СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
DESTRUCTION OF ICE COVER

1. Область техники
Изобретение относится к способам разрушения ледяного покрова для вскрытия прохода через ледовое поле, к судовому оборудованию и к ледоколу для осуществления способа.
2. Уровень техники
Известен способ разрушения ледяного покрова с помощью устройств по патенту №RU 2245275 В63В 35/08, в котором используется лазерная установка, расположенная на днище судна с воздушной подушкой для нанесения поперечных направлению движения судна насечек на льду для создания светогидравлического удара на лед и разрушения его резонансным методом. Достигается повышение эффективности разрушения льда.
Недостатком является применимость способа только для судна на воздушной подушке и необходимость создания изгибно-гравитационной волны.
Известен также способ разрушения льда резонансным методом с передачей энергии лазерного излучения в подледный слой (В.В. Богородский, В.П. Гаврило, О.А Недошивин. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат, 1983).
Недостатком является ограничение применения метода только в тонком слое льда при наличии резонансной волны.
Известно использование лазерного излучения для раскалывания льда на поверхностях самолетов - патент США №4900891, НКИ 219/121.6, 1990 г. и патент США №5823474, НКИ 244/134Е, 1998 г. В известных патентах - США№6206325, НКИ 244/134Е, 2001 г. и Канады №2222881, МКИ H02G 7/16, 1998 г. с этой целью используют лазерное излучение с длиной волны в диапазоне 10-11 мкм, соответствующем области поглощения излучения льдом, и происходит скалывание льда.
Недостатком является использование на самолетных поверхностях и локальное действие на тонкие слои, что не позволяет проводить разрушение льда на больших массивах.
Известен способ разрушения ледяного покрова по патенту №KR 20090094924 (А) «ICE BREAKER WITH A HIGH POWER LASER» от 09.09.2009, B63B 35/08, в котором для разрушения льда используется расположенный на носу ледокола лазер высокой мощности, дробящий лед, делая трещины во льду при облучении льда лазерным лучом, тем самым уменьшая воздействие на носовую часть и повышая скорость движения ледокола.
Недостаток известного технического решения состоит в том, что с его помощью невозможно обеспечивать ледоколом широкие каналы для проводки крупногабаритных судов и разрушать толстые массивные ледяные поля.
Известен «Способ разрушения ледяного покрова» по патенту №2463200 RU от 15.04.2011 г., в котором используется облучение ледяного покрова мощным лазерным излучением по линиям концентрации напряжения, создаваемым ледоколом, наезжающим на целое ледяное поле. Данный способ предусматривает такие операции, как нагружение ледяного покрова наезжающим корпусом ледокола, определение линий концентрации напряжений в ледяном покрове, фокусировку лазерного излучения на линиях концентрации напряжений, испарение сфокусированным лазерным излучением льда на этих линиях, испарение льда на глубину, раскалывание ледяного покрова.
«Способ разрушения ледяного покрова» по патенту №2463200 RU от 15.04.2011 г. принят в качестве прототипа как способ, наиболее близкий по своей технической сущности к сущности предлагаемого изобретения.
Недостатком данного способа разрушения ледяного покрова является:
- необходимость создания специального оборудования для реализации операций непрерывного определения линии концентрации напряжения в ледяном покрове, непрерывного наведения лазерного луча на эти линии и сканирования сфокусированного лазерного излучения вдоль этих линий,
- большая длина линий концентрации напряжения, превосходящая длину пути ледокола, вследствие чего сканирование этих линий лучом лазера должно осуществляться со скоростью, значительно превосходящей скорость движения ледокола, что при фиксированной мощности лазера ведет к снижению линейной плотности распределения энергии лазерного излучения вдоль линии сканирования.
3. Раскрытие изобретения
Целью предлагаемого изобретения является сокращение состава операций воздействия мощного лазерного излучения на ледяной покров для снижения ледовой нагрузки на корпус ледокола при его движении в сплошном ледовом поле и формирование канала для проводки судов, а также повышение линейной плотности распределения энергии лазерного излучения вдоль линии облучения ледяного покрова, за счет сокращения длины этих линий и скорости перемещения по ним до длины пути, пройденного ледоколом, и скорости его движения соответственно.
Данная цель достигается путем изменения последовательности операций воздействия на ледовый покров механической нагрузки наезжающего на лед ледокола и энергии мощного лазерного излучения.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в отличие от прототипа в данном способе на ледяной покров вначале воздействуют лазерным излучением, а потом нагружают его механической нагрузкой наезжающего ледокола.
Причем на ледоколе размещают (фиг. 1) три лазерные установки, фокусирующие устройства которых ориентированы на ледяной покров вниз. Причем, одно устройство располагают в диаметральной плоскости перед носом ледокола, второе и третье - симметрично диаметральной плоскости ледокола на расстоянии 1,3 толщины льда от ватерлинии ледокола в наиболее широкой его части и на линии, проходящей перпендикулярно диаметральной плоскости между носом ледокола и его форштевнем.
Причем линейную плотность распределения энергии лазерного излучения вдоль линии облучения ледяного покрова регулируют скоростью движения судна.
Причем скорость движения судна выбирают в зависимости от толщины ледяного покрова.
Причем движение ледокола начинают по чистой воде, перемещая при этом лазерные лучи по трем параллельным линиям с выбранной скоростьюдвижения судна и параллельно направлению движения судна, а не по линиям концентрации напряжения.
Причем воздействуют лазерным излучением на кромку ледяного покрова и по мере движения судна испаряют лед по линиям, параллельным направлению движения ледокола на глубину раскалывания.
Причем нагружают ледяной покров наезжающим на его кромку ледоколом и раскалывают ледовое поле по линиям надрезов, образуя канал, ширина которого превосходит максимальную ширину ледокола на 2,6 толщины льда.
Технический результат заключается в сокращении числа операций и состава оборудования, необходимых для реализации способа, в сокращении длины линий облучения и скорости перемещения лазерного луча по этим линиям до скорости движения ледокола, в повышении за счет этого линейной плотности распределения энергии лазерного излучения вдоль линии облучения ледяного покрова, в снижении ледовой нагрузки на корпус судна, в формировании канала для проводки судов правильной формы, ширина которого превосходит максимальную ширину ледокола на 2,6 толщины льда.
4. Чертежи
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется схемами и фотографиями экспериментов по отработке технологий разрушения льда, представленными на фиг. 1-8.
На фиг. 1 показана «Схема расположения лазерных установок на судне и взаимодействия системы «Лазерные установки - ледокол» с ледяным полем». Данная схема на фиг. 1 раскрывает основные принципы размещения фокусирующих устройств лазерных установок на судне и последовательность операций взаимодействия с ледяным полем системы «Лазерные установки - ледокол».
На фиг. 1 отмечены следующие позиции:
- позиции 1, 2, 3 - фокусирующие устройства лазерных установок,
- позиции 4, 5, 6 - линии облучения (линии надрезов) ледяного покрова,
- позиция 7 - луч лазера установки №1,
- позиция 8 - лучи лазера установок №2, 3,
- позиция 9 - центральный надрез ледяного поля,
- позиция 10 - боковые надрезы ледяного поля,
- позиция 11 - кромка ледяного поля,
- позиция 12 - ледокол,
- позиция 13 - диаметральная плоскость судна,
- позиция 14 - ватерлиния судна,
- позиция 15 - направление движения ледокола со скоростью V,
- позиция 16 - ледяное поле.
Фотографии, представленные на фиг. 2 и 4, демонстрируют отдельные эксперименты по резке крупногабаритных массивов льда лучом лазера, в ходе которых впервые подтверждена принципиальная возможность резания мощным лазерным излучением толстого массива льда.
3
На фиг. 2 представлены фотографии, иллюстрирующие «Воздействие излучения лазера мощностью 30 кВт на крупногабаритный массив льда размеров 1000×500.500 мм».
3
0
На фиг. 3 представлена «Схема эксперимента по резке массива льда 1000×500.500 мм излучением лазера мощностью 30 кВт, λл = 1,07 мкм, F = 550 мм, ω = 25 мкм», которая показывает кинематику взаимодействия луча лазера с массивом льда при проведении натурных экспериментов по резке льда мощным лазерным излучением.
3
На фиг. 4 представлены фотографии, иллюстрирующие «Резку куба льда 500×500×500 мм: а) луч лазера в вертикальной плоскости к поверхности льда, б) завершающая фаза процесса резания».
Фотографии на фиг. 5-8 показывают наиболее характерные эпизоды модельных экспериментов по оценке влияния различных способов надреза ледяного поля на величину ледовой нагрузки на корпус ледокола.
На фиг. 5 представлено «Моделирование надрезов ледяного покрова на всю его толщину (1,5 м) по трем линиям, параллельным курсу движения судна».
На фиг. 6 представлена «Форма канала при отсутствии надрезов».
На фиг. 7 представлена «Форма канала при наличии боковых надрезов».
На фиг. 8 также представлена «Форма канала при наличии боковых надрезов».
5. Осуществление изобретения
2
2
Основу применения лазерного излучения для разрушения льда составляет механизм теплового поглощения лазерного излучения в диапазоне спектра поглощения льда (Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат, 1983). При фокусировании излучения с плотностью 15-20 кВт/смпроисходит плавление льда и испарение образовавшейся воды, осуществляется мгновенный фазовый переход лед-вода-пар. Скорость испарения достигает значения 1 мм в 0,01 с. (Квантовая Электроника, 1994, Т. 21, №2, С. 137-141). Воздействие излучения СО - лазера на крупные капли ортофосфорной кислоты, воды и ледяные кристаллы сферической формы. В.К. Рудаш). Таким образом, в течение секунды образуется отверстие глубиной до 10 см. При дальнейшем облучении струя пара расширяет входное отверстие во льду.
3
ОАО «ЦНИИ «Курс» совместно с ОАО «НЦЛСК «Астрофизика» провели исследования (ОАО «ЦНИИ «Курс», научно-технический отчет «Разработка технологий снижения ледовых нагрузок на работающие на континентальном шельфе инженерные сооружения на основе применения мощных лазеров», номер отраслевой регистрации №100862 от 27.05.2013 г.) воздействия непрерывного лазерного излучения (λ=1,07 мкм) оптоволоконного лазера мощностью 30 кВт с оптической системой, обеспечивающей фокусное расстояние 550 мм и диаметр луча в фокусе 250 мкм, на крупногабаритные (1000×500×500 мм) массивы льда (фиг. 2).
Эксперименты показали, что воздействие мощного лазерного излучения на ледовый покров не приводит к образованию трещин и раскалыванию льда.
При воздействии неподвижного луча лазера на поверхность льда образуется каверна, входной диаметр которой в два раза превосходит ее глубину. При этом время сквозного "прожига" на глубину 500 мм исчисляется десятками секунд.
При ориентации лазерного луча вниз к поверхности льда и движении луча, начиная с боковой поверхности ледяного массива, происходит испарение льда вдоль луча, формируется прорезь (фиг. 3) на всю толщину ледяного массива (фиг. 4а) и его разрушение под действием собственного веса (фиг. 4б).
В ходе этих экспериментов впервые подтверждена принципиальная способность мощных лазеров резать лед толщиной не менее 1 м.
Толщина разрезаемого льда определяется линейной плотностью распределения энергии излучения вдоль линии движения луча лазера по облучаемой поверхности льда и нелинейно связана с характеристиками фокусирующей системы лазера. Величина линейной плотности распределения энергии линейно зависит от мощности лазера и обратно пропорциональна скорости перемещения лазерного луча по облучаемой поверхности.
Результаты выполненных исследований обусловливают необходимый порядок воздействия на ледовый покров различных нагрузок: сначала на боковую поверхность кромки ледового поля воздействуют сфокусированным вниз лазерным излучением, а потом нагружают надрезанное ледовое поле механической нагрузкой наезжающего ледокола.
Известно, что увеличение давления на ледяную пластину приводит к увеличению амплитуды ее прогиба, а изменение температуры и толщины льда приводит к предельным прогибам и к ломке льда (Хейсин Д.Е., Динамика ледяного покрова. П.: Гидрометеоиздат, 1967, 216 с.).
Исследования, выполненные ОАО «ЦНИИ «Курс» совместно с ФГУП «Крыловский государственный научный центр» (ОАО «ЦНИИ «Курс», научно-технический отчет «Разработка технологий снижения ледовых нагрузок на работающие на континентальном шельфе инженерные сооружения на основе применения мощных лазеров», номер отраслевой регистрации №100862 от 27.05.2013 г.), показали, что предварительныйнадрез ледового поля на всю его толщину (1,5 м в пересчете на натуру) впереди по курсу ледокола по трем линиям (фиг. 5), две из которых расположены в носовой части ледокола с левого и правого бортов на расстоянии 1-1,3 толщины ледового покрова в наиболее широкой части корпуса ледокола на уровне ватерлинии, а одна впереди по курсу ледокола снижают ледовую нагрузку на его корпус от 33% до 40% во всем диапазоне исследованных скоростей движения(1-3 узла).
При этом, формируемый канал имеет, в отличие от обычного (фиг. 6.), правильную форму (фиг. 7 и 8), а его ширина превосходит максимальную ширину ледокола.
Практическая реализация способа происходит следующим образом.
В зависимости от класса судна осуществляют подбор необходимой мощности лазерных установок и параметров фокусирующей системы.
В зависимости от формы носовой оконечности судна определяют положение фокусирующих устройств 1-3 лазерных установок (фиг. 1) относительно носа ледокола и размещают их на ледоколе 12. Устройство 1 располагают перед носом судна, устройство 2 и 3 - по левому и правому борту симметрично диаметральной плоскости 13 ледокола 12.
В зависимости от толщины ледового покрова 16 устанавливают расстояние между боковыми фокусирующими устройствами 2, 3 лазерных установок и диаметральной плоскостью 13, таким образом, чтобы эти устройства лазерных установок находились на расстоянии 1,3 толщины ледяного покрова от ватерлинии 14 в наиболее широкой части корпуса ледокола 12.
Ориентируют фокусирующие устройства 1-3 лазерных установок, направляя центральный 7 и боковые 8 лазерные лучи вниз.
В зависимости от толщины ледового покрова 16 и с учетом характеристик лазерных установок назначают скорость 15 движения судна12, определяя, таким образом, линейную плотность распределения энергии лазерного излучения вдоль линии сканирования лучом лазера.
Включают лазерные установки.
Начинают движение ледокола 12 в сторону ледяного поля 12, одновременно перемещая фокусирующие устройства 1 -3 лазерных установок и лазерные лучи 7, 8 по направлению и со скоростью движения 15 ледокола 12. При этом не требуется выполнение операций определения линий концентрации напряжения, наведения на эти линии лазерного луча и сканирования лазером этих линий и создание специального оборудования для их осуществления. При этом длина линий 4, 5, 6, облучаемых лазером, минимальна и совпадает с длиной пути ледокола, а скорость сканирования (скорость перемещения луча лазера) совпадает со скоростью движения судна.
Воздействуют лазерным излучением на ледяное поле 16, начиная с его кромки 11, по линиям 4-6, параллельным направлению движения 15 судна 12, сначала излучением центрального устройства 1, а по мере приближения ледокола 12 к кромке ледяного поля 11 - излучением 8 двух боковых фокусирующих устройств 2, 3.
Испаряют лед и создают надрезы 9 (сечение А-А) и 10 (сечение Б-Б) в ледяном поле 16 вдоль линий 4, 5 и 6 на глубину раскалывания впереди по курсу движения ледокола.
Ледокол 12, приближаясь к кромке 11 надрезанного поля 16, наезжает на нее и создает механическую нагрузку, под воздействием которой при достижении предела прочности происходит разрушение ледяного покрова 16 в истончившемся слое вдоль линий 4-6 надрезов 9 и 10, формируется канал шириной более ширины ледокола.
Достигаемый при реализации предлагаемого изобретения технический результат заключается в сокращении числа операций и состава оборудования, необходимых для реализации способа, в сокращении длины линий облучения и скорости лазера по этим линиям до скорости движения ледокола, в повышении за счет этого линейной плотности распределенияэнергии лазерного излучения вдоль линии облучения ледяного покрова, в снижении ледовой нагрузки на корпус судна, в формировании канала для проводки судов правильной формы, ширина которого превосходит максимальную ширину ледокола.
Предложенный способ разрушения ледяного покрова имеет большое народнохозяйственное и оборонное значение. Данное изобретение направлено на решение одной из актуальных проблем освоения углеводородных месторождений на арктическом шельфе - снижению ледовых нагрузок на суда и инженерные сооружения, работающие в условиях Арктики.
Предложенное техническое решение может быть также применено для снижения ледовых нагрузок на опоры добычных комплексов различных типов, работающих в условиях арктического шельфа и замерзающих морей.
Литература
1. Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат.- 1983. - 232 с.
2
2. Квантовая Электроника, 1994, Том 21, №2, с. 137-141. Воздействие излучения СО - лазера на крупные капли ортофосфорной кислоты, воды и ледяные кристаллы сферической формы. В.К. Рудаш.
3. Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. П.: Гидрометеоиздат, 1967, 216 с.
4. ОАО «ЦНИИ «Курс», Научно-технический отчет «Разработка технологий снижения ледовых нагрузок на работающие на континентальном шельфе инженерные сооружения на основе применения мощных лазеров», номер отраслевой регистрации №100862 от 27.05.2013 г.