张锦玉

　　
　　
　　“21世纪是海洋经济的时代”，海洋蕴藏丰富资源和多种能源，是人类解决资源短缺、拓展生存发展空间的战略必争之地。随着海洋研究领域向南北极拓展，这两块极寒区域日益成为国际关注的焦点地区。本着“尊重、合作、共赢、可持续”的基本原则，中国积极参与到南北极的开发探索事务中，而关键设备的短板成了这一过程中的最大掣肘。针对这个问题，江苏科技大学冰区工程关键技术团队带头人周利将目光投向我国极地海洋装备的研发升级，他希望能够用自己的学识和经验，助力中国极地科学和工程应用。
　　
偶然和必然
　　出生于安徽蚌埠的周利，整个童年回忆都与淮河有关。在水系发达的淮河岸边，每年庙会时，木匠出身的外公都会亲手制作木船。关于船和水的初步印象，就这样停留在当时给外公帮忙的周利心中。
　　2002年，周利“误打误撞”地进入哈尔滨工程大学（简称“哈工程”）船舶与海洋工程专业，开始本科阶段的学习。这个“偶然”的选择，在不断求知奋进的过程中，逐渐成了周利必然的人生追求。
　　就读前身为中国人民解放军军事工程学院的哈工程，给周利带来的最大改变，就是热切求知、审慎研究。在这所用军号做铃声的大学里，周利“基本上每一天都要上晚自习，周末也是一样。本科的绝大多数时间，都用来学习了”。
　　天道酬勤。四年后，抱着“让研究更进一步”的理想和博采不同高校研究成果的想法，周利顺利考入上海交通大学，开始在研究和实践领域开疆拓土。
　　作为上海交通大学的招牌专业之一，周利所在的船舶与海洋工程专业拥有海洋工程国家重点实验室。世界上首个按照南海复杂海况设计、具有强大台风抵御能力，对于我国整个深海作业平台有深远意义的双船级钻井平台——海洋石油981深水半潜式钻井平台（简称“981平台”）的模型实验和动力定位系统设计，都是在这个实验室完成的。凭借扎实的专业知识和踏实肯干的研究习惯，当时的新晋研究生周利得以参与到这一国家级的重大项目中。
　　在海洋环境中，即使平台有很大的自重，在海风、波浪及海流的影响下，它也无法“固定在原地”，而是“随波逐流”。想要实现定点作业，有效的定位系统必不可少。在对定位系统的实验和设计过程中，周利参与完成了981平台的动力定位控制系统模型实验，以及系泊情况下整个平台的运动响应等多项实验，为平台定位系统的设计制造提供了极为重要的参数依据，也为自己开拓了大型海洋工程器械研究和设计的思路。
　　2008年年底，上海交通大学开始船舶与海洋工程深海实验室的建设。在实验室启动仪式上，周利负责接待受邀而来的挪威科学院、英国皇家工程院院士Torgeir Moan教授。这位被周利奉为学术偶像的海洋工程界大拿，对周利所做的研究成果极为欣赏，并向他发出邀请，希望周利可以成为自己的学生。怀着对学科研究顶尖领域的向往，周利如约来到挪威，以博士身份进入海洋工程学世界排名第二位的挪威科技大学，开启海洋工程学在极地冰区这一特殊环境下的设计和应用研究。
　　
远行与归乡
　　争分夺秒、废寝忘食，三餐都在教室和实验室解决的周利，仅仅用3年4个月的时间即完成了博士阶段的学习，随后他进入挪威最大的海洋工程设计公司Aker Solutions总部，开始承担极地钻井船、极地FPSO (海上浮式生产储卸油装置)、半潜平台、深水立管的研发设计工作。
　　据周利介绍，不同于常规海洋环境，极地船舶承担着开拓航道、护航拖带、人员物资运输等多种特殊使命。冰面在破裂前后，都会影响船舶的行驶环境，关于极地船舶冰载荷与运动相应的研究，是这一领域的重中之重。在冰载荷研究中，冰阻力以其复杂多变性，成为该研究领域中的“老大难”问题。冰阻力的计算和预测，关乎船舶动能和航行安全性，然而这一重要设计环节，长期以来只能通过经验或半经验公式来确定，精度差、效率低，由此引发的成本增加和资源浪费问题也极为严峻，这一问题在历史悠久、坐拥国际先进技术的Aker Solutions也仍是无解。
　　为此，周利用两年时间，反复探求冰面破坏方式与冰阻力之间的数学、力学关系，逐步建立了一套动态冰载荷数学模型，以填补冰阻力精准计算的空白。面对挪威同事“这个模型有效吗？”的疑问，周利选择了10组不同船型、航速、冰况的船舶数据在冰水池实验室中进行对照实验。实验结果令人惊喜，在10组计算得出的数据中，有9组实现了将经典的经验公式预报结果从最大误差30%.40%降低到10%以内，极大地提升了极地船舶冰阻力预报精度，获得了行业专家的高度评价。此外，周利直接参与到挪威约翰·卡斯伯格海上油田开采项目中，负责油气开采所需的极地FPSO船体的冰载荷计算和设计工作，这是他在复杂环境、特殊区位作业船舶的型线设计及锚链系统设计领域的重大实践成果。目前，这一周利耗时4年设计的船体正在建造中，建成后将为世界上最大的海底工程提供服务。
　　旅居挪威7年，周利已成长为极地海洋工程领域冉冉升起的新星，当地良好的研究传统、成熟的工业体系，更是为周利的研究发展提供了极大助力。尽管如此，在Aker Solutions工作4年后，周利仍毅然选择辞职回国。他做出这个决定，源于一次奇妙的“偶遇”。
　　2013年，时任“雪龙2号”破冰船负责人、国家海洋局基地办公室主任的秦为稼到访Aker Solutions，就“雪龙2号”整体设计与Aker Arctic Technology Inc.（阿克北极科技有限公司）展开合作。当时正在阿克北极冰水实验室进行实验的周利，就此与秦为稼和尚在规划的“雪龙2号”有了一面之缘。
　　这次会面对周利触动极大，“‘雪龙2号’是我国第一艘自主建造的极地科学考察破冰船，令人遗憾的是，虽然它的建造、核心技术、装备研发都是我们国家自己完成的，但涉及一些电力设计、基础设计层面，我们还要‘假手于人’，要依赖像阿克北极这样的国外研发中心”。看到了我国在破冰船自主设计方面的短板，周利暗下决心，要在日常工作中不断积累经验，掌握设计技术，搭建模型实验，然后将自己学到的、看到的、接触到的最先进技术带回去，充分提升我国自主创新能力。加之在2016年，哈工程牵头举办的首届“兴海论坛”，更让周利看到国家对海洋工程领域，以及对人才的高度重视。于是在2017年，有知识、有经验、有想法、有方向的周利做好了准备，“在国外读了这么多年书，也学了一点本事，现在，是我报效祖国的时候了”。
　　
精专与广泛
　　回国后，周利进入江苏科技大学船舶与海洋工程学院，以带头人的身份开始组建校冰区船舶与海洋工程创新团队。说起与江苏科技大学的缘分，周利笑言：“在我们行业有一个说法：中国有两个真正做船的学校，一个是‘北船院’，就是我的母校哈工程；另外一个‘南船院’，就是我现在工作的江苏科技大学。”
　　与传统的研究类大学不同，江苏科技大学在船舶的设计和制造方面涉足颇多，直到现在，江苏科技大学仍与众多船舶企业保持着密切的联系。这种与实际生产距离更近、重视行业需求的教研模式，与周利的研究工作经历完美契合，在此基础上周利招募集结的团队，正以强大的自主创新精神，瞄准极地科学技术前沿，向极地船舶设计和制造过程中的关键技术问题发起攻坚。这个“专业做冰”的8人团队，主持承担了国家自然科学基金、欧盟地平线2020、国家工信部高技术船舶、国防科技工业海洋防务创新等20多个极地工程项目，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。
　　在我国对极地世界的探索中，除常规科学考察之外，北极地区因丰富的资源及能源储备、独特的地理位置，其重要性与日俱增。2018年1月发布的《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的战略，为我国现阶段参与北极事务指明方向。与之对应的，是我国在极地海洋装备领域起步较晚的实际情况，我国极地科技水平和装备研发能力与俄罗斯、挪威等极地沿岸国家仍有较大的差距。单从数量来说，我国目前仅有“雪龙号”“雪龙2号”“海冰722号”等4艘破冰船，而俄罗斯仅在役破冰船就有44艘之多。除了绝对数量上的差距，与发达国家极地设备的技术鸿沟也亟待填补。自从回国以后，周利一直在思考的问题就是，如何用自身研究拥抱国家发展需求。为此，周利走访众多企业，听取行业一线的切实需求，最终结合国家需求和船舶企业的实际反馈，将重心放在了对极地船舶冰阻力与冰区螺旋桨的研究上。
　　简单来说，影响船舶整体运动性能有两个因素，即阻力与推力。阻力由船舶所处环境决定，推力则由螺旋桨提供。具体到极地船舶这一特殊类型，基于复杂多变的冰阻力问题，极地螺旋桨设计和制造都面临更大的挑战。为解决冰阻力预报、冰区推进效率、桨叶强度安全等制约极地螺旋桨设计的瓶颈问题，周利从理论和设备两方面入手，为极地船舶设计提供了一套行之有效的解决方案：
　　首先，原创性提出了基于环向裂纹法的冰阻力数值预报技术。利用经过实验验证的基于环向裂纹法建立的非线性动态冰载荷数学模型，周利团队开发了船舶冰阻力数值预报软件，实现对船舶在不同航行方式下的局部冰压力和整体冰阻力开展精确数值计算，有效解决了业界普遍面临的冰载荷预报问题，为我国发展极地船舶、开展极地航运提供了必要的理论支持，同时为我国修订极地领域船舶标准提供了参考依据。
　　其次，开发具有国际领先水平的极地螺旋桨设计方法。通过对桨叶变形产生影响进行模型化分析，构造出适用于不同冰区等级的螺旋桨推进效率和空泡性能之间的平衡关系，建立了相对最优的冰区桨叶设计方法，辅以对强度进行数据化分析的冰桨耦合模拟技术，生产出适用于不同航速、不同冰况、不同推进方式的极地螺旋桨，并以该冰区螺旋桨设计方法为依托，真正建立了我国在冰区螺旋桨领域的国际核心竞争力。在国际实船冰桨竞标项目中，我国自主生产的极地螺旋桨产品已击败多个国际知名的螺旋桨公司，获得了冰区用户的广泛认可，并创造出可观的经济效益。
　　这些创新性的科研成果，一方面，打破了国际对我国在极地关键产品领域的技术和产品垄断，为我国极地科学考察破冰船提供了自主设计的关键配套产品；另一方面，也为我国开辟“冰上丝绸之路”、开展极地航运群体服务奠定了硬件基础。这项集合了国内优势科研单位、前后耗费近10年心血、名为“基于冰阻力条件下的极地船舶螺旋桨设计研究与应用”的研究项目，为周利及团队赢得了中国航海学会科学技术进步奖的荣誉，在充分吸收国内外先进技术经验的基础上，对我国现阶段极地船舶设计与制造有极大的应用价值和指导意义。
　　2022年，第11届全国冰工程大会将在江苏科技大学召开，周利作为这次会议的组织者，期待在这一我国极地工程领域里规模最大、影响力最大的会议上，与众多的冰工程工作者碰撞出思维的火花。周利说：“我觉得自己不是一个很聪明的人，但是我是一个比较有毅力的人，我认定的事情，肯定要把它做好，只要我觉得做这件事情值得，就义无反顾地往前走。”现在，“雪龙2号”在执行第37次南极科考任务，与其渊源颇深的周利仍守在科研一线，在基础研究、船型优化、船舶推进技术等方面不断精进。在周利看来，以技术创新为靶点，我国极地工程领域将迎来嬗变。助力中国极地科研领域长足进步，并赢得国际认可，这是周利正在追求的梦想。