НАДВОДНО-ПОДВОДНОЕ ПОЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ

Полезная модель относится к строительству гидротехнических сооружений. Успешность освоения подводной среды обитания зависит от адекватности восприятия и использования ее конкретных объективных требований. Внешние арктические экстремальные условия: промозглый холод, сильные ветры, снег и ледяной покров, белое безмолвие пустыни, длительные ночи и дни, набеги песцов и белых медведей можно избежать, переместив производственные, служебные и жилые помещения под лед и поверхностную воду, где температура постоянная около нуля, а помещения могут быть, исходя из производственной необходимости и комфортных условий с психофизиологическим учетом процессов труда и отдыха от малого до большого коллектива полярников. В настоящее время есть канадское предложение выполнять арктические работы, используя кессоны, например, патент RU №2064553, С1, 27.07.1996, Е02Д 23/00 по погружному передвижному кессону для морского бурения нефтяных скважин, обладающим ледовым сопротивлением. При этом необходима транспортировка кессона среди льдов, его высота наружных и внутренних стен по прямоугольному периметру должна превышать глубину океана в месте его установки так, чтобы верхняя палуба была бы выше уровня воды, перекрывая бассейн внутри кессона, заливаемый водой, в том числе через вырез с затвором в задней стене, с опорой под стенами и днищем из сплошного армированного строительного материала. Пространство двойных стен используется для балласта, для хранения нефти, а по бокам для двух буровых установок. Недостатки связаны с ограничением глубины, выполнением кессона под конкретное место эксплуатации, громоздкостью сооружения и затруднениями в доставке. С другой стороны, накоплен большой опыт работы с переменой плавучести, когда подъемная сила воздушного пространства, например, судоподъемного понтона повышенной прочности (патент RU №2123958, С1, 27.12.1998, В63С 7/04), емкостей цистерн для регуляции плавучести подводной лодки, лаборатории, производственного комплекса, например, для добычи полезных ископаемых (патент RU №2113377, С1, 20.06.1998, B63G 8/00) или самоходного подводного ресторана (патент полезной модели RU №69484, U1, 27.12.2007, B63G 8/22, прототип) регулируемо компенсируется заливом воды и снижением положительной плавучести до нулевой и отрицательной плавучести, а откачкой воды - с отрицательной плавучести выход на нулевую и при необходимости на положительную с конкретным для объекта техническим решением.
Цель полезной модели: разработать надводно-подводное полярное строение для труда и отдыха работников гидрометеорологических станций, геологоразведочных
партий, служб эксплуатации буровых установок, исследователей флоры и фауны на основе перемены плавучести с возможностью управляемых вертикальных и горизонтальных передвижений.
3
3
Для достижения цели предлагается надводно-подводное строение с бронированным корпусом здания, находящегося под льдом и поверхностной водой с выходной вертикальной закрытой сверху бронированной трубой по центру здания с люком для входа и выхода по винтовой лестнице полярников на льдину. Строение выполняется в виде круглого здания, что обеспечивает обтекаемость подводными течениями и плавность обхода льдинами корпуса строения радиусом, например, 5 м и включает помещения для лаборатории, работы и проживания полярников, а также отсек регуляции плавучести и балластный отсек. Внешняя герметичная стена корпуса здания, наружное покрытие крыши и дна, а также труба изготовлены из бронированной стали относительной плотностью 7,87 г/см. Изнутри брони потолок, стена корпуса и труба от низа до верха лестницы покрыты, например, двойным слоем алюминиевой фольги со стальными нитями внутри (используется для отопления, Ж. Сантехника, Отопление, Кондиционирование, С.О.К., №2, 2007 г.), в нашем случае позволяет нагревать броню стены и потолка для частичного таяния льда и наряду с переменой плавучести освобождать от примерзания к льдине при смене места расположения. Собственно внутренняя стена, пол отсека помещений и балластный отсек корпуса осуществлены из армированного бетона относительной плотностью 5,6 г/см. Армированная стена изнутри покрывается выстилкой внутренней поверхности корпуса строения теплоизоляционным слоем и еще двойным слоем алюминиевой фольги со стальными нитями, производя и отражая тепло серебристым экраном, который отдельно используется для отопления каждого помещения. На трубе в кают-компании делается второе алюминиевое покрытие на теплоизоляционный слой также с отдельным включением для отопления. Масса покрытия определяется по расходу использованного материала. Круглая труба внешним радиусом, например, 0,7 м и толщиной стены 2 см выполнена с винтовой лестницей вокруг центрального вертикального металлического стержня диаметром, например, 15-18 см, высотой на 3 м меньше высоты трубы, так же как и дренажная труба в отсеке регуляции, стоящим на поверхности балластного отсека и приваренным к его арматуре, с креплением ступеней к вертикальному стержню, к внутренней стене трубы и между собой. По внутренней стене трубы выполнены перила. Верхняя площадка утепленная. Труба образует по всему пространству лестницы переходную температурную камеру. На высоте от верхней лестничной площадки от 0,5 м вверх в трубе выполняется выходной люк. По краю
отверстия выходного люка на смонтированной внешней плоскости выполняется оребрение отверстия в металлическом каркасе радиусом 35-40 см, закрываемым слегка выпуклой крышкой с ребрами жесткости изнутри и ручками, боковые отводы которых штырями выходят наружу и удерживают крестовину от свободного вращения. Горизонтальный удлиненный запорный винт с вентилями на концах свободно проходит через крестовину с упором ее держателей в кронштейнах в полки- зацепы и в их закрытую боковую стенку в каркасе отверстия. При его выкручивании из неподвижного цилиндра с резьбой в центре крышки, подвижной и неподвижной плашками на винте крестовина отжимается наружу, а крышка с вакуумной износостойкой резиной в круглой канавке, приходящейся на оребрение отверстия, поджимается к корпусу люка. При открытии люка крышка снаружи поворачивается с вентилем в сторону через блок с держателем, который другим концом закреплен на подшипнике запорного винта. Между держателем и крестовиной, привязанный к ней, размещается утолщенный фетровый круг для утепления конструкции. Изнутри вход закрывается с лестничной площадки вторым вентилем.
3
3
3
3
3
Отсек регуляции плавучести выполняется под полом отсека помещений высотой 20 см, общей емкостью 14,924812 м, составляя вместимость океанической воды (при относительной плотности р=1,02 г/см) массой 15,223308 т, из которых 76,3082 кг положительной плавучести используются на компенсацию тяжести внутри отсека дренажных опорных стоек. Из объема 14,85 м 2 м (вместимостью воды массой 2,04 т) залиты водой, которая используется ее откачиванием от нулевой плавучести для подъема здания и трубы. Другие 2 м воздушного пространства при заливе водой гасят свою положительную плавучесть и здание идет на погружение от нулевой плавучести. При этом осуществляется балансировочная работа с постоянным балластом: тяжести стены, пола, балластного отсека, трубы, перегородок и потолка в отсеке помещений, там же мебели, оборудования, устройств, приборов лабораторного, офисного, жилищно-коммунального назначения и другого. Со стороны положительной плавучести также имеется фиксированная величина, которая определяется по формуле расчета плавучести. Другая часть балласта - переменная масса перемещаемых по трубе оборудования, устройств, груза, самих, например, пяти полярников на льдину и обратно с дополнительной массой снега и льда для пресной воды, через шлюзовую камеру под воду и обратно с массами пород грунта, образцов флоры и фауны. Такая переменная масса, учитывается в отрицательной плавучести здания, балансируется дополнительным объемом пространства воздуха отсека регуляции плавучести путем соблюдения равенства имеющейся перемещаемой массы в здании и обеспечения положительной плавучести по
3
3
3
3
требуемому параметру в отсеке регуляции, например, объемом в 0,7 м, вместимости массы воды 0,714 т. При выбытии из здания переменной массы равный размер по положительной плавучести одновременно гасится посредством залива равной массы забортной воды, а по возвращению вода одновременно удаляется до равенства масс, оставляя устойчивьм все строение по вертикальным перемещениям. Спецификой полярного строения является то, что расходуемые запасы питания, горюче-смазочных материалов, химических твердых, порошковых и жидких средств берутся сразу и на длительный срок с постепенным их использованием и утилизацией за стену здания, т.е. сперва в строении их повышенная тяжесть, которую необходимо учитывать в отрицательной плавучести, а потом нарастает положительная плавучесть. Такая задача решена следующим образом: в отсеке регуляции плавучести выделяется пространство, например, 8,5 м, вместимостью воды массой 8,67 т, в которое вода регулярно подкачивается по мере расходов запасов питания и других материалов, что позволяет сохранить для строения балансировочный уровень положительной и отрицательный плавучести. Использование забортной и питьевой воды для бытовых нужд принято во внимание по отсеку регуляции, например, объемом 1,15 м вместимостью воды массой 1,173 т, учитываемой в отрицательной плавучести здания. Остаток 0,5 м применяется для положительной плавучести, например, для поджима корпусом льдины снизу. Если создается избыток положительной плавучести, он наполовину заливается забортной водой (самобалансировка) и может участвовать в усилении одной или другой плавучести в зависимости от причинно-следственной связи, чтобы снова выйти на нулевую плавучесть.
Верхняя часть трубы, например, в 3 м находится над поверхностью льда, если его нет, то над поверхностью воды. Для устойчивости строения по вертикальному перемещению и устранения воздействия движением трубы на примороженную льдину на уровне лестничной площадки обеспечивается нулевая плавучесть строения, а колебания в размерах плавучестей желательны только в пределах удержания примороженной льдины к выходной трубе. Требуемый уровень обеспечивается при установке в полном комплекте и готовности к эксплуатации строения с погружением на расчетный уровень нулевой плавучести с возможной поправкой работой отсека регуляции. Далее несколько дней требуется на приморозку трубы, когда выход и вход в здание ограничен одним или двумя полярниками, такой период может быть короче, если здание с трубой переместить под водой на цельную часть льдины с вырубкой льда для трубы.
При необходимости выявляются резервы той или другой плавучести, которые будут использоваться, например, так как в строении перед переходом на новое место некоторое время жили и работали, то уже имеется некоторый размер положительной плавучести за счет расходных запасов, в том числе резервы помимо отсека регуляции, например, если слить воду дополнительной емкости в шлюзовую камеру и залить забортной водой емкость, то увеличится размер отрицательной плавучести до -1,6524 т, или слить воду из емкости и шлюзовой камеры, то увеличится размер положительной плавучести до +1,65 24 т, или сливать воду до возникновения балансировки при исчерпании возможностей отсека регуляции при чрезвычайных обстоятельствах. Создание положительной плавучести позволяет забрать при переходе наружное оборудование, которое своей массой будет ее гасить (при крупных габаритах наружного оборудования, его можно прикрепить снаружи к крыше торца или к стене трубы, другая доставка - по поверхности льдины). При недостатке тяжести берется лед, который одновременно пополняет запасы пресной воды. Строение погружается и переходит на новое место, уклоняясь от столкновения с подводным льдом.
Толщина льдины определяется по вычитанию из высоты трубы от крыши здания до выходной площадки лестницы высоты от крыши здания до льда подводной части льдины, например, установленным на верху крыши электронно-акустическим прибором, в т.ч. для контроля и мониторинга таяния льдины с передачей информации на пульт управления. К высоте от крыши здания до возможного низа льда при взломанной льдине во время размещения корпуса строения под водой можно добавить до 3/5 толщины формирующегося льда к высоте предлагаемых на крыше корпуса выдвижных вышек (при необходимости отделяемых). Это обеспечивает устойчивость здания на расчетной глубине, так как вышки надежно примораживаются и достаточно прочно удерживают трубу и корпус здания, чтобы не пользоваться отсеком регуляции при перемещении масс, использовании воды для бытовых нужд и т.д. Если выдвинутые вышки не будет примораживаться, то они выставляются высотой до низа льда с предварительным подводным обследованием льдины, замером ее толщины и с небольшой положительной плавучестью прижимаются до сопоставления уровней плоскостей выходной площадки и льда (в крайнем случае полярники могут выходить по трапу или спускаться по внешней лестнице). Тяжести техники, установок и устройств, группы полярников при выходе на лед увеличивают положительную плавучесть здания, а при возвращении приводят к исходной балансировке, что обеспечивает постоянное поджатие корпуса здания к низу льдины в пределах ее крепости и устойчивости строения по движениям вверх-вниз. При этом работа отсека регуляции практически не будет востребована при
достаточно крепкой льдине. При тонком или растаявшем льду строение всплывает и балансируется уровнем лестничной площадки выше поверхности льда на размер дополнительно использованной положительной плавучести. Возможен прием поджима крышей здания нижнего слоя льда незначительной положительной плавучестью. Подводные перемещения строения могут потребоваться в связи с дрейфом льдины. В ходе эксплуатации возможны всплытия в открытой воде, уходы глубже от наплыва подводного льда и пережидать проходы нагромождений льдов, дрейфовать вместе с льдиной или мелким льдом. Отсек регуляции внизу имеет четыре отводных коротких труб в стене или в балластном отсеке здания с насосами и счетчиками воды, расходомерами с выходом на пол помещения оператора или с передачей данных на пульт управления по двум трубам подачи забортной воды и двум ее откачивания с дублированием подключения одного насоса к аккумулятору. В полу отсека помещения оператора имеется отверстие для штока поплавкового реле для контроля за объемом залитой воды. Другим прибором у оператора на полу с отверстием в отсек регуляции является электронно-акустический прибор (Госреестр приборов России №29726-05, Самара, СГАУ), который постоянно передает информацию по уровню залива воды оператору на пульт управления. Вверху отсек регуляции имеет 4-6 трубок в отсек помещений для входа воздуха при откачивании воды и для его выхода при поступлении воды.
Забор морозного воздуха производится снаружи трубы с укрытием от снега и ветра. Воздуховод присоединен к короткой трубке, проходящей через броневое отверстие. Перед погружением кондиционер отключается, воздуховод снимается с трубки, разъединяются проходящие в воздуховоде провода, вытаскиваются из трубки и та герметично перекрывается. Над закрытым торцом трубы с лестницей установлены маячок, антенны спутниковых телевизионной, мобильной связи, систем GPS/ГЛОНАСС с проводами, проходящими через воздуховод с простым разъемом и выходящими из него через пространство кондиционера в служебном помещении. При погружении антенны и маячок снимаются с крыши и вносятся на лестницу. Воздуховод проходит под лестницей с выходом через стену трубы на потолок кают-компании и проходом через стену помещения оператора систем управления зданием к кондиционеру. От кондиционера выполнена разводка мультисплит - системы в лабораторные, служебные, жилищно-коммунальные помещения, в кают-компанию и на кухню. Вытяжной вентиляцией устраняется выдыхаемый и избыток подаваемого воздуха через клапаны выдува в укрытии верха трубы или через отдельные трубки также герметично перекрываемые при погружении.
3
Основной отсек имеет единый бронированный потолок с проходящей по центру трубой с лестницей, с подогревом брони, с теплоизоляцией, например, пенополистиролом и деревянным с дизайнерским оформлением, единый утепленный пол, набор лабораторных, служебных, жилищно-коммунальных, в т.ч. совмещенных помещений, кают-компанию и кухню. Помещения отсека выполнены в виде отдельных 8-9 секторов, размеры которых зависят от функционального назначения и числа полярников. Они имеют деревянные перегородки, в т.ч. в центральной части от кают-компании кольцевую перегородку с дверьми, с R от центральной оси здания 2,5 м и также с необходимым оборудованием с массой содержимого отсека 39,8 т. В лабораториях выполняются работы со сбором информации: гидрометеорологические - на поверхности и внутри льда, гидрологические - во льду, в массиве воды и на дне, геологоразведочные изыскания на дне, а также изучение флоры и фауны. В одном из помещений лаборатории напротив входа в углу наружной стены и межсекторной размещена шлюзовая камера шириной 0,9 м, глубиной 0,9 м и высотой 2,0 м. Над камерой устанавливается емкость с клапанами поступления воздуха в емкость и его выхода, с забортной водой объемом 1,62 м, вместимостью массы воды 1,6524 т, учитываемой в отрицательной плавучести здания. Исходная позиция: заполненная регулируемым самотеком или насосом емкость - пустая шлюзовая камера. Если дайвер входит в камеру из лаборатории, после закрытия люка в стенке шлюза он кнопкой залива заполняет камеру водой из емкости. Вода емкости выливается не полностью, так как дайвер занимает определенный объем и сам является объектом перемещаемой массы, она доливается вместе с внешней водой, когда дайвер через люк внешней стены выходит в открытый водоем и закрывает люк. При этом масса дайвера остается в учете баланса в виде его объема массы вытесненной воды, оставшейся в емкости и заполненной самой шлюзовой камеры. При возвращении дайвер вытесняет свой объем воды в камере и при сливе воды из камеры в емкость восстанавливается исходное положение без колебаний в плавучести строения. Также при выходе за первым второго дайвера. Вода из шлюзовой камеры после выхода в водоем первого перекачивается в емкость (подготовка к выходу второго дайвера), в которой уже имеется объем оставшейся воды первого дайвера, поэтому в шлюзовой камере остается такой же объем воды. Входной люк из лаборатории находится достаточно высоко, чтобы вода не выливалась из шлюзовой камеры при заходе второго дайвера. При заливе воды в камеру со вторым дайвером из емкости, в последней остаются остатки объемом водоизмещения как первого дайвера, так и второго. При возврате в заполненную шлюзовую камеру происходит вытеснение воды объемом дайвера, а при переливе воды из камеры в емкость,
в камере остается вода объемом другого дайвера. После выхода дайвера из камеры вода из емкости заливается в камеру для появления из водоема второго дайвера. В емкости остается объем воды второго дайвера, который появившись в камере свой объем воды вытесняет и при переливе воды из камеры восстанавливает полноту емкости при пустой камере, что приводит к исходному положению. Часть внешней стены используется для шлюзовой камеры, в ней выполняется входное-выходное отверстие с оребрением снаружи в металлическом корпусе. Другое входное-выходное отверстие выполняется в стенке шлюзовой камеры с оребрением внутри лаборатории также с использованием люкового технического решения. В лаборатории, в шлюзовой камере и снаружи имеются параллельные кнопки включения залива камеры из емкости и емкости из камеры, в том числе, для одновременного залива забортной водой дополнительной емкости (при полном переливе ее воды в шлюзовую камеру) и слива воды из камеры за борт для санитарной смены воды (при этом дайверы находятся внутри строения). Дополнительно в низу стенки камеры на уровне пола выполнено перекрываемое отверстие из помещения для аварийной откачки воды из лаборатории насосом камеры. Вверху обеспечены входное и выходное отверстия с клапанами для воздуха из и в камеру в и из помещения. Снаружи в стене под отверстием выполнены полка-ступень и ручки для удобства входа и выхода. В лаборатории установлена декомпрессионная камера на двоих в горизонтальном положении или на четверых сидя для использования при нарушениях режима декомпрессии (из-за пребывания в холодной воде). В лаборатории имеется иллюминатор с внешней подсветкой, которой можно мигать, а в арсенале общения на расстоянии - прямая и обратная ультразвуковая связь. В работе лаборатории участвует медицинский работник (совмещаемая должность). Начальник экспедиции, профильные специалисты имеют служебные помещения, объединенные с местом проживания, так радиорубка совмещена с пультом управления плавучести и безопасности строения с проживанием посменно работающих двух дежурных операторов-радистов. В помещении имеется иллюминатор с прожекторной подсветкой. При подводных передвижениях помещение становится капитанской рубкой с обзором подводной ледовой обстановки, прокладкой курса или с возможностью проплыть по протянутой дайверами бечевке, или за дайвером, который заранее отработал маршрут несколько раз, а в месте для подъема трубы под водой установлен светящийся фонарь. В отсеке выделяются места для горюче-смазочных материалов, склада пищевых запасов, материалов для предстоящих в экспедиции работ, для запасных аккумуляторов, электростанции, электрогенератора. В два бака производится забор с заливом через трубу, регулируемым, например, самотеком, забортной морской воды для двух унитазов в
отдельных кабинках, а патрубком от трубы - забором воды в бак для дистиллятора морской воды, от него с поступлением дистиллированной воды в накопитель и далее с электроподогревом на три умывальные раковины (одна на кухне), на душевую установку, там же размещена сауна на двух человек с двумя полками в пространстве, выделяемым вдоль стены здания позади стены туалета с кабинками. Установлен также минерализатор для приготовления искусственной питьевой воды. Рядом впритык выполняется закрываемая емкость - накопитель пресной воды, в которую регулярно собирается снег и лед и по трубе самотеком пресная вода поступает на кухню. Масса воды баков и накопителей дистиллированной и пресной воды 1,173 т учитывается в отрицательной плавучести здания и принимается во внимание по балансу работы отсека регуляции. Бытовые помещения с умывальными раковинами и туалетами находятся на некотором возвышении (так же, как и сауна), т.к. под ними поставлен накопитель бытовых стоков, которые устраняются канализационным насосом по отводной трубе по ходу подводного течения в отдалении от корпуса здания. Причем устранение сточной воды выполняется одновременно с забором морской воды, который завершается первым (так как есть еще стоки бывшей пресной воды), до автоматического отключения работы канализационного насоса. Возможно использование вакуумных биотуалетов. Отдельный сектор выделен под кухню, а в центральной части отсека находится кают-компания с полукруговым вокруг трубы кольцом стола в сторону кухни с обратной стороны от входа-выхода из трубы. В отсеке помещений предусмотрены места для тренажерных снарядов для избежания гиподинамии.
Снаружи в низу здания со стороны, обратной помещению оператора, на выносной балке крепежных кронштейнов массой 0,2 т установлены 3-4 электрических реверсивных двигателя массой 0,4 т.Электричеством, как и все здание, обеспечивает однофазная бензиновая или дизельная электростанция или электрогенератор, устанавливаемые на льдине в отдельном укрытии, либо на потолке - перекрытии трубы над лестничной площадкой с подачей и выхлопом воздуха во внешнюю среду по шлангам, присоединенным к металлическим трубкам через бронированную трубу, перекрываемым на случай погружения. Причем электростанция может подключаться к инвертору, например, системы МАП "Энергия", который заряжает аккумуляторы, а затем преобразует запасенную энергию в 220 вольт, максимально повышая КПД, в том числе для передвижений под водой. Постоянно поддерживается работа аккумуляторов для аварийного случая и берутся еще портативные электростанция и электрогенератор.
3
3
2
2
3
3
3
3
Итак, для управления размером и видом плавучести необходимо оперировать конкретными параметрами постоянных данных положительной и отрицательной плавучести строения, причем в случае полярного строения для выходной на поверхность льдины трубы с лестницей сразу задается всему строению регламентированный размер положительной плавучести, размер плавучести на подъем - откачкой воды, например, до 2 м, размер плавучести на погружение строения заливом воды, например, до 2 м, далее - размеры плавучести переменных перемещаемых масс, изменений плавучести расходуемых запасов при их использовании и утилизации, установки дополнительной емкости для шлюзовой камеры для сбалансированности объемов подачи и откачки воды из шлюзовой камеры, сбалансированности забора, накоплений морской и пресной воды для бытовых нужд, ее использования и устранения бытовых стоков, положительной подстраховочной плавучести до 0,5 м, задаваемой при удержании строения, например, через выдвижные вышки, состыкованным поджатием к верхнему ограничителю движения - к льдине и, в том числе, для создания резерва для отрицательной плавучести при появлении извне в строении непредвиденного груза. Перечисленное учитывается в предлагаемом полярном строении, имеющим бронированную трубу толщиной 2 см с металлической лестницей внутри с нижней и верхней площадками входа-выхода и потолком над площадкой для размещения электростанции или электрогенератора под крышей торца трубы. R лестничной трубы =0,7 м, h=13 м (от балластного отсека). Высота трубы внутри корпуса здания =2,825 м, S лестничной трубы =1,5386 м, R до внутренней стены трубы =0,68 м, S внутренней полости трубы =1,45193 6 м, S поперечного сечения бронированной стены трубы =0,086664 м, относительная плотность бронированной стали: р=7,87 т/м, относительная плотность океанической воды р=1,02 т/м. Над поверхностью льда труба составляет 3 м (1,99 м над лестничной площадкой до потолка в 2 см и 0,99 м от потолка до крыши трубы), т.е. в водоизмещении различаем по длине надледную часть с V водоизмещения надледной части =4,6158 м, М водоизмещения надледной части трубы =4,708116 т, V брони надледной части =0,2890307 м, М брони надледной части =2,2746716 т, М надледного потолка, электростанции, маячка и антенн =0,2 т. Для пребывания верха купола трубы от лестничной площадки над льдом ее необходимо обеспечить размером положительной плавучести +4,708116 т, равной массе воды ее водоизмещения. Ледная и подводная часть трубы от корпуса здания имеют высоту 7,175 м, V брони второй части трубы =0,6218142 м, М брони второй части трубы =4,8936777 т, М лестницы второй части трубы =5,23775 т, V водоизмещения второй части трубы =11,039455 м, М водоизмещения второй части трубы =11,260244
3
2
2
2
2
3
2
3
т. Третья часть трубы находится в корпусе здания высотой 2,825 м, с дренажом в отсеке регуляции. V брони третьей части трубы =0,2448258 м, М брони третьей части трубы =1,926779 т, М лестницы в корпусе здания =2,06225 т. Броня здания имеет толщину 1,5 см, толщина стены и пола из армированного бетона - 11 см. Параметры корпуса здания: R внешней стены =5 м, S здания =78,5 м, R внутренней стены брони =4,985 м, S внутри здания до брони =78,029706 м, R до армированного бетона =4,875 м, S внутри здания до бетона =74,624062 м. Высота отсека регуляции =0,2 м. Высота потолка отсека помещений =2,5 м, S поперечного сечения брони стены корпуса =0,470294 м, V брони корпуса до балластного отсека =2,475947 м, М брони корпуса до балластного отсека =19,485702 т, Высота ж/б стены корпуса =2,81 м, S поперечного сечения ж/б стены корпуса =3,405644 м, V ж/б стены и пола до отсека балласта =17,778506 м, М ж/б стены и пола до балластного отсека =99,559633 т, V водоизмещения корпусом здания без балластного отсека =221,7625 м, М водоизмещения корпуса здания без балластного отсека =226,19775 т. Размер масс воды залива, груза перемещения, расходных материалов, воды бытовых нужд и половина самобалансировки остатка, компенсируемых работой отсека регуляции =12,597 т, М опор потолка в отсеке регуляции =0,07630825 т, М воды дополнительной емкости шлюзовой камеры =1,6524 т, М содержимого отсека помещений =39,8 т без массы третьей части трубы и второй части лестницы, М выносной балки крепежных кронштейнов =0,2 т, М электродвигателей =0,4 т, V водоизмещения здания с трубой без балластного отсека =237,41775 м, М водоизмещения здания с трубой без балластного отсека =242,1661 т, М строения без балластного отсека =190,36615 т. По этим данным определяем положительную плавучесть всего строения по формуле: П строения =V водоизмещения здания с трубой без балластного отсека х р океанической воды - М строения без балластного отсека, где
П - плавучесть, в т;
3
V - объем, в м;
3
р - относительная плотность, в т/м;
М - масса, в т.
3
3
П строения =237,41775 м × 1,02 т/м - 190,36615 т = +51,79995 т, то есть та положительная плавучесть, которую надо сбалансировать отрицательной плавучестью, чтобы здание с трубой и балластным отсеком, полностью погруженное под воду, имело нулевую плавучесть. Полярному строению на постоянной основе надо иметь положительную плавучесть для верхней части трубы с уровнем лестничной площадки на поверхности льда с водоизмещением массы воды 4,708116 т, для чего
2
3
из выявленной положительной плавучести эта масса воды вычитается. Балансировка здания с трубой и балластным отсеком по уровню его нулевой плавучести сдвигается на положительную плавучесть +47,091834 т и отрицательную плавучесть в виде балластного отсека -47,091834 т.Низ балластного отсека выстилает бронированное дно по заданным параметрам корпуса здания, т.е. толщина 0,015 м, площадью 78,5 м, V=1,1775 м, М=9,266925 т, отрицательной плавучестью -8,065875 т (рассчитана по универсальной формуле расчета плавучести тела по Закону Архимеда:
П тела = М тела × р воды : р тела - М тела, где
П - плавучесть, в т;
М - масса, в т;
3
р - относительная плотность, в т/м).
Последнюю величину можно вычесть из размера отрицательной плавучести для упрощения расчетов балластного
отсека, теперь состоящего из бронированной стены и армированного бетона отрицательной плавучести: -47,091834 т - (-8,065875 т) =-39,025959 т. Расчет выполняется по формулам: -П тела = V тела × (р воды - р тела), где
П - плавучесть, в т;
3
V - объем, в м;
3
р - относительная плотность, в т/м.
2
2
3
3
2
3
3
3
3
3
3
3
Далее V тела заменяется на S(площадь, в м) тела ×h(высота, в м) тела, а именно V брони ×(р воды - р брони)+V ж/б ×(р воды - р ж/б) =-П балластного отсека без дна, далее 0,470294 м × пм ×(1,02 т/м - 7,87 т/м)+78,029706 м ×hм ×(1,02 т/м - 5,6 т/м) =-39,025959 т, -360,59756 т/м ×h м =-39,025959 т, пм =0,1082257 м, -П брони стены балластного отсека =-0,3486505 т, -П ж/б балластного отсека =-38,677273 т, V брони стены балластного отсека =0,0508978 м. V ж/б балластного отсека =8,4448194 м, М брони стены балластного отсека =0,4005656 т, М ж/б балластного отсека =47,290988 т. Высота корпуса здания =2,9482257 м, V балластного отсека вместе с бронированным дном =9,673 2172 м, М балластного отсека вместе с бронированным дном =56,958478 т, V водоизмещения корпуса строения вместе с балластным отсеком =231,43 571 м, М водоизмещения балластного отсека с дном =9,8666817 т, М всей брони =38,24832 т, М всего железобетона =146,85062 т. V водоизмещения всего строения =247,09096 м, М водоизмещения всего строения =252,03277 т, М всего строения =247,32462 т =190,36615 т +56,958478 т, V водоизмещения всего строения без надледной части =242,47516 м, М водоизмещения всего строения без надледной части =247,32466 т.
В результате расчетов определяется, что масса водоизмещения всего строения на 4,708 т больше массы строения, что позволяет ему иметь положительную плавучесть на расчетную высоту трубы с лестницей для обеспечения нахождения уровня лестничной площадки входа-выхода полярников из трубы строения на уровне поверхности льда. При этом обеспечивается равенство масс используемого водоизмещения и самого строения, разности масс водоизмещения балластного отсека и его балласта, равной отрицательной плавучести всего строения. Все вышеизложенное раскрывает конструктивные элементы строения, их формы, взаимное расположение, виды взаимосвязей, взаимодействие, используемые материалы и параметры в совокупности с существенным элементом - водной средой, причем вода частью в виде льда, и позволяет подвести к конкретному результату. Технический результат от использования полезной модели заключается в обеспечении возможности надводно-подводного строения находиться в полярной водной среде - под ледяным покровом, во льду и над ним в качестве станции для полярников.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображено полярное строение в рабочем положении. Строение состоит из корпуса здания 1, от которого вверх выполнена подводная, ледная часть 2 и надледная часть 3. Последняя составная имеет люк 4, с запорным винтом с вентилем 5, крестовиной 6 и крышкой с ее опорным держателем 7, которые обеспечивают вход - выход полярников снаружи и другой частью запорного винта с его вентилем - вход и выход изнутри. Подъем из здания на льдину осуществляется по винтовой лестнице 8 вокруг металлического стержня 9. Корпус здания 1 имеет отсек 10 лабораторных, служебных, жилищно-коммунальных помещений, кают-компанию и кухню. В лабораторном помещении установлены шлюзовая камера 11 с внешним 12 и внутренним люками, барокамера 13 и иллюминатор 14 с наружной подсветкой. Под железобетонным полом 15, включая лестничную площадку отсека помещений 10 расположен отсек регуляции 16, выполняющий балансировку плавучести строения, с двумя отводными трубами и насосами подачи 17 забортной воды в отсек и по двум трубам с насосами откачивания воды 18, а ниже находится балластный отсек 19. Второй иллюминатор 20 установлен в помещении оператора плавучести и безопасности, там же находится радиорубка. Иллюминатор 20 с наружной подсветкой позволяет контролировать ледовую обстановку и курс перехода строения под водой при передвижениях с помощью реверсивных электродвигателей 21.
Процесс осуществления работы с плавучестью строения связан с профилактикой нарушений устойчивости в колебаниях положительной и отрицательной плавучести, выходящих за пределы осуществляемой компенсации. Поэтому технологически
обоснована заранее задаваемая положительная плавучесть всего строения как на постоянной основе, так и работа отсека регуляции с выделением пространства с водой, предназначенной на подъем строения от нулевой плавучести, воздушного пространства на залив воды для гашения положительной плавучести от нулевой, взаимодействиями плавучести при перемещаемых массах из строения на лед или в водный массив и обратно, компенсацией воздушным пространством тяжести расходных материалов и затем заливом воды выравнивать баланс расходов, балансировкой выделенного воздушного пространства отсека регуляции забортной, дистиллированной, пресной водой и бытовых стоков, балансировкой между кабиной шлюзовой камеры и ее дополнительной заполненной водой емкостью. Разнообразен арсенал обеспечения устойчивости вертикальных передвижений: заранее заданный расчетный размер положительной плавучести, осуществив который строение находится в сбалансированной нулевой плавучести уровня лестничной площадки трубы на уровне поверхности воды или льда, выдвижные или прижимные вышки, поджатие корпусом здания к низу льдины с повышением положительной плавучести и др. Выделенные по тяжести 39,8 т дают возможность комфортно спланировать помещения по назначению, разместить на 74,6 м оборудование и благоустроить отсек помещений в соответствии с профессиональными, психофизиологическими и эстетическими требованиями длительного проживания полярников группой, например, пять человек.
Предусматриваются строгие предписания по подбору материалов, строительству, испытаниям, сертификации, допуску к эксплуатации полярного строения, проведение тренажерных занятий с устройствами, оборудованием, снаряжением, в том числе дайверским и мерами безопасности, опытные погружения и подводные переходы, осознанная работа с плавучестью. Операторам требуется сдать экзамены по готовности и получить разрешение на работу в подводном сооружении, иметь и знать четкие подробные инструкции с возможно полным набором внештатных ситуаций и действий при этом всех сотрудников. Например, по работе отсека регуляции по положительной и отрицательной плавучести строения, пользованием переходными люками, дополнительной емкостью и шлюзовой камерой при переходах в водное пространство и обратно, насосом шлюзовой камеры для откачивания случайной воды в лаборатории, аккумуляторами, баллонами сжатого воздуха, устройствами регенерации воздуха.