Способ разрушения ледяного покрова
METHOD FOR BREAKING THE ICE COVER

1. Изобретение относится к способам разрушения торосов ледяного покрова для вскрытия прохода через гряды торосов ледяного покрова и к ледоколу для осуществления способа.
Торос представляет собой хаотическое нагромождение льда, находящееся на плаву, и частично смороженное с частями - парус, консолидированный слой и киль. Наблюдения показывают, что всторошенный ледяной покров занимает от 10% до 40% общей площади ледяного покрова в различных районах Арктики. Торосы, значительно увеличивая прочность ледяного покрова, являются препятствием при движении ледоколов и подводных лодок во льдах.
Предлагаемый способ позволит исключить нежелательное распространение торосистых ледовых образований в направлении размещения морского объекта хозяйственной деятельности (инженерные сооружения, пути движения ледоколов).
2. Уровень техники
Известен «Способ разрушения ледяного покрова» по патенту №2463200 RU В63В 35/08 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.
Недостатком данного способа разрушения ледяного покрова являются: - не эффективные режимы для разрушения неровного ледового покрытия, не предусмотрено преодоление торосистого ледового покрытия.
Известен способ разрушения ледяного покрова по патенту № KR 10-2009-0094924 А «1СЕ BREAKER WITH A HIGH POWER LASER», номер публикации KR 20090094924 (А) от 2009-09-09 В63В 35/08; В63В 35/00, в котором разрушение льда проводится лазером высокой мощности, расположенным на носу ледокола и дробящим лед, делая трещины во льду и уменьшая воздействие на носовую часть.
Недостаток известного технического решения состоит в том, что с его помощью невозможно проходить торосы ледяного покрова и разрушать торосы.
Известен «Способ разрушения морского льда и устройство для его осуществления» по патенту №2465399 RU от 01.07.2010 г. Е02В 15/00 (2006.01), Е02В 15/02 (2006.1), который заключается в облучении толщи морского льда сверхвысокочастотной энергией, которая воздействует на жидкость, содержащуюся в виде капсул в толще морского льда.
Недостатком является применение источника сверхвысокочастотной энергии с высоким энергопотреблением не позволяющего сконцентрировать необходимую высокую плотность энергии, не действующего на воздушную фракцию кристаллов льда в неоднородных торосах, не эффективен для торосистого покрова.
Известен «Способ разрушения ледяного покрова» по патенту №2553516 RU В63В 35/08 от 11.06.2013 г., который основан на использовании двух видов воздействия на ледяной покров: облучении мощным лазерным излучением и нагружение льда корпусом ледокола.
Недостатком является недостаточно однородное образование надрезов в торосистом покрове, использование только на ледовых полях и не эффективное воздействие на торосистый ледяной покров.
В качестве прототипа выбран «Способ разрушения ледяного покрова» по патенту №2710122 RU В63В 35/08 (2006.01) от 05.04.2019 г., основанный на расположении на ледоколе лазерных установок, нагружении ледоколом, фокусировке лазерного излучения на ледяном покрове, испарении сфокусированным лазерным излучением льда на глубину, определяемую раскалыванием ледяного покрова.
Недостатком является не эффективное преодоление неоднородных по толщине торосов на ледяном покрове, неоднородная ледопроходимость.
3. Раскрытие изобретения
Целью изобретения является способ разрушения торосов ледяного покрова, повышение ледопроходимости ледокола через торосы и скорости проводки судов через них, обеспечение безопасной проводки крупногабаритных судов, основанный на расположении на ледоколе лазерных установок, нагружении ледоколом, фокусировке лазерного излучения на ледяном покрове.
Данная цель достигается путем лазерного теплового воздействия на газы, растворенные во льду и находящиеся в пузырьках, полостях и кавернах среди кристаллов льда тороса.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что фокусируют излучение на локальных частях тороса: парусе и консолидированном слое тороса ледяного поля, нагревают фокусирующим излучением на спектральных линиях поглощения газы, заключенные внутри пузырьков и полостей кристаллической структуры льда тороса, комбинируют частотно-импульсный и непрерывный режимы фокусирующего излучения для нагрева газов в локальных участках паруса и в консолидированном слое до возникновения разрушения кристаллической структуры льда тороса на фракции и производят нагружение ледоколом разрушенную на фракции кристаллическую структуру льда до полного разрушения тороса.
Технический результат заключается в повышении ледопроходимости через торосы ледоколом и скорости проводки судов через них, обеспечение безопасной проводки крупногабаритных судов и в снижении ледовой нагрузки на корпус судна. Использование предложенного способа позволит преодолевать более мощные торосистые ледовые покрытия, увеличить скорость проводки судов и в конечном счете расширить сроки навигации не только на морях, но и на судоходных реках и озерах, а также обеспечить безопасную эксплуатацию морских объектов хозяйственной деятельности.
4. Осуществление изобретения
Основу применения лазерного излучения для разрушения льда составляет механизм теплового поглощения лазерного излучения в диапазоне спектра поглощения льда [2].
На рис. 1 показано, что прочность волокнистого льда практически в два раза меньше зернистого льда в верхнем слое, разрушение слоя зернистого льда приводит к общему снижению прочности ледового слоя.
6
7
2
Согласно данным исследований пористой структуры морского льда [3], лед волокнистый, мелкие воздушные сферические пузырьки образуют скопления в виде гнезд до 3,0÷8,0 мм в поперечнике, имеются кристаллы-вкрапленники сечением 3,0÷10,0 мм, много мелких (0,1÷0,5 мм) солевых и воздушных включений. Разрушение льдообразований происходит вследствие термического спонтанного объемного выделения растворенных среди кристаллов льда атмосферных газов, захваченных в процессе замерзания. Теоретическое описание разрушения материалов лазерным излучением приведено в учебном пособии [4], разрушение может происходить непрерывным и импульсным излучением в диапазоне мощностей 10-10Вт/см, за счет термомеханических эффектов лазерного нагрева материала.
3
При замерзании льда пузырьки воздуха могут находиться под давлением до 10 атм [5], можно считать, что в торосах имеются пузырьки диаметром 5-8 мм, и при 8 мм пузырьках в 1 кГ льда содержится около 100 см воздуха.
При переходе предела прочности происходит взрывное барическое разрушение на фракции облученным и нагретым газом в объеме льда.
Возможно применять непрерывный и частотно-импульсный режимы воздействия. Непрерывный режим позволяет сканированием проводить линейные глубокие разрушения, при частотно-импульсном можно разрушать объемные локальные объекты. Комбинируя режимы разрушения можно создавать управляемое воздействие на неоднородную структуру тороса.
Частотно-импульсный режим позволяет создавать в импульсе высокую плотность мощности и вызывать резкое ударное повышение температуры в пузырьковом слое льда.
2
2
6
2
Для взрывного воздействия на площади 0.2 м, при использовании излучения 1.06 мкм по площадке глубиной 20 см и длиной 100 см и шириной 1 см необходимо время 100 сек (1.67 мин) с плотностью мощности излучения 200 Вт/см. Линейное разрушение может производиться сканированием ледяного покрова непрерывным излучением. Таким образом можно создавать сканированием разрыхленную структуру, ослабляющую консолидинированный слой. При использовании импульсного излучения, при плотности импульсной мощности до 10 Вт/см такой объем разрушается в течение импульса за время менее 0.1 секунды. При повышении температуры в пузырьке до 100 грд. С, скачок давления будет в 1000 атм, что приведет к резкому выбросу материала, в объеме которого располагаются нагретые пузырьки и возможному термораскалыванию льдообразования в виде торосов. Такой режим подходит для неоднородных локальных образований типа паруса тороса. Комбинируя режимы разрушения можно регулировать результат воздействия в зависимости от сложной ледовой обстановки.
На рис. 2 приведена зависимость прочности морского льда от количества жидкой фазы во льду, разогрев газовых и жидких капсульных включений в кристаллической структуре повышает количество жидкой фазы, при максимальной прочности 60 атм удвоение жидкой фазы приводит к снижению прочности до 10 атм, что повышает эффективность разрушения ледового покрытия при нагружении судном.
5. Техническая реализация способа иллюстрируется рисунком 3, 4.
На рис. 3 приведена схема тороса, на рис. 4 приведена схема воздействия.
На рис 3: 1 - парус; 2 - консолидированный слой; 3 - киль; 4 - ровный лед; θ - угол киля; Н - высота паруса.
На рис. 4: лазерное излучение - 1 проникает внутрь льда тороса - 2 и нагревает газовые включения - пузырьки, полости, молекулярные вкрапления - 3. Нагрев приводит к повышению давления и возникновению напряжений внутри - 4 льда, при превышении предела прочности возникает растрескивание и взрывное разрушение - 5 льдообразования. При большом объеме тороса производят последовательное сканирование объема для полного разрушения. Часть тороса парус - 1 как локальное образование может обрабатываться частотно-импульсным режимом, а консолидированный слой - 2 может также обрабатываться непрерывным излучением для ослабления, киль состоит из слабо связанных блоков и не представляет сложности преодоления ледоколом. Таким образом торосистый слой обрабатывается лазером, фрагментируется и позволяет двигаться судам через разрушенный торосистый участок. В комплект оборудования может входить мощный непрерывный и импульсный мультикиловаттный лазер, сканирующее устройство, фокусирующая головка, система охлаждения и блок управления.
6
7
2
Мощные лазеры могут применяться в непрерывном и частотно-импульсном режимах. Непрерывные лазеры необходимой мощности в мультикиловаттной комплектации разработаны рядом фирм: IPG Photonics, Trump и другие. Волоконные лазеры непрерывной мощности от 10 кВт до 100 кВт имеют хорошее технологическое применение с высоким КПД. Реализация может базироваться также на применении импульсно-периодических лазеров с импульсной мощностью да 10 Вт, на длинах волн ближнего и среднего инфракрасного частотного диапазона. Такие лазеры Nd:YAG лазеры LPY10J, 1064 нм, 10 Дж, 1/5 Гц (фирма Litron Lasers) с длительностью импульса 10 нсек, создают импульсы с мощностью до 10 Вт и могут использоваться для эффекта разрушения. Также имеются лазеры Titan НЕ 1064 nm, энергия импульса 16 Дж, частота до 5 Гц, длительность импульса 12 нсек (фирма AMPLITUDE TECHNOLOGIES), также фирма TRUMPF производит необходимые лазеры типа TRUPulse с пиковой мощностью до 1.5 кВт и длительностью перестраиваемого импульса 0.2-50 мсек и частотой до 1 кГц на длину волны 1.06 мкм. Также используются ультра-короткоимпульсные лазерные источники с высокой средней мощностью TruMicro, длительность импульса которых варьируется от 25 нс до 1 мкс, с пиковой мощностью до 5 МВт, также при длительности импульса приблизительно 300 наносекунд, лазер с частотой повторения импульса 10 кГц и максимальной пиковой мощностью, превышающей 200 кВт. Имеются мощные СО лазеры на длине волны 10,6 мкм фирмы РЛС (РФ) средней мощности до 3 кВт с частотой 10 Гц-10 кГц и длительностью импульсов от 10 мсек.
Предложенный способ разрушения ледяного покрова имеет большое народнохозяйственное и оборонное значение. Технический результат реализации изобретения заключается в обеспечении безопасной проводки крупногабаритных судов, повышении ледопроходимости ледокола, создании широких каналов в ледяном покрове и повышении скорости проводки судов. Всторошенный ледяной покров занимает от 10% до 40% общей площади ледяного покрова в различных районах Арктики. Торосы, значительно увеличивая прочность ледяного покрова, являются препятствием при движении ледоколов и подводных лодок во льдах. Инженерные сооружения и разработки арктических шельфовых месторождений при использовании изобретения могут обеспечить функционирование и работоспособность в течение всего навигационного года. Становится возможным обеспечить создание устойчивой транспортной инфраструктуры в Арктике, независимой от погодных условий. Литература.
1. СНиП 2.06.04-82* Свод правил нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (ледовые).
2. Богородский В.В., Таврило В.П., Недошивин О.А. «Разрушение льда. Методы, технические средства». Л.: Гидрометеоиздат. - 1983. - 232 с.
3. «Ice Ridge Geometry Offshore Sakhalin Island»,1998; PSTS 5, 2002.
4. Либенсон M.H., Яковлев Е.Б. «Взаимодействие лазерного излучения с веществом», часть II «Лазерный нагрев и разрушение материалов» НИУ ИТМО. С-П. 2014 г.
5. Г.А. Максимович «Пористость криосферы», ДАН СССР, т.L1 №2, 1946.