打破1.5公尺厚的冰 需要一台动力无穷的超大机器
破冰船
这些庞然大物让全球航路 在最艰险环境下维持通畅
成为全球经济之所系
现在要打造这么一艘船 同时可以破冰和载货
北极破冰货柜船
船身将长达169公尺
重量将近2万吨
费时11个月打造
为北极航运开创新局
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"伟大工程巡礼：破冰船"
未来11个月
艾克场造船公司的三百名 工程师即工人组成的团队
将在德国北部这里同心协力
建造艾克CS650号
一次举世无双的创举 北极破冰货柜船
专案经理汉斯约格温泽
将负责把这艘 1亿2千万美元的杰作
交给俄国矿产公司诺里斯克镍矿
我的工作是从头开始盯着这项工程
从这艘船的合约得标
直到保证期结束
没错，有个保证
诺里斯克镍矿的合约 附带一项警告
一旦表现不如预期
他们可以把船舶全额退费
诺里斯克镍矿花了这么多钱 要的是一艘举世无双的船舶
破冰船的运作全靠三大构件
强化的船体
楔子的形状
以及穿破坚冰的动力
一般船舶甚至不敢冒险擦过冰块
但破冰船可以凿开一条50公尺宽的水道
他们靠的是动力和强度
大多数的破冰船 船首和船尾都有隐藏式推进器
靠推进力把前方的船首推上坚冰
船首专为破冰而设计
包含一个斜角的楔形 和冰层表面形成20度角
随着破冰船向前推进 把船首推上冰层的边缘
直到冰层因无法承受 船舶的巨大重量而裂开
冰层裂开时 船首两侧的冰会被迫下沉
艾克CS650号还有一个创新的结构
一种新开发的推进系统
和一个双动型船体
这些创新发明使它能载货 也能破冰
船舶大多是船首先行
艾克CS650号并非如此
照破冰船的模式 以船尾先行,也就是倒着走
向后航行使船舶有足够动力 打破1.5公尺厚的冰层
在轻度冰况或开放水域中
船舶180度转弯 以传统的方式,船首先行
因此被称为双动型船舶
艾克CS650号全年皆可 独自航行冰封的北极海航线
不必另外租一艘破冰船 船主一年能省下数百万美元
即使最坚固的船舶 破冰也会影响结构的完整
因此破冰船必须格外坚固
自从1960年代起
北极采矿业刺激业者 建造能开到北极的破冰船
这些船不只保持重要航线通畅
还提供了 进行全年极地研究的平台
连最早期的极地探险家 也用冰区加强结构船
他们在船体周围裹上铁箍 船首、船尾和龙骨钉上金属薄板
但经年累月下来,科学家发现 冰层特别危险的原因
海洋中包含各种类型的冰
海冰由冻结的海水形成
冰山其实来自陆地
是淡水的冰棚或河冰 崩解入海洋而形成
破冰船必须在各种冰况下安全航行
这艘1亿2千万美元的船动工前
艾克极地研究公司 擅长极地科技开发
并在各种冰况下测试破冰船模型
米克尼尼主管这家公司 在芬兰赫尔辛基的尖端研究室
我们既是冰测试机构
也是造船公司
这是个独步全球的独特结合体
他们设计破冰船50多年了
我们在波罗的海这里学到
加上在里海造船的部分心得
只要有一些新推进装置
就有可能打造独立运作的货船
也能应付非常严重的冰况
两年半之前
艾克极地公司测试 他们创新的“万能船”设计
我们告诉诺里斯克镍矿的人
实施这种新科技 能让他们节省多少成本
他们听得兴致勃勃
艾克极地的研究室广泛搜集 破冰船从设计到建造的知识
他们测试了三百多种设计模型
甚至开发自己的模型冰
天然冰晶的形状和结构繁多
全看形成当时的情况而定
地球物理学家米卡马克拉制冰 让艾克公司测试破冰船的设计
艾克极地公司设计了设备和机器
专门制造 非常小巧、平均的冰晶
如果我们制造淡水冰 冰晶通常很大
如果用普通的海水
冰晶体积较小 因为内部含有盐水因此冰晶的体积会更小
我们这里的晶体更小
这是冰层如此脆弱的原因之一
这种模型冰原本有专利权
是模拟不同冰况最可靠的材料
通常我们总是在这儿 制造一层平坦的冰或冰层
随后就能制造不同的冰况
可以制造一条水道 可以做一道冰脊
当然,冰层也会依照地点而不同
我们会尽量让制成的冰
和船舶未来的航行地点类似
这个试验水池长75公尺、宽8公尺
深2公尺
要花4小时,把冰撒在盐水上
再让盐水凝结成平滑的冰层
同时在外面的一间舱室
研究小组准备测试的模型
首先,冰层必须达到 完美的硬度、厚度和质地
研究小组数度取样 确保冰层完美无缺
在第一项测试中模型全速前进 开进原初的平坦冰层
拍摄角度包括水面上
侧面
水面下
在这项测试中他们撞破冰层 使其重新凝结模拟海面上的自然冰原
测试完成后,立刻分析资料
工作人员再调整设计
充分利用它的破冰能力
随后造船工程师 把设计图送到德国
让绘图员转化为蓝图
专案经理马提亚斯林曼
两年前着手处理艾克CS650号
就在芬兰的模型测试完成后
我们从芬兰的同事那里
拿到基本设计图
再配合我们的造船设施加以修正
设计师画好的图 把整艘船里里外外说的很清楚
拿到设计图时 必须配合我们的生产加以修正
这张施工图画出了船段 船体的分段
工作人员把施工图化为切割草图 以便订购钢品
接着组装各个船段
放下的第一个船段是"二重底"
接着把船体装上
破冰船不能有任何弱点
每个构件都必须强化和测试
到海上才发现出错可就糟了
2007年9月
路基钢铁从芬兰送出钢板 到艾克公司在德国两间造船厂
尾半段15个组件 将在波罗的海的威斯马打造
首半段12个组件 将在德国东北部瓦内蒙德组装
专案经理温泽博士祈祷 施工期不会遭遇任何延误
这种科技的成效 一如模型和模拟的预测
要应付今年必须完成的合约 我们面临庞大的时间压力
船厂的整个团队忙得不可开交
这不是复制标准的货柜船
因此他们得多花点时间 了解这种船的技术如何执行
这艘破冰船将重达近2万吨
动用3百名工作人员
消耗450万个工时
耗资1亿2千万美元
船上的钢足以兴建埃菲尔铁塔
喷上的油漆 可以涂装12座金门大桥
使用了215公里缆索
艾克CS650号 要运送装满金属原料的货柜
从叶尼塞河横越冰封的大海 前往俄国北境的莫曼斯克
此地远在北极圈里
眼看10个月后就要交货
造船作业必须准时动工
由于时间紧迫 工程不容有失误
造船厂打造破冰船方式 和其他船舶没两样
把组件组装成一个个船段
再把各船段焊接起来
在瓦内蒙德的造船厂这里
他们正在组装 艾克CS650号的首半段
工作人员准备 施工所需的钢型材和钢板
他们把钢板送到切割厂
在大水槽里照尺寸切割
水降低了 镭射切割器产生的毒物外泄
这些镭射切割器由电脑程式控制 但资深工程师从旁监督每个程序
任何错误都会害得船无法交货
有些钢板会直接送到铣床这里
把外缘磨平,准备焊接在一起
工作人员把高达7块钢板 接合成一件巨大的型钢
但其他钢板和钢型材必须先折弯
工作人员把想要的形状 输入一台机器人弯钢机
用1千吨的压力为金属塑形
龙门起重机和多轮拖车 把预备好的钢板和钢型材
搬运到船坞的装配线上
每辆拖车可以载运4百吨
龙门起重机处理最笨重的荷载
每台起重机有33楼高
可以吊起6百吨
他们打开仓库的屋顶 好让起重机把各个船段吊进干船坞
造船厂偏爱女性起重机操作员
他们的说法是 女性比较能在压力下保持冷静
在这种危险作业中尤其重要
想象6百吨飞来飞去的钢材 会造成多大损害
把各个船段打造完成后
工人把管线和缆线装上船体
一组索具和台车系统 可以到达每一个角落
这项作业需要100多名焊接工
但每个人都很清楚要焊接哪个船段
时间紧急 不容犯错或沟通不良
这么巨大的拼图 他们必须一次完成
诺里斯克镍矿想尽快取得 他们破冰船的所有权
由于事关重大 工程的进行日夜无休
现在是12月 工程火速进行了3个月
艾克的造船工程师 把钢板和型材组成更大的船段
拖到涂装工厂这里来
涂装工厂严格控制温湿度
以保证喷出最佳面层
首先以高压喷砂 除去钢板上的底漆
接着为各船段喷漆
使用的油漆足以填满6百多个浴缸
喷漆后把船段送到干船坞
进行下一个阶段的组装
他们现在搬的是船上的甲板室
但这辆多轮拖车无人驾驶
这是终极版的遥控汽车
每个船段重约四百吨
多轮拖车要搬上3小时
一个月后,工作人员完成了 艾克CS650号各个船段
现在要组装起来
这间干船坞仓库有好几层楼高
长度相当于3座足球场
仓库门大得很 要45分钟才能打开
首半段的"二重底"完成 标示着破冰船施工的里程碑
工作人员可以开干船坞典礼庆祝
放进干船坞的第一个阶段是"二重底"
他们在龙骨底下放硬币祈求好运
等注水浮船时才把硬币取回 等交货时拿给客户
但这艘首开先河的破冰船 要井井有条地准时交货
不能光靠运气
这艘船包含近八千吨的钢材
坚固得可以挺进任何地方
焊接花了五千多个工时
是一件需要技巧的危险任务
完成了前后两半的壳体 他们展开拼装作业
其中最关键的任务是 安装发动机
起重机把3台56吨的 柴油发动机吊进尾半段
每台发动机可以产生六千瓦电力
一小时内的总发电量 可供20户美国家庭用一个月
这巨大的动力 供应船上主要推进组件使用
偌大的一个电动马达 称为吊舱式电力推进系统
这一组推进器 有一台四叶推进器
直径超过5.5公尺
不但巨大,还多才多艺
可以兼做船舵使用
绕着垂直中轴做360度旋转
让破冰船灵活自如
碰上严重的冰况 这艘船以船尾先行,破冰前进
若是轻度冰况或开放水域 这艘船180度转弯
以传统方式船首先行
一般货柜船的灵活度差得远了
停船和转弯所需的距离 是艾克CS650号的两倍
柴油吊舱式电力推进系统有足够动力 打破1.5公尺厚的冰层
艾克CS650号运转时 每小时燃烧2万5千公升柴油
因此每次出航前都得加油
这个缺点既麻烦又花钱
但可以避免
亚马尔号这种核子动力破冰船 极少需要加油
可以待在海上长达一年
俄国有一支 8艘核子破冰船的船队
俄国的矿产 大多埋在冰封的北极海岸附近
因此破冰船是俄国的基本配备
亚马尔号 靠两座核子反应炉供给燃料
每座提供电力171百万瓦特
总计大约可供应 4百户美国家庭一月的用电
1992年建于圣彼得堡
亚马尔号肩负一项重要任务
维持航道畅通
跟它一样 会开到这儿水面的船只很少
北极
核子和柴油破冰船唯一的差别
在于动力来源
这艘船靠3台推进器驱动
各有4瓣7吨的叶片
供应推进所需的蒸汽 核子反应炉重160吨
以钢料、高密度混凝土和水 重重包裹
核子反应提供无尽的动力
不过会产生放射性废料
主要的缺点在于 废料的储藏和处理
要经过数十万年 放射性才会衰变到安全等级
这些船舶必须在冷水中航行 以冷却反应炉
所以绝不能开到南半球去
因为必须行经温暖的热带
俄国的破冰船不只运送矿产
为了赚进外币 亚马尔号也承接其他作业
特别是观光业
最受欢迎的行程之一 是北极的香槟酒会
有几个人能说 他们在极地冰水里游过泳？
亚马尔号最重要的角色 是提供北极资源勘探的平台
这些资源的运送
将成为艾克CS650号的迫切任务
诺里斯克镍矿热切等待 艾克CS650号完工交货
这一艘破冰货柜船必将为他们公司开创新局 省下数百万美元
时间就是金钱
等交货日期一到 这些俄国客户不想多等一分钟
生产期过了7个月
船舶的首、尾半段完成
这艘船的尾半段 坐落在威斯马的干船坞
首半段在72公里外的 瓦内蒙德
现在要把两个半段对接
他们沿着海岸 把首半段拖到威斯马
这趟航程应该是10小时
碰上逆风可要好几天
首尾半段一到船坞就开始接合
首先,把水注入干船坞
但却遭遇阻碍
干船坞里的交通堵塞
艾克CS650号尾半段 旁边的货柜船挡住通道
他们把首半段 停在附近的拼装码头
同时疏导交通
必须把这艘货柜船运出去 破冰船的首半段才进得来
一旦干船坞注满了水
拖船拉开船坞门
再放两艘拖船进来
拖船细心引导停靠的船舶驶出 绝不让它撞上干船坞侧面
或破冰船的尾半段
随后让艾克CS650号的 首半段漂进来
前后各有拖船协助
接着把2.5公尺深的水抽出干船坞 让首尾半段漂到一块儿
再花3小时做精确的测量 将首尾半段接合
工作人员检查船舶前部 相对于尾半段的真正位置
测量必须非常精准无误
误差不能超过1公分
他必须控制得非常精确
把水抽出船舶所在的船坞
这是3D的测量系统
是基于镭射的测量系统,非常精确
可以精确到一毫米为最小单位
船舶要是浮在水面 可能到处乱动
会让情况有点复杂
所以必须在严密控制下把首半段下降 从头到尾严密控制
首半段还在漂浮
尾半段已经注入压载水
他们会抽水让首半段慢慢漂过来
直到接缝变成平行
稍微没对准就会酿成灾难
等首尾半段排成一直线
就能把船焊接在一起
焊接完成后 就成了一整艘破冰船
准备进行最后的拼装和测试
他们即将得知 这艘破冰船能否面对北极寒冰
开始试航时,大伙都很紧张
但这是任务的一部分
任何故障 都可能把交货期延后几个月
让艾克公司损失数百万美元
客户诺里斯克镍矿 会赔上时间和金钱
他们让破冰船 接受一连串密集测试
在船坞这儿,这时该启动 电动系统、冷却水泵
和基本的引擎运转
在这里矫正可比海上容易
不过在交货前 他们让破冰船首度下海
这艘船将进行4天试航
雷诺克劳负责这件苦差事 全程监督艾克CS650号完成最后测试
我们在试航前做了一份时间表
明确规定......
几点钟必须做什么测试
整套测试包括导航系统的测试
必须测速 速度要超过合约的规定
我们做了回转试验 这艘船的回转圈不到300公尺
的确非常非常小
这样一说就清楚了 像艾克CS650号这么大的一般货柜船
回转圈超过500公尺
新的破冰船通过所有考验
他们进行最后一项测试
缆桩拉力测试 地点是挪威这儿一所特殊机构
这项测试是用缆桩锚环 把破冰船固定在码头
把主要推进机器的动力开到最大
连续6小时
10公分宽 2.5公里长的缆索
耐得住6百吨的应力
想象把你的车绑在闸门上 连续踩油门6小时
现在放大100倍
这是船舶史上最严酷的测试
这是一场耐力测试
推进器全速前进6小时 但船舶纹风不动
这对船舶本身是极大的挑战
每样东西都在晃动
大家都希望艾克CS650号 结构的完整性能挺得住
如果任何电力或机械装置 会烧毁或融化
现在应该早就发生了
船舶安然无恙
现在可以庆祝了
现在是7月底
经过两年和50万工时的 设计和施工
终于能把这艘船交给客户了
他们以盛大的命名仪式庆祝
温泽博士骄傲地向它道别
很高兴第一次尝试 就能完成一艘这么精密的船舶
感觉很过瘾
艾克CS650号 成为诺里斯克镍矿旗下财产
随时准备挑战 北极积冰重重的海洋
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