Устройство для разрушения ледяного покрова
ICE BREAKING DEVICE

Изобретение относится к ледокольным работам, в частности, к подводным судам, плавающим в ледовых условиях и разрушающим ледяной покров резонансным методом, то есть путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ).
Известно устройство для разрушения ледяного покрова, представляющее собой подводное судно, движущееся подо льдом и возбуждающее резонансные ИГВ. В носовой оконечности судна в вертикальной плоскости, перпендикулярной диаметральной плоскости судна, по всему периметру его корпуса установлены насосы, способные откачивать за борт воду, находящуюся в пространстве между легким и прочным корпусами судна. Выходные каналы насосов расположены под острым углом к поверхности легкого корпуса судна и направлены к его носовой оконечности (RU 2778470 - принят за прототип).
Недостатком устройства является ограниченность высоты возбуждаемых ИГВ, т.е. их ледоразрушающей способности.
Задачей изобретения является увеличение высоты ИГВ.
Технический результат заключается в повышении эффективности разрушения ледяного покрова.
Существенные признаки, характеризующие изобретение.
Ограничительные: устройство для разрушения ледяного покрова, представляющее собой подводное судно с возможностью движения подо льдом с резонансной скоростью и возбуждения резонансных ИГВ, при этом в носовой оконечности судна в вертикальной плоскости, перпендикулярной диаметральной плоскости судна, по всему периметру его корпуса установлены насосы, способные откачивать за борт воду, находящуюся в пространстве между легким и прочным корпусами судна, при этом выходные каналы насосов расположены под острым углом к поверхности легкого корпуса судна и направлены к его носовой оконечности.
Отличительные: устройство дополнительно снабжено программируемым реле времени, к которому подключены насосы, реле времени выполнено с возможностью периодического включения и выключения насосов на время, равное половине периода изгибно-гравитационных волн.
Общеизвестно, что куполообразные поверхности, ориентированные своей вогнутостью навстречу набегающему потоку (например, в виде купола парашюта), обладают большим лобовым сопротивлением, что позволяет их использовать в виде эффективных тормозящих устройств. Это объясняется тем, что перед такими поверхностями образуется область давления, величина которого превышает давление по сравнению с давлением при обтекании, например, плоской поверхности.
Известно (Войткунский Я.И. Сопротивление движению судов. - Л.: Судостроение, 1988, 288 с., см. с. 110), что с ростом гидродинамического давления в носовой оконечности судна увеличивается его волновое сопротивление, что приводит к увеличению высоты возбуждаемых волн, в том числе и ИГВ. В свою очередь, это приводит к увеличению кривизны профиля ИГВ и соответствующему росту изгибных напряжений в ледяном покрове, т.е. увеличению ледоразрушающей способности ИГВ.
Для повышения давления в носовой оконечности предлагается использовать заявляемое устройство, позволяющее при его работе создать в носовой оконечности судна своеобразную гидродинамическую завесу, т.е. сформировать поток жидкости, направление скоростей в котором будет ориентировано поперек направлению скоростей набегающего потока, т.е. направлению движения судна. А это, как известно (Л.Г. Лойцянский. Механика жидкости и газа. М.: Наука. - 1978. - 736 с., см. с. 32), неизбежно приведет к искривлению линий тока. В свою очередь, отклонение частиц реальной (вязкой) жидкости от своего первоначального направления движения сопровождается изменением давления в ее потоке (если при отклонении частиц их скорость падает, то, в соответствии с законом Бернулли, давление растет, и наоборот). Таким образом, сформировав в носовой оконечности судна, где всегда возникает область повышенного давления, гидродинамическую завесу (гидродинамическую "стену") в виде куполообразной поверхности, можно дополнительно повысить давление в этом месте судна.
Также известно (Д.Е. Хейсин. Динамика ледяного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат. 1967. - 218 с., см. с. 136), что периодическое приложение нагрузки к ледяному покрову с частотой резонансных ИГВ значительно увеличивает его деформации по сравнению с такой же по интенсивности нагрузкой, но приложенной стационарно. Объясняется это тем, что при таких воздействиях возникают резонансные ИГВ. Таким образом, если периодически с частотой резонансных ИГВ изменять (например, увеличивать) волновое сопротивление, то это приведет к возбуждению в ледяном покрове дополнительных к основным (от поступательного движения тела) резонансных ИГВ. В этом случае раскачка ледяного покрова станет более эффективной, т.к. периодическое возникновение подо льдом области с повышенным давлением вызовет во льду возбуждение дополнительной системы резонансных ИГВ. Очевидно, что для их благоприятной интерференции с основными ИГВ (от поступательного движения судна), т.е. достижения максимального периодического возрастания высоты суммарных ИГВ, необходимо, чтобы время воздействия сил, возбуждающих дополнительные ИГВ, равнялось половине периода Т основных резонансных ИГВ, величину которого можно определить по зависимости, полученной Д.Е. Хейсиным:
=
T2π
л
где: D - цилиндрическая жесткость ледяной пластины; ρ - плотность льда; h - толщина ледяного покрова; g - ускорение силы тяжести.
В этом случае при перемещении льда вниз от возникших дополнительных ИГВ возбуждающие их силы будут исчезать, а при перемещении льда вверх эти силы также будут направлены вверх, что будет способствовать росту высоты ИГВ. При этом длительность воздействия областей повышенного давления на нижнюю поверхность льда должна быть равна полупериоду резонансных ИГВ, что будет способствовать максимальному периодическому возрастанию высоты суммарных ИГВ. В результате возникнет наиболее эффективная своеобразная дополнительная к основным ИГВ раскачка ледяного покрова, что приведет к увеличению изгибных напряжений в ледяном покрове и достижению заявленного технического результата.
Устройство поясняется графически, где: на фиг. 1 показан боковой вид устройства; на фиг. 2 - его поперечное сечение в месте установки насосов.
p
Его работа осуществляется следующим образом. Под ледяным покровом 1 начинает перемещаться подводное судно 2 с резонансной скоростью ν. Если высота возбуждаемых при этом ИГВ 3 окажется недостаточной для разрушения льда, то во время движения судна включаются насосы 4, предварительно установленные на судне. Выходные каналы насосов расположены под острым углом (α < 90°) к поверхности легкого корпуса судна и направлены к его носовой оконечности (фиг. 1). Насосы 4 подсоединены к программируемому реле 5 времени. Предварительно по вышеприведенному соотношению Д.Е. Хейсина определяют период резонансных ИГВ. Программируемое реле 5 времени настраивается на периодическое включение насосов 4 на интервал времени, равный половине времени периода ИГВ. В качестве программируемого реле 5 времени может быть использовано «Реле времени включения (тип РВ-ОВ)». После включения реле 5 насосы 4 начинают периодически в интервалах времени, равных половине времени периода ИГВ откачивать воду из пространства, находящегося между легким корпусом 6 и прочным корпусом 7 судна 2, выбрасывая откачиваемую воду через выходные каналы 8, расположенные под острым углом к поверхности легкого корпуса судна, в направлении к его носовой оконечности (фиг. 2), а вторую половину периода ИГВ насосы 4 выключены. В результате в носовой оконечности судна будет периодически формироваться гидродинамическая завеса или стена в виде куполообразной поверхности 9, что приведет к периодическому возникновению области 10 повышенного давления (фиг. 1). Это вызовет увеличение высоты 3 ИГВ до высоты 11 ИГВ (фиг. 1, 2).