УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ИЗ-ПОД ВОДЫ

Устройство относится к области ледотехники и позволяет осуществлять локальное разрушение льда из-под воды для нужд хозяйственной деятельности, а также для исследования физико-механических свойств льда как материала.
Известны устройства для механического разрушения льда из-под воды, например, с помощью заводимых под лед наполняемых воздухом емкостей [1]. В этом устройстве сжатый воздух подается шлангом в оболочку, которая наполняется воздухом и всплывает, тем самым воздействует на лед с силой, равной весу, вытесненной воды или металлической емкостью с водяным балластом [2]
Указанные устройства 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, а водный балласт вытесняется полностью через отверстие в нижней части емкости.
Эти устройства 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 устройств только с кромки ледяного покрова. Кроме того, при этом необходимо производить конструктивные изменения в дорогостоящих ледоколах. Вторым существенным недостатком указанных устройств является их малая эффективность, поскольку разрушение льда 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 по технической сущности решением является разрушение льда с помощью воздушного пузыря, заключенного в гибкую оболочку усиленную в верхней части металлическим колпаком [3].
К недостаткам данного устройства следует отнести, во-первых, тот факт, что воздействие на ледяной покров происходит длительное время, требующее значительного расхода энергии на пластическое деформирование льда и невозможностью получения с помощью этого устройства сосредоточенного динамического удара.
В основу настоящей полезной модели положено решение технической задачи, позволяющее повысить эффективность механического воздействия на ледяной покров из-под воды для его быстрого разрушения при снижении энергетических затрат.
Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве механическое воздействие на лед производится из-под воды жесткой емкостью из твердого материала, имеющей каплеобразную форму для уменьшения сопротивления воды при всплытии устройства. При этом на головной части устройства устанавливается инициирующее кольцо для концентрации первоначальной нагрузки в момент удара и ослабления прочности льда. В нижней части емкости располагаются сопла для выхода вытесняемой расширяющимся воздухом воды. Сопла располагаются под углом 45° к поверхности устройства в горизонтальной плоскости, чтобы выходящие водные потоки создавали закручивающий момент всплывающей емкости, что стабилизирует всплытие устройства и уменьшает сопротивление воды. Ниже уровня сопел остается некоторый объем водного балласта, увеличивающий массу устройства, что повышает силу удара о нижнюю поверхность льда. Емкость, заполненая водой, размещается на дне, а затем с помощью шланга через одно из сопел частично продувается сжатым воздухом. При этом происходит свободное ускоренное всплытие, при котором шланг вырывается из емкости, а устройство, всплывая, ударяется в нижнюю поверхность льда и разрушает его.
При ударе о лед емкость создает импульс силы S, определяемый интегралом:
1
2
где: F- ударная сила, t и t - моменты времени, соответствующие началу и концу удара. Применяя второй закон Ньютона, получим:
S=mV,
где: m - масса емкости с оставшимся водяным балластом; V - скорость всплытия емкости перед ударом. Отсюда очевидно, что, чем больше масса m и скорость всплытия V емкости, тем больше импульс силы. Ударная сила при этом будет:
где: Δt - длительность удара.
Оптимальный вариант соотношения m и V зависит от толщины и механических свойств ледяного покрова и может быть подобран для различных льдов опытным путем.
2
2
Проведем сравнительный анализ. Из экспериментальных данных по определению несущей способности льда известно, что разрушающее усилие Р для льда толщиной h будет Р=k h, где k эмпирическая константа - 200 т/м /4/. Пусть емкость, обладающая подъемной силой Р=100 т действует на ледяной покров статически. Тогда с гарантией можно разрушить лед толщиной  Пусть теперь эта же емкость с массой 100 т всплывает со скоростью 2 м/с. Примем вполне реальную величину длительности удара емкости о лед Δt=0,1 с. Тогда ударная сила Р будет 2000 т. При действии такой силы на лед из-под воды можно с гарантией разрушить лед толщиной 3 м, т.е. больше, чем в случае действия статической нагрузки. Таким образом, ударное воздействие значительно эффективнее, чем статическое действие нагрузки на лед.
На фиг.1 (вид устройства в двух проекциях) представлено схематическое изображение устройства для локального разрушения льда из-под воды. Устройство представляет собой жесткий корпус 1 из твердого материала каплеобразной формы. На головной части корпуса закреплено инициирующее кольцо 2. В нижней части корпуса на некотором расстоянии от дна устройства расположены три сопла 3, развернутые в горизонтальной плоскости под углом 45° к поверхности устройства. В одно из сопел 3 вставлен шланг 4, соединенный с компрессором или баллоном сжатого воздуха, расположенным на поверхности льда, берегу или гидротехническом сооружении (на фиг.1 не изображены). При вытеснении водяного баласта 5 приподнятое относительно дна емкости расположение сопел 3 позволяет сохранить некоторый объем воды для увеличения массы устройства.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Емкость 1 каплеобразной формы заполняется водяным балластом и располагается на донном грунте в вертикальном положении, например, в основании гидротехнического сооружения, соединяется шлангом 4 с компрессором или баллонами сжатого воздуха (на фиг.1 не изображены), которые могут находиться на берегу, гидротехническом сооружении, поверхности ледяного покрова. Сжатый воздух подают внутрь емкости через сопло 3 и тем самым вытесняют водяной балласт 5, пока устройство 1 не приобретет положительную плавучесть и начнет всплытие, при этом шланг 4 выдергивается из сопла. 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 при вытеснении водяного балласта 4 будет возрастать, увеличивая подъемную силу и тем самым скорость всплытия емкости, а выход воды через сопла 3 вызовет закручивание устройства вокруг вертикальной оси, что повысит устойчивость устройства при всплытии. Величина ускорения будет зависеть от количества воздуха, поданного до момента всплытия устройства и от размера сопел 3. Максимальная скорость всплытия емкости ограничивается сопротивлением воды. Приподнятое расположение сопел 3 относительно дна корпуса 1 позволяет сохранить некоторый объем воды 5 в емкости 1 вплоть до момента удара о нижнюю поверхность льда. Наличие инициирующего кольца 2 позволяет осуществить концентрацию приложения силы в момент удара и тем самым ослабить лед, что облегчает его разрушение и снижает энергозатраты.
Использование предлагаемого устройства для локального разрушения льда из-под воды обеспечивает по сравнению с известными устройствами следующие преимущества:
- повышается эффективность получения локальной майны в ледяном покрове за счет удара с последующим статическим воздействием на ледяной покров;
- уменьшаются энергозатраты на получение локальной майны в ледяном покрове;
-данное устройство может быть использовано 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.
Источники информации:
1. Басе Б.А. Состояние и возможности совершенствования оборудования для образования майн во льдах. Новосибирск. Тр. НИИЖТ, вып. 135, 1978 г.
2. Сербул Г.Я Толкаемая ледокольная приставка. А. с, №310837,1971 г.
3. Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1983 г.
4. Песчанский И.С. Ледоведение и ледотехника. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1967 г.