Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.2. Разрушение ледяного покрова СВП
Появление значительных деформаций ледяного покрова при движении СВП отмечалось в процессе испытаний первых отечественных СВП. Однако этим фактам не придали значения и дальнейшие исследования в этом направлении не выполнялись [24].
Впервые разрушение льда СВП реализовали в Канаде, хотя это явление было замечено еще при испытаниях СВП «Сормович» на Волге (рис.1.6.).
Рис.1.6.Судно на воздушной подушке «Сормович»
Первые опыты по использованию для разрушения льда транспортного СВП „АСТ-100", не предназначенного специально для этой цели, были проведены в 1971/72 г. При движении со скоростью 1,8 м/с судно непрерывно ломало лед толщиной 69 см [442]. Затем последовала серия аналогичных испытаний СВП „Н-119", „НУ-15", "Вояджер" (рис.1.7). СВП „Н-119" ломало лед толщиной до 23 см, а "Вояджер", двигаясь со скоростью 2,6 м/с, разрушал лед толщиной от 18 до 26 см и частично очищал канал от льда.
Рис.1.8. Разрушение льда СВП "Вояджер"
В чистом незаснеженном льду толщиной 19 см наблюдалась граница воздушной полости на расстоянии 8 м перед судном. Отмечалось, что скорость движения СВП при разрушении льда была ограничена З м/с, при превышении которой разрушение прекращалось.
За рубежом способность СВП разрушать лед ИГВ была обнаружена случайно при испытаниях в 1974 г. СВП "Вояджер". При скорости 6,2 м/с за кормой судна возникали волны с максимальной высотой око ло 1,5 м, вызывавшие непрерывное разрушение льда толщиной 0,38 м [442]. Эти волны длиной 20 м с фронтом, равным двойной ширине судна, перемещались со скоростью СВП. Ледяной покров растрескивался и разрушался на вершине волны (рис. 1.8). При неоднократных проходах судна плавающие льдины измельчались, наслаивались друг на друга, сплоченность льда становилась менее 10 баллов.
Эксперименты позволили выделить два принципиально отличных способа разрушения ледяного покрова СВП: давлением (иногда его называют низкоскоростным) и при движении с резонансными скоростями (резонансным) [24].
Первый способ - давлением - заключается в том, что лед разрушается под действием собственной тяжести. При разрушении льда СВП способом давления возможны два случая.
В первом случае при действии на сплошной ледяной покров нормальных усилий его равновесие достигается за счет сил упругости и плавучести. Если каким-то образом компенсировать силы поддержания, действующие со стороны жидкости, то равновесие ледяного покрова, находящегося под действием сил тяжести, будет обеспечиваться только за счет сил упругости (рис.1.9).
Рис.1.9. Схема разрушения льда способом давления (случай 1)
Именнно такая компенсация происходит тогда, когда СВП надвигается на кромку ледяного покрова. При этом в воде образуется впадина. Если глубина этой впадины больше толщины льда, то она захватывает и часть пространства подо льдом, образуя воздушную полость. Эта полость и устраняет силы плавучести ледяного покрова, который консольно зависает на некотором участке. При определенных размерах в плане области воздушной полости ледяной покров начнет самопроизвольно разрушаться под действием собственных сил тяжести. Для этого движение СВП должно начинаться с участка чистой воды или во льду должно быть хотя бы отверстие для образования воздушной полости. Реализация способа давления производится с помощью СВП, либо приставок на воздушной подушке (ПВП) (рис.1.10 и 1.12). Таким образом, для разрушения льда не надо прикладывать никаких усилий со стороны корпуса судна, а необходимо только создать такое давление, которое приведет к образованию воздушной полости подо льдом.
Рис.1.10. Ледокольная приставка на воздушной подушке ЛПВП
Рис.1.11. Схема разрушения льда способом давления (случай 2)
Во втором случае, когда лед настолько пластичный, что его кромка значительно прогибается и воздушная полость не образуется, разрушение льда наступает, если сила тяжести СВП превосходит величину, необходимую для потери несущей способности ледяной пластины, лежащей на упругом основании (рис1.11).
Оба случая наблюдались не только при испытаниях ледокольной приставки на воздушной подушке (ЛПВП), но и при испытании модели СВП на Волге в 1976 г. на естественном льду [25].
Второй способ разрушения льда - резонансный - может осуществляться любым транспортным средством, приспособленными к перемещению по ледяному покрову. В этом случае при движении по льду нагрузки развивается система ИГВ. Когда ее скорость движения становится близкой к минимальной фазовой скорости изгибных колебаний флотирующей ледяной пластины, возникает ИГР. Амплитуды колебаний ледяного покрова резко возрастают, и лед начинает разрушаться (рис. 1.13).
Рис.1.12. Движение судна во льдах с помощью ледокольной приставки
Рис.1.13. Схема разрушения льда резонансным способом
Эксперименты показали, что толщина ледяного покрова, разрушенного резонансным способом, значительно превышала толщину льда при ломке способом давления. При реализации первого способа СВП "АСТ-100" разрушало лед толщиной 0,7 м на ширине 18 м. При этом скорость его движения составляла - 7-11 км/ч. Используя второй способ СВП, "Вояджер" (рис.1.14) имевшему массу в 2,5 раза меньшую чем у «АСТ-100» разрушало лед толщиной 0,4 м на участке в 3 раза большем, чем его ширина, со скоростью 20 км/ч. Предельная толщина льда, разрушаемая СВП при движении с резонансными скоростями (около 20 км/ч) была равна 1 м.
При маневрировании СВП способно повысить интенсивность волнообразования в ледяном покрове за счет следующих приемов.
Изменение скорости СВП. После того как за судном развивалось волновое движение, скорость СВП снижали так, что идущий за кормой первый гребень волны опережал судно, и оно начинало как бы скатываться на подошву волны. Когда судно получало максимальный дифферент на корму, скорость вновь повышали до прежней величины. Амплитуды колебаний льда возрастали, что увеличивало толщину разрушаемого льда. Очевидно, это связано с подкачкой дополнительной энергии в колеблющуюся систему.
Рис.1.14.Разрушение сплошного льда СВП "Вояжер" (вид с борта вертолета)
Изменения курса СВП. После возбуждения в ледяном покрове ИГВ максимальной амплитуды судно резко разворачивали на 180° так, что набегавшую ИГВ оно встречало носом. При этом начиналось разрушение льда. Это явление можно объяснить интерференцией установившихся и неустановившихся волн, возникающих при торможении и повороте СВП.
Резкое увеличение скорости СВП до резонансной. В тех случаях, когда размеры ледяных полей не позволяли СВП двигаться достаточно долго для создания ИГВ необходимой амплитуды, судно разгоняли на чистой воде до такой скорости, при которой волнообразование было наиболее интенсивным. При подходе к кромке льда скорость СВП уменьшали, и гравитационная волна, обогнав судно, проникала в ледяной покров, возбуждая в нем ИГВ. После этого скорость СВП, движущегося теперь надо льдом, увеличивали до резонансной, что вызывало разрушение льда. Аналогичный прием применялся и при разрушении заторов.
Зигзагообразное движение СВП. Оно оказалось эффективным при разрушении ледяных нагромождений и заторов. В 1975 г., ликвидируя угрозу наводнения в районе Монреаля, СВП „Вояджер", двигаясь перпендикулярными галсами, за 7 часов разрушило на мелкие куски ледяной остров 400 х 150 м с толщиной наслоений льда до 5 м. Тем же способом судно за 20 часов разрушило еще один остров длиной 4,8 км с наслоением льда 2,4 м. Улучшение ледоразрушающих свойств судна при таком маневрировании объясняется также благоприятной интерференцией волн [25].
Отметим, что СВП в настоящее время - самое производительное и высокоэффективное средство разрушения льда на мелководье. Разрушая лед на малых глубинах, где не может работать ни одно другое ледокольное судно, СВП может предотвращать заторообразования и разрушительные наводнения.
Одним из наиболее существенных достоинств резонансного способа является высокая скорость ломки льда, что целесообразно использовать для раннего вскрытия рек и водохранилищ.
Проводка судов во льдах при использовании этого способа может оказаться также эффективной, если при движении с критической скоростью СВП сделает два-три прохода, разрушая и измельчая лед перед сравнительно медленно идущими транспортными судами.
Таким образом, одним из направлений совершенствования ледокольных средств являются поиски принципиально новых способов реализации разрушения ледяного покрова резонансным методом.