Глава 1. История развития ледокольных судов
История создания ледоколов насчитывает около 200 лет. Первые ледокольные судна, предназначенные для проводки судов в замерзающих устьях рек, появились в первой половине XIX в. В 1834 г. в США было построено колесное паровое судно “Assistance” (рис.1), предназначенное для проводки судов в зимнее время в порт города Балтимор.
Рис.1. Колесное паровое судно “Assistance”
“Assistance” мог преодолевать лед толщиной 0.3 м. Для разрушения ледового покрова форма корпуса была сделана “ложкообразной” и укреплены движительные колеса.
В 1837 г. было построено однотипное судно для Филадельфии. В 1864 г. русский судовладелец Михаил Бритнев модернизировал винтовой пароход “Pilot” для продления почтово-пассажирского сообщения в осенне-зимний период между Ораниенбаумом и Кронштадтом. Для улучшения ходкости судна во льдах его носовая часть была срезана под углом 20°. Его длина составляла 26 м, осадка – 2,5 м, мощность – 44,2 кВт. Модернизация судна позволила продлить осенне-зимнюю навигацию на несколько недель. “Pilot” успешно эксплуатировался до 1890 г. С учетом его успешной эксплуатации на заводе М. Бритнева были построены еще два ледокольных судна -“Бой” (1875 г.) и “Буй” (1889 г.). Для работы в Финском заливе Ораниенбаумская пароходная компания построила по типу “Pilot” ледоколы “Луна” и “Заря” с увеличенной мощностью паровой пропульсивной установки (250 л. с.).
Замерзание устья реки Эльбы и акватории порта Гамбурга серьезно ограничивало судоходство и приносило большие убытки. В 1871 г. был построен ледокол «Эйсбрехер», названный впоследствии “Гамбургским”. Отличительной чертой “Гамбургского” типа ледокола является ложкообразная форма носовой части с малым углом наклона форштевня и большими углами развала шпангоутов. Ледокол “Эйсбрехер I” водоизмещением 570 т был оснащен паровой машиной мощностью 600 л. с. Корпус, выполненный из стали, был разделен водонепроницаемыми переборками на 6 отсеков. По ватерлинии был установлен ледовый пояс. Расстояние между шпангоутами было уменьшено, вдоль ледового пояса установлен стрингер (продольный элемент конструкции корпуса судна). Улучшения работы ледокола в торосах для увеличения массы была предусмотрена балластная цистерна. Первый Гамбургский ледокол прослужил до 1956 г.
Таблица 1. Характеристики первых «Гамбургских» ледоколов
В 1892 г. был построен более крупный ледокол “Эйсбрехер III” мощностью 1200 л. с. Удачная эксплуатация “Гамбургских” ледоколов послужила дальнейшим толчком к строительству портовых ледоколов. В период 1871-1892 гг. в Европе было построено около 40 ледоколов, в основном “Гамбургского типа”.
?
1.1 Портовые ледоколы конца XIX- начала XX в.
С наработкой опыта эксплуатации происходит рост мощности и размеров ледоколов. В 1890 г. в России вступили в строй портовые ледоколы “Ледокол I” и “Муртайя”, предназначенные для портов. Николаев, Гангут, Гельсинфорс и Або. Формы обводов ледокола “Муртайя” были ложкообразные с малым углом наклона форштевня и большим развалом шпангоутов (обводы “Гамбургского” типа). Однако они резко снижали ледовую ходкость при движении ледокола в ледовом канале с битым льдом, а также при большой толщине снежного покрова. В битом льду нос с широкими ложкообразными обводами буксировал перед собой лед, что значительно затрудняло движение судна. Другим существенным недостатком была неудовлетворительная мореходность.
В конце Х1Х в. большой вклад в развитие ледоколостроения внес финский инженер Р.И.Рунеборг, который предупреждал о недостатках ложкообразной носовой части и предлагал более заостренные обводы для ледокола “Муртайя”. В дальнейшем он усовершенствовал ледокольные обводы. Первый ледокол, построенный с учетом рекомендаций Р.И.Рунеборга, был “Слейпнер”, построенный в Дании в 1895-1896 г. “Слейпнер” стал прототипом ледокола “Надежный” (рис.2), который был заказан Россией для порта г. Владивосток. Носовые обводы у этих ледоколов были заострены по сравнению с ложкообразными. В носу и корме размещались по две балластные цистерны для освобождения судна от заклинков во льдах.
Рис.2. Ледокол “Надежный” (1897, Дания). Теоретический чертеж
В Америке в конце XIX в. широкое распространение получили ледокольные паромы, оборудованные как носовыми, так и кормовыми гребными винтами. Носовой винт впервые был установлен на ледокольном пароме “St. Ignace” в 1887 г. Ледокольные паромы с носовыми гребными винтами осуществляли ледокольные переправы на Великих Озерах. Установка носового гребного винта значительно повышала эффективность эксплуатации во льдах за счет улучшения маневренности и снижения ледового сопротивления особенно в битых льдах.
Носовые гребные винты нашли широкое применение и на «балтийских ледоколах», предназначенных для портов России. Опыт эксплуатации ледокола “Муртайя” в Финском заливе показал его недостаточную мощность и ледовую ходкость в тяжелые зимы в заснеженных и битых льдах, когда толщина льда превосходила 0.4 м. Поэтому был заказан более мощный ледокол “Сампо”, оборудованный как кормовым, так и носовым гребными винтами, для обеспечения зимней навигации в районе Выборга и Гельсинфорса (Балтийское море). Максимальная мощность пропульсивной установки составляла около 3000 л. с. Для улучшения ледовой ходкости в битых льдах, в старом набитом льдом канале, носовые обводы были сделаны более острыми, чем у ледоколов “Гамбургского” типа, углы наклона форштевня и ахтерштевня составляли 22° и 16°. Ледокол был оснащен кормовыми и носовыми дифферентными цистернами для раскачивания судна в торосах и выхода из них при заклинивании. Ледовая ходкость ледокола “Сампо” значительно превосходила возможности “Муртайи”. По результатам испытаний ледокол мог преодолевать сплошной лед толщиной 0.4 м при скорости около 8 узл. Опыт эксплуатации “Сампо” показал, что работа гребного винта значительно улучшает ледовую ходкость судна, особенно в торосах, которые размывались носовым гребным винтом.
Логическим продолжением “американкой” серии ледоколов на Балтике стал финский ледокол “Jaakahu” (1926 г., Голландия), который был оборудован двумя кормовыми и одним носовым гребными винтами. Такой тип назван “Балтийским ледоколом”. В 1945 г. “Jaakahu” был передан Советскому Союзу и переименован в ледокол “Сибиряков”.
В 1953 г. он был модернизирован. Из эксплуатации этот ледокол был выведен в 1972г.
?
1.2 Арктические ледоколы
В 1899 г. был введен в эксплуатацию первый арктический ледокол «Ермак» (рис.3), построенный в Англии по заказу России. Ледокол предназначался для эксплуатации в тяжелых арктических льдах толщиной до 2 м. в Карском море с заходом в устья сибирских рек Обь и Енисей. Ширина ледокола должна была обеспечивать канал для прохода траспортных и военно-морских судов, включая строящиеся броненосцы.
Рис.3. Арктический ледокол “Ермак”, построенный в Англии по заказу России.
Впервые в ледоколостроении для обеспечения надежности движительной установки применялось три кормовых четырех лопастных гребных винта. Мощность паровой пропульсивной установки составляла 9000 л. с. Предусматривался носовой гребной винт для улучшения ледовой ходкости в битых льдах и размыва тросов. Обводы были спроектированы с учетом предшествующего опыта эксплуатации ледоколов из условия компромиссного обеспечения наилучших характеристик мореходности на чистой воде и ледовой ходкости в ровных и битых льдах. Угол наклона форштевня был принят 20°. Борт в надводной части выше ватерлинии был завален внутрь для уменьшения веса корпуса. Корпус разделен на 9 главных отсеков водонепроницаемыми переборками. Прочность корпуса должна была выдерживать удар об лед при максимально возможной скорости. Также были предусмотрены носовые, кормовые и бортовые балластные цистерны для раскачки во льдах и выхода из ледового заклинивания.
Ледокол «Ермак» по размерам и мощности значительно превосходил все существующие на тот момент ледоколы. В мае 1899 г. были проведены первые натурные испытания ледокола в арктических условиях Гренландского моря около острова Шпицберген. Во время испытаний в тяжелых торосистых льдах был повреждены корпус (повреждения обшивки, заклепок) и носовой гребной винт, после чего ледокол был вынужден вернуться в Ньюкасл на ремонт. Носовой винт был демонтирован. Во время вторых ледовых испытаний в тяжелых льдах был пробит борт судна при навале скулой на кромку льда со скоростью 5 узл. После вторых испытаний было решено усилить носовую часть и снять носовой гребной винт. В 1901 г. модернизированный таким образом ледокол совершил третье арктическое плавание к западному побережью Новой земле и к Земле Франца Иосифа. Эти испытания прошли успешно. В зимние навигации 1920-1930 гг. ледокол обеспечивал морские перевозки на Балтике, в Арктике, в Белом море. Ледокол «Ермак» был первым арктическим ледоколом, ставшим прототипом для всех последующих арктических ледоколов, прослужил “Ермак” 66 лет.
К концу первого десятилетия XX в. одного мощного ледокола для обеспечения проводки как транспортных, так военных судов в Балтийском и Белом морях для России оказалось недостаточно. В 1916 г. было принято решение о строительстве ледокола типа “Ермак” мощностью 10000 л. с. с тремя кормовыми гребными винтами. Уже к концу 1916 г. новый ледокол “Святогор” был принят в состав русского военно-морского флота. С 1917 г. по 1918 г. он осуществлял проводки судов в порт Архангельск (Белое море). В 1918 г. “Святогор” был затоплен. В 1921г. ледокол был поднят английскими войсками и выкуплен Советской Россией. В 1927 г. “Святогор” был переименован в “Красин”. Этот момента история ледокола неразрывно связана с освоением Арктики. В 1928-1930 гг. он постоянно работает в Карском море и на трассе Северного морского пути. В 1936 г. “Красин” обеспечил проход боевых кораблей трассой СМП. Во время второй мировой войны поддерживал проход судов в порт Архангельск. В 1956-1960 гг. прошел капитальный ремонт и модернизацию. В 1992 г. Ледокол “Красин” был поставлен на прикол и сохранен как памятник истории государственного значения, Совершенство конструкции ледоколов “Ермак”, “Красин” (“Святогор”), на несколько десятилетий определило генеральную линию развития арктического ледоколостроения и тип арктического ледокола, названного “русским”.
Расширение транспортных операций на севере России в период первой мировой войны привело к необходимости увеличения ледокольного обеспечения для проводки судов в Архангельск. Поэтому Россией в 1916 г. был куплен строящийся в Канаде ледокол, названный “Микула Селянинович». В зимнюю навигацию1916-1917 гг. он работал на проводке судов в Архангельске.
В 1913 г. в России была принята ледокольная программа, интенсифицировавшая строительство ледоколов, которые обеспечивали ледовые навигации на Белом море в период первой мировой войны. Успешный опыт эксплуатации балтийских ледоколов “американского” типа с носовым гребным винтом послужил толчком для развития однотипных ледоколов в России, Финляндии и Швеции. В период 1914-1917 гг. в Германии и Англии для России были построены первые морские ледоколы: “Царь Михаил Федорович”, “Козьма Минин”, “Князь Пожарский”, “Св. Александр Невский”. Они были оборудованы двумя кормовыми и одним носовым гребными винтами. Ледокол Царь “Царь Михаил Федорович” (“Волынец”) прослужил почти 100лет, и в настоящее является морским памятником в городе Таллин. В это же время в Швеции строятся однотипные ледоколы «Isbretaren» , «Atle» (1914, Швеция). Указанный тип ледокола с кормовыми и носовыми гребными винтами хорошо зарекомендовал себя при эксплуатации в Балтийском море, и самое большое развитие получил в Финляндии, России, Швеции. По этой причине такой тип ледокола назван “балтийским”.
Таблица 2. Характеристики морских ледоколов балтийского типа начала XX века
?
1.3 Ледоколы с дизель-электрической силовой установкой
После первой мировой войны в качестве главной силовой установки на ледоколах стали устанавливать дизели-генераторы, которые подавали напряжение на гребные электромоторы. Дизель-электрическая силовая установка позволяла значительно увеличить мощность ледоколов, обеспечить быстрый реверс и поддерживать скорость вращения гребного винта в широком диапазоне.
Указанные преимущества значительно улучшали эксплуатационные характеристики ледокола.
Таблица. 3. Характеристики первых дизель-электрических ледоколов первой половины XX века
Дизель-электрическим ледоколом стал шведский ледокол “Ymer” балтийского типа, построенный в 1933 г. на верфи Мальме. Его силовая установка состояла из шести дизель-электрогенераторов, которые подавали напряжение на гребные электромоторы.
По образцу “Ymer” с учетом опыта эксплуатации советских ледоколов на СМП в 1940-х гг. по заказу Военно-морских сил и Береговой охраны США были построены американские ледоколы типа “Wind” для работы в Арктических районах. На этих ледоколах впервые корпус был полностью сварной. При эксплуатации в арктических условиях носовые винты подвергались частым поломкам и поэтому были демонтированы.
Перед второй мировой войной в период 1935-1941 гг. для обеспечения навигации по Северному морскому пути в Советском Союзе была построена серия арктических ледоколов типа “И. Сталин” (переименован в “Сибирь”) из 4 единиц, которые стали развитием ледоколов русского типа “Ермак” и “Красин”. Они имели следующие характеристики:
- максимальная длина около 107 м.;
- ширина 23 м.;
- осадка 9.2 м.;
- водоизмещение 11200 т.;
- мощность паровой установки 10000 л. с.;
- скорость – 15.5 узл.;
- три кормовых ГВ.;
- ледопроходимость 0.9 м..
Эти ледоколы успешно эксплуатировались на трассе СМП и были выведены из эксплуатации в 1960-х гг.
?
1.4 Ледоколостроение после второй мировой войны
В 1953 г. на верфи “Вяртсиля” в Финляндии был построен ледокол «Войма», который стал продолжением развития ледоколов “американского” типа на Балтике. Впервые на ледоколе были установлены два кормовых и два носовых гребных винта. Судно предназначалось для работы в портах и заливах Балтийского моря и имело характерные острые носовые обводы с углом наклона форштевня 23-25°. Ледокол “Войма” стал первым ледоколом “финского” типа на Балтике и прототипом для последующих судов такого класса.
Таблица 4. Характеристики дизель-электрических ледоколов, построенных верфью Вяртсиля в 50-60 годах 20 века
Практически одновременно с ледоколом “Войма” на верфи “Вяртсиля” выполнялся заказ РСФСР на три ледокола типа «Капитан Белоусов». Эти ледоколы хорошо зарекомендовали себя при обслуживании архангельского, ленинградского и рижского портов в набитом и торосистом льду толщиной до 0.8 м. В 1955 г. указанные ледоколы были переданы для обеспечения судоходства на трассе СМП. Прочность носовых гребных винтов для эксплуатации в арктических водах оказалась недостаточной, что приводило к их поломкам. В 1970-1980 г. ледоколы этого типа были переведены для работы в моря с более легкими ледовыми условиями. После постройки ледокола “Войма” и серии ледоколов типа “Капитан Белоусов”, Финляндия становится признанным законодателем мод в области ледоколостроения. В 1958 г. был построен ледокол “Карху” и однотипные с ним новые ледоколы “Муртайя” и “Сампо”, отличавшиеся от “Воймы” меньшей мощностью и размерами.
?
1.5 Ледоколы для Арктики
Развитие зимних навигаций Канадой, США, активное освоение Северного морского пути Советским Союзом привело к необходимости постройки ледоколов, способных выполнять операции в арктической зоне. В 1950-х гг. в Канаде было построено несколько арктических ледоколов. В конце 50-х годов в 1960 вводятся в эксплуатацию ледоколы “Montcalm” и “John A. Macdonald”. Кроме проводок судок они перевозили грузы, пассажиров, выполняли спасательные операции, использовались для научных наблюдений.
В США в 1940-1950 гг. дополнительно к ледоколам класса «Wind» были построены ледоколы “Mackinaw” и «Glacier». Форма корпуса этих ледоколов мало отличалась от ледокола типа «Wind». Ледокол “Mackinaw” был также предназначен для работы на Великих Озерах в условиях мелководья. Поэтому по сравнению с ледоколом «Wind» его осадка была уменьшена за счет увеличения ширины. На ледоколе «Glacier», впервые был существенно (практически в 2 раза) превзойдён уровень мощности в 10000 л. с.
По заказу Советского Союза в Финляндии была построена серия ледоколов типа “Москва” с повышенной мощностью пропульсивной установки. Всего на верфи “Вяртсиля” было построено 5 ледоколов этого типа: «Москва» (1960 г.), «Ленинград» (1961 г.), «Киев» (1965 г.), «Мурманск» (1968 г.), «Владивосток» (1969 г.). Ледоколы этого типа предназначались для работы в неарктических замерзающих морях и в Арктике. С учетом предшествующего неудачного опыта эксплуатации носовых гребных винтов в арктических условиях, от их установки на данных ледоколах отказались. Ледоколы типа “Москва” были оборудованы трехвальной дизель-электрической пропульсивной установкой с кормовыми гребными винтами. Мощность на валах распределялась неравномерно: на бортовых - по 2*5500 л. с., на среднем – 11000 л. с. Недостаточная мощность бортовых гребных электродвигателей стала основной причиной снижения их работоспособности во льдах, а также многочисленных поломок гребных винтов в арктических условиях.
?
1.6 Серии арктических дизель-электрических ледоколов типа “Ермак” и “Капитан Сорокин”
Ледокол типа “Ермак” стал развитием ледокола типа “Москва” с увеличенной мощностью энергетической установки 36 тыс. л. с., которая поровну распределялась между тремя кормовыми гребными винтами. До настоящего времени “Ермак” остается самым мощным дизель-электрическим ледоколом. Ледоколы этого типа активно использовались для проводки судов по Северному морскому пути, и для обеспечения научных полярных станций. Ледокол “Красин” в 2005 г. был зафрахтован США под Антарктическую программу для открытия прохода к Антарктической станции Мс Мurdo и проводки судна снабжения и танкера. До настоящего времени ледокол “Ермак”, приписанный к порту Владивосток, остается в строю. Ледоколы типа “Ермак” и “Капитан Сорокин” были для повышения ледопроходимости и предотвращения облипания корпуса снегом и разрушенным льдом впервые были оборудованы системой “пневмообмыва”.
?
1.7 Атомные арктические ледоколы
Увеличение транспортных потоков на СМП в 1960-1970-х гг. привело к необходимости повышения эффективности проводок и ледокольного сопровождения судов в арктических районах. Для этого потребовалось создание более мощных атомных арктических ледоколов с неограниченной автономностью плавания.
В 1959 г. в Советском Союзе вступил в строй первый атомный турбоэлектрический ледокол “Ленин” (рис. 4), оснащенный тремя гребными винтами. Начиная с 1974 г., в СССР/России вводятся в эксплуатацию атомные ледоколы (АЛ) типа «Арктика»: АЛ “Сибирь”, “Россия”, “Советский союз”, “Ямал”.
Рис. 4. Первый атомный турбоэлектрический ледокол “Ленин” с тремя гребными винтами
В 2007 г. введен в строй ледокол этой же серии “50 лет Победы” с модифицированными обводами корпуса для улучшения ледовой ходкости. Все ледоколы этой серии были построены в Советском Союзе на верфях “Балтийского завода”. На ледоколах типа “Арктика” установлены два атомных реактора водяного типа. Паротурбинная установка состоит из двух главных турбогенераторов мощностью 27550 кВт и пяти вспомогательных мощностью по 2000 кВт. Ледокол оснащен тремя кормовыми гребными винтами с электродвигателями. Мощность между гребными винтами распределяется в соотношении 1:1:1. В 1977 г. ледокол “Арктика” первым из надводных судов достиг Северного полюса.
В 1984 г. и 1989 г. в Советском Союзе были введены в эксплуатацию два атомных мелкосидящих ледокола типа “Таймыр” для обеспечения плавания судов в Енисейском заливе.
В 1970-1990-х гг. ледоколостроение интенсивно развивается и в других странах. Для обеспечения арктических навигаций и полярных станций в США в 1976-1977 гг. были построены два ледокола типа “Polar Star” (“Polar Star” и “Polar Sea”). Комбинированная энергетическая установка ледокола состоит из дизель-электрической и газотурбинной установок. Ледоколы типа “Роlаг Stаг” являются самыми мощными из неатомных. Мощность на гребных валах для дизель-электрического и газотурбинного режима составляет 13.4 МВт и 44 МВт и распределяется между тремя кормовыми гребными винтами в соотношении 1:1:1. Для обеспечения реверса при работе на газотурбинном режиме применены винты регулируемого шага. Эксплуатация этих ледоколов в полярных водах сопровождалась многочисленными поломками гребных винтов.
Для обеспечения полярных станций и научных исследований свои ледоколы имеют Япония, Аргентина и Германия. Для поддержки торгового мореплавания в Балтийском море в середине 1970-х гг. Швеция и Финляндия обновили свой флот дизель-электрическими ледоколами балтийского типа, серия “Atle” (“Atle”, “Urho”, “Frej”, “Sisu”, “Ymer”) Мощность на валах 16.4 МВт (22 КВт), что практически в два раза превосходит мощность ранее построенных балтийских ледоколов.
1.8 Ледоколы с нетрадиционными обводами
Большое внимание в 1970-1980-е гг. уделялось повышению ледовой ходкости ледоколов за счет новых обводов корпуса судна, снижающих сопротивления льда движению судна. В Канаде были построены специализированные ледоколы “Canmar Kigoriak” (рис.5.), “Robert Lemeur», предназначенные для обеспечения буровых платформ на арктическом шельфе. Отличительной особенностью этих ледоколов является ложкообразная вытянутая носовая часть с малым углом наклона форштевня и с большими углами “развала” шпангоутов. Носовая часть в районе дна судна переходит в ледоразводящий клин. Носовая часть шире, чем цилиндрическая вставка. Поэтому канал во льдах шире корпуса, что снижает взаимодействие бортов со льдом и сопротивление льда движению судна.
Рис.5. Ледокол Canmar Kigoriak: 1 – ложкообразный нос;2 –ледоразводящий клин; 3 – римерами;4 – подруливающее устройство
В СССР фирмой “Masa-Yards” были изменены носовые части ледоколов “Мудьюг”, “Капитан Сорокин” и “Капитана Николаев”. Были применены нетрадиционные носовые обводы для улучшения ледовой ходкости. Модернизированные ледоколы имеют широкую носовую часть с малым углом наклона форштевня и с бортовыми “римерами” для прорезания ледового покрова и отвода кусков льда с днища под кромку неразрушенного льда. Носовая часть ледокола “Капитан Сорокин” оборудована дополнительными римерами, установленными около диаметральной плоскости. Ледоколы оснащены системами пневмо- и гидрообмыва.
Корпус шведского ледокола “Oden” имеет коробчатую форму с уширенной носовой частью и малым углом наклона форштевня. Носовая часть на днище переходит в клин для очистки дна от обломков льда. Ледокол оборудован дизель-редукторной пропульсивной установкой с двумя ВРШ в насадках и мощной системой гидрообмыва. На заднем ходу винты защищаются двумя мощными рулями, которые разворачиваются внутрь, образую ледоразводящий клин. Рассмотренные конструктивные решения значительно повышают ледовую ходкость судна в ровных льдах. Однако широкие ложкообразные носовые обводы значительно ухудшают мореходные качества судна (снижение скорости на чистой воде, слеминг на волнении), а также ходкость судна в битом и тертом льду и в заснеженных льдах. В битом льду широкий нос толкает лед перед собой, образуя ледовое нагромождение, которое тормозит судно.
