Реферат: Пахари льда: как работают ледоколы

Александр Левинский

На заснеженной глади замерзшей реки копошились сотни людей. Издалека то, что там творилось, можно было принять за странный праздник или кулачный бой стенка на стенку. Однако приблизившись и присмотревшись, наблюдатель заметил бы, что в движениях людей присутствует упорядоченность, свойственная совместной работе. Несколько десятков мужиков долбили пешнями борозду во льду, а потом, присоединившись к сотням других, впрягались в необычный механизм – длинный, метров двадцати, заостренный ящик, нагруженный в задней части чугунными чушками. Снаряд, прозванный ледовыми санями, вползал на лед, продавливал его и подминал под себя отколовшиеся глыбы, оставляя за собой пересекающую реку длинную полынью шириной более двух метров.

Так в петровские времена были устроены ледовые паромы, которые иногда оснащались еще и пушками. Их ядра дробили лед по ходу парома.

Русская зима, длящаяся в северных районах по девять месяцев в году, подстегивала пытливый ум искать необычные способы плавания. А то, что фасадом наша страна выходит в Северный Ледовитый океан, представляющий собой кратчайшую дорогу из европейской части страны к богатствам Восточной Сибири и Дальнего Востока, заставляло идти через льды с риском для жизни.

В погоне за прибылью

Морское дело, привезенное при Петре I из Голландии и Англии, принесло в русский язык множество новых слов. Однако и Россия обогатила иностранные языки морским термином: ведь и немецкое Eisbreher, и английское icebreaker суть кальки с русского слова «ледокол». И обязаны мы этим кронштадтскому городскому голове Михаилу Бритневу.

Понятно, что двигали русским заводчиком, державшим на линии Петербург–Ораниенбаум–Кронштадт небольшой флот, не лингвистический интерес и не чистое честолюбие. Путь в Кронштадт пролегает по Финскому заливу, покрытому льдом 120 дней в году. Зимой туда добирались по замерзшему морю на санях, однако пока лед тонок, сообщение почти прекращалось.

Пытливый предприниматель, знакомый с опытом жителей русского Севера – поморов, которые более пятисот лет ходили по арктическим морям на своих деревянных суденышках, решил перенять их опыт. Обводы корпуса поморских кочей образовывали в носовой части острый угол приблизительно в 20–30 градусов. Вот и Бритнев приказал так же переделать носовую часть своего 60-сильного парохода «Пайлот». И 25 апреля 1864 года, значительно раньше обычного начала навигации, «Пайлот», ломая подтаявший лед, прошел из Кронштадта в Ораниенбаум, принеся своему владельцу немалый дополнительный доход. Подобно древним «ледяным саням», судно взбиралось на ледовое поле и своим весом ломало его. Позже судовладелец приспособил для ледового плавания и другой свой пароход – «Бой». Оба корабля прослужили в питерских водах около 25 лет, отработав способ прохождения ледовых полей, который и сегодня используют все ледоколы, включая суперсовременные атомные.

В 1871 году, когда небывалые морозы сковали европейские северные порты, к Бритневу обратились гамбургские промышленники, и он продал им чертежи переоборудованного «Пайлота» за 300 рублей. По этим чертежам был построен первый заграничный ледокол Eisbreher I, и конструкция корабля получила широкое распространение в мире.

Именно успех бритневской затеи подал известному русскому флотоводцу и океанологу адмиралу Макарову идею строительства первого линейного ледокола «Ермак», сыгравшего серьезную роль в освоении Арктики.

«Орех» среди льдов

В своей публичной лекции 1897 года «К Северному полюсу – напролом» адмирал Макаров заявил: «Ни одна нация не заинтересована в ледоколах, сколько Россия. Природа заковала наши моря льдами, но техника дает теперь огромные средства, и надо признать, что в настоящее время ледяной покров не представляет более непреодолимого препятствия судоходству».

Год спустя в английском Ньюкасле был спущен на воду «Ермак». Он был построен по техническому заданию, разработанному под руководством самого Степана Макарова и поддержавшего его рискованный проект знаменитого русского химика Дмитрия Менделеева.

Действительно, как показали испытания, «непреодолимого препятствия» северные льды не представляли, и все же сладить с ними оказалось непросто.

Архимед, конечно, был прав, утверждая, что на погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Однако во льдах судно еще и подвергается чудовищному боковому давлению, которое может раздавить его, как скорлупку. Поэтому сечение корпуса ледокола делается в виде бочонка или ореха, причем ватерлиния должна находиться ниже самой широкой части. Тогда льды, стискивающие ледокол, как бы ни старались, будут выталкивать его и не смогут раздавить. Естественно, к ледоколам применяются повышенные требования прочности и непотопляемости. Если заглянуть под утолщенную по сравнению с обычным кораблем обшивку, можно увидеть систему усиленных балок: стрингеров, шпангоутов... – а весь корпус ледокола разделен водонепроницаемыми переборками на несколько герметичных отсеков. В районе ватерлинии обшивка усилена дополнительной полосой – так называемым ледовым поясом. А для преодоления сопротивления трения корпуса о лед применяется пневмоомывающее устройство, прокачивающее через мелкие отверстия в борту пузырьки воздуха.

Скос обводов корпуса в носовой части, примененный изобретателем ледокола Бритневым, используется и сейчас. Причем заостряется не только форштевень («нос» корабля), но и ахтерштевень, поскольку двигаться во льдах приходится «челночным» способом – «вперед-назад». Интересно, что первоначально у ледокола «Ермак» было два гребных винта – спереди и сзади. Такую схему адмирал Макаров подсмотрел у американских малых ледоколов, ходивших по Великим озерам. Однако первое же столкновение с арктическими льдами показало, что передний винт в высоких широтах не помощник, и ледокол переделали.

В атаке и обороне

Действие ледокола отнюдь не исчерпывается простой колкой льда, хотя, конечно, чем большая часть окажется поверх ледяного поля, тем длиннее плечо рычага и выше эффективность работы. Важна, как было сказано, и форма «носа», и упор (упорная сила) винтов, и инерционные свойства судна, работающего набегами.

Ледокол можно было бы сравнить с воинским подразделением, имеющим средства и тактику как для обороны, так и для наступления. Для наступления каждый ледокол оснащен дифферентной системой. В нескольких словах ее можно описать как две цистерны – носовую и кормовую, – поочередно наполняемые забортной водой. На первых ледоколах цистерны были соединены трубой, позднее каждую из них стали оснащать собственной помпой.

Забравшись на ледяное поле, ледокол наполняет водой носовые цистерны и придает дополнительную динамику движению сверху вниз. Попеременное заполнение цистерн заставляет его энергично раскачиваться с носа на корму, как действуют колуном, когда он застревает в полене. Выкачивая воду из носовых цистерн и заполняя кормовые, ледокол быстрее возвращается на чистую воду, чтобы повторить атаку.

Такая же система обеспечивает и раскачивание судна с борта на борт: с обeих сторон расположены дополнительные цистерны.

Естественно, что все эти действия требуют необычной для любого другого корабля энергонасыщенности. Неудивительно, что достаточно долго ледоколы не могли выполнять никакой другой морской работы – ни грузовой, ни пассажирской, – кроме проводки судов: все внутреннее пространство этих «бронированных сейфов» занимали двигатель и запас топлива. Как раз основной морской специальностью ледокола обусловлена форма его корпуса: он делается широким, чтобы остающийся позади него канал был удобен для прохода ведомых кораблей. Длину же судна, для лучшей маневренности, стараются уменьшить.

Первые ледоколы были паровыми, с котлами, работавшими на угле, и паровыми установками. Угля, заполнявшего почти все свободное трюмное пространство, обычно хватало дней на тридцать. Случалось, посреди маршрута командир ледокола сообщал каравану, что прекращает проводку и уходит в порт пополнять запасы топлива.

Следующим поколением стали дизельные ледоколы, силовые установки которых вращали роторы электрогенераторов. Ток поступал на электромоторы, приводившие в движение гребной вал с винтом.

Но для покорения арктических льдов требовалась все большая мощность, и на смену дизельным пришли атомные ледоколы, реакторы которых приводят в действие парогенераторы, паровые турбины обеспечивают работу электрогенераторов, а электромоторы – гребных валов с винтами. В трюмах атомоходов место топлива заняли мощные системы защиты от радиации.

По лезвию

Сто сорок лет истории ледоколов многое изменили в их конструкции, более всего возросла их мощь. Если мощность двигателей «Ермака» составляла 9, 5 тыс. л.с., то вышедший в море примерно через полвека дизель-электрический ледокол «Москва» был вдвое мощнее – 22 тыс. л.с. Современные атомные ледоколы типа «Таймыр» запрягают уже 50 тыс. «лошадей».

Из-за трудностей их морской профессии мощность двигательных установок ледоколов в расчете на тонну водоизмещения вшестеро выше, чем у океанских лайнеров. Но даже атомные ледоколы качественно остались теми же – бронированными ящиками, наполненными табунами «лошадей». Дело ледоколов – проломить полынью для идущих за ними караванов обычных танкеров и транспортников. Этот принцип организации перевозок можно сравнить с движением барж за буксиром. Однако в последнее время все больше востребованы самоходные баржи, и морские инженеры стали задумываться о том, как научить транспортные корабли самостоятельно ходить во льдах.

Идея не нова: еще в 60-х годах XIX века первый русский железный военный корабль – броненосную канонерскую лодку «Опыт» попытались переделать по проекту инженера Эйлера в оригинальное ледокольное судно. «Опыту» придали носовой таран, установили на борту несколько кранов для сбрасывания 20–40-пудовых гирь, а в подводной части устроили «выстрелы» – шесты с укрепленной на них взрывчаткой. Однако испытаний «Опыт» не выдержал и был снова переоборудован в канонерскую лодку, названную «Миной».

Позднее предпринимались попытки резать лед фрезами или растапливать, но и они себя не оправдали (хотя на атомных ледоколах «Арктика» и «Сибирь» используются вспомогательные устройства нагрева носовой части корпуса). И тогда было решено пытаться изменить не просто способ ломки льда, но сам ледокол, сделав его не «колуном», а «лезвием». Для этого планировалось превратить корабль в «катамаран», два корпуса которого располагались бы друг над другом: все грузы поместить в нижнюю, подводную часть, а силовые установки – в надводную, и обе части соединить узкими «ножами», внутри которых разместятся идущие из корпуса в корпус погрузочно-разгрузочные трубы. Появится ли такой ледокол-транспортник, неизвестно, но то, что российский ледокольный флот должен развиваться и впредь, сомнению не подлежит: просторы Заполярья всегда будут манить своими богатствами.