江苏科技大学冰区船舶与海洋工程创新团队：一面是极冷，一面是炙热
在剑桥大学参观时留影
在地球，有两个最难抵达的地方：南极和北极。北极是一片浩瀚的冰封海洋，南极是大陆，但周围也布满浮冰。南北两极，在蓝色天空映射之下，就像遥不可及的梦境，但当你拥有一艘破冰船，就可以抵达！
2019年7月11日，中国第一艘自主建造的极地科学考察破冰船“雪龙2号”交付使用，从上海出发，向南极航行！这让长期研究极地船舶破冰技术的周利心潮澎湃。
2013年，在芬兰阿克北极公司邂逅“雪龙2号”设计团队后，想为中国极地船舶事业做些贡献的梦想像是一条无形的绳索，牵着他走向祖国的方向。2016年，在世界著名海洋工程设计公司挪威AkerSolutions工作的周利回到中国，在江苏科技大学组建冰区船舶与海洋工程创新团队，开始了他的“破冰行动”。
提升极地船舶冰阻力预报精度
作为冰区海域的载运工具，极地船舶在冰区承担着开拓航道、护航拖带、人员物资运输等多种特殊使命。“不同于常规的船舶与海洋结构物设计，极地海冰环境特殊、复杂、多变，极地船舶的分析理论和设计方法严重缺乏，研究并揭示极地船舶冰载荷与运动响应是世界范围内公认的科学难题和热点问题。”
周利团队把研究重点放在这个诸多学者穷其一生耕耘的领域——冰载荷预报。而开展冰载荷研究，重点在于准确模拟海冰机理。
长约50米，宽约6米的冰水池，是周利科学研究的试验场，很多时候他会泡在冰水池实验室长达一个月，观察海冰的破坏过程，反复地改变实验条件、观察实验现象、分析实验数据……
在模拟船舶在海冰面航行的一次实验中，周利观察到实验室拖车与船的连接构件硬度不够，冰测量信号可能会被连接构件的振动信号所污染，“不能确定产生载荷是来自构件振动还是冰本身”，导致产生载荷会受到一定影响。为使试验数据更加真实准确，周利干脆为实验室重新设计一套连接构件，通过增强其硬度减小震动，从而在实验中获取更真实的载荷数据。他说：“严谨的科学研究态度,善于在实验中发现问题、分析问题,是科学研究的基本要素。”
重新设计冰水池实验室原本构件，这是大多数试验人员没有想到的事情，或是一件想到了但并没有去实施的事情，但这种由实验室设备引发的误差却成了周利的“眼中钉”。
在冰载荷研究过程中，无论是这样的试验验证、还是推导计算或是推广应用，每个阶段都会遇到不同困难，“碰钉子”是常有的事。碰到“钉子”怎么办？是“拔钉子”还是绕着走？
周利喜欢“拔钉子”。“拔一个钉子，你最开始使点力，没拔出来，再试一下，可能有一点晃动，坚持下去总会有一些结果”。工科出身的他很“较真”，无论是对自己，还是对学生，总是要求遇到问题积极去解决，“解决一个问题的过程，会让人有很大进步，使你对一个问题的看法更深入，增强解决问题的能力”。
冰载荷研究中，冰阻力是一个重要且复杂的问题，关系到船舶冰区航行安全，是当前极地规范领域的技术空白。“长久以来，在实际设计中，冰阻力主要通过经验或半经验公式来确定，无法考虑船体形状、航速、冰况等参数的影响，计算精度差、效率低，无法满足船舶设计中功率确定、主机选型、机桨配合等方面要求”。为此，周利在冰阻力方向开展一系列“拔钉子”般的研究。
在冰水池模拟海冰实验过程中，周利发现“都是环状裂纹破坏的”，进一步研究其背后科学机理，最终针对极地船舶冰阻力缺乏有效预测方法这个问题，建立一种基于环向裂纹法的动态冰载荷数学模型。
团队开发了基于环向裂纹法的动态冰载荷预报软件，把经典的经验公式预报结果从最大误差为30%~40%减少到10%以内，提升极地船舶冰阻力预报精度，并与国外著名冰水池数值结果进行“背靠背”验证，获得国外冰水池专家高度评价。
团队在国内大力推广使用该软件，在国家科研项目、极地船型开发等方面有所应用，特别是计算精度与冰池吻合度高，计算效率高，将复杂的海冰破坏科学机理成功转化为应用型的专业数值软件系统，有效解决业界普遍面临的冰载荷预报问题，助力极地海洋结构装备的发展。现已应用到我国实施IMO（国际海事组织）《国际极地水域航行船舶》中，为我国发展极地船舶、开展极地航运提供必要的理论支持。应用到极地船舶标准策划和制定中，为我国修订极地领域船舶标准提供参考依据。
解决极地船舶冰困的关键问题
多年的科学研究，周利养成深入思考问题的习惯，他会不断地思考同一个问题，哪怕是在睡觉的时候，“有问题想不通时，它会在我脑子里一直转”。妻子讲，他有一个想问题专用姿势，“两只手抱头枕着手睡”，“每次看到这个姿势，我就知道他又是在想问题”。
“将来冰上丝绸之路开通，我们可以大规模走北极航道的时候，需要建造或者改造一大批商船。有破冰能力的商船，破冰能力越强，它的时间运行窗口就越长，普通商船只能8月份到10月份通行，如果破冰能力足够强，可以全年通行。”如何增强极地航行船舶在复杂冰况下的多功能破冰操作，是周利长久思考的问题。他瞄准重要冰区操作模式之一——侧向破冰。但在侧向破冰操作中，用已有动态冰载荷模型计算大倾角舷侧破冰载荷时，存在数值发散问题。
科学研究往往具有不可预见性和不确定性，而意外的发现有赖于有准备的头脑。
无数次的试验，他有了一个偶然的发现，“当改变船舶的相对速度至某一数值时，有很多碎冰堆积在船附近，导致碎冰堆积载荷增大，船舶开动时会变得很费力”，这个新现象引起他的兴趣。紧接着就是大量模型实验观测，周利发现船体周围水下碎冰的堆积规律，最终建立一个由水下碎冰堆积引起的附加冰载荷的计算模型，并提出水下碎冰堆积发生的判断标准。而由水下碎冰堆积引起的附加冰阻力数学模型恰恰可以解决极地船舶冰困时大倾角舷侧破冰载荷的问题。目前成果已经已运用到破冰船的船艏、舷侧和船尾结构设计中。
挪威著名的前沿科技杂志Teknisk Ukeblad曾对这项创新成果进行专题报告，称极地钻井船经过侧向破冰载荷数值优化设计，拥有国际先进水平的艏部线型和舷侧冰刀，在无任何辅助装备条件下可以轻易破碎1.5米厚的层冰，是迄今为止世界上破冰能力和冰区作业能力最强的极地钻井船。
基于这个侧向破冰载荷数学模型，团队还提出极地船舶操作能力和操作限制评估方法，成果应用到《船舶极地水域冰区操作能力和操作限制评估实施细则》中，为细则实施提供重要技术方案，为中国船级社规范《极地级船舶的补充规定》和《极地船舶指南》的修订提供了重要技术指导。
周利（前排右二）团队与极地航道专家蔡梅江（前排中间）合影
千难万难，奋力向前
目前，在极地船舶技术研究领域，上海交通大学、哈尔滨工程大学、大连理工大学、天津大学都有一些相关专家学者。冰区船舶与海洋工程创新团队立足于江苏科技大学服务船舶行业和海洋事业的办学特色，瞄准极地科学技术前沿，针对极地船舶设计和制造过程中关键技术问题，更加贴近工程应用需求，在行业内较有影响力。
团队专注冰区船舶与海洋结构物冰载荷方面数值、模型试验和实测数据研究工作，开发动态冰载荷预报软件，首次提出水下碎冰堆积判断标准和载荷计算方法，国际上率先提出极地船舶冰区定位方法和定位能力分析法，为我国实施相关法规、规范和技术标准提供重要理论，并应用于船型开发和实船建造。
团队倡导协作，重视跨学科科研，每位成员各有分工，“有做船体结构的，有做船舶设计的，有做线性分析的，也有做重要规范制定的”。其中，四人具有海外留学背景，四人入选省部级人才计划，三人获省部级科技奖。
丁仕风曾是中国船级社上海规范研究所技术负责人，是国内较早开展极地船舶技术的研究者，相关成果直接服务于国家海洋局“雪龙2号”设计建造项目。“当时在冰载荷、冰阻力这一研究方向上，查阅了大量国内外研究文件，那时还在挪威的周利老师这方面成果比较突出，且有较好的应用前景。”在后来的学术交流和接触中，丁仕风发现彼此共同语言多，工作方式契合度高，逐渐建立友谊，并形成牢固的科研合作关系，目前他在团队中主要承担船体结构方向研究，并一起组织、策划、申报极地方向的科技项目，包括中挪国际合作项目、国家基金项目、工信部项目、国家重点实验室的基金项目等。
“科学研究是非常枯燥的事情，在工作过程中难免有些挫折、曲折，对学者身心是考验。”丁仕风说，比如在船舶冰载荷和船舶冰阻力计算过程中，经常会出现计算结果达不到预期结果的情况，在理论和技术上都需要一步步排查存在的问题。团队不断地开会讨论，寻找相关理论，查阅文献，然后再通过反复实验去验证，有时候需要几个月时间，克服重重困难，才能解决问题。
丁仕风清楚地记得团队曾经申报一个国际合作项目的过程，“一方面，我们需要精心策划项目研究内容，制定项目申报书。另一方面，国外学者对项目申报、合作分工有自己的看法和认识，需要和我们进行无缝对接。同时，国内单位之间因科研分工、经费策划、申报手续等事项，往往协同合作申报的难度较大。我们顶着压力，既要考虑国外合作伙伴的良好合作，又要考虑国内合作伙伴的有力支持……但是纵然千难万难，我们仍然相互勉励，奋力向前，最终顺利完成项目申报活动。”
在国家自然科学基金、地平线2020、挪威国家石油、工信部高技术船舶等20多个极地工程项目资助下，冰区船舶与海洋工程创新团队掌握多项国际前沿技术，共发表论文200余篇，授权专利及软件著作50余件。
助力未来蓝色经济通道——冰上丝绸之路
船身短而宽，底部首尾上翘，船头外壳用高强度的厚钢板制成，推进系统采用双轴或多螺旋桨装置。要足以承受陆缘冰，装机功率要达到1万马力……
早些年，去过南北极的科考队员乘坐的船都遇到过海面结冰无法航行的情况，此时最好的交通工具就是这种用于结冰水面上开辟航道的特种船舶——破冰船。
破冰船靠什么凿开厚厚的冰层开辟出一条海上通道？大多数人没见过破冰船，曾有人问，花那么多钱，为什么不买个好冰船，非要买一艘“破”冰船？
很多人误以为破冰船的作业方式是依靠强劲的马力和坚固的船头去撞碎冰层。其实不然。破冰一般常用三种方法。冰层不超过1.5米厚，多采用“连续式”破冰法。主要靠螺旋桨的力量和船头，把冰层劈开撞碎。
如果冰层较厚，则采用“冲撞式”破冰法。通过船体自重，把水下厚厚的冰层压为碎块。然后破冰船倒退一段距离，再开足马力冲上前面坚固的冰层。如此反复，开出新的航道。
遇到很厚的冰层，一下子冲不开，破冰船就启动大功率海水泵，即在船尾部分灌入海水，使船头翘起冲上冰面，这时候再排空海水，利用破冰船本身的重量压碎冰层。当冰层较厚无法直接压碎的时候，破冰船才会依靠自身的力量撞碎冰层，不过这种做法并不多见。破冰船就这样慢慢地不断前进，在冰上开出一条水道。
周利介绍，中国目前拥有4艘破冰船，其中两艘用于科考，雪龙号和雪龙二号，还有海冰722号以及一艘民间破冰船。
“雪龙”号破冰船是中国第三代极地科学考察船，由乌克兰赫尔松船厂在1993年完成建造，能以1.5节航速连续冲破1.2米厚冰层，曾多次赴南北极执行科学考察和补给运输任务。2013年，曾参与南极营救绍卡利斯基院士号行动，后又参与马航MH370失联搜救任务。
“雪龙2号”是中国第一艘自主建造的极地科学考察破冰船，2019年7月交付使用。它能在1.5米厚冰环境中连续破冰航行，填补我国在极地科考重大装备领域空白。
中国一艘民间破冰船由张昕宇夫妇在海外购得，停在天津港，曾在波弗特海、鄂霍次克海等地用于极地补给救援、海洋石油勘探等工作。
谈起各式各样的破冰船，周利如数家珍。“俄罗斯造破冰船经验丰富，是破冰船技术最为先进、数量最多的国家，拥有44艘在役破冰船。其中，‘50年胜利号’是目前世界上最大、最先进的核动力破冰船。世界上拥有极地破冰船的国家还有芬兰、挪威、加拿大、瑞典、美国、英国等。”
和北极比起来，人们对于南极探索的热情似乎更高一些。国人对于极地地区的关注，就是从中国在南极地区设立第一个科学考察站开始。但周利的看法不同。
“目前大多数国家想要竞争的是北极地区”，他说，世界上有能力进行极地开发的几个国家基本上都是北半球国家，所以开发北极更加方便一些。世界上最繁忙的航道也几乎在欧洲、美洲和亚洲之间，从欧洲到亚洲的航道，就是先从地中海到印度洋，然后又到太平洋。这样的航程相对比较远，如果直接从北极取道，将会近很多，所以许多国家都在努力开发北极航道。除此之外，北极拥有各种丰富的自然资源、能源，具有重要的战略意义。
“北极航道有两条，加拿大沿岸的西北航道和西伯利亚沿岸的东北航道。西北航道的冰况恶劣，通航的能力差，中国更感兴趣的是大部分在俄罗斯境内的东北航道”，这条东北航道又被称为“冰上丝绸之路”。
2017年5月举行的“一带一路”国际合作高峰论坛上，俄罗斯总统普京说：“希望中国能利用北极航道，把北极航道同‘一带一路’连接起来。”
2017年7月4日，国家主席习近平在莫斯科会见梅德韦杰夫时提出：“要开展北极航道合作，共同打造‘冰上丝绸之路’。”
2018年1月，中国政府发布《中国的北极政策》白皮书，提出共建“冰上丝绸之路”，促进北极地区互联互通和经济社会可持续发展。
“对我国而言，北极航道有助于我国减少对常规航线的依赖、降低航运风险、缩减航运成本，是构筑‘冰上丝绸之路’的关键。”周利认为，全球变暖，北极海域气温明显升高，海冰大面积融化，世界各国竞相开发途经北极的航道，“中国应当争取极地船舶的技术创新！”
把国外最先进技术带回去
我国没有极地海岸线，在商业使用上没有建造极地恶劣环境下也能作业的特种船舶的经验。2013年8月15号，中远海特“永盛轮”开启商船的破冰之旅首航，航期27天，航行7931海里，从太仓出发通过北极东北航道到达鹿特丹。在周利看来，从2018年开始，北极航道的中国商船航行之旅，已经达到专业化、项目化和常态化。
“但是有一个问题，我们国家的商船并不是真正的破冰船，在很恶劣的冰况下，需要依靠俄罗斯的破冰船引航才能正常通行，并且还要向他们支付大量额外费用。”
相似的困惑发生在2013年，芬兰。
当时，还在挪威Aker Solutions公司工作的周利正主持设计一艘极地钻井船，目标客户是美孚石油。有一次，在芬兰阿克北极冰水池做模型实验，周利偶遇中国国家海洋局极地考察办公室主任秦为稼，得知中国正计划制造自己的极地破冰船——“雪龙2号”。
“曾经一直以为自己学的东西对祖国无用，和秦主任这次交谈彻底改变我的想法。”他欣喜的同时，内心却有一种说不出的滋味，“虽然它的建造以及核心技术和装备的研发都是我们国家自己完成，但并未完全掌握设计技术，一些前期设计还需要依赖芬兰的阿克北极研发中心”。
在破冰船型等方面经验丰富的芬兰Aker公司为“雪龙2号”提供最初的概念船型，并按合同约定承担基本设计以及设计建造中重大问题咨询和指导。
“破冰船的建造需要不断地积累经验，掌握设计技术，搭建模型实验，才能实现我国破冰船自主设计。”自主创新能力是国家竞争力的核心，从这以后，周利默下决心，把国外最先进技术带回去，推动中国在冰区关键技术方面的发展。
回国后，周利迅速投入国内相关领域研究，在江苏科技大学成立冰区船舶与海洋工程创新团队。
在团队成员沈中祥眼中，周利在学术上不仅具有国际化视野和格局，还非常注重对国内年轻人才队伍的培养，为国家船舶产业储备发展力量。“他在团队建设方面重视个人价值和团队发展相辅相成，为青年教师、学生提供更好的平台，使他们在实现个人价值的同时合力促进团队发展”。
沈中祥在团队负责第二课堂中学生科技创新能力培养。“团队在破冰船项目中，会为学生制定研究目标，围绕课题形成小组，通过数月国内外文献资料的阅读与报告，形成专利布局方案，再通过建模，用3D打印机制作……每个项目可能要1到2年才能完成，团队老师会全程指导学生参与。关键技术怎么实施，困难问题如何解决，学生都会在团队的创新研究和各种国内外科技创新活动中获得提高”。他介绍，根据专业相关性，结合各自研究特长和特点，学生组建课外科技创新团队，开展具有前沿性、创新性的相关科研课题研究。
技术竞争归根结底是人才竞争，建立有效的人才培养计划,积极培养后备人才队伍,建立人才梯队,周利认为是最重要事情之一。“培养一个人才，需要很多的努力和耐心”，周利一步步地做好研究生和青年教师培养计划，给予学生详细指导，为青年教师争取更多课题，拓宽年轻人成长空间。
团队将学生的“追求、能力、知识”融为一体，将“创新、创意、创效”融会贯通，将“理论研究与技术实践协同开展，依托创新训练平台，开展前沿学术讲座，组织创新训练课程，完善创新训练体系，备战创新竞技赛事，提升学生综合素质。近年来在学术文化、学科训练、创新大赛、人才培养等方面取得可喜成绩，学生先后获得国家级和省部级创新大赛、学科竞赛等荣誉二十余项。
周利鼓励学生和课题组成员尽量多参加国内外相关领域研讨，积极与同行交流沟通。团队同荷兰、挪威、瑞典、德国、俄罗斯一些科研院及冰池实验室保持紧密联系，与中远集团等船舶企业密切联系，经常邀请一些极地船舶的船长交流开船过程中困境和建议，让团队更好了解并解决实际关键问题。
周利正计划在江苏科技大学成立一个极地装备技术研究所，引进国内外更多人才，进一步增强国际交流和合作，“一方面提高我们自己的科研能力，另一方面希望获得其他国家认可”。
未来有一天，在极地破冰领域可以递给世界一张闪亮的中国名片，这是周利正在追求的梦想。
周利（后排右四）在挪威读博期间和同学在一起
以炙热之心，追极地之梦
生在淮河边，长在淮河边，那些日夜飘在淮河上的船只，是周利难以忘怀的儿时记忆。淮河支流怀洪新河从周利家门口经过，一直通到长江，每年到了夏天，洪水侵袭时都可以通过这条河泄洪。
周利从小和外公外婆生活，外公是名木匠，有一个绝活是造木船，“小时候经常看到外公制造很多木船，然后拉到河里，卖给渔民”。
少年见闻对一个人日后发展有着巨大影响。他与船的情结或许就是他与亲人的情结，与故乡的情结，也成为他后来选择研究方向的启蒙。
升高中那年，村里中学200多考生只有10人考上高中，周利也是村里唯一考上重点大学的。高考成绩少估整整60分，庆幸的是，他如愿就读第一志愿院校的第一专业——哈尔滨工程学院船舶与海洋工程。
“这么巨大的风浪流水池！太让人激动了。”第一次走进上海交通大学海洋工程国家重点实验室，周利感叹。本科毕业，他考取上海交通大学硕士，继续船舶与海洋工程专业的深造。不同于本科阶段基础知识的学习，硕士期间的科研氛围和良好的实验环境，让他对专业产生更加浓厚的兴趣，更加发奋学习。
在一次国际学者团访问上海交大海洋工程国家重点实验室时，周利结识对他学术乃至人生影响至深的人——挪威科学院、英国皇家工程院院士、中国工程院外籍院士TorgeirMoan教授。
Torgeir Moan教授在世界极地破冰船舶领域享有很高知名度，是周利心中“学术界的一位明星”，他曾拜读“偶像”论文，对其科研成果有一定了解，“这次见面是非常难得的学术交流机会”。更让周利惊喜的是，TorgeirMoan教授对他赏识有加，“我希望明年在挪威见到你”！
这句话给周利极大鼓舞，“当时没有提交任何申请资料，TorgeirMoan教授肯定我，我觉得这是一个很好的机会，我应该去试一试，把握住这个机会”。
挪威是航海国家，历史上以航海探险著称，今天以海运造船闻名。人口只有500多万，却是世界第三大石油出口国，其海洋工程吸收英国和美国顶尖技术。对这个陌生国度的憧憬，对顶尖科学的渴求，都在2009年实现，周利如约来到挪威，与导师TorgeirMoan教授重逢，成为他门下博士生。
挪威科技大学是船舶与海洋工程领域世界顶级名校，拥有领域内众多顶级专家教授，以及来自世界各国的优秀学生。“后来与导师聊天时得知，当时申请博士的竞争者很多，100多份申请书在教授书桌上垒了厚厚一沓”，“觉得自己很幸运”。
“老师的学术思想，带给人很强的正能量，他做学问很容易找到关键问题，并能用很靠谱和极具创新性的方法去解决”，这是周利最崇拜导师的地方。TorgeirMoan教授共培养了70多位博士，其中一半是中国学生，他2019年当选中国工程院外籍院士。
三年零三个月的博士生活在挪威科技大学度过，毕业后，周利如愿进入挪威最大的海洋工程设计公司AkerSolutions公司总部，承担极地钻井船、极地FPSO (海上浮式生产储卸油装置)、半潜平台、深水立管等研发设计工作。挪威著名的明星油田约翰·卡斯伯格开采项目是他直接参与的重大项目之一，从2013年到2017年，周利一直负责油气开采所需的极地FPSO船体抗冰设计工作。其船体正在新加坡建造当中，价值预计高达6亿美元，将为世界上最大的海底工程提供服务。
挪威薪资待遇高、带薪年假多、绝不会加班，曾多次被评为全球幸福指数最高的国家之一，安逸的日子、慢节奏的工作，“family first，jobsecond”生活理念，让周利逐渐意识到“缺一些挑战”，“有很多梦想，还是想再去拼一把” ！
2016年，母校哈尔滨工程大学举办首届“兴海论坛”，旨在引进高端人才、推动学科交流与学术创新，共同促进我国“三海一核”（船舶工业、海军装备、海洋开发、核能应用）领域发展。看到这个消息，周利决定回国看看。
论坛反响大，来自美、德、英、日、俄等16个国家61名海内外杰出青年学者济济一堂，对专业领域的国际前沿、研究热点、行业技术问题等进行探讨。“这次回国最大的收获就是看到国家对海洋工程领域以及对人才的高度重视。”
2016年下半年，周利辞职，放弃挪威优越的工作条件，回到江苏科技大学船舶与海洋工程学院，从事相关研究与教学工作。回国后，周利经常收到美国、英国、挪威等大公司的工作邀请，“回来了，就没想过走，就想在中国真正做点事业，为祖国发展做一些贡献”。
18年，从安徽到东北，从东北到上海，从上海到挪威，从挪威到江苏，周利从未停下追求科学真理的脚步，他对“极地破冰”不断追逐，一面是极冷，一面是炙热。
[本文刊于《中华儿女》杂志2020年第18期]