СПОСОБ СОЗДАНИЯ КАНАЛОВ В ЛЕДЯНОМ ПОКРОВЕ
METHOD TO PRODUCE CHANNELS IN ICE SHEET

Изобретение относится к ледокольному судостроению и, в частности, к ледокольным работам.
Известные способы разрушения ледяного покрова не получили развития из-за большого несоответствия располагаемой на борту ледоколов энергии и требуемых для разрушения льда энергозатрат.
Так, известен способ разрушения льда по авторскому свидетельству №1548978, по которому лед на пути ледокола взрывают.
Известен способ по патенту РФ №2081025, по которому лед разрушают, раскачивая судно и создавая волну в дополнение к ходовой волне.
Известен также способ по патенту РФ №2086464, по которому лед взламывают корпусом подводного судна.
Известно подводно-надводное судно ледового плавания по патенту РФ №2172698, взламывающее лед своим клиновидным корпусом.
Известен способ по патенту РФ №2326785, по которому с ледокола под лед заводят аппарат, развивающий архимедову силу до 100 т. Этой силой, приложенной к острому ребру, разрушают лед и продвигают аппарат дальше.
Известен способ разрушения ледяного покрова по патенту РФ №2314963. По этому способу под лед закачивают воздух, вызывающий обрушение льда.
Известен способ по патенту РФ №2122505, по которому на носовой приставке ледокола устанавливают резцы, прорезающие лед перед его взламыванием корпусом ледокола.
Известен также способ по патенту РФ №2213675, по которому через носовую приставку судна на лед подают струи воды, пароводяной смеси или пара.
Известен способ по патенту РФ №2085432, по которому для всплытия подводной лодки из-подо льда к нему подводят штанги и подают теплую воду. Вода протапливает прорези по всему периметру лодки и корпусом лодки взламывают лед и выводят лодку в надводное положение.
Известен способ разрушения льда перед судном с помощью электрической дуги, см. патент РФ №2216477.
Известен также способ №2124454, по которому для всплытия подводной лодки выдвигают штанги с электродами и подают электропитание. В толще льда растопляют щели и, убрав электроды, взламывают лед корпусом лодки.
Последний способ принят за прототип предлагаемого изобретения.
Известный способ имеет серьезные недостатки. При разрушении льда путем нагрева расходуется значительное количество энергии, основную долю которой составляет теплота плавления льда. Поэтому ширина прорезей должна быть минимальной. Кроме того, время передачи энергии прямо зависит от величины теплового потока или от перепада температур между горячим и холодным телом. Этот перепад реально составляет десятки градусов. При расплавлении льда вода, стекающая на электроды, нагревается их горячими поверхностями и уносит значительную часть энергии. Таким образом, известный способ является слишком энергозатратным, неэкономичным.
При создании каналов в ледовых полях, особенно при большой толщине льда, затраты энергии и сроки работ могут стать неприемлемо большими.
Целью настоящего изобретения является снижение энергозатрат на разрушение ледяного покрова и повышение экономичности и производительности работы.
Поставленная цель достигается при создании каналов в ледяных покровах способом, по которому по бортам ледокола выдвигают вперед две штанги с электродами, которые нагревают током, вырабатываемым на борту ледокола, продвигают ледокол на длину штанг, протапливают в толще льда две прорези, взламывают корпусом ослабленный прорезями лед и повторяют цикл разрушения льда.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что электроды, выполненные в виде пластин, в передней части заостренных кверху, заглубляют в лед только на часть толщины льда, а скорость хода ледокола регулируют мощностью подаваемого тока.
При прокладке канала в ледовом поле должны быть предельно ограничены размеры работ. Так, ширина выполняемых во льду прорезей и толщина пластин электродов может составлять всего несколько миллиметров. Высота пластин электродов может быть намного меньше толщины слоя льда. При плавлении льда образующаяся вода нагревается от электрода и, стекая из прорези вниз, вытапливает в нижней части льда канавку, в которой у воды отбирается унесенное ею тепло. Для уменьшения уноса тепла пластина электрода выполняется в рабочей части заостренной кверху. Задняя часть пластины электрода должна быть выполнена из материала с низкой электропроводностью или теплоизолирована. Вылет штанг, несущих электроды, должен быть рассчитан на создание разрушающего изгибающего момента под действием веса передней части ледокола, надвигаемой на подрезанную льдину. После обламывания льдины она проваливается в воду и подминается массой ледокола.
При проходке канала по данному способу скорость проходки зависит в основном от расхода расплавляемого льда, то есть от мощности питания электродов. Поскольку общий объем работы сохраняется, для повышения скорости проходки целесообразно увеличивать эту мощность.
Техническим результатом настоящего изобретения является возможность экономичной и достаточно быстрой прокладки ледовых каналов. Основное оборудование - ледоколы - могут быть использованы из числа действующих и прошедших отработку в условиях севера или строящихся. В то же время требуемые для них устройства и оснащение остаются простыми и несложными. Затраты энергии на проведение работ окупаются во много раз открывающимися возможностями транспорта грузов на севере.
Сущность изобретения поясняется на примерах.
Пример 1. Ледокол водоизмещением 3000 т прокладывает канал шириной 10 м в ледяном покрове реки с толщиной льда 1,2 м. Ледокол оснащается двумя штангами с вылетом 12 м. На каждой штанге закреплен алюминиевый электрод толщиной 5 мм, заглубленный в лед на 0,8 м. Электроды при работе запитаны током общей мощностью 5,0 МВт.
При работе электроды разогреваются до температуры 70°С при температуре в воздухе и на поверхности льда -20°С. При проходке льда мощность тока затрачивается на нагрев и плавление льда и нагрев воды. При скорости хода судна 2 узла каждый электрод нагревает и выплавляет 4 кг/с льда и нагревает воду до 40°С, которая выплавляет еще 2 кг/с льда, разрезая лед на всю толщину. При нагружении подрезанной льдины частью ледокола массой 500 т изгибающий момент в закрепленном сечении льдины составляет 6000 тм, что приводит к скалыванию льдины.
Для повышения скорости проходки канала необходимо соответственно увеличить мощность питания электродов.
Пример 2. Морской ледокол водоизмещением 15 тыс.т прокладывает канал шириной 30 м в ледяном покрове с толщиной льда 3,0 м. Ледокол оснащается двумя штангами с вылетом 15 м. На каждой штанге закреплен алюминиевый электрод толщиной 8 мм, заглубленный в лед на 2,0 м. Электроды при работе запитаны током общей мощностью 20 МВт. При работе электроды разогреваются до температуры 80°С при температуре в воздухе и на поверхности льда -20°С.
При скорости хода судна 2 узла каждый электрод нагревает и выплавляет 16 кг/с льда и нагревает воду до 40°С, которая выплавляет еще 8 кг/с льда, разрезая лед на всю толщину. При нагружении подрезанной льдины частью ледокола массой 3000 т изгибающий момент в закрепленном сечении льдины составляет 45 тыс.тм, что приводит к скалыванию льдины.
Пример 3. Морской ледокол водоизмещением 40 тыс.т прокладывает канал шириной 30 м в ледяном покрове с толщиной льда 6,0 м. Ледокол оснащается двумя штангами с вылетом 18 м. На каждой штанге закреплен алюминиевый электрод толщиной 10 мм, заглубленный в лед на 4 м. Электроды при работе запитаны током общей мощностью 46 МВт. При работе электроды разогреваются до температуры 90°С при температуре в воздухе и на поверхности льда -20°С.
При скорости судна 2 узла каждый электрод нагревает и выплавляет 40 кг /с льда и нагревает воду до 40°С, которая выплавляет еще 20 кг/с льда, разрезая лед на всю толщину. При нагружении подрезанной льдины частью ледокола массой 5 тыс.т изгибающий момент в закрепленном сечении льдины составляет 90 тыс.тм, что приводит к скалыванию льдины.
Предложенный способ проходки льдов имеет большую область гражданского и оборонного применения.
Так, все северные реки страны могут стать судоходными в течение всего года. Арктические районы могут быть доступными для северного флота без ограничений. Предстоящие разработки арктических шельфовых месторождений будут обеспечены доставкой оборудования и продукции. С другой стороны, северный подводный флот будет иметь надежные базы снабжения в нескольких различных пунктах океана. Прокладка каналов по ледовым полям позволяет также создавать и поддерживать авиабазы и аэродромы в северных районах, сложных и опасных для полетов.