Принцип работы ледокола: как корабли ломают лед

Веками людям, проживающим в северных регионах нашей планеты, приходилось поддерживать судоходство с помощью различных ледокольных операций в бассейнах замерзающих морей, озер и рек. Так появились ледоколы — особый класс судов с уникальным принципом работы.

Как работает ледокол: простое объяснение

Существует два способа преодоления ледяного массива — разрезания льда с помощью специального прикрепленного в носовой части судна форштевня, либо крошения льда за счет веса судна. В зависимости от того, как ледоколы ломают лед их принято разделять на ледорезы и ледоколы.

Один из первых российских ледоколов Ермак

Особенность ледорезов — острый прямой нос, которым они раздвигали лед. Но для такой схемы требуются очень мощные двигатели и не менее прочный корпус, что экономически затратно. Со временем от них пришлось отказаться.

Преимущество ледоколов оказалось очевидным: вместо разрезания — разлом льда. Используя плоскую конфигурацию дна и мощную силовую установку, ледокол наползает на лед, ломая его всем своим весом.

Устройство ледокола: особенности конструкции

В отличие от обычных судов ледоколы имеют несколько важных особенностей, позволяющих им пробиваться сквозь льды. Речь прежде всего идет об усиленном корпусе и его уникальной форме, большом весе и сверхмощных двигателях.

Корпус. Для создания корпуса ледокола используются толстые листы из особых сортов стали, способных противостоять льдам и низким температурам. Его нос — зона максимальной нагрузки — примерно в 1,5 раза толще бортов и кормы, чтобы на скорости выдерживать столкновение со льдом, толщина которого может достигать несколько метров.

Округлая форма носовой части помогает судну проламывать лед и расталкивать в стороны его обломки, избегая прилипания их к корпусу. У ледоколов относительно короткий корпус, что дает им возможность маневрировать во льдах.

Энергетическая установка. В устройстве ледокола одним из важнейших элементов является силовая энергетическая установка. На современных судах ледокольного класса используются три типа силовых установок — дизель-электрические, электродинамические и атомные.

На дизель-электрических ледоколах генераторы приводятся в действие дизелями, в то время, как в кормовой части установлены электродвигатели, непосредственно соединенные с винтами.

Дизель-электрический ледокол Владивосток

На ледоколах с электродинамическими установками используется принцип взаимодействия магнитных полей двух катушек с током: неподвижной и подвижной. При прохождении тока через них возникает вращающий момент, стремящийся повернуть подвижную катушку так, чтобы ее поле совпало с полем неподвижной катушки.

Ядерная силовая установка ледокола

На ледоколах с ядерной силовой установкой (ЯСУ) задействована энергия цепной реакции деления ядра, когда тепловая энергия в реакторе преобразуется в механическую или электрическую.

Из-за специфики выполняемой ледоколом задачи ему необходимы высокая тяга при небольшой скорости, поскольку для разрушения льда он прилагает вертикальную силу (свой вес) в сочетании горизонтальной силой (тягой движителей). Ледокол как бы вползает на кромку льда с помощью силовой установки.

Лед разрушается постепенно — вначале происходит изгиб, затем раскол и отталкивание обломков в сторону. При высокой скорости такое невозможно. Невысокая скорость дает возможность ледоколу стабильно давить на лед, не подвергая опасности разрушения корпус и винты. Таким образом, высокая тяга при невысокой скорости (примерно 2-6 км/ч) — это необходимый технологический компромисс, определяемый особенностями выполняемой ледоколами задачи.

Зачем ледоколу такая мощность? Система винтов и рулей

Очевидно, что ледоколам приходится работать в экстремальной среде — в окружении массивного льда и сурового арктического климата.

Особая нагрузка приходится на винты, поэтому их делают из особо прочных материалов — бронзовых сплавов или специальных сталей. Минимальный рабочий ресурс ледокольных винтов 20-25 лет.

Ледокольные винты — это высокоспециализированные конструкции, сочетающие в себе особую геометрию, высокопрочные материалы и принципы проектирования, что обеспечивает им надежность, долговечность в экстремальных условиях.

Ледокольные винты

Преодолевая обширные ледовые поля, где толщина льда может достигать нескольких метров, ледоколам приходится маневрировать. Один из основных маневров — реверс характеризуется изменением направления движения судна с переднего хода на задний и наоборот с помощью движительно-рулевого комплекса.

Находясь во льдах и подвергаясь колоссальным нагрузкам, ледокол должен быть надежно защищен. Это стало возможно, благодаря конструкции судна из специальной стали — особой бочкообразной форме с усилением в районе ватерлинии (ледовый пояс), системе усиленных шпангоутов и стрингеров, разделению на отсеки водонепроницаемыми переборками и относительно короткому корпусу (для улучшения маневренности).

К этому следует добавить скошенный ледокольный форштевень, предотвращающий полный выход ледокола на лед и ледовые палубы, которые набирают по поперечной системе для обеспечения лучшей устойчивости настила при сжатии корпуса во льдах.

Особая маневренность необходима ледоколу в условиях тяжелого (трудно проходимого) льда. К таким маневрам относятся развороты во льду (циркуляцией или «елочкой»), околка судов (разрушение льда, препятствующего движению идущего за ледоколом судна), преодоление торосов непрерывным ходом с потерей скорости, работой ударами (набегами) или движением задним ходом.

Как ледокол ломает лед

Тактика ледоколов по преодолению ледяного массива разнообразна. К примеру, единственный в мире асимметричный ледокол «Балтика», используя необычную форму корпуса и пропульсивный комплекс из трех винторулевых колонок, способен разрушать лед, надвигаясь на него не прямолинейно, а под углами в 30, 40 и даже 90 градусов. Это позволяет создавать более широкую полосу воды, очищенную ото льда.

Лед можно разрушать, используя колебания корпуса. Ледоколы с закругленным носом надвигаются на ледяную кромку и разламывают ее своим весом. Если непрерывное движение вперед невозможно, то ледокол действует «набегами», отходя назад, и набрав скорость, вновь надвигается на лед.

Для обеспечения навигации в зимний период в полярных широтах ледоколы осуществляют прокладку канала для других судов несколькими методами. Среди них лидирование — прокладка судоходного канала впереди идущим ледоколом. В тяжелых ледяных условиях применяется метод елочки, когда ледокол движется с небольшими разворотами вправо/влево, чтобы расширить канал.

Проводка судов методом лидирования

При дрейфе или сжатии льда ледоколы могут идти параллельными курсами рядом друг с другом или уступом под ветер. В этом случае караван следует в кильватер наветренному ледоколу, канал от которого дольше остается чистым.

При прокладке широкого канала проводка осуществляется двумя ледоколами. При этом второй ледокол скалывает лед и сдвигает его в канал от первого ледокола.

Класс ледоколов: от речных судов до атомных гигантов

Ледоколы относятся к судам ледового класса, что показывает их способность находиться в море в зависимости от тяжести ледовых условий. В разных странах существуют свои системы ледовых классов. К примеру, в России регистром судоходства определено 9 ледовых классов — Ice1 (ЛУ1), Ice2 (ЛУ2), Arc9(ЛУ9) и так далее. Своя классификация в Швеции, Финляндии, США и Канаде.

Каждой из вышеперечисленных категорий ледоколов соответствует максимальная толщина льда, которую они могут преодолеть. Так для Arc7 (ЛУ7) она составляет 1,4 м в зимне-весеннюю навигацию и до 1,7 м в летне-осеннюю, для Arc8 (ЛУ8) самостоятельное плавание в одно- и двухлетних льдах толщиной до 2,1 м — в зимне-весеннюю навигацию и до 3,1 м — в летне-осеннюю. Для Arc9(ЛУ9) эти показатели составляют соответственно 3,5 и 4,0 метра.

Особую группу представляют самые мощные атомные ледоколы, которые есть только в России. Их отличает мощная ядерная энергетическая установка, позволяющая преодолевать лед толщиной до нескольких метров. Они располагают прочнейшим корпусом из толстой стали, устойчивой к коррозии, наледи и налипанию льда. Атомные ледоколы оснащены мощными электродвигателями, приводимыми в действие от ядерного реактора. Наличие ядерного топлива позволяют годами обходиться без дозаправки.

Российский атомоход 50 лет Победы

Россия располагает сегодня самым мощным и многочисленным ледокольным флотом в мире — 84 ледокола, что составляет половину всех ледоколов в мире.

Основу российского ледокольного флота составляют атомоходы «Таймыр», «Вайгач», «Ямал», «50 лет Победы», «Арктика», «Сибирь» и «Урал». В процессе постройки находятся еще пять атомоходов «Чукотка», «Якутия», «Ленинград», «Сталинград» и «Россия».

Американский ледокол береговой охраны

Среди зарубежных ледоколов можно упомянуть финский «Полярис», самый мощный ледокол США «Хилли» и «Снежный дракон», принадлежащий Китаю. Китай также намерен в ближайшие годы создать свой атомный ледокол.

Новые технологии в ледоколостроении

Ледоколостроение по праву считается одним из наиболее перспективных направлений современного судостроения. На очереди двухкорпусные ледоколы с балластными цистернами, способными работать, как на глубокой воде, так и на мелководье, что позволит заменить устаревшие советские ледоколы в арктических районах и сделать навигацию круглогодичной.

Схема судна с азиподами

Ледоколы будущего будут оснащены азимутальными движителями (азиподами). Их особенность — грибной винт устанавливается на валу электродвигателя, что позволяет передавать вращающий момент непосредственно на винт, минуя промежуточные валы или редукторы, а само судно сможет поворачиваться на 360 градусов.

В систему управления ледоколом будут интегрированы системы навигации с искусственным интеллектом, которые учитывают сложную ледовую обстановку, влияют на скорость движения судов, помогают выбрать оптимальный маршрут и смоделировать эффективное взаимодействие судна со льдом.

Перспективы арктических маршрутов связаны прежде всего с развитием Северного морского пути (СМП) и Трансарктического транспортного коридора (ТТК). Это позволит увеличить грузооборот по перевозке нефти, СПГ, угля и других природных богатств к 2030 году до 100 млн. тонн в год. А также обеспечит круглогодичную навигацию, оптимизирование логистики и повышение эффективности использования арктических маршрутов, строительство новых портов и круглогодичный выход в Мировой океан.