СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА СУДНОМ НА СЖАТОМ ПНЕВМОПОТОКЕ
METHOD FOR DESTRUCTION OF ICE COVER BY SHIP ON COMPRESSED AIRFLOW

Изобретение относится к области ледотехники и может быть использовано, в частности, для выполнения ледокольных работ судами типа на сжатом пневмопотоке, разрушающими ледяной покров резонансовым методом (Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения «Академия Естествознания», 2007. - 355 с), а также (Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада. - Владивосток. ИАПУ. 1993 г).
p
Известен способ определения резонансной скоростью судна V по максимальной кривизне ледяного покрова, для чего при помощи радиолокационных сигналов при движении судна замеряют кривизну ледяного покрова. С этой целью в носу, средней части СВП устанавливаются излучатели и приемники радиолокационной станции. При перемещении СВП по ледяному покрову при помощи этих станций происходит измерение расстояния до поверхности ледяного покрова. По данным замерам с учетом показаний дифферентометра определяется кривизна ледяного покрова (Патент RU №2099235, В63В 35/08 от 20.12.1997).
Недостатком известного способа является необходимость наличия на судне дорогостоящего оборудования, соответствующей вычислительной техники со специализированной программы для определения кривизны ледяного покрова, т.е. ограниченная ледоразрушающая способность.
Из уровня техники известны способы разрушения ледяного покрова судном на воздушной подушке путем возбуждения во льду резонансных волн при его движении, в процессе движения создают дополнительную нагрузку на лед, направленную вниз от упора винтов посредством дифферентовки на нос (Патент RU №2188896, Е02В 15/02, B60V 3/06, В63В 35/08 от 10.09.2003), а также известны технические решения (RU №2211169, В63В 35/08, B60V 3/06, Е02В 15/02 от 27.08.2003; RU №2199576, Е02В 15/02, B60V 3/06, В63В 9/00 от 27.01.2003; RU №2531857, В63В 35/08, Е02В 15/02 от 27.10.2014; RU №2111888, В63В 35/08, B60V от 27.06.1988; RU №2173651, В63В 35/08, D60V 3/06 от 20.09.2001; RU №2229416, В63В 35/08 от 27.05.2003).
Однако общим их недостатком являются: одних способов - это сложность возбуждающих демпфирующих свойств по ледяному покрову при различных условиях режимах роботы, разрушаемого резонансовым методом, т.е. увеличения амплитуды изгибо-гравитационных волн (ИГВ), а других способов является ограниченная ледоразрушающаяся способность этих судов.
Можно привести (СМ. Тарг. Краткий курс теоретической механики. - М.: Высшая школа. - 1998, 415 с), что вектор р, направленный под углом к горизонтальной плоскости, может быть разложен на вертикальную составляющие.
Таким образом, если упор носовой части направить под углом к горизонтальной плоскости, то его вертикальную составляющую можно использовать для увеличения силы давления на корму. В результате нагрузка на лед возрастает, кроме того, сила давления дополнительно сжатого воздуха в кормовой части также дополнительно давит на лед, а также, если резонансовая скорость судна определяется заглублением управляемых колесных пневматических с зубьями в виде шасси, способными измельчать верхнюю часть поверхности льда и удалять его напорным воздухом в стороны.
Известно (Политехнический словарь. Под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: Советская энциклопедия, 1980, с. 240), что при обтекании твердого тела потоком воздуха на него начинает действовать аэродинамическая подъемная сила в направлении, перпендикулярном к направлению набегающего потока. При этом направление аэродинамической подъемной силы определяется углом атаки: при положительном угле она направляется вверх, а при отрицательном - вниз. Используя закономерность можно увеличить давление на лед при движении судна на сжатом пневмопотоке, учитывая и его скоростные характеристики и режущее устройство колесного зубчатого в виде шасси, закрепленного на конце тормозного щитка, т.е. тем самым увеличить амплитуду возбуждаемых ИГВ. Для этого необходимо иметь возможность на коротком расстоянии разгона судна и при обтекании корпуса набегающим потоком воздуха знакопеременную аэродинамическую подъемную силу, какими являются конструкция применяемых боковых лобовых сопротивлений в виде интерцепторов.
p
Однако при всех достоинствах технического решения аналогов по разрушению ледяного покрова необходимо учитывать разрушения более толстых слоев льда, например, у береговой линии, где требуется обеспечить и необходимую безопасность на льду в виду высокого расположения центра тяжести судна на сжатом пневмопотоке в передней части и судно движется с резонансовой скоростью V, т.е. со скоростью, при которой высота возбуждаемых ИГВ максимальна.
Из известных способов и устройств аналогов (прототип) известен способ разрушения ледяного покрова судном на воздушной подушке, заключающийся в возбуждении во льду изгибо-гравитационных волн при движении судна по льду с резонансовой скоростью, определяемой в процессе движения судна по максимальной кривизне ледяного покрова, при этом упомянутую скорость определяют по максимальному (по сравнению с движением над твердой горизонтальной поверхностью) приросту силы электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, установленными в упорных подшипниках воздушного винта (Патент RU №2188897, Е02В 15/02, В63В 35/08, B60V 3/06 от 10.09.2002).
Недостатком известного способа является наличие дополнительного электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, установленными в упорных подшипниках воздушного винта. А значит, возникает вибрация лопастей винта при движении судна, что в конечном итоге приводит к усталости металла при максимальной скорости при длительной эксплуатации судна, соответственно, сила возбуждаемого тока будет уменьшаться, а значит, и уменьшится кривизна профиля ИГВ. Кроме того, профиль крепления боковых гибких ограждений с нижней стороны ограждений, запитывающих воздухом от вентилятора и надстройки над судном для амплитуды возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения, утолщенного льда, так как в движении судна участвует только сама масса судна над точкой перегиба ледяного покрова, т.е. узком ИГВ. В этом случае судно получить в основном максимальный дифферент от веса судна в условиях судна на сжатом пневмопотоке, закрывающего днище корпуса боковыми скегами, т.е. не предусматривает изменение от перемещения под днищем корпуса систему управляющих элементов в виде тормозного щитка на конце, которого не менее двух закреплены на рычагах колесные пневматические или гидравлические шасси, снабженные по всему периметру зубьями с острыми кромками, способные измельчать верхнюю поверхность покрова льда в режиме крейсерской скорости, где судно приподнято вверх и дополнительно сопротивления применения интерцепторов и, где нагнетание воздуха высокого давления в замкнутой области по корпусом судна должно его двигать вперед. Таким образом, если наряду с поступательным движением судна на сжатом пневмопотоке на него подействовать не только периодической вертикальной нагрузкой, но и дополнительно в покрове льда провести несколько заходов прорезания толщи судна с помощью движения do покрову вращающихся ледорезных колес на пневматической Шасси с приводом, корпус которых снаружи по периметру снабжен металлическими зубьями с острыми кромками, то в ледяном покрове появятся множество глубоких бороздок (каверн), уменьшающих значительно толщину льда, измельченный лед будет сдуваться вместе со снегом воздушным потоком, и очищать покров льда для новых проходов в движении судна на сжатом пневмопотоке, а значит, разовьются и дополнительная системы ИГВ. При совпадении частоты периодической с частотой резонансных ИГВ взаимодействие этих волновых систем приводит к возбуждению суммарных ИГВ наибольшей амплитудой, обеспечит большую надежность и безопасность на льду в виде возможности убирания в нишу под днище колесных шасси с зубьями вместе с тормозным щитком.
Технический результат заключается в повышении эффективности разрушения ледяного покрова за счет снижения затрат на возбуждение ИГВ с амплитудой, остаточной для разрушения льда.
Технический результат достигается за счет возбуждения во льду изгибо-гравитационных волн при движении судна с резонансной скоростью, определяемой в процессе судна на максимальной кривизне ледяного покрова, согласно изобретения, используют судно, оборудованное тормозным щитком, расположенным в кормовой оконечности судна в вертикальной плоскости по ширине плоского днища корпуса в плане, и имеющим систему управления, и закрепленное на конце тормозного щитка амортизированное шасси с не менее чем двумя управляемыми амортизированными колесами с приводом в идее пневматических или гидравлических цилиндров, при этом колеса по всему наружному всему периметру снабжены металлическими зубьями с острыми кромками, причем судно оборудовано в передней части с боков корпуса судна в районе ватерлинии выше ее уровня короткими поворотными в горизонтальной плоскости интерцепторами с каждой стороны корпуса, имеющими аэродинамические профили, расположенными с возможностью выдвижения в нишах и закрепленными на осях вращения, при этом ниши выполнены под днищем корпуса судна симметрично друг друга, и интерцепторы приводятся в действие регулировочными приводами, одновременно с поступательным движением судна создают дополнительную нагрузку на лед, направленную вниз, подают сжатый воздух от импеллера в направлении тормозного щитка, регулируют обороты импеллера и углы поворота тормозного щитка, измельчают верхнюю поверхность льда с помощью колес, на промежуточных режимах разгона скоростей выдвигают из ниш интерцепторы.
Кроме того, тормозной щиток с колесными шасси при движении на сжатом пневмопотоке могут убираться в нише под днище корпуса заподлицо.
Периодическое перемещения судна на сжатом пневмопотоке с амплитудой с различной скоростью движения, не превышающей половину длины волны статического прогиба, т.е. в пределах чаши волны статического прогиба от веса кормы и одновременно высокого давления гидродинамической струи под днищем судна на сжатом пневмопотоке увеличивают площадь направляющего тормозного щитка с вращающимися амортизированными колесами с зубьями в виде шасси с приводом, частично врезаются в поверхность льда и разрушают покров льда, увеличивая при этом массу измельченного льда со снегом, при этом перед каждым проходом судна вся масса сдувается, а корма судна давит на лед, способствуя дополнительным ИГВ, не только от веса, вихрей, создаваемых под днищем судна данного вида, но и от врезания небольших зубьев шасси (колес) в наледь, лед, позволяющей сформировать всей массы в сторону, а значит, не нуждается в дорогостоящем обслуживании, и все это в целом будет способствовать генерации более интенсивных дополнительных ИГВ уже на чистой поверхности с большими кавернами по ходу движения судна во льду.
Следует отметить, чтобы избежать большие потери из-за носовой оконечности поднятия вверх, судно в районе ватерлинии с боков в средней части оборудовано побортно двумя симметричными короткими поворотными интерцепторами, выполненными аэродинамическим профилем с возможностью выдвижения из ниши, которое жестко выполнено под плоским днищем корпуса, приводящиеся в действие через ось вращения с регулировочными приводами, а затем имею возможность убираться в ниши под днище корпуса заподлицо.
p
Известно в самолетостроении применение коротких интерцепторов на крыльях, так как установка интерцепторов на глиссирующих поверхностях значительно улучшает их аэродинамические характеристики. На примере судна на сжатом пневмопотоке побортно интерцепторов в районе выше ватерлинии при выдвижении их приводит к возникновению перед ними зон повышенного давления, которые уменьшают дополнительно осадку судна в движении на сжатом пневмопотоке смоченную поверхность судна. Воздушный тормозящий поток в итоге обеспечивает побортным выдвижением больший дифферент судна на корму при меньшем разбеге (расстоянии), когда судно выходит из промежуточной скорости на крейсерскую скорость при опущенном тормозном щитке с вращающимися колесами с зубьями с острыми кромками в виде выдвижных шасси. В том числе позволяют использовать одновременно интерцепторы и как успокоители качки судна. Это важно их использовать на переходном режиме движения (размеры подбираются экспериментально). А, это при работающих интерцепторах улучшается курсовая устойчивость движения по льду судна, примерно в 1,5-3 раза, по сравнению без них. В свою очередь это создает быстрый подъем носовой части судна вверх на корму. Очевидно, чтобы повысить эффективность движения нужно также зубья шасси уменьшить до необходимого размера, чтобы острые кромки их врезались не глубоко в лед, и не создавали тормоза судну в движении (хотя сами по себе уже колеса имеют вращение по поверхности льда), и судно продолжает двигаться веред, поэтому тормозной щиток с рычагами колес (шасси) должен быть выполнен с регулируемым приводом с амортизацией по высоте в движении. Поэтому лед делается тонким, а измельченный покров льда и снега сдуваются сжатым воздухом в стороны из-под днища корпуса. Физическая причина увеличения дополнительно подъемной силы профиля с интерцепторами состоит в повышении для судна на сжатом пневмопотоке аэродинамического давления на нагнетающей стороне из-за подтормаживания потока. Их работа на расчетном режиме оказывает существенное меньшее влияние на его тягу, но подъем носовой части значительно увеличивает на корму. Таким образом, согласованная работа всех предложенных устройств во время движения, позволит улучшить эксплуатацию судна для разрушения льда с резонансной скоростью V, что приведет к увеличению амплитуды ИГВ, т.е. к достижению заявленного технического результат.
Как известно (Бену Ю.Ю. и др. Основы теории судов на воздушной подушке. - Л.: Судостроение. 1970. - 456 с), что появление у судна дифферента приводит к увеличению его волнового сопротивления, т.е. увеличение амплитуды возбуждаемых волн.
Очевидно, что и аналогичные явления будут, происходит и при наличии у судна на сжатом пневмопотоке при использовании тормозного щитка с вращающимися колесами с резущими зубьями в виде шасси со стороны под днищем корпуса судна при одновременной работе побортных коротких интерцепторов аэродинамического профиля в их работе данного судна при движении. Таким образом, маневрирование тормозного щитка с его устройством на конце вращающихся не менее двух амортизирующих колес с зубьями с острыми кромками в виде рычагов с шасси для судна на сжатом пневмопотоке. существенно расширяет его возможности в различных рельефных и климатических условиях маневрирования, что повысит его разрушающуюся способность и одновременно несет высокое давление с резкой покрова льда и наледи, уносящего с поверхности, разрушенные измельченные льдинки и снег из-под днища корпуса, затем одновременно при движении несет высокое давление воздуха, возникает быстрое истирание льда с большими кавернами (т.е. образуются многочисленные дорожки каверн по ходу движения судна) ледяного покрытия сверху, все это приводит к снижению толщины покрова и повышению резонанса (ИГВ) на большей площади льда под днищем на ледяной покров и, как следствие этого, к более эффективному разрушению ледяного покрова.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема ледяного покрова и судно на сжатом пневмопотоке; на фиг. 2 показано судно на сжатом пневмопотоке, вид сбоку.
По ледяному покрову 1 начинают перемещать судно 2 на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью. Если амплитуда возбуждаемых при этом основных ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, например, за счет дифферентовочной системы периодически с частотой резонансных ИГВ дифферентируют на корму, т.е. угол дифферента периодически меняют от 0 до +ψ. Это происходит за счет того, что в движении судна на сжатом пневмопотоке импеллер 3, расположенный в передней части корпуса судна 2, подает воздушную смесь высокого давления через корпус крепления 4 в переходной участок 5 в виде сопла и перпендикулярно к горизонтальной, при этом смесь заполняет канал 6 под днищем 7 судна в сторону пневмоканала 8 в кормовой части судна. Напор сжатого воздуха на выходе пневмоканала 8 управляется углом поворота тормозным щитком 9, состоящего закрепленных на конце не менее круглых вращающихся колес 10, снабженными с наружной стороны по периметру зубьями 11 с острыми кромками, т.е. в виде шасси, и убирающиеся вместе с тормозным щитком 9 в нишу 12 корпуса с помощью пневматических цилиндров 13 (или гидроцилиндров), приводящее в действие тормозной щиток 9. При необходимости для усиления прижатия шасси 10 ко льду для неглубокой резки льда вращающимися колесами 10 с зубьями 11, привод выпуска вниз тормозного щитка 9 обеспечивает необходимое удержание пневматическим или гидравлическим цилиндров 13 в заданном положении по высоте над ледяным покровом и снега на нем.
Однако на промежуточных разгонах скоростей для судна, чтобы сократить это расстояние на подъем носовой (передней) части судна для лучшего дифферента на корму на поднятие вверх до угла Ф, выдвигают из ниши 14 из под днища 7 корпуса, соответственно, боковые интерцепторы 15 побортно закрепленных на оси 16 вращения регулировочными приводами (не показано), что обеспечивает удержания необходимое для дифферента на корму судна.
При достижении крейсерской скорости, интерцепторы 15 могут вдвигаться вновь заподлицо в боковые ниши 14. Регулируя обороты импеллера 3, а также углы поворота тормозного щитка 9 с круглыми вращающимися колесами 10 с зубьями 11 с острыми кромками, регулируют давление внутри пневмоканала 8 под днищем, до величины, обеспечивающей динамическую нагрузку и резку ледяного покрова до заданного углубления и сдувая сжатым воздухом измельченных льдинок при скоростях движения судна от нулевой до максимальной и системы управления тормозного щитка 9 с колесами 10 (шасси) с зубьями 11, а также, соответственно, управления интерцепторами 15. Это приводит к динамическому приложению вертикальной одновременно подъемной составляющей, когда носовая часть с импеллером 3 начнет подниматься вверх, и происходит упор кормовой части на лед и соответствующему возбуждению дополнительных резонансных ИГВ, т.е. за счет упора тормозного щитка 9 с вращающимися не менее двух по ширине днища 7 корпуса колес 10 с зубьями 11, а также сжатого потока воздуха под днищем корпуса судна дополнительную силу его, а также дополнительно увеличивается (к его весу) и давление сжатого воздуха на толщину срезаемого ледяного покрова под днищем корпуса судна на большую глубину площади льда, т.е. создается более ускоренная и значительная сила давления на уменьшенную толщу льда.
Ось вращения колес 10 смонтирована на амортизаторах (не показано) или пневматических цилиндров. Колеса (шасси) могут быть разного диаметра с зубьями и принимаются на стадии проектирования и исследования.
Разгон и движение судна на сжатом пневмопотоке, достигаемого заданного угла поднятия Ф на заданный дифферент на уменьшенном участке разгона и движения за счет дополнительно применения выдвижением из ниш 14 управляемых интерцепторов 15 побортно со стороны передней части и в средней части корпуса, выше ватерлинии на режим глиссирования корпуса судна с последующим опусканием колес 10 с зубьями 11 с помощью удерживающего и управляемого пневмопривода 13 (или гидроцилиндра), когда кормовая часть судна опирается на лед с вращающимися по ходу колесами 10 с зубьями 11. Следует отметить, что при разгоне в воде или на суше и т.д., тормозной щиток 9 с колесами 10 убирается в нишу 12 корпуса и перестает касаться воды или суши. Поступательное движение происходит за счет реактивной воздушной тяги благодаря работе импеллера. Создается постоянная, при дифференте, вертикальная сила на корму судна. Для этой цели служит и горизонтальные побортные интерцепторы 15 с приводом.
Свободное вращение резущих лед колес на заданную глубину (толщину) уменьшает трение тормозного щитка, вследствие чего и сопротивление колес с зубцами улучшает движение судна на сжатом пневмопотоке в режиме дифферента на корму на корму судна, что обеспечивает высокую экономичность и условия движения судна, амортизация колес обеспечивает лучшую проходимость по рельефу ледяного покрова.
p
p.
Следует учитывать, что при таком способе использования судна на сжатом пневмопотоке - весь срезанный измельченный лед по верху и снежный покров под днищем уносятся в стороны, лед становится тоньше с открытой нарезанной поверхностью, т.е. с глубокими кавернами во льду, а значит, возникает возможность дополнительно вызвать резонансовую скорость V и сообщать дополнительные возвратно - поступательные перемещения на коротком расстоянии разгона судна с частотой wОни вызовут, за счет дифферента на корму на угол поднятия от 0 до ψ°, максимальный при движении судна прогиб льда по криволинейной траектории. В результате упора кормовой части судна к горизонтальной плоскости и дополнительного учета режущего эффекта при наличии не менее двух колес, закрепленных на конце тормозного щитка, а также учета возникающего высокого давления потока сжатого воздуха и удерживающих побортным интерцепторов, с увязкой толщины льда и с резкой поверхности его в глубину льда (снег, наледь, срезанный лед удаляются воздушным потоком и появляются заметные глубокие каверны) вызывается возбуждение дополнительных резонансовых ИГВ, т.е. суммарная нагрузка резко взрастает на площадь прогиба льда под днищем судна.
Рулевые устройства сзади кормы не показаны, так как они известны на судах со сжатым пневмопотоком.
В известных решениях этот совокупный фактор от применения предложенных устройств отсутствует, т.е. ограничивает ледоразрушающуюся способность - ледяного покрова для СВП.
p.
z
Надежное управление судном на сжатом пневмопотоке создает лучшую практическую маневренность экипажем судна, что является немаловажным для поддержания устойчивости и легкости управления в различных рельефных условиях при движении судна для экипажа по ледяному покрову с резонансовой скоростью V Если высота возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда 1, то судно 2 смещают вверх, чтобы центр его изменения относительно периодического изменения наклона на угол ψ° к горизонтальной плоскости за счет применения закрепленных подвижного тормозного щитка с колесами с зубьями, а также управлением коротких выдвижных интерцепторов в передней части с боков корпуса судна. Это приведет к периодическому появлению вертикальной составляющей P упора Р, дополнительного высокого давления потока воздуха и режущего устройства в виде колес с зубьями (шасси) не менее двух по ширине крепления на конце тормозного щитка и набольшей площади разрушаемого льда под днищем корпуса судна и ускоренного возбуждению к резонансным ИГВ на срезанной части ледяного покрова. Таким образом, взаимодействие ИГВ от упора кормовой части судна и ИГВ дополнительно изменяющегося как от высокого давления потока воздуха, а также наличие режущего устройства под днищем корпуса судна приведет к значительному росту ИГВ по сравнению с прототипом, а значит, соответствующему увеличению толщины разрушаемого льда, при этом весь срезанный лед, снежный покров и срезанная наледь уходят в стороны из-под днища корпуса судна, появляются глубокие воздушные каверны во льду. Особенно это будет заметно на уменьшении его толщины ледяного покрова на большой площади льда, т.е. повышается эффективность разрушения льда и, соответственно, к достижению заявляемого технического результата.