Традиционно ледоколы предназначались для продления осенней и весенней навигаций. Ледопроходимость назначалась по результатам модельных испытаний по «летнему» льду с изгибной прочностью 0,6…0,5 МПа (соответствует температуре льда ок. -20°С). С переходом на круглогодичную навигацию возникает необходимость в дополнительном определении (назначении) ледопроходимости для зимнего льда, так как он значительно прочнее. Ледопроходимость уменьшается в 2 раза при увеличении прочности льда в 4 раза. В связи с этим возникает потребность в получении ответа на вопросы: какие существуют льды на традиционной и высокоширотной трассах СМП, какова их толщина и прочность?

Роман Квитковский, инженер-кораблестроитель

Толщина и прочность определяют величину разрушающей нагрузки на кромку льда. Именно такую нагрузку должен создавать ледокол при ломке льда, двигаясь с минимально устойчивой скоростью. Основные моменты физической модели взаимодействия корпуса ледокола со льдом представляют собой наползание корпуса на кромку льда, резкое торможение и ее проламывание, образование в носу полыньи с обломками льда, разгон ледокола до прежней скорости и встреча с новой кромкой льда. И это определяет основные параметры ледокола (водоизмещение, мощность, длина).

Физическая модель взаимодействия корпуса ледокола со льдом

Существует две точки зрения на движение ледокола во льдах предельных толщин с минимальной устойчивой скоростью. Первая – циклическое движение с изменяющимся дифферентом (В.И. Виноградов, Л.М. Ногид и др.); вторая – плоское движение ледокола (В.И. Каштелян, Б.П. Ионов и др.).

Свободно плавающий ледокол, как и любое судно, подвергаясь силовому воздействию (ветер, волны, лед), отвечает равновеликой силовой реакцией, которая наблюдается в виде дифферента (ψ), крена (θ). Одновременно работа этих сил накапливается (аккумулируется) в виде потенциальной энергии ледокола в обеспечение возврата в исходное положение после снятия внешнего силового воздействия (принцип минимума потенциальной энергии).

Силовая реакция ледокола представляет собой пару сил – массы ледокола (D) и сил плавучести (γV).Плечо пары сил равно произведению метацентрической высоты (H, h) на синус угла наклонения или просто углу при малых наклонениях (ψ, θ в радианах), называемых плечами продольной статической остойчивости lψ = Hψ, поперечной статической остойчивости lθ = hθ. Работа пары сил продольных наклонений (дифферентование) A = DHψ*ψ по величине представляет собой потенциальную энергию подъема центра масс ледокола с плечом, именуемым плечом продольной динамической остойчивости, и аналогично для поперечных наклонений. Вывод: при наличии замеренных углов наклонений можно получить достаточно достоверные данные о силовом воздействии на ледокол, а зная зоны контакта льда и его толщину, можно судить об интегральной прочности льда.

Значение метацентрических высот, диаграммы статической остойчивости для различных состояний ледокола приводятся в эксплуатационных документах.

Рассматривая первую точку зрения, следует отметить, что физическая модель взаимодействия корпуса ледокола со льдом, при предельных толщинах с устойчивой минимальной скоростью, представляется повторяющимися циклами с пиковым характером дифферента длительностью прядка нескольких секунд с интервалами между пиковыми значениями. Этот процесс начинается со сминания кромки льда (удара) и наползания форштевня ледокола на кромку льда благодаря кинетической энергии массы ледокола и, соответственно, увеличению вертикальной проламывающей лед силы вследствие увеличения дифферента, резкого торможения. С достижением критической величины проламывающей силы образуется продольная трещина впереди форштевня, затем кольцевая трещина и первый сектор облома, далее вступают в контакт борта корпуса, что приводит к следующему секторному облому ледяного поля, образованию полыньи с обломками льда, далее – разгон в полынье до первоначального значения скорости, встреча с новой кромкой льда. Затем цикл повторяется. Одновременно с этим может быть крен. Наличие крена говорит о разной толщине или прочности льда по бортам.

В свое время в период ходовых ледовых испытаний атомного ледокола «Арктика»-1975 был записан циклический пиковый характер дифферента, зарегистрированы крены (качка). Также был зафиксирован так называемый «постоянный» дифферент, свидетельствующий о действии сил плавучести, притопленного, ушедшего под днище льда в носовой части ледокола. Имели место провалы пиковых значений дифферента в зону «постоянного» дифферента длительностью в несколько секунд. Объяснение этому явлению – выталкивание обломков льда, облегающих корпус, за пределы корпуса при резком уменьшении дифферента в момент проламывания льда.

При работе набегами (с разгона), когда толщина льда больше предельной, физическая модель представляется как серия циклов, подобных тем, что существуют при устойчивом ходе в предельном льду, но с большим дифферентом, т.е. с большей проламывающей силой. Циклы следуют значительно быстрее, один за другим, на дистанции выбега, так как кинетическая энергия ледокола при набеге на порядок больше по сравнению с ходом в предельном льду. Если лед окажется еще толще или прочнее, то происходит заклинка ледокола, то есть его остановка. Увеличение скорости разгона – набора большей кинетической энергии массы ледокола может не решить проблему, а усугубить. Что однажды и произошло с ледоколом «Сибирь». Намереваясь пробить перемычку, увеличили разгон, да так, что судно выскочило на лед и стало терять остойчивость (заваливаться на борт). Только благодаря оперативно выполненному реверсу ледокол не остановился и сошел со льда. Такая ситуация возникла в связи с отсутствием у судоводителя данных о толщине льда и его прочности, а также о возможностях ледокола. Вывод: на ледоколе должны быть средства дистанционного измерения толщины льда и оценка его прочности, а также механическое ограничение предельного наползания ледокола на лед.

Что касается второй точки зрения, то «первоначально в контакт со льдом вступает форштевень ледокола. В результате местного смятия и скалывания льда в сплошном ледяном поле образуется прорезь, форма которой соответствует форме форштевня. По мере продвижения судна в контакт со льдом вступают участки борта, непосредственно прилегающие к форштевню. В результате смятия кромки льда образуется зона контакта, достаточная для разрушения льда изгибом на отдельные сектора» (Б.П. Ионов, Е.М. Грамузов. «Ледовая ходкость судов». С.-Петербург, «Судостроение», 2001, стр. 150).

Трассы СМП

Трассы СМП рассматриваются без учета потепления. Между тем метеорологи отмечают максимум потепления в 2015 году, а теперь наступает период возврата к имевшимся ранее климатическим условиям.

Согласно прогнозу развития фона климатических и ледовых условий в Арктике в XXI в., к 2030-2040 годам ожидается постепенный переход к холодному периоду с повышенным фоном ледовитости в арктических морях. Характеристики этих условий будут близки характеристикам, соответствующим холодному периоду в XX в., с присущей им межгодовой изменчивостью. Повышенный фон ледовитости арктических морей приведет к увеличению протяженности пути плавания в сплоченных льдах и сокращению периода безледокольного плавания.

Трасса СМП в сложившемся понимании проходит вдоль береговой линии северных морей. По ледовым условиям делится на Западный и Восточный секторы. В Западном секторе температура воздуха не опускается ниже минус 45°С, льды однолетние толщиной до двух метров. В Восточном секторе температура воздуха опускается ниже минус 55°С (зафиксирована температура -57,7°С), ледовая обстановка характеризуется наличием паковых (многолетних) льдов даже летом. Толщина льдов может достигать 3,5 метров и более.

Трасса СМП по дуге большого круга по температурному режиму может рассматриваться минус 45°…55°С, ледовому режиму – паковые льды на большей части трассы толщиной 3,5 метра.

Разрушение кромки ледового поля

Многочисленные исследования разных авторов показывают простую зависимость разрушающей силы (проламывающей силы) ледовое поле, как произведение коэффициента на толщину льда в квадрате. Для полубесконечной ледовой пластины (ледового поля), характерного для контакта форштевня ледокола с кромкой льда, М.К. Таршис предложил зависимость:

F=1,64σ_иh², где F – проламывающая сила в т; σ_и – изгибная прочность в т/м², h – толщина льда в м (Ледовое сопротивление судов. Сб. науч. тр. Мурманск. высш. мореход. училище,1957. Вып. 1, с 88-89).

Коэффициент в приведенной формуле, рассчитанный по ледовым испытаниям «Арктики»-1975, составил величину 1,706.

При разработке РД 39-091-91, Руководящего документа – «Инструкция по безопасному ведению геолого-разведочных работ на морском припайном льду» были проведены исследовании несущей способности кромки ледового поля. В результате была введена разработанная нормативная формула:

P=100-125Σkh², где P – несущая способность кромки ледового поля, коэффициенты: 100 – колесная техника, 125 – гусеничная, Σk – произведение нескольких поправочных коэффициентов, таких как коэффициент запаса, температурный коэффициент и др., h – толщина льда. Как видно, структура формулы в сравнении с предыдущей – одинаковы. Важным обстоятельством является то, что в РД дана численная величина несущей способности ледовой пластины, получившей продольную трещину, равная 0,85. То есть правая и левая ее части несут нагрузку 0,43 от целостного состояния. Применительно к ледоколу это можно видеть на записи пикового дифферента присутствием сачков в самой верхней ее части.

Величины проламывающих сил для толщины льда 3,5 метров с изгибной прочностью 1,6 МПа (16 кг/м²=160 т/м²) и 2,4 МПа (24 кг/м²=240 т/м²)по вышеприведенным формулам составят:

F1,6=1,706σ_иh²=1,706 . 160 . 3,52=3344 т.

F2,4=1,706σ_иh²=1,706 . 240 . 3,52=5016 т.

В соответствии с физической моделью, приведенной ранее, такие усилия должны развиваться на форштевне, корпусе при дифферентовании ледокола (наползании его на лед), успешно преодолевающего ледовое поле с минимально устойчивой скоростью.

Основные параметры прогнозного ледокола круглогодичного плавания

Отправными параметрами прогнозного ледокола круглогодичного плавания приняты параметры, опубликованные в «МФ» № 6 за 2015 г. Для изгибной прочности льда 1,6 Мпа – водоизмещение 79600 т, мощность 200 МВт, для прочности льда 2,4 Мпа – водоизмещение 100300 т, мощность 300 МВт.

Проверке подлежит возможность развития вышеприведенных проламывающих сил ледоколом принятых параметров. Приближенно проверка выполняется по метацентрическим формулам. Связь проламывающих сил с параметрами ледокола (при существующей схеме работы ледокола) выглядит следующим образом:

F=1,706σ_иh²=DHψ: L/2.

Произведение DHψ – момент пары сил массы и плавучести ледокола. Углом дифферента ψ отвечает ледокол на силовое воздействие силы F.Деление момента пары сил на половину длины ледокола L/2 дает саму величину силы F. Анализируя зависимость, видно, что сила F прямо пропорциональна водоизмещению(D), метацентрической высоте (H) и углу дифферента (ψ). В свою очередь водоизмещение зависит от длины (L) в первой степени, метацентрическая высота зависит от длины (L) в кубе, а деленная на Lв общем будет зависеть в третьей степени. Для плавающих ледоколов HиL очень близки и поэтому могут быть сокращены. В таком случае проламывающая сила будет просто равна произведению удвоенного водоизмещения на угол дифферента, то есть зависимость от длины (L) в первой степени. В рассматриваемом случае предполагается, что соотношение главных размерений будет существенно отличаться от существующих ледоколов. В связи с этим требуется выполнение проработки по выбору, по сути дела, одного параметра – длины ледокола(L).

Основополагающими положениями проработки являются:

– исходные водоизмещения приняты по статистическому графику: «Ледоколы СМП…» 79600 т и 100300 т;

– угол дифферента (динамический) для начального (приближенного) рассмотрения при работе ледокола в предельных льдах принят ок. 0,5°, как зафиксированный на «Арктике»-1975;

– ширина однозначно диктуется шириной газовозов «Ямал СПГ» 50 м;

– осадка принимается 12 метров;

– особенностью конструкции корпуса должен быть максимальный отвод битого льда под кромку канала.

Определение длины (L) проводится прямым счетом вариацией коэффициентов общей полноты по выражению D = γLBTδ. Для каждой длины прорисовывается ватерлиния с определением момента инерции площади ватерлинии (Jy) относительно поперечной оси (продольный момент инерции). Далее находится метацентрический радиус (R) по зависимости:

R = Jy: V, где V – объемное водоизмещение. Снимая значение аппликаты центра величины с прорисованной идеи теоретического чертежа и задаваясь возвышением центра тяжести, находится метацентрическая высота: H = R + Z_c–Z_g. Подставляя полученные значения H и L в выражение 1,706σ_иh² = DHψ: L/2 ,находится нужное равенство.

Проверка минимально устойчивого хода выполняется по энергетической методике ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова (Выпуск 30230, 1983). Расчетная разгонная скорость в цикле составляет для «СМП-200» 2,5 узла, «СМП-300»3,0 узла и, соответственно, средний минимально устойчивый ход ок. 1,85 узла и ок. 2,24 узла.

В результате выполненных предварительных проработок основные параметры определились следующие:

Ледокол «СМП-200» (изгибная прочность льда 1,6 МПа, толщина 3,5 м)
Длина по ватерлинии – 247 м
Ширина по ватерлинии – 52 м
Осадка – 2 м
Водоизмещение – 79600 т
Коэффициент общей полноты – 0,5039
Угол наклона форштевня – 170
Угол подъема днища – 100
Мощность на валах – 200 МВт
Упор винтов – 1960 т

Ледокол «СМП-300» (изгибная прочность льда 2,4 МПа, толщина 3,5 м)
Длина по ватерлинии – 296 м
Ширина по ватерлинии – 52 м
Осадка – 12 м
Водоизмещение – 100300 т
Коэффициент общей полноты – 0,5298
Угол наклона форштевня (φ) – 170
Угол подъема днища – 100
Мощность на валах – 300 МВт
Упор винтов – 2940 т

На рисунках 1 и 2 приведены графические зависимости от дистанции цикла, возникающие проламывающие силы, максимальные значения сопротивления движению от наползания на лед ледокола, составляющие сопротивления при разгоне и как меняются скорости при торможении и разгоне.

Рис. 1. График зависимости от дистанции цикла проламывающей силы, максимального сопротивления, составляющих сопротивлений разгона и скорости ледокола в цикле

Рис. 2. График зависимости от дистанции цикла проламывающей силы, максимального сопротивления, составляющих сопротивлений разгона и скорости ледокола в цикле

Дистанция цикла принята по зависимости r = 0,785 [(E*h2):(3*ρв*g)]^0,25, где E – модуль упругости льда (температура -25°С E=9.10⁴ кг/см², температура -35°С E=9,8.10⁴ кг/см²); h – толщина льда в м; ρв – плотность воды, т/м³; g – ускорение свободного падения (9,8 м/с²).

Дифферент носом: «СМП-200» ΔT_н= L:2* ψ = 247 : 2*0,0088=1,087 м. Наползание х=ΔT_н :tgφ = 1,087 : 0,3057 = 3,56 м..

Дифферент носом: «СМП-300» ΔT_н= L:2* ψ = 296 : 2*0,0088=1,302 м. Наползание х =ΔT_н : tgφ = 1,302 : 0,3057 = 4,26 м.

Максимальное сопротивление движению (момент наползания ледокола на лед) связано зависимостью с проламывающей силой R_x=R_z*k_x, где k_x=[(sinφ +ϯ1 *cosφ) : (cosφ -ϯ1 *sinφ) + tgφ], ϯ1– приведенный коэффициент трения, определяемый ϯ1=ϯ*[1 + (sin²φ) : (tg²φ)]^0,5, коэффициент трения ϯ принят 0,1 (рис.3).

Рис. 3. Значение коэффициента Kx от угла наклона форштевня

«Постоянный дифферент» принят по пересчету от дифферента а/л «Арктика»-1975 в период ледовых испытаний, принимая во внимание его прямую зависимость от толщины льда и обратно пропорционально отношению метацентрической высоты к длине.

В дополнение представляется целесообразным привести некоторые идеи конструктивных особенностей прогнозных ледоколов:

1. На атомных ледоколах порядка 80% тепловой энергии ГЭУ отводится в окружающею среду (коэффициент полезного действия ГЭУ пр. 22220 70: 2*175 = 0,2, т.е. 20%). Есть резон использовать ее для улучшения ледокольных качеств ледокола, а именно:

– двойные борта, форпик, ахтерпик используются как охладители ГЭУ;

– наружные борта, форпик, ахтерпик подогреваются охлаждающей водой ГЭУ в обеспечение гарантированного жидкостного трения корпуса о лед, исключающего образование «ледовой подушки», легкий сход ледокола при заклинках, уменьшающий трение корпуса с обломками льда в канале;

– угол наклона форштевня 17° в сочетании с подогревом наружной обшивки корпуса должен способствовать увеличению эффективности работы ледокола.

2. Подъем днища в 10° призван способствовать отводу обломков льда под кромку канала за счет скольжения от сил плавучести, которые больше сил трения.

3. Балластная система открытого/закрытого типа.

4. Креновая система с возможностью умерения и генерации качки.

5. Дифферентная система с возможностью быстрой перекачки.

6. Ледокол как измеритель интегральной прочности льда в натурных условиях. По измеренному дифференту и крену (динамическим), при наличии непрерывного бесконтактного измерения толщины и температуры льда, знания мест контакта, можно получать его натурную прочность.

7. Ледовый пояс корпуса судна выполняется из стали плакированной нержавеющем слоем. Остальная подводная часть корпуса металлизируется плазменным способом стойкими к коррозии металлами.

8. Увеличение ледопроходимости возможно, если создать условия отделения части массива льда впереди ледокола от общей массы (хотя бы в пределах его ширины), превратив его в так называемые клавиши. В пользу этой гипотезы говорят такие факты:

– испытания несущей способности кромки льда при разработке РД-39-091-91 показали, что с появлением трещины в перпендикулярном направлении к кромке льда ее несущая способность уменьшается на 14 …15%;

– методы испытания образцов льда дают разную изгибную прочность льда (σ), соотносящихся как 1σ_б : 2,8σ_к : 0,65σ_ц = 1, соответственно, для балки на двух опорах, для консоли и консоли на плаву, называемые клавишами, и для круговой пластины, нагруженной в центре. Как видно, клавиши (консоли) показывают в 2,8 раза меньшую прочность на изгиб (И.А. Степанюк. «Технология испытаний и моделирования морского льда», С-Петербург, Гидрометеоиздат, 2001, стр. 11).

Таким образом, можно ожидать значительное уменьшение проламывающей силы. Естественно, в процессе исследования и натурных испытаний может быть определено другое потребное количество прорезей.

Конструктивно выполнение прорезей можно себе представить как механическим способом (дисковая, цепная пилы), так и другим, например с помощью воды под большим давлением или лазерного резака по льду предприятия «Астрофизика» или ЦНИИ «Курс».

Морской флот №1 (2017)