Океанография и морской лед - Коллектив авторов

• развитие всех видов системы авиационного обеспечения (особенно – метеорологического), организации исследовательских работ с применением полярных станций, для обеспечения полетов в нижнем воздушном пространстве (неконтролируемом воздушном пространстве);

• создание (развитие) системы аэронавигационного обеспечения воздушных судов, обеспечивающих их проводку по Северному морскому пути, разработку нефтяных шельфов и геологоразведывательных работ.

Использование стальных водоизмещающих сооружений в качестве базы долговременных научных обсерваторий позволит не только расширить объем климатических, геологических, геофизических и других традиционных для дрейфующих станций исследований, но и дополнить этот перечень принципиально новыми видами работ. В частности, на дрейфующей платформе возможно выполнение прикладных инженерных исследований, а именно, поднять на новый уровень исследования в области механики и деформации льда при его воздействии на промышленные объекты, предназначенные для освоения шельфов арктических и замерзающих морей России. Могут выполняться не проводившиеся ранее исследования прочностных свойств морского льда совместно с исследованиями глобальных и локальных ледовых нагрузок с целью совершенствования методов расчета локальных и глобальных ледовых нагрузок на суда и другие инженерные сооружения. При этом именно стальной корпус платформы, оборудованный необходимым количеством датчиков и аппаратуры, будет служить уникальным измерительным инструментом (Гудошников и др., 2009).

В настоящее время общепринято разделение ледовой нагрузки на локальную и глобальную. Однако в нормативной документации, как в отечественной, так и в зарубежной, не приводятся определения этих физических величин, поэтому авторы предлагают следующие формулировки.

Глобальная ледовая нагрузка – физическая векторная величина, характеризуемая абсолютной величиной, направлением и точкой приложения суммарной силы, оказываемой льдом на инженерное сооружение. Глобальная нагрузка является расчетной при рассмотрении вопросов общей прочности сооружения, его устойчивости на грунте, удержания сооружения в точке бурения.

Локальная ледовая нагрузка – оказываемое льдом нормальное к поверхности инженерного сооружения давление, распределенное по пятну контакта, расположенному в определенном районе инженерного сооружения. Локальная нагрузка является расчетной при оценке местной прочности корпуса сооружения.

Глобальные ледовые нагрузки могут быть ограничены либо природными движущими силами, включая собственную энергию движущихся ледяных образований, либо несущей способностью ледяных образований. Природная движущая сила может определяться как суммарная сила от воздействия течения, ветра, а также от взаимодействия с окружающим льдом. При этом силы могут действовать как в одном, так и в различных направлениях. Под собственной энергией ледяного образования подразумевается кинетическая энергия его движения. При взаимодействии ледяного образования с ледостойким сооружением возможны различные виды разрушения ледяного образования.

Локальная ледовая нагрузка характеризуется размерами пятна контакта и законом распределения давления внутри зоны контакта. В настоящее время известны более десятка различных законов распределения ледовой нагрузки, предложенных специалистами разных стран. Знание закона распределения нагрузки имеет принципиальное значение при ее расчете.

Локальные ледовые нагрузки, возникающие в процессе дрейфа, могут быть определены с помощью оборудования стального корпуса платформы тензодатчиками. Непрерывные тензометрические измерения имеют не только важное научное значение, но и позволят контролировать состояние корпуса в процессе эксплуатации. Глобальные ледовые нагрузки определяются с помощью шестикомпонентных датчиков, включающих акселерометры и гироскопы. Измерения нагрузок особо актуальны во время ледовых сжатий, когда дрейфующая платформа испытывает наибольшее ледовое воздействие. При этом исследования нагрузок дополняются исследованиями прочностных свойств натурного льда, действующего на платформу.

Наиболее информативными испытаниями прочности льда являются крупномасштабные испытания, при которых нагружается вся толща ледяного покрова. Для определения прочности льда при изгибе крупномасштабными являются традиционные испытания консолей на плаву. Крупномасштабные испытания прочности льда при сжатии не являются общепринятыми, ввиду их большой трудоемкости и сложности экспериментального оборудования. Однако выполнение крупномасштабных испытаний является весьма важным, поскольку совместно с традиционными испытаниями малых образцов это позволяет установить взаимосвязь между прочностью образцов льда (основной объем данных о прочности льда при сжатии получен именно по результатам таких испытаний) и прочностью всей толщи ледяного покрова, которая, в рамках существующих подходов к расчетам ледовых нагрузок, и должна, по-видимому, подставляться в расчетные формулы.

В настоящее время в ААНИИ разработано оборудование для определения крупномасштабной прочности льда при сжатии (Лихоманов, Крупина, 2007). Его использование в натурных условиях показало его работоспособность и эффективность. Существуют две модификации оборудования: для определения крупномасштабной прочности при сжатии и для определения нагрузок при внедрении цилиндрического индентора (рис. 3–5).

Рис. 3. Силовой блок для крупномасштабных испытаний прочности льда при сжатии (слева) и испытаний по внедрению цилиндрического индентера (справа)

Рис. 4. Вид сверху на размещенный в майне силовой блок (слева) и лед в месте воздействия нагрузочной плиты во время испытания прочности льда при крупномасштабном сжатии (справа)

Рис. 5. Вид сверху на размещенный в майне силовой блок (слева) и лед в месте воздействия индентера во время испытания (справа)

Ввиду того, что существующее оборудование для крупномасштабных испытаний разрабатывалось для использования в краткосрочных экспедициях, оно было спроектировано максимально мобильным, что повело за собой ограничения в использовании: оно может применяться только на ровном льду толщиной не более 70 см и создавать усилие не более 70 т. Для долговременных дрейфующих обсерваторий оборудование должно быть усовершенствовано. Оно может быть менее мобильным, но более мощным и пригодным к использованию на существенно больших толщинах льда.

Совместно с проведением и по результатам испытаний ледовых нагрузок и прочностных свойств льда могут быть разработаны и апробированы системы мониторинга ледовых нагрузок на промышленные объекты и системы мониторинга состояния этих объектов с целью повышения уровня безопасности их эксплуатации.

С целью выработки требований к оптимальным параметрам инженерного сооружения для обеспечения заданной автономности, грузо– и пассажировместимости, возможности проведения широкого спектра научных исследований проанализированы логистические и финансовые затраты на организацию 37 советских и российских станций дрейфующих станций «СП».

В результате выполненного анализа проработаны и проанализированы технико-экономические показатели трех вариантов плавучих инженерных сооружений для долговременного базирования научно-исследовательских обсерваторий типа станций «Северный Полюс»: Наиболее перспективным представляется вариант самоходной водоизмещающей платформы с упрощенными формами и высокой ледовой прочностью корпуса, способной автономно дрейфовать в высоких широтах СЛО не менее двух лет и самостоятельно (своим ходом) возвращаться из точки окончания дрейфа в точку начала следующего дрейфа по чистой воде (способностью самостоятельного движения во льдах платформа не обладает).

К числу факторов, повышающих экономический эффект использования платформы и не имеющих в настоящее время количественного выражения, следует отнести:

– возможность существенного расширения круга научных исследований;

– использование нового оборудования, которое по своим техническим параметрам не может быть использовано в условиях дрейфующей льдины;

– качество и скорость обработки результатов наблюдений;

– условия работы и жизни полярников.

Ю.П. Гудошников, Г.К. Зубакин, А.В. Чернов. Вопросы обеспечения безопасности морских инженерных сооружений от айсбергов. //«Морская Биржа», № 3 (25), 2008. С. 70–73.

Ю.П. Гудошников, В.А. Лихоманов, А.В. Чернов, Н.А.Крупина. Натурные исследования ледовых нагрузок. // «Oil&Gas Journal Russia», № 6 (30), 2009. С. 28–34.

В.А. Лихоманов, Н.А. Крупина. Инженерные аспекты в задачах оценки воздействия льда на суда и другие сооружения. //«Морская Биржа», № 2 (20), 2007. С. 66–68.