Введение
Ледокол — это судно или лодка специального назначения, предназначенное для передвижения и навигации по водам, покрытым льдом, и обеспечения безопасных водных путей для других судов и лодок. Хотя этот термин обычно относится к судам ледокольного класса, он может также применяться к более мелким судам, таким как лодки-ледоколы, которые ранее использовались на каналах Великобритании. Чтобы судно считалось ледоколом, ему необходимо обладать тремя качествами, которых обычно нет у обычных судов: усиленным корпусом, формой, способствующей проламыванию льда, и достаточной мощностью для прохождения сквозь морской лёд. Успех ледокольных барж был настолько значительным, что город приобрел четыре таких судна. Ледокольные баржи продолжали использоваться в холодные зимы Малого ледникового периода, особенно широко распространившись в Нижеземьях, где велась значительная торговля и осуществлялась транспортировка людей и грузов. К XV веку использование ледоколов во Фландрии (Оуденаарде, Кортрейк, Ипр, Вёрне, Диксмёйд и Хюльст) было уже хорошо налажено. В XVII веке использование ледокольных барж расширилось, и каждый значимый город в Нижеземьях использовал ту или иную форму ледокола для поддержания судоходства на своих водных путях. Спецификации ледоколов до XVII века остаются неизвестными. Известно, что ледокольные суда приводились в движение командами лошадей, а вес судна оказывал давление на лёд, разрушая его. Они использовались совместно с группами людей, вооруженных топорами и пилами, и их технология существенно не менялась до промышленной революции.
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.
Парусные суда в полярных водах
Суда, укрепленные для плавания во льдах, использовались с первых дней полярных исследований. Изначально они были деревянными, построенными на основе существующих конструкций, но усиленными, особенно в районе ватерлинии двойной обшивкой и внутренними поперечными связями. Снаружи корпус обертывали железными полосами. Иногда на носу, корме и вдоль киля крепили металлические листы. Такие усиления предназначались для того, чтобы помочь судну прокладывать себе путь сквозь лед, а также защитить его от защемления льдом. Защемление происходит, когда льдины, окружающие судно, сжимают его, зажимая, как в тисках, и причиняя повреждения. Это сдавливание вызвано силой ветров и приливов, воздействующих на ледовые образования. Первыми лодками, использованными в полярных водах, были лодки эскимосов. Их каяки – это небольшие лодки с закрытой палубой и одной или несколькими кокпитами, в каждом из которых размещается один гребец, работающий одно- или двухлопастным веслом. Такие лодки не обладают ледокольными свойствами, но они легкие и хорошо приспособлены для переноски по льду. В IX и X веках экспансия викингов достигла Северной Атлантики, а затем Гренландии и Шпицбергена в Арктике. Однако викинги использовали свои корабли в водах, свободных ото льда большую часть года, в условиях Средневекового теплого периода. В XI веке началось заселение побережья Белого моря на севере России, получившего свое название из-за того, что более полугода оно покрыто льдом. Смешанная этническая группа карелов и русских, жившая на берегах Северного Ледовитого океана, стала известна как поморы ("морские поселенцы"). Постепенно они разработали особый тип небольших одно- или двухмачтовых деревянных парусников, предназначенных для плавания во льдах арктических морей, а позже – по сибирским рекам. Эти первые ледоколы назывались кочи. Корпус коча был защищен поясом из гладкой обшивной доски, устойчивой к повреждениям льдом, вдоль переменной ватерлинии, и имел фальш-киль для вытаскивания на лед. Если коч зажимало льдинами, его округлые обводы под ватерлинией позволяли ему вытолкнуться из воды на лед без повреждений. В XIX веке подобные защитные меры стали применяться и к современным паровым ледоколам. Некоторые известные парусные суда в конце эпохи парусного флота также имели обтекаемую, яйцевидную форму, как у поморских лодок, например, "Фрам", использованный Фритьофом Нансеном и другими выдающимися норвежскими полярными исследователями. "Фрам" был деревянным судном, достигшим самой северной (85°57'N) и самой южной (78°41'S) широты, и одним из самых прочных деревянных судов, когда-либо построенных.
Ледоколы на паровой основе
Первым судном, предназначенным для работы в ледяных условиях, был деревянный пароход City Ice Boat No. 1, построенный для города Филадельфии компанией Vandusen & Birelyn в 1837 году. Корабль приводился в движение двумя паровыми двигателями, а его деревянные весла были усилены железными накладками. Благодаря округлой форме и прочному металлическому корпусу, русский «Пилот» 1864 года постройки стал важным предшественником современных ледоколов с винтами. Судно было построено по заказу купца и судостроителя Михаила Бритнева. Нос корабля был изменен для обеспечения возможности преодоления льда (подъем на 20° от киля). Это позволяло «Пилоту» взбираться на лед и разрушать его. Бритнев спроектировал нос своего корабля по образцу старинных поморских лодок, которые веками плавали по ледяным водам Белого и Баренцева морей. «Пилот» использовался с 1864 по 1890 год для навигации в Финском заливе между Кронштадтом и Ораниенбаумом, что позволило продлить летнюю навигацию на несколько недель. Вдохновленный успехом «Пилота», Михаил Бритнев построил второй аналогичный корабль «Бой» (в переводе с русского – «Разлом») в 1875 году и третий «Буй» (в переводе с русского – «Буй») в 1889 году. Суровая зима 1870–1871 годов привела к замерзанию реки Эльбы и порта Гамбурга, вызвав длительную остановку судоходства и огромные коммерческие убытки. Карл Фердинанд Штайнхаус использовал конструкцию измененного носа «Пилота», разработанную Бритневым, для создания собственного ледокола Eisbrecher I. Первый современный морской ледокол был построен на рубеже XX века. Ледокол «Ермак» был построен в 1899 году на верфи Armstrong Whitworth в Англии по контракту с Императорским Российским флотом. Корабль позаимствовал основные принципы у «Пилота» и применил их при создании первого полярного ледокола, способного преодолевать и дробить лед. Водоизмещение корабля составляло 5000 тонн, а его паровые поршневые двигатели… Корабль был выведен из эксплуатации в 1963 году и разобран на металлолом в 1964 году, что сделало его одним из самых долговечных ледоколов в мире. В Канаде правительству потребовалось обеспечить защиту от наводнений, вызванных заторами льда на реке Святого Лаврентия. Ледоколы были построены для поддержания судоходства на реке, свободной от заторов, к востоку от Монреаля. Примерно в то же время Канада должна была выполнить свои обязательства в Канадской Арктике. Были построены крупные паровые ледоколы, такие как CGS N. B. McLean (1930) и CGS D'Iberville (1952), для двойного использования (предотвращение наводнений на реке Святого Лаврентия и снабжение Арктики). В начале XX века несколько других стран начали эксплуатировать ледоколы, построенные специально для этой цели. Большинство из них были прибрежными ледоколами, но Канада, Россия, а позже Советский Союз также построили несколько океанских ледоколов водоизмещением до 11 000 тонн.
Ледоколы на дизельном двигателе
До постройки первых дизель-электрических ледоколов в 1930-х годах ледоколы были паровыми судами, работающими на угле или нефти. В эпоху паровых ледоколов самые мощные довоенные паровые ледоколы имели мощность около. Оба судна были выведены из эксплуатации в 1970-х годах и заменены гораздо более крупными ледоколами в обеих странах: Sisu, построенный в Финляндии в 1976 году, и Ymer, построенный в Швеции в 1977 году. В 1941 году Соединенные Штаты начали строительство исследовательского судна, а исследования в Скандинавии и Советском Союзе привели к разработке конструкции с очень прочным, коротким и широким корпусом, имеющим скошенный форштевень и округлое дно. Мощная дизель-электрическая установка приводила в движение два кормовых и один вспомогательный винт в носовой части. Эти особенности стали стандартом для послевоенных ледоколов вплоть до 1980-х годов. С середины 1970-х годов самыми мощными дизель-электрическими ледоколами были бывшие советские, а затем российские ледоколы "Эрмак", "Адмирал Макаров" и "Красин", оснащенные девятью двенадцатицилиндровыми дизельными генераторами, вырабатывающими электроэнергию для трех движителей общей мощностью.
Ледные лодки на ядерной энергии
В настоящее время Россия эксплуатирует все существующие и функционирующие атомные ледоколы. Первый из них, НС «Ленин», был спущен на воду в 1957 году и вступил в эксплуатацию в 1959 году, а затем был официально выведен из эксплуатации в 1989 году. Он стал первым в мире атомным надводным судном и первым гражданским судном с ядерной энергетической установкой. Вторым советским атомным ледоколом был НС «Арктика», головное судно серии. Находясь в эксплуатации с 1975 года, он первым из надводных судов достиг Северного полюса 17 августа 1977 года. Несколько атомных ледоколов также строились за пределами Советского Союза. Два мелководных атомных ледокола класса «Таймыр» были построены в Финляндии для Советского Союза в конце 1980-х годов.
Функция
Сегодня большинство ледоколов необходимы для поддержания судоходства по торговым путям в районах с сезонными или постоянными ледовыми условиями. Хотя торговые суда, заходящие в порты этих регионов, усилены для плавания во льдах, они, как правило, недостаточно мощны, чтобы самостоятельно справляться с ледовой обстановкой. Поэтому в Балтийском море, на Великих озёрах и в судовом канале Святого Лаврентия, а также вдоль Северного морского пути, основная задача ледоколов – безопасно проводить конвои из одного или нескольких судов через льды. Если судно оказывается застрявшим во льдах, ледокол должен освободить его, разбивая окружающий лёд и, при необходимости, прокладывая безопасный проход через ледовое поле. В сложных ледовых условиях ледокол также может буксировать наиболее слабые суда. Некоторые ледоколы также используются для поддержки научных исследований в Арктике и Антарктике. Помимо способности преодолевать льды, эти суда должны обладать приемлемыми ходовыми качествами на открытой воде для перехода в полярные регионы и обратно, иметь оборудование и жилые помещения для научных сотрудников, а также грузоподъёмность для снабжения береговых исследовательских станций. Каждый год тяжёлый ледокол выполняет операцию «Глубокая заморозка», расчищая безопасный путь для судов снабжения к антарктической станции Национального научного фонда Мак-Мердо. Недавняя многомесячная экспедиция была проведена под руководством ледокола «Полярная звезда», который сопроводил контейнеровоз и танкер в сложных условиях, а затем поддерживал канал, свободным от льда.
Сопротивление льду и форма корпуса
Ледоколы часто описываются как суда, которые наводят свои наклонные носовые части на лед и разрушают его под весом корабля. В действительности, это происходит только в очень толстом льду, где ледокол движется со скоростью шага или даже может быть вынужден неоднократно отступать на несколько корпусных длин и таранить ледовый покров на полной мощности. Чаще всего лед, обладающий относительно низкой прочностью на изгиб, легко ломается и погружается под корпус без заметного изменения осадки ледокола, пока судно движется вперед с относительно высокой и постоянной скоростью. При проектировании ледокола одной из основных целей является минимизация сил, возникающих при дроблении и разрушении льда, а также при погружении обломков льда под судно. Среднее значение продольных составляющих этих мгновенных сил называется сопротивлением судна льду. Для определения ледопроходимости судна судостроители-проектировщики ледоколов используют так называемую кривую h-v. Она показывает скорость (v), которую судно может достичь в зависимости от толщины льда (h). Это достигается путем расчета скорости, при которой тяга гребных винтов равна суммарному гидродинамическому и ледовому сопротивлению судна. Альтернативным способом определения ледопроходимости судна в различных ледовых условиях, таких как торосы, является проведение модельных испытаний в ледовом бассейне. Независимо от метода, фактические характеристики новых ледоколов проверяются в полномасштабных ледовых испытаниях после постройки судна. Для минимизации сил ледокола конструкция корпуса ледокола обычно проектируется таким образом, чтобы ширина ватерлинии была как можно меньше. В результате ледоколы характеризуются наклонным или округлым форштевнем, а также наклонными бортами и коротким параллельным средним корпусом для улучшения маневренности во льду. Короткие и коренастые ледоколы обычно строятся с использованием поперечной системы набора, в которой обшивка корпуса усиливается шпангоутами, расположенными примерно на расстоянии друг от друга, в отличие от продольной системы набора, используемой в более длинных судах. Вблизи ватерлинии шпангоуты, идущие в вертикальном направлении, распределяют локально сконцентрированные нагрузки льда на обшивку на продольные стрингеры, которые, в свою очередь, поддерживаются веб-шпангоутами и переборками, воспринимающими более распределенные нагрузки на корпус. Если ледоколы построены в соответствии с правилами классификационного общества, такого как Американское бюро судоходства, Det Norske Veritas или Lloyd's Register, им может быть присвоен ледовый класс, основанный на степени усиления корпуса судна для работы во льдах. Обычно он определяется максимальной толщиной льда, в которой предполагается эксплуатировать судно, и другими требованиями, такими как возможные ограничения на таран. Хотя ледовый класс обычно является показателем степени усиления корпуса, а не фактической ледопроходимости ледокола, некоторые классификационные общества, такие как Российский морской регистр судоходства, предъявляют требования к эксплуатационным возможностям для определенных ледовых классов. С 2000-х годов Международная ассоциация классификационных обществ (IACS) предложила принять единую систему, известную как Полярный класс (PC), для замены специфических для каждого классификационного общества обозначений ледовых классов.
Мощность и движение
После Второй мировой войны большинство ледоколов строились с дизель-электрической установкой, в которой дизельные двигатели, соединенные с генераторами, вырабатывают электроэнергию для двигателей, вращающих пропеллеры с фиксированным шагом. Первые дизель-электрические ледоколы оснащались генераторами и двигателями постоянного тока (DC), но со временем технология развивалась, сначала перейдя к генераторам переменного тока (AC), а затем к системам переменного тока с регулируемой частотой. Количество, тип и расположение пропеллеров зависят от мощности, осадки и предполагаемого назначения судна. Небольшие ледоколы и специальные ледокольные суда могут обходиться одним пропеллером, в то время как крупным полярным ледоколам обычно требуется до трех больших пропеллеров для поглощения всей мощности и обеспечения достаточной тяги. Некоторые мелководные речные ледоколы были построены с четырьмя пропеллерами в корме. Для увеличения тяги на низких скоростях могут использоваться кольцевые насадки, однако они могут забиваться льдом. Азимутальные подруливающие устройства устраняют необходимость в традиционных пропеллерах и рулях, располагая пропеллеры в поворотных гондолах, которые могут вращаться на 360 градусов вокруг вертикальной оси. Эти устройства повышают эффективность движения, ледокольную способность и маневренность судна. Использование азимутальных подруливающих устройств также позволяет судну двигаться кормой в лед, не теряя маневренности. Это привело к разработке судов двойного действия, с кормой, имеющей форму носа ледокола, и носом, спроектированным для работы на открытой воде. Таким образом, судно остается экономичным в эксплуатации на открытой воде, не снижая своей способности работать в сложных ледовых условиях. Азимутальные подруливающие устройства также позволили разработать новые экспериментальные ледоколы, которые могут двигаться боком, прорубая широкие каналы во льду.
На ядерной энергии
Паровые ледоколы вновь пришли в строй в конце 1950-х годов, когда Советский Союз ввёл в эксплуатацию первый атомный ледокол «Ленин» в 1959 году. Он был оснащён ядерной турбоэлектрической энергетической установкой, в которой ядерный реактор использовался для выработки пара для турбогенераторов, а те, в свою очередь, производили электроэнергию для движущих электродвигателей. Начиная с 1975 года, Советский Союз построил шесть атомных ледоколов класса «Арктика». Советские инженеры также создали атомный ледокольный грузовой корабль «Севморпут», который имел один ядерный реактор и паровую турбину, напрямую соединённую с гребным валом. Россия, остающаяся единственным оператором атомных ледоколов, в настоящее время строит новые ледоколы для замены устаревающих судов класса «Арктика». Первое судно этого типа вошло в строй в 2020 году.
Метод резонанса
Полетушка может разбивать лёд методом резонанса. Это заставляет лёд и воду колебаться вверх и вниз, пока лёд не подвергнется достаточной механической усталости, чтобы произошел разлом.