История российского ледоколостроения насчитывает более 156 лет когда паровой баркас «Пайлот» проложил канал во льдах Финского залива от острова Котлин до Ораниенбаума. С тех пор технический прогресс кардинально изменил облик ледоколов и осуществил переход от угольных котлов и паровых турбин к использованию атомной энергии и дизель-электрическим установкам с применением автоматики и компьютерной техники. Успехи отечественного ледоколостроения позволили обеспечить круглогодичную навигацию в западном районе Арктики, а также замерзающих морях России. Каково сегодня ледокольное обеспечение Северного морского пути и каковы основные тенденции развивается ледокольный флот России?
Ключевые слова: ледоколостроение, Северный морской путь, круглогодичная навигация, Арктика, ледокольный флот
Keywords: icebreaking, Northern sea route, year-round navigation, Arctic, icebreaking fleet
Переход на новый уровень мощности, продление навигации на зимне-весенний период и, наконец, планы создания более мощных ледоколов для обеспечения круглогодичной навигации по всему Северному морскому пути с большой остротой потребовали решения ряда сложных задач, относящихся к различным областям науки и техники.
Россия все активнее осваивает шельф в акватории северных морей и Северного Ледовитого океана. Поэтому необходимо в кратчайшие сроки решать множество технических и технологических задач, связанных с плаванием в водах, покрытых льдами, и строительством различных морских сооружений для разведки и промышленной добычи углеводородов и обеспечения их доставки потребителям крупнотоннажными судами.
Сегодня основные проблемы развития отечественной морской техники сосредоточены в области разработки новых арктических технологий. Этого требует освоение природных ресурсов шельфа арктических морей, и интенсификация судоходства не только в акватории Северного морского пути, но и приполярных рек Обь, Енисей, Лена. Все это напрямую связано с обеспечением национальной промышленной и военной безопасности нашей страны. Современные тенденции в развитии промышленного освоения полярных регионов России указывают на доминирующую роль морского транспорта как наиболее эффективного средства для перевозки разнообразных грузов. Реализовать это невозможно без современных атомных и дизельных ледоколов, а также транспортных судов арктического ледового класса.
Новые суда необходимы для замены действующего сегодня в значительной части устаревшего флота, включая атомного. Ледоколы нового поколения должны обеспечить России лидерство в Арктике, эффективную и безопасную эксплуатацию добычных и разведывательных морских платформ и терминалов в эксплуатационных ледовых условиях, а также рост грузоперевозок по Северному морскому пути, который в будущем может стать главным конкурентом традиционных южных транспортных маршрутов.
Согласно экономическим расчетам, современная морская транспортная система, предназначенная для работы в ледовых условиях, достигает наибольшего эффекта при использовании в своем составе крупнотоннажных судов. Поэтому в ближайшем будущем в Арктике будут эксплуатироваться суда, размеры которых намного превышают довольно ограниченные размеры всех судов, ранее использовавшихся в данном регионе. Для проводки таких судов, особенно в тяжелых льдах, необходимы атомные ледоколы нового поколения.
Ледоколы нового поколения с атомной энергетической установкой должны быть способны обеспечить круглогодичные проводки по всей акватории Северного морского пути. Им предстоит обеспечивать проводку судов, транспортирующих углеводородную продукцию, уголь, руду и пр. с месторождений Арктики на рынки западных стран и стран Атлантического и Тихого океана.
В настоящее время идет строительство трех универсальных атомных ледоколов проекта 22220 ЛК-60 и уже разработан технический проект 10510 атомного ледокола "Лидер" мощностью 120 МВт. Его эксплуатация обеспечит надежное функционирование морских транспортно-технологических систем вывоза продукции с арктических месторождений по маршрутам Северного морского пути, а также способствовать развитию транзитного судоходства зарубежных грузоотправителей.
В последние годы Российская Федерация ведет активное освоение арктического шельфа и в ближайшие годы планирует установить более 60 морских платформ для добычи нефти и газа. Континентальный шельф Арктики характеризуется суровыми природно-климатическими условиями, включая образование динамичного ледяного покрова с грядами торосов и появление айсбергов. Неблагоприятные ледовые условия осложняются полярной ночью и периодами арктических циклонов, что в свою очередь значительно увеличивает связанные с ними риски. Поэтому объекты обустройства месторождений континентального шельфа Арктики могут подвергаться воздействиям дрейфующих льдов различных типов и форм, имеющих сложную траекторию движения и различную скорость дрейфа.
Для уменьшения рисков, которые связаны с возможным взаимодействием объектов обустройства месторождений шельфа Арктики с опасными ледовыми образованиями требуется создание специальной системы, обеспечивающей безопасную и бесперебойную работу добычных или отгрузочных морских комплексов за счет разрушения льда в акватории платформ до требуемых размеров и сплоченности.
Такие условия может обеспечить система управления ледовой обстановкой (УЛО), которая подразумевает комплекс оперативных мероприятий для снижения глобальных и локальных ледовых нагрузок на защищаемые объекты и обеспечения требуемых ледовых условий у объекта. Конечным и наиболее важным элементом системы УЛО являются ледокольные суда. Ввиду невозможности использования атомных ледоколов в акватории морских сооружений для этих целей рационально использовать ледокольные суда, оборудованные дизель-электрическими пропульсивными комплексами.
Дизельные ледоколы целесообразно использовать в основном для обеспечения безопасности и ритмичности операций по подходу и загрузке танкеров и грузовых судов у морских платформ и терминалов, а также у причалов портов.
Новые типы ледоколов, предназначенных для работы в арктических и замерзающих морях России представлены на рисунке 1.
Тенденции развития ледокольного флота России
Россия исторически имела самый мощный ледокольный флот, что обусловлено климатическими условиями её морских и речных транспортных артерий. До последнего времени все создаваемые ледоколы предназначались для традиционно выполняемой ими задачи проводки судов, в том числе в составе караванов. Как правило ледоколы имели клиновидную носовую оконечность и кормовую оконечность, оборудованную двумя и ли тремя гребными винтами (ГВ). При этом ширина ледокла была больше, чем ширина проводимых судов, что обеспечивало безопасное движение судов по образованному ледоколом каналу. С развитием рыночной экономики гузоподъёмность и габариты транспортных судов начали резко расти, что обусловлено требованием снижения стоимости грузоперевозок. В первую очередь появились и начали эксплуатироваться крупнотоннажные танкеры и газовозы. Их ширина значительно превосходит ширину самых больших существующих атомных ледоколов.
Поэтому первой тенденцией развития ледоколов, естественно, стало увеличение их ширины, что в свою очередь потребовало увеличения мощности энергетической установки. На смену списываемым атомным ледоколам пректа 1052 типа «Арктика 1» и 10521 «50 лет Победы» шириной 28м и мощностью 49 МВт приходят строящиеся в настоящее время на Балтийском заводе двухосадочные универсальные ледоколы пректа 22220 шириной 32м и мощностью на гребных винтах 60 МВт, Рис.1.
В 2017 году в рамках проекта «Арктик-СПГ-1» был осуществлен ввод в строй уникального комплекса по сжижению природного газа в поселке Сабетта в устье реки Обь и начался вывоз газа СПГ с помощью газовозов типа «Кристоф де Маржери». Газовозы этого типа имеют ширину 50м и мощность 45 МВт на трех винто-рулевых колонках (ВРК). Безопасную и ритмичную круглогодичную проводку таких судов, имеющих ледовый класс ARC7, в западном районе Арктики смогут обеспечить новые стоящиеся атомные ледоколы проекта 22220 типа «Арктика 2». Однако они не смогут выполнить эту задачу для зимних проводок таких крупнотоннажных судов в Восточном секторе Арктики, характеризуемых значительной толщиной и динамичностью дрейфа ледового покрова с включениями многолетнего льда.
Для выполнения этой стратегической задачи по превращению трасс Северного морского пути в круглогодичную артерию безопасной доставки грузов по графику судоходных компаний с экономически выгодной скоростью около 10-12 узлов требуется новый более мощный атомный ледокол.
Таким ледоколом будет ледокол «Лидер» проекта 10510 (Рис.1). Технический проект этого ледокола разработан ЦКБ «Айсберг» при научном обеспечении Крыловского государственного научного центра.
Этот ледокол сможет обеспечить проводку и регуляное движение крупнотоннажных судов в Восточном районе Арктики даже в тяжелых ледовых условиях зимней навигации. Это создаст благоприятные условия для превращения Северного морского пути в международную транспортную артерию, значительно сокращающую путь из европейских портов до портов и потребителей в странах Дальнего Востока.
Второй характерной тенденцией развития ледокольных судов является расширение круга их операционных задач. Они связаны с интенсивным освоением арктического шельфа Арктики и замерзающих морей России. В покрытых льдом морях и реках Заполярья в последние годы построены ряд морских платформ и отгрузочных терминалов, предназначенных для вывоза углеводородов с месторождений Баренцева, Охотского, Карского, Каспийского морей. Начало эксплуатации морских платформ и отгрузочных терминалов в Охотском море, а затем в Баренцевом и Каспийском потребовало создания специализированных ледоколов нового типа, способных обеспечивать безопасную доставку грузов к морским сооружениям и вывоз продукции танкерным флотом.
В последние годы введен в эксплуатацию и развивается уникальный комплекс подготовки и вывоза СПГ крупнотоннажными газовозами в порту Сабетта. Началась отгрузка нефти с терминала Новый Порт на реке Обь. Планируется строительство заводов и уже проектируются отгрузочные причалы для проектов Арктик СПГ-2, Арктик СПГ-3 и Арктик СПГ-4.
Обеспечение проводки, подхода и швартовки крупнотоннажных танкеров к указанным морским сооружениям в суровых ледовых условиях должны осуществлять ледокольные суда нового типа. Эти ледокольные суда должны иметь не только повышенные ледокольные качества, но также высокие характеристики маневренности в ограниченной акватории порта или возле морской платформы или терминала, чтобы обеспечить подход и соединение танкера с отгрузочными системами этих сооружений в любых эксплуатационных ледовых условиях. Для обеспечения безопасного выполнения этих операций необходимо разрушить лед в акватории морского сооружения и создать в ней зону разреженного льда для обеспечения свободного маневрирования грузового судна и уменьшения ледовых воздействий на него. Для этого обломки разрушенного льда ледокол должен сдвинуть под кромку неразрушенного ледового покрова при помощи корпуса и струй гребных винтов, выполняя маневрирование в очень ограниченной зоне. Подобные операции значительно усложняются при изменении направления дрейфа льда, когда ледоколу необходимо непрерывно изменять зону активной работы для обеспечения требуемой ледовой обстановки в непосредственной близости от защищаемого судна. Для решения таких задач, получивших название «управление ледовой обстановкой», потребовались ледоколы, оборудованные полноповоротными винто-рулевыми колонками, поскольку традиционные ледоколы имеют ограниченные возможности разрежения льдин в ограниченной области и обладают недостаточной поворотливостью.
Новые специализированные ледоколы должны иметь очень высокую маневренность в ледовых условиях, которую невозможно обеспечить традиционными ледоколами.
В зависимости от специфики ледовых условий и особенностей выполняемых операций по управлению ледовой обстановкой у морских сооружений или в акватории полярных портов лекдоколы нового поколения оборудуются двумя, тремя или четырьмя винто-рулевыми колонками. При этом колонки могут располагаться как в корме, так и в носу ледокола.
Облик новых ледокольных судов зависит от состава задач, которые потребуется ему выполнять в процессе эксплуатации. Однако их общим качеством является повышенная маневренность и способность очищать акваторию от обломков льда за счет использования винто-рулевых колонок. Расположение ВРК в носовой оконечности дополнительно увеличивает поворотливость судна, но ограничивает его ледокольные возможности по причине невозможности осуществления работы набегами в случае появления льда, толщина которого превосходит ледопроходимость судна. Поэтому такие ледоколы предназначены в основном для использования в ограниченных акваториях у морских сооружений, где в прилегающем районе линейную проводку грузовых судов осуществляют более мощные линейные ледоколы, которые в случае необходимости могут оказать ледокольную поддержку.
Особенности проектирования формы корпуса ледоколов
Современные ледоколы и транспортные суда ледового плавания представляют собой сложные инженерно-технологические комплексы, оснащенные уникальным оборудованием и системами.
Рассмотрим наиболее важные характеристики, определяющие облик новых ледоколов.Они взаимосвязаны и представлены на Рис. 3.
Выход в Арктику современных крупнотоннажных судов вызвал ряд проблем, связанных с их ледокольной проводкой. Ширина таких судов больше ширины любого из существующих ледоколов. Двигаясь по каналу за ледоколом, они вынуждены доламывать кромку льда своим корпусом, форма которого далека от оптимальной с точки зрения ледопроходимости, что приводит к необходимости оснащения судов более мощной энергетической установкой.
В свою очередь для проводки крупнотоннажных судов необходимы более крупные ледоколы. Поэтому у современных ледоколов помимо оптимизации формы корпуса наблюдается тенденция увеличения ширины корпуса, что влечет за собой увеличение мощности пропульсивного комплекса.
Однако неограниченное увеличение мощности, перерабатываемой гребными винтами, невозможно из-за физических явлений кавитации и прососа воздуха, резко уменьшающих тяговые характеристики движителей. Поэтому наряду с оптимизацией формы лопастей винтов при невозможности увеличения их диаметра вследствие ограничения осадки судна наблюдается тенденция увеличения количества движителей на судне. По этой причине ледокол «Лидер» оборудован четырёхвинтовым движительным комплексом.
Для обеспечения проводки крупнотоннажных транспортных судов рассматриваются также пути разработки новых нестандартных технических решений, позволяющих создавать широкий ледяной канал для безопасной проводки крупнотоннажных судов. В этом направлении новым техническим решением, проверенным в результате модельных испытаний в ледовом бассейне, является создание многокорпусного ледокола, который может формировать ледовый канал достаточной для проводки крупнотоннажных судов ширины. Главным его преимуществом, по сравнению с классическим широким ледоколом, является снижение уровня потребляемой мощности за счет снижения ледового сопротивления. Однако для реализации таких предложений необходимо решить достаточно много проблем, связанных с прочностью такого сложного сооружения, его маневренностью и других, что требует значительного объёма дополнительных исследований.
Серьёзные проблемы возникают и при обеспечении ледовой управляемости и маневренности ледоколов и особенно крупнотоннажных судов как режиме движения передним ходом, так и при движении кормой вперёд. Этим обусловлено широкое применение на ледокольных судах различных классов полноповоротных винто-рулевых колонок. При этом ВРК могут применяться также в комплексе с традиционными гребными винтами в составе комбинированного пропульсивного комплекса.
Следует отметить, что применение носовых ВРК на арктических линейных ледоколах нецелесообразно, так как в этом случае исключается возможность работы набегами при работе во льдах запредельной толщины и в консолидированных торосах, которые обычно встречаются на арктических трассах.
При хороших ледовых качествах ледоколы должны обладать удовлетворительными мореходными характеристиками, учитывая потребность в длительных переходах в открытом море как вокруг скандинавского полуострова на западе, так и при переходе из восточных портов Арктику, а также при использовании ледоколов для буксировок крупных сооружений или судов в период летней навигации.
Учитывая многопрофильность задач при разработке ледоколов процесс их проектирования развивается по спирали, уточняя на каждом этапе характеристики судна.
Одним из важнейших направлений при проектировании ледоколов является выбор формы корпуса и состава движительного комплекса. Неправильные технические решения на этой начальной стадии проектирования приводят к значительным эксплуатационным и операционным потерям судовладельца на всех последующих этапах жизненного цикла судна. Поэтому на этом этапе требуется выполнение значительного объёма экспериментальных и расчетных исследований.
Создание ледоколов и судов ледового плавания считается одной из наиболее сложных технических задач судостроения. Это объясняется необходимостью поиска компромиссов при выборе основных элементов и систем судна, поскольку в процессе его проектирования задача одновременного обеспечения высоких гидродинамических характеристик, ледовой ходкости, маневренности, мореходности и ледовой прочности зачастую выдвигают противоречивые требования.
Процедура проектирования осуществляется по спирали в виде этапов уточнения характеристик элементов судна и состава оборудования с учетом их ранжирования по важности выполнения сформулированных технических требований и условий эксплуатации.
Опыт ледоколостроения показал, что крайне опасно проводить оптимизацию формы корпуса судна ледового плавания только для одного какого-либо эталонного ледового условия. Суда, форма корпуса которых разрабатывалась только из условия минимизации ледового сопротивления в сплошных ровных льдах, обладают повышенным сопротивлением в других ледовых условиях, а также могут иметь недостаточные характеристики ледовой управляемости. Так, например, при переоборудовании ледоколов «Мудьюг» и «Капитан Сорокин» оснащение носовой оконечностью «Тиссен - Ваас» привело к резкому возрастанию сопротивления в битых льдах и торосах и увеличению радиуса циркуляции в ровных льдах. Поэтому при проектировании судна необходимо проводить оценку его сопротивления в различных ледовых условиях, как с помощью расчетов, так и экспериментально в ледовом бассейне.
Варианты зарубежных форм корпуса показали, что не стоит увлекаться экзотичными обводами, потому что они не позволяют обеспечить универсальность, нормальную работу в морских условиях.
Ледоколы русского типа обладают очень важной особенностью – они универсальны. Универсальность этих ледоколов заключается в том, что имеют хорошие показатели ледовой ходкости в широком спектре различных ледовых условий. По сравнению с ледоколами других типов они в меньшей степени подвержены действию ледовых сжатий, меньше заклиниваются в торосах, лучше закалываются в кромку ледяного поля. Кроме этого их ходкость на чистой воде и мореходность также вполне удовлетворительна. Поэтому большинство ледоколов имеют именно этот тип корпуса.
При проектировании движителей и выборе типа движительного комплекса ледокольных судов необходимо учитывать специфику их работы во льдах, накладывающую дополнительные требования по сравнению с обычными транспортными судами. Она заключается в том, что при плавании во льдах на движителях не только возникают значительные ледовые нагрузки, обусловленные механическим контактом лопастей со льдом и приводящие к динамическому возбуждению всего пропульсивного комплекса, но под их воздействием наблюдается также снижение частоты вращения, а значит и тяги гребного винта, что приводит в итоге к снижению ледопроходимости ледокола и его эксплуатационных качеств.
Указанные особенности должны учитываться и тщательно изучаться при проектировании современных ледоколов.
Заключение
Современное ледоколостроение в последние годы интенсивно развивается, отвечая на запросы промышленного освоения арктических регионов и обеспечения безопасности и ритмичности функционирования в круглогодичном режиме транспортных артерий России. Накопленный в России огромный опыт разработки таких судов позволяет успешно решать поставленные стратегические задачи на базе отечественной научной базы, опыта проектных организаций и развивающейся судостроительной, атомной и машиностроительной промышленности.
