Jäänmurtaja

Jäänmurtaja on laiva, joka on suunniteltu vesistön pinnalla olevan jään särkemiseen vesiväylältä, satamasta tai muulta alueelta. Se mahdollistaa talvimerenkulun merialueilla, joilla vesi jäätyy ja joilla satamat olisivat muuten kiinni jopa useita kuukausia vuodessa. Alus murtaa jään omalla painollaan ja painaa syntyneet jäälohkareet sivuilleen ja alleen. Näin syntyy kulkukelpoinen uoma murtajalle itselleen tai avustettavina oleville muille aluksille.
Jäänmurtajan ja jäissä kulkuun pystyvän (jäävahvisteisen) aluksen olennaisin ero on se, että jäänmurtaja pystyy omin avuin irrottautumaan jäästä, kun sen vauhti pysähtyy ja se tarttuu jäähän kiinni. Irrottautumiseen ei riitä pelkkä suuri koneteho, vaan siihen tarvitaan erikoislaitteita, kuten kallistus-, viippaus- tai ilmahuuhtelujärjestelmää tai keulapotkureita.

Jäänmurto ja avustus

Tasaisen jään murtuminen taivutuksesta ja murskaantuminen kuluttaa kokonaisenergiantarpeesta vain muutaman prosentin. Jäänmurtajan edetessä hitaasti eniten energiaa kuluu jään upottamiseen hydrostaattista painetta vastaan. Nopeammin liikuttaessa eniten energiaa kuluu jään kääntämiseen ja kiihdyttämiseen upotuksen aikana. Jokaiseen jäänmurtamisen vaiheeseen sisältyy melkoinen kitka murtajan rungon ja jään välillä.
Avustettavan aluksen irrottamiseen jääkentästä murtaja tarvitsee hyviä ohjailuominaisuuksia ja ketteryyttä. Kun jäät aluksen ympärillä on rikottu, niin tavallisesti jäänmurtaja kulkee edellä tehden uomaa eli ränniä, jossa yksi tai useampi avustettava seuraa. Jos uoma on raskaskulkuinen, avustettava alus murtajaan verrattuna leveä tai jäiden liike sulkee uoman nopeasti, tarvitaan hinausta. Jos olosuhteet sallivat tasaisen kulun, niin voidaan käyttää pitkää, 50–100-metristä hinauskaapelia. Hinaukseen liittyy kuitenkin päälleajoriski, jos murtaja pysähtyy jääesteeseen.
Yleensä käytetään haarukkahinausta, jossa murtajalta annetut kaksi vaijeria kiinnitetään avustettavan aluksen pollareihin ja aluksen keula vedetään kiinni murtajan peräosassa olevaan syvennykseen, hinaushaarukkaan. Tällainen kahden aluksen kytkye etenee tehokkaasti molempien käyttäessä potkureitaan. Hinattavan aluksen noudattaessa murtajan antamia ohjeita ruori- ja koneohjailussa se toimii samalla kytkyeen aktiiviperäsimenä. Kurssia muutettaessa hinattavan aluksen on käännettävä ruoria päinvastaiseen suuntaan kuin normaalisti, jotta kytkye kääntyisi haluttuun suuntaan.

Kallistelu ja viippaus

Jäähän juuttuneen murtajan keinuttamisen tarkoituksena on aluksen rungon ja jään välisen lepokitkan muuttaminen liikekitkaksi, jolloin murtajan eteneminen helpottuu. Liikkuvan murtajan kallistelu ei enää nopeuta sen kulkua.
Kallistelujärjestelmä pumppaa vettä murtajan toisella laidalla olevista tankeista toisella laidalla oleviin tankkeihin. Jäänmurtaja Urhon kolme pumppua voivat siirtää vettä 230 kuutiometriä minuutissa. Näin 610 kuutiometriä painolastivettä siirtyy laidalta toiselle noin 50 sekunnissa ja Urholle saadaan 13 asteen maksimikallistus.
Trimmi- eli viippausjärjestelmässä vettä siirretään nopeasti murtajan keulaosassa ja peräosassa olevien tankkien välillä. Näin murtajan keula ja perä saadaan nousemaan vuorotellen puolen metrin verran.
Uusissa murtajissa käytetään vaakatasossa 360 astetta kääntyvää Azipod-ruoripotkuria. Kääntelemällä sitä edestakaisin saadaan murtajan perä sivuttaisliikkeeseen, joka korvaa kallistelun, eikä murtajaan tarvitse rakentaa lainkaan kallistusjärjestelmää.

Ilmahuuhtelu

Kallistusjärjestelmä tarvitsee paljon tilaa ja painaa paljon. Keulapotkurit taas ovat kalliit, haittaavat avovedessä kulkua ja vaativat lisäkonehuoneen. Siksi ne eivät sovellu kauppa-aluksiin, joita varten on kehitetty ilmahuuhtelujärjestelmä. Se soveltuu myös polaarijäänmurtajiin, joissa keulapotkurit eivät kestä Jäämeren kovia ja paksuja jäitä.
Ilmahuuhtelussa eli ilmapulputuksessa laivan keulassa, vesiviivan alapuolella olevien reikien kautta puhalletaan veteen paineilmaa. Ilmakuplien noustessa pintaan ne saavat veden virtaamaan mukanaan ylöspäin, ja tämä vesivirta pienentää rungon ja jään välistä kitkaa. Kun kaikki ilma puhalletaan vain toiselle puolelle, saadaan alus kääntymään. Tunneliohjauspotkuriin verrattuna järjestelmän hyötysuhde on huono, ja alus reagoi ohjailuun paljon hitaammin. Ilmahuuhtelu toimii kuitenkin luotettavasti vaikeissakin oloissa. Pienellä nopeudella kuljettaessa ilmahuuhtelulla on sama vaikutus kuin pääkoneen tehon kaksinkertaistamisella.

Keulapotkurit ahtojäissä

Yksi keino aluksen rungon ja jään välisen kitkan pienentämiseen on rungon huuhtelu keulapotkurien synnyttämän vesivirran avulla. Keulapotkurien avulla murtaja selviytyy paksunkin jäävallin läpi, kunhan valli ei ole yhtä jääkappaletta.
Tuuli saa jään liikkeelle ja kasautumaan röykkiöiksi. Tällaiset kasautumat, ahtojäät, muodostavat pitkiä harjanteita eli ahtojäävalleja. Vallin näkyvää osaa nimitetään harjaksi ja vedenalaista osaa köliksi. Jäävallissa on Arkhimedeen lain mukaisesti vedenpinnan alapuolella 8–10 kertaa niin paljon jäätä kuin pinnan yläpuolella. Itämerellä on mitattu vedenpinnasta 3,5 metrin korkeudelle ulottunut valli, joka oli 31,5 metriä syvä. Yleensä vallit ovat 0,5–2 metriä korkeita. Itämerellä tyypillisessä metrin korkuisessa ahtojäävallissa on vedenpinnan alapuolella parimetrinen kerros ydinjäätä eli yhteenjäätyneitä jäälauttoja. Niiden alla voi olla 8-metrinen vyöhyke lähes irrallisia jäälauttoja ja jääsohjoa. Tällainen röykkiö siirtyy helposti sivuun murtajan edestä.
Arktisten merien monivuotisissa jäävalleissa saattaa olla 5–6 metrin paksuudelta kiinteää ydinjäätä, jollaisen murtamiseen keulapotkurit eivät kykene, vaan tarvitaan muunlaista murtotekniikkaa.
Keulapotkurien käyttö on ilmahuuhtelua tehokkaampi menetelmä rungon huuhteluun. Ne myös auttavat aluksen ohjailussa hitaasti kuljettaessa: alus voi kääntyä paikallaan ja kulkea sivuttain.

Muita menetelmiä

Pienissä sisävesialuksissa käytetty jäissä liikkumiskykyä parantava laite on tärinäherätin. Se perustuu siihen, että keulakannella pyörivä muutaman tonnin epäkesko saa aluksen keulan tärisemään, jolloin jään ja rungon välinen kitka pysyy liikekitkana.
Eräs keino optimoida aluksen kulku sekä jäissä että avovedessä on tehdä aluksesta kaksitoiminen. Tällainen DAT (double acting tanker)- tai DAS (double acting ship) -alus kulkee avovedessä keula edellä ja jäissä perä edellä. Menetelmää käytti jo 1880-luvulla Amerikan suurilla järvillä murtaja Algomah kulkiessaan vaikeissa jääoloissa takaperin. 
Uudelleen em. tapaa alkoivat käyttää 1990-luvulla rakennetut alukset, joissa on atsimutaaliset 360 astetta kääntyvät potkurijärjestelmät. Suomalaisista aluksista Nordicassa ja Fennicassa on Aquamaster-potkurilaitteet ja Botnicassa Azipod-potkurilaitteet. 
Vinomurtaja on kokeiluasteella oleva alustyyppi, joka kulkisi joko normaalisti keula edellä tai vinosti sivuttain. Vinokulussa syntyisi riittävän leveä uoma suurillekin aluksille, jos idea toimii myös käytännössä.
Nykymurtajista on pyritty tekemään monitoimialuksia, jotta niitä voidaan käyttää myös avovesillä. Perinteinen pullea murtajatyyppi on vahva ja kulkee hyvin jäissä mutta on avovedessä kiikkerä ja paljon tehoa vaativa. Nykymurtajien keinumista vähennetään palleköleillä ja aktiivisella keinunnanvaimennuksella, joka pumppaa vettä edestakaisin tankista toiseen.