СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ СКОРОСТИ СУДНА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ ДЛЯ РЕЗОНАНСНОГО РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДОВОГО ПОКРОВА Российский патент 1998 года по МПК B63B35/08 B60V3/06 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к выполнению ледокольных работ судами на воздушной подушке (СВП) резонансным способом; при прокладке ледового канала; раннем вскрытии рек и водохранилищ; разрушении перемычек, заторов, закраин; раннем спуске льда на реках; предупреждении заторообразования, а особенно при борьбе со льдом на мелководье, где ледоколы вследствие наличия значительной осадки работать не могут.

Предлагая способ определения скорости, при которой происходит резонансное разрушение льда СВП, авторы считают нужным подчеркнуть основные моменты разрушения льда ледоколами и ледокольными приставками, а также судами на воздушной подушке.

Разрушение ледяного покрова традиционными способами (ледоколами, приставками) достаточно полно описаны [1] и в основном сводятся к следующим явлениям - фторштевень, вступая в контакт со льдом, сминает кромку ледяного покрова и изгибает его до тех пор, пока изгибные напряжения в ледяном поле не достигнут предела прочности и не начнется разрушение льда. В контакт со льдом вступают и борта судна, которые последовательно обламывают кромки льда. Выломанные льдины переворачиваются и притапливаются бортами, а затем большая часть льдин всплывает за кормой ледокола.

Однако, в некоторых случаях, в частности, на внутренних водных путях, использование ледоколов встречает затруднения. Так, например, из-за необходимости разрушать лед на мелководных участках, где ни ледоколы, ни ледокольные приставки пройти не могут (положение усугубляется в ранневесенний период при малом количестве воды и сложностью навигационной обстановки из-за отсутствия навигационных знаков), а также из-за низкого пропульсивного КПД на малых скоростях движения (до 50%). Вместе с этим неэффективное использование ледоколов при разрушении заторов и при работе в условиях обильной шуги и снежицы, а также невозможность создания движительного комплекса с оптимальными параметрами вследствие ограниченной осадки речных ледоколов ставят задачу поиска принципиально новых способов разрушения ледяного покрова [1]. К одному из таких способов можно отнести разрушение льда СВП.

Известно два способа разрушения льда СВП: давлением (иногда его называют низкоскоростным) и при движении с критическими скоростями (резонансный) [1].

Первый способ - давлением - заключается в том, что лед разрушается под действием собственной тяжести. При движении СВП с малой скоростью подо льдом образуется воздушная полость, давление в которой равно давлению в воздушной подушке. В этом случае равновесие ледяного поля, находящегося под действием сил тяжести, будет обеспечиваться только внутренними силами упругости льда. При некоторых, вполне определенных размерах СВП в плане, ледяной покров начнет разрушаться под действием сил тяжести (фиг. 1). Однако лед может разрушаться и в случае, когда воздушная полость не заходит под лед. В этом случае разрушение происходит от изгиба ледяного покрова при действии давлений в воздушной подушке.

Второй способ разрушения льда - резонансный (фиг. 2). Газонасосное разрушение льда СВП выглядит следующим образом. При движении СПВ во льду развивается система прогрессивных изгибно-гравитационных волн (ИГВ), распространяющихся с критической скоростью V_p, зависящей от глубины водоема, толщины льда и его физико-механических свойств [4]. Если СВП движется со скоростью V < V_p, то прогрессивные ИГВ не возникают. При движении судна со скоростью V > V_p будет возникать две системы затухающих волн. Вперед будут уходить изгибные волны с групповой скоростью U₁ > V, а показали будут распространяться гравитационные волны с групповой скоростью U₂ < V [5]. Если V = V_p возникает резонанс, т.е. увеличение характеристик ИГВ. При сохранении этого режима (V = V_p) СВП получает дифферент на корму (фиг. 2), вследствие чего процесс сопровождается интенсивной подкачкой энергии в колеблющуюся систему, что вызывает увеличение прогибов и разрушение льда. Таким образом одним из наиболее важных критериев реализации резонансного разрушения льда СВП является его скорость.

В настоящее время имеется достаточный опыт применения СВП для разрушения ледяного покрова как за рубежом (США, Канада, Финляндия) [2, 3], так и в нашей стране [1].

Первые предложения по определению критической скорости нагрузки, движущейся по льду, были высказаны в работе [4], где определение ее значения осуществлялось по теоретическим зависимостям.

В частности для мелкой воды
,
для глубокой
,
где
g - ускорение силы тяжести;
H - глубина воды;
- цилиндрическая жесткость ледяной пластины;
E - модуль упругости льда;
μ - коэффициент Пуассона;
ρ_в - плотность воды;
h - толщина льда.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ, описанный в работе [1], который заключается в следующем.

Сначала резонансная скорость определяется по формулам (1), (2). Далее ее значение корректируется по графику работы (1), который представляет собой зависимость резонансной скорости от толщины льда и глубины водоема. После этого начинается движение СВП и при достижении величины V_p начинается ее корректировка по максимальному дифференту на корму, соответствующему максимальной амплитуде ИГВ.

Для точного определения резонансной скорости в этом случае необходимы реальные значения толщины льда, глубины воды и физико-механических свойств ледяного покрова. Эти характеристики определяются при непосредственном обследовании акватории, для чего проводится вскрытие серии лунок для измерения толщины льда и глубины водоема, а также выполняются необходимые работы по определению упругих и прочностных свойств льда.

Однако известный способ имеет следующие недостатки.

Так, для точного определения резонансной скорости необходимо наличие полной информации о характеристиках СВП и водоемов. В то время как сведения о судне (вес, давление в воздушной подушке) определяются на момент выхода из порта приписки, то определение сведений о водоеме (глубина воды, толщина льда, толщина снежного покрова) вызывает трудности, которые усугубляются изменением перечисленных параметров водоема по мере продвижения СВП и переменным значением упругих и прочностных свойств льда, зависящих от микроструктуры льда, химического состава воды. Особой сложностью является определение толщины льда в торосах.

Значительные затруднения вызывают определение резонансной скорости при работах на пределе ледокольных возможностей СВП, а также при реализации нестационарных режимов движения (изменение движения СВП, его курса, резкое увеличение скорости, СВП до резонансной, зигзагообразное движение) [1].

Наряду с этим, из опыта эксплуатации СВП для разрушения ледяного покрова, авторами отмечена трудность определения именно начала разрушения льда, когда дифферент судна на корму практически отсутствует. В этом случае особенно важно поддержать необходимую скорость или, наоборот, уменьшить или увеличить ее значение с целью продолжения движения судна в наиболее благоприятном, с точки зрения разрушения льда, режиме.

Изменчивость характеристик водоема и упругих свойств льда по мере продвижения СВП, наслоение погрешностей при теоретическом определении резонансной скорости СВП по формулам (1), (2) и корректировка ее значения по графикам работы (1), приводит к искаженному результату при определении V_p. В этом случае разрушения может не произойти, даже если параметры судна будут отвечать необходимым условиям для заданной толщины льда. Корректировка значения скорости при этом по возрастанию амплитуд ИГВ, либо появлению дифферента на корму и др. может не дать положительного результата, т.к. эти признаки проявления изгибно-гравитационного резонанса появляются только при движении СВП в течение определенного времени со скоростью, равной V_p.

Кроме этого, мероприятия по определению толщины льда и глубины воды, а также определение значений упругих и прочностных свойств требуют работы людей со льда, что значительно увеличивает трудоемкость и время для определения точного значения резонансной скорости.

Целью изобретения является повышение эффективности способа определения и поддержания скорости СВП в начальный момент резонансного разрушения ледяного покрова путем снижения трудоемкости ее определения.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от прототипа, где значение резонансной скорости определяется по теоретическим зависимостям и графикам и корректируется в дальнейшем в основном по кормовому дифференту судна, в заявляемом способе ее значение определяется по максимальному звуковому сигналу, поступающему ото льда при его разрушении, причем первый сигнал соответствует началу трещинообразования. Последнее позволяет контролировать скорость и производить корректировку ее значения до появления характерных признаков изгибно-гравитационного резонанса, т.е. до появления дифферента на корму.

Также следует заметить, что повышение эффективности достигается и тем, что отпадает необходимость определения резонансной скорости по формулам (1), (2) и ее корректировка по графикам работы (1), следовательно отпадает и необходимость в обследовании акватории с привлечением людей для определения характеристик льда и глубины воды.

В соответствии с данными признаками, отличительными от прототипа, можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна".

Наличие у рассматриваемого способа существенных признаков, отличающихся от прототипа, и отсутствие подобных решений в науке и технике позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "существенные отличия".

Точное определение резонансной скорости и ее поддержание в начальный момент резонансного разрушения льда состоит в следующем. При деформации льда в его толще возникает звуковой сигнал, который может быть принят приемниками звуковых колебаний, например конденсаторными микрофонами. При разрушении льда мощность звукового сигнала резко возрастает. Увеличение мощности этого способа можно получить с помощью любого стандартного прибора, предназначенного для измерения шумового напряжения. Для повышения достоверности показаний необходимо разделить шумы самого СВП от сигнала ото льда.

Учитывая, что спектры их переркываются лишь частично, то это можно сделать с помощью обычного полосового фильтра. Приборы и необходимое оборудование располагается на борту СВП.

Поскольку полное разрушение льда будет сопровождаться максимальным звуковым эффектом, то предлагаемое решение будет позволять практически с абсолютной точностью определять и поддерживать значение V_p.

Источники информации, использованные при составлении описания изобретения.

1. Зуев В.А. Средства продления навигации на внутренних водных путях. - Л.: Судостроение, 1986, - 208 с. ил.

2. Смигельский С.П. Об американских работах по программе создания арктического КВП. - Судостроение за рубежом, 1978, N 3 (135), с. 3 - 18.

3. Честнов Е.И. Использование судов на воздушной подушке для взламывания льда. - В кн.: Передовой опыт и новая техника. - Л.: 1979, Вып.2 (62), с. 69 - 73.

4. Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967. - 216 с. ил.

5. Доронин Ю.П., Хейсин Д.Е. Морской лед. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 318 с. ил.

Использование: изобретение относится к водному транспорту и касается технологии ледоразрушения резонансным способом с помощью судна на воздушной подушке. Сущность изобретения заключается в том, что при реализации способа поддержания скорости судна на воздушной подушке для резонансного разрушения ледового покрова, содержащего операцию корректирования резонансной скорости судна на воздушной подушке по максимальному значению ходового кормового дифферента, точное значение необходимой скорости судна в начальный момент резонансного разрушения льда определяют и поддерживают по максимальному звуковому сигналу, поступающему ото льда при его разрушении, который получают через приемник звуковых колебаний и отделяют от звукового сигнала, создаваемого шумом работы судна на воздушной подушке. 2 ил.

Способ поддержания скорости судна на воздушной подушке для резонансного разрушения покрова, содержащий операцию корректирования резонансной скорости судна на воздушной подушке по максимальному значению ходового кормового дифферента, отличающийся тем, что, с целью повышения его эффективности в начальный момент разрушения льда и при наличии различных режимов эксплуатации судна и переменных параметрах состояния ледового покрова, точное значение необходимой скорости судна и начальный момент резонансного разрушения льда определяют и поддерживают по максимальному звуковому сигналу, поступающему от льда при его разрушении, который получают через приемник звуковых колебаний, и отделяют от звукового сигнала, создаваемого шумом работы судна на воздушной подушке.