Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Прикладные задачи динамики ледяного покрова

Козин В. М., Жесткая В. Д., Погорелова А. В., Чижиумов С. Д., Джабраилов М. Р., Морозов В. С., Кустов А. Н.,

3.1.1. Прикладное значение проблемы

Россия имеет огромную протяжённость морских границ. Однако движение судов в большинстве прилегающих к территории страны акваторий затруднено наличием ледяного покрова. В связи с этим судоходство по Северному морскому пути и в замерзающих морях Дальнего Востока является сезонным и нерегулярным. Применение ледокольного флота на морских путях требует больших капитальных вложений на создание и поддержание инфраструктуры транспортных путей, включая затраты на обслуживание промежуточных портов-убежищ и баз ледокольного флота. В результате судоходство является малоэффективным. Работу Северного морского пути сейчас обеспечивает флот из 11 атомных ледоколов и атомного лихтеровоза "Севморпуть". Флот не обновляется с 1989 года и к 2015 году он выработает свой ресурс.

Вместе с тем, министерством транспорта планируется наращивать морские перевозки на Севере, - прежде всего за счет освоения нефтяных месторождений Тимано-Печорского бассейна и газовых месторождений Ямала, экспорта навалочных грузов и леса.

Проекты подводных транспортных судов для перевозки массовых грузов, которые могли бы беспрепятственно двигаться подо льдом, существуют давно [18, 120]. В последние годы были предложены проекты подводного супертанкера для транспортировки из Арктики сжиженного газа американской фирмы General Dynamics, пятилетняя программа канадского правительства по созданию подводно-надводных судов для перевозки нефти, газа и других массовых грузов. Реализация подобных проектов до настоящего времени проблематична по многим причинам, в частности, из-за отсутствия опыта постройки подводных судов большого водоизмещения, неразрешённостью вопросов безопасности их эксплуатации и пр.

На переходном этапе создания подводного транспортного флота возможно создание грузовых судов путём переоборудования подводных лодок (ПЛ) ВМФ. Так, например, ЦКБ "Рубин" для компании "Норильский никель" разработало проект навалочного судна на основе переоборудования атомных ПЛ проекта 941 ("Акула") [19].

Имеется большой опыт эксплуатации боевых подводных лодок в арктических морях, с протяжёнными переходами подо льдом. Однако при необходимости их всплытия в сплошном ледяном покрове возникает опасность появления различных аварийных ситуаций. В настоящее время всплытие ПЛ подо льдом производится тремя способами: 1) с предварительным поиском полыньи достаточных размеров; 2) с предварительным подрывом ледяного покрова; 3) статическим проламыванием ледяного покрова рубкой за счёт медленного всплытия корабля [73]. В последнем случае возможно разрушение льда толщиной не более полуметра, так как усилие всплытия корабля создаётся путём осушения уравнительных цистерн, объём которых составляет малую часть от водоизмещения ПЛ. Осушение цистерн главного балласта до разрушения льда не допускается, так как оно может привести к потере остойчивости корабля.

Вместе с тем, возможно разрушение ледяного покрова путём использования гидродинамических нагрузок от движения подводного судна вблизи поверхности льда. Этот вопрос рассмотрен в монографии [73], где на основе модельных экспериментов доказана такая возможность. Было выявлено, что при движении подводного судна под поверхностью льда в ледяном покрове образуется система изгибных волн, причём амплитуда волн достигает максимума при скорости судна, несколько большей так называемой «горбовой» скорости, соответствующей наибольшему волнообразованию при движении на свободной воде. В работе [73] также показано, что предельная толщина сплошного льда, разрушаемого резонансными изгибно-гравитационными волнами от движения ПЛ в несколько раз превышает таковую при статическом проломе ледяного покрова в процессе всплытия.

Основным препятствием для внедрения способа разрушения ледяного покрова гидродинамическими нагрузками от движения подводного судна следует считать повышенную опасность такого способа, связанную с возможностью столкновения с подводными выступами ледяного покрова, особенно учитывая, что наиболее эффективное разрушение льда соответствует высоким скоростям движения (более 30 узлов для большинства современных ПЛ).

Следует отметить, что гидродинамические нагрузки на ледяной покров существенно зависят от водоизмещения, удлинения и формы корпуса подводного судна. В работе [73] приводятся данные о влиянии водоизмещения ПЛ на способность разрушения льда, из которых можно заключить, что ПЛ «Акула» (пр. 941) способна разрушить лёд толщиной около 1.5 м статическим способом и порядка 5 м - резонансным способом. С ростом водоизмещения разрушающая способность подводных судов увеличивается. Есть основания утверждать, что подводные транспортные суда среднего и большого водоизмещения (более 10 тыс. т) смогут разрушать довольно толстый ледяной покров при движении со скоростью, гораздо меньшей резонансной, на безопасной глубине погружения.

Влияние формы корпуса подводного судна, его удлинения, наличия цилиндрической вставки, рубки и других выступающих частей на гидродинамические нагрузки и изгиб ледяного покрова до сих пор подробно не исследовалось. В работе [73] на основе модельных экспериментов было выявлено, что при относительной глубине погружения H/L > 0.2 влияние рубки на изгиб сплошного льда меньше, чем влияние удлинения корпуса (H – расстояние от оси симметрии корпуса ПЛ до поверхности льда, L – длина корпуса ПЛ).