способ разрушения ледяного покрова

Формула изобретения

1. Способ разрушения ледяного покрова, основанный на расположении на ледоколе лазерных установок, отличающийся тем, что при нагружении ледоколом определяют линии концентрации напряжений в ледяном покрове, фокусируют лазерное излучение на линиях концентрации напряжений, испаряют сфокусированным лазерным излучением лед на этих линиях, производят испарение льда на глубину, определяемую раскалыванием ледяного покрова.

2. Способ разрушения ледяного покрова по п.1, отличающийся тем, что предварительно выбирают режим ослабления прочности льда, определяют длину волны лазерного излучения и мощность, соответствующие ослаблению прочности льда.

3. Способ разрушения ледяного покрова по п.1, отличающийся тем, что на льду по курсу ледокола определяют линии контура канала, соответствующего каналу для проводимого судна, сканируют сфокусированным лазерным излучением по этим линиям контура.

4. Способ разрушения ледяного покрова по п.1, отличающийся тем, что испаряют сфокусированным лазерным излучением лед на определенных линиях пунктиром.

5. Способ разрушения ледяного покрова по п.1, отличающийся тем, что лазерное излучение фокусируют на линиях концентрации напряжений, располагаемых на определенном расстоянии от бортов ледокола.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам разрушения ледяного покрова для вскрытия прохода через ледовое поле и к ледоколу для осуществления способа. Проход широкогабаритных судов затруднен из-за не соответствия ширины судна, проделанному ледоколом каналу и требует дополнительных затрат.

Известны способы разрушения ледяного покрова с помощью устройств по патентам № RU 2245275, B63B 35/08, и RU 2245275, В63В 35/08, в них используется лазерная установка, расположенная на судне с воздушной подушкой для создания светогидравлического удара на лед и разрушения его резонансным методом.

Недостатком является применение только для судна на воздушной подушке и необходимость создания изгибно-гравитационной волны.

Известен также метод разрушения льда [Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат. - 1983. - 232 с.], где для разрушения льда возможно применение лазера, энергия передается в подледный слой для использования резонансного метода.

Недостатком является ограниченное применение в тонком слое льда при наличии резонансной волны.

Известно использование лазерного излучения для раскалывания льда на поверхностях самолетов - патент США № 4900891, НКИ 219/121.6, 1990 г., и патент США № 5823474, НКИ 244/134Е, 1998 г. В известных патентах - США № 6206325, НКИ 244/134Е, 2001 г., и Канады № 2222881, МКИ H02G 7/16, 1998 г., с этой целью используют лазерное излучение с длиной волны в диапазоне 10-11 мкм, соответствующем области поглощения излучения льдом, и происходит скалывание льда.

Недостатком является использование на самолетных поверхностях и локальное действие на тонкие слои, что не позволяет проводить разрушение льда на больших массивах.

Наиболее близким по технической сущности и принятым в качестве прототипа является способ разрушения ледяного покрова по патенту № KR 10-2009-0094924 А «ICE BREAKER WITH A HIGH POWER LASER», номер публикации KR20090094924 (А) от 2009-09-09 В63В 35/08; В63В 35/00, в котором разрушение льда проводится лазером высокой мощности, расположенным на носу ледокола и дробящим лед, делая трещины во льду и уменьшая воздействие на носовую часть.

Недостаток известного технического решения состоит в том, что с его помощью невозможно обеспечивать ледоколом широкие каналы для проводки крупногабаритных судов и разрушать толстые массивные ледяные поля.

Целью изобретения является обеспечение безопасной проводки крупногабаритных судов, повышение ледопроходимости ледокола, создание широких каналов в ледовых полях и повышение скорости проводки судов.

Поставленная цель достигается расположением на ледоколе лазерных установок, отличающимся тем, что при нагружении ледоколом определяют линии концентрации напряжений в ледяном покрове, фокусируют лазерное излучение на линиях концентрации напряжений, испаряют сфокусированным лазерным излучением лед на этих линиях, производят испарение льда на глубину, определяемую раскалыванием ледяного покрова.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при нагружении ледоколом определяют линии концентраций напряжений в ледяном покрове, фокусируют лазерное излучение на линиях концентрации напряжений, испаряют сфокусированным лазерным излучением лед на этих линиях, производят испарение льда на глубину, определяемую раскалыванием ледяного покрова.

Причем предварительно выбирают режим ослабления прочности льда, определяют длину волны лазерного излучения и мощность, соответствующие ослаблению прочности льда,

Причем на льду по курсу ледокола определяют линии контура канала, соответствующего каналу для проводимого судна, сканируют сфокусированным лазерным излучением по этим линиям контура,

Причем испаряют сфокусированным лазерным излучением лед, на определенных линиях, пунктиром,

Причем лазерное излучение фокусируют на линиях концентрации напряжений, располагаемых на определенном расстоянии от бортов ледокола.

При прокладке канала в ледяном поле ледоколом образуется проход шириной, соответствующей размеру ледокола. Проведение крупногабаритных судов требует дополнительных маневров ледокола, что резко уменьшает скорость прохождения судов и увеличивает время проводки. При вжатии льдов подобные маневры неэффективны и канал быстро закрывается. Применение лазерного излучения для разрушения льда (1. Богородский B.B., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат. - 1983. - 232 с.) использует механизм теплового поглощения лазерного излучения в диапазоне спектра поглощения льда. При фокусировании излучения с плотностью 15-20 кВт/см ² происходит плавление льда и испарение образовавшейся воды, осуществляется мгновенный фазовый переход лед-вода-пар. Скорость испарения достигает значения 1 мм в 0,01 сек (2. Ж. Квантовая Электроника, 1994, том 21, № 2, с.137-141. Воздействие излучения СО₂-лазера на крупные капли ортофосфорной кислоты, воды и ледяные кристаллы сферической формы. В.К.Рудаш). Таким образом, в течение секунды образуется отверстие глубиной 10 см. При дальнейшем облучении струя пара образует широкую щель во льду. Сканирование лучом лазера льда приводит к разрезанию толстых плит ледяного поля. Известно (3. Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. П.: Гидрометеоиздат, 1967, 216 с.), что увеличение давления на ледяную пластину приводит к увеличению амплитуды прогиба пластины, образуются линии концентрации напряжений, а изменение температуры и толщины льда приводит к предельным прогибам и к ломке льда по этой линии.

Практическая реализация способа происходит следующим образом. Ледокол наползает на ледяное поле, приборами (например, ультразвуковым толщиномером) определяется прогиб льда, и в линиях наибольшей кривизны поверхности производится испарение льда. Также можно производить сканирование на произвольных направлениях и расстояниях для обеспечения габаритной ширины прохода. При достижении предела прочности в истончившемся слое происходит растрескивание и раскалывание ледяного поля. Таким образом, производится ослабление прочности ледяного поля на разных расстояниях от ледокола и нарушение его монолитного состояния. Прохождение ледокола и проводимых судов облегчается и не требует дополнительных маневров. Дополнительно становится возможным обеспечить значительное увеличение предельных характеристик ледопроходимости. Техническая реализация иллюстрируется рисунком 1. Движущийся ледокол - 5, надвигается на ледяное поле 1 и вызывает прогиб льда с контуром линии концентрации напряжений - 2. Мощный лазер - 4 осуществляет сканирование - 3 по контуру - 2 с помощью выдвижных штанг или манипулятором для фокусировки излучения (непрерывно или пунктиром). После достижения предела прочности происходит раскалывание льда по контуру - 6 и при дальнейшем движении ледокола дробление льда.

Предложенный способ разрушения ледяного покрова имеет большое народнохозяйственное и оборонное значение. Технический результат реализации изобретения заключается в обеспечении безопасной проводки крупногабаритных судов, повышении ледопроходимости ледокола, создании широких каналов в ледовых полях и повышении скорости проводки судов.

Все северные арктические районы могут быть судоходными весь год, вне зависимости от ледовой обстановки. Становится возможным обеспечить проводку любых судов через ледовые поля любой толщины вне зависимости от мощности ледокола. Разработки арктических шельфовых месторождений будут обеспечены защитой от ледовых полей для бесперебойной доставки продукции и оборудования. Становится возможным обеспечить создание транспортной инфраструктуры в Арктике, независимой от погодных условий.

Литература

1. Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат. - 1983. - 232 с.

2. Ж. Квантовая Электроника, 1994, том 21, № 2, с.137-141. Воздействие излучения СO₂-лазера на крупные капли ортофосфорной кислоты, воды и ледяные кристаллы сферической формы. В.К.Рудаш.

3. Хейсин Д.В. Динамика ледяного покрова. П.: Гидрометеоиздат, 1967, 216 с.