CC BY
11
УДК 539.3
В. М. Козин, В. Л. Земляк
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВСПЛЫТИЯ ПОДВОДНЫХ СУДОВ В ЛЕДЯНОМ ПОКРОВЕ
Предложены устройства и методы для разрушения ледяного покрова, состоящие из подводного судна, снабжённого якорем, диаметр раскрытия лап которого должен быть больше длины рубки, обеспечивающим при помощи троса прикрепление судна ко льду, и балластными цистернами, заполнение которых забортной водой обеспечивает возникновение отрицательной силы плавучести, достаточной для разрушения ледяного покрова заданной толщины.
Ключевые слова: подводное судно, лёд, балластные цистерны.
Известно, что при традиционном методе всплытия подводного судна (ПС) ледяной покров разрушается его носовой оконечностью посредством создания дифферента на корму с последующим осушением балластных цистерн, т. е. с помощью возникающей положительной силы плавучести. Главным недостатком традиционного метода всплытия является ограничение толщины разрушаемого льда, которая зависит от объёма балластных цистерн ПС. Для повышения эффективности и безопасности всплытия ПС могут быть использованы различные решения.
При возникновении необходимости всплытия в сплошном льду судно 1 без хода приледняют с дифферентом на корму у и начинают продувать балластные цистерны 2. Если их объём окажется недостаточным для разрушения ледяного покрова верхней палубой, то судно с помощью предварительно установленных в кормовой оконечности якоря 5, троса 6 и лебёдки прикрепляют ко льду. После выхода якоря из-подо льда его лапы автоматически раскрываются, а слабина троса устраняется натяжным устройством 7. Периодическое натяжение и ослабление троса обеспечит килевую качку с размахом и частотой yi, равной частоте резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ), и возбуждение в ледяном покрове 3 ИГВ максимальной амплитуды 8. При прохож-
Козин Виктор Михайлович — доктор технических наук, профессор (Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, Комсомольск-на-Амуре); e-mail: [email protected].
Земляк Виталий Леонидович — кандидат физико-математических наук, доцент, проректор по научной работе и инновациям (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: [email protected].
Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-10097). © Козин В. М., Земляк В. Л., 2019
38
дении вершиной ИГВ 9 места контакта субмарины со льдом их сила взаимодействия уменьшится, а носовая оконечность начнёт приподниматься вслед за льдом, ПС получит вертикальные ускорение и скорость. Следующая за вершиной подошва ИГВ встретит на своём пути препятствие в виде перемещающейся по инерции вверх носовой оконечности судна. В результате к указанным выше нагрузкам добавится ударное взаимодействие подошвы ИГВ с носовой оконечностью судна. При этом размах качки должен обеспечивать безопасность осуществления способа, т. е. исключать возможность касания рубкой ледяного покрова и опасного уменьшения остойчивости судна (рис. 1) [2].
Рис. 1. Схема способа разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2650292)
Выстреливаемый якорь может находиться в средней части ПС. Тогда при возникновении необходимости всплытия субмарина подвсплывает на безопасное заглубление Н. После выхода якоря из-подо льда 3 его лапы 4 раскрываются до диаметра й, который больше длины рубки I. Далее балластные цистерны 5 заполняют водой до тех пор, пока не произойдёт разрушение ледяного покрова под якорем за счёт натяжения якорного троса 6, которое возникает от создания отрицательной силы плавучести О. Точка крепления троса О совпадает с центром величины объёмного водоизмещения ПС С. Если создаваемое усилие недостаточно для разрушения ледяного покрова, то балластные цистерны начинают периодически наполнять и осушать с частотой, равной частоте резонансных ИГВ. В результате между нижней поверхностью ледяного покрова и верхней частью судна при перемещении субмарины вверх будет возникать область повышенного давления 7, а при перемещении вниз — область пониженного давления 8. Это приведёт к формированию верши-
39
ны 9 и подошвы 10 возбуждаемых ИГВ. В момент остановки погружения ПС в якорном тросе возникнет дополнительное к отрицательной силе плавучести О усилие Р. В результате суммарная нагрузка на ледяной покров возрастёт (рис. 2) [3].
Рис. 2. Схема способа разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2651329)
Для повышения эффективности разрушения льда на якорном тросе может быть установлен насос 7, при включении которого подо льдом возникнет область пониженного давления 8. Прогибы ледяного покрова возрастут, что увеличит изгибные напряжения и толщину разрушаемого льда при неизменной отрицательной силе плавучести О. Поскольку диаметр раскрытия якоря й больше длины рубки I, то при последующем всплытии судна из-подо льда после осушения балластных цистерн в образовавшейся майне рубка будет взаимодействовать только с битым льдом, который не окажет значительного сопротивления при всплытии (рис. 3) [5].
Известно [1], что с уменьшением плотности воды (или объёмного веса воды) прогиб ледяного покрова под нагрузкой возрастает. В этом случае к якорному тросу может быть предварительно прикреплён шланг 7, обеспечивающий подачу жидкости (эфира) 9, плотность которой меньше плотности забортной воды, в месте установки якоря. В результате прогиб ледяного покрова возрастёт, что увеличит изгибные напряжения во льду и толщину разрушаемого льда (рис. 4) [6].
40
Рис. 3. Схема устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2650290)
Рис. 4. Схема устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2650291)
41
Для создания области с пониженной плотностью также может быть использован химический реагент 8 (например, карбид кальция), размещенный на якорном тросе в контейнере 7. При его взаимодействии с водой начнётся химическая реакция с выделением ацетилена и большого количества теплоты. В результате подо льдом в месте установки якоря возникнет область воды с меньшей плотностью (рис. 5) [9].
5 5
Рис. 5. Схема устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2651324)
Если под место расположения якоря подать сжатый воздух по предварительно установленному на якорном тросе шлангу 8, подключенному к баллонам со сжатым воздухом 7, то возникнет воздушно-водяная область 9 (двухфазная среда), плотность которой будет меньше плотности воды, что приведёт к возрастанию прогибов льда (рис. 6) [8].
Для повышения эффективности разрушения льда на лапах якоря предварительно закрепляют прочную воздухонепроницаемую ткань 9, по краям которой устанавливают уплотняющий элемент, выполненный из легкодеформируемого материала. Под ткань, закреплённую на лапах якоря и имеющую на краях уплотнительный элемент, подают сжатый воздух. В результате в месте установки якоря на поверхности ледяного покрова возникнет купол, под который продолжают подавать воздух под давлением, величина которого, измеренная высотой водяного столба, должна быть больше суммы толщин ледяного и снежного покровов в месте образования купола > Ь, + К (К — толщина ледяного покрова; К — толщина снежного покрова).
42
7 5 5
Рис. 6. Схема устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2651322)
В результате подо льдом возникнет воздушная полость, а реакция упругого основания (архимедовы силы поддержания) воды станет равной нулю. Это приведёт к разрушению льда с минимальными энергозатратами (рис. 7) [4].
9
7 \ 3 5 12 4
11 10 8 2
Рис. 7. Схема способа разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2662909)
43
На якорном тросе под ледяным покровом может быть предварительно установлен нагревательный элемент 7, включение которого приведёт к образованию области воды с повышенной температурой, имеющей меньшую плотность 8 (рис. 8) [7].
5 5
Рис. 8. Схема способа разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2651321)
5 5
Рис. 9. Схема способа разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2651322)
44
Если на якорный трос предварительно установить на расстоянии друг от друга, равном половине длины волны статического прогиба льда 7, катод 9 и анод 10 и подать напряжение от источника постоянного электрического тока 8, возникнет электролиз и начнётся разложение воды на кислород и водород. Возникнет область с пониженной плотностью 11, что приведёт к возрастанию прогибов льда (рис. 9) [10].
Список литературы
1. Панфилов Д. Ф. Приближённый метод расчёта грузоподъёмности ледяного покрова / / Известия Всесоюзного научно-исследовательского института ле-дотехники. 1960. Т. 65. С. 221-224.
2. Способ разрушения ледяного покрова: патент 2650292 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.]. № 2016141719; заявл. 24.10.2016; опубл. 11.04.2018. Бюл. № 11. 4 с.
3. Способ разрушения ледяного покрова: патент 2651329 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.]. № 2016141727; заявл. 24.10.2016; опубл. 19.04.2018. Бюл. № 11. 4 с.
4. Способ разрушения ледяного покрова: патент 2662909 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.]. № 2016141724; заявл. 24.10.2016; опубл. 31.07.2018. Бюл. № 22. 4 с.
5. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2650290 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, Е. Г. Рогожникова [и др.]. № 2017100067; заявл. 09.01.2017; опубл. 11.04.2018. Бюл. № 11. 4 с.
6. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2650291 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.]. № 2017100072; заявл. 09.01.2017; опубл. 11.04.2018. Бюл. № 11. 4 с.
7. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2651321 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, Е. Г. Рогожникова [и др.]. № 2017100065; заявл. 09.01.2017; опубл. 19.04.2018. Бюл. № 11. 4 с.
8. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2651322 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, Е. Г. Рогожникова [и др.]. № 2017100066; заявл. 09.01.2017; опубл. 19.04.2018. Бюл. № 11. 4 с.
9. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2651324 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.]. № 2017100071; заявл. 09.01.2017; опубл. 19.04.2018. Бюл. № 11. 4 с.
10. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2669332 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.].
№ 2017100070; заявл. 09.01.2017; опубл. 10.10.2018. Бюл. № 28. 4 с.
* * *
45
Kozin Victor M., Zemlyak Vitaly L.
INCREASING THE EFFICIENCY ASCENT
OF THE SUBMARINE VESSELS IN THE ICE COVER
(Institute of Machining and Metallurgy, FEB RAS, Komsomolsk-on-Amur ; Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan)
Device and method for the destruction of the ice cover consisting of a submarine vessel equipped with an anchor is proposed, the diameter of the paws opening must be greater than the length of the cockpit, with the help of a cable providing attachment of the vessel to the ice, and ballast tanks, which filling with the outboard water provides occurrence of the negative buoyancy, sufficient to destroy the ice cover of a given thickness.
Keywords: submarine vessels, ice, ballast cisterns.
References
1. Panfilov D. F. An approximate method for calculating the ice cover carrying capacity [Priblizhennyy metod rascheta gruzopod"emnosti ledyanogo pokrova], Izvestiya Vsesoyuznogo nauchno-issledovatel'skogo instituta ledotekhniki, 1960, vol. 65, pp. 221 —224.
2. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [et al.]. Sposob razrusheniya ledyanogo pokrova (Method of breaking the ice cover), Patent No. 2650292 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 04/11/2018, Bull. No. 11, 4 p.
3. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [et al.]. Sposob razrusheniya ledyanogo pokrova (Method of breaking the ice cover), Patent No. 2651329 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 04/19/2018, Bull. No. 11, 4 p.
4. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [et al.]. Sposob razrusheniya ledyanogo pokrova (Method of breaking the ice cover), Patent No. 2662909 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 07/31/2018, Bull. No. 22, 4 p.
5. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Rogozhnikova E. G. [et al.]. Ustrojstvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Ice-breaking assembly), Patent No. 2650290 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 04/11/2018, Bull. No. 11, 4 p.
6. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [et al.]. Ustrojstvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Ice-breaking assembly), Patent No. 2650291 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 04/11/2018, Bull. No. 11, 4 p.
7. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Rogozhnikova E. G. [et al.]. Ustrojstvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Ice-breaking assembly), Patent No. 2651321 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 04/19/2018, Bull. No. 11, 4 p.
8. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Rogozhnikova E. G. [et al.]. Ustrojstvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Ice-breaking assembly), Patent No. 2651322 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 04/19/2018, Bull. No. 11, 4 p.
9. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [et al.]. Ustrojstvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Ice-breaking assembly), Patent No. 2651324 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 04/19/2018, Bull. No. 11, 4 p.
10. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [et al.]. Ustrojstvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Ice-breaking assembly), Patent No. 2669332 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 10/10/2018, Bull. No. 28, 4 p.
•Jc -Jc -Jc
46
