在加拿大纽芬兰和拉布拉多省圣约翰斯的加拿大国家研究委员会进行的破冰测试演示。图片来源：CNW Group/加拿大国家研究委员会 想象一下，您童年时期的浴缸玩耍场景被放大，模型船在充满冰的池中破冰前行，池的长度堪比自由女神像的高度。这座位于加拿大圣约翰斯市的 300 英尺长的冰池目前正在帮助美国海岸警卫队测试不同的船只设计，因为美国计划结束长达 40 年的新建重型破冰船的停滞期。美国海岸警卫队的目标是建造四艘重型极地破冰船，以取代其唯一一艘老化的重型破冰船。这种能够破开或撞开厚厚的海冰的破冰船，在执行北极或南极附近的巡逻、补给和紧急救援任务时是必不可少的。因此，美国海岸警卫队转向了加拿大国家研究委员会拥有的世界第二大冰池，以进行一些初步的微型破冰船设计测试。这个加拿大冰池——长 295 英尺，宽 39 英尺，深 10 英尺——可以模拟从普通冰盖到深层冰脊的各种海冰条件，所有这些都基于数十年的研究和建立在如何模拟冰的经验之上。“这个池子被包裹在一个巨大的冰箱里，一个绝缘的房间，配有一个大容量的制冷系统，可以将房间内的空气温度降至零下 20 摄氏度，”加拿大国家研究委员会（NRC）的研究主任 Jim Millan 说。“我们试图做的不仅是模仿船只，还有环境。” 2017 年 5 月，NRC 冰池根据一项之前的合作协议，为美国海岸警卫队和美国国土安全部进行了首次测试。首次测试。但将冰池测试做得恰到好处，其意义远不止于美国海岸警卫队的未来破冰船队。当军事部门想知道核潜艇能否从水下破开北极浮冰以便浮出水面时，这一点至关重要。对于希望在北极水域运营抗冰石油钻井平台或从海上风力涡轮机发电的国家和公司来说，这一点也很重要。对于北极港口和城镇来说，它们将码头或栈桥伸入冰冷水道，这一点也很重要。
制冰之歌
为了复制北极海冰的条件，冰池进行了大量艰苦的工作。一切都必须按比例缩小尺寸和强度。例如，在 1:30 的比例模型测试中，一些最厚的北极冰盖（厚达 8 英尺）将被厚度仅为 3.2 英寸的冰盖所代表。Millan 说，NRC 的研究人员通常会先将水冷却至零摄氏度，然后在长长的冰池的整个表面喷洒细雾。这种雾允许冰晶在零下 20 摄氏度的空气中形成，并落到水面上，充当更大的冰晶生长的“种子”。最终，这个过程会形成一个具有精细结构的冰盖，细小的冰针一直穿透冰盖的整个厚度。接下来，需要软化冰盖，以便冰的强度在规模上大致相当于模型破冰船的推力。否则，模型破冰船可能根本无法穿过或撞开冰，只会弹开。研究人员用热量喷射冰盖表面以软化冰并改变晶体结构，这类似于如何用火来回火玻璃或钢。真实的摩擦力通过应用于模型船的特殊涂料来复制，该涂料赋予它们“略显粗糙的表面”，而不是像新车一样闪闪发光。这是因为全尺寸破冰船可能拥有更粗糙的船体，其中可能涉及锈蚀或刮伤的表面。这些摩擦因素可能意味着破冰船需要更多动力才能穿过冰盖。最耗费精力的冰池测试之一就是试图复制破冰船撞碎海冰脊的能力。这些冰脊在自然界中形成，当两个冰盖相互挤压时，会形成一个向上隆起且在水面以下具有更大深度的冰脊。有时，这样的海冰脊可以长到大约 65 英尺厚。在 NRC 的设施中，复制冰脊需要一群人拿着锯子到冰池上，在冰盖上制造裂缝。将碎冰块倒入裂缝中并重新冷冻，以大致形成冰脊的三角形形状。
为什么冰池测试很重要
NRC 冰池以前曾帮助测试过美国海岸警卫队现有重型和中型破冰船的设计，以及加拿大海岸警卫队的破冰船设计。这些全尺寸船只的实际性能帮助验证了冰池预测它们使用小型模型船性能的能力。因此，这种验证增强了目前旨在塑造美国和加拿大海岸警卫队未来破冰船队的当前冰池测试的信心。NRC 的研究人员一直在对破冰船设计进行一系列不同的冰池测试。一项测试涉及让模型破冰船直线穿过冰盖。另一项测试则考察了设计在破开微型冰脊时的性能。第三项测试则考察了模型破冰船在原地转弯的能力——当被卡在冰池或现实生活中的实心冰盖之间时，这并非易事。真正的破冰船必须通过反复后退和稍微前进以在周围冰块中创造空间来执行“星形转向”。Millan 将这种机动比作“看着一个不会开车的家伙在路上掉头”。
加拿大国家研究委员会、美国海岸警卫队、美国海军以及美国国土安全部科学技术局正在合作，以替换海岸警卫队的极地破冰船队。图片来源：加拿大国家研究委员会 随着美国和加拿大海岸警卫队都试图用更新、更强大的船只替换其老旧的破冰船，此类测试的重要性似乎日益增加。一系列科学和国家安全专家警告说，随着气候变暖导致北极冰融化和北部水域船舶交通量增加，特别是美国将需要替换和扩充其现有的破冰船队。破冰船对于帮助科学家研究气候变化在北极和南极的持续影响至关重要。但是，能源公司、渔船和游轮公司也可能越来越依赖破冰船来铺平道路，因为它们试图开辟仍然遍布危险冰块的新的北极航道。作为时代变迁的标志，一艘芬兰破冰船最近以创纪录的时间穿越了西北航道。
破冰船测试的三大支柱
测试破冰船最现实的方法是让破冰船进行一次航行，看看它的表现如何。但这种方法也有缺点。首先，很少有国家能负担得起花费昂贵的破冰船进行实验性测试，这意味着工程师和船舶设计师通常必须依靠从真实破冰任务中收集到的数据。其次，没有哪个国家会理由派出破冰船及其船员进入极端且潜在危险的海冰条件下——这些情况可以通过冰池中的模型船更安全、更便宜地复制。第三，与高度受控的冰池实验环境相比，研究人员无法控制真实海试中的冰况。一种更受欢迎的测试破冰船设计的方法是使用计算机模拟。这种计算机建模可以安全、廉价地复制破冰船在各种不同海冰条件下的表现。更好的是，研究人员可以完全控制他们想要测试的实验条件。但一个缺点是，最强大的计算机仍然没有足够的内存和处理能力来完全模拟破冰船船体、水和冰相关的复杂物理学和力。这意味着计算机模拟通常侧重于模拟给定场景的一小部分——例如破冰船撞击冰脊时的撞击点——而不是模拟破冰作业对整个船体的整体影响。另一个缺点是，模拟可能会出错或不完美地代表破冰船、海浪和冰盖之间相互作用的现实。冰池代表了观察破冰船设计在现实生活中可能表现如何的有价值的折中测试场地——或水域。与使用全尺寸破冰船的真实海试不同，冰池提供了一种更安全、更便宜的选择，可以在各种极端条件下测试破冰船模型设计，例如让破冰船对抗“最厚的冰盖或测试可能对真实船只造成危险的最大海浪”，Millan 解释道。与更便宜的计算机模拟一样，冰池可以帮助研究人员设置高度受控的实验场景。但与计算机模拟不同的是，冰池在现实世界中运行，而无需担心模拟所有存在的复杂物理学。Millan 说：“物理模型的优势以及它经久不衰的原因是，您免费获得了所有物理学。因为我们正在利用自然规律开发一个实验。”
