5 сентября 1980 г. исполнилось 25 лет со дня ввода в эксплуатацию ледового опытового бассейна Арктического и антарктического научно-исследовательского института и начала разработки метода испытаний моделей судов в моделированном льду.
Начало экспериментирования в 1955 г. в первом в мире опыто-вом ледовом бассейне явилось крупным научным достижением в деле создания метода моделирования движения судна во льдах. Введение в строй ледового бассейна означало, что наука о ходкости судна во льдах поднялась на качественно новую ступень своего развития. Ледовый бассейн ААНИИ послужил прообразом других опытовых ледовых бассейнов, построенных в ряде стран с развитым судостроением, и эти бассейны стали в настоящее время основным средством экспериментального исследования взаимодействия корпуса судна со льдом.
Поскольку большинство морских путей Советского Союза в течение длительного времени покрыто льдом, то естественно, что научно-экспериментальный метод определения ледовой ходкости судна зародился и разработан в СССР.
Интенсивное строительство современного ледокольного и ледокольно-транспортного флота, а также обеспечение безаварийной и эффективной его работы в ледовых условиях настоятельно требовало изучения законов сопротивления льда движению судна.
Теоретические исследования ледового сопротивления в разное время нашли отражение в трудах А. Н. Крылова, Ю. А. Шиманского, Л. М. Ногида, В. И. Виноградова и др.
Наряду с теоретическим изучением проблемы сопротивления льда движению судна большое внимание уделялось также натурным испытаниям судов во льдах, которые в послевоенный период начали систематически проводиться сотрудниками ААНИИ. В результате за сравнительно короткий срок был собран большой экспериментальный материал, который в дальнейшем использовался для уточнения и проверки закономерностей сопротивления льда движению судна.
В ходе проводимых исследований выявилась необходимость моделирования процесса движения судна во льдах — создания научно-экспериментального метода изучения ледовых качеств судна.
Первые опыты по испытанию моделей судов в натуральных льдах и заменителе льда — парафине, были проведены в 1939— 1941 гг. Однако практическое разрешение вопроса моделирования движения судна во льдах стало возможным только после разработки в Арктическом институте В. В. Лавровым принципа приготовления в лабораторных условиях полей однородного, ослабленного льда натурального состава, так называемого, «моделированного льда». Освоив приготовление такого льда, в 1948 г. институт приступил к созданию специализированной лаборатории базы — опытового ледового бассейна.
К моменту ввода в строй ледовго бассейна группой сотрудников лаборатории ледовых качеств судов ААНИИ под научным руководством академика Ю. А. Шиманского и профессора Л. М. Ногида были разработаны основы метода моделирования, а именно: теория подобия движения судна во льдах, методика приготовления моделированного ослабленного льда натурального состава, техника эксперимента, а также аппаратура и устройства ледового бассейна.
Несмотря на большие методические сложности и малые размеры бассейна ДАНИИ, за 25 лет в нем выполнен большой объем научно-иследовательских и экспериментальных работ. Являясь единственным в Советском Союзе, ледовый бассейн ААНИИ наряду с методическими и
фундаментальными научными исследованиями, выполнил и продолжает выполнять большой объем заказных работ, связанных с обеспечением ледовых качеств судам, предназначенным для плавания во льдах.
За истекший период работа в ледовом бассейне велась в трех взаимосвязанных направлениях (рис. 1).
Совершенствование методов моделирования в ледовом бассейне включает целый комплекс исследований, направленных на повышение надежности определения ледового сопротивления путем пересчета результатов модельных испытаний на натуру. Точность такого пересчета, как известно, зависит прежде всего от степени удовлетворения физико-механических свойств натурного и моделированного льдов тем законам, которые вытекают из теории подобия. В процессе исследований установлено, что для точного прогнозирования ходкости во льдах современных морских ледоколов и судов линейный масштаб их моделей должен быть меньше 1 : 60. Однако выбор линейного масштаба моделирования ограничивается небольшими размерами ледового бассейна ААНИИ, в котором могут испытываться модели длиною не более 3 м.
Некоторое несоответствие упруго-пластических свойств моделированного льда натурному при экспериментах в бассейне учитывается поправкой, вводимой в значение предела прочности на изгиб моделированного льда. Введение этой поправки необходимо акже потому, что прочностные
характеристики натурного ледяного покрова в зависимости от природных условий изменяются в больших пределах.
Следует отметить, что при таком методе выбора физико-механических свойств моделированного льда его прочность оказывается несколько выше, чем это требуется по условиям подобия и тем самым излишняя пластичность льда как бы компенсируется некоторым увеличением его предела прочности на изгиб. Такой метод пересчета ледового сопротивления с модели на натуру дает наилучшие результаты при движении судов с малой скоростью хода. Поэтому он с успехом применяется для оценки предельных возможностей судна.
Важное значение для совершенствования методов моделирования имели также исследования физико-механических свойств натурного льда.
Прочность натурного ледяного покрова изучалась в течение длительного времени путем различных видов испытаний, включая испытания на плаву консольных балок [6].С целью изучения прочности моделированного льда в ледовом бассейне производились испытания на изгиб образцов льда на плаву [1].
Исследование пластичности этого льда позволило сделать важный для моделирования вывод о том, что предел его прочности при кратковременных нагрузках практически не зависит от периода нагрузки. Хотя в общем случае зависимость между напряжением и деформацией моделированного льда имеет характер близкий к линейному, однако она отличается от закона Гука тем, что в данном случае коэффициент пропорциональности является функцией периода нагрузки. Таким образом, моделированный лед можно считать лишь условно подчиняющимся закону Гука. Тем не менее, это позволяет распространить на него условия подобия, вытекающие из теории моделирования движения судна в сплошных льдах.
В ледовом бассейне проводились также экспериментальные исследования разрушения ледяных пластин на плаву с целью проверки существующих аналитических методов определения их деформации под действием сосредоточенного усилия. В результате был получен приближенный метод
определения усилий, разрушающих ледяную пластину, который нашел широкое применение в изучении взаимодействия корпуса судна со льдом.
Большое значение для повышения надежности и точности методов пересчета ледового сопротивления с модели на натуру имеет Удовлетворение условия равенства коэффициентов трения натурного и моделированного льда о корпус судна и модели. С этой целью изучались фрикционные свойства льда [7, 5] как в натурных условиях, так и на модели. Для получения численных значений коэффициентов трения в натурных и в лабораторных условиях применялась одна и та же методика, заключающаясяв буксировке образцов по рабочим поверхностям с различной степенью шероховатости. В натуре образцом являлся диск, вырезанный из листа судостроительной стали, а в ледовом бассейне — деревянные диски с различными покрытиями.
В настоящее время в ледовом бассейне ААНИИ выполнение условий равенства фрикционных свойств натуры и модели затруднений не вызывает.
Совершенствование методики и техники проведения модельных испытаний в ледовом бассейне включало большой объем различных исследовательских работ. К наиболее важным из них следует отнести следующие:
— выбор оптимальных температурных режимов намораживания льда в ледовом бассейне с целью обеспечения наибольшей однородности льда по толщине и прочности;
— создание аппаратуры для дистанционного контроля за температурой воздуха в бассейне, а также приборов для замеров толщины и прочности льда;
— разработку методики самоходных испытаний модели во льдах;
—разработку методик исследований ледовой защиты движительно-рулевого комплекса и работы некоторых ледокольных систем и устройств.
Совершенствование в процессе работы ледового бассейна методов и техники проведения модельных испытаний позволило за 25 лет его существования решать на высоком научном уровне целый ряд сложных технических задач, имеющих важное практическое значение.
Создание методов расчета ледовой ходкости, обобщение данных натурных и модельных испытаний судов во льдах, а также теоретических разработок позволило создать расчетные методы оценки ледовой ходкости судов в различных ледовых условиях. В результате были получены полуэмпирические выражения, связывающие ледовое сопротивление судна с его характеристиками и параметрами льда для определения:
— ледового сопротивления ледокола в сплошных льдах [1];
—ледового сопротивления транспортных судов в сплошных льдах [4];
—ледового сопротивления ледоколов и судов в мелкобитых льдах [1]; предельной ледопроходимости крупнотоннажных транспортных судов активного ледового плавания [2].
Полученные выражения позволяют без проведения модельных испытаний в начальной стадии проектирования судов приближенно оценивать их ледопроходимость с достаточной для практики степенью точности.
Решение практических вопросов проектирования и эксплуатации ледоколов и судов ледового плавания. За 25 лет деятельности опытового ледового бассейна ААНИИ в нем проведены испытания более 150 различных моделей отечественных морских и речных ледоколов и судов активного ледового плавания. Особенно большая работа выполнена по выбору оптимальной формы обводов проектируемых ледоколов и судов различного назначения. В каждом частном случае проводились сопоставительные исследования, т е. в одних и тех же ледовых условиях испытывалось несколько моделей, отличающихся формой обводов корпуса при постоянном тяговом усилии. По результатам испытаний каждой модели выстраивалась кривая
v = f(h),где v — скорость модели; h — толщина льда.
Сопоставление таких кривых для разных моделей позволяло определить модель с формой обводов корпуса, обеспечивающих наибольшую скорость во льдах одной и той же толщины и прочности. В других случаях сравнивались кривые
R = f(v),,
где R — сопротивление льда, что давало возможность оценить снижение ледового сопротивления (соответственно и мощности энергетической установки) за счет применения оптимальной формы обводов.
Такие сопоставительные испытания проводились во льдах постоянной толщины при различных значениях тягового усилия. Всесторонние исследования по отработке оптимальной формы обводов ледокола были проведены с моделями а/л «Арктика». Испытывались три серии моделей,
отличающиеся главными размере-ниями. В каждой серии у моделей были разными углы наклона форштевня, входа носовой ветви КВЛ, а также углы развала борта в районе форштевня и на миделе. Исследования показали, что в пределах реальных значений углов, характеризующих форму обводов современных ледоколов, изменение формы обводов увеличивает предельную толщину льда в среднем на 10%. Это равноценно уменьшению ледового сопротивления на 25 % или уменьшению мощности энергетической установки на 30%. Результаты этих исследований использованы в проекте.Аналогичные модельные испытания по выбору оптимальной формы обводов проводились для ледокольно-транспортных судов. Так, например, в процессе эксплуатации судов типа д/э «Лена», которые проектировались в то время, когда ледового бассейна еще не было, было установлено, что форма обводов их корпуса недостаточно приспособлена для ломки льда, вследствие чего их ледопроходимость в сплошных льдах оказалась ограниченной. При создании нового проекта ледокольно-транспортных судов (типа д/э «Амгуема») форма обводов корпуса д/э «Лена» использовалась в качестве прототипа. Были проведены сопоставительные испытания моделей судов д/э «Лена» и нового проекта. Форма обводов последнего была полностью отработана в ледовом бассейне и существенно отличалась от обводов д/э «Лена». Модельные испытания показали, а натурные подтвердили, что рекомендованная ААНИИ форма обводов корпуса при сохранении эксплуатационных качеств позволила существенно увеличить ледопроходимость судна в сплошных льдах даже при меньшей мощности энергетической установки.
Например, при мощности на 1000 л. с. меньше, чем д/э «Лена», ледопроходимость д/э «Амгуема» возросла на 65 %.
В ледовом бассейне отрабатывалась форма обводов самых различных судов, в том числе ледоколов типа «Москва», многих транспортных и промысловых судов, паромов-ледоколов для Татарского пролива и Балтийского моря, портового ледокола, ледокола-буксира для Каспийского моря, речного ледокола мощностью 4000 л. с, буксира-кантователя мощностью 1200 л. с, речного буксира-ледокола мощностью 600 л. с. и т. д.
Результаты испытаний моделей ледоколов и судов, отличающихся формой обводов корпуса, использовались также для корректировки теоретических исследований, посвященных изучению влияния формы обводов корпуса на ледовое сопротивление, которые в дальнейшем были
использованы при разработке Правил Регистра СССР [3].
Обычно при отработке формы обводов ледоколов и судов в ледовом бассейне с помощью самоходных испытаний моделей одновременно решались вопросы защиты винторулевого комплекса (открытый винт и винт в насадке) [1]. Следует отметить, что нередко эта защита обеспечивается не
только специальными устройствами в виде отводящих наделок, насадок и т. п., но и рациональным проектированием формы обводов кормовой оконечности.
Для получения траекторий движения льдин в подводной части корпуса модели исследуемого судна в ледовом бассейне применяется подводное телевидение, а также «метод тычинок», когда на подводной части корпуса модели перпендикулярно поверхности устанавливаются тонкие медные
проволочки. При скольжении льдин по корпусу, эти тычинки наклоняются и прижимаются к обшивке.
Расположение их после пробега указывает направление движения льда в подводной части корпуса.Кроме того, в ледовом бассейне проводились исследования различных систем и устройств, предназначенных для повышения эффективности работы судов во льдах. В том числе гидродинамическая система; днищевой ледоразводящий клин; булевые наделки на корпусе; вибрационное устройство; различные приставки к носовой части ледокола; судно на воздушной подушке (СВП); наделки «ледолом», обеспечивающие разрушение льда давлением снизу вверх;
финская пневмоомывающая система и др.
Для проведения этих исследований были разработаны отдельные частные методики.
С каждым годом растет объем грузоперевозок по замерзающим морям Советского Союза, встает необходимость существенного расширения сроков зимней навигации, увеличения мощности нашего ледокольного флота, расширения его возможностей, увеличения скоростей проводки караванов судов во льдах. Все это требует проведения большой научно-исследовательской работы и в первую очередь совершенствования теории и практики моделирования взаимодействия судна со льдом.
В настоящее время конструкторы и ученые, овладев искусством модельного эксперимента как метода познания, не строят ни одного корабля без того, чтобы предварительно не испытать его модели. Поэтому метод моделирования движения судна во льдах, несмотря на всю его сложность, получает сейчас все большее развитие и помогает ученым и конструкторам глубже проникать в сущность интересующего их явления.
За 25 лет работы ледового бассейна ДАНИИ выполнен большой объем научных исследований. Создано и развито новое направление в теории корабля — сопротивление льда движению судна. Результаты исследований широко применяются на практике. В Международный Комитет ходкости
судов во льдах, созданный в 1978 г. при Международной Конференции опытовых бассейнов, входят представители ледового бассейна ААНИИ.
Сейчас ААНИИ строит новый ледовый бассейн больших размеров, который позволит не только повысить интенсивность экспериментальных исследований ледовых качеств судов, но и выполнять их на более высоком научном и техническом уровне.
Дальнейшее совершенствование методики моделирования обеспечит создание надежных способов пересчета результатов модельных испытаний на натуру.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Каштелян В. И., Позняк И. И., Рывлин А. Я. Сопротивление льда движению судна.— Л.: Судостроение, 1968, с. 57—63.
2.Каштелян В. И., Фаддеев О. В., Цой Л. Г. Выбор основных параметров ледокольно-транспортных судов.— Судостроение, 1979, № 12, с. 4—6.
3.Каштелян В. И. Выбор формы обводов корпуса ледоколов. Теоретические и практические вопросы прочности и конструкции морских судов.— Регистр СССР, научно-технический сборник, вып. 9, 1980.
4.Максутов Д. Д. Сопротивление движению транспортных судов в сплошных льдах.— Тр./Аркт. и антаркт. науч.-исслед. ин-т, 1973, т. 309, с. 27—35.
5.Позняк И. И. Фрикционные характеристики модели ледокола.— В наст. сб.
6.Рывлин А. Я. Метод прогнозирования предела прочности льда.— Проблемы Арктики и Антарктики, 1974, вып. 45, с. 79—86.
7.Рывлин А. Я. Экспериментальное изучение трения льда.— Тр./Аркт. и антаркт. науч.-исслед. ин-т, 1973, т. 309, с. 186—200.