距決定了其核動力船設計與建造的標準也不盡相同。對于在國際航行領域擁有豁免權的軍艦而言，這種設計和建造標準上的差異不會存在太大的問題，然而對于從事商業(yè)航行的民用船舶而言，從事國際貿易運輸的核動力船很可能由于兩國法律與設計標準的差異而被拒絕入港。盡快建立全球范圍內統一的核動力船設計、建造與檢驗標準也是未來核動力運用于極地航道的前提之一。

　　極地船型的發(fā)展趨勢

　　從目前北極航道的發(fā)展趨勢來看，集裝箱、能源與干雜貨將成為未來經北極航道運輸的最主要貨物，因此多用途船、集裝箱船、油輪、LNG船將成為未來極地海域內的四大主力船型。目前歐亞與歐美貿易貨運中機械設備和工業(yè)制成品占據了絕大多數，因此未來第一代極地船舶可能是一種類似多用途船的船型，船長可能會控制在200米以下，最大載重量在2萬噸左右。隨著未來北極航道內貨運數量的持續(xù)增加，極地航行船舶的船長將逐漸增加到250米左右，最大載重量可達到3萬噸。對于未來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備，船身空間越大，設備的布置就越方便；另一方面，與常規(guī)海域相比極地海域的運輸成本依然偏高，而大型船舶的規(guī)模優(yōu)勢將有助于降低單位貨物的運輸成本，從整體上提升極地運輸的綜合競爭力。

　　然而，極地海域內特有的低溫對于鋼材韌性的影響，在很大程度上制約了未來極地集裝箱船船長和船寬的增長。集裝箱船所特有的大開口結構型式決定了其甲板位置承受總縱強度的能力受到了很大的制約，在實踐中需要采用厚板作為連續(xù)的艙口圍板對船體梁上部的強度進行補充。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，型寬越寬的集裝箱船在風浪中艙口位置的變形越明顯，在交變載荷作用下開裂的可能性也越大，維持貨艙內氣密的難度也越高。因此，在目前的船用材料與造船技術取得實質性的突破前，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，未來極地集裝箱船在型深方面的增長潛力也十分有限，預計只能在現有基礎上最多增加6～7層集裝箱的裝載量，總載箱量只能提升30%左右。從這個角度來看，未來北極集裝箱運輸線與常規(guī)集裝箱運輸線的博弈還將延續(xù)相當長的一段時間。

　　與干雜貨運輸相比，極地海域內特有的低溫對于原油和天然氣的海上運輸極為有利。原油中所溶解的石油氣和輕質烴類在海上運輸的過程中極易逸出，通常情況下環(huán)境溫度越高所揮發(fā)的石油氣和輕質烴類越多。為防止貨艙超壓，船舶在海上航行的過程中這些價格昂貴的石油氣與輕質烴類只能通過貨艙的透氣閥排放掉。而對于常壓下在-173℃才能液化的天然氣而言，避免運輸過程中氣體揮發(fā)的難度更大。目前的液化天然氣船（LNG船）只能通過將貨艙揮發(fā)出的氣體作為船舶燃料或通過再液化裝置將其重新轉化為液態(tài)運輸，實踐中這兩種做法的成本都不低。而極地地區(qū)所特有的嚴寒氣候能夠將石油與天然氣在運輸過程中揮發(fā)處氣體的數量降到最低，經濟優(yōu)勢非常明顯。

　　從地理位置上來看，目前除中俄能源貿易能夠大規(guī)模使用管道運輸的模式以外，俄羅斯出口到日本、韓國以及東南亞市場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，目前能源運輸已占據其貨品運輸總量的70%。