Защита кораблей от воздействия ледяного покрова

Фото сайта mil.ru

Возрастающая экономическая активность на севере и в восточных областях РФ требует и эффективной защиты любых искусственных сооружений от силового механического воздействия сплошных ледяных покровов, весом в миллиарды тонн, носимых циркумполярными течениями, ветрами и речными стоками. В настоящий момент способы защиты сооружений и кораблей сводятся к усилению корпусов грузовых судов, к проектированию сверхпрочных дорогостоящих конструкций платформ, мостовых переходов, к применению твердых взрывчатых веществ (ВВ) при ледоходах, а самый затратный способ – это содержание мощного ледокольного флота. Увеличение количества морских платформ, судов на Севморпути и портов – все это потребует увеличения ледокольного флота и соответственно непроизводительных расходов в бюджетах государства и компаний. Мы предлагаем другой способ дробления льда, более экономичный и простой, чем применение ледоколов и твердых ВВ, что позволит при защите неподвижных сооружений даже обычных судов и вовсе обходиться без ледоколов и других традиционных способов устранения воздействия льда.

Способ дробления льда заключается в применении объемного подледного или надледного взрыва, из детонирующей газовой смеси водорода и кислорода, при этом смесь закачивается в биоразлагаемый пластиковый пленочный рукав с давлением, предотвращающей разрыв рукава при закачке, или в подледное пространство с образованием линзообразной полости, заполненное гремучим газом без применения рукавов. Указанные газы легко получить, используя выпускаемые промышленностью электролизеры воды и мобильные электрогенераторы, в случае удаленности от стационарных электрических сетей. Применение этих газов в качестве ВВ для дробления льда и разрушения целостности ледяных полей существенно отличается от применения любых других ВВ по целому ряду положительных свойств: их можно получить в любом месте, в любое время и в необходимом количестве; при реакции этих газов образуется только вода, и загрязнение окружающей среды абсолютно исключено в отличие от применения любых других ВВ; объемный взрыв указанными газами можно осуществить на малых и больших площадях, выполнить ленточный взрыв, например с использованием полиэтиленового рукава длиной до сотни метров, вдоль нужной кривой на поверхности льда и подо льдом, при разрушении заторов у мостовых переходов, по периметру морских платформ, вдоль причалов замерзающих портов, при этом нет необходимости заходить на лед взрывникам и взрывы можно осуществлять даже при ледоходе; взрыв этих газов подо льдом кардинально отличается от точечного взрыва твердых ВВ.

При взрыве смеси водорода и кислорода в водной среде практически отсутствует осмотическое давление растворенных газов в воде, ибо образовавшая вода моментально конденсируется и подо льдом образуется разреженная, как бы вакуумная полость, приводящая после взрыва к возникновению многократно повторяющих знакопеременных напряжений в теле ледяного поля и последующему его дроблению от прилива воды к месту взрыва, а при точечном взрыве твердого ВВ во льду образуется небольшая воронка, через которую выбросится фонтан воды и осколки льда на десятки метров, без большого ущерба для целостности ледяного поля (поэтому даже перед небольшим мостом, но в достаточной удаленности от самого моста производят сотню взрывов твердого ВВ, что не всегда приводит к сохранности гидротехнического сооружения, ибо удаленными взрывами спаянный лед у несущих конструкций сооружения не разрушить); этот способ может быть взят на вооружение самими ледоколами и другими судами при осуществлении взрывов через трубопроводы, выдвигаемые из корпуса судна ниже ватерлинии по ходу или вдоль бортов для крушения массивов льда без затратного наезда на них, для крушения монолитных полей льда, воздействующих на корпус судна с любой стороны; таким способом можно образовать полынью в ледяном поле любой толщины и необходимых размеров в условиях северных широт для всплытия подводной лодки или запуска ракет.

Новизна предлагаемого способа заключается в том, что для дробления ледяного покрова на больших площадях и вдоль определенных линий предлагается применение объемного подледного или надледного детонационного взрыва из смеси газов (гремучий газ) – водорода и кислорода в соотношении 2.1. Признаками новизны являются использование экологически чистых взрывчатых веществ (ВВ), когда в результате реакции гремучего газа получается чистая вода; получение указанных газов на месте применения с помощью промышленно выпускаемых электролизеров воды; использование неограниченного источника сырья в виде воды, которая сама по себе представляет качественный электролит, для получения указанных газов; применение биоразлагаемых пластиковых рукавов для образования необходимого объема заданной конфигурации из гремучего газа.

Эффективность предлагаемого способа проявляется в том, что осуществление объемного взрыва детонирующей кислородно-водородной смесью, получаемой на месте применения, стоит гораздо дешевле и будет безопасней, чем если держать какой-то ограниченный запас любых видов ВВ на борту летательного аппарата, судна или сооружения с учетом их производства, транспортировки и применения (известен случай подрыва вертолета в воздухе с командой спасателей во время производства таких работ). При детонации гремучего газа в плоском объеме подо льдом ударная детонационная волна раздробит такой хрупкий материал, как лед, на множественные осколки.

В случае экзотермических реакций система теряет тепло и энтальпия обозначается знаком минус, а энтропия при детонации гремучего газа возрастает (из трех молекул – двух молекул водорода и одной кислорода – образуются две молекулы воды) и обозначается знаком плюс. Реакция протекает по такой схеме: 2Н2 + О2 = 2Н2О + энергия. Отсюда видно, что отношение количества молекул после и до реакции соотносятся как 2/3 и потому объем после реакции уменьшается на 1/3 (при взрыве других видов ВВ энтропия возрастает, так как образуется множество осколков распада первоначального ВВ и начальный объем не уменьшается). Кроме того, газообразные молекулы воды с большой кинетической энергией, хоть и создают после взрыва давление на лед и воду в десятки и сотни атмосфер, но в следующие мгновения они теряют свою энергию в воде и во льду из-за аномально высокой теплоемкости воды, оставаясь в толще одного вида с ними вещества, чего нельзя утверждать относительно продуктов реакции других видов ВВ, создающих высокое осмотическое давление и в воде, и в полости взрыва. Поэтому и образуется разрежение в полости взрыва гремучего газа, вследствие чего раздробленное ледяное поле под действием силы тяжести и атмосферного давления обрушивается в водяную яму, образовавшуюся после взрыва. Последующие колебания воды в вертикальной плоскости на месте взрыва эффективно раздробят лед и в случае необходимости на этом же месте можно повторить подобные взрывы до достижения необходимого качества дробления льда. Взрыв осуществляется локальным разогревом газа выше 600 градусов электрическим кабелем или дистанционным датчиком, и так как мощность взрыва можно регулировать в самых широких пределах, то подрыв льда можно осуществлять даже у опор мостовых переходов, под настилом моста любой высоты, вдоль линий причалов и бортов судов.

Технико-экономическим обоснованием применения данного способа является тот факт, что для получения 1куб. м кислородно-водородной смеси электролизом воды требуется 3–4 квт/ч электроэнергии (для этих целей можно использовать даже самый маломощный мобильный электрогенератор) и электролизер воды, стоимость которого не выше электрогенератора. Не найдется ни одного вида ВВ столь же дешевого и энергоемкого, как гремучий газ (недаром он применяется в космической отрасли для ракетных двигателей), получаемый на месте применения, с учетом производства, транспортировки, безопасного хранения и технологичности использования других ВВ, в то время как способы применения водорода и кислорода достигли столь высоких уровней безопасности, что водород применяют уже в быту на автотранспорте, не говоря уже о кислороде.