СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ИЗ-ПОД ВОДЫ
METHOD FOR LOCAL DAMAGE OF ICE COVER FROM UNDER WATER

Способ относится к области исследования физико-механических свойств льда как материала в ледотехнике, в частности к механическим способам разрушения льда для нужд хозяйственной деятельности.
Известны многочисленные способы механического разрушения льда из-под воды, а также устройства для их реализации, например, с помощью заводимых под лед наполняемых воздухом емкостей, которые выполнены в виде мягкой оболочки, усиленной металлическим колпаком [1], или металлическая емкость с водяным балластом [2].
Указанные способы и устройства для их реализации используются в сочетании с ледокольными судами. Во время движения такого судна устройство заводится под лед: в первом случае мягкая оболочка наполняется воздухом, а во втором - из металлической емкости вытесняется водяной балласт. Взлом ледяного покрова осуществляется при возникновении подъемной силы надуваемой мягкой или жесткой оболочек.
Эти способы для разрушения льда и устройства для их реализации обладают существенными недостатками, поскольку с их помощью невозможно разрушить сплошной ледяной покров из-под воды в каком-нибудь определенном месте, так как ледокольные суда способны осуществлять ломку льда с помощью указанных способов и устройств только с кромки ледяного покрова. Кроме того, при этом обязательно необходимо производить конструктивные изменения в дорогостоящих ледоколах. Вторым существенным недостатком указанных способов и устройств для их реализации является их малая эффективность, поскольку разрушение льда этим способом осуществляется не за счет приложения резкого динамического удара, а под воздействием медленно нарастающего подъемного усилия. Учитывая, что лед обладает свойствами значительной вязкости и пластичности при приложении медленно воздействующей нагрузки, данные способы не позволяют эффективно и быстро решать некоторые задачи, связанные с локальным взломом ледяного покрова.
Наиболее близким решением по технической сущности к заявляемому является способ ослабления прочности или разрушения ледового покрова путем динамического воздействия на нижнюю поверхность льда пробойником, имеющим форму тела вращения и обладающего запасом кинетической энергии за счет положительной плавучести, приобретаемой путем замещения воды сжатым газом [3], принятый за прототип.
К недостаткам данного способа следует отнести тот факт, что в этом способе удар осуществляется упрочненной головной частью пробойника полусферической формы. В этом случае значительная энергия удара будет израсходована на образование лунки смятия, формирование радиальных и концентрических трещин. Кроме того, подъемная сила устройства будет приложена к большой массе льда.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности механического воздействия на ледяной покров из-под воды для его локального разрушения, заключающийся в снижении энергозатрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе механическое воздействие на лед производится из-под воды жесткой емкостью специальной формы, на головной части емкости закрепляется инициирующее кольцо, при помощи которого в момент удара о лед происходит первоначальная концентрация нагрузки и ослабление прочности льда. При этом устойчивое всплытие обеспечивается закручивающим моментом вокруг вертикальной оси емкости, который создается за счет вытеснения расширяющимся воздухом водяного балласта из сопел, расположенных в нижней части емкости и развернутых под углом 45° к корпусу емкости в горизонтальной плоскости. Сопла приподняты относительно дна емкости, что сохраняет некоторый объем водяного балласта до момента удара о нижнюю поверхность льда, увеличивая массу емкости и силу ее воздействия на лед. Устройство размещается на донном грунте в вертикальном положении при заполнении водой, затем шланг вводится в одно из сопел и соединяется с компрессором или баллоном сжатого газа, расположенных на гидротехническом сооружении, берегу или поверхности льда. При этом создают свободное ускоренное всплытие, при котором емкость ударяется в нижнюю поверхность льда и разрушает его.
Выполнение способа локального разрушения льда из-под воды осуществляется жесткой емкостью, представленной на фиг.1 (вид в двух проекциях), которая содержит корпус 1 из твердого материала каплеобразной формы, на головной части корпуса закреплено инициирующее кольцо 2, в нижней части корпуса на некотором расстоянии от дна емкости расположены три сопла 3, развернутые в горизонтальной плоскости под углом 45° к ее поверхности. В одно из сопел 3 вставлен шланг 4 для подачи воздуха для вытеснения водяного балласта 5.
На фиг.2 приведена схема, поясняющая работу устройства. Заполненная водяным балластом 5 емкость 1 располагается на донном грунте 6 под ледяным покровом 7. С помощью шланга 4, введенного в одно из сопел 3 и соединенного с баллоном 8 со сжатым воздухом или компрессором и расположенных на поверхности льда 7 или любом другом объекте, подается сжатый воздух в емкость 1 до момента начала всплытия устройства. Водяной балласт 5 вытесняется из емкости 1 через сопла 3, создает закручивающий момент относительно вертикальной оси устройства. Всплытие осуществляется ускоренно, шланг 4 выдергивается из сопла 3 и емкость 1 с остатком водяного балласта 5 производит удар в нижнюю поверхность льда 7, при этом при помощи инициирующего кольца 2 создается предварительная концентрация нагрузки на нижнюю поверхность ледяного покрова 7, что облегчает пролом и разрушение льда.
Способ локального разрушения ледяного покрова из-под воды осуществляется следующим образом. Жесткую емкость 1 заполняют водяным балластом 5 и располагают на донном грунте 6 в вертикальном положении в основании гидротехнического сооружения и т.п. При помощи шланга 4, введенного в одно из сопел 3, емкость 1 соединяют с баллоном сжатого воздуха 8 или компрессором, которые могут находиться на берегу, гидротехническом сооружении, поверхности ледяного покрова 7. Сжатый воздух подают внутрь емкости 1 через одно из сопел 3, вытесняют водяной балласт, пока устройство не приобретет положительную плавучесть и начнет всплытие. При этом вытесняемый из устройства 1 через сопла 3 водяной балласт создает закручивающий момент относительно вертикальной оси устройства, а шланг 4 вырывается из емкости 1. Во время всплытия наружное гидростатическое давление и давление внутри емкости будут уменьшаться: наружное за счет уменьшения глубины погружения, а внутреннее - за счет выхода воды через сопла 3. Объем воздуха в емкости 1 будет возрастать, увеличивая подъемную силу и тем самым скорость всплытия емкости. Величина ускорения будет зависеть от количества воздуха, поданного в начальный момент и от размера сопел. Максимальная скорость всплытия емкости ограничивается сопротивлением воды. Приподнятое положение сопел 3 относительно дна устройства 1 обеспечивает наличие в емкости некоторого объема водяного балласта 5 в момент удара о нижнюю поверхность льда 7, что увеличивает импульс силы. Инициирующее кольцо 2 при ударе создает концентрацию нагрузки на нижнюю поверхность льда 7 и облегчает пролом ледяного покрова, который происходит в основном за счет среза, а не при смятии и изгибе. Такой способ воздействия уменьшает энергозатраты на разрушение льда.
Использование предлагаемого способа локального разрушения льда из-под воды обеспечивает по сравнению с известным способом следующие преимущества:
- повышается эффективность получения локальной майны в ледяном покрове при уменьшении энергозатрат за счет первоначальной концентрации удара;
- данный способ может быть использован в труднодоступных районах на различных участках льда рек, озер и морей как с целью снятия избыточного давления льда на гидротехнические сооружения, так и с целью определения прочностных характеристик ледяных полей, используемых как конструкции;
- данный способ можно применять для образования локальных майн в ледяном покрове.
Источники информации
1. Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Ленинград. Гидрометеоиздат.1983 г.
2. Сербул Г.Я. Толкаемая ледокольная приставка. А.С., №310837, 1971 г.
3. Самойлов Э.Н., Табунов С.В., Французов А.Н., Чичагов А.В. Описание изобретения к патенту «Способ ослабления прочности или разрушения ледового покрова и устройство для его разрушения» (RU 2066657 C1, B63G 8/41, 20.09.1996).