Способы определения критических скоростей нагрузок, движущихся в условиях сплошного ледяного покрова (обзор)

Теория корабля и строительная механика

DOI: https://dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2019-2-4 УДК 629.124

В.М. Козин

КОЗИН ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ - д.т.н., профессор по кафедре кораблестроения,

главный научный сотрудник лаборатории проблем создания и обработки материалов

и изделий, e-mail: kozinvictor@rambler.ru

Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН

Металлургов, ул.,1, Комсомольск-на-Амуре, 681005

Способы определения критических скоростей нагрузок, движущихся в условиях сплошного ледяного покрова

Аннотация: Генерация в плавающей ледяной пластине изгибных волн нагрузками, которые перемещаются с критическими (резонансными) скоростями, т.е. когда их скорости совпадают с наименьшими фазовыми скоростями изгибных волн и сопутствующими им гравитационных волн, сопровождается резким возрастанием их высоты: в этом случае возникает изгибно-гравитационный резонанс, что позволяет существенно снизить (по сравнению с известными средствами и технологиями) энергозатраты при ломке льда. Нами был разработан и апробирован на практике волновой (резонансный) способ разрушения ледяного покрова, т.е. путем генерации во льду изгибных волн, который может осуществляться любым транспортом, способным двигаться с необходимой скоростью и возбуждать изгибные волны достаточной для разрушения льда высоты.

Наиболее пригодны для реализации волнового способа разрушения ледяного покрова амфибийные корабли на воздушной подушке. В последнее время исследуется возможность использования подводных судов в условиях Арктики с целью решения транспортных задач. Очевидно, что это потребует обеспечения безопасности подледного плавания судов, т.е. возможности экстренного всплытия судов из-подо льда, необходимость которого может возникнуть в процессе их эксплуатации. Обычно для этого судну создают дифферент на корму, затем его при-ледняют. После откачки балласта, который принимается на судно для его погружения, ледяной покров разрушается и судно всплывает в битом льду. При этом толщина льда незначительна, но судно часто получает ледовые повреждения. Для устранения этих недостатков также может быть использован разработанный волновой способ разрушения льда.

В работе приведены технологии и устройства, разработанные автором статьи, с помощью которых в реальных условиях можно определить критическую скорость при реализации волнового способа кораблями на воздушной подушке и подводными судами.

В работе проведен обзор на основании 19 источников, 13 из которых изданы более 13 лет назад. Дело в том, что факт разрушения ледяного покрова вследствие возникновения изгибных волн от движущихся нагрузок исследователи рассматривали как нежелательный. Но сравнительно недавно, после открытия способности амфибийных судов на воздушной подушке и подводных судов эффективно разрушать ледяной покров волновым способом, т.е. путем возбуждения во льду изгибных волн при критических скоростях движения, вновь возник интерес к этой проблеме.

Ключевые слова: корабль на воздушной подушке, подводное судно, ледяной покров, изгибная волна, разрушение, критическая скорость, волновой способ.

© Козин В.М., 2019

О статье: поступила: 08.04.2019; финансирование: работа выполнена в рамках государственного задания № 075-00414-19-00.

Введение

Знание величины критической скорости Ур, возбуждаемой в плавающей ледяной пластине движущимися нагрузками изгибных волн (ИВ) [3], необходимо как для обеспечения надежной эксплуатации ледяного покрова в качестве грузонесущих платформ, зимних автомобильных дорог, аэродромов, временных переправ и т.п. [2], так и при использовании волнового способа разрушения ледяного покрова (ВСРЛ), т.е. путем возбуждения движущимися нагрузками во льду изгибных волн [9, 13].

В годы Великой Отечественной войны, во время блокады Ленинграда, предельное, вплоть до разрушения, деформирование ледяного покрова ИВ, возникающими вследствие его колебаний из-за прохода автомобилей с критической скоростью, у нас в стране впервые наблюдали шоферы, переправляющие продовольствие и блокадных ленинградцев по льду Ладожского озера. В тех случаях, когда скорость их автомобилей приближалась к критической, лед не выдерживал нагрузку от веса машин и возбуждаемых во льду изгибных волн. При этом ее значение было решающим, так как прочностные свойства льда были достаточными при других скоростях движения машин. На основании этих фактов были сделаны выводы о возможном использовании волнового способа разрушения ледяного покрова для решения различных задач в области ледотехники, включая задачи продления навигации с помощью амфибийных средств. Позже на Волге, в 1962 г., во время ходовых испытаний амфибийного судна на воздушной подушке «Сормович» эти возможности подтвердились. Изгибные волны заметной высоты наблюдались во время движения по тонкому льду опытных образцов судов на воздушной подушке в 1932 г. [7], а ранее, в 1924 г. [1], - при движении поездов по железнодорожным переправам, оборудованным на льду замерзших водоемов. Все эти случаи изучались с точки зрения обеспечения безопасных деформаций ледяной пластины, т.е. были направлены на определение таких скоростей движения транспортных средств по льду, чтобы исключить возникновение резонансных, т.е. наибольших по высоте изгибных волн.

Характер разрушения ледяного покрова при различных скоростях движения судна на воздушной подушке «Тайфун-01» [10].

Напротив, при использовании резонансного увеличения высоты ИВ в плавающей ледяной пластине от перемещающихся систем давлений с определенной (резонансной, или критической [4, 19]) скоростью, можно существенно облегчить процесс предельного деформирования ледяной пластины и снизить расходы топлива при их сопоставлении с работой ледоколов, ледокольных приставок и пр. Для этого нами был разработан и опробован на практике волновой способ предельного деформирования (разрушения) ледяного покрова, т.е. способ, основанный на возбуждении в ледяном покрове изгибных волн наибольшей высоты. Он осуществляется следующим образом. Если по льду перемещать нагрузку, то в нем начнет генерироваться система изгибных волн, которым будет сопутствовать система гравитационных волн, возникающих на поверхности воды. При перемещении нагрузки со скоростью, близкой к мини-

мальной фазовой скорости гравитационных волн, реакция упругого основания обратится в ноль, т.е. произойдет их благоприятная интерференция с изгибными волнами, в пластине возникнет резонанс (высота ИВ резко возрастет), и при соответствующих характеристиках нагрузки ледяной покров будет разрушаться при малых затратах энергии [10]. ВСРЛ можно использовать при движении по льду любой нагрузки, которая способна двигаться по ледяной пластине с нужной скоростью и генерировать ИВ достаточной высоты. Для этого в большей степени пригодны амфибийные корабли на воздушной подушке (КВП). При этом эффективность ВСРЛ существенно зависит от точности определения Vр, так как известно, что даже небольшое отклонение значения вынужденной частоты от собственной значительно влияет на резонансное увеличение высоты волн колеблющейся системы и интенсивность разрушения ледяного покрова (см. рисунок).

В работе проведен обзор на основании 19 источников, 13 из которых имеют год издания старше 13 лет. Это объясняется тем, что сам факт разрушения ледяного покрова вследствие возникновения изгибных волн от движущихся нагрузок изучался с точки зрения их нежелательности. Поэтому после окончания Великой Отечественной войны и после начала широкого освоения северных регионов страны (строительства мостов) интерес к этой проблеме и вовсе пропал. И только сравнительно недавно, после открытия способности амфибийных судов на воздушной подушке и подводных судов эффективно разрушать ледяной покров волновым способом, т.е. путем возбуждения во льду изгибных волн при критических скоростях движения, интерес к этой проблеме повысился, но теперь уже с точки зрения изучения его ле-доразрушающей способности. Этим и объясняется малочисленность научных публикаций за последнее время в данном направлении.

Способы определения критической скорости КВП

Для определения Vр можно воспользоваться известными теоретическими формулами [19]. Однако используемые в процессе анализа допущения, сложность физических процессов, происходящих при колебаниях и разрушении ледяного покрова, малоизученность свойств льда и их влияния на закономерности распространения и развития ИВ требуют экспериментальной проверки существующих теоретических решений. С этой целью в работе [11] был проведен анализ результатов известных и выполненных экспериментов. Как ранее отмечалось, критическая скорость КВП равна наименьшей фазовой скорости ИВ, значение которой строго определяется параметрами льда и глубиной воды. Однако есть и другие толкования понятия критической скорости. Так, канадские специалисты называют критической такое ее значение, при котором лед начинает разрушаться [11]. Понятно, что при определенной интенсивности системы перемещающихся давлений лед может разрушаться при скоростях не равных, а лишь близких к ним. Кроме того, как отмечает L.W. Gold (см. [11]), лед наиболее интенсивно разрушается при скоростях, несколько превышающих критические. В наших опытах [11] критическая скорость КВП определялась по такому признаку наступления резонанса, как существенное увеличение высоты генерируемых волн. Проанализированные с этих позиций записи деформаций льда дали величины этих скоростей, практически совпадающие с теоретическими [8, 19].

При визуальном наблюдении за генерацией и распространением ИВ во льду момент появления волн наибольшей высоты не всегда хорошо заметен. Поэтому в проводимых экспериментах величина критической скорости определялась также по другим, как нам кажется приемлемым, признакам: провалу моделей под лед; появлению максимального угла наклона в диаметральной плоскости; появлению значительных по длине с незначительной кривизной трещин или по наступлению процесса предельного деформирования ледяной пластины вплоть до полного ее разрушения. При больших толщинах ледяной пластины, когда нагрузка на лед была недостаточной для его полного разрушения, Vр фиксировалась по скоростям моделей, соответствующим появлению волн наибольшей высоты. Если КВП движется с критической скоростью для соответствующих ледовых условий, то разрушение ледяного покрова произойдет с наибольшей эффективностью, что подтверждается исследованиями [6, 11]. При достижении судном критической скорости высота ИВ достигнет наибольших значений, и оно будет

испытывать большее сопротивление движению, т.е. ледоразрушающие возможности судна вырастут. Однако это потребует увеличения силы тяги воздушных винтов, величину которой можно определять с помощью специально вмонтированного в трансмиссию движителя датчика. При показании датчиком наибольшего значения дальнейшее изменение скорости приостанавливают, после чего движение СВП осуществляют с данной зафиксированной скоростью, которая и будет равна критической [10].

Критическую скорость также можно определить следующим образом. Сначала корабль на воздушной подушке двигают по недеформируемой горизонтальной плоскости при разных числах Фруда. На поверхности винта начнет действовать поток воздуха, равномерный по всему его гидравлическому сечению, вызывая вибрацию его лопастей зафиксированной интенсивности. Уровень колебаний при этом измеряют с помощью, например пьезоэлементов, вырабатывающих электрический ток, величину которого также фиксируют в функции от числа Фруда КВП. Данная функция будет тестовой функцией для случая движения по недеформируемой поверхности. С этой функцией будут сопоставлять результаты экспериментов. Затем КВП перемещают по ледяной пластине с увеличивающимся числом Фруда. При перемещении КВП будут возбуждаться ИВ и корабль начнет дифферентоваться. В результате нарушится однородность потока воздуха и увеличится интенсивность колебаний лопастей и, соответственно, мощность вырабатываемой электроэнергии.

При критической скорости высота ИВ и наклонение КВП тоже станут критическими. Соответственно, колебания поверхности воздушного винта также станут максимальными. Вследствие этого величина вырабатываемой пьезоэлементами электроэнергии станет наибольшей, рост скорости КВП прекращают и дальнейшие работы по разрушению льда осуществляют с этой скоростью, которая и будет соответствовать критической [17]. Для определения критической скорости КВП выводят на ледяной покров и сообщают ему движение с возрастающим от нуля числом Фруда. В результате в ледяной пластине возникнут и начнут развиваться ИВ. При резонансе высота ИВ станет наибольшей, т.е. юбка независимо от днища КВП сдифферентуется на максимальный угол, а площадь юбки в вертикальном направлении уменьшится. В результате вес КВП будет распределяться на меньшей площади. После этого число Фруда перестают изменять, и дальнейшее движение КВП осуществляют с найденной таким образом скоростью, которая и будет соответствовать критической [10]. Поскольку при ломке льда КВП волновым способом корабль располагается в узле поверхности ИВ, то он в большей степени наклоняется в сторону кормовой оконечности. В результате по росту этого угла, возрастающего по мере увеличения кратности движений по прокладываемому каналу, можно оценивать габариты обломков льда и судить о величине критической скорости. Из этого следует: наибольший рост угла наклона КВП во время использовании ВС для ломки ледяной пластины позволяет констатировать наступление стадии наибольшего сокращения линейных размеров кусков ледяной пластины. С целью определения ее наступления КВП перемещают по льду с критической скоростью. При завершении начального движения КВП во льду возникнет разрушенная область с крупными обломками льда. После этого для обеспечения безопасного судоходства по создаваемому каналу КВП вновь перемещают с критической скоростью. После завершения каждого перемещения КВП угол его наклона будет увеличиваться, а протяженность кусков льда - сокращаться. Если после последующего движения КВП по прокладываемому каналу угол наклона корабля не возрастет, дальнейшие движения не производят. Количество движений КВП окажется минимально достаточным для наибольшего уменьшения линейных размеров кусков льда, что снизит расходы топлива на выполнение ледокольных работ (Пат. РФ № 2224682).

Резонансную, или критическую, скорость КВП, соответствующую стадии наибольшего разрушения ледяной пластины и наибольшего уменьшения линейных размеров кусков льда, определяют в приведенной далее последовательности. КВП размещают на ледяной пластине и начинают его движения с критической скоростью для неразрушенного льда. После первого движения в пластине появится участок с разрушенными кусками льда большой протяженно-

сти. Для обеспечения безопасного судоходства на этом участке необходимо уменьшить габариты таких кусков льда. С этой целью КВП возобновляет движение по участку с критической скоростью, которую каждый раз фиксируют по величине проекции тяги движителя на ось Z, направленную вертикально вверх. После повторных движений по ледяной пластине габариты кусков льда будут уменьшаться, а угол наклона КВП - расти, что будет сопровождаться ростом проекции тяги движителя на ось Z, измеряемую соответствующим прибором. Когда повторное движение КВП не изменит величину этой проекции, ледокольные работы прекращают. В результате число повторных движений будет минимально достаточным для максимального уменьшения габаритов обломков льда, что уменьшит расход топлива на выполнение ледокольных работ [10].

С целью уменьшения затрат на разрушение льда КВП его критическую скорость фиксируют и оставляют неизменной при помощи радиолокационных приборов, которые улавливают отличия в мощностях излучаемых и принимаемых, т.е. отраженных от нижней поверхности ледяной пластины, электромагнитных волн. Такой радиолокации подвергается неразрушенный лед (впереди КВП) и лед под юбкой корабля (под ним), где начинается процесс его растрескивания. По мере сближения скорости КВП с критической под КВП количество трещин во льду будет увеличиваться, они начнут раскрываться, и ледяная пластина будет превращаться в канал, заполненный обломками льда. В результате мощность отраженного электромагнитного излучения под КВП будет уменьшаться в большей степени, чем перед ним. Из этого следует, что по разнице мощностей излучаемого и отраженного сигналов можно судить о стадии нарушения сплошности ледяной пластины [18].

Способы определения критической скорости подводного судна

С уменьшением глубины воды между нижней поверхностью судна и дном водоема увеличивается интенсивность движения слоев воды в этой области [5]. В соответствии с законом Бернулли напор в потоке уменьшается, а линии тока сгущаются. В результате возникает сила присоса, которая приводит к проседанию судна, т.е. к уменьшению высоты надводного борта. Если над подводным судном (ПС) вблизи его верхней палубы расположить флотирующую пластину, будут происходить похожие гидродинамические процессы: у судна появятся силы, совпадающие по знаку с силами плавучести, т.е. направленные вверх. Для того чтобы судно не изменило своей глубины погружения, ему необходимо их нейтрализовать с помощью рулей, отвечающих за положение судна в горизонтальной плоскости. К флотирующей пластине судно будет притягиваться также и за счет искривления ее поверхности в результате генерации ИВ. В итоге линии тока еще в большей степени будут сгущаться, а дополнительные, направленные вертикально вверх гидродинамические силы, - увеличиваться и достигать наибольших значений. По мере нарастания скорости судна высота ИВ и гидродинамические силы будут уменьшаться, а в определенный момент последние могут даже изменить свой знак на противоположный. Из этого следует, что по силе присоса, т.е. по положению рулей, отвечающих за положение судна в горизонтальной плоскости, можно определять стадию приближения движения судна к критической скорости [10].

Критическую скорость ПС можно определить и с помощью следующей закономерности. Подо льдом начинает движение ПС с равномерно увеличивающейся по величине скоростью. Предварительно на ПС устанавливают датчики, способные излучать и принимать ультразвуковые излучения при искривлении нижней поверхности ледяной пластины вследствие генерации в ней ИВ. В тот момент, когда отраженный от льда сигнал отклонится на наибольший угол, измеряют скорость судна, значение которой и будет равно критической. Это связано с тем, что наибольший угол отклонения сигнала будет соответствовать большей кривизне профиля ИВ, а, значит, и большим изгибным напряжениям в пластине [10].

У ПС критическую скорость также можно измерять и фиксировать по наибольшему гидродинамическому полному напору забортной воды в носовой оконечности судна [14], а у КВП - за счет излучений радиосигналов, измеряющих максимальный изгиб поверхности ледяной пластины [15].

Критическую скорость следует измерять по степени изменений пульсаций скоростей в поверхностном слое воды, обтекающем легкий корпус ПС в его верхней части. С этой целью на легком корпусе судна, на его верхней и нижней поверхностях устанавливают приборы для измерения изменений гидродинамических напоров. Смысл этого заключается в том, что с увеличением скорости обтекания поверхности судна будет изменяться интенсивность пульсаций скоростей в поверхностном слое воды на верхней и нижней частях корпуса ПС. Это связано с тем, что на степень изменений пульсаций скоростей в слое воды на верхней поверхности будет в большой степени влиять близость ледяной пластины, т.е. здесь она будет более интенсивной. Для определения степени ее увеличения достаточно результаты ее замеров сравнить с интенсивностью пульсаций скоростей в слое воды на нижней поверхности судна. При наибольшем расхождении этих величин будет достигнута критическая скорость ПС. Если скорость набегающего потока превзойдет это значение, то высота ИВ станет меньше, т.е. изгибные напряжения начнут падать, и процесс ломки льда станет невозможным [10].

Известно, что при обтекании ПС набегающим потоком воды в наиболее широкой части его корпуса скоростной напор потока падает. При этом наибольшее падение напора происходит при скорости потока ниже той, при которой генерируются гравитационные волны максимальной высоты. Из этого следует: при движении ПС со скоростью, при которой возникает наибольшее падение скоростного напора, в ледяной пластине могут возникнуть предельные для льда напряжения, вызывающие ее разрушение. При этом данный процесс происходит при скорости ПС, существенно ниже критической, когда высота ИВ наибольшая. Для движения ПС со скоростью, при которой будет возникать наибольшее падение скоростного напора потока, применяют соответствующее устройство. Его расположение на корпусе ПС определяется закономерностями изменения гидродинамических воздействий потока на поверхность ПС при его малых скоростях движения, т.е. при пренебрежимо малом волнообразовании, когда только в носу и корме ПС формируются области с высоким гидродинамическим напором, а в средней части - с низким. Поэтому расположение устройства в этом месте даст наиболее достоверные показания об интенсивности падении напора в потоке жидкости. Эту информацию нужно использовать следующим образом. В начале регистрируют показания устройства при незначительных скоростях судна. Затем его скорость изменяют в сторону увеличения. С ее ростом скоростной напор в средней части ПС начнет падать. При его наибольшем падении изменение скорости останавливают и дальше движение судна осуществляют с этой скоростью. В результате глубина подошвы ИВ возрастет, что повысит энергоэффективность его разрушения (Пат. РФ № 2163212).

Значение критической скорости ПС можно зафиксировать по интенсивности колебаний лопастей движителя, которые возникают из-за неравномерного подтекания воды к диску гребного винта благодаря его близкому расположению к ледяной пластине (чем больше интенсивность, тем ближе пластина, т.е. высота возбуждаемых ИВ). Эту закономерность можно использовать следующим образом. Под ледяной пластиной на достаточной для разрушения и безопасной для движения скорости перемещают ПС: скорость возрастает до значения, при котором колебания лопастей движителя становятся наиболее интенсивными. Возникновение этого условия регистрируют при помощи прибора, измеряющего число оборотов движителя [10].

Обезопасить эксплуатацию ПС в акватории с плавающими крупными обломками льда можно путем неоднократных движений судна подо льдом с критической скоростью, при которой высота генерируемых гравитационных волн будет наибольшей. При этом маневрирование судна будет включать такую последовательность. Под ледяной пластиной, на минимально достаточной для безопасного движения судна глубине, перемещают ПС с критической скоростью и разрушают лед волновым способом. Если габариты образующихся в процессе ломки льда обломков могут повредить судовую поверхность при последующем после всплытия движении судна, то с целью уменьшения размеров обломков судно производит дополнительные движения под полем битого льда в подводном положении. Во время выполнения таких манев-

ров скорость судна равна критической, но для чистой воды. Это необходимо для генерации гравитационных волн наибольшей высоты, способных уменьшить габариты кусков льда, образовавшихся после первого движения судна. Значение этой критической скорости можно зафиксировать при помощи устройств, измеряющих напор в потоке жидкости и расположенных на верхней судовой поверхности, в месте формирования гребня ИВ. С уменьшением габаритов обломков льда увеличится высота волн в измельченном льду, а значит, увеличится интенсивность пульсаций в соприкасающемся с судовой поверхностью потоке жидкости. Для определения степени изменения интенсивности пульсаций в одном поперечном сечении судна на верхней и нижней поверхностях его корпуса располагают по одному устройству, которое измеряет напор в потоке жидкости. Путем сравнения их показаний судят о степени сгущения линий тока потока над верхней поверхностью корпуса судна. Если различия в показаниях устройств возросли, то габариты обломков льда стали меньше. Когда повторные движения ПС не будут приводить к изменению разницы показаний устройств, маневрирование подо льдом прекращают, так как разрушенность битого льда станет наибольшей и ПС может безопасно всплыть в измельченном льду [3].

Критическую скорость ПС при его неоднократных движениях под ледяной пластиной целесообразно фиксировать по углам поворота горизонтальных рулей, которые поворачивают с целью стабилизации горизонтального положения судна. Рост размеров углов при каждом из движений будет говорить об уменьшении габаритов кусков льда. Взаимосвязь между углами поворотов и габаритами кусков льда определяется заранее в процессе тестовых движений судна под битым льдом, размеры кусков которого предварительно были определены. Повторные заходы под полем битого льда в месте предполагаемого всплытия ПС выполняют до тех пор, пока габариты кусков льда не потеряют способность повредить легкий корпус судна. После очередного захода оценивают габариты обломков. Когда угол поворота рулей перестает расти, это значит, что габариты обломков стали наименьшими и можно осуществлять всплытие без риска повредить корпус ПС [10].

Заключение

Выполненный обзор исследований по определению критических скоростей кораблей на воздушной подушке и подводных судов при выполнении работ по разрушению ледяного покрова волновым способом, т.е. путем возбуждения во льду резонансных изгибных волн, дает возможность (в зависимости от условий проведения ледокольных работ) использовать предложенные устройства и приборы, способы визуального наблюдения для контроля степени разрушения ледяного покрова. Они также позволят на практике повысить эффективность разрушения льда. В то же время, когда ледяной покров используется в качестве грузонесущих платформ, знание значения критической скорости позволит избежать опасных режимов движения транспортных средств.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бернштейн С.А. Ледяная железнодорожная переправа (работа, теория и расчет ледяного слоя) // Сборник НКПС. М.: Транспечать, 1929. 42 с.

2. Брегман Г.Р., Проскуряков Б.В. Ледяные переправы. Свердловск: Гидрометеоиздат, 1943. 151 с.

3. Букатов А.Е. Волны в море с плавающим ледяным покровом / ФГБУН МГИ. Севастополь, 2017. 360 с.

4. Голушкевич С.С. О некоторых задачах теории изгиба ледяного покрова. Л.: Воениздат, 1947. 231 с.

5. Земляк В.Л., Баурин Н.О., Ипатов К.И. Влияние формы подводного судна на эффективность всплытия в ледовых условиях. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2018. 124 с.

6. Земляк В.Л., Баурин Н.О., Ипатов К.И. и др. Экспериментальные исследования влияния ледовых условий на эффективность разрушения ледяного покрова изгибно-гравитационными волнами. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2017. 142 с.

7. Зуев В.А., Двойченко Ю.А. Разрушение льда судами на воздушной подушке // Теория и прочность ледокольного корабля. Вып. 2. Горький: Изд-во I ПИ им. А.А. Жданова, 1980. С. 15-17.

8. Иванов К.Е., Песчанский И.С. Грузоподъемность ледяного покрова и устройство дорог на льду. М.; Л.: Изд-во Главсевморпути, 1949. 182 с.

9. Каштелян В.И., Яровая Т.Х. Использование устройств на воздушной подушке для разрушения льда // Судостроение за рубежом. 1978. № 5. С. 57-64.

10. Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты. М.: Академия естествознания, 2007. 355 с.

11. Козин В.М., Земляк В.Л. Физические основы разрушения ледяного покрова резонансным методом. Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН; ПГУ им. Шолом-Алейхема; АмГПГУ. 2013, 250 с.

12. Козин В.М., Погорелова А.В., Земляк В.Л. и др. Экспериментально-теоретические исследования зависимости параметров распространяющихся в плавающей пластине изгибно-гравитационных волн от условий их возбуждения: монография. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2016. 221 с.

13. Милованов Э.В., Цой Л.Г. Перспективы использования амфибийных судов на воздушной подушке за рубежом // Судостроение. 1976. № 4. С. 16-19.

14. Пат. 2056320 Российская Федерация, МПК 63 В 35/08. Способ разрушения ледяного покрова / А.В. Онищук, А.В. Милованова, В.Д. Жесткая и др. Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН. № 939008363; заявл. 11.02.1993; опубл. 20.03.1996. 5 с.

15. Пат. 2081025 Российская Федерация, МПК 63 В 35/08. Способ разрушения ледяного покрова / А.Д. Бурменский. Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН. № 9494008992; заявл. 15.03.1994; опубл. 10.06.1997. 3 с.

16. Пат. 2221725 Российская Федерация, МПК 63 В 35/08. Ледокольное судно на воздушной подушке / А.В. Погорелова. Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН. Опубл. 20.01.2004. Бюл. № 2. 5 с.

17. Пат. 2188897 Российская Федерация, МПК 63 В 35/08. Способ разрушения ледяного покрова / А.В. Погорелова. Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН. № 2001104187/28; за-явл.13.02.2001; опубл. 10.09.2002. Бюл. № 25. 4 с.

18. Пат. 2038256 Российская Федерация. Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, МПК 63 В 35/08. Способ разрушения ледяного покрова / А.В. Милованова. № 93008364/11; заявл. 24.02.1994; опубл. 27.06.1995. 3 с.

19. Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. Л.: Гидрометеоиздат. 1967. 216 с.

FEFU: SCHOOL of ENGINEERING BULLETIN. 2019. N 2/39

Theory of the Ship and Construction Mechanics www.dvfu.ru/en/vestnikis

DOI: https://dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2019-2-3

Kozin V.

VICTOR KOZIN, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Department of Shipbuilding, Chief Researcher of the Laboratory for Problems of Creation and Processing of Materials and Products, e-mail: kozinvictor@rambler.ru Institute of Machine Science and Metallurgy, FEB RAS 1, Metallurgov St., Komsomolsk-on-Amur, Russia, 681005

Methods for determining the critical speeds of loads moving under the conditions of solid ice cover

Abstract: Generation of bending waves in a floating ice plate by loads that move with critical (resonant) speeds, i.e. when their speeds coincide with the lowest phase velocities of bending waves and the concurrent gravitational waves, are accompanied by a sharp increase in their height. This allows you to significantly reduce energy consumption when breaking ice when compared with known tools and technologies. For this purpose, the wave method of breaking the ice cover was developed and tested in practice, i.e. by generating bending waves in the ice, which can be carried out by any transport that can move at the required speed and excite the EW required for the destruction of ice height. An amphibious hovercraft is the most suitable for the implementation of the wave method of

breaking the ice cover. In addition, we have recently explored the possibility of using underwater vessels in the Arctic to solve transport problems. Obviously, this will require ensuring the safety of the subglacial navigation of vessels, i.e. the possibility of emergency ascent of vessels from under the ice that may arise during the operation of vessels. Usually, a ship would be trimmed by the stern and then fixed to the ice. After pumping the ballast, which is taken onto the ship for its immersion, the ice sheet collapses and the ship floats up in broken ice. The thickness of the ice is not significant, and the ship itself often receives ice damage. To eliminate these disadvantages, the developed wave method of breaking ice can also be used.

The paper presents the technologies and devices developed by the author of the article, with the help of which in real conditions it is possible to determine the critical speed in the implementation of the wave method by hovercraft and underwater ships.

Keywords: hovercraft, underwater ship, ice cover, bending wave, destruction, critical speed, wave mode. REFERENCES

1. Bernstein S.A. Ice railway crossing (work, theory and calculation of the ice layer). Proceedings. M., Transpechat, 1929, 42 p.

2. Bregman G.R., Proskuryakov B.V. Ice crossings. Sverdlovsk, Gidrometeoizdat, 1943, 151 p.

3. Bukatov A.E. Waves in the sea with floating ice cover. Sevastopol, 2017, 360 p.

4. Golushkevich S.S. On some problems of the theory of bending of the ice cover. L., Military Publishing, 1947, 231 p.

5. Zemlyak V.L., Baurin N.O., Ipatov K.I. Influence of the shape of the underwater vessel on the effectiveness of ascent in ice conditions. Novosibirsk, Publishing House of the Siberian Branch of the RAS, 2018, 124 p.

6. Zemlyak V.L., Baurin N.O., Ipatov K.I. et al. Experimental studies of the effect of ice conditions on the efficiency of ice cover destruction by flexural-gravity waves. Novosibirsk, Publishing House SB RAS, 2017, 142 p.

7. Zuev V.A., Dvoichenko Yu.A. Ice breaking by hovercraft. Theory and Strength of an Icebreaking Ship. Vol. 2. Gorkii, A.A. Zhdanov, Publ., 1980, p. 15-17.

8. Ivanov K.E., Peschansky I.S. Ice cover carrying capacity and road construction on ice. M., L., Glavsevmorput, 1949, 182 p.

9. Kashtelyan V.I., Yarovaya T.Kh. Using air cushioning devices to destroy ice. Shipbuilding Abroad. 1978;5:57-64.

10. Kozin V.M. Resonant method of breaking ice. Inventions and experiments. M., Academy of Natural Sciences, 2007, 355 p.

11. Kozin V.M., Zemlyak V.L. Physical basis of the destruction of the ice cover by the resonance method. Komsomolsk-on-Amur, IMiM FED RAS; PSU them. Sholem Aleichem, AmGPGU, 2013, 250 p.

12. Kozin V.M., Pogorelova A.V., Zemlyak V.L. et al. Experimental and theoretical studies of the dependence of the parameters of flexural-gravity waves propagating in a floating plate on the conditions of their excitation. Novosibirsk, SB RAS, 2016, 221 p.

13. Milovanov E.V., Tsoi L.G. Prospects for the use of amphibious hovercraft abroad. Shipbuilding. 1976; 4:16-19.

14. Pat. 2056320 Russian Federation, IPC 63 B 35/08. The method of destruction of the ice cover. A.V. Onischuk, A.V. Milovanov, V.D. Zhestkaya et al. Institute of Engineering and Metallurgy, FEB RAS, N 939008363; declare 11.02.1993; publ. 03/20/1996. 5 p.

15. Pat. 2081025 Russian Federation, IPC 63 B 35/08. Way to destroy the ice cover. A.D. Burmensky. Institute of Machine Science and Metallurgy, FEB RAS, N 9494008992; declare 03/15/1994; publ. 06/10/1997. 3 p.

16. Pat. 2221725 Russian Federation, IPC 63 B 35/08. Icebreaking hovercraft. A.V. Pogorelova. Institute of Engineering and Metallurgy , FEB RAS, Publ. 01/20/2004, Bull. 2, 5 p.

17. Pat. 2188897 Russian Federation, IPC 63 B 35/08. The method of destruction of the ice cover. A.V. Pogorelova. Institute of Machine Science and Metallurgy, FEB RAS, N 2001104187/28; announced February 13, 2001; publ. 09/10/2002. Bul. N 25, 4 p.

18. Pat. 2038256 Russian Federation. Institute of Machine Science and Metallurgy, FEB RAS, IPC 63 B 35/08. The method of breaking the ice cover. A.V. Milovanova. N 93008364/11; declare 02.24.1994; publ. 06.27.1995, 3 p.

19. Heisin D.E. Dynamics of ice cover. L., Hydrometeoizdat, 1967, 216 p.