Способ разрушения ледяного покрова

 

Изобретение относится к судостроению, в частности к судам на воздушной подушке, разрушающим ледяной покров. Способ разрушения ледяного покрова амфибийным судном на воздушной подушке осуществляют путем возбуждения резонансных изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове при движении судна по льду с резонансной скоростью. Производят неоднократные повторные проходы судна по полю разрушаемого льда. Количество проходов ограничивают числом, превышение которого не приводит к увеличению силы электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, установленными в упорных подшипниках воздушного винта судна. Повторные проходы осуществляют с критической скоростью. Достигается повышение эффективности разрушения льда. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к судостроению, в частности к амфибийным судам на воздушной подушке (СВП), разрушающим ледяной покров резонансным методом, т.е. путем возбуждения резонансных изгибно-гравитационных волн (1. Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада. - Владивосток, ИАПУ, 1993, с.44).

Уровень техники известен из способа разрушения ледяного покрова резонансными изгибно-гравитационными волнами (ИГВ), возбуждаемыми СВП (2. Зуев В.А., Козин В.М. Использование судов на воздушной подушке для разрушения ледяного покрова. - Владивосток, ДВГУ, 1988, 128 с.).

Известный способ осуществляется следующим образом. СВП выводят на ледяной покров и перемещают по нему с резонансной скоростью ν_p, т.е. со скоростью, при которой амплитуда возбуждаемых ИГВ и дифферент судна на корму максимальны.

Недостатком способа является невозможность определения максимальной степени разрушения ледяного покрова в процессе движения судна.

Сущность изобретения заключается в увеличении степени разрушения ледяного покрова до максимально возможной при резонансном методе разрушения льда и определении момента ее наступления.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в определении минимального количества проходов судна, достаточного для достижения максимальной степени разрушения ледяного покрова при неоднократных его проходах по полю разрушаемого льда, и создании поля мелкобитого льда с минимальными энергозатратами, при этом количество проходов ограничивают их числом, превышение которого не приводит к увеличению силы электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, установленными в упорных подшипниках воздушного винта.

Существенные признаки, характеризующие изобретение:

ограничительные: способ разрушения ледяного покрова СВП путем возбуждения резонансных ИГВ в ледяном покрове при движении судна по льду с резонансной скоростью;

отличительные: в процессе движения производят неоднократные повторные проходы судна по полю разрушаемого льда, при этом количество проходов ограничивают числом, превышение которого не приводит к увеличению силы электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, установленными в упорных подшипниках воздушного винта, а повторные проходы судно осуществляет с критической скоростью.

Известно (3. Каштелян В.И., Позняк И.И., Рывлин А.Я. Сопротивление льда движению судна. - Л.: Судостроение, 1968 г., 240 с.), что повторные проходы судна по полю битого льда увеличивают степень его разрушения (уменьшают размеры обломков льда). При этом максимальные поперечные размеры льдин не превышают 3-5 толщины льда, т.е. битый лед превращается в мелкобитый. Очевидно, что аналогичные процессы, т.е. измельчение обломков льда, будут сопровождать и повторные проходы СВП над ледяным покровом, разрушенным резонансными ИГВ от первого прохода. Понятно, что процесс измельчения крупнобитого льда ИГВ будет продолжаться до тех пор, пока в отдельных обломках льда не будут возникать изгибные напряжения, превышающие предел прочности льда на изгиб. Поскольку длина и амплитуда волн, возбуждаемых СВП в битом льду, имеют конечные размеры, то и минимальные размеры обломков битого льда тоже будут ограниченными (см. [2, 3]). К этому заключению можно прийти и после анализа физических процессов, происходящих при деформировании поля битого льда волновой нагрузкой. Действительно, вначале после первого прохода судна с резонансной скоростью в ледяном покрове возникает канал, заполненный крупнобитым льдом [2]. Последующие неоднократные повторные проходы по проложенному каналу с критической скоростью, т.е. со скоростью, при которой амплитуда волн, возбуждаемых судном теперь уже в битом льду, и дифферент судна на корму также будут максимальными (см. [1]), будут приводить к измельчению обломков. Однако, после определенного количества проходов этот процесс прекратится, т.к. СВП непосредственно не контактирует со льдом, а воздействует на него возбуждаемыми волнами. Крупнобитый лед превратится в мелкобитый, при этом поперечные размеры обломков льда перестанут уменьшаться независимо от количества последующих проходов судна.

Также известно (4. Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967, 272 с.), что при разрушении льда ИГВ трансформируются в гравитационные, т.е. битый лед перестает влиять на скорость и частоту волн. При этом с уменьшением размеров обломков льда длина волн уменьшается, а амплитуда возрастает. Очевидно, что, чем больше степень разрушения льда, тем больше будет амплитуда ИГВ и дифферент судна.

Очевидно, что при движении судна над твердой горизонтальной поверхностью, воздушный винт обтекается однородным по скорости потоком воздуха. При движении судна по полю разрушаемого льда с увеличением степени его разрушения будет расти дифферент судна на корму, и поток скоростей, набегающих на винт, становится неоднородным по вертикали (5. Войткунский Я.И., Першиц Р.Я., Титов И.А. Справочник по теории корабля. - Л.: Судпромгиз, 1960, 688 с.). Вследствие этого лопасти воздушного винта за один оборот будут обтекаться переменным по скорости потоком, что приводит к вибрации винта, которая будет отличаться от значения вибрации при движении судна с такой же скоростью, но над твердой горизонтальной поверхностью. Понятно, что вибрация воздушного винта будет максимальной при максимальном дифференте судна на корму. В результате вибрации винта в пьезоэлементах, установленных в упорных подшипниках, возбуждается ток, сила тока которого растет с увеличением дифферента на корму и достигает максимального значения при максимальной степени разрушения льда.

Из вышесказанного следует, что по максимальному увеличению силы тока можно определить момент наступления максимальной степени разрушения ледяного покрова, когда размеры обломков льда станут минимальными.

Способ осуществляется следующим образом.

Первоначально СВП начинают перемещать по твердой горизонтальной поверхности на различных скоростях и близких по значениям к резонансным и критическим, при этом сила воздействия воздушного потока на лопасти винта будет изменяться в зависимости от величины скорости движения судна, но будет однородной по вертикали. Вибрация винта, передаваемая на пьезоэлементы, предварительно установленные в его упорных подшипниках, приведет к возбуждению электрического тока. Полученная зависимость силы тока от скорости движения судна при движении над твердой поверхностью I₀(u) будет контрольной зависимостью, с которой в дальнейшем сопоставляют результаты. Затем судно выводят на лед и начинают движение по ледяному покрову с резонансной скоростью u_p. После первого прохода СВП в ледяном покрове возникнет область разрушения в виде полосы крупнобитого льда. Затем, например, для создания судоходного канала или для более быстрой очистки акватории от льда [2], т.е. для измельчения обломков льда, судно неоднократно совершает по полю разрушаемого льда последующие повторные проходы с критической скоростью u_k. После каждого последующего прохода степень разрушения льда в канале будет возрастать, а размеры обломков льда, соответственно, уменьшаться. Одновременно с этим будет увеличиваться дифферент судна, который приведет к неоднородности поля скоростей набегающего воздушного потока, вибрации воздушного винта и увеличению силы тока I(u_k), вырабатываемого пьезоэлементами и измеряемой предварительно установленным на судне амперметром. При этом возникнет разность I(u_k)-I₀(u_k). После того, как после очередного прохода разность I(u_k)-I₀(u_k) не увеличится, последующие проходы прекращают. Судно при этом совершит минимальное количество проходов, достаточное для достижения максимальной степени разрушения ледяного покрова, т.е. крупнобитый лед превратится в мелкобитый при минимальных энергозатратах. Изобретение поясняется чертежами.

Над твердой поверхностью 1 перемещают СВП 2 со скоростью u (фиг.1). Лопасти воздушного винта 3 обтекаются потоком скоростей u 4. Амперметр 5 измеряет силу тока I₀(u), возбуждаемую пьезоэлементами 6. Затем судно 2 выводят на лед 7 и перемещают с резонансной скоростью u_р (фиг.2). После первого прохода лед 7 превратится в крупнобитый 8. Затем для измельчения обломков льда 8 судно 2 совершает по льду 8 повторные проходы с критической скоростью u_k. Размеры обломков льда 8 начнут уменьшаться до размеров 9, а дифферент судна ψ и разность токов I(u_k)-I₀(u_k) возрастать, т.к. на лопасти винта 3 будет набегать неоднородное поле скоростей 10. При достижении максимальной степени разрушения битый лед 8 превратится в мелкобитый 9, дифферент судна и разность токов увеличатся до максимальных значений. После этого дальнейшие проходы судна прекращают. Судно при этом совершит минимальное количество проходов, достаточное для достижения максимальной степени разрушения льда 2.

Формула изобретения

1. Способ разрушения ледяного покрова амфибийным судном на воздушной подушке путем возбуждения резонансных изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове при движении судна по льду с резонансной скоростью, отличающийся тем, что производят неоднократные повторные проходы судна по полю разрушаемого льда, при этом количество проходов ограничивают числом, превышение которого не приводит к увеличению силы электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, установленными в упорных подшипниках воздушного винта судна.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что повторные проходы судна осуществляют с критической скоростью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2