К 45-летию открытия круглогодичной навигации в западном районе Арктики

Л.Г. Цой, инженер-кораблестроитель, д.т.н., профессор 

Для решения важной государственной задачи по непрерывному круглогодичному вывозу из порта Дудинка продукции Норильского горно-металлургического комбината Советским Союзом была заказана в Финляндии постройка специализированных мелкосидящих ледоколов, способных осуществлять проводки транспортных судов по Енисею в условиях максимального нарастания толщины льда в зимне-весенний период.

Головной ледокол «Капитан Сорокин» построенной в Финляндии серии из четырех ледоколов с ограниченной осадкой мощностью на валах 22 000 л.с. (16,2 МВт) вступил в строй в 1977 г. (рис. 1). С целью повышения ледопроходимости на этих ледоколах было установлено разработанное финской фирмой «Вяртсиля» пневмоомывающее устройство (ПОУ) номинальной мощностью 2 200 л.с. (1 620 кВт). 

Испытания ледовой ходкости ледокола «Капитан Сорокин» были проведены на Енисее в зимне-весенний период навигации 1977–1978 гг. Ледокол испытывался как в сплошном припайном льду, так и в собственном канале. Первые тесты по изучению ледовых качеств нового мелкосидящего ледокола и оценки эффективности ПОУ были проведены в припайном льду средней толщины в феврале 1978 г.

Рис. 1. Ледокол «Капитан Сорокин» в порту Дудинка (февраль 1978 г.)

Основные характеристики л/к «Капитан Сорокин»:

Наиболее тяжелые ледовые условия во время испытаний на Енисее наблюдались в процессе выполнения экспериментального рейса д/э «Павел Пономарев» на Дудинку в апреле 1978 г. Ледоколу «Капитан Сорокин» пришлось работать в припайных льдах Енисея предельной и близкой к предельной толщине. Толщина льда, высота снежного покрова и повахтенная скорость прокладки канала от Корсаковских островов до Дудинки графически представлены на рис. 2. Прокладка канала в основном осуществлялась набегами. Вместе с тем наблюдались случаи устойчивого движения ледокола в сплошном льду (5% времени, затраченного на прокладку канала). Как правило, в этих случаях помимо скорости и мощности ледокола производились также инструментальные замеры толщины льда и высоты снежного покрова, что позволило определить ледопроходимость «Капитана Сорокина». При форсировании припая практически постоянно работали креновая система и система пневмообмыва. Это дало возможность оценить и сравнить эффективность работы указанных систем. Исследовались также взаимодействие корпуса со льдом и ходкость ледокола в битом льду канала.

Рис. 2. Зависимость скорости прокладки канала ледоколом «Капитан Сорокин» от толщины льда и высоты снежного покрова на Енисее

Характерной особенностью ледяного покрова Енисея оказалась его сильная заснеженность, что существенно отразилось на проходимости ледокола. На фотографиях (рис. 3), демонстрирующих ледомерную съемку на речном участке, отчетливо видна высота плотного полуметрового снега, возвышающегося над водой. Под таким мощным слоем снега лед прогибается, и его верхняя кромка находится на уровне воды. Также по отклонению ледокола от вертикального положения нетрудно понять, что ледокол форсирует лед с работающей в автоматическом режиме креновой системой.

Только в районе мыса Сопочная Карга заснеженность льда была минимальной (см. рис. 2). Соответственно, была максимальной толщина льда, достигавшая 190 см (фото на рис. 4).

Рис. 3. Ледомерная съемка на речном участке Енисея 30 апреля 1978 г. (фото Л.Г. Цоя)

Рис. 4. Ледяной покров у мыса Сопочная Карга

Анализируя работу ударами л/к «Капитан Сорокин» в енисейском припае, интересно отметить следующее. В процессе взаимодействия корпуса ледокола со льдом наблюдалось образование в ледяном покрове трещин, формировавших второй, параллельный первому, ряд секторов, которые при повторных набегах доламывались под размывающим воздействием потока от гребных винтов и ПОУ, отрывались от кромки и вплывали в канал. В результате ширина канала увеличивалась до 30–35 м. Кромки канала рваные. Канал заполнен до 3–4 баллов крупными льдинами второго ряда секторов, имеющих размеры до 10–15 м в длину и 2–5 м в ширину. В некоторых местах канал перекрыт этими льдинами полностью. Наблюдаются перевернутые льдины до 1–2 баллов размером в поперечнике до 5 м. Остальная площадь канала заполнена тертым мелкобитым льдом (рис. 5). Такой же широкий канал образовывался и при его прокладке непрерывным ходом с минимально устойчивой скоростью около 1 уз. При медленном продвижении ледокола поток от винтов и ПОУ успевает доламывать треснувший лед второго ряда секторов.

На графиках рис. 6 приведены результаты испытаний ледовой ходкости ледокола «Капитан Сорокин» ударами в ровном припайном льду Енисея различной толщины (h_л) и заснеженности (h_сн) при максимальной мощности, развиваемой ЭУ ледокола.

Рис. 5. Лед в канале, проложенном в Енисее ледоколом «Капитан Сорокин» ударами (фото Л.Г. Цоя)

Показаны кривые ледовой ходкости ледокола с пневмообмывом корпуса и без него при высоте снежного покрова 30−40 см и 50 см. Здесь же нанесена кривая, соответствующая суммарной толщине льда и снега.

Испытания подтвердили полученный ранее во время зимних навигаций вывод о том, что при низких температурах наружного воздуха плотный глубокий снег оказывает такое же сопротивление движению судна, как и лед. Так, например, ледокол продвигался непрерывным ходом с одинаковой скоростью около 1,0 уз как во льду толщиной 140 см, так и во льду 120−130 см, когда высота снежного покрова возрастала от 30 см (при толщине льда 140 см) до 50−40 см соответственно. Иными словами, скорость движения ледокола зимой в припае в равной степени зависит от толщины льда и плотного слоя сухого скрипучего снега.

Рис. 6а. Ледопроходимость л/к «Капитан Сорокин» в ровном сплошном льду с работающим ПОУ при различной высоте снежного покрова

Рис. 6б. Ледовая ходкость л/к «Капитан Сорокин» с работающим ПОУ и без ПОУ (

Проведенное изучение ледовых качеств ледокола «Капитан Сорокин» показало, что этот ледокол без использования пневмообмыва корпуса способен преодолевать непрерывным ходом со скоростью 2 уз сплошной зимний лед толщиной 130 см при высоте снежного покрова около 20 см. Применение установленного на ледоколе «Капитан Сорокин» пневмоомывающего устройства приводит к увеличению ледопроходимости (при скорости 1−2 уз) примерно на 10 см.

В отличие от сплошного льда, в битом льду свежепроложенного канала положительное влияние пневмообмыва оказалось существенным даже при больших скоростях движения, вплоть до максимальной скорости (12−15 уз), достижимой ледоколом в канале при полной мощности, что иллюстрируется графиком на рис. 7. По-видимому, это можно объяснить тем, что при движении в битом льду канала основную роль в общем ледовом сопротивлении играет составляющая трения. Именно эту составляющую уменьшает пневмообмыв.

Для определения абсолютного эффекта, достигаемого с помощью ПОУ, необходимо сравнивать скорости, полученные при работающем ПОУ, со скоростями, которые ледокол смог бы развить, если бы мощность его главных двигателей была соответственно увеличена на величину, равную мощности ПОУ. Анализ показывает, что в случае движения ледокола в канале ПОУ дает в среднем увеличение скорости на около 1,0 уз во всем диапазоне достижимых скоростей. Для такого увеличения скорости ледокола потребовалось бы передать на винты дополнительную мощность, порой бо́льшую, чем потребляемая пневмообмывом. Это обстоятельство указывает на полезность установки ПОУ на транспортные суда ледового плавания, работающие в основном в канале за ледоколом.

Рис. 7. Ледовая ходкость л/к «Капитан Сорокин» в собственном канале

Кроме изучения работы ПОУ при номинальном расходе воздуха (соответственно постоянной мощности приводящих двигателей системы), были проведены испытания, позволившие оценить эффективность пневмообмыва в зависимости от расхода воздуха (мощности ПОУ). Испытания показали, что существует оптимальное значение мощности ПОУ, при котором достигается максимальная эффективность. При дальнейшем повышении мощности эта эффективность остается примерно на одном и том же уровне. Существует также и критическое значение мощности ПОУ, ниже которого ПОУ вообще не повышает скорости ледокола. В смерзшемся канале и в сплошном льду это значение может достигать 1000−1200 л.с. (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость эффективности ПОУ от потребляемой мощности при движении в каналах разного возраста

Сопоставление эффективности применения различных систем по предотвращению заклинивания ледокола, выполненное во время прокладки ледоколом «Капитан Сорокин» канала в припайных льдах запредельной толщины, показало, что наиболее эффективной в борьбе с заклиниванием является креновая система, работающая в автоматическом режиме с периодом перекачивания балласта с борта на борт около 2 мин и амплитудами накренения до 4–5^°. ПОУ как средство высвобождения из клинений малоэффективно. Вместе с тем, учитывая, что ПОУ, как показали испытания, позволяет увеличить скорость прокладки канала при работе ледокола ударами (когда клинения отсутствуют), можно сделать вывод о полезности совместной работы ПОУ и креновой системы; они удачно дополняют друг друга.

Оценивая целесообразность применения ПОУ на судах арктического плавания, следует отметить еще одно важное преимущество пневмообмыва корпуса, выявленное при работе ледокола «Капитан Сорокин» в дрейфующих льдах зимой при низких температурах воздуха. При работающем ПОУ корпус ледокола не подвергается облипанию снежно-ледяной массой. Иными словами, ПОУ является надежным превентивным средством по предотвращению образования “ледяной подушки”.

Результаты первых лет работы ледоколов типа «Капитан Сорокин» подтвердили их соответствие гидрографическим особенностям в районах эксплуатации. Вместе с тем в тяжелые по ледовым условиям навигации и особенно в конце зимнего периода эти ледоколы из-за недостаточной ледопроходимости не могли обеспечить эффективные проводки судов на р. Енисей. Для надежного функционирования в зимне-весенний период транспортного флота на линии Мурманск − Дудинка, где лимитирующим после ввода в эксплуатацию на морском участке атомоходов типа «Арктика является енисейский участок трассы, необходимы более мощные мелкосидящие ледоколы с повышенной ледопроходимостью и автономностью. Оказалось, что эти требования возможно совместить, лишь применив ядерную энергетическую установку. Решение о создании атомных ледоколов с ограниченной осадкой было принято Минморфлотом в 1980 г. после разработки ЦНИИМФом с Союзморниипроектом технико-экономического обоснования и технико-эксплуатационных требований к ледоколу нового типа. Строительство ледоколов было решено осуществить в сотрудничестве А/О «Вяртсиля» и Минсудпрома СССР, учитывая отсутствие у финских судостроителей опыта проектирования и постройки атомных судов. Была создана Группа экспертов, состоящая из советских и финских специалистов (автор входил в состав Группы), что позволило в достаточно короткие сроки рассмотреть ряд новых технических решений в части удовлетворения требований по ограничению осадки и главных размерений ледокола, а также его маневренности и ледопроходимости. 

Контракт на постройку двух таких ледоколов – «Таймыр» и «Вайгач» – был подписан В/О «Судоимпорт» и А/О «Вяртсиля» в ноябре 1984 г. В апреле 1988 и 1989 гг. ледоколы были переданы финской фирмой на достройку по монтажу центрального энергетического отсека на Балтийский судостроительный завод в Ленинграде. В июне 1989 г. головной а/л «Таймыр» прошел приемосдаточные испытания и введен в эксплуатацию (рис. 9). Атомоход «Вайгач» вступил в строй в 1990 г. Ледопроходимость этих ледоколов при мощности на валах 32,5 МВт составила 2 метра.

Рис. 9. А/л «Таймыр» во время сдаточных испытаний фирмой «Вяртсиля Mэрин». На вертолетной площадке установлены два временных паровых котла, работающих на одну главную турбину

Попутные заметки

P.S. 1 Всем ли известно, что Северный морской путь начинается там, где кончается Европа? Нам в этом удалось убедиться во время экспериментального рейса д/э «Павел Пономарёв» в апреле 1978 г. из Мурманска в Дудинку, на котором наша научная группа отбыла из Мурманска, чтобы потом пересесть на л/к «Капитан Сорокин» для проведения его ледовых испытаний во время проводки по Енисею «Павла Пономарёва» в Дудинку.

Рис.10. Д/э «Павел Пономарев» – предпоследнее судно серии «Амгуема» (экспериментальный рейс в Дудинку в апреле 1978 г., фото Л.Г. Цоя)

Из Мурманска д/э «Павел Пономарев» с нашей научной группой самостоятельно дошёл до пролива Югорский Шар и встал в припае в ожидании подхода нам навстречу л/к «Капитан Сорокин». Там же в ожидании ледокольной проводки находился танкер «Самбург». Ждать пришлось два дня. Не теряя времени даром, команды ожидавших судов в первый же день провели товарищеский футбольный матч, а на следующий день мы решили навестить полярную станцию на берегу материка (около 5 миль). Подойдя к берегу, обнаружили якорь с разделительным знаком “Азия – Европа”, что и запечатлено на фото рис.11, которое свидетельствует о том, что, войдя из пролива в Карское море, мы уже оказываемся в Азии.

Рис.11. На границе между Европой и Азией 

P.S. 2  В советское время в сенсационных исторических рейсах в Арктике, как правило, участвовали журналисты. В рейсе на Дудинку в апреле 1978 г. на борту д/э «Павел Пономарев» кроме журналиста оказался ещё и художник, но не маринист, а портретист. Его интересовали люди, осваивающие Арктику, как моряки, так и научные работники. Это был Николай Егоров. За время нашего перехода по Карскому морю до Енисейского залива, где мы пересели с дизель-электрохода на ледокол «Капитан Сорокин», Н.Егоров успел сделать наброски портретов нашей команды. На фото рис.12 художник демонстрирует нарисованные им портреты аспиранта Николая Селюгина, гидролога Николая Бабича, (слева направо) и руководителя научной группы Лолия Цоя.

Рис.12. Художник Николай Егоров и написанные им портреты “покорителей” Арктики

P.S. 3 Выполненный рейс д/э «Павел Пономарев» в апреле 1978 г. в период максимального нарастания льда в арктических морях и на р. Енисей положил начало организации круглогодичной навигации в Западном районе Арктики на линии Мурманск – Дудинка. Приход транспортного судна в это время года в Дудинку был встречен местным населением с большим интересом и энтузиазмом. Это состоялось в полдень 1 мая 1978 г. Народ сразу после первомайской демонстрации устремился в порт и вышел на лёд встречатьпервопроходцев «Сорокина» и под его проводкой «Пономарёва» (фото рис.13).

Рис.13. Экспериментальный рейс в Дудинку завершён 1 мая 1978 г. (фото Л.Г. Цоя)

P.S.4   Вдохновленная успешным завершением ранневесеннего рейса на Дудинку в условиях максимальной толщины льда Енисея, ознаменовавшего начало круглогодичной навигации на линии Мурманск – Дудинка, комсомольская ячейка экипажа «Павла Пономарева» запечатлела эту героическую ледовую эпопею документально (фото рис.14):

Рис.14. А все-таки мы пришли!