RU2778464C1 - Method for breaking the ice cover - Google Patents

Abstract

FIELD: navigation.

SUBSTANCE: invention relates to navigation in ice conditions, in particular to submarines that destroy the ice cover with resonant flexural gravity waves. A method is proposed for destroying the ice cover by an underwater vessel by excitation of resonant bending-gravity waves in the ice, while under the first wave crest behind the stern of the vessel, a body with positive buoyancy is placed and towed at the speed of the vessel. In the process of towing the body, the length of the towing cable is periodically changed with the frequency of resonant flexural-gravitational waves for a time equal to half of their period. By changing the length of the cable, the body is informed of displacements within half the length of resonant flexural-gravity waves.

EFFECT: increasing the efficiency of ice cover destruction.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к судоходству в ледовых условиях, в частности к подводным судам, разрушающим ледяной покров резонансным методом, т.е. путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ) (В.М. Козин. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты. М.: Академия Естествознания. 2007. 355с. ISBN 978-5-91327-017-7, см. с. 5-9).The invention relates to navigation in ice conditions, in particular to submarines that destroy the ice cover by the resonance method, i.e. by excitation of resonant bending-gravity waves (IGW) in ice (V.M. Kozin. Resonance method of ice cover destruction. Inventions and experiments. M.: Academy of Natural Sciences. 2007. 355 pp. ISBN 978-5-91327-017-7, see pages 5-9).

Известно техническое решение (патент RU 2149795 - принят за прототип), в котором предложен способ разрушения ледяного покрова подводным судном путем возбуждения во льду резонансных ИГВ. При его осуществлении одновременно с движением судна под первым гребнем волны, возникающей за кормой судна, размещают и буксируют со скоростью судна тело с положительной плавучестью.A technical solution is known (patent RU 2149795 - adopted as a prototype), which proposes a method for destroying the ice cover by an underwater vessel by excitation of resonant IGVs in the ice. In its implementation, simultaneously with the movement of the vessel under the first crest of the wave arising behind the stern of the vessel, a body with positive buoyancy is placed and towed at the speed of the vessel.

Недостатком способа является ограниченная возможность увеличения амплитуды ИГВ, т.е. его ледоразрушающей способности.The disadvantage of this method is the limited possibility of increasing the amplitude of the IGW, i.e. its ice-breaking ability.

Задача изобретения заключается в разработке способа увеличения амплитуды возбуждаемых ИГВ.The objective of the invention is to develop a method for increasing the amplitude of the excited IGV.

Технический результат заключается в увеличения амплитуды возбуждаемых ИГВ, что приводит к увеличению толщины разрушаемого ледяного покрова.The technical result consists in increasing the amplitude of the excited IGW, which leads to an increase in the thickness of the destroyed ice cover.

Существенные признаки, характеризующие изобретение.Essential features characterizing the invention.

Ограничительные: способ разрушения ледяного покрова подводным судном путем возбуждения во льду резонансных ИГВ, при этом под первым за кормой судна гребнем волны размещают и буксируют со скоростью судна тело с положительной плавучестью.Restrictive: a method of destroying the ice cover by an underwater vessel by excitation of resonant IGWs in the ice, while under the first wave crest behind the stern of the vessel, a body with positive buoyancy is placed and towed at the speed of the vessel.

Отличительные: в процессе буксировки тела длину буксировочного троса периодически с частотой резонансных ИГВ изменяют в течение времени, равном половине их периода, при этом за счет изменения длины троса телу сообщают перемещения в пределах половины длины резонансных ИГВ.Distinctive: in the process of towing the body, the length of the tow rope is periodically changed with the frequency of resonant IGVs for a time equal to half of their period, while due to the change in the length of the cable, movements are imparted to the body within half the length of resonant IGVs.

Очевидно, чт, если на резонансные ИГВ, возбуждаемые движущимся подводным судном (основную волновую систему), подействовать дополнительными периодическими нагрузками с частотой этих волн, то вследствие интерференции основной волновой системы и дополнительной, создаваемой дополнительными нагрузками, произойдет увеличение суммарной амплитуды ИГВ. Создать такие нагрузки можно за счет возвратно-поступательных движений, сообщаемых телу посредством изменения длины буксирующего его троса. Создание такого движения приведет по сравнению с прототипом к периодическому увеличению скорости обтекания тела при его перемещении, совпадающим по направлению с движением судна, и уменьшению - при перемещении тела в противоположном направлении. В результате этого перед буксируемым телом будет периодически с частотой резонансных ИГВ возникать область повышенного давления, что приведет к возбуждению дополнительных резонансных ИГВ. Очевидно, что для благоприятной интерференции этих волновых систем (периодического возрастания высоты суммарных ИГВ) необходимо, чтобы время воздействия сил, возбуждающих дополнительные ИГВ, равнялось половине периода Т основных резонансных ИГВ, величину которого можно определить по зависимости (Д.Е. Хейсин. Динамика ледяного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат. 1967. - 218 с., см. с. 136):Obviously, if resonant IGWs excited by a moving underwater vessel (the main wave system) are affected by additional periodic loads with the frequency of these waves, then due to the interference of the main wave system and the additional one created by additional loads, the total amplitude of the IGW will increase. It is possible to create such loads due to reciprocating movements imparted to the body by changing the length of the cable towing it. The creation of such a movement will lead, in comparison with the prototype, to a periodic increase in the speed of the flow around the body when it moves, coinciding in direction with the movement of the vessel, and to decrease when the body moves in the opposite direction. As a result, an area of increased pressure will periodically appear in front of the towed body with the frequency of resonant IGWs, which will lead to the excitation of additional resonant IGWs. Obviously, for the favorable interference of these wave systems (a periodic increase in the height of the total IGWs), it is necessary that the time of action of the forces that excite additional IGWs be equal to half the period T of the main resonant IGWs, the value of which can be determined from the dependence (D.E. Kheisin. Dynamics of ice cover. - L .: Gidrometeoizdat. 1967. - 218 p., see p. 136):

где: D - цилиндрическая жесткость ледяной пластины; ρ_л - плотность льда; h - толщина ледяного покрова; g - ускорение силы тяжести.where: D is the cylindrical stiffness of the ice plate; ρ _l - density of ice; h is the thickness of the ice cover; g is the acceleration due to gravity.

В этом случае при перемещении льда вниз от дополнительных ИГВ величина давления подо льдом будет уменьшаться, т.к. тело будет перемещаться в направлении, противоположном направлению движения судна, а это приведет к уменьшению скорости его обтекания набегающим потоком по сравнению со скоростью, когда такое перемещение отсутствует (как у прототипа). При перемещении льда вверх от дополнительных ИГВ величина давления подо льдом будет увеличиваться, т.к. тело будет перемещаться в направлении, совпадающим с направлением движения судна, а это приведет к увеличению скорости его обтекания набегающим потоком по сравнению со скоростью, когда такое перемещение отсутствует (как у прототипа). Таким образом, под ледяным покровом периодически с частотой резонансных ИГВ будет возникать область повышенного давления в течение времени, равном половине периода эти волн. В результате возникнет дополнительная к основным ИГВ раскачка ледяного покрова, что приведет к периодическому увеличению изгибных напряжений в ледяном покрове. In this case, when ice moves down from additional IGWs, the pressure under the ice will decrease, since the body will move in the direction opposite to the direction of the vessel, and this will lead to a decrease in the speed of its flow around the oncoming flow compared to the speed when there is no such movement (as in the prototype). When ice moves upwards from additional IGWs, the pressure under the ice will increase, since the body will move in the direction coinciding with the direction of the vessel, and this will lead to an increase in the speed of its flow around the oncoming flow compared to the speed when there is no such movement (as in the prototype). Thus, an area of increased pressure will periodically appear under the ice cover with the frequency of resonant IGWs for a time equal to half the period of these waves. As a result, there will be an additional buildup of the ice cover in addition to the main IGWs, which will lead to a periodic increase in bending stresses in the ice cover.

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

Под ледяным покровом на заданном заглублении начинают перемещать подводное судно с резонансной скоростью. Если амплитуда возбуждаемых при этом ИГВ окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова, то в процессе движения судна под ледяным покровом размещают и буксируют тело с положительной плавучестью (например, эластичную емкость, заполненную воздухом). При помощи буксира его располагают под первым за кормой судна гребнем (вершиной) волны. Сила выталкивания воды (архимедова сила), действующая на тело, будет увеличивать высоту гребня, т.е. амплитуду ИГВ, за кормой судна. В зависимости от толщины льда объем тела увеличивают путем подкачки в него сжатого воздуха до тех пор, пока высота гребня не достигнет максимального значения. Если и в этом случае амплитуда возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова, то телу начинают сообщать возвратно-поступательные движения за счет изменения длины буксирующего его троса. Эти перемещения сообщают в направлении движения судна периодически с частотой резонансных ИГВ в пределах первой за судном вершиной ИГВ, т.е. равной половине их длины, в течение времени, равном половине периода эти волн.Under the ice cover at a given depth, the submarine begins to move at a resonant speed. If the amplitude of the IGWs excited in this case is insufficient to destroy the ice cover, then during the movement of the vessel, a body with positive buoyancy (for example, an elastic container filled with air) is placed and towed under the ice cover. With the help of a tug, it is placed under the first crest (top) of the wave behind the stern of the vessel. The water expulsion force (Archimedean force) acting on the body will increase the height of the ridge, i.e. IGW amplitude, behind the ship's stern. Depending on the thickness of the ice, the volume of the body is increased by pumping compressed air into it until the height of the ridge reaches its maximum value. If, in this case, the amplitude of the excited IGWs is insufficient to destroy the ice cover, then the body begins to report reciprocating motions due to a change in the length of the cable towing it. These displacements are reported in the direction of the ship's movement periodically with the frequency of resonant IGWs within the limits of the first top of the IGW behind the ship, i.e. equal to half their length, for a time equal to half the period of these waves.

Выполнение этих условий обеспечит возбуждение дополнительной системы ИГВ, частота которых будет равна частоте основных резонансных ИГВ. Волновые системы окажутся когерентными и, вследствие этого, способными интерферировать друг с другом, что позволит периодически увеличивать их суммарные амплитуды и, соответственно, ледоразрущающую способность ИГВ. В результате будет достигнут заявленный технический результат.The fulfillment of these conditions will ensure the excitation of an additional IGW system, the frequency of which will be equal to the frequency of the main resonant IGWs. Wave systems will turn out to be coherent and, as a result, capable of interfering with each other, which will make it possible to periodically increase their total amplitudes and, accordingly, the ice-breaking ability of IGWs. As a result, the claimed technical result will be achieved.

Изобретение поясняется графически.The invention is illustrated graphically.

Под ледяным покровом 1 на заданном заглублении H начинают перемещать подводное судно 2 с резонансной скоростью v_p. Если амплитуда возбуждаемых при этом ИГВ 3 оказывается недостаточной для разрушения льда, то в процессе движения судна под ледяным покровом размещают и буксируют тело 4 с положительной плавучестью (эластичную емкость, заполненную воздухом). При помощи буксирного троса 5 тело 4 располагают под первым за кормой судна гребнем (вершиной) волны. Для этого при помощи эхолотов 6, размещенных по длине судна, определяют профиль волны и необходимую длину буксира 5. Сила выталкивания F, действующая на тело 4, будет увеличивать высоту гребня, т.е. амплитуду ИГВ, за кормой судна. В зависимости от толщины льда объем тела 4 увеличивают путем подкачки в него сжатого воздуха через шланг, закрепленный на буксире 5 (на фиг. не показан) до тех пор, пока амплитуда ИГВ 3 не достигнет предельного значения. Если и после этого амплитуда возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова, то телу начинают сообщать возвратно-поступательные движения за счет изменения длины буксирующего его троса 5. Эти перемещения сообщают в направлении движения судна периодически с частотой резонансных ИГВ в пределах первой за судном вершины ИГВ, т.е. равном половине их длины λ_р/2, из положения 8 в положение 9 и наоборот. В результате амплитуда ИГВ 3 будет периодически возрастать до ИГВ 7.Under the ice cover 1 at a given depth H begin to move the underwater vessel 2 with a resonant speed v _p . If the amplitude of the IGW 3 excited in this case is insufficient to destroy the ice, then during the movement of the vessel under the ice cover, a body 4 with positive buoyancy (an elastic container filled with air) is placed and towed. With the help of a towing cable 5, the body 4 is placed under the first crest (top) of the wave behind the stern of the vessel. To do this, with the help of echo sounders 6 placed along the length of the vessel, the wave profile and the required length of the tug 5 are determined. IGW amplitude, behind the ship's stern. Depending on the thickness of the ice, the volume of the body 4 is increased by pumping compressed air into it through a hose attached to the tug 5 (not shown in Fig.) until the amplitude of the IGW 3 reaches the limit value. If even after this the amplitude of the excited IGVs is insufficient to destroy the ice cover, then the body begins to report reciprocating movements due to a change in the length of the cable towing it 5. These movements are reported in the direction of the vessel's movement periodically with the frequency of the resonant IGVs within the limits of the first top of the IGV behind the vessel , i.e. equal to half their length λ _p /2, from position 8 to position 9 and vice versa. As a result, the amplitude of IGV 3 will periodically increase to IGV 7.

Claims (1)

Способ разрушения ледяного покрова подводным судном путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн, при этом под первым за кормой судна гребнем волны размещают и буксируют со скоростью судна тело с положительной плавучестью, отличающийся тем, что в процессе буксировки тела длину буксировочного троса периодически с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн изменяют в течение времени, равного половине их периода, при этом за счет изменения длины троса телу сообщают перемещения в пределах половины длины резонансных изгибно-гравитационных волн. A method for destroying the ice cover by an underwater vessel by excitation of resonant flexural-gravity waves in the ice, wherein under the first wave crest behind the stern of the vessel, a body with positive buoyancy is placed and towed at the speed of the vessel, characterized in that in the process of towing the body, the length of the tow rope is periodically resonant flexural-gravity waves are changed for a time equal to half of their period, while due to a change in the length of the cable, the body is informed of displacements within half the length of resonant flexural-gravitational waves.

Images