СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
ICE BREAKING METHOD

Изобретение относится к области судостроения, в частности к подводным судам, плавающим в ледовых условиях и разрушающим ледяной покров при всплытии в сплошном льду.
Продление навигации на внутренних водных путях и расширение освоения северных регионов России, их сырьевых и энергетических ресурсов, приводит к тому, что необходимо обеспечить передвижение судов в условиях ледяной корки и ледяного покрова толщиной от 1 метра и более, что является достаточно серьезной проблемой. Это подтверждается многочисленными патентами, направленными на разработку способов разрушения ледяного покрова. Задачей настоящего изобретения является придание способности судну форсировать ледовые участки за счет увеличения  ледопроходимости самого судна, что позволит расширить область его применения  и улучшить его эксплуатационные характеристики.
Из уровня техники известны способы разрушения ледяного покрова, заключающиеся в воздействии на ледяной массив непосредственно корпусом судна и его различными элементами, что требует использования на судах мощных движителей и прочных корпусов, изготовленных из дорогих высоколегированных сталей значительной толщины. Известны также способы, заключающиеся в воздействии на ледяной массив не только корпуса судна, но и дополнительных факторов, приводящих к значительным энергозатратам и возможности использования при кратковременном движении судна во льдах. Так, например, известен способ разрушения ледяного покрова (патент RU 2086460, опубл. 08.02.1995) подводным судном ледового плавания. Для преодоления ледяного поля на мелководье указанное судно плавает в надводном положении с продутыми цистернами главного балласта, корпус судна в поперечном сечении выполнен клиновидной формы, заостренной кверху, а носовая  оконечность корпуса выполнена с участком конической формы, который наклонен в диаметральной плоскости под углом 20-45°  к ватерлинии и плавно сопряжен с участком сфероидальной формы, который сопряжен с участком седловой поверхности. Судно взламывает лед снизу носовой частью за счет наклонной поверхности конической формы, при этом за счет клиновидной формы бортов льдины соскальзывают на седловидную поверхность и распределяются вдоль бортов, а за счет уширения ватерлинии в носовой части образуется свободный от льда канал, способствующий уходу льдин под лед в сторону от кромки канала. При необходимости поворота по курсу перекладывают вертикальный руль, корма подходит к кромке канала и за счет клинообразной формы корпуса взламывает снизу кромку канала.
Указанный способ преодоления ледяного поля подводным судном данной конструкции имеет следующие недостатки. Судно находится в надводном положении (т.е. с полностью продутыми цистернами главного балласта) и, имея большую площадь ватерлинии и большую продольную остойчивость, практически лишено возможности увеличивать осадку на нос, уступая давлению склона ледяного киля, и подламывать лед снизу в случае контакта подводной частью носовой оконечности с подводной частью тороса (ледяного киля), что приведет к заклиниванию носовой оконечности в ледяном киле. Какие-либо мероприятия, облегчающие разрушение льда носовой оконечностью, отсутствуют. Таким образом, применение судна по указанному в патенте способу обеспечивает хорошую ледопроходимость только в условиях относительно ровного льда.
Известен другой способ разрушения ледяного покрова (патент RU 2263603, опубл. 10.11.2005), согласно которому формируют возбуждающие резонансные изгибно-гравитационные волны (ИГВ) при движении подводного судна, обеспечивая создание  гидравлического удара по льду снизу. Если амплитуда этих волн окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова, то судно за счет реверса гребных винтов начинает тормозить. Одновременно с торможением судна с помощью баллонов сжатого воздуха для продувки цистерн главного балласта за кормой судна периодически с частотой, равной частоте резонансных ИГВ, формируют воздушную полость путем соответствующей подачи из корпуса судна воздуха за борт. Для этого клапаны, соединенные посредством трубопроводов с баллонами сжатого воздуха, открывают и закрывают с частотой, равной частоте резонансных ИГВ. Попутный поток, сформировавшийся за судном при его поступательном движении, продолжая по инерции свое движение, встретит на своем пути воздушную полость, что вызовет его ускорение, а затем после ее прохождения - препятствие в виде остановившегося судна. Это приведет к скачкообразному увеличению давления в районе кормы судна. Вследствие несжимаемости воды это давление мгновенно передается во всех направлениях, в том числе и в направлении нижней поверхности ледяного покрова, что вызовет возбуждение во льду дополнительных резонансных ИГВ. В результате на основные ИГВ, возбужденные от поступательного движения судна, накладываются дополнительные резонансные ИГВ, возникающие при торможении судна и периодического формирования за его кормой воздушной полости. Суммирование этих колебаний до профиля волны повысит эффективность разрушения льда.
Недостатком данного способа является низкая эффективность разрушения ледяного покрова, обусловленная возможностью разрушения только в стационарном режиме. Способ эффективен только при наличии толщины ледового покрова до 0,7 м. Кроме того, для подводных грузовых судов необходим заход в порты с замерзающей акваторией и мелководными путями подхода, что предполагает плавание в надводном положении и делает встречу с ледяными полями на мелководье неизбежной. Таким образом, необходимо обеспечить достаточную ледопроходимость подводного судна, находящегося в надводном положении.
3
3
2
Еще одним аналогом заявляемого изобретения является способ разрушения ледяного покрова, основанный на использовании архимедовой силы (патент RU 2326785, опубл. 20.06.2008), которую создают с помощью управляемого с подводного судна  самодвижущегося подо льдом аппарата, раскалывающего лед снизу ледорезом под воздействием архимедовой силы, образуемой при откачке воды из корпуса этого аппарата. Способ заключается в том, что берут автономный подводный аппарат, состоящий из пустой емкости объемом 100 м, полого треугольного в сечении гаргрота объемом 20 м, являющегося ледорезом, и машинного отделения, которое связывают с подводным судном силовым электрическим кабелем; опускают этот аппарат под лед и с помощью пульта управления, расположенного на борту подводного судна, и водометного двигателя подводят его к месту разрушения льда, затем, открывая шибер, наполняют емкость забортной водой, при этом гаргрот обеспечивает плавучесть всего аппарата, опирающегося гаргротом на нижнюю кромку льда, воздух из гаргрота при заполнении емкости водой выпускают через обратный клапан; затем насосом через трубу и обратный клапан откачивают воду из емкости и создают архимедову силу, равную 100 т, с помощью которой в месте соприкосновения  острой кромки гаргрота со льдом превышают временное сопротивление льда сдвигу, равное 30 кг/см, почти в 5 раз, а давление в гаргроте уменьшают до 0,2 атм; аппарат всплывает и острая кромка гаргрота взламывает ледяной покров, после образования во льду трещины подводное судно и аппарат продвигают вперед и следующий цикл разрушения льда начинают тем, что снова открывают шибер и наполняют емкость новой порцией воды под действием гидростатического давления и вакуума в гаргроте и т.д.
Недостатком данного аналога является то, что применяемый аппарат должен быть большого объема, сравнимого с объемом небольшой подводной лодки, кроме того, процесс взламывания ледяного покрова осуществляют только в то время, когда судно дает задний ход, а для продвижения его вперед необходимо неоднократно производить ряд операций с используемым для разрушения ледяного покрова аппаратом, что снижает оперативность способа и сужает область применения.
Еще одним из аналогов является способ разрушения ледяного покрова по патенту RU 2535346 (опубл. 10.12.2014). Способ заключается в том, что при движении полупогружного судна создают выталкивающую архимедову силу, давящую на нижнюю поверхность льда в вертикальном направлении, и разрушают лед заведенным под него тараном с ледоразрушающим ребром, связанным с корпусом судна. Вертикальную выталкивающую силу создают всей положительной плавучестью полупогружного судна и подъемной силой его горизонтальных гидродинамических рулей, при этом таран воздействует на лед в горизонтальном направлении как своим наклонным разрушающим ребром, так и всей своей поверхностью. Разрушение льда происходит специальным прочным тараном, расположенным сверху корпуса по всей его длине при движении судна. Конструктивно таран представляет собой узкий, не более 3 м, и высокий, не менее 15 м, плавник с наклонным ледоразрушающим ребром.
Этот способ применим для крупнотоннажных судов с горизонтальными рулями-крыльями большой площади, управляемых экипажем.
Известен также способ разрушения ледяного покрова для всплытия подводной лодки (патент RU №2085432, опубл. 27.07.1997). Способ разрушения льда включает подачу струи нагретой жидкости к поверхности льда. Процесс разрушения льда происходит при всплытии на перископную глубину и корректировки ее положения. С помощью штанг с насадками с обеспечением минимального зазора между ними и нижней поверхностью льда подают теплую воду и таким образом протапливают лед по всему периметру судна, образуя прорези. Затем подводят судно под участок протопленных в толще льда прорезей, создают положительную плавучесть, взламывают корпусом ослабленный прорезями лед и всплывают в надводное положение. В качестве нагретой жидкости используется вода из циркуляционной трассы, выбрасываемая на штатных режимах за борт.
Недостатком данного способа является то, что требуется много энергетических затрат и времени для его осуществления. В начальный момент лед начинает быстро таять, но в дальнейшем вода,  образующаяся в результате таяния верхнего слоя льда, препятствует интенсивному таянию нижних слоев льда. При этом процесс таяния льда резко замедляется, что приводит к неэффективности способа.
Известен способ разрушения ледяного покрова, включающий силовое воздействие корпуса судна на массив льда с дополнительным созданием разрежения в воде путем ее забора и откачки из зоны в оконечности корпуса, в направлении которой производится движение судна (патент RU 2230000, опубл. 10.06. 2004). Формируют гидравлические струи, направленные на ледяной покров сверху вниз с нависающей носовой части ледокольного судна. Источником гидравлических струй является электрогидрореактивный двигатель, а струи являются реактивными и непрерывными. Водозаборное устройство для подачи воды к электрогидрореактивному двигателю располагают в нижней носовой части судна. При подходе к кромке ледяного покрытия осуществляют пригруз носовой части.
Данный способ разработан для речных судов. Недостатком известного способа движения судна во льдах является тенденция перемещения ледяных блоков под корпус и необходимость введения в конструкцию судна дополнительного мощного насоса, обеспечивающего забор и откачку воды.
Наиболее близким аналогом по решаемой задаче и количеству сходных признаков к заявляемому способу является способ разрушения ледяного покрова по патенту US 3130701(опубл. 28.04.1964). Способ заключается в том, что носовую часть подводного судна заводят под ледяной покров путем изменения плавучести судна за счет опускания его носовой части при наполнении, например, балластной водой специально предназначенных для этого цистерн, расположенных в носовой части, с последующим увеличением плавучести путем подъема носовой части при опорожнении этих цистерн и одновременной подачей воздуха в надувную емкость, расположенную под днищем судна, обеспечивая воздействие усилия на нижнюю поверхность ледяного покрова  размещенным на поверхности носовой части специальным приспособлением - ледорезом и осуществляют взламывание ледяного покрова. Ледорез выполнен в виде бруска с острой кромкой и размещен на верхнем участке носовой части.
Недостатком ближайшего аналога является то, что эффективность разрушения ледяного покрова требует огромных энергозатрат. Это связано с тем, что когда носовая часть судна только начинает деформировать ледяной покров для образования трещин, удельные нагрузки на лед велики и возникающие во льду напряжения превышают его предел прочности, однако дальнейшее воздействие носовой части на ледовый покров сопровождается увеличением протяженности контакта, в результате нагрузка на лед перераспределяется, удельные нагрузки уменьшаются по мере увеличения протяженности зоны контакта, что требует значительного увеличения подъемной силы.
Техническим результатом, который можно получить при использовании предлагаемого изобретения, является повышение эффективности разрушения ледяного покрова.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе разрушения ледяного покрова, заключающимся в ослаблении ледяного покрова с формированием трещин и создании выталкивающей архимедовой силы путем воздействия судном на нижнюю поверхность ледяного покрова, для чего, изменяя плавучесть судна, заводят его носовой частью под ледяной покров за счет наполнения специально предназначенных для этого цистерн, оставляя кормовую часть над поверхностью воды, а затем, увеличивая плавучесть судна, осуществляют его подъем за счет опорожнения этих цистерн, создавая выталкивающую силу всей положительной плавучестью судна, усиливая воздействие на нижнюю поверхность ледяного покрова упрочненной ледоразрушающей верхней носовой частью корпуса, после чего повторяют цикл разрушения льда, новым является то, что, ослабление ледяного покрова осуществляют путем воздействия в направлении движения судна одной или двумя гидроструями на толщу льда участка, который впоследствии будет подвергнут воздействию выталкивающей силы, с формированием в нем одного или двух надрезов, при этом средства вывода гидроструи размещают на кормовой  часть судна, которая остается на поверхности, после чего разрушают ледяной покров по линии надреза, в случае воздействия одной гидроструи, либо откалывают участки льда поперек линиям надреза, образуя канал.
Воздействие в направлении движения судна одной или двумя гидроструями на толщу льда участка, который впоследствии будет подвергнут воздействию выталкивающей силы, позволяет выполнить в ледяном покрове надрезы в виде одной или двух продольных щелей для формирования концентраторов дальнейшего разрушения льда, что облегчит последующее разрушение льда. Воздействие локально одной или двумя гидроструями одновременно на разные области приведет к существенному облегчению разрушения сплошного ледяного покрова в истончившемся слое льда вдоль или поперек линий надрезов, формируя канал требуемой ширины.
Размещение средств вывода гидроструи на кормовой части судна, которая остается на поверхности, позволяет осуществить локальное воздействие гидроструей в направлении движения судна на толщу льда того участка ледяного покрова, который впоследствии будет подвергнут воздействию выталкивающей силы. Такой способ воздействия уменьшает энергозатраты на разрушение льда.
На чертеже представлена схема взаимодействия носовой части судна со льдом при всплытии после воздействия одной или двух гидроструй.
Примером конкретного выполнения судна для разрушения ледяного покрова, с помощью которого можно пояснить заявляемый способ, может служить судно, разрушающее ледяной покров с помощью гидрорезки и архимедовой силы. Для преодоления ледяных полей в надводном положении путем разрушения льда снизу судно имеет корпус с профилированной упрочненной верхней частью и в поперечном сечении выполнен клиновидной формы. В носовой части размещают балластные цистерны. Под днищем судна размещают надувную емкость. Надстройка выполнена в кормовой части судна. Выполняют один или два канала для создания одной или двух гидроструй соответственно, в который входит насос, создающий сильный поток воды малого диаметра. Вода берется предпочтительно из-под дна судна или со стороны дна через одно или несколько отверстий соответственно. Средства вывода гидроструи размещают на кормовой  часть судна, которая остается на поверхности. Эффективность резки льда зависит не только от его характеристик, но также и от уровня давления, количества используемой воды и других параметров. Для создания давления используются специальные насосы, которые должны быть способны не только поддерживать его  в рабочем режиме, но и работать при этом надежно. Возможно использование, например, насоса прямого действия, принцип работы которых заключается в том, что три поршня, приводимые в действие электродвигателем, поочередно выталкивают из цилиндров воду. Такие насосы имеют широкое применение благодаря простоте своей конструкции. Они способны создавать требуемое рабочее давление.
Способ разрушения  ледяного покрова в условиях Арктики и Антарктики с помощью подводного судна, раскалывающего лед снизу носовой частью под воздействием архимедовой силы, заключается  в следующем.
При движении судна в ледовых условиях при подходе к ледяному покрову, наполняют цистерны, размещенные в носовой части балластной водой.  При изменении плавучести судна происходит опускание его носовой части 1. После захода носовой части судна под лед, при этом кормовая часть с надстройкой и средством вывода одной или двух гидроструй остается на поверхности, осуществляют ослабление ледяного покрова с формированием в нем одного или двух надрезов путем локального воздействия в направлении движения судна одной гидроструей или двумя параллельными струями на толщу льда участка, который впоследствии будет подвергнут воздействию выталкивающей силы. Сильный поток воды малого диаметра прорезает продольные надрезы в толще льда. Увеличивают плавучесть судна при опорожнении балластных цистерн и одновременной подачей воздуха в надувную емкость, расположенную под днищем судна, что приводит к подъему носовой части судна. Корпус судна, выполненный определенной ледоразрушающей формы и обладающий запасом кинетической энергии за счет положительной плавучести, приобретаемой путем опорожнения цистерн, воздействует на нижнюю поверхность ледяного покрова, в котором образованы прорези. При достижении предела прочности в истончившемся слое льда происходят растрескивание и раскалывание ледяного поля по линии надреза при воздействии одной струи и поперек двум параллельным линиям надреза при воздействии двух гидроструй. За счет архимедовых сил, т.е. сил плавучести, обломки льда всплывают и за счет обводов движущегося судна будут раздвинуты. Таким образом, производятся ослабление прочности ледяного поля по разные стороны от судна и нарушение его монолитного состояния. Возникнет чистый участок судоходного канала. После очередного захода носовой части под ледяной покров вышеописанный процесс повторяют.
Реализации отличительных признаков представленного изобретения заключается в энергетически малозатратном снижении прочности льда перед оказанием на него воздействия посредством судна с целью разрушения. Упомянутое снижение будет способствовать повышению ресурса работающих в Арктике и Антарктике судов.