砕氷船

外洋航行船が登場する以前は、内陸の運河や河川で、労働者が斧や鉤を使って氷を砕く技術が開発されていました。記録に残る最初の原始的な砕氷船は、1383年にベルギーのブルージュの町が町の堀の氷を取り除くために使用した艀でした。^{[ 3 ] [ 4 ]} この砕氷艀の働きは、町がそのような船を4隻購入するに値するほど成功しました。

小氷期の厳しい冬の間も砕氷船は引き続き使用され、特に低地地方では貿易や人・物資の輸送が盛んに行われていたため、その利用は拡大していった。15世紀には、フランドル地方（アウデナールデ、コルトレイク、イーペル、フェールネ、ディクスムイデ、フルスト）で砕氷船の使用がすでに定着していた。17世紀には砕氷船の使用がさらに拡大し、低地地方の重要な都市はすべて、水路の安全確保のために何らかの砕氷船を使用するようになった。

17世紀以前の砕氷船の仕様は不明である。砕氷船の仕様を見ると、馬のチームによって曳かれ、船の重みで氷を押し砕いていたことがわかる。斧や鋸を持った作業員のチームと併用され、その技術は産業革命までほとんど変化しなかった。

極地探検の初期の頃は、耐氷構造の船が使われていました。これらは元々は木造で、既存の設計に基づいていましたが、特に喫水線付近は補強されていました。船体には二重板が張られ、船体内部には補強用の横梁が設けられていました。船体外側には鉄の帯が巻かれていました。時には、船首、船尾、竜骨に沿って金属板が張られることもありました。このような補強は、船が氷を突き進むのを助けるとともに、氷に挟まれた場合に船を保護するために設計されていました。氷に挟まれるとは、船の周囲の流氷が船に押し付けられ、万力で挟まれたように船を閉じ込めて損傷を与える現象です。この万力のような作用は、風や潮の流れが氷塊に及ぼす力によって引き起こされます。

極地で最初に使われたボートは、エスキモーのものでした。彼らのカヤックは、屋根付きのデッキと1つまたは複数のコックピットを備えた小型の人力ボートで、各コックピットには1人の漕ぎ手が座り、シングルブレードまたはダブルブレードのパドルを漕ぎます。このようなボートには砕氷能力はありませんが、軽量で氷上を運ぶのに適しています。

9世紀から10世紀にかけて、ヴァイキングの勢力は北大西洋にまで拡大し、最終的には北極圏のグリーンランドとスヴァールバル諸島にまで到達した。しかし、ヴァイキングは中世温暖期の気候条件の下、年間を通してほとんど氷のない海域で船を運航していた。

11世紀、北ロシアでは、半年以上氷に覆われることからその名がついた白海の沿岸に人々が定住し始めた。北極海の沿岸に住んでいた北ロシアのカレリア人とロシア人の混血民族は、ポモール人（「海辺の入植者」）として知られるようになった。彼らは次第に、北極海の氷に覆われた海域、そして後にシベリアの河川での航海に用いる、小型の1本または2本のマストを持つ木造帆船を開発した。これらの初期の砕氷船はコチと呼ばれた。コチの船体は、可変喫水線に沿って流氷に耐える平らな外板の帯で保護され、氷上での運搬のために偽竜骨を備えていた。コチが氷原に挟まれた場合、喫水線下の丸みを帯びた船体形状により、損傷を受けることなく船を水面から押し上げて氷上に載せることができた。^{[ 5 ]}

19世紀には、現代の蒸気機関式砕氷船にも同様の保護対策が採用されました。帆船時代の末期には、フリチョフ・ナンセンをはじめとするノルウェーの偉大な極地探検家たちが使用した「フラム号」のように、ポモール船のような卵形をした著名な帆船もいくつかありました。「フラム号」は、木造船として最北（北緯85度57分）と最南（南緯78度41分）まで航海した船であり、これまでに建造された木造船の中でも最も頑丈な船の一つでした。

氷の条件下での運航を想定して設計された初期の船^{[ 6 ]}は、 1837年にヴァンデューセン＆ビレリン社によってフィラデルフィア市のために建造された全長51メートル（167フィート）の木造外輪蒸気船、シティ・アイス・ボート1号でした。この船は2基の250馬力（190kW ）蒸気機関で駆動され、木製の外輪は鉄製のカバーで補強されていました。^{[ 7 ]}  

丸みを帯びた船体と頑丈な金属製の船体を持つ1864年建造のロシアの砕氷船「パイロット号」は、現代のプロペラ式砕氷船の重要な先駆けとなった。この船は、商人であり造船業者でもあったミハイル・ブリトネフの依頼で建造された。船首は氷を砕く能力を高めるために改造され（キールラインから20°の角度）、これによりパイロット号は氷の上を押し進み、氷を砕くことができた。ブリトネフは、何世紀にもわたって白海やバレンツ海の氷海を航行してきた古いポモール船の形状を模して船首を設計した。パイロット号は1864年から1890年まで、クロンシュタットとオラニエンバウム間のフィンランド湾での航行に使用され、夏の航行期間を数週間延長した。パイロット号の成功に触発され、ミハイル・ブリトネフは1875年に2隻目の同様の船であるボーイ号（ロシア語で「破砕」の意）を建造し、1889年には3隻目のブーイ号（ロシア語で「ブイ」の意）を建造した。

1870年から1871年の厳しい冬により、エルベ川とハンブルク港が凍結し、航行が長期間停止し、莫大な商業的損失が発生した。カール・フェルディナント・シュタインハウスは、ブリトネフのパイロット号の設計を改良して再利用し、自身の砕氷船アイスブレッヒャーIを建造した。^{[ 8 ] [ 9 ]}

最初の真の近代的な外洋砕氷船^{[ 10 ]}は20世紀初頭に建造されました。砕氷船イェルマクは、1899年にロシア帝国海軍の契約に基づき、イギリスのアームストロング・ホイットワース造船所で建造されました。この船はパイロット号の主要な原理を借用し、それを最初の極地砕氷船の建造に適用し、流氷の上を航行して砕くことができました。この船の排水量は5,000トンで、蒸気往復機関は10,000馬力（7,500kW ）を発揮しました。この船は1963年に退役し、1964年に解体されたため、世界で最も長く運用された砕氷船の1つとなりました。 

カナダでは、政府はセントローレンス川の氷詰まりによる洪水を防ぐ方法を提供する必要がありました。モントリオールの東側で川が氷詰まりを起こさないようにするため、砕氷船が建造されました。ほぼ同時期に、カナダはカナダ北極圏における義務を果たす必要がありました。全長80メートル（260フィート）のCGS N.B. McLean（1930年）やCGS D'Iberville （1952年）のような大型蒸気砕氷船は、セントローレンス川の洪水防止と北極圏への物資補給という二重の目的のために建造されました。   

20世紀初頭、他のいくつかの国も専用の砕氷船の運用を開始した。そのほとんどは沿岸砕氷船であったが、カナダ、ロシア、そして後にソビエト連邦も、排水量1万1000トンまでの外洋砕氷船を数隻建造した。

1930年代に最初のディーゼル電気砕氷船が建造される以前は、砕氷船は石炭または石油を燃料とする蒸気船でした。^{[ 11 ]}往復動蒸気機関は、信頼性、堅牢性、優れたトルク特性、回転方向を素早く反転できる能力から、砕氷船に好まれました。^{[ 12 ]}蒸気船の時代には、戦前の最も強力な蒸気動力砕氷船は、約10,000軸馬力（7,500 kW）の推進力を持っていました。^{[ 11 ]} 

世界初のディーゼル電気砕氷船は、1933年に建造されたスウェーデンの砕氷船イメル号（4,330トン）でした。船尾の2つのプロペラと船首の1つのプロペラに9,000馬力（6,700kW ）を配分したイメル号は、 1957年にオーデン号が就役するまで、スウェーデンで最も強力な砕氷船でした。イメル号に続いて、フィンランド初のディーゼル電気砕氷船であるフィンランドのシス号が1939年に就役しました。 ^{[ 13 ] [ 14 ]}両船とも1970年代に退役し、両国でより大型の砕氷船に置き換えられました。フィンランドでは1976年建造のシス号、スウェーデンでは1977年建造のイメル号です。  

1941年、米国はウィンド級の建造を開始した。スカンジナビアとソビエト連邦での研究により、船首が切り取られ、船底が丸みを帯びた、非常に頑丈な短く幅広の船体を持つ設計が生まれた。強力なディーゼル電気機関が2つの船尾プロペラと1つの補助船首プロペラを駆動した。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}これらの特徴は、1980年代まで戦後の砕氷船の標準となった。

1970年代半ば以降、最も強力なディーゼル電気砕氷船は、旧ソ連、後にロシアの砕氷船であるエルマク、アドミラル・マカロフ、クラシンであり、これらは9基の12気筒ディーゼル発電機で3基の推進モーターに電力を供給し、合計出力は26,500 kW (35,500 hp)である。^{[ 11 ]} 2030年以降には、カナダの極地砕氷船CCGSアルパトゥークとCCGSイムナリュアクが納入される予定で、合計推進力は34,000 kW (46,000 hp)となる。      

カナダ

カナダでは、ディーゼル電気砕氷船の建造は1952年に始まり、最初にHMCS Labrador（後にカナダ沿岸警備隊に移管）が建造されました。これはUSCG Wind級設計を採用していましたが、船首プロペラはありませんでした。そして1960年、カナダの大型砕氷船開発における次の段階として、CCGS John A. Macdonaldが ケベック州ローゾンで完成しました。Labradorよりもかなり大きく強力なJohn A. Macdonaldは、極地の最も厳しい条件にも耐えられる外洋航行可能な砕氷船でした。15,000馬力（11,000kW ）のディーゼル電気機関は3つのユニットに分かれており、3つのシャフトそれぞれに均等に動力を伝達していました。 

カナダ最大かつ最強の砕氷船、全長120メートル（390フィート）のCCGSルイ・S・セントローレンスは1969年に就役した。当初の蒸気タービン3基、発電機9基、電動機3基からなるシステムは、27,000軸馬力（20,000kW ）の出力を発生する。数年にわたる中期改修プロジェクト（1987年～1993年）により、船首と推進システムが刷新された。新しい動力装置はディーゼルエンジン5基、発電機3基、電動機3基から構成され、ほぼ同じ推進力を発揮する。   

1994年8月22日、ルイ・S・セントローレントとUSCGCポーラー・シーは 、北米の水上船舶として初めて北極点に到達した。同船は当初2000年に退役予定であったが、改修により退役時期が2017年に延期された。現在、沿岸警備隊に2隻の新型極地砕氷船、CCGSアルパトゥーク とCCGSイムナリュアク が導入されるまで、2020年代まで運用を継続する予定である。^{[ 18 ]}

ロシアは現在、既存の稼働中の原子力砕氷船をすべて運用している。^{[ 24 ]}最初のNSレーニンは1957年に進水し、1959年に運用を開始し、1989年に正式に退役した。これは世界初の原子力水上艦であり、初の原子力民間船舶でもあった。

ソ連の2番目の原子力砕氷船は、アルクティカ級のネームシップであるNSアルクティカでした。1975年から就役しており、1977年8月17日に北極点に到達した最初の水上船となりました。ソ連以外でもいくつかの原子力砕氷船が建造されました。1980年代後半には、フィンランドでソ連向けに2隻の浅喫水タイミル級原子力砕氷船が建造されました。 ^{[ 11 ]}

2007年5月、ロシアの原子力砕氷船NS 50 Let Pobedyの海上公試が完了した。同船は、ロシア国営原子力砕氷船8隻すべてを管理しているムルマンスク海運会社によって就航した。同船の起工は1989年にレニングラードのバルチック造船所で行われ、1993年にNS Uralとして進水した。この砕氷船は、アルクティカ級の6番目にして最後の船となる予定である。^{[ 25 ]}

アルクティカ級砕氷船の後継として、 22220型と10510型の2種類の新型原子力砕氷船が計画されている。これらの船はアルクティカ級よりも排水量が大きい。

砕氷船は、傾斜した船首を氷に押し付け、船の重みで氷を砕く船として説明されることが多い。^{[ 28 ]}実際には、これは非常に厚い氷でのみ起こり、砕氷船は歩行速度で進むか、あるいは船体数本分後退して全力で氷塊に体当たりしなければならない場合もある。より一般的には、比較的曲げ強度の低い氷は容易に砕け、砕氷船のトリムに目立った変化を与えることなく船体の下に沈み、船は比較的高い一定の速度で前進する。^{[ 29 ]}

砕氷船を設計する際の主な目標の 1 つは、氷を砕いて破壊し、砕けた氷塊を船の下に沈めることによって生じる力を最小限に抑えることです。これらの瞬間的な力の縦方向成分の平均値は、船の氷抵抗と呼ばれます。砕氷船を設計する造船技師は、いわゆるh – v曲線を使用して、船の砕氷能力を決定します。これは、氷の厚さ ( h )の関数として、船が達成できる速度 ( v ) を示します。これは、プロペラからの推力が船の流体力学的抵抗と氷抵抗の合計に等しくなる速度を計算することによって行われます。 ^{[ 1 ]}圧力隆起などのさまざまな氷の状態における船の砕氷能力を決定する別の方法は、氷水槽で模型試験を行うことです。方法に関係なく、新しい砕氷船の実際の性能は、船が建造された後に実物大の氷試験で検証されます。

砕氷力を最小限に抑えるため、砕氷船の船体形状は通常、喫水線でのフレアが可能な限り小さくなるように設計されます。その結果、砕氷船は、氷中での操縦性を向上させるために、傾斜または丸みを帯びた船首、傾斜した側面、短い平行な船体中央部を特徴としています。^{[ 29 ]}しかし、スプーン型の船首と丸い船体は流体力学的効率と耐航性が悪く、砕氷船がスラミング、つまり船底構造が海面に衝突する現象を起こしやすくなります。^{[ 1 ]}このため、砕氷船の船体は、最小限の氷抵抗、氷中での操縦性、低い流体力学的抵抗、および適切な開水域特性の間の妥協点となることが多いのです。^{[ 11 ]}

砕氷船の中には、船首が船尾よりも幅広になっているものがある。これらのリーマーは氷水路の幅を広げ、船尾の摩擦抵抗を低減するとともに、氷中での船の操縦性を向上させる。低摩擦塗料に加えて、一部の砕氷船は爆発溶接された耐摩耗性ステンレス鋼の氷ベルトを使用しており、摩擦をさらに低減し、船体を腐食から保護している。強力な放水装置や気泡発生装置などの補助システムは、船体と氷の間に潤滑層を形成することで摩擦を低減するために使用される。船体の両側のタンク間で水をポンプで送ることで、摩擦を低減し氷中を進みやすくする連続的なローリングが発生する。氷抵抗をさらに低減し、氷のない水路を作るために、平らなティッセン・ワース船首や円筒形の船首などの実験的な船首設計が長年にわたって試されてきた。^{[ 11 ]}

砕氷船や氷で満たされた海域を航行するその他の船舶は、船体と周囲の氷との接触によって生じる様々な荷重に対して、追加の構造強化が必要となる。氷圧は船体のさまざまな領域で異なるため、氷上航行船の船体で最も強化される領域は、最も高い氷荷重を受ける船首と喫水線周辺であり、さらに喫水線の上と下の両方で補強を行い、船の周囲に連続した氷帯を形成する。^{[ 2 ]}

短くずんぐりした砕氷船は、一般的に横方向のフレームを使用して建造され、外板は、より長い船で使用される縦方向のフレームとは対照的に、約400 ～ 1,000 ミリメートル (1 ～ 3フィート)間隔で配置されたフレームで補強されます。水線付近では、垂直方向に走るフレームが、外板に局所的に集中する氷の荷重をストリンガーと呼ばれる縦方向の桁に分散させ、ストリンガーは、より広範囲に分散した船体荷重を支えるウェブフレームと隔壁によって支えられています。^{[ 2 ]}氷と直接接触する外板は、古い極地砕氷船では最大50 ミリメートル (2.0インチ)の厚さになることがありますが、現代の砕氷船では、降伏強度が最大500 MPa (73,000 psi)の高強度鋼を使用することで、より薄い材料の厚さとより低い鋼材重量で同じ構造強度を実現しています。強度に関わらず、砕氷船の船体構造に使用される鋼材は、氷で満たされた海域での運航に典型的な低温と高負荷条件下での脆性破壊に耐えることができなければならない。^{[ 2 ] [ 30 ]}    

アメリカ船級協会、デット・ノルスケ・ベリタス、ロイド船級協会などの分類協会が定めた規則に従って建造された砕氷船には、船体の耐氷強化レベルに基づいて耐氷クラスが割り当てられることがあります。これは通常、船が運航すると予想される最大氷厚と、衝突の制限などのその他の要件によって決定されます。耐氷クラスは一般的に砕氷船の実際の砕氷能力ではなく、耐氷強化レベルを示すものですが、ロシア海事登録協会などの一部の分類協会は、特定の耐氷クラスに対して運用能力要件を設けています。2000年代以降、国際分類協会連合（IACS）は、分類協会固有の耐氷クラス表記に代わる統一システムとして極地クラス（PC）を採用することを提案しています。

第二次世界大戦以降、ほとんどの砕氷船はディーゼル電気推進方式で建造されており、発電機に接続されたディーゼルエンジンが固定ピッチプロペラを回転させる推進モーターに電力を供給します。最初のディーゼル電気砕氷船は直流（DC）発電機と推進モーターで建造されましたが、長年にわたり技術はまず交流（AC）発電機へと進歩し、最終的には周波数制御AC-ACシステムへと発展しました。^{[ 11 ]}現代のディーゼル電気砕氷船では、推進システムは発電所の原理に基づいて構築されており、主発電機が船内のすべての消費機器に電力を供給し、補助エンジンは必要ありません。

ディーゼル電気推進モーターの低速トルク特性が優れているため、砕氷船にはディーゼル電気推進システムが好ましい選択肢となっているが、減速ギアボックスと可変ピッチプロペラに機械的に結合されたディーゼルエンジンを搭載した砕氷船も建造されている。機械式推進システムは、軽量化や燃費向上など、ディーゼル電気推進システムに比べていくつかの利点がある。しかし、ディーゼルエンジンはプロペラ回転数の急激な変化に敏感であるため、機械式推進システムには通常、プロペラと氷の相互作用によって生じるトルク変動を吸収するために、大型のフライホイールまたは流体力学的カップリングが装備されている。^{[ 11 ]}

1969年に建造されたカナダの極地砕氷船CCGS Louis S. St-Laurentは、蒸気ボイラーとターボ発電機を備え、3基の電気推進モーターに動力を供給する数少ない砕氷船の1つでした。後に5基のディーゼルエンジンに換装され、蒸気タービンよりも燃費が向上しました。その後、カナダの砕氷船はディーゼル電気動力装置で建造されました。^{[ 11 ]}

米国沿岸警備隊が運用するポーラー級砕氷船2隻は、6基のディーゼルエンジンと3基のガスタービンからなるディーゼル電気推進システムと機械推進システムを組み合わせている。ディーゼルエンジンは3基の推進モーターに電力を供給する発電機に接続されている一方、ガスタービンは可変ピッチプロペラを駆動するプロペラシャフトに直接接続されている。^{[ 11 ]}ディーゼル電気発電所は最大13,000 kW (18,000 hp)の出力を生成でき、ガスタービンの連続合計定格出力は45,000 kW (60,000 hp)である。^{[ 31 ]}    

プロペラの数、種類、位置は、船舶の出力、喫水、および目的に応じて異なります。小型砕氷船や砕氷専用船はプロペラが1つだけで済む場合もありますが、大型の極地砕氷船は通常、すべての動力を吸収して十分な推力を発生させるために最大3つの大型プロペラを必要とします。喫水の浅い河川砕氷船の中には、船尾に4つのプロペラを備えて建造されたものもあります。ノズルは低速時の推力を増加させるために使用できますが、氷で詰まる可能性があります。^{[ 11 ]} 1980年代までは、バルト海の氷の隆起地帯で定期的に運航する砕氷船には、船体に沿って強力な水流を発生させるために、最初は1つ、後に2つの船首プロペラが装備されていました。これにより、船体と氷の間の摩擦が軽減され、砕氷船の砕氷能力が大幅に向上し、砕氷船は衝突することなく厚い氷の隆起を貫通することができました。しかし、船首プロペラは、より硬い多年氷が存在する環境で運航する極地砕氷船には適していないため、北極では使用されていない。^{[ 32 ]}

アジマススラスタは、プロペラを垂直軸を中心に360度回転可能な操舵可能なゴンドラに搭載することで、従来のプロペラと舵を不要にします。これらのスラスタは、船舶の推進効率、砕氷能力、操縦性を向上させます。アジマススラスタの使用により、船舶は操縦性を損なうことなく氷の中で後進することができます。これにより、砕氷船の船首のような形状の船尾と、外洋での性能を重視した船首を持つ、複動式船舶が開発されました。このようにして、船舶は外洋での運航コストを抑えつつ、厳しい氷の状態でも運航能力を維持できます。アジマススラスタは、氷に広い水路を切り開くために横方向に航行する、新しい実験的な砕氷船の開発も可能にしました。

原子力発電

蒸気機関を動力とする砕氷船は、1950年代後半にソビエト連邦が1959年に初の原子力砕氷船「レーニン」を就役させたことで復活した。レーニンは原子力・ターボ・電気動力系統を備えており、原子炉はターボ発電機用の蒸気を生成し、ターボ発電機は推進モーター用の電力を生成する。1975年から、ロシアは6隻のアルクティカ級原子力砕氷船を就役させた。ソビエト連邦はまた、単一の原子炉とプロペラシャフトに直接接続された蒸気タービンを備えた原子力砕氷貨物船「セヴモルプート」も建造した。原子力砕氷船の唯一の運用国であるロシアは現在、老朽化し​​たアルクティカ級に代わる60,000 kW (80,000 hp)のプロジェクト22220 砕氷船を建造中である。このタイプの最初の船は2020年に就役した。