 |
Дж. Д. Харборн
Современные ледоколы Из журнала "В мире науки" (русский перевод "Scientific American") №2, 1984 г. |
|
Дж. Д. Харборн
Современные ледоколы Из журнала "В мире науки" (русский перевод "Scientific American") №2, 1984 г. |
ЗНАЧИТЕЛЬНАЯ часть мировых торговых перевозок по морю, особенно в Северной Америке и северной Европе, осуществляется по трассам, проходящим в высоких широтах и скованным льдом на протяжении нескольких месяцев в году. Государства, пользующиеся этими трассами, имеют флот, насчитывающий примерно 100 ледоколов. Конструкция этих судов должна отвечать необычным условиям их эксплуатации, а управление ими требует особого искусства судовождения. В предстоящее десятилетие расширение добычи полезных ископаемых, например нефти, в различных районах, расположенных в высоких широтах, вероятно, вызовет более острую потребность в ледоколах.
Конструктивно ледоколы отличаются от других судов формой корпуса, его большой прочностью, особенно в оконечностях, мощной и высокоманевренной энергетической установкой и более прочным винто-рулевым комплексом. Форма корпуса ледокола характеризуется малой длиной при большой ширине. Например, у современных ледоколов, построенных в Финляндии - стране, судостроительные верфи которой спустили на воду около 60% судов мирового флота, такая форма достигается тем, что служебные и жилые помещения экипажа размещаются выше главной палубы. Тем самым в корпусе ледокола остается достаточно свободного пространства для главных и вспомогательных двигателей и другого машинного оборудования, а также гребных валов.
Если посмотреть на ледокол сбоку на стапеле, то можно увидеть и другую особенность его формы - небольшую осадку в носовой части, которая постепенно увеличивается к середине корпуса. Такая форма лучше всего отвечает основному назначению ледокола - созданию вертикальных усилий, необходимых для разрушения льда давлением, а не резанием. Необычная ширина ледокола позволяет сконцентрировать массу для эффективной ломки льда. Такая конструкция к тому же позволяет снизить нагрузку на корпус, поскольку ледокол то и дело как бы садится на мель.
Понятно, что судно, выполняющее такую работу, должно иметь прочную носовую часть, поэтому форштевень изготавливают из стального литья или поковок, а носовая бортовая обшивка делается из стального листового проката толщиной 50 мм и прочно связывается с набором корпуса. Другие части корпуса также имеют высокую прочность. Непосредственному воздействию льда наиболее подвержены борта в районе ватерлинии, поэтому по всей длине корпуса в этой области устанавливается более прочная наружная обшивка, так называемый ледовый пояс. Раньше у многих ледоколов сварные швы ледового пояса корродировали и разрушались. На сталелитейном заводе в Раутаруукки в Финляндии была разработана новая марка стали, содержание марганца, серы и кремния в которой было ограничено по сравнению с обычными марками. Сварные швы при использовании такой стали оказались более стойкими к низкотемпературным воздействиям морской воды, в которой обычно работают ледоколы.
ГРЕБНАЯ установка ледокола должна отвечать жестким требованиям, которые обусловлены перепадом нагрузок на двигатели в периоды вползания ледокола на лед и отхода его назад для нового набега или при работе передним ходом на свободной воде. В связи с этим на ледоколах устанавливают такие двигатели, которые способны быстро набирать полные обороты. Двигатели же обычных судов набирают полные обороты медленно и при быстром наращивании мощности могут выйти из строя. Двигатели ледокола должны быть надежными в работе и развивать полную мощность во всем диапазоне скоростей вращения. Кроме того, они должны быть экономичными в потреблении топлива, поскольку ледокол может продолжительное время находиться вдали от бункеровочных баз.
В эпоху пара на ледоколах применялись поршневые паровые машины. Сейчас же в основном используются дизель-электрические установки. На судах с такими установками дизель-генераторы питают гребные электродвигатели, которые в свою очередь вращают винты. В СССР построено несколько атомных ледоколов; первый из них, ледокол "Ленин", спушен на воду в 1957 г. На этих судах атомный реактор является источником тепла для генерации пара, питающего турбины. Использование атомной энергии выгодно тогда, когда ледокол большую часть времени работает вдали от бункеровочных баз, например в удаленных районах Арктики, в остальных случаях атомные установки экономически не могут конкурировать с дизель-электрическими.
Ледокол может иметь до четырех гребных винтов. У четырехвинтового судна два винта расположены в кормовой части и два в носовой. Носовые гребные винты хорошо работают в годовалых льдах, т.е. льдах, образовавшихся за одну зиму. Их толщина обычно не превышает 30 см (в некоторых районах, например в арктическом секторе Канады, годовалые льды могут достигать двухметровой толщины). Гребные винты в носовой части забирают воду из-подо льда и тем самым ослабляют опору ледяного пласта, облегчая его разрушение. Затем винты отбрасывают отколотые льдины с потоком воды от носа судна и обеспечивают его продвижение вперед. При смене направления вращения этих винтов облегчается задний ход ледокола и, стало быть, повышается его маневренность. Опыт показал, что носовые гребные винты бесполезны в районах Арктики и Антарктики, так как арктический лед слишком твердый, а в Антарктике он очень толстый.
На вопрос о том, сколько у ледокола должно быть гребных винтов в кормовой части, однозначного ответа нет. Это зависит от того, какую пропульсивную силу они должны создавать, что в свою очередь определяется теми ледовыми условиями, для работы в которых предназначен ледокол. У некоторых типов ледоколов с двумя гребными валами, включая ледоколы, построенные в 60-е годы, и ледоколы класса R морской береговой охраны Канады, построенные в 70-е годы, лопасти гребных винтов часто изгибались и даже ломались, а валы давали трещины.
Одним из возможных решений этой проблемы является создание ледоколов с тремя кормовыми гребными винтами - одним средним и двумя бортовыми. Но и при таком расположении гребные винты могут выходить из строя, как это было, например, у двух ледоколов класса "Полар" морской береговой охраны США. Поломка винтов, по-видимому, происходила в связи с тем, что ледоколы, на которых они были установлены, предназначались как для прокладки каналов во льдах Арктики, так и для снабженческих и исследовательских целей в Антарктике, и поэтому суммарная мощность на валах была чрезмерно большой для корпусов данного размера. В результате этого корпуса судов хронически вибрировали. Эффективная мощность каждого из этих ледоколов 60 тыс. л.с. (больше,чем на любом неатомном ледоколе): 42 тыс. л.с. развивает газотурбинный двигатель, который приводит в движение основной вал при ходе во льдах, и 18 тыс. л.с. - дизель-электрическая установка, работающая на бортовые винты, когда судно идет в свободной воде, например при переходе в Антарктику.
ПОСКОЛЬКУ ледокол конструктивно представляет собой высокоспециализированное судно, рассчитанное на суровые условия, управление им требует особого искусства судовождения. При прокладывании канала во льдах, например, ледокол может работать в двух режимах - непрерывный ход и движение набегами. При непрерывном ходе судно постоянно движется вперед со скоростью от 3 до 5 узлов сквозь лед толщиной до 1,5 м. Этот способ приемлем только при условии, если лед имеет довольно ровную поверхность и оказывает судну сопротивление средней величины. Такие условия обычны для ряда районов, в которых ледоколы работают регулярно. К ним, в частности, относятся Ботнический и Финский заливы, отдельные районы арктических секторов Канады и СССР, Великие озера, река и залив Св. Лаврентия. При работе набегами ледокол вползает на лед и, когда лед откалывается, отходит назад на расстояние, в несколько раз превышающее его длину, затем опять идет вперед, набегая на ледяную кромку. Этот способ используется тогда, когда лед очень толстый, твердый или имеет неровную поверхность.
Высокое мастерство судовождения требуется и в случае заклинивания, когда ледокол застревает во льдах, что бывает весьма часто. Так, ледокол морской береговой охраны США "Полар-Си" оказался зажатым во льдах Чукотского моря к северу от Аляски и оставался там с февраля по май 1981 г. (Самое лучшее, что смогла предпринять береговая охрана в создавшейся ситуации, - это использовать ледокол в качестве плавучей исследовательской станции, назвав ее "Дрейфующая полярная морская станция-81".)
Конструктивные особенности канадского ледокола "Канмар Кигориак", предназначенного для защиты буровых платформ в море Бофорта. Ледокол имеет ложкообразную форму носа, специальный выступ и один гребной винт с защитной насадкой. Считается, что такая форма носа обеспечивает минимальные затраты энергии при разрушении тонкого льда. Заостренный выступ, врезаясь в лед, облегчает поворот судна. Защитная насадка предотвращает фрезеровку льда винтом. Ледокол, кроме того, имеет увеличенную площадь руля.Наличие носовых и кормовых гребных винтов повышает маневренность ледокола и дает больше шансов не застрять во льдах. На старых ледоколах все еще практикуется и такой способ борьбы с заклиниванием, как раскачивание судна с борта на борт путем перекачки жидкого балласта или горючего из одной бортовой креновой цистерны в другую. Используя подобным образом дифферентные цистерны в носовой и кормовой оконечностях, можно обеспечить раскачивание судна в продольном направлении.На современных ледоколах для этих целей устанавливается пневматическая омывающая система, разработанная и запатентованная финской судостроительной фирмой "Вяртсиля", которая является самым крупным в мире поставщиком ледоколов. Эта система обеспечивает снижение трения корпуса судна о лед или снег. Сжатый воздух пропускается через ряд сопел, расположенных на определенном интервале друг от друга в нижней части корпуса. Пузырьки воздуха, поднимаясь вдоль корпуса, образуют направленный поток смеси воды и воздуха, которая служит смазывающей прослойкой между корпусом и льдом. При скоростях менее двух узлов система снижает трение почти вдвое по сравнению с обычными условиями. По мере увеличения скорости хода судна эффективность этой системы падает, но даже при скорости пять узлов трение снижается примерно на 15%.
Пневматическая омывающая система была разработана фирмой "Вяртсиля" как альтернатива раскачиванию - методу борьбы с заклиниванием судна. Сжатый воздух выходит через сопла, расположенные вдоль корпуса. Создаваемый при этом интенсивный поток смеси воды и воздуха образует слой, снижающий трение корпуса о лед.Многие считают, что лед, покрывающий поверхность моря, представляет собой почти однородный пласт, изменяющийся только по толщине. В действительности же формации льдов весьма разнообразны - от непроходимых шельфовых льдов в Антарктике (возраст которых достигает 100 лет) и паковых арктических льдов до зимних льдов Балтийского моря. Великих озер, реки и залива Св. Лаврентия. Специалисты, связанные с эксплуатацией ледоколов, должны учитывать эти разновидности льдов.ПРИМЕРНО до 1966 г. государственные ведомства США, Канады и СССР, связанные с вопросами судоходства во льдах Арктики и Антарктики, пользовались слишком обобщенной классификацией льдов, в которой выделялись четыре их основных вида: новые, молодые (ниласовые), зимние и полярные. С увеличением числа ледоколов и появлением новых средств, позволяющих оценить ледовую обстановку, таких, как авиаразведка и фотографирование со спутников Земли, обобщенная классификация льдов перестала отвечать требованиям судовождения. Для обеспечения эффективной работы ледоколов теперь все страны, осуществляющие морские перевозки на трассах, пролегающих в зоне замерзающих вод, где учет ледовой обстановки может иметь существенное значение, пользуются более детальной системой классификации льдов. В данной статье приводятся классификация льдов и определения их видов, принятые в Канаде, хотя в других странах имеются свои аналогичные классификации, которые включают те же виды льдов.
Начнем с определения понятия свободной, или чистой, воды, под которой в соответствии с "Морским атласом Канады" понимается "вода, площадь покрытия льдом которой не превышает одной десятой". Другим важным понятием является годовалый лед. Так именуется лед, образовавшийся в минувшую зиму и сохранившийся до начала нового осеннего ледообразования. Двухлетний лед - это годовалый лед, не растаявший летом и находящийся во втором цикле нарастания. Многолетний лед (арктический пак) - лед, просуществовавший более двух лет.
Помимо указанных разновидностей существуют и другие формации льдов, которые могут оказаться либо труднопреодолимыми, либо совсем непроходимыми для ледоколов, в зависимости от протяженности этих льдов. К таким формациям относится, например, наслоенный лед, образованный наползанием льдин. Другой разновидностью являются торосистые нагромождения - взломанные льды, хаотически взгроможденные друг на друга в результате происходящих в море динамических процессов. Поверхность ледяного покрова, образованного торосистыми льдами, характеризуется большими неровностями. Столкновение ледяных массивов приводит к образованию ледяной гряды, осадка которой может достигать 15 м. Наконец, следует упомянуть о снежном покрове, способном существенно снизить эффективность работы ледокола.
Как правило, в Ботническом и Финском заливах, в заливе Св. Лаврентия и на Великих озерах, а также в районах северо-западного и северо-восточного побережий США с середины декабря по середину мая толщина ледяного покрова бывает от 30 до 90 см. Более суровые условия для ледоколов складываются в арктическом секторе Канады, в высокоширотных водах СССР и скандинавских стран, где продление навигации на период, захватывающий частично зиму и всю весну, требует дополнительных усилий. Финляндия поддерживает Ботнический залив открытым круглый год для обеспечения перевозки грузов между множеством своих портов в том районе.
Особенности, характерные для арктического сектора Канады, свойственны и другим основным ледовым районам. Этот сектор простирается на 3 тыс. миль от острова Баффинова Земля до северного побережья Аляски и на 2 тыс. миль на север от арктического побережья Канады до Северного полюса с основными проходами между островами. В нем имеются районы с различными видами ледовых образований. В каждом из этих районов постоянно ведутся наблюдения за состоянием льда и моря, направлением и силой ветра и другими климатическими факторами; любой из них может непредсказуемо меняться в период работы ледокола. Т. К. Пуллен, бывший капитан канадских ВМС и специалист по ледоколам, говорит в этой связи следующее: "Мы наталкиваемся на непроходимые льды там, где, по предварительным данным, их не должно быть, и это лишний раз доказывает, что условия плавания в Арктике полны неожиданностей".
Энергетическая установка ледокола "Урхо" и других ледоколов этого класса занимает почти все пространство под главной палубой. Для размещения установки под палубой жилые и служебные помещения вынесены в надстройку. По трубам креновой системы вода перекачивается между бортовыми цистернами, когда необходимо раскачать судно, чтобы избежать заклинивания во льдах. Носовые гребные винты отсасывают воду из-подо льда, его опора ослабляется, и он легче ломается. Такой режим работы наиболее эффективен, когда толщина льда не более 0,3 м.РАЗНООБРАЗИЕМ льдов обусловлена широкая разновидность конструкций ледокольных средств. Для их рассмотрения вновь обратимся к стандартам, действующим в Канаде. Несколько лет назад канадским правительством были введены "Правила по предотвращению загрязнения окружающей среды при плавании в арктических водах" - документ, который одновременно устанавливает нормы по охране природы в районе Арктики в связи с появлением в ее водах все более крупных судов и регламентирует конструкцию арктических судов. "Правила" содержат определения ледоколов и судов с ледовыми подкреплениями от первого до десятого арктического класса.Приведем несколько примеров, демонстрирующих широкое разнообразие типов судов, определяемых "Правилами". Судно арктического класса 3 может развивать скорость три узла во льдах толщиной 0,9 м. Судно класса 7 может идти со скоростью три узла в режиме непрерывного хода во льдах толщиной 2,1 м. Ледоколы балтийского типа, строящиеся преимущественно в Финляндии и СССР для работы в годовалых льдах, по определению "Правил", можно отнести к судам класса 3 или 4. Более жесткие требования предъявляются к крупным ледоколам арктического класса 8, предназначенным для круглогодичной работы в таких условиях, как арктический сектор Канады. Первый ледокол подобного типа пока только планируется построить в Канаде.
Самыми мощными современными ледоколами являются два почти одинаковых советских атомохода "Арктика" (переименованный в "Леонид Брежнев") и "Сибирь", которые в соответствии с канадскими "Правилами" можно отнести к классам 5 - 7. Водоизмещение каждого из них 35 тыс. т, а эффективная мощность составляет 75 тыс. л.с.
Американские, аргентинские, японские и западногерманские ледоколы для Антарктиды - это суда многоцелевого назначения в отличие от тех, которые работают в Северном полушарии. Эти суда должны не только работать во льдах, но и преодолевать большие расстояния в открытом море на пути в Антарктику, где они выполняют также функции научно-исследовательских и снабженческих судов. Поэтому такие ледоколы имеют дополнительные каюты для научных работников, посадочные площадки для вертолетов, совершающих ледовую разведку, и оборудованы палубными кранами большой грузоподъемности, грузовыми элеваторами и специальными трюмами для размещения грузов, доставляемых на национальные базы в Антарктике.
К таким судам относится аргентинский ледокол "Алмиранте Иризар", построенный на верфи "Вяртсиля" и сданный в эксплуатацию в 1979 г. Одной из отличительных особенностей этого судна является установленная на нем система посадки вертолетов, изготовленная в Канаде. Оснащение такой системой вызвано тем, что это судно с коротким и широким корпусом имеет малую осадку, и поэтому при шторме в открытом море его может кренить до 40°. Спускаемый с вертолета трос зацепляется специальным устройством к палубе и затем медленно выбирается до полной посадки вертолета. По полозу, проложенному на палубе, вертолет буксируется в ангар. Ледокол, кроме того, оснащен двумя 16-тонными гидравлическими подъемными кранами для разгрузки судна, электрической буксирной лебедкой с устройством контроля натяжения буксирного троса (которое постоянно удерживает трос в натянутом состоянии во время буксировки), рассчитанной на максимальное тяговое усилие 60 т, а также пневматической омывающей системой.
Сроки плавания ледоколов в основных зонах замерзания воды.
Период ледостава отмечен цветными полосами.
Темная зона соответствует периоду плавания ледоколов.Самым мощным ледокольным флотом располагает СССР. Это единственная в мире страна, имеющая атомные ледоколы, которые работают круглый год. Даже многие советские торговые, в том числе и многоцелевые, контейнерные суда (примерно соответствующие арктическому классу 2), предназначены для активного ледового плавания и способны самостоятельно продвигаться в умеренных льдах. (Торговые суда многих других стран имеют только незначительное ледовое подкрепление.) Как правило, дедвейт (валовая грузоподъемность) этих судов равен 18 тыс. т, они имеют малую осадку и оснащены пневматической омывающей системой. Суда такого типа способны проходить по крупным сибирским рекам, впадающим в моря Арктики.
Наш советский атомный ледокол "Леонид Брежнев"
Советские ледоколы преодолевают огромные расстояния в северных морях, и, кроме того, в зимнее время они работают во льдах Финского залива, Балтийского, Черного и Каспийского морей, а также рек Енисея, Оби и Лены. Наиболее показательной является караванная проводка ледоколами судов в западной части арктического сектора СССР, где постоянно возрастает объем перевозок из Мурманска через Баренцево и Карское моря в устье Енисея, а затем вверх вплоть до порта Дудинка, через который из Игарки и Норильска отправляют лес и никель.
ВОЗМОЖНО, что построенное недавно в Канаде судно "Канмар Кигориак" фирмы Dome Petroleum Limited послужит основой для создания ледоколов будущего. Это канадское судно в основном предназначено для защиты ото льда буровой установки фирмы Dome в море Бофорта и для оказания помощи арктическому флоту этой фирмы, включающему буровые суда с ледовыми подкреплениями, буксиры и самоходные баржи.
Особенностью ледокола "Канмар Кигориак" является то, что для работы в суровых ледовых условиях западной части арктического сектора Канады он имеет всего один гребной винт в отличие от всех других канадских ледоколов, имеющих два или три винта. Создатели судна считают, что такая конструкция позволит избежать "один из главных недостатков двух- и трех-винтовых ледоколов, заключающийся в том, что бортовые винты постоянно фрезеруют лед, что снижает их эффективность". Гребной винт ледокола защищен специальной кольцевой насадкой, которая отводит в сторону большие льдины, а мелкие льдины легко перемалываются. Ледокол имеет также носовое и кормовое подруливающие устройства и увеличенную площадь руля, что обеспечивает судну повышенную маневренность.
Другой особенностью судна является необычная форма корпуса. Нос ледокола в форме ложки должен обеспечивать минимальные затраты энергии при работе в тонких льдах. В том месте, где нос ледокола переходит в среднюю часть корпуса, предусмотрен заостренный выступ, который врезается в лед на небольшую глубину и тем самым создает точку опоры и облегчает поворот судна. О возможностях ледокола можно судить по словам его владельцев, которые заявляют, что он преодолевает годовалый лед толщиной 1,73 м, сморози из многолетних льдов толщиной до 10 м и годовалые торосы толщиной подводной части до 13 м.
"Канмар Кигориак" послужит прототипом гигантского судна - ледокола-танкера с дедвейтом 200 тыс. т, который фирма Dome намерена построить в 90-х годах. Размеры судна рассчитаны на основе предполагаемого объема перевозок нефти, которая будет добываться в море Бофорта. С этой задачей смогут справиться только такие большие и мощные суда, рассчитанные на работу на северо-западной трассе в течение всего года.
Если Канада построит ледокол арктического класса 8, он будет самым большим неатомным ледоколом в мире. "Полар 8", как он называется на стадии разработки, будет иметь длину 194 м, ширину 32,2 м и осадку 13 м. При водоизмещении 37 тыс. т и эффективной мощности 100 тыс. л.с. судно внесет существенные изменения в существующие стандарты на конструкции ледоколов, которые предусматривают определенное соотношение величины водоизмещения и эффективной мощности. Для неатомных ледоколов типичным является соотношение: весовое водоизмещение 15 тыс. т и эффективная мощность 20 тыс. л.с. Такие характеристики имеют ледоколы класса "Капитан Сорокин", построенные на верфи "Вяртсиля" для Финляндии, СССР и Аргентины. "Полар 8" будет первым ледоколом, способным работать при любой погоде в ледовых условиях Арктики, которые являются чрезмерно суровыми для современных ледоколов США и Каналы.
Литература
The northeast passace as a commercial waterway. Terence Armstrong in Vega 1880- Ymer 1980: Arsbok 1980 Svenska Sdllskapet for Antropologi och Geografi, pages 86-129; 1980. .
Shipping routes, ice cover and year-round navigation in the Сanadian Arctic. Balaram B. Dey in Polar Record, Vol. 20, No. 129, pages 549-559; September, 1981.
Каштелян В.И., Ривлин А.Я., Фаддеев О.В., Ягодкин В.Я. Ледоколы. - Л.: Судостроение, 1972.
Белкин С.И. Сокрушающие лед. - М.: Знание, 1983.
Май 2006
