Коллектив авторов - Океанография и морской лед

• Название: Океанография и морской лед
• Автор: Коллектив авторов
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-98797-065-2

В данном томе трудов Международного полярного года (МПГ 2007/2008) отражены результаты исследований, выполненных в рамках научной программы участия Российской Федерации в проведении МПГ по направлению 1 «Гидрометеорологические и гелиогеофизические условия полярных областей» в разделе «Морская среда полярных океанов и морей, морские льды».

---

В настоящее время общепринято разделение ледовой нагрузки на локальную и глобальную. Однако в нормативной документации, как в отечественной, так и в зарубежной, не приводятся определения этих физических величин, поэтому авторы предлагают следующие формулировки.

Глобальная ледовая нагрузка – физическая векторная величина, характеризуемая абсолютной величиной, направлением и точкой приложения суммарной силы, оказываемой льдом на инженерное сооружение. Глобальная нагрузка является расчетной при рассмотрении вопросов общей прочности сооружения, его устойчивости на грунте, удержания сооружения в точке бурения.

Локальная ледовая нагрузка – оказываемое льдом нормальное к поверхности инженерного сооружения давление, распределенное по пятну контакта, расположенному в определенном районе инженерного сооружения. Локальная нагрузка является расчетной при оценке местной прочности корпуса сооружения.

Глобальные ледовые нагрузки могут быть ограничены либо природными движущими силами, включая собственную энергию движущихся ледяных образований, либо несущей способностью ледяных образований. Природная движущая сила может определяться как суммарная сила от воздействия течения, ветра, а также от взаимодействия с окружающим льдом. При этом силы могут действовать как в одном, так и в различных направлениях. Под собственной энергией ледяного образования подразумевается кинетическая энергия его движения. При взаимодействии ледяного образования с ледостойким сооружением возможны различные виды разрушения ледяного образования.

Локальная ледовая нагрузка характеризуется размерами пятна контакта и законом распределения давления внутри зоны контакта. В настоящее время известны более десятка различных законов распределения ледовой нагрузки, предложенных специалистами разных стран. Знание закона распределения нагрузки имеет принципиальное значение при ее расчете.

Локальные ледовые нагрузки, возникающие в процессе дрейфа, могут быть определены с помощью оборудования стального корпуса платформы тензодатчиками. Непрерывные тензометрические измерения имеют не только важное научное значение, но и позволят контролировать состояние корпуса в процессе эксплуатации. Глобальные ледовые нагрузки определяются с помощью шестикомпонентных датчиков, включающих акселерометры и гироскопы. Измерения нагрузок особо актуальны во время ледовых сжатий, когда дрейфующая платформа испытывает наибольшее ледовое воздействие. При этом исследования нагрузок дополняются исследованиями прочностных свойств натурного льда, действующего на платформу.

Наиболее информативными испытаниями прочности льда являются крупномасштабные испытания, при которых нагружается вся толща ледяного покрова. Для определения прочности льда при изгибе крупномасштабными являются традиционные испытания консолей на плаву. Крупномасштабные испытания прочности льда при сжатии не являются общепринятыми, ввиду их большой трудоемкости и сложности экспериментального оборудования. Однако выполнение крупномасштабных испытаний является весьма важным, поскольку совместно с традиционными испытаниями малых образцов это позволяет установить взаимосвязь между прочностью образцов льда (основной объем данных о прочности льда при сжатии получен именно по результатам таких испытаний) и прочностью всей толщи ледяного покрова, которая, в рамках существующих подходов к расчетам ледовых нагрузок, и должна, по-видимому, подставляться в расчетные формулы.

В настоящее время в ААНИИ разработано оборудование для определения крупномасштабной прочности льда при сжатии (Лихоманов, Крупина, 2007). Его использование в натурных условиях показало его работоспособность и эффективность. Существуют две модификации оборудования: для определения крупномасштабной прочности при сжатии и для определения нагрузок при внедрении цилиндрического индентора (рис. 3–5).

Рис. 3. Силовой блок для крупномасштабных испытаний прочности льда при сжатии (слева) и испытаний по внедрению цилиндрического индентера (справа)

Рис. 4. Вид сверху на размещенный в майне силовой блок (слева) и лед в месте воздействия нагрузочной плиты во время испытания прочности льда при крупномасштабном сжатии (справа)

Рис. 5. Вид сверху на размещенный в майне силовой блок (слева) и лед в месте воздействия индентера во время испытания (справа)

Ввиду того, что существующее оборудование для крупномасштабных испытаний разрабатывалось для использования в краткосрочных экспедициях, оно было спроектировано максимально мобильным, что повело за собой ограничения в использовании: оно может применяться только на ровном льду толщиной не более 70 см и создавать усилие не более 70 т. Для долговременных дрейфующих обсерваторий оборудование должно быть усовершенствовано. Оно может быть менее мобильным, но более мощным и пригодным к использованию на существенно больших толщинах льда.

Совместно с проведением и по результатам испытаний ледовых нагрузок и прочностных свойств льда могут быть разработаны и апробированы системы мониторинга ледовых нагрузок на промышленные объекты и системы мониторинга состояния этих объектов с целью повышения уровня безопасности их эксплуатации.

Заключение

С целью выработки требований к оптимальным параметрам инженерного сооружения для обеспечения заданной автономности, грузо– и пассажировместимости, возможности проведения широкого спектра научных исследований проанализированы логистические и финансовые затраты на организацию 37 советских и российских станций дрейфующих станций «СП».

В результате выполненного анализа проработаны и проанализированы технико-экономические показатели трех вариантов плавучих инженерных сооружений для долговременного базирования научно-исследовательских обсерваторий типа станций «Северный Полюс»: Наиболее перспективным представляется вариант самоходной водоизмещающей платформы с упрощенными формами и высокой ледовой прочностью корпуса, способной автономно дрейфовать в высоких широтах СЛО не менее двух лет и самостоятельно (своим ходом) возвращаться из точки окончания дрейфа в точку начала следующего дрейфа по чистой воде (способностью самостоятельного движения во льдах платформа не обладает).

К числу факторов, повышающих экономический эффект использования платформы и не имеющих в настоящее время количественного выражения, следует отнести:

– возможность существенного расширения круга научных исследований;

– использование нового оборудования, которое по своим техническим параметрам не может быть использовано в условиях дрейфующей льдины;

– качество и скорость обработки результатов наблюдений;

– условия работы и жизни полярников.

Литература

Ю.П. Гудошников, Г.К. Зубакин, А.В. Чернов. Вопросы обеспечения безопасности морских инженерных сооружений от айсбергов. //«Морская Биржа», № 3 (25), 2008. С. 70–73.

Ю.П. Гудошников, В.А. Лихоманов, А.В. Чернов, Н.А.Крупина. Натурные исследования ледовых нагрузок. // «Oil&Gas Journal Russia», № 6 (30), 2009. С. 28–34.

В.А. Лихоманов, Н.А. Крупина. Инженерные аспекты в задачах оценки воздействия льда на суда и другие сооружения. //«Морская Биржа», № 2 (20), 2007. С. 66–68.

Правила классификации и постройки морских судов. Российский морской регистр судоходства. СПб.: 2010. Том 1. 480 с.

Vladimir A. Likhomanov, Nina A. Krupina, Alexey V. Chernov. Prospects for the use of floating engineering structures for long-term location of research observatories of the North Pole stations type. Arctic and Antarctic Research Institute, Saint Petersburg, Russia

Abstract

The feasibility study for design and construction of floating engineering structures for long-term location of research observatories similar the North Pole was carried out based on analysis of organization and work results of drifting stations North Pole. Main dimensions and displacements that are necessary and sufficient for life support and successful research activity of 3 variants of such structures were defined at the beginning stage of designing after detailed analysis. The variants of the general arrangement of living areas and staff rooms that give optimal conditions for scientists’ life and work were proposed. New prospective lines of investigation which possibility are provided by design features of a self-propelled floating platform were considered.

В.Т. Соколов, А.Л. Румянцев, А.Э. Клейн, В.М. Смоляницкий Новые методы и технологии экспериментальных исследований морского льда в Арктике Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия

Аннотация

В последнее десятилетие в области исследований морского ледяного покрова широко внедряются не только новые приборы, но также и разные методы и технологии, позволяющие наряду с традиционными контактными измерениями осуществлять высокоинформативные дистанционные наблюдения. Очень важно, что информация о ледяном покрове и ряде других параметров природной среды с этих комплексов поступает в цифровом виде. Эот дает возможность оперативно ее обрабатывать, отображать и усваивать. Применять новые методы и технологии в области исследования ледяного покрова позволяют следующие аппараты и приборы: беспилотные летательные аппараты (БЛА), магниторезонансные измерители толщины льда, ледовые масс-балансовые буи (ЛМБ – Ice Mass Balance Buoy), мобильные телеуправляемые подводные комплексы. В настоящей работе рассматриваются основные результаты применения различных новых приборов, методов и технологий на научно-исследовательских дрейфующих станциях «Северный Полюс».