Кіріспе
Мұзды суларда жүзе алатын кеме – мұзбен қапталған суларда қозғалып, басқа қайықтар мен кемелерге қауіпсіз су жолдарын қамтамасыз етуге арналған арнайы мақсаттағы кеме немесе қайық. Бұл термин көбінесе мұзды бұзатын кемелерге қатысты болғанымен, Ұлыбритания каналдарында бұрын қолданылған мұз бұзатын қайықтар сияқты кішірек кемелерге де қатысты болуы мүмкін. Кемені мұз бұзатын кеме деп санау үшін, оның үш қасиеті болуы керек: нығайтылған корпус, мұзды бұзуға қолайлы пішін және теңіз мұзын бұзуға жеткілікті күш. Мұзды бұзуға арналған баржалардың жетістігі соншалық, қала осындай төрт кеме сатып алуға мәжбүр болды. Мұз бұзатын баржалар Кіші мұз дәуірінің суық қыстарында қолданыла берді, осы кезеңде Төмендік елдерде сауданың және адамдар мен тауарларды тасымалдаудың көлемі арта түсті. XV ғасырда Фландрияда (Оденаарде, Кортрейк, Ипер, Вёрне, Диксмуид және Хюльст) мұз бұзатын кемелерді пайдалану кеңінен таралған. Мұз бұзатын баржаларды қолдану 17 ғасырда кеңейді, нәтижесінде Төмендік елдердегі барлық маңызды қалалар өз су жолдарын таза ұстау үшін мұз бұзатын кемелерді пайдаланды. 17 ғасырға дейінгі мұз бұзатын кемелердің техникалық сипаттамалары белгісіз. Мұз бұзатын кемелердің техникалық сипаттамалары олардың жылқылардың көмегімен сүйреліп, кеме салмағының мұзды үстінен басып, оны бұзуын көрсетеді. Олар балталар мен аралармен жұмыс істейтін адамдармен бірге қолданылды және олардың технологиясы өнеркәсіптік революцияға дейін көп өзгерген жоқ.
An icebreaker is a special purpose ship or boat designed to move and navigate through ice covered waters, and provide safe waterways for other boats and ships. Although the term usually refers to ice breaking ships, it may also refer to smaller vessels, such as the icebreaking boats that were once used on the canals of the United Kingdom. For a ship to be considered an icebreaker, it requires three traits most normal ships lack: a strengthened hull, an ice clearing shape, and the power to push through sea ice. The efforts of the ice breaking barge were successful enough to warrant the town purchasing four such ships. Ice breaking barges continued to see use during the colder winters of the Little Ice Age with growing use in the Low Country where significant amounts of trade, and transport of people and goods took place. In the course of fifteenth century the use of ice breakers in Flanders (Oudenaarde, Kortrijk, Ieper, Veurne, Diksmuide and Hulst) was already well established. The use of the ice breaking barges expanded in the 17th century where every town of some importance in the Low Country used some form of icebreaker to keep their waterways clear. Before the 17th century the specifications of icebreakers are unknown. The specifications for ice breaking vessels show that they were dragged by teams of horses and the heavy weight of the ship pushed down on the ice breaking it. They were used in conjunction with teams of men with axes and saws and the technology behind them didn't change much until the industrial revolution.
Полярлық суларда жүзетін желкенді кемелер
Мұзбен күшейтілген кемелер полярлық зерттеулердің алғашқы күндері қолданылған. Бұлар бастапқыда ағаштан жасалған және қолданыстағы жобаларға негізделген, бірақ су сызығының айналасында екі қабатты тақтайлармен және кеменің ішіндегі нығайту мүшелерімен күшейтілген. Сыртқы жағына темір ленталар оралған. Кейде қайықтың алдыңғы, артқы жағына және кеменің бойына металл қаптамалар орнатылатын. Мұндай күшейту кемеге мұзды тебуге көмектесу үшін, сондай-ақ кеме мұзға қысылып зақымдануынан сақтау үшін жасалған. Мұзға қысылу дегеніміз – кеме төңірелігіндегі мұздың кемеге қарсы итеріліп, оны вицедей қысып, зақымдауы. Бұл вицедей әсер жел мен толқындардың мұз құрылымдарына тигізетін күшінен туындайды. Полярлық суларда алғаш рет эскимостардың қайықтары пайдаланылды. Олардың каяктары – жабық палубасы және бір немесе бірнеше кокпиттері бар, бір немесе екі ескекпен басқарылатын кішкентай, адам күшімен жүретін қайықтар. Мұндай қайықтар мұзды бұза алмайды, бірақ жеңіл және мұз үстінде тасымалдауға ыңғайлы. 9-10 ғасырларда викингтер Солтүстік Атлантикаға, содан кейін Арктикадағы Гренландия мен Шпицбергенге жетті. Дегенмен, викингтер кемелерін ортағасырлық жылы кезеңде, жылдың көп бөлігінде мұзсыз суларда жүргізді. 11 ғасырда Солтүстік Ресейде, жылдың жартысынан астам уақыты мұзбен қапталған Ақ теңіз жағалаулары мекендеуге кірісті. Солтүстік Мұзды мұхит жағалауында тұратын карельдіктер мен орыстардың аралас этностық тобы Поморлар ("теңіз жағалауындағы қоныстанғандар") деп аталды. Олар бірте-бірте Арктика теңіздерінің мұздық жағдайларында, кейіннен Сібір өзендерінде саяхаттауға арналған бір немесе екі мастты ағаштан жасалған желкенді кемелердің ерекше түрін жасады. Алғашқы мұз сындыратын кемелер коч деп аталды. Кочтың корпусы су сызығы бойымен мұзға төзімді, тегіс қабырғалы тақтайшалармен қоршалған және мұз үстінде тасымалдауға арналған жалған кілге ие болды. Егер коч мұзға қысылса, су астындағы дөңгелек пішіндес корпусы кемені судан шығарып, мұзға зақымсыз түсіруге мүмкіндік берді. 19 ғасырда осыған ұқсас қорғаныс шаралары қазіргі бумен жұмыс істейтін мұз сындыратын кемелерге де қолданылды. Сапар дәуірінің соңындағы кейбір атақты желкенді кемелерде, мысалы, Фридтжоф Нансен және басқа да ұлы норвегиялық полярлық зерттеушілер қолданған Фрам, Помор қайықтарының жұмыртқа тәрізді пішіні болды. Фрам – ең алыс солтүстікке (85°57'N) және ең алыс оңтүстікке (78°41'S) жүзіп өткен, сондай-ақ бұрын-соңды салынған ең мықты ағаш кемелердің бірі.
Бумен жұмыс істейтін мұз сындыратын кемелер
Мұзда жұмыс істеуге арналған алғашқы кеме – ағаштан жасалған бу қайығы, City Ice Boat No. 1, оны 1837 жылы Филадельфия қаласы үшін Вандусен және Бирэлин салған. Кеме екі бу қозғалтқышымен жұмыс істеді, ал оның ағаш қайырмалары темір қаптамалармен бекітілді. Дөңгелек пішіні мен мықты металл корпусы бар 1864 жылғы «Русский пилот» винтілі қазіргі заманғы мұз сындыратын кемелердің маңызды алдыңғы үлгісі болды. Кеме саудагер және кеме жасаушы Михаил Бритневтің тапсырысы бойынша салынған. Кеменің мұздан арылу мүмкіндігіне ие болу үшін оның тұмсығы өзгертілді (күл сызығынан 20° көтерілу). Бұл Pilot-қа мұздың үстіне көтеріліп, оны сындыруға мүмкіндік берді. Бритнев кемесінің алдыңғы жағын ғасырлар бойы Ақ теңіз бен Баренц теңізінің мұздай суларында жүзіп жүрген ескі помор қайықтарының пішініне ұқсас етіп жасады. 1864 және 1890 жылдар аралығында Фин шығанағында Кронштадт пен Ораниенбаум арасындағы кеме қатынасы үшін пайдаланылған, осылайша жазғы кеме қатынасы маусымын бірнеше аптаға ұзартты. «Пилот» кемесінің сәттілігіне шабыттанған Михаил Бритнев 1875 жылы екінші «Бой» («Брейк» орыс тілінде) кемесін және 1889 жылы үшінші «Буй» («Буй» орыс тілінде) кемесін жасады. 1870–1871 жылдардағы суық қыс Эльба өзені мен Гамбург портының тоңазып кетуіне себеп болды, бұл кеме қатынасын ұзақ уақыт тоқтатып, үлкен коммерциялық шығынға әкелді. Карл Фердинанд Штайнхаус өзінің мұз сындыратын кемесі «Айсбрехер I» жасау үшін Бритневтің өзгертілген Pilot дизайнын қайта қолданды. Бірінші нағыз қазіргі заманғы теңізде жүзе алатын мұз сындыратын кеме XX ғасырдың басында салынған. «Ермак» мұзқұйғышы 1899 жылы Англиядағы Армстронг Уитворт кемежайында Ресей империясының әскери-теңіз флотымен келісімшарт бойынша салынған. Кеме Pilot-тан негізгі принциптерді алып, оларды бірінші полярлық мұзқұрғақты құруға қолданды, ол мұздың үстінен жүгіріп, талқандай алды. Кеме 5000 тонна су сыйымдылығына ие болды, ал оның булы поршеньді қозғалтқыштары қуатты күш берді. Кеме 1963 жылы қызметтен шығарылып, 1964 жылы бұзылды, осылайша ол әлемдегі ең ұзақ қызмет еткен мұз сындыратын кемелердің бірі болды. Канадада үкімет Сент-Лоуренс өзенінде мұз қатып қалғандықтан су тасқынын болдырмау үшін шара қабылдау қажет болды. Өзенді мұздықтан тазарту үшін мұз бұзғыштар салынды, Монреальдің шығысында. Шамамен сол уақытта Канада Арктикадағы міндеттемелерін орындауға мәжбүр болды. CGS N. B. McLean (1930) және CGS D'Iberville (1952) сияқты ірі булы мұз бұзғыштар осы екі мақсатта (Сент-Лоуренс тасқынын алдын алу және Арктиканы жабдықтау) салынды. XX ғасырдың басында тағы бірнеше ел арнайы салынған мұз сындыратын кемелерді пайдалануға кірісті. Көпшілігі жағалаудағы мұз бұзғыштар болды, бірақ Канада, Ресей және кейіннен Кеңес Одағы да 11000 тоннаға дейін су сыйымдылығы бар бірнеше мұхит мұз бұзғыштарын жасады.
Дизельмен жұмыс істейтін мұз сындыратын кемелер
1930 жылдары дизельді-электрлік мұз сындыратын алғашқы кемелер салынғанға дейін мұз сындыратын кемелер көмір немесе мұнай отынымен жұмыс істейтін бу кемелері болатын. Бу дәуірінде соғысқа дейінгі ең қуатты бумен жұмыс істейтін мұз сындыратын кемелердің қозғалтқыш қуаты шамамен 70 киловаттқа жететін. Екі кеме де 1970 жылдары қызметтен шығарылып, екі елде де әлдеқайда үлкен мұз сындыратын кемелермен алмастырылды – 1976 жылы Финляндияда салынған «Сису» және 1977 жылы Швецияда салынған «Ймер». 1941 жылы АҚШ Скандинавия және Совет Одағында зерттеулер жүргізуді бастады, нәтижесінде өте мықты, қысқа және кең корпусы, кесілген алдыңғы бөлігі және дөңгелек түбі бар дизайн пайда болды. Қуатты дизельді-электрлі механизмдер екі корпуска және бір қосымша бағыттайтын винтті қозғалтатын. Бұл ерекшеліктер соғыстан кейінгі мұз сындыратын кемелер үшін 1980 жылдарға дейін стандартқа айналды. 1970 жылдардың ортасынан бастап ең қуатты дизельді-электрлік мұз сындыратын кемелер бұрынғы кеңестік, кейіннен ресейлік «Ермак», «Адмирал Макаров» және «Красин» мұз сындыратын кемелері болды, олардың әрқайсысы үш қозғалтқышқа қуат беретін он екі цилиндрлі дизельдік генераторлардың тобын пайдаланды.
Ядролық қуатты мұз бұзатын кемелер
Қазіргі уақытта Ресей барлық қолданыстағы және жұмыс істейтін ядролық қуатты мұз сындыратын кемелерді пайдаланады. Біріншісі, НС «Ленин», 1957 жылы суға түсіріліп, 1959 жылы пайдалануға берілді, ал 1989 жылы ресми түрде қызметтен шығарылды. Ол әлемдегі алғашқы ядролық қуатпен жүретін су үстіндегі кеме және алғашқы ядролық қуатпен жүретін азаматтық кеме болды. Екінші советтік ядролық мұз сындыратын кеме – НС «Арктика», ол 1975 жылдан бері қызметте. 1977 жылдың 17 тамызында ол Солтүстік полюске жеткен алғашқы су үстіндегі кеме болды. Кеңес Одағынан тыс жерлерде де бірнеше ядролық қуатты мұз сындыратын кемелер салынды. 1980 жылдардың соңында Финляндияда Кеңес Одағы үшін екі «Таймыр» класты ядролық мұз сындыратын кеме салынды.
Функция
Бүгінде мұз бұзатын кемелердің көпшілігі сауда жолдарын ашық ұстау үшін қажет, мұздың маусымдық немесе тұрақты жағдайы бар жерлерде. Бұл аймақтардағы порттарға келетін сауда кемелері мұзда жүзуге арналған күшейтілген конструкцияға ие болғанымен, көбінесе мұзды өздері басқаруға жеткілікті қуатты емес. Осы себепті Балтық теңізінде, Ұлы көлдерде, Сент-Лоуренс теңіз жолында және Солтүстік теңіз жолы бойында мұз бұзатын кемелердің басты міндеті – бір немесе бірнеше кемеден тұратын конвойды мұзды сулар арқылы қауіпсіз сүйемелдеу болып табылады. Егер кеме мұзға қалып қойса, мұз бұзатын кеме оны қоршаған мұзды сындырып босатуға, ал қажет болған жағдайда мұз жамылғысынан қауіпсіз өткел жасауға тиіс. Қиын мұз жағдайында мұз бұзатын кеме ең осал кемелерді буксирлеуге де қабілетті. Кейбір мұз бұзатын кемелер Арктика және Антарктикада ғылыми зерттеулерді қолдау үшін де пайдаланылады. Мұзды бұзу қабілетімен қатар, кемелердің полярлық аймақтарға және одан қайту үшін жақсы теңіздік сипаттамалары, ғылыми қызметкерлерге арналған жабдықтар мен тұру орындары, сондай-ақ жағалаудағы ғылыми станцияларды жабдықтау үшін жүк тасымалдау мүмкіндігі болуы керек. Жыл сайын ауыр тоннажды мұз бұзатын кеме "Қою тоңазыту" операциясын жүзеге асырып, Антарктидадағы Ұлттық ғылым қорының МакМердо ғылыми базасына жабдық жеткізуге арналған кемелерге қауіпсіз жол ашады. Соңғы бірнеше айлық экспедицияны "Полярлық жұлдыз" кемесі жетекшілік етті, ол мұзды каналды таза ұстап тұрғанда, қиын жағдайларда контейнерлік және жанармай тасымалдайтын кемені сүйемелдеді.
Мұзға төзімділігі және корпус пішіні
Мұзжарғыштар көбінесе еңіс қондырғыларын мұзға тіреп, кеменің салмағымен оны сыну арқылы кемелер ретінде сипатталады. Шын мәнінде, мұндай жағдай өте қалың мұзда ғана орын алады, онда мұзжарғыш баяу жылдамдықпен ілгерілейді немесе тіпті бірнеше кеме ұзындығына кері шегініп, мұзды толық қуатпен соғып өтуі мүмкін. Көбінесе, салыстырмалы түрде төмен иілгіштікке ие мұз оңай сынып, кеме салыстырмалы түрде жоғары және тұрақты жылдамдықпен қозғалғанда, кеменің жарығында айқын өзгеріссіз корпус астына батып кетеді. Мұзжарғыш жобаланған кезде, басты мақсаттардың бірі – мұзды ұрып-соғудан және сынудан, сондай-ақ сынық мұз қабаттарын кеме астына батырудан туындайтын күштерді азайту болып табылады. Бұл күштердің бойлық компоненттерінің орташа мәні кеменің мұзға қарсы кедергісі деп аталады. Мұзжарғыш кемелерді жобалайтын кеме құрылысшылары кеменің мұзжару қабілетін анықтау үшін h v қисығын пайдаланады. Бұл қисық кеменің жылдамдығын (v) мұз қалыңдығының (h) функциясы ретінде көрсетеді. Бұл үшін пропеллерлерден туындайтын итеру күші кеменің гидродинамикалық және мұздық кедергілерінің жиынтығына тең болатын жылдамдық есептеледі. Мұздың әртүрлі жағдайларында, мысалы, қысымды тізілімдерде кеменің мұзжару қабілетін анықтаудың баламалы тәсілі – мұз резервуарында модельдік сынақтар жүргізу. Қолданылған әдіс қандай болсын, жаңа мұзжарғыштардың нақты жұмыс істеу қабілеті кеме құрастырылып біткеннен кейін толық масштабты мұз сынақтары арқылы тексеріледі. Мұзжару күштерін азайту үшін мұзжарғыш кеменің корпусының сызықтары әдетте су сызығындағы жалынның мүмкіндігінше азайтылуы үшін жасалады. Нәтижесінде, мұзжарғыш кемелер еңіс немесе дөңгелек түмсыққа, сондай-ақ еңіс бүйірлерге және мұзда маневрлеуді жақсарту үшін қысқа параллель орта бөлікке ие. Қысқа және жалпақ мұзжарғыштар көбінесе көлденең каркас конструкциясын пайдаланып жасалады, онда қабық қаптамасы ұзын кемелерде қолданылатын бойлық каркастарға қарағанда жақын аралықта орналасқан каркастармен нығайтылады. Су сызығының жанында тік бағытта жүретін каркастар қабық қаптамасындағы жергілікті шоғырланған мұз жүктемесін бойлық арқалықтар деп аталатын созылған арқалықтарға бөледі, ал олар өз кезегінде кеңірек тараған корпус жүктемесін көтеретін желді каркастар мен бөлімшелермен қамтамасыз етіледі. Егер American Bureau of Shipping, Det Norske Veritas немесе Lloyd's Register сияқты сыныптау қоғамы белгілеген ережелерге сәйкес жасалса, мұзжарғыштарға кеме корпусындағы мұз нығайту деңгейіне байланысты мұз класы тағайындалуы мүмкін. Бұл әдетте кеме жұмыс істейтін ең үлкен мұз қалыңдығы және басқа талаптар, мысалы, тарануға қатысты шектеулер арқылы анықталады. Мұз класы көбінесе мұзжарғыштың нақты мұзжару қабілетін емес, мұз нығайту деңгейінің көрсеткіші болғанымен, кейбір сыныптау қоғамдары, мысалы Ресейдің теңіз кемелерінің тіркелімі, белгілі бір мұз кластары үшін операциялық қабілеттілік талаптарына ие. 2000 жылдан бері Халықаралық сыныптау қоғамдары қауымдастығы (IACS) сыныптау қоғамдарының арнайы мұз кластарының белгілерін алмастыру үшін Полярлық класс (PC) деп аталатын бірыңғай жүйені қабылдауды ұсынды.
Қуат пен қозғалтқыш
Екінші дүниежүзілік соғыстан бері көптеген мұз сындыратын кемелер дизельді-электрлік жетегімен жасалған. Дизельді қозғалтқыштар генераторлармен қосылып, жетегіш моторларға электр энергиясын береді, бұл моторлар тұрақты питчті винттерді айналдырады. Алғашқы дизельді-электрлік мұз сындыратын кемелер тұрақты ток (DC) генераторларымен және жетегіш моторлармен жабдықталған, бірақ жылдар өте технология дамып, ең алдымен ауыспалы ток (AC) генераторларына, содан кейін жиілігі басқарылатын AC-AC жүйелеріне жетті. Винттердің саны, түрі және орналасуы кеменің қуатына, суға бату тереңдігіне және арналуына байланысты. Кішкентай мұз сындыратын кемелер мен арнайы мақсаттағы мұз сындыру кемелері бір винтпен де жұмыс істей алады, ал үлкен полярлық мұз сындыратын кемелерге барлық қуатты сіңіру және жеткілікті итеру күшін беру үшін әдетте үш үлкен винт қажет. Кейбір шалшықты мұз сындыратын кемелердің кормасында төрт винт орнатылған. Төмен жылдамдықтарда итеру күшін арттыру үшін тұмсықтар қолданылуы мүмкін, бірақ олар мұзбен бітіліп қалуы мүмкін. Азимут жетегіштер дәстүрлі винттер мен рульдердің қажеттілігін жояды, өйткені винттер тік осьтің айналасында 360 градусқа бұрыла алатын басқарылатын гондолаларда орналасқан. Бұл жетегіштер кеменің жетегіш тиімділігін, мұз сындыру қабілетін және маневрлеуін жақсартады. Азимут жетегіштерді пайдалану кемеге маневрлеу қабілетін жоғалтпай, мұзда кері жылжуға мүмкіндік береді. Бұл екі бағытты кемелерді – кормасы мұз сындыратын кеменің басындай, ал басы ашық суда жұмыс істеуге арналған кемелерді жасауға әкелді. Осылайша, кеме ашық суда экономикалық тұрғыдан тиімді жұмыс істей алады, ал мұздың қиын жағдайларында жұмыс істеу қабілетін жоғалтпайды. Азимут жетегіштер мұз арқылы кең арна ашу үшін бүйінінен жұмыс істейтін жаңа тәжірибелік мұз сындыратын кемелерді жасауға да мүмкіндік берді.
Ядролық қуатты
Бумен жұмыс істейтін мұз бұзғыштар 1950 жылдардың соңында қайта қолданысқа енді, Кеңес Одағы 1959 жылы алғашқы ядролық қуатты Ленин мұз бұзғышын тапсырғанда. Онда ядролық реактор турбогенераторларға бу өндіру үшін пайдаланылатын ядролық турбоэлектрлік жетегі болды, ал турбогенераторлар өз кезегінде жылжыту қозғалтқыштарына электр энергиясын өндірді. 1975 жылдан бастап, ресейліктер алты "Арктика" класындағы ядролық мұз бұзғыш кемені пайдалануға берді. Советтер сонымен қатар бір ядролық реакторы және тікелей винт бұрандасына жалғанған бу турбинасы бар ядролық мұз бұзатын жүк кемесі – "Севморпутты" да салды. Ядролық мұз бұзғыш кемелердің жалғыз операторы болып табылатын Ресей қазіргі уақытта ескірген "Арктика" класындағы мұз бұзғыштарды алмастыру үшін жаңа мұз бұзғыштар салып жатыр. Осы типтегі алғашқы кеме 2020 жылы пайдалануға берілді.
Резонанстық әдіс
Су шамалы кемелері резонанс әдісі арқылы мұзды бұзуға қабілді. Бұл мұз бен судың жоғары-төмен қозғалысын тудырады, нәтижесінде мұз жеткілікті механикалық тозуға ұшырап, жарылады.