Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты

Козин В. М,

4.2.1. Эксперименты с натурными СВП

Возможности резонансного метода разрушения ледяного покрова также исследовались с использованием натурных СВП. Так испытания четырехместного СВП "Тайфун-01" проводились на ледяном покрове горьковского водохранилища толщиной 3-13 см (рис.4.41). Для возможности повторения экспериментов на тонком льду в ледяном покрове с помощью портового буксира (рис.4.1) создавалась майна размерами 150 × 50 м. Намораживание льда в майне до необходимой толщины при температуре воздуха -(5 - 10^°С) продолжалось 1 - 2 суток. После проведения экспериментов тонкий лед разрушался буксиром на мелкие куски и струями воды от работающих винтов буксира загонялся под неразрушенную кромку льда водоема. На эту операцию уходило 5 - 7 часов [55].

Рис.4.41.Испытания СВП "Тайфун-01" в ледяном покрове

СВП "Тайфун-01" было сделано несколько проходов по льду толщиной 3 и 6 см. Ледяной покров толщиной 6 см при скорости СВП 4 м/с разрушался на отдельные куски с одного прохода (рис.4.42 и 4.43). Разрушить этот же лед методом давления воздушной подушкой путем медленного надвигания СВП на кромку льда не удалось. Не разрушался лед и при полном выходе СВП на ледяной покров. После первого прохода СВП во льду 6 см со скоростью 5 м/с лед растрескивался на ширине до 30 м, местами происходило незначительное смещение льдин. За судном на расстоянии 7 - 8 м перемещался горб волны высотой до 30 см.

Рис.4.42.Разрушение ледяного покрова при различных скоростях движения СВП "Тайфун-01"

Рис.4.43.Движение СВП "Тайфун-01" с критической скоростью в ледяном покрове толщиной 6 см

В опытах длина волны определялась с помощью размеченного фала, прикрепленного к корме модели (рис.4.44). Последующие проходы приводили к измельчению отдельных обломков льда до размеров 1,0 × 0,7 м, происходили подсовы и наслоения льда (рис.4.45). После четырех проходов во льду образовался канал шириной 10 м со сплоченным льдом в 10 баллов (рис.4.46 и 4.47).

Рис.4.44.Выполнение последовательных проходов СВП "Тайфун-01" в ледяном покрове

Рис.4.45.Последовательные стадии разрушения ледяного покрова толщиной 6 см СВП "Тайфун-01"

Рис.4.46.Стадии разрушения ледяного покрова СВП "Тайфун-01"

Рис.4.47.Расположение обломков льда в канале после четырех проходов СВП "Тайфун-01"

При кратковременном движении с резонансной скоростью ИГВ не успевали развиться в полной мере и разрушения во льду имели характер, показанный на рис.4.48.

Движение СВП "Тайфун-01" по льду 10 см со скоростью 5 м/с сопровождалось интенсивным растрескиванием льда под судном и вблизи него. Картина трещинообразования была примерно такой же, как на рис. 4.48. Расстояние между трещинами колебалось в пределах 1-4 м. Увеличение скорости  до 6 м/с приводило к появлению ИГВ длиной 10 м и высотой 10 - 15 см. При торможении во льду образовывались раскрытые трещины, из которых проступала вода, а СВП от догнавшей ее волны испытывало качку с периодом около 3 секунд.

Рис.4.48.Вид канала, проложенного СВП "Тайфун-01" во льду толщиной 6 см

Распространение ИГВ, особенно при подходе к берегу, сопровождалось сильным характерным шумом. Параметры возбуждаемых СВП волн оценивались визуально с модели 4, шедшей параллельным курсом с той же скоростью. Связь между СВП "Тайфун-01"  моделью 4 осуществлялась при помощи радиопередатчиков.

Рис.4.49. разрушение ледяного покрова СВП "Гепард" при движении вдали от берега

Проходы модели по льду толщиной 13 см не вызывали видимых разрушений льда [55].

Испытания полунатурных СВП в бассейне р. Амур осуществлялись в начале ледостава [58]. Их цель состояла в качественной оценке влияния ледовых условий на ледокольные качества СВП (рис.4.49). Опыты начинались с прямолинейного и равномерного движения судна на ВП на тонком льду с последующим ростом его толщины до предельной, т.е. до такой толщины, когда судно в указанном режиме и при движении с резонансной скоростью было не способно разрушать лед (рис.4.50).

Рис.4.50. Движение СВП "Гепард" по сплошному льду: а- выход на отмель; б- сход с отмели

Эксперименты проводились на прочном зимнем и ослабленном трещинами ледяном покрове в условиях ледового растяжения, наличия подледного течения, снежного покрова, на циркуляции и при выходе на берег  (рис.4.51 и 4.52). Наличие ледового растяжения обеспечивалось благодаря проведению испытаний в период интенсивного подъема воды. Ослабление прочностных свойств льда и повышение его пластичности достигалось за счет проведения ледокольных работ при плюсовых температурах воздуха.

а)
б)
в)

Рис.4.51.Разрушение ледяного покрова СВП "Гепард" на циркуляции при наличии снежного покрова: а - начальная стадия разворта; б - разворот на 90^° ,

в - окончание разворота.

Рис.4.52. Исследование разрушения льда ИГВ, отраженными от берега (при движении СВП "Гепард")

Опыты с использованием кораблей на воздушной подушке (КВП)"Скат" и "Мурена" проводились на ледяном покрове толщиной 40-70 см (рис.4.53 -4.61) при их равномерном и нестационарном режимах движения. При этом КВП двигалось с ускорением, торможением, разворотом, по криволинейной траектории, с пульсацией давления в воздушной подушке с определенной частотой и резкой посадкой на днище [58]. После достижения предельной толщины разрушаемого льда для данных режимов эксперименты повторялись при групповой работе судов (рис.4.67).

Рис.4.53. Разрушение льда КВП "Скат" при выходе на берег (предельное мелководье)

a)
б)

Рис.4.54.Выполнение разворота КВП "Скат":а- начальная фаза; б- окончание разворота

Рис.4.55.Испытания КВП "Скат"на циркуляции (съемка с вертолета)

Установив предельную толщину льда при парном движении (фронтом и в кильватер), исследовалось влияние локальных разрушений во льду на эффективность резонансного метода. Для этого под лед закладывались и затем подрывались фугасные заряды (рис.4.56), после чего по частично разрушенном льду совершались проходы КВП.

   а                                          б                                                        в

          

Рис.4.56.Выполнение взрывных работ в ледяном покрове: а - закладка заряда; б - подрыв; в - характер разрушения ледяного покрова

Рис.4.57. Характер разрушения льда на циркуляции СВП

Рис.4.58. Разрушение льда СВП "Скат" при развороте, торможении и выходе на берег

Рис.4.59.Разрушение ледяного покрова СВП "Мурена" при поступательном движении

Выполнение ледокольных работ на разных глубинах и в непосредственной близости от берега позволило оценить влияние переменности глубины и отраженных от береговой линии волн на ледокольные качества СВП [15].

Рис.4.60.Разрушение льда ударом корпуса СВП "Мурена" при падении расхода воздуха в рессивере

Рис.4.61.Разрушение ледяного покрова путем изменения давления

в рессивере ДШКВП "Мурена" с резонансной частотой

Определение значения резонансной скорости движения СВП имело решающее значение. Только при этой скорости судна возникает ИГР, приводящий к раскачиванию ледяного покрова до наибольших амплитуд за короткий промежуток времени и разрушению льда с наименьшими энергозатратами. Опыты по определению резонансной скорости показали справедливость известных теоретических решений [422]. В проведенных экспериментах резонансная скорость определялась по такому признаку ИГР, как значительное возрастание амплитуды изгибных колебаний. Этот признак наиболее ярко проявлял момент наступления резонанса и поэтому испольвался в качестве основного. Однако для его использования необходима была установка на лед соответствующей измерительной аппаратуры, что не всегда было возможно и безопасно (рис.4.62).

а                                                      б

Рис.4.62. Установка датчиков перемещений: а - установка на сплошной ледяной покров; б - на поле битого льда

В условиях полного разрушения льда от проходов СВП приходилось ограничиваться визуальными наблюдениями за процессом возникновения и развития ИГВ (рис.4.63). В качестве приблизительной оценки значения резонансной скорости в таких случаях использовались такие признаки ИГР, как появление во льду характерных длинных, имеющих плавное закругление трещин. Если снежный покров не позволял проводить такие наблюдения, то приближение скорости судна к резонансной скорости оценивалось по росту ходового дифферента на корму. При испытаниях моделей на льду водохранилищ замерялись скорости, приводившие к пролому льда под движущейся нагрузкой, либо к началу непрерывного разрушения льда на большой ширине.

а                                                               б

Рис.4.63. Исследования разрушения льда ИГВ от КВП "Скат" при выходе на ярко выраженное мелководье: а - выход на берег; б - движение вдоль береговой линии

Рис.4.64.Расчистка залива р.Амур от битого льда

При повторных проходах судна по льду с целью измельчения обломков и уменьшения его сплоченности для создания судоходного канала скорость СВП должна быть иной, чем при первом проходе, что было обнаружено во время экспериментов с КВП "Мурены" (рис.4.64, 4.65). Как показали испытания, битый лед незначительно сказывается на таких параметрах возбуждаемых волн, как длина и скорость их распространения. Поэтому для генерации волн в битом льду с наибольшей амплитудой судно должно двигаться со скоростью, соответствующей максимальному горбу сопротивления на чистой воде, т.е. с критической скоростью. Значительно сложнее было определить скорость при повторных проходах по льду, ослабленному трещинами. Частичное нарушение сплошности льда изменяет его осредненные упругие характеристики. На его поведении сказывается густота сетки трещин, их характер и степень раскрытия. Способность переохлажденного ледяного покрова заживлять свои трещины по истечении определенного времени, а в определенных условиях, мгновенно восстанавливать свою сплошность, так же осложняет проблему выбора наиболее эффективной скорости. Для этого был определен диапазон изменения этой скорости. Очевидно, что он находится в интервале между значениями резонансной скорости для сплошного и критической скорости для битого льда. Точное определение скорости СВП должно осуществляться в процессе выполнения ледокольных работ по косвенным признакам ИГР в каждом конкретном случае отдельно.

Рис.4.65.Движение КВП "Мурена" с критической скоростью по полю битого льда

Влияние ледовых условий (течение и ледовое растяжение) сказывалось на ледокольных качествах корабля. Это особенно проявилось во время экспериментов с кораблем "Мурена". Так при водоизмещении в 120 тонн этим КВП не удалось разрушить лед толщиной 0,43 м. В то время, как при отсутствии причин, осложняющих ледовую обстановку, этот корабль легко разрушал равнопрочный лед толщиной 65 - 70 см. Таким образом более сложные ледовые условия изменяют значения резонансных скоростей и параметры ИГВ, что и требует других режимов при выполнении ледокольных работ.

Натурные испытания вызвали сомнения относительно мнения о том,  что при повышении пластичности ледяного покрова ледоразрушающая способность  ИГВ снижается. Возможно, это имеет место для свободных ИГВ в антарктических льдах, но при генерации ИГВ локализованной нагрузкой от веса СВП снижение упругих свойств льда сопровождалось заметным увеличением амплитуды ИГВ, сокращением  длины, а значит и увеличением кривизны ее профиля. Все это сопровождалось улучшением ледокольных качеств СВП при резонансном методе разрушения льда (рис.4.66). Так же ледоразрушающая способность СВП, повышалась путем одновременного использования для разрушения льда нескольких судов (рис.4.67).

Рис.4.66.Фрагменты испытания КВП "Мурена" в сплошном льду

Как показали эксперименты групповая работа СВП при выполнении ледокольных работ была наиболее эффективной в случае их движения фронтом. При этом их максимальное сближение бортами вплоть до счаливания давало наилучший результат. Движение СВП в кильватер менее рационально, т.к. расстояние между ними при толщине льда 0,5 - 0,8 м не должно превышать 70 - 100 м, а такая дистанция для СВП не является безопасной. Кроме этого, движение в кильватер в меньшей степени увеличивает толщину разрушаемого льда.

Наряду с использованием группы СВП ледоразрушающая способность резонансного способа может быть повышена при нестационарных режимах движения кораблей. При этом толщина разрушаемого льда может быть увеличена более чем  в 1,5 раза за счет следующих приемов маневрирования:

- движение СВП на резонансных скоростях с одновременным разворотом на  180^°;

- неоднократные проходы СВП по одному и тому же участку с разгоном до резонансной скорости и последующим торможением;

- зигзагообразное движение корабля с резонансной скоростью.

Рис.4.67.Счаливание КВП "Скат"  для групповой работы по разрушению льда

Выполнение таких маневров, когда не удается разрушить лед при равномерном и прямолинейном движении, приводят в начале к растрескиванию льда, а последующие проходы - к полному разрушению ледяного покрова (рис.4.68).

Рис.4.68.Выполнение дополнительных проходов КВП "Скат"с целью полного разрушения ледяного покрова

 После образования локальной области разрушенного льда с целью расширения зоны разрушения СВП следует двигаться по битому льду вдоль кромки проложенного канала (рис.4.69). Скорость СВП при этом должна быть горбовой, чтобы судно имело максимальный дифферент на корму. При наличии в ледяном покрове свободной кромки (припай) начинать разрушение ледяного покрова следует двигаясь по чистой воде вдоль кромки льда (рис.4.70),  либо частично надвинувшись на нее.

 

Рис.4.69.Измельчение обломков льда СВП "Скат"(съемка с вертолета)

Несмотря на качественный характер исследований, были получены данные, позволяющие определить условия ледовой обстановки, способные значительно повлиять на ледокольные качества СВП и эффективность ледокольных работ в целом при их выполнении резонансным методом [59, 61].

Рис.4.70.Характерные разрушения льда при наличии свободной кромки сплошного льда

Во время испытаний амфибийного СВП "Тайфун - 02" на льду Горьковского водохранилища (рис.4.71-4.74) были получены количественные характеристики резонансных ИГВ в натурном льду с помощью инструментальных измерений профиля деформированной поверхности ледяного покрова (рис.4.75). Испытания проводились по разработанной программе, согласно которой выполнялась синхронная во времени регистрация кинематических параметров СВП, траектории движения, параметров ИГВ и внешних условий [39]. В опытах производилась фотосъемка характерных режимов движения СВП и процессов волнообразования, регистрация характера распространения трещин в ледяном покрове, определение размеров обломков льда и ширины канала на режимах, которые приводили к разрушению ледяного покрова.

Рис.4.71. СВП "Тайфун - 02"

Рис.4.72.Маневрирование СВП "Тайфун - 02" для измельчения льда

Рис.4.73.Разрушение сплошного льда СВП "Тайфун - 02"

Предварительные испытания СВП показали, что при движении судна на докритическом и закритическом режимах разрушения льда не происходило - ледовый покров по линии движения судна покрывался густой сетью трещин. Для количественной оценки данного явления на произвольно выбранном участке акватории по размеченной испытательной полосе льда выполнялись последовательные проходы судна на неизменном удалении от установленных на льду датчиков прогибов. Результаты испытаний судна со скоростью 11,5 м/с представлены на рис.4.75 (толщина сплошного льда в опытах была 0,26 м, толщина снега - 0,1 м).

Рис.4.74.Выполнение первого прохода по ледяному покрову СВП "Тайфун - 02"

Рис.4.75.Характер изменения прогибов ледяного покрова при последовательных проходах СВП с постоянной скоростью

Анализ результатов показал, что наиболее существенное количественное различие в амплитудах ИГВ наблюдается между первым и вторым проходами СВП. Появление сети трещин во льду после первого прохода привело к увеличению амплитуды ИГВ до 20 %.

Основной целью экспериментальных исследований в натурных условиях с СВП "Тайфун - 02" было определение критических скоростей, при которых происходит разрушение льда, и установление основных закономерностей волнообразования в ледяном покрове при движении СВП с разными скоростями (рис.4.76). Испытания СВП по разрушению льда резонансным методом в ледяном покрове толщиной 0,1 м показали, что сплошной лед разрушался непрерывно во всем диапазоне скоростей движения судна.

Рис.4.76.Разрушение сплошного льда СВП "Тайфун - 02"

Ширина канала битого льда составляла 4 - 5 ширин воздушной подушки (ВП) СВП. Амплитуды ИГВ при некоторых скоростях движения составляли около метра при их длине 19 - 26 м. Схема разрушения ледяного покрова показана на рис.4.77, где можно выделить три характерные области разрушенного льда: канал шириной 4 - 5 ширин ВП полностью разрушенного льда с участками открытой воды и наслоением льдин; область поперечных трещин, расположенных под углом 60 - 70⁰ к линии движения судна; отдельные трещины, распространяющиеся на расстояние 25 - 30 ширин ВП от линии движения СВП. Максимальная толщина льда, разрушенная резонансным способом составила 0, 32 м. Скорость движения СВП изменялась в диапазоне от 3,5 до 20 м/с. Датчики прогибов были установлены по линии движения СВП и в поперечном направлении. Это позволило определить пространственную картину волнообразования и интенсивность затухания колебаний в зависимости от расстояния от источника возмущения (рис.4.78). Характер деформаций льда при различных скоростях движения СВП показан на рис. 4.79. Критические скорости определялись по графическим  зависимостям максимальных амплитуд от скорости.

Рис.4.77.Схема разрушения ледяного покрова толщиной 0,1м: 1 - судно на ВП; 2 - канал полностью разрушенного льда; 3 - поперечные трещины; 4 - отдельные трещины во льду

Во время испытаний СВП "Тайфун - 02" было установлено, что режим движения с критической скоростью целесообразно определять по максимальному дифференту на корму, что соответствует наибольшему волновому сопротивлению (рис.4.80 - 4.82). При таком режиме движения кормовая часть ВП совпадает со впадиной ИГВ, а носовая - с вершиной волны, т.е. центр тяжести судна находится в точке перегиба (пучности) ИГВ. При этом экспериментально полученные значения критических скоростей отличались от теоретических значений для мелководья.

Рис.4.78.Движение СВП "Тайфун - 02"  в сплошном льду

Рис.4.79.Зависимости прогибов ледяного покрова от скорости движения

СВП "Тайфун - 02", при глубине воды 6 - 8 м

При движении СВП в акватории переменной глубины (чередование впадин и вершин) ледяной покров разрушался на локальных участках ("пятнами"). Движение СВП с отрицательными ускорениями (торможение) повышало эффективность резонансного разрушения ледяного покрова.

При разгоне СВП от нулевой скорости до максимальной с ускорениями в диапазоне от 0,5 до 1,0 м/с² амплитуды колебаний льда не превышали амплитуд на установившихся режимах движения [39]. Максимальные прогибы отмечались в кормовой оконечности судна в моменты, когда скорость была близка к критической. Переход СВП, движущегося с постоянной скоростью с малой глубины на большую сопровождалось ростом скорости ИГВ, которые начинали догонять судно. В момент встречи гребней волн с кормовой оконечностью судна их амплитуды резко возрастали. При дальнейшем движении ИГВ обгоняли судно и быстро затухали. При переходе СВП с большой глубины на малую скорость ИГВ уменьшалась. Волны начинали отставать от судна и их амплитуды заметно уменьшались.

Рис.4.80. Выполнение маневров для повышения эффективности разрушения льда (поступательное движение  вдоль кромки ледяного покрова)

Рис.4.81.Испытания СВП "Тайфун - 02" в сплошном льду вблизи берега

Если при движении на большой глубине ледовой покров разрушался резонансным методом, то при переходе на предельно малую глубину в ледяном покрове образовывались густая сеть трещин без полного его разрушения (рис.4.83). Результаты опытов с натурными СВП для пресноводного льда явились основой для разработки инструкции по применению СВП в качестве ледоразрушающего средства, устройств и способов повышения эффективности резонансного метода разрушения льда [141-150].

Рис.4.82.Поступательное движение СВП "Тайфун - 02"с последующим Разворотом

а)
б)

Рис.4.83.Характер разрушения ледяного покрова при движении СВП "Тайфун - 02" в

условиях ярко выраженного мелководья: а- после первого прохода; б - после

последующих проходов судна

Рис.4.84.Создание ледового канала в сплошном льду СВП "Тайфун - 02" на циркуляции

Выполненные экспериментальные исследования позволили установить, что к числу параметров СВП и ледовых условий, определяющих толщину разрушаемого льда резонансным методом, относятся: водоизмещение СВП, давление в воздушной подушке; удлинение судна; скорость, траектория и режимы его движения, физико-механические характеристики льда; глубина акватории; наличие в ледяном покрове локальных разрушений; заснеженность и заторошенность льда; наличие ледового растяжения-сжатия, и течения [61]. При относительной же стабильности свойств льда в зимний период, постоянстве среднего давления в ВП для каждого класса СВП, незначительном влиянии формы в плане СВП на НДС сплошной ледяной пластины и незначительной неоднородности ледяного покрова в естественных условиях,  определяющей характеристикой СВП, от которой в основном зависит толщина разрушаемого льда, является водоизмещение. 

Для оценки ледоразрушающей способности ИГВ предложен критерий: предельная плотность потенциальной энергии изгиба ледяной пластины, достижение которой приводит к началу непрерывного разрушения льда нагрузкой движущейся с резонансной скоростью. Величина U определена по теоретическим полям напряжений, рассчитанным для экспериментально полученных минимальных значений нагрузок, разрушающих ледяной покров при ИГР [58]. Результаты расчетов U при ИГР для экспериментально полученных значений разрушающих нагрузок показали относительно стабильные значения плотности энергии (Приложение, табл.3). По результатам проделанных опытов среднее значение предельной плотности составило U=650 Дж/м³.

Экспериментальная зависимость толщины разрушаемого льда от параметров движущейся нагрузки получена в результате экспериментов по разрушению льда резонансным методом моделями СВП, полунатурными и натурными СВП. Определить значение разрушающей нагрузки (водоизмещения) D от толщины ледяного покрова h и давления в ВП P_ВП при резонансной скорости можно с помощью зависимости, представленной в Приложении  (рис.П.1.). Там же по диаграмме  (рис.П.2.) можно определить эффективную скорость СВП в сплошном льду, битом льду или на чистой воде [58].