16+
Лайт-версия сайта

Прыгающий ледокол с опорно-реактивным движителем

Изобретения / Авиация и судоходство / Прыгающий ледокол с опорно-реактивным движителем
Просмотр работы:
20 января ’2021   14:20
Просмотров: 3714

Современный ледокольный флот представлен "классическими" водоизмещающими судами,коих ледокольная функция обеспечивается большой инертной массой и весом,тягой и специальными обводами,позволяющими подминать лед носовой частью.При успешной работе существующих ледоколов обнаруживаются и их недостатки - прежде всего,связанные с их принципом движения по воде,которым они не отличаются от обычных судов.Случаются ситуации,когда ледовое препятствие непреодолимо и для ледокола.Тогда он оказывается не только не способен помочь проводимым судам,но и сам застревает в "ледовой ловушке" (вернуться назад могут не позвольть уже успевшие сомкнуться льды).Судно,которому для работы движителей нужна чистая вода,в такой ситуации бессильно.
На мысль о перспективах альтернативного варианта наводит опыт эксплуатации судов на воздушной подушке,как это ни странно.Таковой затронул и их движение по замерзшим руслам рек.И при этом обнаружился некий казус: вместо безвредного для льда скольжения по нему,СВП своей воздушной подушкой проламывало лед,что не препятствовало его дальнейшему движению,- но лед оказывался разрушен! Вес нелегкого по речным меркам катера,передаваемый через давление воздушной подушки,активно ломал лед.
Кстати,чисто умозрительно на мысль о некоей перспективе наводит свойство мощного факела ракетного двигателя крушить все,находящееся под ним: давление истекающих из сопла газов на поверхность весьма велико (плюс они находятся при высокой температуре,но это,как говорится,уже другая история).
Что касается традиционных СВП,- они,конечно,непригодны в качестве ледокольных судов,ведь все же воздушная подушка ориентирована оказывать минимальное давление на поверхность,и случаи разрушения льда такими судами - казусы,обусловленные "недостаточной прочностью" речного льда.Хотя,опять же,оговоримся: если поставить на речной лед любое сколько-нибудь крупное судно,он,вероятнее всего,не выдержит.
Перспективы использования СВП в ледовых условиях выглядят заманчиво: при отсутствии чистой воды и даже полной невозможности выйти на таковую сохраняется возможность продолжать движение.Ледокол,способный залезть на неподдщийся пролому лед,сможет хотя бы сам продолжить движение или вернуться в порт.Или,запрыннув на ледовое поле перед проводимыми судами,можно организовать разрушение льда на особо тяжелом участке какими-то особыми методами (например,взрывами или растоплением).Что же касается спасательных операций - пришедший на помощь ледокол в крайнем случае может просто эвакуировать экипаж застрявшего во льдах судна - ломать лед при этом не требуется.В таких случаях замечателен фактор быстроходности СВП - к месту спасатель прилетит со скоростью 200 км/ч,а не 20,как обычный ледокол.

Как уже упоминалось,обычная воздушная подушка малопригодна для разрушительного давления на поверхность - давление в ней составляет лишь несколько атмосфер.И недаром вспомнилось сопло ракетного двигателя...
Четыре года назад автором этих строк был предложен концепт опорно-реактивного движителя(ОРД),являющегося развитием идеи наклона воздушной подушки для создиния движущей силы.В отличие от обычной воздушной подушки,колокол ОРД имеет значительнвй наклон верхней стенки,сравнительно небольшой обьем и сравнительно высокое давление рабочего тела (уровень десятков атмосфер).Рабочие колокола помещаются в днищевых нишах и могут поворачиваться до 180 градусов,что обеспечивает судну высокую меневренность,снимая необходимость в рулях.
Для создания собственно пропульсивного эффекта КПД такого движителя низок,так как используемая для этого часть реакции равна произведению общей реакции на верхней стенке колокола и синуса угла ее положения к горизонту (принцип распределения сил аналогичен таковому у вертолетного винта).Зато при совмещении с воздушной подушкой,поднимающей судно над поверхностью,такой движитель целесообразен (как говорится,ловим сразу двух зайцев: не нужен ни отдельный ходовой движитель,ни отдельная воздушная подушка).
Сравнительно небольшой обьем колокола компенсируется достаточно высоким давлением в нем,поэтому с задачей поддержания судна над поверхностью он должен справиться.На движущую силу затрачивается порядка 20 процентов реакции в камере - большая идет на создание поднимающей силы (определено углом расположения верхней стенки,не превышающим 30 градусов).
Мощность двигателя,требуемая для работы ОРД,на порядок выше,чем для создания "плоской" воздушной подушки.Но зато энергия не расходуется на работу отдельного маршевого движителя.

Возьмем смелость утверждать,что выше описанный движитель наилучшим образом подойдет для создания перспективного ледокола - аэрохода.Давление истекающей из колокола воздушной массы в юольшинстве случаев не оставит шансов находящемуся под ней ледовому слою.Тем более,что сосредоточение реакции ОРД можно варьировать: по днищу судна располагаются несколько колоколов,и можно,например,увеличить тягу передних,чтобы сила была сосредоточена в запрыгивающей на лед носовой части.
Заметим,что опорно-реактивный движитель может работать и в подводном положении,давая лишь частичную весовую разгрузку.Такой полу-водоизмещающий режим может использоваться для начального "тарана" льда.
Одним из важнейших преимуществ такой системы будет облегченный заход на кромку льда: роль тяги и инерционной силы здесь будут минимальны,- воздушная подушка поднимет судно непосредственно.
Что касается собственно тяги,- она не будет меньше,чем у традиционных ледоколов с гребными винтами: принцип действия ОРД предполагает направление в горизонтальную силу фиксированной части реакции.В колоколе с предлагаемой нами конфигурацией этот коэффициент - 0,2,- то есть при общей реакции в 1000 тонн получим тягу в 200 тонн и поднимающую силу в 800.Кстати,прикинем,какой бы потребовался воздушный винт - традиционный движитель СВП - для создания тяги в 200 тонн!

Некоторой проблемой применения опорно-реактивного движителя на крупном судне будет отсутствие легких газотурбинных двигателей большой мощности.Для него будут не идеальны ни авиационные,ни судовые ГТД.Первые не существуют в требуемых параметрах мощности,а вторые тяжелые и работают на низких оборотах - для привода компрессора нужны высокие.Большой вес двигателей здесь нежелателен потому,что для привода раздаточного компрессора наиболее целесообразна установка двигателей на уровне палубы,на одной линии с ним,и тяжелый двигатель поднимет центр тяжести судна,что по понятным причинам крайне нежелательно.Поэтому целесообразнее все-таки ориентироваться на особо мощные авиационные двигатели.Их адаптация будет несложной,так как не требуется подключения к механическим элементам.
Однако при создании крупного океанского ледокола мощности авиационных двигателей не хватит.Атомная энергетическая установка в наше время фантастикой не выглядит,прочно заняв место на ледокольном флоте.В нашем случае реактор выделяемым теплом должен приводить в действие высокооборотные паровые турбины,соединенные с валом компрессора.Реактор с паровым котлом,конечно,устанавливается в нижней части корпуса,а генерируемый пар подается на расположенные выше турбины.
Нужно заметить и перспективу,пока,к сожалению,не имеющую реальной базы.Это высокооборотный многоцилиндровый двигатель Стирлинга,который мог бы использовать тепло реактора непосредственно.Компрессор в этом случае "переместится" вниз,и для забора воздуха потребуется дополнительный вентилятор,но претмущества такой системы окупят усложнение конструкции.При нижнем расположении двигателя для него можно использовать водяное охлаждение из того же канала,который подает воду на реактор.

Скоростной характер системы с воздушным движителем накладывает ограничение для ее использование для "тарана" льда,что обеспечивается автоматически: при максимальной тяге на ходу (скорость порядка 200 км/ч) судно полностью поднято над поверхностью и столкнуться со льдом не может (кроме высоких торосов и айсбергов).
Вообще-то парадигма "тяга - скорость" у воздушно-реактивного движителя реализуется не в пользу первой при ограничении последней.Преодолевается это,во-первых,прыгающим характером наезда ледокола на лед: он стартует у ледовой кромки,еще не успев разогнаться,врезается в лед,подминает его под себя; если при этом лед не проламывается,движется на воздушной подушке по ледовому полю свободно; если же лед проломился,то его сопротивление не даст развить большую скорость.Таким образом,судно "застраховано" от опасного удара.
Кроме того,опорно-реактивный движитель позволяет ограничивать горизонтальную тягу при полноценной поднимающей силе - для этого колокола поворачиваются в противоположные стороны на максимальный угол при полной общей тяге.Такое положение может использоваться для безопасного заезда ледовую кромку.

Другой вариант ледокольной функции,позволяющий импользовать для нее судно на воздушной подушке, - это применение агрегатов,навешиваемых на днище.Правда,что-то здесь отсылает в позапрошлый век с первыми ледокольными опытами,когда к форштевню прикрепляли нож-ледорез ;высокой эффективности такая система не показала.Однако судно на воздушной подушке,взойдя на лед,может всаживать в него ледорез всем своим весом (крепить его следует к днищу,а не к форштевню).

Таким образом,при существующих недостатках аэроледокола его возможности шире,чем обычных.Нужно заметить,что он не лишен и общего для СВП достоинства - возможности двигаться как над водой,так и над сушей (в ледовых условиях одна может быть неотличима от другой).Возможно и применение такого судна на суше (конечно,недалеко от береговой линии) - уже не как ледокола - для расчистки местности от каких-либо завалов,буксировки крупногабаритных обьектов и т.д..На воде,сочетая скорость и мореходность,он может выполнять роль спасательного буксира.

К недостаткам конструктивного воплощения идеи следует отнести установку двигателя с компрессором на уровне палубы: это вызовет сильные шум и вибрацию в обитаемых помещениях.Однако такой вариант оптимален для обеспечения связи компрессора с колоколами,он делает минимальным изгиб воздухопроводных каналов,что уменьшает энергетические потери в системе; также расположенный вверху двигатель лучше охлаждается воздухом.Поэтому,не отказываясь от такой схемы,предлагаем установить над моторным блоком специальную шумо- и вибро- изолирующую панель.Еще побочным эффектом работы расположенного под надстройкой двигателя будет то,что тепло от него пойдет вверх - не такой уж недостаток для эргономики судна,работающего в условиях Арктики...

По схеме расположения элементов опорно-реактивного движителя ледокол в принципе не отличается от других СВП,предполагающих его использование.Оптимальное число колоколов - шесть: пара - в носу,пара - в корме и пара - на миделе.Такой вариант дает наивысшую маневренность при учете конфигурации корпуса судна (отношение длины к ширине - порядка 4:1,между перпендикулярами - 3:1).Корпус СВП - плоскодонный,остойчивость обеспечивается достаточной шириной.Отсутствие динамической остойчивости может компенсироваться благодаря наличию парных колоколов "автоматом крена" - устройству,которое по сигналу от гироскопа будет изменять поднимающую силу,увеличивая ее со стороны наклона и уменьшая с противоположной; это достигается изменением интенсивности подачи воздуха в колокола.
Жесткие условия эксплуатации,предполагающие удары днищем об лед,предьявляют особые требования к прочности опорно-реактивных колоколов.Они изготавливаются из легированной стали со значительной толщиной стенок.В районе закругленного схода стенки делается наплыв(утолщение) - в эту часть конструкции приходятся самые опасные угловые удары.

Повышенный расход горючего по сравнению с обычными водоизмещающими ледоколами неизбежен.Однако это,как сравнивать самолет и автомобиль: соображения экономичности,конечно,не в пользу первого,однако известные преимущества не дают отказываться от него.Применяемые на таком судне ГТД,конечно,желательно перевести с авиационного керосина на дизельное морское топливо или сжиженный газ.Использование атомной энергии и даигателя с внешним подводом тепла будет перспективным вариантом для ледоколов нового типа.






Голосование:

Суммарный балл: 0
Проголосовало пользователей: 0

Балл суточного голосования: 0
Проголосовало пользователей: 0

Голосовать могут только зарегистрированные пользователи

Вас также могут заинтересовать работы:



Отзывы:



Нет отзывов

Оставлять отзывы могут только зарегистрированные пользователи
Логин
Пароль

Регистрация
Забыли пароль?


Трибуна сайта

195
ПОЗДРАВЛЯЕМ NINAIPATOVA С ЮБИЛЕЕМ! ЖДЁМ ВСЕХ!

Присоединяйтесь 




Наш рупор







© 2009 - 2022 www.neizvestniy-geniy.ru         Карта сайта

Яндекс.Метрика
Реклама на нашем сайте

Мы в соц. сетях —  ВКонтакте Одноклассники Livejournal

Разработка web-сайта — Веб-студия BondSoft