ПОЛЯРНАЯ СТАНЦИЯ
POLAR STATION

Изобретение относится к строительству гидротехнических сооружений в водной среде.
Промозглый холод, сильные ветры, постоянный снег и ледяной покров, белое безмолвие пустыни, длительные ночи и дни, набеги песцов и белых медведей составляют арктические экстремальные условия. Их можно избежать, переместив производственные, служебные и жилые помещения под лед и поверхностную воду, где температура постоянно около нуля. Исходя из конкретных видов полярных работ, требований комфортных условий с психофизиологическим учетом процессов труда и отдыха выполняются помещения для малого и большого коллектива полярников. Есть канадское предложение выполнять арктические работы используя принцип кессона, например патент RU №2064553, С1, 27.07.1996, Е02D 23/00 по погружному передвижному кессону, обладающему ледовым сопротивлением, для морского бурения нефтяных скважин. В месте установки кессона его высота наружных и внутренних стен по прямоугольному периметру должна превышать глубину океана так, чтобы верхняя палуба была бы выше уровня воды, перекрывая бассейн внутри кессона, который заливается водой, в том числе через вырез с затвором в задней стене. Кессон имеет основание в виде окружной опоры 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, затруднениями в изготовлении и доставке. С другой стороны, накоплен большой опыт работы с переменой плавучести, когда положительная плавучесть воздушного пространства, емкости, 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 конкретного объекта до нулевой и отрицательной плавучести, а откачкой воды из емкости производится выход с отрицательной плавучести на нулевую и при необходимости на положительную с конкретным для объекта технологическим решением.
Цель изобретения: разработать подледное строение полярной станции для труда и отдыха гидрометеорологов, гидрологов, исследователей флоры и фауны, геологов-изыскателей на основе заданного уровня для станции положительной плавучести, ее ватерлинии, данных положительной и отрицательной плавучести, определяющих нулевую плавучесть на уровне ватерлинии, перемены плавучести с возможностью управляемых вертикальных перемещений и подводных передвижений полярного строения.
2
3
3
3
Для достижения цели предлагается строение полярной станции с корпусом здания, находящимся под льдом и поверхностной водой, с двумя вертикальными ледостойкими трубами для входа и выхода по винтовой лестнице полярников, а также грузового лифта подъема и спуска транспортных средств, других конструкций и груза. Стена здания - круглая, что обеспечивает обтекаемость подводными течениями и плавность обхода льдинами корпуса строения, радиусом, например, 8 м. Здание имеет два этажа - две палубы общей полезной площадью 353 м - верхнюю с гаражным и складским отсеками, отсеком регуляции, кают-компанией, кухней, спортивными и тренажерными площадками, душевыми, сауной, туалетом и нижнюю палубу с лабораториями, служебными и жилищно-коммунальными помещениями, отсеком регуляции и полом - балластным отсеком. Внешняя стена герметичного корпуса здания, наружное покрытие крыши и дна, а также трубы изготовлены из хладостойкой бронированной стали относительной плотностью, например, 7,87 г/см, например, толщиной 2 см, вторая - внутренняя стена и балластный отсек корпуса осуществлены из железобетона относительной плотностью 5,6 г/см. Внутренняя крыша и межэтажное перекрытие выполнены из металлополимерных материалов средней относительной плотностью, например, 4,5 г/см. Выстилкой внутренней поверхности брони стены и крыши корпуса строения является покрытие с термоотражающим серебристым экраном - двойной слой алюминиевой фольги со стальными нитями внутри (по стене горизонтальными полосами), что используется как электронагреватель, например, верхней половины стены и крыши корпуса для оттаивания от льда при отделении полярной станции от льдины. Вторая выстилка серебристого экрана делается на арматурном бетоне стены в декоративном оформлении интерьера помещения для его обогрева. Покрытие выполняется также с отдельным подключением по стенам труб для отопления этажей и внутри трубы с винтовой лестницей. Масса использованной фольги с нитями составляет до 110 кг. На концах одного из диаметров, который выбирается как "нос"-"корма", впритык к внутренней железобетонной стене на балластный отсек корпуса с герметично перекрытым дном и верхом устанавливаются две трубы, одна - круглого сечения, например, высотой 13,42 м, вторая - прямоугольного сечения высотой 12,22 м. Вверх трубы приварены к армированному бетону стены, к арматуре металлополимеров межэтажного перекрытия и внутренней крыши, особенно герметично к бронированной стали крыши корпуса. Высота труб включает высоту потолка 2,0 м на верхнем этаже и 2,2 м - на нижнем, толщину 0,1 м пола между этажами, толщину внутренней крыши 0,1 м, толщину брони 2 см, толщину поверхностной воды под льдиной до 1 м, толщину льдины до 5 м и 3 м высоты над льдиной трубы круглого сечения с люком выхода в сторону "кормы" и 1,8 м - трубы прямоугольного сечения с боковым выходом для транспорта.
В прямоугольной трубе грузовой лифт выполнен в виде открытой прямоугольной площадки размером 1,5×2,86 м, двигающейся боковыми и задней стенки роликами по вертикальным направляющим, с тросами через блоки к лифтовому оборудованию, с возможностью фиксировать транспортные средства, например минитракторы, грузовые машины, снегоходы и их прицепы, а также конструкции и устройства. Лифтовое оборудование находится внизу на дне трубы. В трубе внешним сечением 1,64×3 м на уровне остановок лифта выполнены входные-выходные отверстия - герметично закрываемые вырезы, из которых вырез над поверхностью льда и на уровне пола верхнего этажа, например, 1,5×1,7 м, а высота нижнего выреза определяется высотой лифтового оборудования, который имеет свой вырез доступа. Вырезы герметично перекрываются бронированными дверьми толщиной 2 см с замками поджима и подтяжки вверх, вниз и на соседнюю сторону. Лифт предназначен только для груза и техники.
Круглая труба внешним радиусом 0.7 м выполнена с винтовой лестницей внутри вокруг центрального вертикального металлического стержня диаметром, например, 12-15 см, высотой 10,42 м от балластного отсека через площадку верхней палубы до лестничной площадки на уровне поверхности льда с креплением ступеней к вертикальному стержню, к внутренней стене трубы и между собой. По внутренней стене трубы выполнены перила. Верхняя площадка утепленная, перекрываемая. Труба образует по всему подогреваемому пространству лестницы переходную температурную камеру. На высоте от 0,5 м от верхней лестничной площадки вверх в трубе выполняется выходной герметичный люк. По внешнему краю отверстия выходного люка на смонтированной плоскости выполняется оребрение отверстия в металлическом каркасе радиусом до 40 см, закрываемым выпуклой бронированной крышкой с ребрами жесткости изнутри и ручками, боковые отводы которых штырями выходят наружу и удерживают крестовину от 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 вентилем в сторону через блок ее держателем, который другим концом закреплен на подшипнике запорного винта. Между крестовиной и держателем, привязанный к нему, размещается утолщенный фетровый круг для утепления конструкции. Изнутри вход закрывается с лестничной площадки вторым вентилем. Из трубы круглого сечения на лестничных площадках верхнего и нижнего этажей имеются герметичные входные двери с окнами.
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Отсек регуляции плавучести полярной станции по вертикальным передвижениям выполнен из стали в виде круглой закрытой сверху и снизу трубы - опорной колонны для крыши и межэтажного перекрытия в центре здания от балластного отсека, радиусом 1,5 м, высотой 4,3 м, толщиной стальной стенки 2 см, S отсека = 7,065 м, S внутри отсека = 6,877856 м, S поперечного сечения стали = 0,187144 м, V стали отсека = 1,0798334 м, М стали отсека = 8,4982888 т=8,5 т, емкостью 29,3 м, составляя вместимость океанической воды (относительной плотностью ρ=1,02 г/см) массой 29,886 т, из которых 2,5 м массой 2,55 т залитой воды используются откачиванием воды от нулевой плавучести - ватерлинии станции для подъема здания и труб, другие 2,5 м воздушного пространства при заливе водой до 2,55 т гасят положительную плавучесть отсека и станция идет на погружение от нулевой плавучести. При этом осуществляется балансировочная работа с постоянным балластом: масс корпуса, внутренних стены и крыши, межэтажного перекрытия, балластного отсека, труб, лестницы и перегородок в отсеках, масс на постоянной основе внутри строения, например мебели, оборудования, устройств, приборов лабораторного, офисного, жилищно-коммунального назначения, разнообразной техники. Другая часть балласта - масса перемещаемых по трубам транспортных средств, оборудования, устройств, груза, например 18-20 полярников на льдину и обратно с дополнительной массой снега и льда для пресной воды, из шлюзовой камеры под воду и обратно, например, с большими массами грунта, флоры и фауны. Для сохранения устойчивости в колебаниях плавучести размер перемещенной массы из станции одновременно компенсируется равной массой залитой в отсек забортной воды и гашением ею равной положительной плавучести воздушного пространства отсека, а оставшаяся на станции перемещаемая масса остается в балансе с положительной плавучестью оставшегося пространства в отсеке регуляции, в целом выделенного на балансировку перемещаемых масс пространства объемом 6 м вместимостью массы воды 6,12 т. По возвращению массы груза, транспорта, оборудования и полярников вода одновременно удаляется равной массой, оставляя устойчивым здание и трубы по вертикальным перемещениям. Для полярной станции запасы расходных продуктов и материалов, например горюче-смазочных, химических твердых, порошковых и жидких берутся на длительный срок с постепенным использованием и утилизацией за стену здания, т.е. сперва в строении их повышенная масса, которую всю необходимо учитывать в отрицательной плавучести, а потом нарастает положительная плавучесть, для чего в отсеке регуляции плавучести выделяется пространство, например, 14 м, вместимостью воды массой 14,28 т, в которое вода регулярно подкачивается по мере расходов запасов материалов и продуктов, что позволяет сохранить для строения балансировочный уровень отрицательной и положительной плавучести, либо при необходимости иметь при наличии запасов большой резерв отрицательной плавучести заливом воды выделенного пространства. При доставке запасов самолетом накопившийся объем воды по массе сливается за "борт" и при необходимости привлекаются резервы положительной плавучести. Использование забортной, дистиллированной, питьевой воды с учетом их стоков принято во внимание по отсеку регуляции, например, объемом 2,2 м вместимостью воды массой 2,244 т, учитываемой в отрицательной плавучести здания. Остаток 2,1 м вместимостью воды 2,142 т является резервом в перемене плавучести во время подводных передвижений, при поджиме льдины снизу, при первоначально повышенной массе взятых запасов, для компенсации тяжести избытка снега и льда, берущихся при длительном подводном переходе, при появлении на "борту" непредвиденной массы груза. Это пространство положительной плавучести сохраняется самобалансировкой - наполовину заливается забортной водой и используется в ситуациях, когда возникает потребность в той или другой плавучести, чтобы снова выйти на используемую нулевую плавучесть, в том числе с привлечением возможностей балансировки с помощью других пространств с водой или без. Отсек регуляции имеет 6 горизонтальных отводных труб в балластном отсеке строения до внешней стены корпуса с насосами по трем трубам подачи забортной воды и трем трубам ее откачки с дублированием подключения одного насоса к аккумулятору. Вверху у крыши отсек имеет, например, четыре трубки для входа-выхода воздуха при откачивании и поступлении воды. Рядом внутри отсека на торцевой стенке с возможностью достать устанавливается электронно-акустический прибор (Госреестр приборов России №29726-05, Самара, СГАУ), для которого смонтирована вниз дренажная труба, не доходящая до дна, для замеров уровня и пересчетом массы (площадь отсека, умноженная на высоту уровня и плотность воды) плавно поднимающейся или опускающейся воды, что позволяет оператору на пульте управления корректировать восстановление нулевой плавучести включением и выключением насосов залива и откачки воды. По работе с плавучестью полярной станции на экране дисплея компьютера постоянно значится аналитическая информация по состоянию и резервам той или другой плавучести, которые будут использоваться, например по выделенному резерву, за счет состоявшихся расходов запасов, по размеру перемещаемых масс, за счет залива пространства, выделенного для компенсации масс обеспечения водой и накопления стоков, в том числе резервов помимо отсека регуляции. Например, если перелить воду дополнительной емкости в шлюзовую камеру и заливать забортной водой емкость, то увеличивается постепенно размер отрицательной плавучести, или сливать воду за "борт" из емкости при пустой шлюзовой камере, то постепенно увеличивается размер положительной плавучести (необходимой, например, при прохождении на открытой воде с выше поднятыми трубами), также можно дополнять баки и емкости с забортной, дистиллированной, минерализованной и пресной водой при задержке слива бытовых стоков или частью слива воды в баках и емкостях и утилизации ее вместе со стоками, но при этом можно только "занять" без последствий конкретный размер плавучести, оставив управление плавучестью за отсеком ее регуляции. Группа полярников может по льдине сделать переход на новое место дислокации, что позволяет по высвободившейся отрицательной плавучести, гашению возникшей и имеющейся положительной плавучести забрать при подводном переходе наружное оборудование, закрепив к крышке корпуса (при открытой воде), к торцам и стенам труб, и взять повышенную массу льда, который пополнит запасы воды.
Для выхода полярников на льдину полярному строению при строительстве задана устойчивая положительная плавучесть размером массы водоизмещения верха труб от площадок верхнего положения лифта и верха лестницы на уровне поверхности открытой воды, так и на уровне поверхности льдины, т.е. на уровне площадок обеспечивается нулевая плавучесть - ватерлиния полярной станции. Льдина примораживанием к трубам удерживает их от движений по вертикали при изменениях в плавучести станции, но недостаточно. Полярная станция дрейфует вместе с льдиной, поэтому от толщины последней и силы ее приморозки к выходным трубам зависит в какой степени такая связка надежна. Для усиления и поддержания связки, во-первых, по работе отсека регуляции внедряется компьютерная обработка данных и коррекция по анализу изменений в переменах положительной и отрицательной плавучести для выхода на нулевую плавучесть строения своевременным нужным объемом заливом воды в отсек регуляции или ее откачки. Во-вторых, сама приморозка может быть усилена не только к трубам, например, их внешние поверхности могут быть предварительно обезжирены и покрыты жидкостями или смазкой, усиливающими примораживание. На поверхности корпуса могут ставиться и крепиться выдвижные металлические вышки-туры с возможностью отсоединения от корпуса при необходимости. В месте установки станции, когда лед еще взломан, выставляются вышки с поджимом рыхлого и формирующегося льда, который далее также примораживается и будет держать корпус и трубы станции как на всплытие, так и на погружение. При смене дислокации станции от вышек можно отсоединиться и после перехода под водой, выяснив толщину твердого и рыхлого льда, сделав отверстия во льду для выходных труб, можно поставить новые вышки или быть без вышек, если льдина толстая (около 6 м), поджаться к ней, например, с положительной плавучестью, например, 0,5 т до сопоставления выходных площадок на поверхности льда и приморозиться к льдине. Тяжесть транспортной техники, установок и устройств, группы полярников при подъеме на лед увеличивает положительную плавучесть строения, а при возвращении приводит 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 как при использовании воды для бытовых нужд, так и при перемещении масс. Изменения в уровнях выходных площадок труб и поверхности льда может вызвать затруднения выхода транспорта, в то время как полярники могут выходить по трапу или спускаться по шторм-трапу. Подводные передвижения станции могут потребоваться в связи с дрейфом льдины, например возврат на прежнюю дислокацию или другое место профессиональных исследований.
В ходе эксплуатации станции возможно нахождение ее в открытой воде. Это переход от места строительства полярной станции в береговых условиях до постоянного льда и далее за ледоколом или отдельными подводными переходами, когда часть полярников выходит на льдину и сопровождает при надежной навигации, спутниковой, мобильной связи подводное прохождение полярной станции, организуют отдельные места по маршруту для всплытия трубами для зарядки аккумуляторов и кратковременного отдыха. Установки для резки и рубки льда могут использоваться как сверху льдины, так и под водой на съемных, устанавливаемых на торцевых стенках труб (возможна плавка льда). Предполагаются погружения при уходе от скопления нагромождений надводного и подводного льда. При планируемой стационарной работе на открытой воде, например для подводного обеспечения контроля и ремонта работы автоматики и самих буровых установок на доступном дне водоема к корпусу строения по центру на днище герметично устанавливается лебедка с барабаном, электроприводом, тросом к отдельному грузу отрицательной плавучести, например, 5 т, опускаемому на дно в качестве якоря. Станция не только становится стационарной на месте, но и по вертикальным перемещениям (с дополнительной положительной плавучестью +5 т) с подъемом лестничной и лифтовой площадок над поверхностью воды. Груз по своей отрицательной плавучести входит в балласт строения. На время штормовой погоды станция погружается под воду. При чрезвычайных обстоятельствах отдельный груз, например, электронно-акустическим сигналом отсоединяется, а лебедочный трос автоматически сматывается.
Забор морозного воздуха производится снаружи круглой трубы с укрытием от снега и ветра. Воздуховод изнутри трубы присоединен к короткой трубке, проходящей наружу через броневую стену. Перед погружением кондиционер отключается, воздуховод снимается с трубки, разъединяются проходящие в воздуховоде провода, вытаскиваются из трубки и она герметично перекрывается. Над закрытым верхним торцом круглой трубы с лестницей установлены маячок, антенны спутниковой 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 отводом через стену трубы к кондиционеру с мультисплит-системой верхнего этажа, другим отводом на нижний этаж в помещение оператора систем управления станцией к кондиционеру. От кондиционера выполнена разводка мультисплит-системы в лабораторные, служебные, жилищно-коммунальные помещения. Вытяжной вентиляцией устраняется выдыхаемый и избыток подаваемого воздуха через клапаны выдува в укрытии верха трубы или через отдельные трубки, также герметично перекрываемые при погружении.
Верхний этаж по одну сторону от лифта имеет транспортные средства, например шинный трактор, грузовик, снегоход, их прицепы. Отдельные помещения выделены для зарядки и складирования аккумуляторов, горюче-смазочных материалов, в том числе для бензиновой или дизельной электростанции, размещаются конструкции, устройства, установки, приборы, имеется склад материалов для предстоящих в экспедиции работ. По другую сторону от лифта вдоль стены выделено пространство для продуктового склада, далее имеются кухня, затем вверху два бака, в которые производится забор внешней морской воды насосом или самотеком сверху через трубу и ее отводы с кранами. Из первого бака вода используется для слива в туалетах двух этажей. Из второго - вода поступает в дистиллятор морской воды, затем в емкости душевых установок, сауны и умывальных раковин (вода используется с электроподогревом). Возможна минерализация дистиллированной воды для питья и приготовления пищи в чрезвычайных обстоятельствах, например при нахождении станции на открытой воде. Внизу под баками выполняется закрываемая емкость - накопитель пресной воды, в которую регулярно собирается снег и лед и по трубе пресная вода поступает на кухню. Рядом с входом на лестничную площадку на каждом этаже имеются по две туалетных кабинки и умывальные, одна из которых на верхнем этаже служит раздевалкой с переходом в душевые на два рожка и далее в сауну на два лежачих места. В бытовых помещениях предусматривается накопитель бытовых стоков, которые устраняются канализационным насосом по отводной трубе по ходу подводного течения в отдалении от корпуса строения. Причем устранение сточной воды выполняется одновременно с забором морской воды. Возможно использование вакуумных биотуалетов. В центральной части этажа находится кают-компания с круговым вокруг колонны отсека регуляции столом. Выделяются места для тренажерной площадки и физических упражнений для избежания гиподинамии.
Нижний этаж с дизайнерским оформлением каждого помещения, с единым утепленным полом включает набор лабораторных, служебных, жилищно-коммунальных совмещенных помещений. Они выполнены в виде отдельных 12-14 секторов, размеры которых зависят от функционального назначения и числа, например 18-20, полярников. От центральной колонны шириной, например, в 1,5 м делается круговой коридор, внешняя стена которого является стеной с дверьми помещений секторов (длина 18,84 м), с проходами к грузовому лифту и к лестничной площадке. Внутри сектора с деревянными двойными с прослойкой шумопоглощающего полимерного материала перегородками имеются по бокам одно или два спальных места с предметами быта (книжные полки, TV, компьютер с выходом в Интернет) и функционально обустроенное рабочее место или места. В лабораториях выполняются работы со сбором информации: гидрометеорологические - на поверхности в воздушной среде, на льду и внутри льда, гидрологические - на поверхности льда, 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 перегородки размещена шлюзовая камера, например, на два дайвера шириной 1,5 м, глубиной 1 м и высотой 2,2 м. Рядом с камерой вертикально устанавливается дополнительная емкость с клапанами вверху поступления воздуха в емкость и его выхода, с забортной водой также с объемом
3
3,3 м, вместимостью массы океанической воды 3,366 т, учитываемой в отрицательной плавучести станции. Без емкости имеются колебания в плавучести станции при заливе забортной воды в камеру с дайвером и при откачивании воды за "борт" здания при его возвращении. При наличии емкости такие колебания отсутствуют при соблюдении последовательности действий: дайвер заходит в камеру из лаборатории, закрывает входной люк, заливает воду из емкости, в которой остается остаток воды, равный объему водоизмещения дайвера, который затем открывает люк в массив воды водоема, выходит и закрывает люк, при этом масса воды в камере равна массе воды, которая была в емкости, а остаток воды в емкости, равный водоизмещению дайвера, примерно или равен массе самого дайвера, который своей массой в это время на станции отсутствует, т.е. колебаний в плавучести не произошло. По возвращении дайвера вода из шлюзовой камеры переливается обратно в емкость до ее полноты. Те же процедуры делаются двумя дайверами, причем заход второго можно делать отдельно со сливом воды из шлюзовой камеры в емкость после выхода первого дайвера в водоем, при этом в камере появляется остаток воды, равный водоизмещению первого дайвера, так как уровень воды в камере настолько ниже уровня входного люка из лаборатории, что позволяет войти в камеру второму дайверу, и при заливе из емкости, в ней появится остаток воды объемом водоизмещения уже двух дайверов, также сохраняя отсутствие колебаний в плавучести. Смена воды в емкости осуществляется при отсутствии дайверов в водоеме. Вода емкости переливается в шлюзовую камеру, затем производится залив забортной воды в емкость при одновременной равной откачке воды из шлюзовой камеры за "борт". 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 и с теми же параметрами. В лаборатории, в шлюзовой камере и снаружи имеются параллельные кнопки включения залива камеры из емкости и наоборот - кнопки включения обратного залива (отключение автоматическое), включения откачки воды из камеры в водоем, в том числе используя аварийный аккумулятор, забора и откачки внешней воды в и из емкости. Внизу стенки камеры на уровне пола выполнено перекрываемое отверстие из помещения лаборатории для аварийной откачки скоплений воды от дайверов насосом камеры, в т.ч. с использованием аккумулятора.
Вверху камеры обеспечены входное и выходное отверстия с клапанами для воздуха из и в камеру. Снаружи в стене под люком 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 применения при нарушениях режима декомпрессии из-за пребывания в холодной воде. Для передачи оборудования, инструментов, предметов снаряжения, образцов породы грунта, флоры и фауны, емкостей с пробами морской воды в стене здания выполнена переходная бронированная труба заподлицо с внешней стеной рядом со шлюзовой камерой, например, диаметром 20 см и длиной 60 см, с торцами, плотно закрываемыми крышками и прижимными замками, с внешним контейнером, полкой-ступенькой и ручкой. Лаборатория имеет иллюминатор с защитной решеткой, двойными стеклами и 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 их проживания, так радиорубка совмещена с пультом управления плавучести и безопасности строения с проживанием посменно работающих двух дежурных операторов-радистов. В помещении имеется иллюминатор с защитной решеткой, с двойными стеклами и прожекторной подсветкой. При подводных передвижениях помещение становится капитанской рубкой с обзором подводной ледовой обстановки, прокладкой курса по навигационным приборам или с возможностью проплыть за дайвером, который заранее отработал маршрут несколько раз, а в местах для подъема труб сделаны лунки и под водой установлены светящиеся фонари. Необходимое обустройство и оборудование для верхнего этажа составляет 31 т, для нижнего - 54,88 т.
Снаружи внизу здания на "корме", обратной помещению оператора, на выносной балке крепежных кронштейнов установлены 3-4 электрических реверсивных двигателя массой 0,4 т. Электричеством, как и все строение, обеспечивает однофазная бензиновая или дизельная электростанция или электрогенератор, устанавливаемые на льдине в отдельном укрытии, либо на крыше трубы прямоугольного сечения, 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 запасные портативные электростанция и электрогенератор.
Сохранение устойчивости полярной станции на уровне ватерлинии достигается осуществлением технологий работы выхода станции на нулевую плавучесть. Во-первых, для выходных на поверхность льдины трубы с лестницей и трубы с лифтом определен конкретный размер положительной плавучести, т.е. выявлен уровень ватерлинии и нулевой плавучести. Во-вторых, конкретными параметрами определены данные размера положительной и отрицательной плавучести станции при нулевой плавучести на уровне ватерлинии. В-третьих, работа отсека регуляции осуществляется только в сопоставлении с заданным уровнем нулевой плавучести: по размеру отрицательной плавучести на подъем - сливом воды, размеру положительной плавучести на погружение строения - заливом воды, далее - размерам баланса перемены плавучести перемещаемых масс, балансировки изменений плавучести расходуемых материалов и продуктовых запасов при их использовании, изменений баланса плавучести и масс морской, дистиллированной, пресной воды для бытовых нужд, их использования и устранения бытовых стоков, баланса резервной перемены плавучести. В-четвертых, работа отдельных самокомпенсируемых систем - по плавучести, например шлюзовая камера - дополнительная емкость, пространство отсека - по резервной перемене плавучести.
1
1
1
2
2
1
2
3
4
1
2
1
1
2
2
3
3
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
2
3
2
2
3
3
3
3
3
2
2
2
2
3
2
3
3
2
3
3
3
3
3
2
3
2
3
3
2
3
3
3
3
3
3
3
3
Перечисленное учитывается в предлагаемом строении полярной станции, имеющей две бронированные трубы толщиной 2 см. Первая - круглая с металлической лестницей внутри, с тремя площадками входа-выхода и бронированным, с закрываемым прямоугольным отверстием потолком над верхней площадкой для размещения электростанции или электрогенератора под крышей торца трубы. R лестничной трубы = 0,7 м, h=13,42 м (от балластного отсека), S лестничной трубы = 1,5386 м, R до внутренней стены трубы = 0,68 м, S внутренней полости трубы = 1,451936 м, S поперечного сечения брони стены трубы = 0,086664 м, относительная плотность бронированной стали: ρ=7,87 т/м, относительная плотность океанической воды: о=1,02 т/м. Над поверхностью льда труба составляет 3 м (1,99 м над лестничной площадкой до потолка - бронированного перекрытия, с большим открывающимся вниз прямоугольным отверстием и 0,97 м от перекрытия до крыши трубы), т.е. в водоизмещении различаем по длине трубы надледную часть с V водоизмещения надледной части = 4,6158 м, М водоизмещения надледной части трубы = 4,708116 т, V брони надледной части = 0,3180694 м, М брони надледной части = 2,5032061 т, М электростанции, маячка и антенн = 0,245 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 6 м, V брони второй части трубы = 0,519984 м, М брони второй части трубы = 4,092274 т, М лестницы второй части трубы = 4,66 т, V водоизмещения второй части трубы = 9,2316 м, М водоизмещения второй части трубы = 9,416232 т. Третья часть трубы находится в корпусе здания высотой 4,42 м, V брони третьей части трубы с дном = 0,4120935 м, М брони третьей части трубы = 3,2431757 т, М лестницы в корпусе здания = 3,14 т. Параметры прямоугольной трубы = 1,64×3 м, h=12,22 м, h надледная = 1,8 м, h во льду и в воде = 6 м, h внутри корпуса = 4,42 м, S поперечного сечения = 4,92 м, V водоизмещения надледной части = 8,856 м, М водоизмещения воды надледной части = 9,03312 т, S внутренней полости трубы = 4,736 м, S поперечного сечения брони = 0,184 м, V брони надледной части = 0,42592 м, М брони надледной части = 3,3519904 т. Для пребывания верха купола трубы над льдом от площадки лифта необходимо обеспечить положительную плавучесть +9,03 312 т. V брони второй части трубы = 1,104 м, М брони второй части трубы = 8,68848 т, V водоизмещения 2-й части = 29,52 м, М водоизмещения 2-й части = 30,1104 т, V брони 3-й части трубы вместе с дном = 0,908 м, М брони 3-й части трубы = 7,14596 т. Лифтовое оборудование составляет 0,35 т. V водоизмещения двух труб = 52,2234 м, М двух труб = 37,070084 т вместе с лестницей, электростанцией, антеннами. Броня корпуса строения имеет толщину 2 см, толщина железобетонной стены = 20 см. Параметры корпуса строения: R внешней стены = 8 м, h корпуса до балластного отсека = 4,42 м, S корпуса = 200,96 м, длина вокруг корпуса = 50,24 м, R внутренней стены брони = 7,98 м, S внутри корпуса до брони = 199,95645 м, R до армированного бетона = 7,78 м, S внутри здания до бетона = 190,05917 м, S поперечного сечения брони стены корпуса = 1,00355 м, V брони корпуса до балластного отсека = 8,305648 м, М брони корпуса до балластного отсека = 65,365449 т, h ж/б стены корпуса = 4,4 м, S поперечного сечения ж/б стены корпуса=9,89728 м, V ж/б стены до отсека балласта = 43,548032 м, М ж/б стены до отсека балласта = 243,86897 т, V водоизмещения корпусом строения без труб и балластного отсека = 888,2432 м, М водоизмещения корпуса строения без труб и балластного отсека = 906,00806 т, h отсека регуляции = 4,3 м, R отсека = 1,5 м, S отсека = 7,065 м, V отсека = 29,3 м, М вместимости океанической воды = 29,886 т, М стали отсека регуляции = 8,5 т, М залитой воды = 2,55 т, М запасов материалов и продуктов = 14,28 т, М запасов воды = 2,244 т, М сбалансированного резерва регуляции = 1,071 т, М дополнительной емкости шлюзовой камеры = 3,366 т, М содержимого верхнего этажа = 31 т, нижнего этажа = 54,88 т (без массы третьей части труб, второй части лестницы и отсека регуляции), V крыши и межэтажного перекрытия по 19,005917 м, их М по 85,526626 т, М фольги со стальной нитью = 110 кг, М электродвигателей = 0,4 т, V водоизмещения корпуса с трубами без балластного отсека = 940,4666 м, М водоизмещения здания с трубами без балластного отсека = 959,27593 т, М строения без балластного отсека = 37,070084 т+65,365449 т+243,86897 т+8,5 т+2,55 т+6,12 т++14,28 т+2,244 т+1,071 т+3,366 т+31 т+54,88 т+85,526626 т+85,526626т+0,11 т+0,4 т=641,87874 т. По этим данным определяем положительную плавучесть (П) строения до условной плоскости балластного отсека по формуле: П строения = V водоизмещения здания с трубами без балластного отсека × о океанической воды - М строения без балластного отсека. П строения = 940,4666 м×1,02 т/м - 641,87874 т=317,39719 т, то есть та плавучесть, которую надо полностью компенсировать отрицательной плавучестью, чтобы здание с трубами и балластным отсеком, полностью погруженное под воду, имело бы нулевую плавучесть. Полярное строение имеет особенность - ему на постоянной основе надо иметь положительную плавучесть для верхней части труб с уровнем лестничной площадки и площадки лифта, по которым проходит ватерлиния, и поверхности льда, т.е. с водоизмещением массы воды трубами 13,741236 т, для чего из выявленной положительной плавучести эта масса воды вычитается. Балансировка здания по уровню нулевой плавучести сдвигается на положительную плавучесть здания с трубой и балластным отсеком +303,65596 т и отрицательную плавучесть балластного отсека -303,65596 т. Низ балластного отсека выстилает бронированное дно по заданным параметрам корпуса здания, т.е. толщиной 0,02 м, площадью 200,96 м, V=4,0192 м, М=31,631104 т, отрицательной плавучестью - 27,531521 т (рассчитана по формуле: П тела = М тела × ρ воды: ρ тела - М тела). Последнюю величину можно вычесть из размера отрицательной плавучести для упрощения расчетов балластного отсека, теперь состоящего из бронированной стены и армированного бетона отрицательной плавучести: -303,65596 т-(-27,531521 т)=-276,12444 т. Далее расчет выполняется по формулам: - П тела = V тела × (ρ воды - ρ тела), в которой V тела заменяется на S тела × h тела, а именно V брони × (ρ воды - ρ брони) +V ж/б × (ρ воды - ρ ж/б)=-П балластного отсека без дна, далее 1,00355 м×h м×(1,02 т/м - 7,87 т/м)+199,95645 м×h м×(1,02 т/м - 5,6 т/м)=-276,12444 т, -922,67485 т/м×h м=-276,12444 т, h м=0,2992651 м. -П брони стены балластного отсека -2,0572426 т, -П ж/б балластного отсека = -274,06714 т, Vброни стены балластного отсека = 0,3003274 м, V ж/б балластного отсека = 59,839987 м, М брони стены балластного отсека = 2,3635766 т, М ж/б балластного отсека = 335,10392 т. Высота корпуса здания = 4,7392651 м, V балластного отсека вместе с бронированным дном = 64,159514 м, М водоизмещения балластного отсека вместе с бронированным дном = 65,442704 т, М балластного отсека вместе с дном = 369,09859 т, М всей брони строения = 128,38521 т, М стали (отсек регуляции и лестница) = 16,3 т, М металлополимеров = 171,053252 т, М всего железобетона = 578,97289 т, V водоизмещения всего корпуса строения вместе с трубами и балластным отсеком = 1004,6261 м, М водоизмещения всего корпуса с трубами и балластным отсеком = 1024,7186 т, М всего строения = 1010,9773 т, V водоизмещения всего строения без надледной части = 991,1543 м, М водоизмещения всего строения без надледной части = 1010,9773 т. Балансировка нулевой плавучести станции на уровне ее ватерлинии, ее выходных площадок на поверхности льда выполнена с обеспечением +303,65596 т положительной плавучести и -303,65596 т отрицательной плавучести. В результате расчетов определяется, что весь объем водоизмещения здания с трубами на 13,4718 м, масса водоизмещения всего строения на 13,74123 6 т больше задействованного объема и массы водоизмещения строения, что обеспечивает полярной станции иметь нулевую плавучесть на расчетной высоте труб с площадками верха лестницы входа-выхода полярников и лифта на уровне поверхности льда. Выявленный размер положительной и отрицательной плавучести всего строения при его выходе на нулевую плавучесть с расчетным запасом положительной плавучести обеспечил равенство массы используемого водоизмещения строения с его тяжестью всей полярной станции.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображено полярное строение в рабочем положении. Строение состоит из корпуса здания 1, от которого вверх выполнены подводная и ледная часть 2 круглой трубы и 3 прямоугольной трубы, надледная часть 4 круглой трубы и 5 прямоугольной трубы. Круглая труба имеет люк 6 с запорным винтом с вентилем 7, крестовиной 8 и крышкой с ее опорным держателем 9, которые обеспечивают вход и выход полярников снаружи, и другой частью запорного винта и его вентилем - вход и выход изнутри. Подъем из здания на льдину осуществляется по винтовой лестнице 10 вокруг металлического стержня 11. Корпус здания 1 имеет верхний этаж 12 и нижний этаж 13, на котором находятся лабораторные 14, служебные, жилищно-коммунальные помещения. В лабораторном помещении установлены шлюзовая камера 15 с внешним люком 16, барокамера 17, передаточная труба 18 и иллюминатор 19 с наружной подсветкой. В трубе прямоугольного сечения имеются вырезы 20 для грузового лифта, герметично закрываемые дверьми на уровне льда, верхнего и нижнего этажей, помещения лифтового оборудования. В корпусе здания по центру выполнен отсек регуляции 21 с тремя насосами подачи воды 22 и с тремя насосами откачки воды 23. Внизу корпуса располагается балластный отсек 24. Второй иллюминатор 25 установлен в помещении оператора плавучести и безопасности, там же находится радиорубка. Иллюминатор 25 с наружной подсветкой позволяет контролировать ледовую обстановку и курс перехода строения под водой при передвижениях с помощью реверсивных электродвигателей 26. В стационарных условиях при дрейфе льдины и при переходах полярной станции в открытой воде используются навигационные системы GPS/ГЛОНАСС 27.
2
Процесс осуществления работы с плавучестью строения связан с профилактикой нарушений устойчивости в колебаниях положительной и отрицательной плавучести, даже при их равенстве могут быть уровни нулевой плавучести выше (на более высоких размерах равных плавучестей) или ниже (на более низких размерах равных плавучестей), чем нулевая плавучесть с конкретными данными положительной и отрицательной плавучести станции на уровне ватерлинии. Поэтому технологически обоснованы заранее задаваемая положительная плавучесть всего строения на уровне ватерлинии и работа отсека регуляции выделением пространства с водой, предназначенной на подъем строения от нулевой плавучести, воздушного пространства на залив воды для гашения положительной плавучести от нулевой, взаимодействием плавучести при перемещаемых массах из строения на лед или в водный массив и обратно, компенсацией положительной плавучестью тяжести расходных материалов, продуктов и заливом воды для выравнивания баланса расходов, балансировкой между выделенной положительной плавучестью и массой забортной, дистиллированной, пресной воды и бытовых стоков, балансом резерва, а также балансировкой масс воды и дайвера между шлюзовой камерой и ее дополнительной емкостью. Разнообразен арсенал обеспечения устойчивости вертикальных передвижений: заранее заданный расчетный размер положительной плавучести, осуществив который строение находится на ватерлинии в сбалансированной нулевой плавучести уровня площадок лестницы и лифта на уровне поверхности льда, постоянная работа оператора с отсеком регуляции, примораживание, выдвижные или прижимные вышки-туры, поджатие корпусом здания к низу льдины с повышением положительной плавучести и др. Выделенные по тяжести 85,88 т дают возможность комфортно спланировать помещения двух этажей по назначению, разместить на 353 м оборудование и благоустроить помещения в соответствии с профессиональными, психофизиологическими и эстетическими требованиями длительного проживания полярников группой, например, 18-20 человек.
Предусматриваются строгие предписания по подбору материалов, строительству, испытаниям, сертификации, допуску к эксплуатации полярной станции, проведение тренажерных занятий с устройствами, оборудованием, снаряжением и мерами безопасности, опытные погружения, осознанная работа с плавучестью. Операторам и дайверам требуется иметь дипломы, например, PADI и получить разрешение на работу в подводном сооружении, иметь и знать четкие подробные инструкции с возможно полным набором внештатных ситуаций и действий при этом операторов и полярников, например работы отсека регуляции по положительной и отрицательной плавучести строения, пользованием переходными люками шлюзовой камеры, пользованием дополнительной емкостью, шлюзовой камерой при переходах в водное пространство и обратно, насосом шлюзовой камеры для откачивания случайной воды в лаборатории, использования аварийного насоса откачивания воды из отсека регуляции, дополнительно подключенного к аккумулятору, пользованием баллонами сжатого воздуха для общего дыхания, применением устройств регенерации воздуха. Для коллектива полярников выполняется процедура пробного выхода в море для освоения особенностей предстоящей работы, ознакомления с условиями быта и взаимосвязей с коллегами, в т.ч. по психологической совместимости, с распределением и выполнением совмещаемых функций, без курения.