Способ форсирования ледяного поля всплывающим подводным объектом и устройство форсирования ледяного поля
METHOD TO FORCE ICE FIELD BY SURFACING UNDERWATER OBJECT AND ICE FIELD FORCING DEVICE

Изобретение относится к области подводного судостроения и предназначено для применения при создании и эксплуатации подводных объектов, плавающих в арктических районах, и может быть использовано также для находящихся на грунте элементов подводно-технических комплексов, эксплуатируемых в районах с ледообразованием, для их всплытия в случаях аварии.
Для таких объектов предъявляются повышенные требования к обеспечению безопасности в аварийной ситуации (например, при возникновении пожара или поступления воды в отсеки), в том числе, в ледовых условиях. Лучшим способом спасения (как и в случае аварии при чистой воде) является всплытие на поверхность. В ледовых условиях необходимо преодолеть трудности всплытия объекта на поверхность моря, возникающие из-за наличия ледяного поля на поверхности моря. Однако форсирование (взлом, вскрытие) сплошного арктического льда значимой толщины (более 0,7-1,0 м) корпусными конструкциями всплывающего объекта путем непосредственного силового контакта с ледяным полем затруднительно и опасно и может привести к разрушению конструкций. В существующей практике эксплуатации с целью снижения контактного усилия уменьшают скорость всплытия объекта, но при этом увеличивается время всплытия, что недопустимо в случаях тяжелой аварии, например пожара. В случае всплытия объекта на поверхность моря с предварительно разрушенным ледяным полем (например, в майну с битым льдом) ТТ контактное усилие существенно уменьшается без снижения скорости всплытия. Таким образом, использование способа всплытия с применением устройств обеспечения предварительного контакта и разрушения льда на всплывающем объекте существенно облегчит его эксплуатацию и повысит безопасность всплытия.
Известен способ форсирования ледяного поля всплывающей подводной лодкой при экстренном всплытии во льдах (патент GB 2212452 «Способ и устройство для местного разрушения льда в холодном море», МПК В63В 35/08, Е02В 15/02, опубл. 16.02.1988). Указанный способ разрушения льда характеризуется тем, что используют надстройку на корпусе подводной лодки (например, ограждение выдвижных устройств), которую оборудуют выступом, приспособленным для контакта с поверхностью ледяного поля, и через калиброванную контактную поверхность этого выступа передают вертикальный перпендикулярный упор на нижнюю поверхность ледяного поля, изгибают поверхность ледяного поля с последующим увеличением упора и изгиба до момента разрушения льда. Выступ выполняют в форме стационарной или выдвижной мачты.
Недостатком указанного способа является жесткий контакт с поверхностью ледяного поля при ударе контактной поверхности выступа - мачты о нижнюю поверхность ледяного поля. Данное обстоятельство вынуждает снижать скорость всплытия подводной лодки, а также возникает большая вероятность поломки выдвинутой мачты при изгибе от неизбежных горизонтальных и угловых смещений подводной лодки в процессе внедрения мачты в нижнюю поверхность ледяного поля. Способ - аналог не обеспечивает безопасный контакт с нижней поверхностью ледяного поля при аварийном всплытии подводной лодки и не гарантирует разрушения льда при форсировании поверхности ледяного поля значимой толщины (более 1 м) в силу возможной поломки мачты.
Известен «Способ экстренного всплытия во льдах подводного промышленного объекта и устройство для его осуществления» (патент RU 2473451 МПК B63G 8/24, B63G 8/00, опубл. 27.01.2013), заключающийся в том, что во избежание повреждения конструктивных элементов и оборудования всплывающего объекта от соударения со льдом с него на опережение выпускают на гибких связях цистерны плавучести, размещенные на верхней части корпуса подводного объекта. После приледнения к нижней поверхности ледяного поля цистерны плавучести прекращают создавать подъемную силу и, соответственно, всплытие подводного объекта происходит с автоматической остановкой и удержанием на безопасной глубине. Таким образом предотвращается соударение объекта со льдом. В дальнейшем, плавно подтягиваясь на гибких связях с помощью лебедок, подводный объект входит в прямой контакт со льдом и за счет создания необходимой плавучести при удалении воды из балластных цистерн, проламывает лед и всплывает в заданное положение.
Рассматриваемое изобретение по патенту RU 2473451, МПК B63G 8/24, B63G 8/00, опубл. 27.01.2013, выбрано в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатками способа - наиболее близкого аналога - являются:
- предусмотренная алгоритмом способа остановка всплытия на заданном расстоянии (длине гибких связей) подо льдом приводит к увеличению времени, необходимого для достижения контакта корпуса объекта со льдом;
- дальнейшая задержка всплытия до момента контакта с атмосферой (опасно в случае пожара) происходит за счет времени, необходимого для подтягивания объекта ко льду выбиранием лебедками гибких связей и удаления воды из цистерн главного балласта.
Известно также устройство для вскрытия ледяного покрова (патент RU 2422765, «Устройство для вскрытия ледяного покрова», МПК F42D 3/00, Е02В 15/02, опубл. 27.06.2011), включающее заряд взрывчатого вещества (ВВ), установленный под ледяным покровом, и систему подрыва, заряд взрывчатого вещества снабжен поплавковой камерой обтекаемой формы, заполненной газом или иным материалом, плотность которого ниже плотности воды, при этом оно выполнено с возможностью фиксирования расстояния между ледяным покровом и зарядом ВВ.
Недостатком указанного устройства является необходимость предварительной установки заряда ВВ под ледяным покровом, обеспечение дистанционного управления подрывом в процессе всплытия, и при этом мала вероятность попадания всплывающего объекта в проделанную взрывом майну.
Известно устройство для экстренного всплытия во льдах подводного промышленного объекта, предназначенное для осуществления способа - наиболее близкого аналога, описанное в патенте RU 2473451 «Способ экстренного всплытия во льдах подводного промышленного объекта и устройство для его осуществления» (МПК B63G 8/24, B63G 8/00, опубл. 27.01.2013), содержащее цистерны плавучести, при этом цистерны плавучести изготавливают в виде одного или нескольких сочлененных между собой удобообтекаемых тел с большим соотношением длины к ширине, например 5:1, с креплением гибких связей к нижним оконечностям цистерн плавучести.
Недостатками этого устройства, принятого как наиболее близкий аналог, являются:
- конструкция устройства не обеспечивает разрушение ледяного поля;
- цистерны плавучести должны быть изготовлены прочными, т.е. рассчитанными на полное забортное давление, что утяжеляет их и делает менее эффективными.
В процессе проведенных патентно-информационных исследований не выявлены другие способы форсирования ледяного поля всплывающим подводным объектом, позволяющие обеспечить безопасность и быстроту всплытия объекта в аварийной ситуации на поверхность моря с гарантированным форсированием ледяного поля значительной толщины.
Задачей заявляемого технического решения является разработка способа форсирования ледяного поля всплывающим подводным объектом и создание конструкции устройства, которые позволят:
- снизить общее время всплытия подводного объекта к поверхности моря,
- обеспечить гарантированное разрушение ледяного поля для спасения в случае аварии или для использования объекта по назначению в надводном положении;
- в результате обеспечить безопасность всплытия подводного объекта.
Для решения поставленной задачи предлагаются способ и устройство для форсирования ледяного поля подводным объектом, которые позволяют устранить перечисленные недостатки наиболее близкого аналога и обеспечить безостановочное всплытие объекта вплоть до достижения поверхности моря (нижней поверхности льда) и гарантированное форсирование всплывающим подводным объектом ледяного поля значительной толщины с образованием в нем майны.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагается способ форсирования ледяного поля всплывающим подводным объектом с применением на подводном объекте устройств - цистерн плавучести, которые в процессе всплытия подводного объекта до соударения со льдом на опережение выпускают на гибких связях. В отличие от наиболее близкого аналога в предлагаемом изобретении используют цистерну плавучести, разделенную на две части, одну из которых выполняют как балластную емкость, снабженную клапаном продувания, шпигатом и вентиляционным отверстием, а другую - как боевой отсек. В погруженном положении объекта балластная емкость заполнена водой, а после ее осушения обеспечивает цистерне плавучести заданную плавучесть. В боевой отсек помещают взрывчатое вещество (ВВ), преимущественно, бризантного (т.е., дробящего) действия и взрыватель. Взрыватель (например, контактного действия) размещен в носовой (верхней) части боевого отсека и выполнен с возможностью инициирования взрыва при ударном контакте цистерны плавучести с ледяным полем. В момент контакта цистерны плавучести с нижней поверхностью ледяного поля взрыватель должен войти в контакт с этой поверхностью или (для взрывателя инерционного действия) направление удара при контакте должно быть близко к направлению оси взрывателя. Этот фактор требует близкой к вертикали ориентации оси цистерны плавучести при подходе ее к ледяному полю в конце всплытия, что может быть обеспечено достаточной остойчивостью цистерн плавучести при всплытии, и является важным фактором данного изобретения (отсутствующим в близком аналоге).
В процессе всплытия подводного объекта перед выпуском цистерны плавучести в ее балластную емкость подают сжатый воздух. Затем растормаживают гибкие связи каждой цистерны плавучести, обеспечивая вертикальное всплытие каждой цистерны плавучести, а затем, после натяжения гибких связей, всплытие подводного объекта - так же, как и в наиболее близком аналоге. Но, в отличие от наиболее близкого аналога, всплытие ускоряется за счет создания собственной плавучести объекта путем удаления определенного количества воды из балластных цистерн объекта. Кроме того, после контакта цистерн плавучести с нижней поверхностью ледяного поля, всплытие подводного объекта продолжается за счет наличия собственной плавучести. Указанное сочетание действий ведет к устранению задержки всплытия подводного объекта, в том числе, за счет исключения операций по выбиранию гибких связей и последующего удаления воды из балластных цистерн подводного объекта.
При этом опережающее всплытие каждой цистерны плавучести и близкое к вертикальному положение оси цистерны гарантируют их надежный ударный контакт с нижней поверхностью ледяного поля. Достаточная плавучесть цистерны плавучести должна обеспечить натяжение гибких связей во все время всплытия - для соблюдения безопасного расстояния между палубой подводного объекта и цистерной плавучести. Плавучесть и остойчивость цистерны плавучести при всплытии обеспечиваются формой корпуса цистерны плавучести и определенным размещением масс элементов ее конструкции по высоте, что достигается одновременным выполнением двух условий по формулам (1) и (2):
- условие плавучести - условия натяжения гибкой связи по формуле
где
ЦП
Р - плавучесть цистерны плавучести, кН;
ПО
Р - остаточная плавучесть подводного объекта, кН;
- условие остойчивости - условие обеспечения прямолинейного всплытия и вертикальной ориентации цистерн плавучести 4 в процессе всплытия - по формуле
где
h - метацентрическая высота, м;
С
Z - аппликата центра объема цистерны плавучести, м;
M - масса цистерны плавучести, т;
g - ускорение силы тяжести, кН/т;
G
Z - аппликата центра масс цистерны плавучести, м;
3
ρ - плотность морской воды, т/м;
3
V - объем цистерны плавучести, м;
T
Ζ - аппликата точки закрепления гибкой связи, м.
Перед выпуском цистерны плавучести в ее балластную емкость подают сжатый воздух, растормаживают каждую гибкую связь, обеспечивая всплытие каждой цистерны плавучести, при ударном контакте каждой цистерны плавучести с нижней поверхностью ледяного поля инициируют взрыватели, в зависимости от величины дифферента всплывающего подводного объекта устанавливают последовательность взрывов цистерн плавучести, взрывы производят с образованием совокупной майны и выполняют всплытие подводного объекта в майне, осуществляя безопасное форсирование подводным объектом ледяного поля.
Таким образом, совокупность перечисленных отличительных признаков заявляемого способа от наиболее близкого способа-аналога достаточна для исключения недостатков наиболее близкого аналога и достижения заявленного технического результата, а именно:
- безостановочное всплытие объекта вплоть до достижения поверхности моря;
- устранение задержки всплытия, обусловленной в наиболее близком аналоге необходимостью выбирания гибких связей цистерны плавучести и последующего удаления воды из балластных цистерн подводного объекта;
- гарантированное форсирование всплывающим подводным объектом ледяного поля значительной толщины и образование в нем майны, в частности, за счет использования ВВ, которое размещают в верхней части цистерн плавучести.
Совокупность перечисленных отличительных признаков заявляемого устройства от устройства - наиболее близкого аналога достаточна - для исключения недостатков наиболее близкого устройства-аналога и достижения заявленного технического результата, а именно:
- обеспечение необходимых плавучести и остойчивости цистерны плавучести при всплытии за счет формы корпуса цистерны плавучести и определенного размещения масс элементов ее конструкции по высоте;
- получение близкого к вертикальному положения оси цистерны за счет достаточной остойчивости, что гарантирует их вертикальную ориентацию и надежный ударный контакт с нижней поверхностью ледяного поля;
- выполнение корпуса цистерны плавучести в проницаемом (легком) исполнении за счет того, что цистерны плавучести заполнены водой во время подводного плавания ПО.
Сущность заявляемого изобретения для форсирования ледяного поля всплывающим подводным объектом поясняется чертежами (фиг. 1-6). На фиг. 1-5 показаны позиции подводного объекта 1, всплывающего в подледном пространстве моря 2, с ледяным полем 3 на поверхности, а на фиг. 6 показан общий вид цистерны плавучести 4.
Способ может быть осуществлен посредством устройства, которое состоит из нескольких цистерн плавучести 4, закрепленных в надстройке 5 подводного объекта 1. Цистерна плавучести 4 выполнена с возможностью отделения от подводного объекта 1 и всплытия на гибких связях 6, при разматывании их с вьюшек 7, размещенных в надстройке 5 до полной длины гибкой связи 6. Цистерна плавучести 4 (см. фиг. 6) состоит из корпуса 8, разделенного на балластную емкость 9 и боевой отсек 10, заполненный взрывчатым веществом 11. В носовой части боевого отсека установлен взрыватель 12 (контактного или инерционного действия). Балластная емкость 9 оборудована клапаном продувания 13, соединенным с корабельной системой сжатого воздуха (на чертеже не показана), шпигатом 14 для заполнения балластной емкости 9 водой и вентиляционным отверстием 15 для выхода воздуха при погружении и выравнивании давления в балластной емкости 9. При нахождении подводного объекта 1 на поверхности моря балластная емкость 9 пуста, при погружении - заполняется водой одновременно с надстройкой 5. Площадь вентиляционного отверстия 15 балластной емкости 9 должна быть существенно (в 10-15 раз) меньше площади шпигата 14, что не препятствует заполнению емкости, но позволяет продуть балластную емкость 9 почти полностью в начале всплытия при достаточно большой производительности продувания (фиг. 6).
Способ форсирования ледяного поля всплывающим подводным объектом и работу устройства реализуют следующим образом.
На фиг. 1 показаны подводный объект и устройство в исходном положении. Подводный объект 1 находится (т.е. плавает), не имея горизонтальной скорости (имея нейтральную плавучесть), в подледном пространстве 2 под ледяным полем 3. Цистерны плавучести 4 закреплены в надстройке 5 подводного объекта 1 гибкими связями 6, намотанными на вьюшки 7, которые застопорены. Балластные емкости 9 заполнены водой во все время подводного плавания. При возникновении необходимости всплытия в подледных условиях открывают клапан продувания 13 цистерны плавучести 4 (см. фиг. 6), и в результате продувания балластной емкости 9 сжатым воздухом создается подъемная сила цистерны плавучести 4, передающаяся на гибкую связь 6. Вьюшки 7 растормаживают (снимают со стопоров), отпуская гибкую связь 6 и обеспечивая всплытие каждой цистерны плавучести 4 до длины, не менее необходимой по условию безопасности подводного объекта от ударной волны при подрыве взрывчатого вещества 11. После фиксации заданной длины гибких связей 6 цистерны плавучести 4, сохраняя плавучесть и натягивая связи 6, увлекают за собой подводный объект 1, как показано на фиг. 2. Для ускорения всплытия подводному объекту 1 придают дополнительно положительную плавучесть, для чего подают сжатый воздух в балластные цистерны (на чертеже не показаны) подводного объекта 1, при этом величина его собственной плавучести не должна превышать величину суммарной плавучести цистерн плавучести 4 согласно формуле (1), а для обеспечения прямолинейного всплытия и вертикальной ориентации (остойчивости) цистерн плавучести 4 в процессе всплытия устанавливают соотношения весовых и объемных параметров для цистерны плавучести 4 по формуле (2) (см. выше). После контакта цистерн плавучести 4 с ледяным полем 3, суммарная подъемная сила на подводный объект 1 уменьшается, и всплытие подводного объекта 1 замедляется. На фиг. 3 показан контакт одной из цистерн плавучести 4 с ледяным полем 3, сопровождающийся срабатыванием взрывателя 12 и взрывом взрывчатого вещества 11 с последующим разрушением льда и образованием локальной майны 16. Всплытие подводного объекта 1 замедляется, но не останавливается, благодаря собственной плавучести объекта 1. Последовательность взрывов цистерн плавучести 4 определяют в зависимости от величины дифферента всплывающего подводного объекта 1. Дифферент подводного объекта как угол наклона объекта в продольной вертикальной плоскости относительно поверхности моря показан на фиг. 3 и 4 (угол ψ). На фиг. 3 показан контакт одной из цистерн плавучести 4 с ледяным полем 3, сопровождающийся срабатыванием взрывателя 12 и взрывом взрывчатого вещества 11 с последующим разрушением льда и образованием локальной майны 16. На фиг. 4 показан контакт другой цистерны плавучести 4 с ледяным полем 3, также сопровождающийся взрывом взрывчатого вещества 11 с последующим разрушением льда и образованием объединенной майны 17. На фиг. 5 показан подводный объект 1, всплывший в объединенную майну 17.
Таким образом, в результате реализации предлагаемого изобретения достигается новый результат в области эксплуатации подводных объектов в подледном плавании, который дает существенное уменьшение времени всплытия подводного объекта до достижения поверхности моря с гарантией форсирования (проламывания) всплывающим подводным объектом ледяного поля при обеспечении безопасности для объекта. При этом в отличие от наиболее близкого аналога, цистерны плавучести, применяемые для достижения указанного результата, изготовлены легкими (проницаемыми), т.е., без расчета их корпуса на полную глубину погружения объекта. Достигается существенное повышение безопасности подледного плавания и сокращение времени для всплытия подводного объекта с целью использования по назначению.