破冰船的螺旋槳不怕被冰碰壞嗎?

祝敬奎


首先,破冰船的螺旋槳在一般任務中基本見不著冰,因為它在船體最後邊,在水面以下,而冰是10%浮在水面以上的。而且,破冰船螺旋槳是用高硬度合金製造的,它的硬度至少也得在7以上(鑽石是10),而冰的硬度呢,最高才3。破冰船螺旋槳不光是不怕冰,在一些特殊任務中,螺旋槳還得充當冰刀,被用於切碎冰塊。這個後面再聊。
圖:毛子核動力破冰船,勝利號


破冰船的兩種工作方式

第一種沒啥可說的,就是撞。破冰船的船頭都是至少5釐米厚的鋼板,鋼板往裡則是粗大的鋼樑鋼柱,極其堅固。厚度不足1.5米的冰層根本扛不住動輒上萬噸的破冰船。開足馬力一路衝撞,冰層就破碎成渣兒了。

第二種就複雜多了,這種方法是用來對付兩米左右的厚冰層的,簡單說就是衝上冰面,壓碎冰層。破冰船的船頭下方沒有球鼻艏(就是那個凸出的大球),它的船頭下面幾乎是圓弧形的。
圖:中國雪龍號也是破冰船,注意看船頭水線處的形狀

另外大型破冰船內部一般會有好幾個儲量上百噸的水罐,分佈在船頭船尾和左右兩邊。對付厚冰層時,破冰船先後退,排空前水箱同時注滿後水箱,讓船頭翹起來,再全速前衝,讓前半個船身衝到冰面上。如果上千噸的重量仍沒有把冰層壓垮,破冰船會用水泵將後水箱中幾百噸的水抽到船頭水箱,增加船頭重量,這樣一般就可以壓碎冰層了。如果嫌開出的航道太窄,破冰船還可以交替抽空、灌滿左右兩側的水箱,讓船體搖起來,壓碎旁邊的冰層。
圖:工作中的破冰船

螺旋槳的妙用

如果被壓碎的冰塊太大,它們漂浮在航道中很可能會對後方的船隻構成威脅,畢竟普通船隻甚至軍艦也遠沒有破冰船結實。這種情況下,破冰船會排空後水箱、灌滿前水箱,將船尾翹起來,讓兩個(或更多)螺旋槳貼近水面,然後開始倒退。堅硬的螺旋槳此時就變成了巨大的碎冰機,旋轉切削加撞擊,將危險的大冰塊刨成碎冰沫。
圖:破冰船的螺旋槳

破冰船終年在危機四伏的冰海中橫衝直撞,所以船體的一切都是加強型的。厚實的船底從側面和正面看都是圓弧形的,這樣可以化解水凍結膨脹形成的壓力;兩到四個螺旋槳則由高硬度鋼材鑄造,所以它們不止不怕撞到冰塊,還能用來做刨冰呢。

拓展

有些破冰船在船頭也有一組螺旋槳,用來排出冰層下方的水,讓冰層失去承託,自己鬆動垮塌。但我估計要是用這種破冰船對付厚冰,應該不怎麼靈吧。
圖:前後兩組螺旋槳的破冰船

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螺旋槳當然怕冰碰壞,大型船隻的螺旋槳一般都是採用鎳鋁青銅材料製造而成,因為普通的鋼鐵太重,並且在水中容易生鏽,不耐空泡腐蝕。而鎳鋁青銅的密度較低,但是強度更大,不容易鏽蝕,持久力和耐空泡腐蝕能力也更強。在二戰之前,螺旋槳多為黃銅材料,英國為了建造高速魚雷艇而研發出了鎳鋁青銅材料,這種材料在二戰結束以後迅速成為大型軍艦的標配,無論是航母還是潛艇,又或者是破冰船都是採用這種材料的螺旋槳。
▲鎳鋁青銅螺旋槳

鎳鋁青銅材料雖然綜合性能不錯,但是如果與大型的冰山正面碰撞,肯定也是會受損的。很多人想當然的以為破冰船是使用螺旋槳來攪碎冰層完成破冰,實際上並非如此。破冰船主要是依靠自身重量和動能進行無腦式撞擊擠壓破冰,破冰船的船頭外部用厚度在50MM以上的加強型的鋼板進行過加固,內部還有X型防形變鋼架構支撐,以最大限度的抵抗衝擊。而破冰船的外形也被設計成比較寬大的粗壯型,為的也是增加船頭重量和拓寬航道。

▲雪龍號破冰科考船

破冰船有兩種不同的破冰方式,當冰層厚度不超過1.5米時,將發動機馬力開至最大,利用速度產生的動能和堅硬的船頭不停地撞碎冰層,這種破冰方式可持續性好,每小時可以開闢約5到10海里的航道,因此也被稱之為連續式破冰法。
▲俄羅斯核動力破冰船連續破冰


一旦冰層厚度超過1.5米,連續式破冰就很難奏效,因為直接撞擊這麼厚的冰層不僅難以擊碎,還可能會讓船頭受損凹陷甚至破裂漏水,所以必須採用更為經過的衝撞式破冰。這種破冰方式是通過內部水艙調節,將船頭吃水變淺,然後加大馬力把船頭衝上冰面,再將水艙注入船頭加大壓力,直到把冰面壓碎。當冰面破碎後,螺旋槳反轉讓船後退,再繼續衝上前面的冰面,如此反覆循環,將厚實的冰層不斷破開。這種破冰方式操作複雜,速度較慢,一般每小時最多隻能2海里左右的冰面,但是特別適用南北極等冰層較厚的地區。
▲衝撞式破冰


通過破冰船的原理我們可以發現,螺旋槳在破冰過程中全程只提供動力,並不參與擊碎冰層的工作。在冰面破裂後,破冰船向前航行,由於冰的密度比水小,碎冰也只會浮在水面,而不會對螺旋槳造成損壞,因此破冰船一般是不用擔心螺旋槳被冰碰壞的。不過為了保險起見,破冰船一般都會安裝兩部動力裝置和多個螺旋槳,即使單個螺旋槳被異物纏繞或者損壞,也不影響破冰船的正常工作和自救。
▲俄羅斯“北極”級破冰船


軍武吐槽君



破冰船是一種特殊類型的船舶,其設計目的是打破最厚的冰層,穿越極地冰封水域,使世界上一些最不適宜通行的航路暢通無阻。破冰船不同於其他船隻的顯著特點是其堅固的船體能夠抵禦冰層,一種特別設計的破冰形狀能夠形成一條前進的路徑,並具有在海冰中航行的強大能力。



破冰船的特殊設計使其適合執行破冰任務。堅固的船體是破冰船的重要特徵之一。具有低冰阻並能根據需要進行不同機動的船體形狀極其重要。破冰船採用雙層船體,在船底和船側有兩層不透水錶面。 船體比其他船隻更厚,作為建造材料的鋼材將具有抵抗低溫強度的特性。為了增強在冰水中的機動性,破冰船有一個傾斜的前部船頭,有時是圓形船尾和傾斜的側面。此外,一些破冰船的特點是船首比船尾寬,以增加其開闢冰道的寬度。


同樣,儘管船體結構堅固,但還需要結構加固才能使破冰船有效地履行職責。事實上,破冰船船頭的設計是一個重要因素,因為船需要穿過充滿冰塊的水域。破冰船的船頭將被設計成更圓的結構,以幫助船隻利用其重量破冰,並在上面行駛。 普通船頭的船體有助於它破浪前進,減少船與水之間的摩擦。雖然老式破冰船的外殼厚度高達50毫米,但現代船隻使用屈服強度500 MPa的高強度鋼,以更少的鋼重量和厚度提供增強的強度。船體使用的鋼在低環境溫度和高負載條件下也能有效抵抗脆性斷裂。


與其他船隻相比,現代破冰船的另一個顯著特點是它能為其他船隻在冰水中開路。無論是早期使用的燃煤或燃油蒸汽船、柴油電力破冰船,甚至核動力破冰船,破冰船都具有顯著增強的動力。 兩個螺旋槳安裝在船頭、船尾和船首推進器上,這些船的機動性很優秀,在冰上能有效地操縱。美國海岸警衛隊的強力極地破冰船採用柴油-電力和機械推進系統,包括6臺柴油發動機和3臺燃氣輪機,分別產生高達13000千瓦和45000千瓦的功率。

核動力是破冰船行業最新和最先進的動力方式,更適合這些船隻從事的艱苦工作。破冰船從事的是高成本密集型工作,主要是因為燃料成本。 平均而言,能在3米厚的冰凍水域工作的破冰船,每天將消耗100多噸燃料,即使是石油開採等高回報工作,這也是一項巨大的投入。這是核動力破冰船經常前來救援的地方。在同樣的條件下,核動力船使用的鈾不到一公斤,這使得它成為更好的動力選擇。此外,這也消除了燃料補給的需要,而這正是這些船隻在隱蔽的冰封區域所需要的。

核動力破冰船的總回報很容易超過最初的生產成本。 目前,俄羅斯經營著世界上所有的核動力破冰船。第一艘於1957年服役,俄羅斯運營著八艘用於各種目的的核動力破冰船。 破冰船結構龐大,重量、體積和動力都有優勢,可以在3米厚的冰層上平穩滑行,並將其壓碎,為其他船隻開闢道路。這使得它們成為北極和俄羅斯冰凍海域非常有用的船隻。

破冰船是如何工作的,這是因為它們的船體設計。與其他船隻不同的是,圓形船頭使破冰船的光滑部分更容易滑過厚厚的冰層,從而大大減少了阻力。當船滑過冰面時,它的重量落在冰上,壓碎了冰層。 光滑的船體設計有助於將冰推出船外,防止冰進入船的部件並造成損壞。即使在最惡劣的條件下,雙層船體結構也能確保船體的完整性。外殼用材料和船體聚合物塗料加固,使其強度更高,減少摩擦造成的損壞。



雖然破冰船能夠在極地和其他冰凍海域通行無阻,但破冰船在其他海域缺乏效率。這種設計有一點負面影響,特殊設計使破冰船非常不適合正常水域。有了圓形的船頭,破冰船在正常海洋中幾乎不適合航行。典型的破冰船船體形狀能夠抵抗波浪,但破冰船的設計讓波浪全力撞擊船隻,使得操縱變得困難。 設計上的一些修改使得雙作用船舶設計有可能克服這些限制。


破冰船配有可以向各個方向轉動的螺旋槳,使船能夠向後產生足夠的推力來破冰。螺旋槳包裹在金屬外殼內,避免了海邊的破壞。另外海冰被船體推向兩邊,很少有大塊海冰碰到螺旋槳。螺旋槳採用高強度耐低溫的青銅合金製造,很難被冰層損壞。


軍機處留級大學士


從您提的這個問題看,我覺得你對艦船不太瞭解。為什麼呢?因為絕大多數螺旋槳它是安裝在整個艦船的後部,或者說尾端。因為在後面呢,前面的船體或艦體把冰都壓碎了。這樣一來他就不可能遇到堅硬不動的冰塊了。打個比方說,人往前走,最可能碰的是額頭,鼻孑或腳尖,不可能碰到腳跟。還有一點呢,螺旋槳本身的結構,一般都是用銅來製造的。韌性比較好,而且它比較厚。破冰船的螺旋槳比一般的艦船更結實。所以一般的浮冰是碰不壞它的。但如果遇到暗礁,碰到堅硬石頭,旋轉的螺旋槳就有可能被打壞。其它一般情況下對它來說是沒有關係的。

如果這個問題你要進一步瞭解,你就到一艘船上去看一看。輪船也好,艦艇也好。所有的螺旋槳都是在艦船的後面,破冰船的船體是很結實的,一般的冰就被船壓碎了,現代破冰船再厚的冰它也有辦法對付,輪不到螺旋槳被冰碰壞。


天嶽樵子


破冰船船體外殼堅硬,船頭兩部分設計,吃水線以上穿設計和其他船長一樣是銳角設計,吃水線以下是平面的,通過這種船體設計衍生兩種破冰方法,第一種是船體吃水線部位是平的,通過螺旋槳的推力,把船推上冰層,然後通過船體重量把冰層壓破。如果冰層厚度可以承受船體重量,就用第二種方法,船體吃水線下移,用船首銳角反覆撞擊冰層,直至破裂。這是破冰原理。為了保護螺旋槳在有冰工作環境時候不被堅冰磨損(減少磨損) ,在螺旋槳外裝桶形套,家像現在打豆漿破壁機一樣。當然比破壁機設計更復雜一些。


話歷史談道理


首先,破冰船🚢不是直接撞擊破冰的,破冰船的殼體很厚強度很高,船首底部扁平,船艙內前後、左右安裝了不同的水箱,所以破冰船實際是靠擠壓來碎冰的。破冰船的螺旋槳是特殊設計的,技術複雜,進行了強化處理,並且有保護裝置,這在能建造破冰船的國家都是嚴格保密的。


用戶一個人


提問的你首先要搞清楚弄明白,以冰的密度是漂浮在水上還是沉在水下的。

破冰船船頭硬的,船底都是動力加熱的,都破出一條通道了,推進螺旋槳在船尾水平面下,船體開動挺進擠壓碎冰都被排擠到船兩側,即便有小的碎冰也在水面上。而螺旋槳在吃水線以下……


陸家梧桐棲小鳳


破冰船螺旋槳,面對船頭碾壓的碎冰塊,即使再大塊,也如同切豆腐一樣簡單。

破冰船設計之初,已經考慮進去的,必然承受能力。

你的擔心是多餘的。


循環幸運


我怎麼覺得螺旋槳很難碰到冰塊,冰塊壓碎都浮在水面,螺旋槳在船底,應該碰不到吧


明和印刷貨郎先生


破冰靠船的前龍骨和球隆鼻壓衝破冰,螺旋槳在船後水下提供推力,浮冰漂浮水面不能傷害船槳。

當然漿可以切割冰。


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