ГЛАВА II

ЛЕДОВЫЕ КАЧЕСТВА

§ 6

Ледовая ходкость

Ледовой ходкостью называют способность судна продвигаться во льдах (преодолевать ледовое сопротивление) с определенной скоростью, величина которой обусловливается при заданных характеристиках ледяного покрова размерениями и формой обводов корпуса судна, его пропульсивными качествами, мощностью энергетической установки.

Ледовая ходкость судна определяется, с одной стороны, сопротивлением среды (воды и льда), а с другой — режимом работы судовых движителей. Поэтому для оценки ледовой ходкости необходимо уметь определять сопротивление воды и льда движению ледокола с заданной скоростью, а также располагать данными о тяге, развиваемой его гребными винтами, и о пропульсивных качествах, которые, в свою очередь, зависят от скорости.

Сопротивление льда движению ледокола в процессе проектирования может быть определено расчетом (либо с помощью аналитических формул или графиков, либо пересчетом на натуру результатов испытаний модели в опытовом ледовом бассейне). Ходкость построенного ледокола можно оценить по материалам натурных испытаний во льдах.

Как известно, движение ледокола во льдах может происходить непрерывным ходом или набегами. Движение ледокола непрерывным ходом с установившейся скоростью возможно, если величина суммарной тяги гребных винтов Т достаточна для преодоления ледового сопротивления R_л, т. е. если выполняется условие Т = R_л.

Если сила ледового сопротивления превышает величину максимальной тяги гребных винтов, прибегают к работе набегами.

В этом случае средняя скорость движения зависит не только от ледовой ходкости ледокола (как это имеет место при непрерывном ходе во льдах), но и от его ледовой прочности, маневренных качеств, способности не заклиниваться во льдах или быстро освобождаться от заклинивания, а также от опытности судоводительского состава.

Многообразие ледовых условий, в которых приходится работать ледоколу, делает невозможным создание единой аналитической зависимости для расчета его ледового сопротивления даже для случая движения непрерывным ходом. Поэтому разработаны частные методики для наиболее характерных ледовых условий. Такими ледовыми условиями являются: сплошной лед (см. рис. 27), крупнобитый лед и обломки полей (см. рис. 28), а также мелкобитый лед (см. рис. 29). Табл. 3 кратко поясняет эти категории ледовых условий.

Главной особенностью взаимодействия корпуса со льдом при движении ледокола в сплошных льдах является разрушение ледяного покрова носовой оконечностью. Поэтому среди составляющих сил сопротивления при движении ледокола основное значение имеют силы, затрачиваемые на разрушение (ломку) ледяного покрова, а также на раздвигание и притапливание льдин, их уплотнение, трение о корпус и т. п. Сумма составляющих ледового сопротивления, равная полному сопротивлению ледокола, может быть выражена формулой, выведенной В. И. Каштеляном [16]:

Формула (1) может служить для определения величины тяги винтов ледокола, необходимой для преодоления ровного сплошного льда заданной толщины и прочности с заданной скоростью непрерывного хода не (менее 1 уз, но не свыше 4—5 уз), либо для определения толщины ровного сплошного льда, которую способен преодолеть ледокол при заданной тяге винтов и заданной скорости непрерывного хода.

Нижний предел указанного диапазона скоростей (обозначим его V_мин), равный примерно 1 уз, следует понимать как некоторое среднестатистическое значение минимальной скорости непрерывного устойчивого движения ледокола, которое обусловлено неравномерностью свойств ледяного покрова, имеющей случайный характер. При скорости свыше 4—5 уз точность расчетов по формуле (1) снижается по причинам, которые подробно рассмотрены в работе [16]. Сопротивление воды движению ледокола R_Bможет быть определено с помощью методов, изложенных в § 11. При этом исходят из гипотезы о том, что составляющая сопротивления воды при движении ледокола во льдах R_Bравна сопротивлению его движению по свободной от льда невзволнованной поверхности моря. Такой подход не приводит к большим погрешностям, так как скорость движения ледокола во льдах сравнительно невелика. Модельные испытания, проведенные в бассейне, подтверждают это положение. Удельный вес морского льда w_л изменяется в сравнительно узких пределах (от 0,84 до 0,93 тс/м³). В качестве расчетного можно принимать значение w_л = 0,9 тс/м³. Среднее расчетное значение предела прочности льда на изгиб: для пресноводного льда б_р = 125 тс/м², для морского (соленого) льда б_р = 80 тс/м².

В тех случаях, когда необходимо приближенно определить скорость движения ледокола в сплошном льду заданной толщины, можно воспользоваться следующей методикой, базирующейся на анализе данных натурных испытаний. Зависимость скорости непрерывного движения ледокола от толщины ровного сплошного льда при постоянной мощности, развиваемой его энергетической установкой во всем диапазоне скорости (от максимальной, развиваемой на свободной воде, до минимально устойчивой, соответствующей движению в предельных льдах), достаточно хорошо аппроксимируется линейной функцией. Это иллюстрируется рис. 34, на котором

приведена зависимость V = f(h) при 100% мощности энергетической установки для различных ледоколов. Исходя из этого, скорость непрерывного движения ледокола в сплошном льду любой заданной толщины h <= h_npможет быть определена так:

где V — скорость непрерывного движения ледокола в сплошном льду толщиной h при заданной мощности энергетической установки Р_В; V_B— скорость ледокола на чистой воде при мощности Р_В; h_пp— предельная толщина льда, которую ледокол в состоянии преодолевать непрерывным ходом с минимальной устойчивой скоростью V_MHH ~ 1 уз при мощности Р_В.

Формула (1) пригодна для оценки ледового сопротивления при непрерывном движении ледокола в «стандартных» условиях, представляющих собой ровный бесснежный сплошной ледяной покров. Иными словами, из природных характеристик сплошного льда (см. § 4) формула учитывает лишь его толщину и прочность на изгиб. Однако сплошной морской лед характеризуется еще разрушенностью и торосистостью, которые оказывают существенное влияние на ледовую ходкость.

Изменения, происходящие в ледяном покрове в процессе его таяния, принято оценивать с помощью пятибалльной шкалы разрушенности. Между разрушенностью льда и скоростью ледокола имеется определенная связь, которая иллюстрируется рис. 35. Приближенную оценку ходкости ледоколов различных типов с учетом разрушенности производят следующим путем. По формуле (1) рассчитывают предельную толщину льда h_пр, преодолеваемого ледоколом с минимальной устойчивой скоростью 1,0 уз при заданной мощности энергетической установки Р_в. Затем подбирают диаграмму, соответствующую полученному значению h_пpпри разрушенности льда 0—1 балл. С помощью этой диаграммы оценивают ходкость ледокола при любом заданном значении разрушенности льда и его толщины. На рис. 36 приведены кривые зависимости скорости движения ледокола от торосистости сплошного льда различной толщины, которые построены по данным натурных испытаний мощного ледокола. Они могут быть использованы для приближенной оценки ходкости мощных ледоколов в сплошном торосистом льду.

Средняя скорость продвижения ледокола в сплошных льдах при работе набегами и при непрерывном движении может быть приближенно определена с помощью диаграмм, построенных на основании данных натурных испытаний. Одна из таких диаграмм, полученная для ледокола типа Василий Прончищев, приведена на рис. 37. Как видно из графика, кривые I—III и IV имеют разный характер, а на участке, соответствующем предельной толщине льда h_пp(около 60 см), кривые I и IV, относящиеся к полной мощности энергетической установки, пересекаются. Участок кривой IV, расположенный правее точки пересечения кривых I и IV, отвечает случаю, когда средняя скорость продвижения ледокола при работе набегами оказывается выше, чем скорость устойчивого непрерывного хода во льду такой же толщины. Однако диаграмма рис. 37 не учитывает, что при работе набегами ледокол иногда заклинивается во льдах, а потери времени на освобождение от заклинивания снижают среднюю скорость его продвижения.

При плавании ледокола вмелкобитых льдах наиболее характерным процессом при взаимодействии корпуса со льдом является раздвигание льдин носовой оконечностью. Ломка льдин практически не имеет места. Сопротивление движению в таких льдах определяется в основном потерями кинетической энергии при ударах о льдины, а также работой, затрачиваемой на раздвигание и притапливание льдин, преодоление сил трения и т. п. Наиболее существенное влияние на сопротивление ледокола оказывают линейные размеры (протяженность и толщина) льдин, их сплоченность, сжатие, а также ширина канала мелкобитого льда.

Формула для расчета сопротивления в мелкобитых льдах, выведенная А. Я. Рывлиным [16], имеет вид:

При определении сопротивления ледокола в мелкобитых льдах по формуле (3) элементы судна являются известными величинами. Из параметров мелкобитого льда известными и заданными могут считаться лишь сплоченность и сжатие, а также коэффициент трения льда о корпус (величина последнего для практических расчетов может приниматься постоянной, равной 0,1). Прочие параметры мелкобитого льда являются неизвестными величинами, и при расчетах ледовой ходкости следовало бы, строго говоря, использовать их среднестатические значения.

Такие значения были получены косвенным путем с помощью обработки результатов натурных испытаний. Они имеют условный характер, однако могут быть приняты для расчетов по формуле (3). Для «природных» морских мелкобитых льдов расчетное значение параметра rh более или менее постоянно и составляет 4,0 м². Относительная ширина канала n_К = B_К/B при плавании в «природных» мелкобитых льдах, как правило, не ограничена и может приниматься при расчетах более 10 (В_К— ширина канала, м).

Расчетное значение параметра rh для мелкобитых льдов в канале, проложенном ледоколом, зависит от характеристик льда, в котором прокладывается канал. Для определения rh можно воспользоваться графиком рис. 39 для канала, проложенного в сплошном льду.

Относительная ширина канала n_Кмелкобитого льда, прокладываемого ледоколом, зависит от толщины и сплоченности льда, скорости движения ледокола, дистанции между ледоколом и судном и т. д. Для приближенного определения расчетного значения n_Кможет быть использован график рис. 40, построенный на основании результатов натурных наблюдений за каналом во льду, проложенным мощным ледоколом, имеющим ширину корпуса В = 23,5 м.

Ширина канала за ледоколом в дрейфующем льду зависит от дистанции между судном и ледоколом, так как кромки канала в дрейфующем льду подвижны.

Движение ледокола в крупнобитых льдах и обломках полей отличается наибольшей

сложностью и носит ярко выраженный нестационарный характер. Общий теоретический анализ этого процесса в настоящее время сталкивается с неразрешимыми трудностями. Способы его моделирования также не разработаны. Можно привести лишь чисто эмпирическую зависимость для расчета сопротивления мощного ледокола при движении в крупнобитых льдах и обломках полей, полученную на основании обработки данных натурных испытаний одного из мощных ледоколов:

(4)

Пределы применения формулы (4) ограничиваются толщиной льда в диапазоне от 0,8 до 2,0 м при общей сплоченности 8—10 баллов и разрушенности 2—3 балла, а также величиной скорости в пределах от 1 до 12 уз.

Кроме приближенных расчетов с помощью формул (1), (2), (3) и (4), сопротивление проектируемого ледокола может быть оценено путем испытаний его модели в опытовом ледовом бассейне. В настоящее время разработана методика практического моделирования и техника испытания моделей судов в лабораторных сплошных и мелкобитых льдах.

При испытаниих модели ледокола в сплошных льдах соблюдают условие подобия Фруда, которое при выбранном линейном масштабе (лямда) требует

следующего соотношения между толщинами h и пределами прочности б_р натурного и моделируемого льда:

При соблюдении этого соотношения «прямое» сопротивление натуры и модели будут относится как

Пересчет результатов модельных испытаний на натуру по выражению характеризует сопротивление движению ледокола в «стандартных» натурных ледовых условиях, отвечающих условиям испытаний в бассейне. Это, как правило, ровный сплошной ледяной покров нулевой разрушенности, торосистости и заснеженности.

Метод прямого пересчета с модели на натуру дает наилучшие результаты применительно к случаю движения ледокола во льдах с малой скоростью хода (не выше 1—3 уз). При большей скорости лучшие результаты дает комбинированный способ пересчета, основанный на предположении, что составляющие ледового сопротивления друг от друга не зависят. При этом способе «прямое» сопротивление пересчитывается с помощью соотношения (6), а скоростную часть полного сопротивления определяют по полуэмпирической формуле

Порядок расчета сопротивления ледокола при движении в сплошном льду с помощью данного способа таков:

1. По результатам модельных испытаний в сплошном льду, толщина и прочность которого назначаются в соответствии с условиями (5), строят кривую буксировочного сопротивления модели.

2. По этой кривой определяют величину «прямого» сопротивления модели.

3. Пересчетом с модели на натуру по формуле находят величину «прямого» сопротивления ледокола.

4. Вычисляют сопротивление воды R_Bодним из известных способов.

5. По выражению (7) определяют сопротивление R_СKи складывают его с R_B.

6. Строят кривую ледового сопротивления судна (тяги винтов) как сумму «прямого» и скоростного сопротивления в функции от скорости.

Расчет предельной толщины льда h_пр, преодолеваемого ледоколом при движении в сплошных льдах, производят следующим образом:

1. По результатам модельных испытаний во льдах заданной прочности при заданном тяговом усилии строят кривую зависимости скорости движения модели от толщины льда: V_M = f(h_M).

2. С этой кривой снимают величину предельной толщины моделирбванного льда (h_пр)_м.

3. С помощью выражения (5) определяют предельную толщину льда, преодолеваемого натурным ледоколом.

Результаты испытаний моделей ледоколов в мелкобитых льдах, как правило, не подлежат пересчету на натуру, так как воспроизвести в условиях опытового бассейна натуральный мелкобитый лед не представляется возможным. Для этого пришлось бы не только выдержать в заданном масштабе в соответствии с условиями моделирования толщину, протяженность и сплоченность льда, но и воссоздать форму каждой льдины. Поэтому при испытаниях моделей ледоколов в мелкобитых льдах качество обводов или другие характеристики проектируемого ледокола оценивают непосредственным сопоставлением результатов, показанных моделями различных вариантов проекта.