СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА СНЕЖНО-ЛЕДОВОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛЕДНИКОВЫХ КУПОЛАХ ИЛИ ЛЬДУ ВОДОЕМА Российский патент 2024 года по МПК E01C9/00 E01H4/00 E02B17/00 

Изобретение относится к области строительства снежно-ледовых покрытий аэродромов и может быть использовано для строительства аэродромов в полярных районах планеты, где существуют зоны покровных ледников (Антарктида, Арктические острова), а также на многолетнем плавающем паковом льду Арктики.

В Полярных районах планеты существуют зоны покровных ледников: Антарктида, Гренландия, Исландия, северо-восток Шпицбергена, значительная часть архипелага Земля Франца Иосифа и Северной Земли. Покровные ледники характеризуют: огромные размеры, отсутствие четкой границы между областями стока и питания, плоско-выпуклая форма и направление движения, связанное с пластичностью льда, а не рельефом ложа.

Ледники разбиты на зоны в зависимости от поверхностного снежного покрова и условий таяния. Зона абляции - это область, где происходит чистая потеря массы ледника. Верхняя часть ледника, где накопление превышает абляцию, называется зоной накопления. Линия равновесия разделяет зону абляции и зону накопления; это контур, в котором количество нового снега, полученного в результате накопления, равно количеству льда, потерянного в результате абляции.

В зависимости от условий таяния зону накопления подразделяют:

1. Зона сухого снега - это регион, где не происходит таяния снега даже летом, и снежный покров остается сухим.

2. Зона просачивания - это область с некоторым поверхностным таянием, в результате чего талая вода просачивается в снежный покров. Эта зона часто отмечена повторно замерзшими ледяными линзами и прослоями льда. Снежный покров также никогда не достигает точки таяния.

3. Вблизи линии равновесия на некоторых ледниках образуется наложенная ледяная зона. В этой зоне талая вода повторно замерзает в виде холодного слоя в леднике, образуя сплошную массу льда.

4. Зона «мокрого снега» - это регион, где весь снег, выпавший с конца предыдущего лета, нагревается до 0 °C и тает.

Зона «мокрого снега» - обычно прибрежная зона, наиболее доступная для развертывания полярных экспедиций, здесь удобно строить аэродром, выбрав плоский участок льда со спокойным рельефом, соответствующим требованиям к уклонам, макрорельефу аэродрома. Строительство аэродрома упрощается тем, что лед обладает прочностью, достаточной для приема большинства самолетов на колесном шасси, в отличие от зоны сухого снега или зоны просачивания, где нужно затратить значительные усилия на уплотнение снега до плотности 0,55 г/см³ и более. Ровные площадки ледникового щита или купола, пригодные для строительства аэродрома, как правило, в зимний период не аккумулируют снег в силу отсутствия рядом снегозадерживающих форм рельефа, скальных выходов – нунатаков, обрывов, понижений рельефа в виде русел ледовых рек и зон трещин. При этом появившиеся на леднике переметы снега не имеют надежного сцепления с гладкой поверхностью ледника.

Использование ледового покрова без специальной подготовки для взлета-посадки самолетов невозможно. Ледовый покров в своем естественном виде обладает микро и мезонеровностями, ледовая поверхность имеет недостаточный коэффициент сцепления. Наибольшее количество полетов, как правило, совершается в весенне-летний-осенний период в течение полярного дня. В этот период происходит таяние аэродрома и для того, чтобы сократить нерабочий период или сохранить работоспособность аэродрома, на весь летний период необходимо создать снежно-ледовое покрытие на всей площади аэродрома. Создание снежно-ледового покрытия на поименованных ледовых поверхностях необходимо для их выравнивания, повышения коэффициента сцепления до параметров, потребных для эксплуатации самолетов на колесном шасси и продления периода эксплуатации в период летнего таяния за счет повышения светоотражающей способности поверхности аэродрома. Снег обладает в два раза большей отражающей способностью, чем лед, и при значительных площадях снегонакопления - вся площадь взлетно-посадочной полосы (ВПП) с боковыми и концевыми полосами безопасности, перрон и рулежная дорожка, может существенно предохранить от таяния.

Известны различные способы устройства снежно-ледового покрытия.

Известен способ устройства снежно-ледового покрытия в зоне многолетнемерзлых грунтов, включающий: предварительное промораживание естественного грунта на ширину покрытия, последующее устройство снежно-ледовых слоев полотна покрытия, формируемых путем искусственного задержания снега, его разравнивания, проливки водой, уплотнения и профилирования. Формирование снежных слоев осуществляют за счет устройства на поверхности каждого устроенного нижележащего слоя снежно-ледовых валов с заложением откосов, равным 1:4, устраиваемых из снежно-ледяной массы предыдущего слоя (патент РФ № 2695427 на изобретение «СПОСОБ УСТРОЙСТВА СНЕЖНО-ЛЕДОВОЙ ДОРОГИ», опубл. 23.07.2019, МПК E01C 9/08). Указанный способ сопряжен со значительными непроизводительными затратами и сложностями по заливке водой основания и строящегося покрытия. Транспортировка воды в зимний период и равномерный ее розлив трудно реализуем, а снегозадержание за счет ледяных валков формирует неравнопрочное по ширине покрытие.

Известен способ создания снежно-ледового покрытия, включающий фрезерование, нагрев и уплотнение снежной массы, при этом нагрев снежной массы осуществляют до температуры -3÷-5 °С посредством аккумулирования солнечного излучения (патент РФ №2721851 на изобретение «СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДОВОГО ПОКРОВА», МПК E01H 4/00, опубл. 25.05.2020). Недостатком известного способа является то, что он предназначен для использования в регионах с повышенной солнечной радиацией, высокой отражающей способностью окружающего снежного покрова и стабильно низкими температурами воздуха, при которых снег не достигает температуры таяния или близкой к ней и не может быть использован в зоне «мокрого снега», где весь снег, выпавший с конца предыдущего лета, нагревается до 0 °C и тает.

Известен способ создания снежно-ледового покрытия, включающий рыхление массы снежного покрова, последующее фрезерование разрыхленной снежной массы с направлением ее потоком во взвешенном состоянии к термическому устройству, имеющему возможность отклонения на 30°-90° от вертикали навстречу указанному потоку, снабженному горелками, работающими на дизельном топливе с обеспечением температуры в зоне контакта пламени со снегом 800 °С-1200 °С и обеспечивающими распределение пламени с формированием сплошной по поперечному сечению зоны прогрева снежной массы до состояния перенасыщения ее водой, а также последующих укладки, виброуплотнения и прикатки с возможностью регулирования удельного статического давления на уплотняемое снеголедовое полотно (патент РФ № 2252290 на изобретение «СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ВРЕМЕННОГО СНЕГОЛЕДОВОГО ПОКРЫТИЯ И ФРЕЗОТЕРМИЧЕСКАЯ СНЕГОУПЛОТНИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ПРИЦЕПНАЯ-ФТСУ-П», МПК E01C 9/08, опубл. 20.05.2005). Известный способ не позволяет продлить период эксплуатации аэродрома в период летнего таяния. Кроме того, известный способ характеризуется сложностью, трудоемкостью и экологической небезопасностью, связанными с термической обработкой снеголедовой массы, значительными затратами топлива и загрязнением снега продуктами сгорания дизельного топлива.

Известен способ создания снежно-ледового покрытия, включающий увлажнение снега, уплотнение и последующее естественное промораживание. Для повышения несущей способности полотна в снег добавляют соль, понижающую его температуру плавления, в количестве 0,1-5,0% от веса снега, после чего смесь перемешивают и уплотняют (авторское свидетельство СССР № 352990 на изобретение «СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ ДОРОГИ, ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНОЙ ПОЛОСЫ И Т.П. СООРУЖЕНИЯ ИЗ СНЕГА», МПК E01H 4/00, опубл. 1972). Известный способ не позволяет сократить нерабочий период аэродрома в период летнего таяния. Недостатком известного способа также являются высокие трудозатраты и себестоимость, связанные с необходимостью добавления соли, что, кроме прочего, ведет к засолению снежно-ледовых массивов и снижает прочностные свойства снега.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков является способ создания снежного покрытия, включающий: фрезерование ледовой поверхности ВПП с последующим выравниванием и уплотнением; подсыпка слоя снега толщиной 5-6 см с выглаживанием для снижения интенсивности таяния в весенний период; систематический контроль за толщиной ледяного покрова (п. 5.3.14 РУКОВОДСТВА ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРАЖДАНСКИХ АЭРОДРОМОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (РЭГА РФ-94), утв. приказом директора департамента воздушного транспорта Мин. транспорта от 19.09.94 № ДВ-98). Известный способ также не позволяет продлить период эксплуатации аэродрома в период летнего таяния. Необходимость нанесения на поверхность аэродрома слоя снега толщиной в 5-6 см ровным слоем делает известный способ создания снежно-ледового покрытия весьма трудоемким и не гарантирует высокого качества снежно-ледового покрытия, поскольку слой снега наносится на отфрезерованную ледовою поверхность, при этом не предусмотрена процедура смешивания снега и ледовой крошки, не регламентированы фракции ледовой крошки, что в значительной степени определяет качество покрытия.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка эффективного способа создания снежно-ледового покрытия аэродромов в зоне покровных ледников (Антарктида, Арктические острова и на многолетнем плавающем паковом льду Арктики).

Технический результат, достигаемый в результате решения поставленной задачи, заключается в продлении эксплуатационного периода снежно-ледового покрытия аэродромов в полярных районах в летний период.

Указанный технический результат достигается тем, что способ строительства снежно-ледового покрытия на ледниковых куполах или льду водоема включает: фрезерование ледовой поверхности зубовой фрезой с получением ледяного щебня фракцией от 0,5 см до 10-15 см в максимальном сечении; разравнивание полученного слоя ледового щебня по поверхности с исправлением неровностей ледового основания; аккумуляцию снега на полученном слое щебня; первичную прикатку слоя снега; повторное фрезерование полученной снеголедяной массы, последующее ее выравнивание и уплотнение с последовательным увеличением нагрузки уплотняющих средств до достижения плотности не менее 0,55 г/см.

Предпочтительно, чтобы цикл, включающий: первичную прикатку слоя аккумулированного снега; повторное фрезерованание полученной снеголедяной массы; последующее ее выравнивание и уплотнение с последовательным увеличением нагрузки уплотняющих средств до достижения плотности не менее 0,55 г/см, осуществлялся без длительных перерывов в течение 8-10 часов.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что во всех случаях исполнения оно отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- осуществлением фрезерования ледовой поверхности зубовой фрезой с получением ледяного щебня фракцией от 0,5 см до 10-15 см в максимальном сечении;

- разравниванием полученного слоя ледового щебня по поверхности с исправлением неровностей ледового основания;

- аккумуляцией снега на полученном слое щебня;

- первичной прикаткой слоя снега;

- повторным фрезерованием полученной снеголедяной массы;

- уплотнением полученной снеголедяной массы с последовательным увеличением нагрузки уплотняющих средств до достижения плотности не менее 0,55 г/см.

В предпочтительных случаях исполнения изобретение отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- осуществлением цикла, включающего: первичную прикатку слоя аккумулированного снега, повторное фрезерование полученной снеголедяной массы, последующее ее выравнивание и уплотнение в течение 8-10 часов без длительных перерывов.

Фрезерование ледовой поверхности зубовой фрезой с получением ледяного щебня фракцией от 0,5 см до 10÷15 см в максимальном сечении; разравнивание полученного слоя ледового щебня по поверхности с исправлением неровностей ледового основания; аккумуляция снега на полученном слое щебня, первичная прикатка слоя снега; повторное фрезерование полученной снеголедяной массы, последующее ее выравнивание и уплотнение с последовательным увеличением нагрузки уплотняющих средств до достижения плотности не менее 0,55 г/см обеспечивают создание снежно-ледового покрытия, содержащего ледяной щебень, образующий скелетное тело слоя, и снег в качестве связующего, заполняющего полости материала. Содержащийся в теле создаваемого снежно-ледового покрытия ледовый щебень создает скелетное тело покрытия по аналогии со скелетным телом, формируемым щебнем в бетоне. Ледяной щебень, образующий скелетное тело, передает нагрузку на ледовое основание – поверхность ледового купола, повышая прочность слоя на сжатие. Снег, смерзаясь, превращает смесь в монолитный слой. При этом ледовое основание поверхности купола, покрытое бороздами с рванными краями от зубовой фрезы, обеспечивает сцепление снежно-ледового слоя с нижележащим ледовым основанием и сдвигоустойчивость относительно него. Фрезерование ледовой поверхности с получением ледяного щебня фракцией от 0,5 см до 10÷15 см обеспечивает выравнивание естественной ледовой поверхности и создание слоя снегозадержания, на основании натурных исследований установлено, что ледовый щебень 10-15 см не сдувается в пургу и задерживает снег ровным слоем. Уплотнение ледового щебня, смешанного с аккумулированным снегом до достижения плотности не менее 0,55 г/см, позволяет получить прочное покрытие, обладающее способностью воспринимать нагрузку от колесных шасси воздушных судов, в том числе и тяжелых типа ИЛ 76ТД. При этом снежно-ледовая уплотненная смесь имеет надежное сцепление с нижележащим ледником за счет борозд, нарезанных в нем. Все это обеспечивает создание ровного, прочного, с высоким коэффициентом сцепления снежно-ледового покрытия, соответствующего показателям, установленным «Федеральными авиационными правилами ФАП 262», и достаточными для полетов расчетного самолета. Созданное покрытие обладает отражающей способностью в два раза большей, чем окружающий лед, вследствие чего менее подвержено таянию, что позволяет существенно продлить период эксплуатации в летний теплый период.

Способ осуществляют следующим образом.

Способ строительства снежно-ледового покрытия на ледниковых куполах или льду водоема заключается в фрезеровании поверхности льда зубовой фрезой, разравнивании полученного слоя ледового щебня по поверхности с исправлением неровностей ледового основания, аккумуляции снега на полученном слое щебня, первичной прикатке слоя снега, перемешивании полученной снеголедяной массы, выравнивании и уплотнении с последовательным увеличением нагрузки уплотняющих средств. Зубовая борона скалывает лед в виде ледяного щебня фракцией от 0,5 см до 10÷15 см в максимальном сечении. В качестве зубовой бороны может быть использована борона с ножами, расположенными с шагом 30 см, выступающими вниз на 20 см, приваренными к швеллеру, одновременно выполняющему функцию выравнивающего элемента. На обрабатываемой поверхности ледового купола образуются борозды с рваными краями. Борона при поступательном движении за два-три захода срезает выступающие неровности, при этом излишки срезанного ледового щебня на взбугривании формируют вал, разгружаемый в понижении, выравнивая поверхность слоя ледового щебня до требуемых параметров микро и мезонеровностей поверхности аэродрома. Обработанная таким образом поверхность строящегося аэродрома, покрытая ледовым щебнем фракцией до 15 см в максимальном сечении, выдерживается до снегоотложения. Обычно на ледовых куполах снегоотложение происходит в виде пурги, причем на природной поверхности льда снег практически при пурге не откладывется. Последующая обработка выполняется захватками с выделением площадей, на которых может быть выполнен весь цикл подготовки до завершающего уплотнения. Этот цикл включает: повторное фрезерование слоя снега и ледяного щебня, выравнивание поверхности зубовой бороной за 1-2 прохода, при этом разрушаются межкристаллические связи снега; первичное разравнивание и уплотнение гладилкой легкой; разравнивание и уплотнение тяжелой гладилкой; уплотнение легким катком, например, резинобетонным; уплотнение тяжелым дорожным катком, например, ду-39 весом 20-24 т и давлением в пневматиках колес 4-6 кг/см². Весь цикл выполняется в течение одной смены без длительных перерывов с тем, чтобы избежать образования межкристаллических связей - «смерзания». Укатывание выполняется до достижения плотности снеголедяной массы не менее 0,55 г/см³. Цикл повторяется на всей обрабатываемой площади аэродрома. При этом создается снеголедяное покрытие, содержащее ледяной щебень, образующий скелетное тело слоя, и снег в качестве связующего и заполняющего полости материала.

Изобретение относится к области строительства снежно-ледовых покрытий аэродромов и может быть использовано для строительства аэродромов в полярных районах планеты, где существуют зоны покровных ледников (Антарктида, Арктические острова), а также на многолетнем плавающем паковом льду Арктики. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка эффективного способа создания снежно-ледового покрытия аэродромов в зоне покровных ледников (Антарктида, Арктические острова) и на многолетнем плавающем паковом льду Арктики. Способ строительства снежно-ледового покрытия на ледниковых куполах или льду водоема включает: фрезерование ледовой поверхности зубовой фрезой с получением ледяного щебня фракцией от 0,5 см до 10-15 см в максимальном сечении; разравнивание полученного слоя ледового щебня по поверхности с исправлением неровностей ледового основания; аккумуляцию снега на полученном слое щебня; первичную прикатку слоя снега; повторное фрезерование полученной снеголедяной массы, последующее ее выравнивание и уплотнение с последовательным увеличением нагрузки уплотняющих средств до достижения плотности не менее 0,55 г/см. Предпочтительно, чтобы цикл, включающий: первичную прикатку слоя аккумулированного снега; повторное фрезерование полученной снеголедяной массы; последующее ее выравнивание и уплотнение с последовательным увеличением нагрузки уплотняющих средств до достижения плотности не менее 0,55 г/см, осуществлялся без длительных перерывов в течение 8-10 часов. Технический результат, достигаемый в результате решения поставленной задачи, заключается в продлении эксплуатационного периода снежно-ледового покрытия аэродромов в полярных районах в летний период. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ строительства снежно-ледового покрытия на ледниковых куполах или льду водоема, включающий: фрезерование ледовой поверхности зубовой фрезой с получением ледяного щебня фракцией от 0,5 см до 10-15 см в максимальном сечении; разравнивание полученного слоя ледового щебня по поверхности с исправлением неровностей ледового основания; аккумуляцию снега на полученном слое щебня; первичную прикатку слоя снега; повторное фрезерование полученной снеголедяной массы, последующее ее выравнивание и уплотнение с последовательным увеличением нагрузки уплотняющих средств до достижения плотности не менее 0,55 г/см.

2. Способ строительства снежно-ледового покрытия на ледниковых куполах или льду водоема по п. 1, отличающийся тем, что первичную прикатку слоя снега; перемешивание полученной снеголедяной массы; выравнивание и уплотнение с последовательным увеличением нагрузки уплотняющих средств до достижения плотности не менее 0,55 г/см осуществляют без длительных перерывов в течение 8-10 часов.