31А. С. ГУЗЕЕВ, К. Е. САЗОНОВ
Исследования ледоколов в ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
Первые исследования ледоколов были выполнены в Крыловском научном центре уже в 1900 г. Сразу же после назначения А. Н. Крылова заведующим российским опытовым бассейном к нему с письмом обратился вице-адмирал С. О. Макаров. В этом письме он писал: «...поздравляю Вас с новым назначением, а бассейн с предстоящим ему деловым периодом деятельности». В этом же письме С. О. Макаров просит А. Н. Крылова провести экспериментальное исследование с моделью ледокола «Ермак» «для выяснения, какое давление претерпевает форштевень при взбегании его на лёд». Эта информация была необходима С. О. Макарову для проверки правильности расчётов прочности носовой оконечности ледокола, кроме этого он планировал опубликовать полученные результаты в своей книге «"Ермак" во льдах», посвящён-ной анализу первых плаваний ледокола. А. Н. Крылов с большим интересом воспринял предложение С. О. Макарова и в очень короткий срок выполнил указанный эксперимент. Фактически это было первое в мире модельное исследование ледокольной способности судна, выполненное задолго до появления первых ледовых бассейнов. А. Н. Крылов, работавший с большим интересом с С. О. Макаровым, впоследствии говорил: «Из всех предлагавшихся Макаровым изобретений и нововведений на пользу русского флота идея постройки ледокола вызвала едва ли не самое сильное и упорное противодействие. В числе его противников были и адмиралы, и финансисты, кроме Витте...». Подробнее об этих исследованиях написано в ряде работ1.
В последующие годы специалисты института продолжали заниматься ледокольной тематикой. Все необходимые для создания новых ледоколов и судов ледового плавания гидромеханические испы-
1. Крылов А. Н. Воспоминания и очерки. М., 1956; Крылов А. Н. Мои воспоминания. Л., 1979; Стефанович А. Н. Адмирал С. О. Макаров - создатель первого в мире арктического ледокола «Ермак» // Деятельность вице-адмирала С. О. Макарова в судостроении. Л., 1977; Сазонов К. Е. Изучение А. Н. Крыловым ледовых качеств ледокола «Ермак» // Проблемы практического прогнозирования сопротивления воды движению судна. Сб. статей к 100-летию со дня рождения И. В. Гирса. СПб., 2002. С.86-98; Сазонов К. Е. Развитие ледоколостроения в России // Академик А. Н. Крылов. К 150-летию со дня рождения. СПб. 2013. С. 205-218.
тания, включая проектирование гребных винтов, осуществлялись в лабораториях Крыловского центра. Имеющиеся в центре материалы выполненных исследований позволяют проследить основные этапы отработки формы корпуса и движительно-рулевого комплекса проектируемых ледоколов.
Новый этап в развитии ледоколостроения начался в 1955 г., когда в Ленинграде в ААНИИ был создан первый в мире ледовый опы-товый бассейн2. Его созданию предшествовала напряжённая работа учёных и инженеров3. Эксперименты в ледовом бассейне впервые позволили проводить непосредственное измерение ледовых сил, действующих на модель ледокола или судна ледового плавания. Появилась возможность для экспериментальной отработки формы корпуса на стадии его проектирования. Кроме этого данные о ледовом сопротивлении позволили приступить к разработке теоретических методов его расчёта. Расчётные методы существенно расширяют возможности проектировщика, особенно на ранних стадиях проектирования.
Опыт эксплуатации ледового бассейна в ААНИИ оказался очень удачным, поэтому ледовые бассейны стали появляться в зарубежных странах, заинтересованных в исследованиях полярных областей планеты и в обеспечении мореплавания в замерзающих морях (Германия, Финляндия, Канада, США, Япония). Первая попытка создания ледового бассейна в ЦНИИ им акад. А. Н. Крылова (ныне Крыловский государственный научный центр) была предпринята в начале 60-х гг. прошлого века. Сохранились документы, по которым можно восстановить процесс принятия решения о судьбе бассейна. По мнению всех ведущих специалистов того времени в области ледоколостроения, необходимость в создании такого бассейна была очевидной. Однако руководство Министерства судостроительной промышленности придерживалось другой точки зрения. В результате был издан Приказ Министра судостроительной промышленности, в соответствии с которым за ЦНИИ им акад. А. Н. Крылова закреплялись работы по обеспечению прочности и гидромеханических качеств проектируемых атомных ледоколов. Модельные испытания по определению их ледовой ходкости должны были проводиться в ледовом бассейне ААНИИ. По времени это решение практически совпало с правительственным решением
2. Сазонов К. Е. К истории развития методов и средств исследования ледовой ходкости судов с помощью моделей // История изучения и освоения Арктики - от прошлого к будущему. Сб. материалов научной конференции. Архангельск, 2012. С. 298-300.
3. Сазонов К. Е. Развитие морской ледотехники в России: история и современность // Арктика: экология и экономика. 2013. № 2 (10). С. 92-103.
о проектировании и строительстве дизель-электрических ледоколов для СССР в Финляндии. Необходимо отметить, что гидромеханические испытания ледоколов, строящихся в Финляндии, проводились в ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова.
Следующая попытка создания ледового бассейна была предпринята в середине 1970-х гг. К этому времени стало понятно, что геометрические размеры первого в мире ледового бассейна не позволяют проводить испытания в необходимом для получения надёжных результатов масштабе. Имеющаяся в СССР экспериментальная база тормозила развитие атомного ледоколостроения, в планах которого было создание атомного ледокола-лидера мощностью 150 тыс. л. с. В результате всестороннего рассмотрения проблемы было принято решение о строительстве современного ледового бассейна в ЦНИИ им акад. А. Н. Крылова. Новый бассейн был создан в 1985 г. На момент создания он по своим характеристикам не уступал действующим в мире ледовым бассейнам. Длина моделированного ледового поля в нем составляла 35 м, а ширина 6 м. Бассейн был рассчитан на проведение буксировочных и самоходных испытаний моделей судов длиной 4-6 м. Бассейн был оснащён многофункциональной буксировочной тележкой, скорость которой варьировалась от 0,1 до 2 м/с. С помощью тележки осуществлялась не только буксировка моделей, но и измерение физико-механических свойств моделированного льда, а также технологические операции по засеву и уборке ледяного поля.
Сразу же после ввода в эксплуатацию в ледовом бассейне началась активная исследовательская работа. Выполнялись исследования по оптимизации формы корпуса перспективных ледоколов и судов ледового плавания, изучались процессы фрезерования льда гребными винтами, постоянно совершенствовалась методология проведения модельного эксперимента. Важным событием, позволившим существенно расширить экспериментальные возможности нового бассейна, стало приобретение в финском ледовом бассейне технологии приготовления гранулированного модельного льда. Внедрение этой технологии позволило существенно сократить время, необходимое для приготовления моделированных ледяных полей. К сожалению, большая часть выполненных в ледовом бассейне в первый период его существования исследований не получила практического использования из-за изменения политической и экономической ситуации в стране. Тем не менее выполненные в этот период работы создали хороший научно-технический задел для последующей деятельности бассейна. Примеры модельных испытаний в ледовом бассейне представлены на рисунках 1, 2,3.
Рис. 1. Испытания модели корпуса в сплошном льду
Рис. 2. Движение модели по набитому каналу
Рис. 3. Разворот «звёздочкой» в ровных льдах
Рис. 4. Испытания модели 4-корпусного ледокола
В конце 1990-х гг. одним из основных направлений в развитии морской ледотехники помимо изучения ледовых качеств судов стало проведение исследований в обеспечение морской добычи нефти и газа на замерзающих акваториях4. Для выполнения таких работ потребовалось провести модернизацию ледового бассейна. В первую очередь это касалось модернизации привода буксировочной тележки для обеспечения высоких тяговых показателей на малых скоростях движения до 0,1 м/с. Для решения этой задачи был разработан специальный винтовой привод, защищенный патентом РФ. Проведённая модернизация позволила ледовому бассейну активно включиться в исследования процессов взаимодействия морских инженерных сооружений со льдом в самом начале развёртывания этих работ в мире.
Начиная с конца 1990-х гг. по настоящее время ледовый бассейн является активно работающей лабораторией, в которой постоянно проводятся исследования образцов новой техники, предназначенной для эксплуатации в полярных регионах. В нем были испытаны ледоколы типа «Василий Прончищев», «Москва», НЭС «Академик Трёшников», новый атомный ледокол мощностью 60 МВт, ледокол мощностью 25 МВт, ледокольный буксир типа «Рюрик», ледовый танкер типа «Астрахань», спасательное судно 1ВЕЕУ для Казахстана и др. В бассейне экспериментально исследовались ледовые нагрузки на платформу «Приразломная», платформу «Витязь» для о. Сахалин, отгрузочный терминал для Варандея, на платформы для месторождений им. Корчагина, Филановского и Сарматовское в Каспийском море и многие другие объекты для освоения шельфа в ледовых условиях. Особо необходимо отметить цикл экспериментальных работ в обеспечение обустройства Штокмановского газоконденсатного месторождения в Баренцевом море, многие из которых были выполнены впервые в мире.
Одной из значимых работ является комплекс исследований платформы «Приразломная» для Баренцева моря, в процессе которых решались задачи по обеспечению круглогодичных погрузочно-разгрузочных операций, швартовка и маневрирование судов в различных ледовых условиях5.
Помимо проведения экспериментальных исследований в ледовом бассейне развивались теоретические методы исследования. В нём разработаны эффективные методы расчета ледового сопротивления ледокола, параметров его управляемости и маневренности при плавании
4. Сазонов К. Е. Развитие морской ледотехники... С. 92-103.
5. Карулин Е. Б., Карулина M. М., Торопов Е. Е. Комплексные исследования в обеспечение проектирования и эксплуатации МЛПС «Приразломная» // Труды 12-й МНТК «RAO/CIS OFFSHORE 2013». СПб., 2013.
во льдах, определения ледовых нагрузок на гребные винты в процессе фрезерования льда, глобальной ледовой нагрузки на морские инженерные сооружения. Сотрудники ледового бассейна принимают активное участие в проведении натурных испытаний ледоколов и в исследовательских арктических экспедициях, среди которых можно упомянуть поход атомохода «Арктика» на Северный полюс в 1977 г., высокоширотный рейс а/л «Сибирь» и судна «Капитан Мышевский» в 1978 г., проект АИСОЕУ в 1998 г. и др. Можно с уверенностью сказать, что в ледовом бассейне Крыловского центра сложилась научная школа в области морской ледотехники. По результатам работ бассейна было защищено две докторские и пять кандидатских диссертаций.
Недавно в Крыловском центре разработана концепция принципиально нового четырёхкорпусного ледокола, позволяющего создавать в ледяном покрове широкий канал (более 50 м шириной) для безопасной проводки современных крупнотоннажных судов ледового плавания6. Эксперименты, проведенные в ледовом бассейне, а также опытные исследования и расчёты прочности показали высокую эффективность предложенных технических решений. В настоящее время осуществляется проработка эскизного проекта этого ледокола. Фрагмент ледовых испытаний модели такого ледокола представлен на рисунке 4.
В настоящее время в Крыловском центре осуществляется строительство нового ледового бассейна с повышенными экспериментальными возможностями. Геометрические характеристики этого бассейна существенно превосходят имеющийся (длина ледового поля 80 м, ширина 10 м), это позволит в одном ледяном поле проводить существенно больший объём испытаний.
Работы сотрудников Крыловского центра в области ледоколостро-ения не ограничиваются только исследованиями ледового бассейна. Другие подразделения центра также активно принимают участие в этой деятельности. Здесь в первую очередь необходимо отметить работы, связанные с разработкой и внедрением нормативных требований к ледовой прочности ледоколов и судов ледового плавания, которые уже несколько десятилетий ведутся в Крыловском центре. По-прежнему большое место в работах центра занимают исследования гидродинамических качеств, а также управляемости и маневренности ледоколов и перспективных ледокольно-транспортных судов, их взаимодействие с морскими объектами.
6. Пашин В. М., Апполонов Е. М., Сазонов К. Е. Новый ледокол для проводки крупнотоннажных судов. В чём преимущества? // Морской флот. 2012. № 1. С. 50-53.
Помимо задач по совершенствованию подводной части корпуса, взаимодействующей со льдом, решаются задачи по отработке надводной части корпуса и судовых надстроек. Первоначально эти задачи ограничивались борьбой с обледенением палубных конструкций и дымом. Особенно сильно подвержены обледенению малые суда, но «даже огромные океанские пароходы в такой мере обмерзают льдом сверху, что приходят в опасное положение». С. О. Макаров также отмечал: «Удачная, хорошо обтекаемая форма судовой поверхности и особенно носовых образований корабля и судна имеет большое значение...»7.
В период 1970-1980 гг. исследования по задымляемости проводились в большой аэродинамической трубе с использованием дыма и сухого льда. Аэродинамическая труба имеет эллиптическое поперечное сечение размерами 4 х 2,3 м, диапазон рабочих скоростей потока 10+80 м/с. «Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что суда с плавными обводами кожуха и надстроек при прочих равных условиях задым-ляются значительно меньше, чем суда с гранеными очертаниями»8.
В последующие годы круг исследований, связанных с аэродинамикой надводной части судов ледового плавания, значительно расширился, что в первую очередь связано с применение палубной авиации. Введение в эксплуатацию в 1980 г. вертикальной гидродинамической трубы с прозрачным рабочим участком позволило более качественно исследовать структуру воздушных потоков на моделях судов, поскольку эта установка специально предназначена для исследования течений с использованием методов визуализации.
Серия исследований, проведенных на моделях ледоколов, позволила выявить границы зон отрывных течений, в которых возникают интенсивные вихри и возвратные течения. Попадая в эти зоны, дым распространяется по судовым помещениям, жилым и производственным. Большие неприятности экипажу доставляет попадание дыма на ходовой мостик9. На рисунках 5 и б показана
7. Дубравин А. И. С. О. Макаров о плавании кораблей в ледовых условиях // Деятельность вице-адмирала С. О. Макарова в судостроении. Л., 1977.
8. Трещевский В. Н., Волков Л. Д., Короткин А. И. Аэродинамический эксперимент в судостроении. Л., 1976.
9. Гузеев А. С., Лебедев А. О., Митяков А.В., Митяков В. Ю. Можайский С. А., Сапожников С. 3. О задымляемости транспортных судов // Труды 10-й МНТК «Оптические методы исследования потоков». М., 2009. С. 234-237; Гузеев А. С., Короткин А. И., Соловьёв С.Ю. Об одном из методов определения числа Струхаля при обтекании контуров с фиксированными точками отрыва потока // Морской вестник. 2012. № 2 (42). С. 97-99; Guzeev A. S., Korotkin A.I., Busorgina Е. A. A COVER OF A SMOKE NEAR BODY OF A TRANSPORT VESSELS. XVI International conference on the methods of aerophysical research. Kazan, 2012. (ICMAR 2012). Abstracts. Part II. P. 124-125.
Рис. 5. Задымление ходового мостика на прямом курсе
Рис. 6. Структура обтекания надводной части корпуса и задымляемость надстроек модели
Рис. 7. Образование подпорного вихря в районе вертолётной площадки, промежуточный вариант модели проекта 21900М
задымляемость ходового мостика и структура обтекания надводной части корпуса модели ледокола.
Использование палубной авиации предъявляет повышенные требования к конструкциям палуб и надстроек ледоколов, что связано с безопасностью совершения взлётно-посадочных операций. Судовые надстройки создают зоны возвратных и вихревых течений воздуха и в зависимости от направления ветра взлётно-посадочные операции могут осуществляться как в благоприятных, так и в опасных ветровых условиях. Неблагоприятным явлением является также попадание дыма в кабину пилота и в воздухозаборные отверстия двигателя вертолёта.
В период 2006-2013 гг. в аэродинамической лаборатории проведены исследования серии ледоколов проектов 21900 и 21900М и др., по результатам которых улучшены условия задымляемости и безопасности использования вертолётов. На рисунке 7 показана структура вих-реобразования над ходовым мостиком и в районе вертолётной площадки, расположенной в носовой части модели.
В данной статье авторы коснулись в основном вопросов, связанных с гидро- и аэродинамикой ледоколов и объектов морской техники, эксплуатируемых в ледовых условиях. Однако существует ещё широкий круг вопросов, определяющих параметры отечественных ледоколов, которые решаются в ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Новым важным направлением работ стало изучение функционирования морских транспортных систем в ледовых условиях, обеспечение безопасности мореплавания во льдах, разработка технических средств и мероприятий для спасения экипажей судов и морских инженерных сооружений в ледовых условиях.
