我国极地装备技术发展战略研究Word下载.docx

1、尤其是美国、俄罗斯、欧洲等近北极国家和地区，正在积极布局极地装备，提升极地科学考察、商业航运、资源开发能力，切实保障未来在极地地区的资源开发活动。极地地区对我国具有重要的战略意义。2018年，国务院发布的中国的北极政策白皮书中指出，中国是北极事务的重要利益攸关方，在地缘上是近北极国家，北极的自然状况及其变化对中国的气候系统和生态环境有着直接影响，进而关系到中国在农业、林业、渔业、海洋等领域的经济利益。极地地区是关系到我国是否能够成为海洋强国的关键区域，我国积极参与极地开发、发展极地装备与技术，对建立有效的全球治理模式具有重要意义。极地装备指在极地地区开展科学考察、商业航行、油气资源开发、旅游休

2、闲等活动的装备，是认识极地、开发极地、利用极地的重要载体。目前，国际上将极地装备主要分为极地科学装备、极地船舶装备、极地资源开发装备等。 本文调研目前世界主要国家和地区在极地科学观测与通信导航装备、极地船舶装备、极地油气资源开发装备的发展态势，梳理我国极地装备的发展现状与存在问题，总结极地装备未来发展趋势与关键技术，重点分析我国极地装备与技术的需求紧迫度，为面向 2035 的极地装备重点发展方向论证提供支撑。二、国际极地装备技术的发展态势（一）全球极地科学装备的发展现状极地科学装备指在极地地区开展相关科考活动所需的装备，是认识极地的重要载体，主要包括极地科考船、极地科学观测、通信导航装备等。

3、在极地科考船方面，美国、俄罗斯、欧盟等极地科学优势国家和地区都维持一定数量的极地科考船。其中，美国有重型和中型极地破冰科考船4艘，拟新建3艘覆盖全极圈的重型科考破冰船；欧盟各国目前共拥有9艘具有破冰能力的极地科考船；俄罗斯拥有2艘极地科考船；日本、加拿大和韩国各有1艘极地科考船。 在极地观测与通信导航装备方面，极区是海冰覆盖的高纬度海洋，与世界上其他海洋不同的是，海冰阻隔了无线电信号的传输，难以为水下仪器实现定位和通信，如北冰洋也曾发生潜艇碰撞事件。此外，高纬度地区通信与导航卫星覆盖少，这对极区通信导航带来挑战。多年来，国际上在海洋科学观测领域的研究有了长足进展，但极区观测与通信导航领域的发展

4、仍相对滞后，许多在其他海域普遍应用的技术在极区却无法使用，克服海冰和高纬度的影响成为极区开发取得进展的关键。因此，极地冰下观测网络、极地导航通信网络成为近年来极地装备发展的焦点。 在极区冰下观测网络方面，美国立足多年积累开始研发军民两用的北极移动观测系统，未来将成为主导北极观测与监视能力的关键平台。2012年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）启动“极地态势感知”项目，重点发展冰下、冰面态势感知技术。冰下感知采用水下传感器结合结构、深度和其他测量法，分析部署区域冰下环境的声传播、噪声及非声特征；冰面感知采用冰面浮标结合计算机网络、大数据等新技术分析部署区域的电磁和光学现象、海冰分布特征及航

5、道信息。2019年，美国开始构建北极移动观测系统（AMOS），主要发展声学探测、定位、通信系列技术以及冰基声学和卫星通信的中继技术等，以支持冰下仪器和潜艇的活动，构建对敌方水下舰艇和装备的探测能力。该系统具有战略前瞻性和技术先进性，一旦完成部署，将完全克服北极冰层的影响，实现对北冰洋的系统观测和实时监测。 在极地通信导航网络上，现有通信卫星难以覆盖北纬76以上区域，地面通信系统受海洋和海冰阻隔难以部署，铱星通信系统可以提供极区通信服务，但可靠性不高且带宽有限。目前，美国和欧洲等国家和地区积极发展极地卫星通信技术，如挪威计划于2022年发射2颗高纬度轨道通信卫星，实现北纬65以上区域的24 h的

6、宽带通信；2012年，俄罗斯航天局启动北极综合监测系统研发工作，用于北极地区环境监视及通信，2017年发射首颗卫星，2018年系统建成应用。在卫星定位导航方面，俄罗斯的格洛纳斯定位系统在极区的覆盖最好，但极地地区的定位精度尤其是垂向运动的定位精度相较其他地区偏低，多星双频技术在减少干扰、提高极地定位精度方面有很好应用前景。（二）全球极地船舶装备发展现状随着极地航道的开辟和极地资源的开发，各国对极地船舶的需求不断上升，极地船舶成为各国推进极地战略的重要依托。极地船舶指在极地地区开展商业航行、油气开发、旅游休闲等活动的船舶装备，主要包括极地破冰船、极地运输船、极地观光船、极地渔船等。 在极地破冰船

7、方面，截至2017年，全球共有（含在建）94艘极地破冰船，其中俄罗斯（44艘）、加拿大（6艘）、北欧国家（丹麦、芬兰、瑞典，21艘）均有较大规模的破冰船队。俄罗斯拥有全球规模最大的破冰船队，世界上功率最大的“北极号”核动力破冰船在2019年试航，2020年10月正式交付使用；预计到2024年还将新造至少9艘破冰船，以保持俄罗斯在极地地区的开发潜力。目前，全球近60%的破冰船船龄超过20年，更新需求迫切。美国仅有1艘建造于20世纪70年代的重型破冰船，为此近期以保护极区利益为由开始组建极地安全破冰船队，其中至少包括3艘重型极地破冰船。 在极地运输船舶方面，北极海冰面积逐年减少，按当前全球变暖趋势

8、测算，2045年北极82%的海域将夏季无冰，适合常规船舶航行，届时东亚到欧洲的航行时间将缩短40%。截至2017年，各国拥有的极地运输船舶情况如表1所示。从北极航道的发展趋势来看，多用途船、油船、液化天然气（LNG）船、集装箱船将成为未来极地海域的四大主力运输船型。极地多用途船方便灵活、装卸效率高，适用于北极地区初期的多种货运需求，因此现阶段各国多采用极地多用途船来试水北极航道。随着北极油气资源的开发，极地LNG船的需求也将快速增长，目前俄罗斯已有12艘Arc7破冰型LNG船投入北极Yamal LNG项目运营；近期北极LNG项目Arctic LNG2预计订购15艘Arc7破冰型LNG船，将在2

9、0232026年交付，船舶以LNG为动力，功率为45 MW，-52以上可以在2.1 m厚度冰层上航行。 表1 世界各国拥有的极地运输船（截至2017年）（三）全球极地资源开发装备发展现状极地地区尤其是北极地区的油气资源储量丰富，根据美国地质调查局发布的评估报告显示，北极地区未探明石油储量为1.841011 t，天然气储量为4.71015 m3，分别约占世界未探明石油和天然气资源量的13%和30%，这些资源主要分布在北极附近的7个主要盆地。目前，许多国家和石油公司将北极油气资源的开发提上日程，着手开展相关装备的研发工作。然而，极地油气资源开发是一项难度极高的系统工程，北极地区严酷的风、浪、流、冰

10、气候以及复杂的冻土地质条件，给极地油气开发装备带来了极大考验。世界主要油气开发公司都在加大资源投入，研发兼顾抗冰性能和经济性能的新型极地油气开发装备。 俄罗斯于2012年发布了2030年前大陆架石油和天然气开发计划，详细规划了未来在北极地区石油和天然气资源的开发任务。俄罗斯目前唯一的极地海上油气田是距离Pechora海离岸60km的Prirazlomnoye油田，该油田采用抗冰钢筋混凝土重力式开发平台，集石油钻井、开采、储存、处理、卸载功能于一体，上部组块质量为2.9104 t，混凝土沉箱质量为9.7104 t；将设计32口油井，截至2018年年底已有16口井投产，年原油产量约3.2106 t

11、。俄罗斯在北极地区还有两个大型陆上LNG气田Yamal LNG、Arctic LNG 2：前者于2017年投产，年产气为1.65106 t，由韩国大宇集团建造的15艘Arc7破冰型LNG船也已投入运营，其中14艘由我国中远海运能源运输股份有限公司参与投资和运营；后者预计在2023年投产，已向俄罗斯红星造船厂订购15艘Arc7型破冰LNG船。2015 年，由荷兰皇家壳牌集团投资、瑞士越洋钻探公司建造的“Polar Pioneer 号”极地钻井平台投入作业，该平台上的钻机和管汇由低温碳钢建造，平台操作区域全封闭并配有主动加热装置，适应北极地区的钻井作业环境。针对北极地区的严酷气候条件，德尼西布美信

12、达公司（Technip FMC）将自升式平台和混凝土技术结合，开发了新概念北极抗冰平台，可实现极地全年钻井作业。荷兰豪氏威马（Huisman）公司设计了可适应近北极钻探的半潜平台，采用锚泊定位方式，作业水深可达1500 m，抗冰结构可承受2 m厚冰的冲击，能在近北极地区全年作业。荷兰古斯特（GustoMSC）公司也推出了适应北极严苛气候条件的Nanuq Q5000钻井船，在极区的年作业天数可达120 d，能承受的最大冰厚为4 m，作业水深可达1500 m。目前，多数极地油气平台都处于研发设计阶段，距离实际投产应用仍有一定差距。 综上，美国、俄罗斯、欧洲等近极地国家和地区在各自极地发展战略的支持

13、下，形成了雄厚的极地装备实力，在极地科考、极地航运、油气资源开发等方面拥有显著优势。随着极区特别是北极战略地位和商业价值的日益凸显，各国都在大力发展极地装备与技术，全面构建极地调查、通信、破冰航行、资源开发能力，用于支持未来北极地区的战略行动和商业活动。三、我国极地装备的发展现状与面临问题（一）极地装备发展现状极地地区是关系到我国能否成为海洋强国的关键区域，极地装备也是我国开发、利用、保护极地地区的重要保障。目前，我国通过持续投入、优化布局，建立极地工作体系，加强能力建设，构建了相对完善的极地考察装备支撑平台和体系。经过30多年的积累，我国在极地科技领域取得了长足进展。 1. 极地科学装备研发

14、取得突破我国研发了极地冰盖深冰芯钻、冰架热水钻、冰下地质钻、冰盖观测机器人、空间天气监测系统、大气激光雷达、海-冰-气无人冰站、巡天望远镜等一批先进的技术装备，成功应用于极地现场的样品和数据采集；北斗卫星导航系统在极地地区得到应用推广。2020年，我国设计建造的“雪龙2号”破冰科考船成功服役，“雪龙号”“雪龙2号”破冰船合作完成了我国首次“双龙探极”，为我国未来的极地科学考察提供了基础保障。 2. 极地航行与资源开发装备正在起步在极地航行方面，“雪龙号”破冰船完成了北极东北、中央、西北航道的探索工作，航道海冰预报技术和精度得以提高。我国自中国远洋海运集团“永盛轮”首航北极以来，夏季北极航行已经常态化（见图1）；通过设计建造“雪龙2号”破冰科考船，初步掌握了极地破冰船的设计分析与建造技术。图1 我国冰级 3.6104 t 多用途船“天佑轮”在北极航线航行在极地资源开发方面，2016年我国“海洋石油720”物探船完成了北