способ разрушения льда

Формула изобретения

1. Способ разрушения льда с использованием судна, заключающийся в том, что непосредственно перед раскалыванием льда в результате механического воздействия на лед судна, как минимум, одну выбранную область поверхности льда, а также незначительную часть его толщи вблизи упомянутой области облучают под заданным углом мощным сфокусированным излучением, отличающийся тем, что выбранную область облучают инфракрасным излучением, энергия которого достаточна, по крайней мере, для расплавления поверхности льда с образованием проталины, при этом предварительно упомянутую область выбирают как одну из наиболее вероятных для распространения трещины, образовывающейся вследствие упомянутого механического воздействия, учитывая текущий характер распространения упомянутой трещины и/или накопленный в отношении такого характера статистический материал, и/или учитывая карту дефектов льда.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве мощного сфокусированного излучения используют сфокусированное излучение мощного инфракрасного лазера.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что фокусировку излучения осуществляют автоматически на поверхность льда или в толщу льда на глубину до 1 мм.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют лазер, работающий в импульсном режиме.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что излучение лазера используют, в том числе, для образования проталины.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно облучают, как минимум, 2 области, выбранные как наиболее вероятные для распространения упомянутой трещины.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно облучаемую по п.1 область или область, расположенную в непосредственной близости от нее, а также толщу льда облучают основным мощным направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длиной волны ₁, лежащей в диапазоне от 0,45 до 0,95 мкм.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что рабочую длину волны основного излучения выбирают с учетом энергетических уровней, как минимум, одной из молекул, входящей в состав льда, соответствующей резонансной частоте такой молекулы, предполагающей возможность безызлучательных переходов в процессе ее релаксации после возбуждения основным излучением.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что рабочую длину волны основного излучения выбирают вблизи частот молекулярных переходов, как минимум, одной из молекул, входящих в состав льда.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что обеспечивают освещение основным излучением поверхности льда площадью не более 100 см².

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве источника основного излучения используют лазер с шириной спектра по уровню 0,5 не более 250 МГц.

12. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве основного излучения используют излучение с длиной когерентности, превышающей 1 м.

13. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве источника основного излучения используют лазер, работающий в импульсном режиме.

14. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве упомянутого в п.7 используют лазер, длительность импульса которого более чем в 2 раза меньше периода следования импульсов, тогда как последние имеют плавно нарастающий передний фронт и относительно такого плавного нарастания резко спадающий задний.

15. Способ по п.7, отличающийся тем, что во время упомянутого в п.7 облучения под тем же углом в пределах световой трубки, в которой распространяется основное излучение, такую область, а также толщу льда облучают, как минимум, одним вспомогательным мощным направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длиной волны ₂, лежащей в том же диапазоне, что был указан для основного излучения, причем вспомогательное излучение выбирают таким, чтобы разность частот, соответствующих упомянутым рабочим длинам волн ₁ и ₂, находилась в пределах n· , где n=1, 2, 3, a выбрано из диапазона 1-4 ГГц.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что рабочую длину волны вспомогательного излучения выбирают с учетом энергетических уровней молекул воды и/или водорода, соответствующей резонансной частоте последних, предполагающей возможность безызлучательных переходов в процессе релаксации таких молекул после их возбуждения основным излучением.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что обеспечивают освещение основным излучением поверхности льда площадью не более 100 см ².

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что в качестве источника основного излучения используют лазер с шириной спектра по уровню 0,5 не более 250 МГц.

19. Способ по п.15, отличающийся тем, что в качестве основного излучения используют излучение с длиной когерентности, превышающей 1 м.

20. Способ по п.15, отличающийся тем, что в качестве источника основного излучения используют лазер, работающий в импульсном режиме.

21. Способ по п.15, отличающийся тем, что в качестве упомянутого в п.7 используют лазер, длительность импульса которого более чем в 2 раза меньше периода следования импульсов, тогда как последние имеют плавно нарастающий передний фронт и относительно такого плавного нарастания резко спадающий задний.

22. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно облучаемую по п.1 область или область, расположенную в непосредственной близости от нее, а также толщу льда облучают основным мощным направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длиной волны ₁, лежащей в диапазоне от 0,45 до 0,95 мкм, и одновременно с этим под тем же углом в пределах световой трубки, в которой распространяется основное излучение, такую область, а также толщу льда облучают, как минимум, одним вспомогательным мощным направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длиной волны ₂, лежащей в том же диапазоне, что был указан для основного излучения, причем вспомогательное излучение выбирают таким, чтобы разность частот, соответствующих упомянутым рабочим длинам волн ₁ и ₂, находилась в пределах n· , где n=1, 2, 3, a выбрана из диапазона 1-4 ГГц, причем в качестве источников основного и вспомогательного излучения используют лазеры, работающие в импульсном режиме, при том, что импульсы основного и вспомогательного излучения следуют с перекрытием во времени.

23. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно облучаемую по п.1 область или область, расположенную в непосредственной близости от нее, а также толщу льда облучают основным мощным направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длиной волны ₁, лежащей в диапазоне от 0,45 до 0,95 мкм, и одновременно с этим под тем же углом в пределах световой трубки, в которой распространяется основное излучение, такую область, а также толщу льда облучают, как минимум, одним вспомогательным мощным направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длиной волны ₂, лежащей в том же диапазоне, что был указан для основного излучения, причем вспомогательное излучение выбирают таким, чтобы разность частот, соответствующих упомянутым рабочим длинам волн ₁ и ₂, находилась в пределах n· , где n=1, 2, 3, a выбрана из диапазона 1-4 ГГц, причем в качестве источника основного и вспомогательного излучения используют лазер, работающий в многомодовом режиме.

24. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве мощного сфокусированного излучения используют сфокусированное излучение мощного инфракрасного лазера, работающего в импульсном режиме, при этом дополнительно облучаемую по п.1 область или область, расположенную в непосредственной близости от нее, а также толщу льда облучают основным мощным направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длиной волны ₁, лежащей в диапазоне от 0,45 до 0,95 мкм, и одновременно с этим под тем же углом в пределах световой трубки, в которой распространяется основное излучение, такую область, а также толщу льда облучают, как минимум, одним вспомогательным мощным направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длиной волны ₂, лежащей в том же диапазоне, что был указан для основного излучения, причем вспомогательное излучение выбирают таким, чтобы разность частот, соответствующих упомянутым рабочим длинам волн ₁ и ₂, находилась в пределах n· , где n=1, 2, 3, a выбрана из диапазона 1-4 ГГц, причем в качестве источника основного и/или вспомогательного излучения используют лазер, работающий в импульсном режиме, тогда как обеспечивают следование импульсов основного и/или вспомогательного излучения в перерыве между следованием импульсов мощного сфокусированного излучения.

25. Способ по любому из пп.1-24, отличающийся тем, что на облучаемую область и расположенную под ней толщу льда оказывают воздействие со стороны постоянного или переменного мощного магнитного поля.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Соответствующие представляемому способу устройства могут быть использованы при оснащении носовой и/или кормовой частей ледоколов и иных выполняющих функцию ледоколов (например, транспортных или научно-исследовательских) судов (в том числе на воздушной подушке), предназначенных для обеспечения зимней навигации, проводки судов и плавания в арктических и антарктических водах, предупреждения заторов текущих к северу рек, исключения наводнений и т.п.

Помимо этого упомянутые устройства могут быть использованы в составе предназначенного для локализованного разрушения плавучего и дрейфующего льда и выполненного с возможностью раскалывать лед посредством механического воздействия оборудования плавучих платформ (нефтегазодобывающих, нефтегазоналивных, нефтегазотранспортных и проч. сооружений).

В основном представляемый способ ориентирован на экологически чистое воздействие на морской лед (в т.ч. квазипостоянный, многолетний) ледяных полей толщиной преимущественно до 3 м непосредственно перед оказанием на последний посредством судна механического воздействия как при устойчивой скорости судна, так и при попытках проломить лед с разгона или раздробить, например, посредством азиподов.

Уровень техники

Известен способ разрушения льда (заявка на получение патента РФ № 2002101433), предполагающий установку на носовой части судна блока лазерных установок для непрерывной продольной и поперечной резки льда на отдельные куски во время движения судна.

К недостаткам данного способа следует отнести высокие затраты энергии при его реализации.

Проблема заключается в следующем. Эффективная резка льда лазером может быть осуществлена только при ориентации на инфракрасное излучение с длиной волны в несколько мкм, для которого лед непрозрачен. Таким образом, для резки льда потребуется нагревать его поверхность (+ несколько мм вглубь в основном за счет теплопроводности).

Простые расчеты показывают, что для непрерывной резки льда толщиной 1 м, находящегося при температуре -25°С и образованного в морской воде с соленостью 28%, при скорости судна 3 км/ч расплавляемый лазерным лучом диаметром 2-4 мм (при образовании разреза шириной 5 мм) лед в секунду должен поглощать более 1 МДж лучистой энергии без испарения образовавшейся воды и более 10 МДж - при испарении.

С учетом а) отражения (7% при крайне благоприятных обстоятельствах - поверхность льда подплавлена, монокристаллы льда имеют близкую ориентацию оптических осей, а лазерный луч падает на лед вертикально), б) рассеяния (не менее 10%) излучения атмосферой и льдом, а также в) КПД лазера и фокусирующей оптики (25% - оптимистичный прогноз) мощность последнего (при работе в непрерывном режиме) в первом случае должна быть более 5, а во втором - более 50 МВт.

Примечание: суммарная мощность двигателей современного ледокола составляет 20 МВт.

Вызывает сомнения практическая реализуемость такого способа.

Известен аналогичный способ разрушения льда (патент РФ № 2245275), который может быть использован при разрушении ледяного покрова резонансным методом.

В соответствии с этим способом на днище судна на воздушной подушке устанавливают лазерную установку непрерывного действия для нанесения во время перемещения судна с резонансной скоростью поперечных направлению движения судна насечек на льду, в окрестности которых будут концентрироваться напряжения при механическом воздействии на лед - при прохождении по льду изгибной волны, что (концентрация напряжений) должно привести к повышению вероятности разлома ледяного покрова.

По указанным выше причинам вызывает сомнения реализуемость и этого способа.

Действительно, несмотря на то что резонансным методом, как правило (имеются сведения о использовании резонансного метода в отношении льда толщиной до 3 м), разрушают не толстый молодой (гибкий) или однолетний (зимний) лед, находящийся при сравнительно высоких температурах, а для повышения эффективности разрушения льда достаточно выполнить на его поверхности насечки глубиной всего около 50 и шириной 3 мм, ввиду высокой резонансной скорости судна (порядка 50 км/ч при толщине льда 1 м) и необходимости нагрева (до 4°С) расплавленной воды, потребуется использовать лазер мощностью более 3 МВт.

Известны и другие способы разрушения льда, предполагающие резку последнего лазером (см., например, JP 3275291, JP 58000487) с целью снижения прочности льда, в частности, перед оказанием на него механического воздействия посредством ледокола.

Также известен способ разрушения льда (патент РФ № 2245273), основанный на использовании импульсного лазера в составе оборудования судна на воздушной подушке, предназначенного для создания на ледяном покрове изгибной волны.

При реализации такого способа посредством излучения лазера предполагается при движении судна над свободной водной поверхностью у кромки ледяного покрова с резонансной скоростью под вершиной изгибной волны, возникшей в ледяном покрове, создавать светогидравлический удар, который должен привести к увеличению давления на ледяную пластину со стороны воды в связи с взрывоподобным образованием пара, повышающем вероятность разлома ледяного покрова.

Здесь необходимо отметить следующее.

Поскольку судно движется на удалении от ледяного покрова (у его кромки) облучение последнего предполагается осуществлять под некоторым углом к нормали.

При этом для эффективного создания светогидравлического удара:

1) необходимо использовать инфракрасное излучение средневолновой области;

2) излучение лазера необходимо сфокусировать в подледном пространстве.

Однако, во-первых, ввиду высокой поглощающей способности лед практически непрозрачен для такого излучения (толща льда в 1 см уже непрозрачна для нижней границы коротковолнового инфракрасного излучения), а, во-вторых, при толщине свыше нескольких мм лед нельзя рассматривать в качестве оптического элемента, за которым представляется возможным осуществить фокусировку излучения с требуемыми для образования светогидравлического удара параметрами перетяжки (требуемой концентрации).

Действительно, лед чрезвычайно сильно рассеивает излучение. Этому множество причин, лишь одна из которых связана с неподконтрольным двойным лучепреломлением.

Так, при замерзании ледяного сала волнение и ветер не позволяют расположиться всем дискам и пластинкам шуги горизонтально (как того требует гидродинамика), в результате оптические оси кристалликов чистого льда, составляющих поликристаллы ледяного покрова, располагаются хаотично, особенно по азимуту, при этом каждый поликристалл обладает отличными от других оптическими свойствами, имеет индивидуальную неповторимую субструктуру и размеры (причем между крупными поликристаллами встречается большое количество мелких).

Кристаллики льда имеют множество дефектов кристаллической решетки, в том числе связанных с включением примесей.

Поликристаллы же включают случайным образом распределенный в них капсулированный рассол.

В масштабе же длины волны излучения лазера капсулы с рассолом макроскопичны (в поперечном размере они в несколько десятков раз больше). При этом они имеют различные поперечные размеры и различную протяженность.

Рассол встречается и между поликристаллами, в том числе в виде пленок.

В толще льда имеются и наполненные морской водой капилляры.

Морской лед содержит множество крупных и мелких сферических воздушных пузырьков, образованных из захваченного или выделяющегося из воды при замерзании воздуха.

Также во льду много органических и неорганических нерастворимых в воде макровключений различных форм и размеров.

Весьма неоднородны строение и структура льда по толщине.

Непредсказуемы и формы шероховатой наружной и относительно гладкой нижней поверхностей ледяного покрова.

Помимо этого чрезвычайно высок коэффициент отражения наружной поверхности льда.

Так, значение коэффициента отражения арктического (не загрязненного) снега, которым как правило покрыт лед Северного морского пути при нормальном падении излучения может быть больше 65% и оно (это значение) может существенно превосходить указанную величину (практически стремясь к 100%) в случае падения излучения под углом к нормали.

Коэффициент же отражения самого льда может достигать 50% и более.

Сказанное заставляет усомниться в практической реализуемости обсуждаемого способа и не только из энергетических соображений,

Известен способ разрушения льда с использованием судна (KR 20090094924), заключающийся в том, что непосредственно перед раскалыванием льда в результате механического воздействия на лед судна как минимум одну выбранную область поверхности последнего, а также незначительную часть его толщи вблизи упомянутой области облучают под заданным углом мощным сфокусированным излучением с целью образования во льду трещин в результате эффектов взрывного характера, сопровождающих взаимодействие излучения высокой энергии с поверхностным слоем непрозрачных для такого излучения веществ.

Данный способ принят в качестве прототипа представленного изобретения.

К недостаткам способа-прототипа следует отнести относительно большие первоначальные потери энергии излучения на отражение от поверхности льда, а также отсутствие связи между выбором облучаемой области и а) последствиями текущего механического воздействия судна на лед и/или б) карты дефектов последнего, что приводит к неоправданным энергетическим затратам.

Технический результат

Основная цель изобретения - содействие обеспечению бесперебойного круглогодичного транспортного потока по Северному морскому пути с относительно высокой скоростью.

Основная задача изобретения - уменьшение энергетических затрат на разрушение льдин и сплошного льда (ледяного покрова, ледяных полей).

Технический результат от реализации отличительных признаков представленного изобретения заключается в энергетически малозатратном снижении прочности льда перед оказанием на него механического воздействия посредством судна с целью разрушения.

Упомянутое снижение будет способствовать повышению ресурса работающих в Арктике и Антарктике судов, а также их деталей и узлов (носовой и кормовой оконечностей (режущей кромки форштевня или ахтерштевня и т.п.), движетелей/двигателей (гребных винтов/азиподов) и проч.).

Используемые понятия

Под поверхностью льда понимается также и поверхность покрывающего лед снега и т.п.

Под рабочей длиной волны излучения понимается та длина волны, на которую приходится максимум его интенсивности. Также под рабочими длинами волн можно понимать центральные длины волн наиболее сильных линий излучения.

В представленных материалах под молекулой подразумеваются: молекулы, атомы, ионы.

Под шириной импульса на уровне 0,5 понимается спектральная ширина импульса (в нм или ТГц) по полувысоте его максимальной интенсивности - ширина спектра импульса, соответствующая его центральной части.

Сущность изобретений

Заявленный технический результат достигается следующим. В известный способ разрушения льда с использованием судна, заключающийся в том, что непосредственно перед раскалыванием льда в результате механического воздействия на лед судна как минимум одну выбранную область поверхности последнего, а также незначительную часть его толщи вблизи упомянутой области облучают под заданным углом мощным сфокусированным излучением, введены следующие отличительные признаки:

- выбранную область облучают инфракрасным излучением, энергия которого достаточна по крайней мере для расплавления поверхности льда с образованием проталины;

- предварительно упомянутую область выбирают как одну из наиболее вероятных для распространения трещины, образовывающейся вследствие упомянутого механического воздействия, учитывая текущий характер распространения упомянутой трещины и/или накопленный в отношении такого характера статистический материал, и/или учитывая карту дефектов льда.

Представленное изобретение предполагает возможность использования ряда частных отличительных признаков:

- в качестве мощного сфокусированного излучения могут использовать сфокусированное излучение мощного инфракрасного лазера, причем излучение такого лазера могут использовать и для образования проталины;

- фокусировку излучения могут осуществлять автоматически на поверхность льда или в толщу льда на глубину до 1 мм;

- при этом могут использовать лазер, работающий в импульсном режиме;

- одновременно могут облучать как минимум 2 выбранные области как наиболее вероятные для распространения упомянутой трещины;

- дополнительно обсуждаемую область или область, расположенную в непосредственной близости от нее, а также толщу льда могут облучать основным мощным направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длиной волны ₁, лежащей в диапазоне от 0,45 до 0,95 мкм;

- во время облучения основным излучением под тем же углом в пределах световой трубки, в которой распространяется основное излучение, такую область, а также толщу льда могут облучать как минимум одним вспомогательным мощным направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длинной волны ₂, лежащей в том же диапазоне, что был указан для основного излучения, причем вспомогательное излучение выбирают таким, чтобы разность частот, соответствующих упомянутым рабочим длинам волн ₁ и ₂, находилась в пределах n· , где n=1, 2, 3, a выбрано из диапазона 1-4 ТГц;

- рабочую длину волны основного излучения могут выбирать с учетом энергетических уровней как минимум одной из молекул, входящей в состав льда, соответствующей резонансной частоте такой молекулы, предполагающей возможность безызлучательных переходов в процессе ее релаксации после возбуждения основным излучением, тогда как рабочую длину волны вспомогательного излучения - аналогично с учетом энергетических уровней молекул воды и/или водорода;

- рабочую длину волны основного излучения могут выбрать вблизи частот молекулярных переходов как минимум одной из молекул, входящих в состав льда;

- основным и/или вспомогательным излучением могут обеспечивать освещение поверхности льда площадью не более 100 см²;

- в качестве источника основного и/или вспомогательного излучения могут использовать лазер с шириной спектра по уровню 0,5 не более 250 МГц;

- в качестве основного и/или вспомогательного излучения могут использовать излучение с длинной когерентности, превышающей 1 м;

- в качестве источника основного и/или вспомогательного излучения могут использовать лазер, работающий в импульсном режиме;

- в качестве источников основного и/или вспомогательного излучения могут использовать лазеры, длительность импульса которых более чем в 2 раза меньше периода следования импульсов, тогда как последние имеют плавно нарастающий передний фронт и относительно такого плавного нарастания резко спадающий задний;

- в качестве источников основного и вспомогательного излучения могут быть использованы лазеры, работающие в импульсном режиме, при том, что импульсы основного и вспомогательного излучения следуют с перекрытием во времени;

- в качестве источника основного и вспомогательного излучения могут использовать лазер, работающий в многомодовом режиме;

- могут обеспечивать следование импульсов основного и/или вспомогательного излучения в перерыве между следованием импульсов мощного сфокусированного излучения;

- на облучаемую область и расположенную под ней толщу льда могут оказывать воздействие со стороны постоянного или переменного мощного магнитного поля.

Сведения о возможности реализации изобретений

Представленный способ разрушения льда может быть реализован следующим образом.

Во время движения ледокола находящийся на пути его движения лед непосредственно перед его раскалыванием в результате механического воздействия со стороны судна подвергают облучению электромагнитным излучением.

Аналогично при движении раскалывающего посредством механического воздействия лед оборудования плавучих платформ и проч.

При этом облучают как минимум одну выбранную область поверхности льда, расположенную в непосредственной близости по направлению движения судна от конца трещины (на расстоянии не более 1-2 м от конца трещины, предпочтительно за несколько мм или несколько см по направлению движения судна до предполагаемого места начала образования основной трещины в ближайшее время со стороны ледяного покрова - за концом трещины относительно судна), образовывающейся вследствие упомянутого воздействия (а также незначительную часть его толщи - на глубину проникновения в лед излучения - как правило, максимум несколько мм) вблизи упомянутой области.

Облучение проводят под заданным углом (предпочтительно при нормальном падении излучения без учета сходимости фокусируемого излучения) мощным сфокусированным излучением.

При этом выбранную область облучают инфракрасным излучением (предпочтительно средневолновой области инфракрасного излучения), энергия которого достаточна по крайней мере для расплавления поверхности льда с образованием проталины площадью до 1 или нескольких см² и глубиной в 1 или несколько мм.

Предварительно упомянутую область выбирают как одну из наиболее вероятных для распространения упомянутой трещины. При этом учитывают текущий характер распространения трещины и/или накопленный в отношении такого характера статистический материал. Также могут учитывать и карту макродефектов льда.

Так, место на льду, которое предполагается облучить, может быть выбрано автоматически путем компьютерного анализа видеоинформации о динамике распространения упомянутой трещины и оперативно составляемой карты (например, инфракрасной) расположения во льду дефектов (скрытых макрополостей, трещин, окон и др.).

В качестве мощного сфокусированного излучения могут использовать сфокусированное излучение мощного (десятки и более кВт) инфракрасного лазера (как правило, с дополнительной оптической системой), работающего в непрерывном или импульсном режимах, причем излучение такого лазера могут использовать и для образования проталины. В последнем случае предпочтительным является использование импульсного лазера, передний фронт импульса которого нарастает плавно.

Фокусировку мощного излучения осуществляют автоматически либо непосредственно на поверхность льда, либо в толщу льда на глубину до 1 мм.

При наличии на льду снега последний предварительно растапливают, например, инфракрасным излучением дополнительного лазера.

Одновременно могут облучать как минимум 2 области, выбранные как наиболее вероятные для распространения упомянутой трещины.

Так, во льду может распространяться основная трещина, разветвляющаяся к своему концу, расположенному на удалении от судна по направлению его движения. В таком случае следует рассматривать все разветвления, как вероятные продолжения распространения основной трещины.

В то же время при наличии разветвления, которое очевидно явится продолжением распространения основной трещины, могут быть различные варианты направления развития трещины с точки зрения имеющихся дефектов льда.

Таким образом, могут облучать различные области вблизи различных ответвлений основной трещины или различные области вблизи одного ответвления либо непосредственно вблизи конца трещины.

Дополнительно обсуждаемую область или область, расположенную в непосредственной близости от нее, а также толщу льда облучают основным мощным (десятки и более кВт, при этом, однако, как правило, следует стремиться не выходить за рамки линейных эффектов в поглощении) направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длинной волны ₁, лежащей в диапазоне от 0,45 до 0,95 мкм.

Примечание: эффективное просвечивание (обеспечивающее создание концентраторов напряжения) не обязательно должно проводиться в отношении всей толщи льда.

Во время облучения основным излучением под тем же углом в пределах световой трубки, в которой распространяется основное излучение, такую область, а также толщу льда облучают как минимум одним вспомогательным мощным (десятки и более кВт) направленным излучением с высокой степенью когерентности с рабочей длинной волны ₂, лежащей в том же диапазоне, что был указан для основного излучения, причем вспомогательное излучение выбирают таким, чтобы разность частот, соответствующих упомянутым рабочим длинам волн ₁ и ₂, находилась в пределах n· , где n=1, 2, 3, а выбрано из диапазона 1-4 ГГц. Лучший результат будет достигнут при выборе из диапазона 2-3 ГГц, а оптимальный - 2,3-2,7 ГГц.

Интенсивности основного и вспомогательного излучения должны быть примерно одинаковы.

Рабочую длину волны основного излучения могут выбирать с учетом энергетических уровней как минимум одной из молекул, входящей в состав льда (солей, например, NaCl, MgCl₂, Na₂SO ₄, CaCl₂ и т.д.; соответствующих таким солям гидратов, например, NaCl·2H₂O, MgCl₂ ·8H₂O или MgCl₂·12H₂ O, Na₂SO₄·10H₂O, CaCl ₂·6H₂O и т.д.; соответствующих таким солям ионов, например Cl^-; Na⁺; SO₄ ^2-; Ca²⁺ и т.д., а также типичным примесям кристаллическиой решетки льда и проч.), соответствующей резонансной частоте такой молекулы или вблизи такой частоты, предполагающей возможность безызлучательных переходов в процессе ее релаксации после возбуждения основным излучением, тогда как рабочую длину волны вспомогательного излучения - аналогично с учетом энергетических уровней H₂O и/или Н (водорода).

Поскольку солевой состав морской воды практически одинаков в существенно удаленных друг от друга местах (как правило, заметно изменяется лишь соленость воды, тогда как относительное содержание основных ионов солей примерно одинаково Cl^- /Na⁺~1,8; Na⁺/SO₄ ^2-~4,0 и т.д.) выбор рабочих длин волн излучений, энергия которых активно поглощается компонентами рассола (включая молекулы воды) и примесями кристаллов льда, не представляет особого труда.

Основным и/или вспомогательным излучением могут обеспечивать освещение поверхности льда площадью не более 100 см². Приемлемый результат достигается при облучении площади 10 см², хороший - 1 см².

В качестве источника основного и/или вспомогательного излучения могут использовать лазер (с дополнительной оптической системой или без нее) с шириной спектра по уровню 0,5 не более 250 МГц - приемлемый результат, 100 МГц - хороший результат, 1 МГц - наилучший результат (теоретически достижим).

В качестве основного и/или вспомогательного излучения могут использовать излучение с длинной когерентности, превышающей 1 м. Наилучший результат можно получить, если длина когерентности упомянутых излучений будет превосходить толщину льда или, по крайней мере, будет соответствовать глубине проникания излучения в толщу льда до 10-тикратного ослабления по интенсивности.

В качестве источника основного и/или вспомогательного излучения могут использовать лазер, работающий в импульсном режиме.

Использование лазеров, работающих в импульсном режиме, предпочтительно, поскольку при облучении вещества мощным потоком излучения вероятность индуцированного излучения будет существенно выше вероятности спонтанного, в то время как для получения заявленного технического результата предпочтительны безызлучательные переходы.

Вообще, режим работы упомянутых источников может подбираться эмпирически в зависимости от топографии льда.

В частном случае при импульсном режиме работы упомянутых источников излучение может как бы вычерчивать на льду штриховую или пунктирную линию.

Так, в качестве источников основного и/или вспомогательного излучения могут использовать лазеры, длительность импульса которых более чем в 2 раза меньше периода следования импульсов, тогда как последние имеют плавно нарастающий передний фронт и относительно такого плавного нарастания резко спадающий задний.

Интервал между импульсами должен превышать среднее время жизни соответствующей молекулы в возбужденном состоянии.

В качестве источников основного и вспомогательного излучения могут быть использованы лазеры, работающие в импульсном режиме, при том что импульсы основного и вспомогательного излучения следуют с перекрытием во времени. Наилучший результат будет достигнут в том случае, когда импульсы основного и вспомогательного излучения совпадают по времени следования - когда лед облучается одновременно основным и вспомогательным излучениями.

Так, в качестве источника основного и вспомогательного излучения могут использовать лазер, работающий в многомодовом режиме.

При этом могут обеспечивать следование импульсов основного и/или вспомогательного излучения в перерыве между следованием импульсов мощного сфокусированного излучения.

Излучение используемых в качестве источников основного и вспомогательного излучения лазеров может быть сведено в один направленный световой поток традиционными для оптики средствами, например с использованием селективных интерференционных зеркал.

Также в такой поток может быть дополнительно заведено как минимум еще одно основное излучение и как минимум еще одно вспомогательное к нему излучение, соответственно с ₃ и ₄.

Предпочтительно основное и вспомогательное излучения должны падать на лед в виде сходящегося пучка лучей со сходимостью, задаваемой в зависимости от толщины льда. Так, например, при толщине льда 1 м сходимость должна составлять 25', при толщине 2 м - 9'.

В особых случаях сходимость и другие параметры излучения, в частности мощность, которая в ряде случаев суммарно для всего излучения может составлять всего несколько кВт, определяются эмпирически при исследовании льда.

На облучаемую область и расположенную под ней толщу льда могут оказывать воздействие со стороны постоянного или переменного мощного магнитного поля (потребляемая электрическая мощность соответствующего электромагнита порядка 50 кВт).

Связь отличительных признаков с техническим результатом

Расплавление поверхности льда осуществляют с целью снижения связанных с отражением потерь излучения (с 50-95% до 7-10).

Упомянутый выбор облучаемой области позволяет получить мультипликативный синергетический эффект локального ослабления ледяного покрова по направлению движения судна от: а) напряжений в толще льда, возникающих при механическом воздействии судна на лед; б) напряжений, возникающих во льду вследствие взаимодействия с его поверхностным слоем мощного сфокусированного излучения высокой энергии; в) возбуждения молекул примесей кристаллической решетки льда - дефектов кристаллов льда (по которым собственно и разрушается лед); г) изменения физических свойств льда как многокомпонентной системы при его просвечивании излучением оптического и ближнего инфракрасного диапазонов.

Ориентация на излучение с указанными параметрами позволяет просвечивать большие массивы льда (вообще, чистый лед прозрачен для лучей видимого света (ориентировочно от 0,45 до 0,70 мкм), метровый слой льда поглощает всего примерно половину падающего на него красного света), создавая в нем двухфазные по своей структуре зоны (все соли в этих зонах в растворенном состоянии будут находиться в рассоле), на границах которых при оказании на лед механического воздействия корпусом судна будут сконцентрированы напряжения, что облегчит разрушение льда. Причем участки пониженной прочности в основном будут сконцентрированы у наружной поверхности льда.

При этом, поскольку облучение льда излучением оптического и ближнего инфракрасного диапазонов проводится в основном с целью воздействия на сухой осадок и рассол, а также на примеси кристаллической решетки (с целью их оптической накачки, сопровождающейся откликом электронного заряда молекул) представляемый способ энергетически малозатратен.

Так, например, для перевода солей в раствор (из гидратов или безводных солей) поглощенная за секунду находящимся в толще льда рассолом и осадками энергия при тех же условиях (температура и соленость льда, ширина и глубина просвеченной области, скорость движения ледокола), что были описаны для первого из известных способов, должна составить всего 1-2 десятка кДж (против более чем 1 МДж).

Воздействие на лед со стороны внешнего мощного магнитного поля способствует уширению энергетических уровней молекул примесей, взаимодействующих с молекулами воды кристаллического льда. Возникающее же в результате уширения возбуждение молекулы примеси с одной стороны зависит от суммарного электрического поля, создаваемого в месте расположения молекулы всеми соседними молекулами воды (а также от дипольного момента и поляризуемости молекулы примеси), а с другой - влияет на него.

Следует также учитывать, что молекулы воды кристаллической решетки льда колеблются с периодами существенно меньшими по сравнению со средним временем жизни молекул примеси в возбужденном состоянии. Из этого можно сделать вывод, что облучение примеси излучением, промодулированным в СВЧ диапазоне, вследствие сложения когерентных излучений с малой шириной спектра и с близкоотстоящими рабочими длинами волн, будет способствовать образованию новых дефектов кристаллической решетки.

То же можно сказать про сухие отложения солей, рассол и проч.

Здесь также необходимо отметить, что использование излучения, рабочая длина волны которого лежит в диапазоне 0,45-0,95 мкм, позволяет использовать сравнительно простые и в то же время пригодные для эксплуатации в морских условиях герметичные оптические приборы и системы.