从“雪龙”号救援俄罗斯船看极地航行风险及破冰船发展趋势

最近，“雪龙”号极地考察船在南极救援俄罗斯“绍卡利斯基院士”号科考船的行动受到从国家领导到普通百姓的极大关注。俄罗斯科考船被困南极、“雪龙”号的救援行动，让不少人对破冰船的工作方式、破冰能力以及南极航行风险产生了浓厚兴趣。
一、极地航线如何制定
一般，商船根据自己航行任务的不同会提前制定好航线，备足航次所需的油、淡水、食品、物料及备件。绝大部分商船航线都会选择经济航线或常用的推荐航线，而在高纬度地区航行更多采用大圆航线加限制纬度恒向线航线的混合航线，来避开高纬度海区恶劣海况或浮冰及冰山对船舶造成的风险。
而南北极地区的航线除商船制定的航线外，更多的是考虑海冰对航线的影响。除特殊情况须进入浮冰区航行外，一般会选择在浮冰区的边缘航行，以确保航行速度不受太大影响；当遇到大风浪来袭时，还可以较快进入到浮冰区避让大风大涌。由于各个海区在不同时间段浮冰带外缘位置差距很大，同一时间点，有些区域已可接近到岸边航行；而有些区域浮冰还很严重，甚至还有很多的陆缘冰存在（主要还是在一些海湾内或是近岸区域）。南北极航行航线很少是直线航线，会根据冰情来调整原定的航线。以下用六张冰图（纬度间隔为5度，经度间隔为15度）说明南极从开始进入夏季-盛夏-初冬以及南极海冰最大值时海冰分布状况。南极的冬季由于漫长的极夜和恶劣的暴风雪天气很难开展工作，所以在南北极作业的大部分船舶只能选择在当地的夏季进行科考或旅游。
二、遇险事件起因
2013年12月24日凌晨，“雪龙”号收到澳大利亚RCC（海上应急搜救中心）发来的最高级别的应急求救信号，一艘载有74人的（其中22人为船员）俄罗斯科考船“绍卡利斯基院士”号（AKADEMICSHOKALSKIY），在（66-52S144-32E）海域受到浮冰围困，有两座冰山向其逼近，情况危急，要求附近船舶前往救援。“雪龙”号收到求救信号后，经请示，立即调整航向全速前往600海里外的受困船进行救援，航行中加紧收集遇险船舶周边海区的冰情资料。28日，第一个到达救援海区，最终距离遇险船6.5海里。由于遇险船舶周围冰情严重，冰厚达3米以上，远超出“雪龙”号破冰能力，“雪龙”号只能在冰区等待时机进行救援。
三、艰难的救援过程
“雪龙”号进入遇险船舶周围冰区期间，连续出现不利于营救的东南大风和下雪天气，能见度非常差，天气恶劣，严重阻碍了“雪龙”号对遇险船只的救援。随后赶来的法国破冰船因自身机械故障和严重冰情，自动退出救援队伍。29日晚上，澳大利亚“南极光”号破冰船赶到，30日凌晨开始破冰作业，试图进入围困俄罗斯“绍卡利斯基院士”号的浮冰区。然而，当其前进到距离被困船只十海里附近时受阻，返回清水区。澳大利亚“南极光”号的船长穆雷多伊尔说：“由于冰层太厚，我们无法穿过，如果我们继续前进，将使得我们失去可操作性，对谁都没有帮助。” “雪龙”号、法国破冰船、澳大利亚“南极光”号三艘破冰船的救援，由于冰情严重加上恶劣的天气，行动受阻。据新华社随船记者描述：30日早上，在“雪龙”号驾驶台上看到的景象令人震惊。天地之间混沌一片，白得令人睁不开眼睛。能见度极差，只能看见船头十几米远。狂风夹杂着大颗雪粒，在空中呼啸飞舞。“雪龙”号银装素裹，所有迎风一侧的门和窗，都覆盖了厚厚的冰雪。强劲的东南风将这片浮冰区吹得更密实了，好不容易开辟出来的碎冰区，很快就被流动的大块浮冰占领。为防止被冰卡住，“雪龙”号必须随时保持警惕，保持机动状态，与大块浮冰“斗智斗勇”。
2014年1月2日，遇险船舶海区迎来了一个难得的好天气，根据先前飞机侦察情况，与澳大利亚“南极光”号协商，“雪龙”号考察队决定利用受困船以及“南极光”号边上较大的大块浮冰作为临时降落平台，先派人用船上的长木板铺垫在冰面上，确保“雪鹰12”直升机轮子不陷落浮冰里，再组织相关人员负责冰面的指挥和遇险船舶人员的撤离。实际上，由于澳大利亚“南极光”号飞行甲板只能起降小型直升机，“雪龙”号的雪鹰直升机属于重型直升机，只能降落在“南极光”号不远的大块冰面上，被救人员通过“南极光”放下的工作救生艇登船。“雪鹰12”直升机利用9个架次近5个小时的飞行，把遇险船舶上的52人安全撤离到澳大利亚“南极光”号破冰船上，成功完成了遇险船舶人员的救援撤离任务。
在52人都被救出后，“绍卡利斯基院士”号船长给“雪龙”号船长发来热情洋溢的电子邮件。他说：“你们的努力是国际合作的典范，不仅体现了人类航海中的互助精神，也体现了《南极条约》精神。”
1月7日，中国驻澳大使马朝旭前往澳大利亚海事局进行工作交流，澳大利亚海事局代理局长米克·金利在会见时当面递交了感谢状。对中国政府、“雪龙”号科考船、“雪鹰12”直升机成功营救在南极遇险的俄罗斯“绍卡利斯基院士”号科考船上的52名人员表示衷心感谢。
四、船舶受困的主要因素
随着夏季的到来，海冰的消融速度加快，科考船只有在这个季节才能接近岸边或是在冰架附近开展相关的调查研究。这个时候岸边和冰架附近会有一定数量的浮冰、冰山，在部分区域还有陆缘冰存在。
当出现较长时间同一方向的强风时，如果上游方向存在大量的浮冰，这些浮冰会随风快速聚集。同样，如果在某些海区出现较强的海流时，浮冰也会随着强流快速移动聚集。如果值班驾驶员或是船长没有意识到有被堆积冰困住的危险，没有及时调整航线往上风方向或其他清水区域移动，后果就会很严重。
极地大陆特别是沿岸附近的天气变化莫测，有时从所收集到的气象资料上看，本应没有强风的天气，也会突然出现9级～10级的大风，对于在此区域航行的船舶安全产生较大的威胁。据了解，俄罗斯科考船“绍卡利斯基院士”号船长和本次带队的科考队领队也是富有经验的南极专家，受困南极或许有以上这些原因或者说是南极海冰的变化远远超出我们的想象，给后来者发出了警告。
大风作用下的冰挤压会限制船只的行动，船冲撞破冰时也常常会被冰卡住。如果同时发生较深积雪覆盖浮冰的情况，船舶的行动会更加困难。遇到这种情况，除了借助其他更高等级的破冰船帮忙外，唯一能做的就是等待天气出现较有利的变化。
从以往发生的冰困船舶事件以及本人的经验来看，受困船舶主要处于南极大陆近岸浮冰区（如再加上所处区域是一个相对陌生的海区，受困的风险就会更大）。由于受到岸形以及周边冰架的影响，受困船舶所在水域一旦出现较大的东向大风，上游大量的浮冰就会被挤进湾里，海冰在大风作用下会很快挤满船周边的水域，形成一层层叠起的堆积冰（也称为冰脊冰）。这种堆积冰对于有强大破冰能力的船而言，前行也难度极大。
五、普通破冰船破冰方式及风险
普通破冰船（是指轴系螺旋桨推进方式的船，如“雪龙”号）主要破冰方式为连续破冰作业、冲撞破冰。连续破冰作业是指在冰厚小于该船设计的破冰厚度时，运用强大的动力、破冰线型以及破冰船自身的重量缓慢起伏式向前破冰前进。而当冰厚超过破冰船设计的最大破冰厚度，或在堆积冰中以及在更困难的条件下，船舶不得不采用冲撞方式向前推进，这种方式对于普通破冰船是唯一的通过方式。
冲撞破冰时，船要先倒车一到两个船的长度，然后加速进行有力的冲撞，有时为了通过厚冰区或冰脊冰还必须反复冲撞。在“雪龙”号执行南极任务期间，曾多次遇到过这种情况。最严重的一次，“雪龙”号用了约半个月的时间才通过特别严重的冰脊区。（见图3）
普通破冰船冲撞破冰最容易出现的问题就是船被冰卡住，高速冲撞的巨大惯性会将船深深插入到冰中，由于螺旋桨倒车的拉力没有进车时的功率大（主要是因为现代柴油机的主机特性，决定了船舶的倒车功率只有正车额定功率的70%左右），船舶就难以退出。为了让船从被卡住状态退出，主机倒车负荷经常会在90%以上运行，如出现螺旋桨打冰现象，瞬间会出现较严重的主机过载现象。船长或驾驶员须快速将操纵手柄降下来主机负荷随后减下来。在船舶被卡状态下，只能通过进、倒车，用舵的转向力来扭动船体使船脱身。而舵的转向力很小，这样做很难脱困。
六、俄罗斯科考船和“雪龙”号脱困原因
下面通过二张冰图（图4）来解释海冰在同一风向作业下的变化。1月7日，冰情分析图由北京师范大学全球变化研究院提供。绿线为2日海冰外缘线，黄线为5日海冰外缘线，红线为7日海冰外缘线。从2日到5日由于一直受到东至东南风的影响，海冰外缘线明显向西收缩，虽说“雪龙”号与清水区的距离在变近但被海冰挤压更紧。经过从7日凌晨开始近10个小时西风作用，红色的外缘线特别是“雪龙”号正东区域向外出现显著的漂移，据现场通报东侧浮冰之间有较多的水塘出现。图4（b）为2014年1月6日世界时23：30受困区域海冰图由美国宇航局提供，其中BNSK 为“雪龙”号船舶呼号，UBNF为俄罗斯科考船船舶呼号。
从图4（b）可明显看到经过近10小时西风作用，在固定冰和密集冰之间以及密集冰与当年冰之间出现了明显的断裂水道，“雪龙”号外围的当年冰明显在向东扩散。由于俄罗斯科考船处在固定冰与密集冰交界处不远的地方（此图还可以看出在俄罗斯科考船上方有少量云影响），随着水道的出现俄罗斯科考船较轻松进入水道，在大自然帮助下脱困成功。而“雪龙”号由于处在密集冰与当年冰交界处，虽然已看到东侧出现较多的水塘，但苦于密集冰整体移动所在区域（特别是船首方向）变化不大，而船尾方向已出现一定的变化。167米长的“雪龙”号想在密集冰中掉头难度相当大，好在有不断作业扩大的活动区域以及后方提供的及时信息通报和建议，再加上考察队全体队员及船长坚强的决心，”雪龙“号不断左冲右突一点一点向右转向，经过近13小时的努力，掉头完成后沿冰裂缝很快就脱困成功了。下图5为“雪龙”号脱困时所选择的冰裂缝水道。
图5 冰裂缝水道
七、 双向破冰船原理
那么，科考船在外界天气影响下脱困外，有没有除核动力破冰船以外的破冰船可以脱困？答案是肯定的。随着技术的发展，全回转推进器的出现，以及双动型船、双向破冰型船的出现，使这种可能性成为现实。
目前，我国新建破冰船项目正处在可研阶段，新建破冰船由国际上拥有丰富破冰船设计经验的芬兰阿克北极公司进行设计。设计中的破冰船拟采用国际先进的电力推进系统，船舶结构强度满足IACS PC3，具备艏向和艉向都能在极区海冰中以2节～3节速度连续破冰（厚度不低于1.5米加0.2米雪）航行的能力，以及艉向航行时能确保在20米当年冰冰脊（含4米堆积冰）加0.2米雪层中不被卡住的能力。图6为新建破冰船的概念设计图。
艉向破冰概念的出现，主要是因为随着航海技术的不断发展，全回转推进器的出现、日益成熟和广泛应用。全回转推进器的使用克服常规推进器倒车时船舶的偏转效应以及电力推进拉式桨发挥全功率推进的效能。北极地区双动船（使用全回转推进器，船首线型适合敞水航行，船尾线型适合艉向破冰作业）发明使用，解决了敞水航行的经济性与自主破冰航行的能动性。双向破冰技术在双动船的基础上使船舶破冰能力得到进一步加强和补充。艉向破冰为保护尾部的推进器，严禁冲撞破冰，用靠近船艉的全回转推进器的灵活转动，利用强大的水流有效松动冰脊冰，可以使船在冰脊冰中破出一个宽的碎冰水道。由于冰层较厚，船在艉向航行时速度会相当缓慢。推进器来回转动，用特殊材料制造的不锈钢螺旋桨不停移走、粉碎和带动水流冲洗其范围内的所有海冰，待螺旋桨掏空冰脊下部的海冰后，最终使冰脊倒塌，然后继续破冰。不停地转动推进器冲刷艉部区域对船艉的前后左右移动大有帮助，这样能使破碎的冰道变宽，使破冰船在冰脊中转向成为可能。经大量实践证明，艉向破冰对于破冰脊冰效果显著。
当冰情严重到不适合艏向破冰航行时，双向破冰船可以转向进行艉向破冰。如果船舶已经卡在冰中，最有力的逃脱方法是使用全回转推进系统，艉向航行可以使其轻易再次获得自由航行的可能。
八、经验教训
不管是现代航海还是过去的探险时代，远洋航行保持足够谨慎对于航海人员来讲是必须遵循的原则。航海前辈们经常教育我们小心驶得万年船。中国虽然已进行了30来年的南极考察取得了一些成果，但我们毕竟是南极考察的后来者。在操纵破冰船极地航行方面，与发达国家相比还存在一定的差距。极区航行由于特殊的地理环境、恶劣的天气、漂浮的冰山及浮冰、航海资料相对的缺少增加了航行的困难，在此区域航行除常规远洋运输须做的准备外，还须注意以下几个方面：
1. 配备航海驾驶人员特别是船长须有一定的冰区航行经验，掌握在不同浮冰状况下航行方法。主要是能根据本船的抗冰等级、浮冰密集程度来选择航线、控制航速，确保船舶在冰区航行时的船舶安全。
2. 由于此区域特殊环境，远离大陆。船舶一旦发生机械故障很难得到陆地支持。执行南北极航行首先要在国内航修时确保船舶各项设备处于较好的状态，同时要求在船舶备件供应上给予足够的重视，给予百分之百的保障，特别是船上关键及易损件船上加工存在难度的备件。船上的技术力量相对设备制造商还是会有一定的差距，如有可能，在重要的设备上增加一套远程诊断系统，提前对设备可能出现的故障进行报警，及时将故障消除，确保重要设备运行正常保证船舶安全。
3. 油、水及伙食的储备应比常规区域适当多准备一些。相对来讲，南北极天气较差，会给航行带来困难，增加油、水的消耗。
4. 应急方案的制定须考虑周全，特别是要增加对主要南北极考察国破冰船航行动态、联系方式的掌握，收集各国发布的极地冰情、气象和水文资料，研究和制定一旦受困时可能会选择的救援路径选择等。在本次“雪龙”号脱困过程中，国家海洋局启动的应急预案提供了强有力的保障。