Введение к работе
Актуальность темы исследования обусловлена следующим. Водные пути России – ее национальное богатство. Географическое положение России с большим количеством морских и внутренних водных путей предопределило развитие судоходства в ледовых условиях. Успешное решение задач продления навигации связано с развитием технических, экономических, организационных и социальных вопросов. Для выполнения этой цели необходим не только достаточно мощный ледокольный флот, но и вспомогательные средства, обеспечивающие его эффективную работу, работу портов, гидротехнических сооружений, шлюзов, акваторий заводов и т.д. Достаточно острой остается задача борьбы с ледовыми заторами и, связанными с ними, разрушительными наводнениями. Разработка нефти и газа за Полярным кругом и расширением работ на шельфе Арктических морей привели к поиску новых эффективных средств проводки судов и продления навигации. Не менее важным является продление навигации и на внутренних водных путях, связанных с гарантированными сроками начала и завершения навигации. Это относится не только к центральному водному бассейну, но и к бассейнам рек Сибири и дальнего Востока, из-за короткого летнего навигационного периода, особенно в высоких широтах и недостатка железных и автомобильных дорог. Возможный перевод Волги в категорию международного водного пути открывает не только новые перспективы, но и ставит ряд технических задач, основными из которых является обеспечение гарантированных сроков начала и завершения навигации.
Разрушение ледяного покрова, создание ледового канала и проводка судов осуществляется в основном ледоколами. Несмотря на универсальность ледоколов во всем мире ведется поиск новых технических средств и технологий, повышающих эффективность их работы. К ним относятся ледокольно-ледоочистительные приставки, гидро и пневмоомывающие установки на судах ледового плавания, раскачивающие устройства, специальные обводы корпуса. Эти средства в локально-конкретных случаях могут повысить эффективность ледоколов, не изменяя по существу технологию ледовых операций и сохраняя высокую стоимость и большие энергозатраты.
Одним из принципиально новых способов и технологий является использование ледокольных судов и платформ на воздушной подушке, сообщение о которых появилось в конце прошлого века в США, Канаде, Финляндии и в др. странах. Они не исключают использования обычных ледоколов. Но в ряде случаев, существенно увеличивают эффективность ледокольных работ. Они могут работать в счале с небольшими ледоколами, ледокольными буксирами, транспортными судами. Экспериментальные исследования, проведенные в США, Канаде, Финляндии, России и других странах позволяют надеяться, что они займут достойное место в арсенале средств разрушения льда и продления навигации. Несмотря на интерес к новым ледовым технологиям, целый ряд вопросов, связанных с их проектированием остается не выясненным. Настоящая работа позволяет наметить пути решения приоритетных задач проектирования ледокольных платформ на воздушной подушке (ЛПВП). Под приоритетным проектированием (ЛПВП) автор понимает разработку тех характеристик судна, которые при выполнении ледовых операций будут определяющими. К ним относятся выбор формы и размеров корпуса и гибкого ограждения, обоснование выбора нагнетательного комплекса и аэродинамической схемы, обеспечение
минимального сопротивления при разрушении льда.
Уникальные возможности СВП, прежде всего, амфибийность и возможность работы на мелководье, позволяют рассматривать эти транспортные средства как одно из наиболее перспективных видов транспорта для районов Сибири, Крайнего Севера и мелководных шельфовых районов арктических морей. Это вполне можно отнести и к внутренним водным путям. Отмеченное позволяет считать исследования, связанные с развитием ледокольного флота, в том числе, средств и технологий повышения его эффективности, актуальной задачей.
Информационной базой исследований являются труды Российских и зарубежных учёных в области проектирования судов и судов на воздушной подушке, корабельной ледотехники и методов физического моделирования. В их числе работы Е.М. Апполонова, Л.М. Ногида, Ю.А. Шиманского, И.И. Каштеляна, Д.Е. Хейсина, И.И. Позняка, Б.П. Ионова, В.В. Кличко, Б.А. Колызаева, Г.Ф. Демешко, В.И. Любимова, Е.П. Роннова, К.Е. Сазонова, Ю.А. Симонова, Л.Г. Цоя, В.А. Зуева, Е.М. Грамузова, Ю.А. Двойченко, В.В. Князькова, В.М. Козина, М.Б. Дехтяра, N.A. Ball’а, R.Y. Edwards’а, H.S. Fowler’а, V.R. Milano, В.М. Snaider’а, R.G. Wad’а, В.М. Robertson’а и др.
Целью диссертационной работы является создание научно-обоснованной базы оценки взаимодействия ледокольных платформ на воздушной подушке с ледяным покровом, подготовки исходной информации для формирования математической модели приоритетного проектирования этих судов.
Для достижения поставленной цели работы решены следующие научные задачи:
классификация и анализ средств разрушения льда и продления навигации,
анализ использования ледокольных платформ на воздушной подушке в ледовых операциях,
оценка напряженно-деформированного состояния ледяного покрова при взаимодействии с ЛПВП,
анализ условий моделирования при модельных испытаниях ЛПВП в ледовых условиях, проведение испытаний и разработка полуэмпирических зависимостей для прогнозирования ледового сопротивления,
разработка математической модели приоритетного проектирования ЛПВП,
разработка технических и экономических показателей составов с ЛПВП,
Объектом исследования являются ледокольные платформы на воздушной подушке, а также
физические и математические модели, описывающие приоритетное проектирование этих судов.
Предметом исследования являются способы и вычислительные алгоритмы, входящие в методику обоснования приоритетного проектирования ледокольных платформ на воздушной подушке, базирующиеся на современных научно-технических принципах.
Научная новизна. Дан анализ и классификация средств разрушения льда и продления навигации. Показана эффективность использования ЛПВП для ледовых операций. Приведена математическая модель приоритетного проектирования ЛПВП и её элементов, в том числе прогнозирование сопротивления окружающей среды.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значение диссертационного исследования состоит в разработке способов прогнозирования
сопротивления льда и выбора приоритетных характеристик проектируемого судна.
Практическое значение и реализация результатов работы состоит в следующем: результаты анализа существующих ледокольных платформ на воздушной подушке могут быть использованы при проектировании новых судов; методика приоритетного проектирования может быть использована при инженерно-конструкторской проработке новых проектов ЛПВП; способ оценки технических и экономических показателей может быть использован при выборе технических средств продления навигации в каждом конкретном случае.
Результаты работы использованы в бюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах НГТУ, а также в учебном процессе в НГТУ при чтении дисциплин «Проектирование судов ледового плавания», «Корабельная ледотехника», «Ходкость судов ледового плавания», курсовом и дипломном проектировании.
Методы исследования. Для реализации цели работы использовались аналитические, экспериментальные и полуэмпирические методы. В частности использовались методы теории проектирования судов (в том числе судов на воздушной подушке), методы оптимизации, методы математической статистики, методы расчета экономических показателей работы судов. Решения поставленных задач выполнялись с помощью ПК и имеющегося программного обеспечения.
Основные положения, выносимые на защиту:
подходы и методы приоритетного проектирования ледокольных платформ на воздушной подушке;
новые и доработанные математические модели прогнозирования основных характеристик и параметров ледокольных платформ на воздушной подушке;
прогнозирование и оценка сопротивления окружающей среды при движении ЛПВП в различных ледовых условиях;
способы и технологии проведения модельных испытаний ЛПВП и пересчета их результатов на натуру;
схемы расчетов технической и экономической эффективности работы составов с ЛПВП в ледовых условиях.
Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчетов с характеристиками существующих ЛПВП и составов ЛПВП при использовании разработанной информационной базы, выполненными статистическими исследованиями с оценкой погрешности результата, применением методов математического программирования и выполнением тестовых вычислений.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции «Эволюция современной науки» г. Уфа, 2015, в материалах международной конференции «Полярная механика» СПб, 2017, на V международной конференции «Морская техника и технологии» г. Калининград, 2017, на XI, XII, XIII, международных молодежных конференциях «Будущее технической науки» Н.Н. в 2012, 2013, 2014 годах.
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 13 научных работ, в том числе в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК,
опубликовано 4 статьи.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти разделов, заключения, списка литературы и приложения. Работа представлена на 189 страницах машинописного текста, содержит 116 рисунков, 18 таблиц. Список литературы содержит 137 наименований использованных источников. Приложение в объеме 86 стр. включает методику приоритетного проектирования ЛПВП с примерами расчетов для Обско-Тазовской губы и для Азовского моря