Проектирование ледоколов с позиций теоретико-экспериментального подхода к прогнозированию ледовой ходкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Калинина Надежда Викторовна

• Калинина Надежда Викторовна
• доктор наук
• 2026

Оглавление диссертации доктор наук Калинина Надежда Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

1. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕДОКОЛОВ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЛЕДОВОЙ ХОДКОСТИ

1.1. Краткий обзор исследований ледопроходимости

1.2. Развитие исследований в области проектирования ледоколов

1.2.1. Развитие ледокольного флота

1.2.2. Поиски формы корпуса ледоколов

1.2.3. Архитектурно-конструктивный тип ледоколов

1.2.4. Пропульсивные комплексы ледоколов

1.3. Описание ледовых условий при движении ледоколов

1.4. Теоретические и экспериментальные исследования работы ледоколов в тяжелых льдах

1.5. Расчетные и экспериментальные методы определения ледового сопротивления в различных ледовых условиях

1.6. Проблемные вопросы проектирования ледоколов

1.6.1. Современное состояние теории проектирования применительно к ледоколу

1.6.2. Критерии оптимизации при определении основных проектных характеристик ледоколов

1.7. Цель и задачи исследований

1.8. Резюме

2. ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕДОКОЛА

2.1. Общий алгоритм проектирования ледокола при заданной мощности или ледопроходимости

2.2. Математическая модель проектирования ледокола

2.3. Технико-экономическое обоснование проектных характеристик

2.3.1. Анализ вариантов технических заданий на проектирование

2.3.2. Схематизация ледовых условий при проектировании

2.3.3. Обоснование критериев оптимизации

2.3.4. Обоснование выбора оптимизируемых параметров

2.3.5. Обоснование метода оптимизации

2.4. Резюме

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЛЕДОКОЛА В РАЗЛИЧНЫХ ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ

3.1. Уравнения движения судна

3.2. Определение тяги ледокола

3.3. Определение ледового сопротивления при движении ледокола в сплошном ледяном поле

3.3.1. Описание процесса движения ледокола в сплошном льду

3.3.2.Сопротивление ледокола, связанное с разрушением сплошного льда

3.3.3. Сопротивление обломков льда при движении в сплошном ледяном поле

3.3.4. Сопротивление снега

3.3.5. Чистое ледовое сопротивление сплошного льда

3.4. Определение ледового сопротивления при движении ледокола в битом льду

3.4.1. Описание процесса движения ледокола в битом льду

3.4.2. Импульсное сопротивление

3.4.3. Диссипативное сопротивление

3.4.4. Сопротивление притапливания и поворачивания льдин

3.4.5. Сопротивление вызванное деформацией льдин при их раздвигании и трении друг о друга

3.4.6. Чистое ледовое сопротивление битого льда

3.5. Дифференциальные уравнения движения ледокола в ровном сплошном

льду

3.6. Дифференциальные уравнения движения ледокола в канале битого льда

3.7. Резюме

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ ЛЕДОКОЛА В ТЯЖЕЛЫХ ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ

4.1. Феноменологическая модель движения ледокола набегами

4.2. Скорость движения ледокола набегами

4.3. Отход ледокола в собственном канале

4.3. Разбег ледокола в собственном канале

4.4. Продвижение ледокола в сплошном льду

4.5. Движение ледокола в торосах

4.7. Резюме

5. ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДХОД В ИССЛЕДОВАНИЯХ ЛЕДОВОЙ ХОДКОСТИ СУДОВ

5.1. Теоретико-экспериментальный подход к прогнозированию ледовой ходкости

5.2. Непрерывное движение ледокола в сплошном льду

5.2.1. Экспериментальные исследования ледовой ходкости судов в опытовом бассейне

5.2.2. Настройка расчетного метода прогнозирования ледовой ходкости при движении в сплошном льду на базе модельных испытаний ледоколов

5.2.3. Пересчет результатов с модели на натурное судно с использованием коэффициентов полуэмпирической модели

5.3. Движение ледокола набегами

5.3.1. Экспериментальные натурные исследования ледовой ходкости судов в тяжелых ледовых условиях

5.3.2. Использование натурных экспериментальных данных с непрерывной записью параметров движения набегами для создания полуэмпирических моделей по прогнозированию ледовой ходкости

5.3.3. Использование натурных экспериментальных данных с записью отдельных параметров по работе набегами для прогнозирования ледовой ходкости

5.3.4. Определение эмпирических коэффициентов теоретико-экспериментальной модели движения ледоколов набегами

5.4.Резюм е

6. РЕШЕНИЕ АКТУАЛЬНЫХ ПРОЕКТНЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАДАЧ ЛЕДОТЕХНИКИ

6.1. Определение средней скорости движения ледоколов набегами

6.2. Алгоритм расчета средней скорости движения ледокола набегами

6.3. Исследование влияния формы корпуса ледокола на эффективность его работы набегами

6.4. Оценка экономической эффективности выбора формы корпуса ледокола для работы набегами

6.5. Анализ влияния соотношений главных размерений и водоизмещения ледокола на эффективность работы в тяжелых условиях

6.6. Оптимизация тактики движения ледокола в тяжелых льдах

6.6.1. Разработка оптимальной тактики работы ледокола набегами

6.6.2. Оценка эффективности оптимальной тактики работы набегами

6.6.3. Система управления силовой энергетической установкой судна в тяжелых

ледовых условиях

6.7. Влияние ледовых условий на ходкость ледокола набегами

6.8. Влияние пневмоомывающего устройства на ходкость ледоколов

6.9. Прогнозирование ходкости ледокола при движении в торосистых льдах

6.10. Резюме

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Экспериментальных данные по исследованию ледовой ходкости в опытовом

бассейне НГТУ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Экспериментальные данные по работе ледоколов набегами с записью отдельных

параметров

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Экспериментальные данные по работе ледокола пр. 1191 «Капитан Мошкин»

набегами (январь 1988 г.) с непрерывной записью параметров

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Свидетельство на полезную модель и патенты

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Акты внедрения результатов диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проектирование ледоколов с позиций теоретико-экспериментального подхода к прогнозированию ледовой ходкости»

ВВЕДЕНИЕ

Внутренние водные пути России представляют собой обширную систему рек, озер и искусственных каналов, используемых для судоходства и транспортировки грузов и пассажиров. Эта система играет важную роль в экономике страны, обеспечивая связь между различными регионами и способствуя развитию промышленности и сельского хозяйства. Замерзаемость водных путей снижает технико-экономические показатели работы организаций транспорта: прекращение работы зимой приводит к неполному использованию производственных фондов и трудовых ресурсов. Увеличение навигационного периода позволяет повысить эффективность работы флота и портов. Использование ледоколов позволяет увеличить период навигации. Продление навигации имеет важное значение для социально-экономического развития регионов России, снижая стоимость логистических услуг и повышая привлекательность речного транспорта для бизнеса.

Арктический регион очень богат нефтью, газом и другими полезными ископаемыми. В настоящее время здесь добывается десятая часть общемировых объемов нефти и четверть - природного газа. Идет активное освоение арктической зоны. На российском Крайнем Севере сосредоточено 80% всей арктической нефти и практически весь газ.

Россия имеет технологии, позволяющие добывать углеводороды в Арктике. Идет активное освоение арктической зоны, появляется необходимость формирования комплексной логистической системы, учитывающей особенности Северного морского пути, безопасность плавания, повышение эффективности перевозок и снижение экологического воздействия. При изменении климата период навигации в арктической зоне будет увеличен, интенсивность использования Северного морского пути значительно возрастет, и это экономически целесообразно. Вместе с тем необходимо прогнозировать время выполнения рейсов, так как суда в ледовых условиях движутся медленнее, чем в чистой воде.

В Арктике себестоимость разведки, добычи, возведения инфраструктуры существенно выше, чем в других регионах. Это связано с климатическими условиями, с удаленностью, со сложностью мобилизации ресурсов, с логистикой. Транспортировка нефти и газа по Северному морскому пути позволит снизить их себестоимость, но для этого необходим флот, который обеспечит круглогодичную навигацию. Ледовые условия, в которых эксплуатируются суда, разнообразны. Постоянно возникают сложные ситуации при проводке судов из-за дефицита ледоколов.

Наиболее универсальным и экономически обоснованным средством продления навигации и борьбы с ледовыми затруднениями является ледокольный флот. Здесь важную роль играют теоретические и экспериментальные исследования ледовой ходкости. Расширение фундаментальных исследований в теоретическом и экспериментальном направлении позволит углубить понимание физических процессов взаимодействия судов со льдом и обеспечить научно-технический прогресс в области проектирования и постройки высокоэффективных средств преодоления ледяного покрова.

Для проектирования ледокольного флота необходимы надежные методы расчета ледовой ходкости, учитывающие форму корпуса и ледовые условия.

В настоящей работе рассматриваются вопросы динамики движения ледокола в ледовом поле, толщина которого превышает предельное значение для непрерывного хода. Движение в этом случае осуществляется с разбега, а работа ледокола по разрушению льда - повторяющимися циклами: отход назад - разбег - продвижение в сплошном льду. Для ледоколов доля такой работы велика.

Динамика ледокола при работе набегами изучена в настоящее время недостаточно подробно. Отсутствуют математические модели, позволяющие оценить влияние формы корпуса и других характеристик ледокола на его работу набегами. Это связано в первую очередь со сложностью динамических процессов при нестационарных движениях. Теоретические и экспериментальные исследования ходкости ледоколов при работе набегами носили разрозненный характер и были посвящены, как правило, рассмотрению отдельных проблем динамики или составлению упрощенных аналитических моделей. Таким образом, вопросы проектирования ледоколов и исследования ходкости в условиях продленной и круглогодичной навигации, несомненно, являются актуальными.

Тема диссертации непосредственно связана с Приоритетным направлением развития науки и технологий по указу президента РФ (№20е): «Создания интеллектуальных транспортных систем, а также удержание лидерских позиций в освоении и использовании Мирового океана, Арктики и Антарктики».

Цель работы - обоснование теории проектирования ледоколов и судов активного ледового плавания с позиций теоретико-экспериментального подхода к прогнозированию ледовой ходкости в зависимости от условий эксплуатации.

Задачи и методы исследований. Для достижения поставленной цели работы решались следующие задачи:

• анализ современного состояния теории проектирования ледоколов и методов расчета ледовой ходкости;

• создание теории проектирования с позиций ледовой ходкости;

• создание математической модели движения ледокола в различных ледовых условиях;

• построение расчетных методов сопротивления битого и сплошного льда, учитывающих главные размерения и форму корпуса ледокола, физико-механические характеристики льда и снега, скорость движения;

• исследование динамики движения ледоколов в различных ледовых условиях; анализ движения ледокола набегами на основе аналитических решений дифференциальных уравнений поступательного движения;

• теоретико-экспериментальный подход к прогнозированию ледовой ходкости;

• построение математической модели средней скорости движения набегами, являющейся критерием эффективности работы ледокола в тяжелых льдах;

• анализ и оценка конструктивных и эксплуатационных параметров на эффективность работы ледоколов;

• обоснование структуры автоматизированной системы поддержки принятия решений судоводителями и алгоритма управления силовой установкой ледокола при работе набегами, способствующей экономии топлива.

При построении практических расчетных зависимостей использовалась статистическая обработка натурных данных. В теоретических исследованиях использовались элементы системного подхода, дифференциальные уравнения, дифференциальная геометрия, математическая статистика, матричная алгебра, аналитические решения и численные методы, методы динамики твердого тела, вариантный метод оптимизации.

Экспериментальные исследования проводились в опытовом бассейне с использованием модельного эксперимента с применением теории подобия.

Данная работа соответствует паспорту научной специальности 2.5.18 «Проектирование и конструкция судов» п. 4 в части «Методы и методики проектирования судов, кораблей и других объектов морской техники как сложных технических систем, ...», п. 7 «Методы и методики проектирования и обеспечения технической эксплуатации (судоремонт) устройств, систем и оборудования судов».

Научную новизну составляют:

• новая усовершенствованная математическая модель движения ледокола в различных ледовых условиях, учитывающая силы взаимодействия ледокола с водой и льдом, энергетические затраты на разрушение сплошного льда, преодоление обломков льда, сопутствующее трение;

• методы расчета параметров движения ледокола в сплошном и битом льду, в грядах торосов, основанные на сочетании аналитического подхода с использованием решений дифференциальных уравнений движения и экспериментальных данных;

• теоретико-экспериментальный подход к прогнозированию ледовой ходкости;

• методы расчета сопротивления сплошного и битого льда, учитывающие в явном виде толщину и механические характеристики ледяного покрова, коэффициент трения наружной обшивки корпуса о лед, главные размерения, форму корпуса ледокола и скорость движения;

• расчетные методы определения средней скорости и параметров движения ледокола в торосистом льду непрерывным ходом и набегами;

• оценка влияния ледокольной формы корпуса и соотношений главных размерений на эффективность и экономические показатели работы набегами;

• структурно-функциональная модель автоматизированного комплекса для оптимального маневрирования энергетической установкой ледокола при движении набегами.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается:

• в разработке теории проектирования ледоколов с учетом ходкости в различных ледовых условиях;

• в разработке алгоритмов и пакетов прикладных программ определения основных элементов, формы корпуса ледокола, используемых в проектных, научно-исследовательских организациях и в учебных заведениях;

• в оценке влияния проектных характеристик ледокола на экономические показатели его работы;

• в разработке расчетных методов определения сопротивления сплошного и битого льда, средней скорости и параметров движения ледокола набегами;

• в оценке влияния формы корпуса ледокола и соотношений главных размерений на эффективность работы набегами;

• в выборе оптимальной тактики движения ледоколов набегами с минимальным расходом топлива.

Расчётные методики внедрены в АО КБ «Вымпел», АО КБ «Лазурит», НИЛ «МПиТК».

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Кораблестроение и авиационная техника» образовательно-научного института транспортных систем НГТУ.

Полученные результаты использованы в проекте РНФ, выполняемом при участии автора диссертации: Грант Российского научного фонда № 22-19-00376 «Экспериментально-теоретическое исследование полуэмпирических моделей взаимодействия судов со льдом» в 2022-2024 гг.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс НГТУ при изучении дисциплин «Физика и механика льда», «Ледовая ходкость судов», «Проектирование и конструкция судов ледового плавания», а также при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ студентами образовательной программы магистратуры «Проектирование судов и морских сооружений, эксплуатирующихся в ледовых условиях» направления подготовки 26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры».

Основные положения, выносимые на защиту:

• математическая модель проектирования ледоколов, ориентированная на прогнозирование ходкости в различных ледовых условиях;

• математическая модель движения ледокола в различных ледовых условиях и режимах движения;

• расчетные методы определения сопротивления сплошного и битого льда движению ледокола, учитывающие в явном виде толщину и механические характеристики ледяного покрова, коэффициент трения наружной обшивки корпуса о лед, главные разме-рения, форму корпуса ледокола и скорость движения;

• теоретико-экспериментальный подход к прогнозированию ледовой ходкости;

• алгоритм определения средней скорости и параметров движения ледокола набегами в ровном сплошном льду;

• оптимальная по расходу топлива тактика движения ледоколов набегами.

Достоверность результатов. Основные теоретические положения и исходные допущения характеризуются непротиворечивостью, подтверждены натурными данными и данными модельных экспериментов, совпадают с результатами исследований других авторов, расширяя и дополняя их. Расчетные методы и пакеты прикладных программ тестировались с использованием данных по построенным ледоколам.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях:

• Международная конференция по морским интеллектуальным технологиям, 1997 г., 1999 г., г. Санкт-Петербург;

• Научно-техническая конференция «Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики»: XXXVIII Крыловские чтения, 1997 г., г. Санкт -Петербург;

• Вторая международная конференция по судостроению - ISC'98, 1998 г., Санкт - Петербург;

• Научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности плавания судов», посвященная 60-летию со дня рождения Тронина В.А., 1999, ВГАВТ, Н.Новгород;

• Международная конференция «Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов», 1999г., Владивосток, Россия;

• Всероссийская научно-техническая конференция «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве», 2002 г., 2006 г., 2009 г., 2016 г., 2021 г., НГТУ, Нижний Новгород;

• IV Международный балтийский морской форум. IV Международная научная конференция «Морская техника и технологии. Безопасность морской индустрии», 2016, Калининград;

• Всероссийская конференция с международным участием «Полярная механика»: 2017, ФГБУ «ААНИИ», Санкт-Петербург; 2023, НГТУ, Нижний Новгород;

• International Conference «Scientific research of the SCO countries: synergy and integration», 2019, Beijing, China;

• Всероссийская конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 2023, Санкт-Петербург;

• Всероссийская научная конференция «Моря России: вызовы отечественной науки», 2022, Севастополь;

• Седьмая международная научно-практическая конференция «Имитационное и комплексное моделирование морской техники и морских транспортных систем» (ИКМ МТМТС-2023), 2023Санкт-Петербург;

• 17 Всероссийская конференеция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 2024, Санкт-Петербург;

• Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Арктика: прикладные и фундаментальные задачи ледотехники», 2024, Приамур. гос. ун-т им. Шолом-Алейхема, Биробиджан;

• Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Корабельная ледотехника: актуальные вопросы освоения Арктики» посвященная 80-летию атомной промышленности и 85-летию со дня рождения профессора В.А. Зуева, 2025, НГТУ, Нижний Новгород.

Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Кораблестроение и авиационная техника» Нижегородского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано более 70 научных работ, в том числе: 21 публикация в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК по специальности 2.5.18 - «Проектирование и конструкция судов» и в международной базе Web of Science; свидетельство на полезную модель и 5 патентов на изобретения, включая 2 евразийских.

1. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕДОКОЛОВ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЛЕДОВОЙ ХОДКОСТИ

История ледоколостроения насчитывает более 160 лет, начало которой было положено в России М.О. Бритневым в 1864 году [174]. За это время сделано значительное количество исследований в области ледовой ходкости и проектирования ледоколов. Аналитический обзор части из них, непосредственно связанный с темой настоящей работы, является предметом данного раздела с целью его использования.

1.1. Краткий обзор исследований ледопроходимости

Первые теоретические исследования по ледопроходимости появились в конце 19 века. К ним следует отнести работы Р.И. Рунеберга и В.М. Афанасьева [31].

Р.И. Рунеберг предложил формулу для определения величины вертикальной силы давления на лед при движении ледокола в зависимости от тяги винтов, обводов носовой оконечности и коэффициента трения обшивки о лед и привел эмпирическую формулу, связывающую толщину ломаемого льда с величиной приложенной к нему силы [152]. Эти формулы позволяют по известной тяге ледокола определить максимальную толщину льда преодолеваемого непрерывным ходом.

В.М. Афанасьев [31], обобщив опыт эксплуатации ледоколов, предложил эмпирическую формулу для определения мощности ледокола в зависимости от скорости движения и толщины льда.

Активное участие в исследовательских работах, связанных с созданием и разработкой рациональных форм обводов новых арктических ледоколов, принимал Д.И.Менделеев.

Постройка ледокола «Ермак» явилась знаменательной вехой в истории развития ледоколостроения в России. Идея постройки ледокола была выдвинута адмиралом С.О.Макаровым.

После проведения в 1899-1900 г.г. С.О.Макаровым и А.Н.Крыловым первых и весьма ценных опытов по исследованию движения «Ермака» во льдах [276] наступил длительный перерыв в исследовательской работе в области ледоколостроения.

В 1921 году А.Кап [272] предложил эмпирические формулы для определения ломающего лед вертикального усилия и мощности ледокола в функции некоторых параметров судна.

Несмотря на свою важность первые исследования ледопроходимости имели ограниченный характер и не могли дать обоснованного решения таких вопросов, как выбор величины мощности ледокола, его главных размерений, формы корпуса и других.

Для проведения планомерной исследовательской работы и разрешения практических вопросов в Арктическом институте в 1935 году было создано Кораблеисследова-тельское бюро, которое приступило к планомерному изучению ледопроходимости судов.

Изучением ледопроходимости морских судов в натурных условиях занимались Г.Е.Ратманов [219], В.В.Давыдов [72], В.В.Дремлюг и А.Ф.Лактионов [171] и другие.

Крупной теоретической разработкой явилась опубликованная в 1938 году работа Ю.А.Шиманского «Условные измерители ледовых качеств судов» [272]. В работе предложены условные измерители, характеризующие с точки зрения ледопроходимости форму носовой оконечности и мощность судна, а также ледовую прочность судна в зависимости от обводов корпуса.

Впервые метод моделирования для изучения процесса движения судна в сплошных льдах был предложен Л.М.Ногидом. В 1939-1941 годах Л.М.Ногидом [197], а также А.Л.Костюковым и В.С.Назаровым [164] были проведены опыты, в которых в качестве материала, имитирующего лед, использовались плавающие парафиновые плиты. Позднее А.Л.Ногидом была сделана попытка воспроизвести ледяной покров с помощью пластин из смеси стеарина и говяжьего жира.

Зимой 1940-1941 годов В.И.Негановым были проведены испытания модели ледокола во льду, намороженным естественным образом в открытом водоеме.

Первые опыты по моделированию движения судна во льдах не имели успеха и показали нецелесообразность применения указанных материалов для моделирования сплошного ледяного поля.

Опубликованная в 1946 году монография И.В.Виноградова «Суда ледового плавания» [31] сыграла важную роль в обобщении накопленного опыта проектирования, постройки и эксплуатации судов ледового плавания. Значительное место в ней отведено вопросам ледопроходимости. Рассматривая циклическое движение ледокола в сплошном льду на основе анализа энергетического баланса, автор получает значение максимальных вертикальных давлений, которое судно может приложить ко льду. В книге приводятся также условные измерители ледопроходимости судов при непрерывном движении и работе набегами, справедливые лишь для геометрически подобных судов. Выясняется

физическая сущность влияния водоизмещения на ледопроходимость судов. Предлагается метод расчета ледопроходимости по прототипу.

В дальнейшем развитии науки о ледопроходимости судов важное место занимают натурные испытания судов во льдах. При помощи них получают данные о фактической ледопроходимости, проверяют расчетные методы определения ледопроходимости и получают информацию для построения моделей физических процессов, происходящих при движении судна во льду.

В РФ натурные испытания ледоколов и судов ледового плавания регулярно проводятся Арктическим и Антарктическим научно-исследовательским институтом (ААНИИ), а также Волжским государственным университетом водного транспорта (ВГУВТ), Государственным университетом морского и речного флота имени адмирала С.О.Макарова, Крыловским государственным научным центром и др.

Основная часть материалов об этих испытаниях не опубликована, содержится в отчетах. Из опубликованных отметим работы А.В.Бронникова [22, 23, 24, 25], М.В.Готского [37], А.Я.Рывлина [114], М.А.Игнатьева [113, 114], В.А.Тронина [211, 248, 255, 256, 257, 258], Ю.А.Сандакова [259, 260, 261], В.В.Расторгуева [218], Г.Н.Сергеева [245, 251], Б.Н.Свистунова [115, 176, 240, 241], А.А.Дубова [87, 88, 121], Б.П.Ионова [116, 116, 118, 119, 120, 121], В.С.Шпакова [3, 274], Ю.Н.Алексеева [1, 2, 3], Е.М.Апполонова [7, 8, 9, 10, 11, 12], В.А.Беляшова [8], К.Е.Сазонова [21,143,144,183,225...236], А.А.Добродеева [77...85], А.И.Костылева [162,163]. Из зарубежных исследователей натурным испытаниям во льдах посвятили работы R.Y.Edwards , J.W.Levis, J.W.Wheaton, J.Coburn [294], E.Makinen, R.Roos [337, 338], M.Dunne, P.Noble, R.J.Allan, B.Jahnson [293], J.Schwarz, L.Hoffman [356, 357, 358], A.Keinonen [319, 320], S.Gordin [300], L.Schultz [355].

Обзор зарубежных натурных исследований приводится в статьях В.И.Каштеляна, О.В.Фаддеева и других [147, 150, 152, 155].

Трудоемкость натурных испытаний и невозможность широкого варьирования параметров судна и ледовой среды приводили исследователей к поиску других методов определения ледопроходимости судов. Работы по моделированию движения судна в сплошных льдах были возобновлены.

В 1946 году Л.М.Ногид, исходя из теории размерностей, впервые сформулировал основные условия подобия, которые легли в основу постановки модельных экспериментов по изучению движения судна в сплошных льдах [197]. Им же в бассейне

Ленинградского кораблестроительного института (ЛКИ) проведены испытания ледоколов и судов ледового плавания в битых льдах, для имитации которых применялись плитки из парафина.

В 1948 году В.В.Лавровым был предложен способ получения в лабораторных условиях однородного льда натурного состава пониженной прочности, который был назван моделированным льдом [170]. Испытания моделей в таком льду, проведенные И.И.По-зняком и В.В.Лавровым, подтвердили перспективность метода модельных испытаний во льдах.

В 1955 году вступил в строй первый в мире ледовый бассейн ААНИИ [152], предназначенный для испытания в моделированном льду. Проведенные в ледовом бассейне исследования позволили усовершенствовать методику и технику модельных испытаний.

Основоположниками теории моделирования движения судна в сплошных льдах по праву можно считать Л.М.Ногида [197] и Ю.М.Шиманского [271].

Развитию методики приготовления моделированного льда, уточнению критериев подобия и усовершенствованию технологии проведения модельных испытаний в ледовом бассейне ААНИИ посвящены работы И.И.Позняка [209, 210], В.И.Каштеляна [145, 146, 149], Д.Д.Максутова [185, 186], А.Я.Рывлина [26,152, 222, 223], Б.П.Ионова [118]. В этих работах приводятся результаты исследований влияния формы корпуса, параметров судна и ледовой среды на ледопроходимость, полученные методом модельных испытаний.

В 1955 году был создан уникальный исследовательский комплекс в ААНИИ. Успешные модельные испытания в ледовом бассейне ААНИИ дали толчок к строительству ледовых бассейнов в нашей стране [18, 232] и за рубежом. В 1990-м проведена реконструкция ледового бассейна ААНИИ. В 2013 г. был введен в эксплуатацию новый ледовый бассейн КГНЦ в Санкт-Петербурге. В настоящее время в мире продолжается проектирование и строительство новых бассейнов все возрастающих размеров.

Вопросами моделирования движения судна в сплошном льду и техники проведения испытаний занимались также следующие зарубежные исследователи: G.P.Vance [363], R.Y.Edwards, J.W.Levis, J.W.Gobom [294], E.H.Waas [365], E.Enkvist [295, 297], B.M.Jahnson, E.Makinen [296], M.Kloppenburg, J.Schwarz [356], S.Gordin [300], G.W.Timco [361], A.Keinonen [320], H.R.Kivisild, S.H.Iyer [326], Sh.Richardson [348], K.Riska, RJalo-nen [349, 350, 352, 352], S.Jones [359]. Теория моделирования разрушения льда с учетом трещин в ледяном покрове была разработана Atkins'ом [280] и Р.В.Гольдштейном [36].

В.И.Каштеляном [149] был выполнен обзор исследований зарубежных авторов по моделированию движения судна в сплошных льдах.

Кроме испытаний в ледовых бассейнах с «моделированным» льдом, исследования ледовых качеств судов проводятся в обычных (неледовых) бассейнах с использованием различных имитаторов (заменителей) льда.

В Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е.Алексеева (НГТУ) (ранее Горьковском политехническом институте) М.С.Яковлевым проводились испытания в парафиновых плитках [276, 277, 278]. Эти испытания проводились с целью определения части сопротивления сплошного льда, не зависящей от прочности.

В 1967 году В.А.Зуевым и М.Е.Рабиновичем [279] был предложен новый имитатор битого льда - полиэтилен высокого давления, который более полно удовлетворял условиям моделирования, чем парафин.

Результаты испытаний в полиэтиленовых плитках приведены в статье [108]. Аналогичные испытания проводились сотрудниками Новосибирского института инженеров водного транспорта (НИИВТ) и других организаций.

Ввиду большой стоимости ледового бассейна и трудности полного обеспечения требуемых характеристик моделированного льда заманчивой представляется перспектива испытаний моделей судов в зимнее время в натуральном пресноводном льду, полученным естественным намораживанием. Такие испытания можно проводить в бассейнах, расположенных на открытом воздухе, либо в природных водоемах. Повышенная прочность льда компенсируется за счет уменьшения толщины. На возможность такого подхода к моделированию движения судна во льдах указывал еще Л.М.Ногид [197].

Проводимые с 1977 года в НГТУ испытания в естественном льду В.А.Зуевым, Е.М.Грамузовым, Ю.А.Двойченко [96, 98] показали их перспективность.

Е.М.Грамузовым [118] впервые был предложен подход в моделировании сопротивления льда и проиллюстрирован при испытаниях в тонком естественном льду.

Поиски модели льда привели В.А.Зуева, Е.М.Грамузова, В.Б.Белякова к изобретению композитной модели ледяного покрова на основе естественного пресноводного льда и частиц полиэтилена высокого давления [118]. Предложенная модель льда [17] получается введением в воду перед замораживанием частиц полиэтилена высокого давления, имеющих плотность и коэффициент трения такие, как у натурного льда. Результаты

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Калинина Надежда Викторовна, 2026 год

/ \

1 /

/

0 (

4 3 80 1- ) 60 20 ) t, :

1

-1 /

J

л /

X. м /

/

à 0 80 12 0 60 20 э t. {

20

40

60

80

х'. м/с

3

2

1 1

1

-1 60 -1 ¡0 -80 -40 ( х,м

/

Г л

-3

-120 -80 -40 0 40 х,м

Рисунок В.13 - Кадр 13

X', м/с

\

2 \

\

1 \

V] \ 2( 40 /1 0 8 ) t, с

-1 \ /

ч \ Á г

-2 \ у V

X, м У *

20 /

/

/

0 2( 40 ( 0 8 ) t, С

-20

-40

-60

X', м/с

о

==

1 L

\

1

! 0 -4( -20 ( 0 х,м

/l

-2

х', м/с /

J /

3 /

¡ \

2 t f \

i \

1 i /

f

ч < 0 2( 40 ( 8 ) 1 ОС

ч -1

ч

\

-3

X. M

20

20 40 6 0 8< 100 t,c

-40

-60

-80

X',

м/с

3

2

1

-1 10 -8( -40 4 0 X,M

-1/

-2

-3

Таблица В.1 - Экспериментальные данные по работе ледокола пр. 1191 «Капитан Мошкин» набегами (январь 1988 г.), полученные в результате

обработки осциллограмм (рисунки ВЛ...В.15)

№ кадра к, м кс, м Отход Разбег Продвижение Скорость разбега

м, кВт N2, кВт «1, об/м «2, об/м 1 р ¿от , м / р ¿от , с 1 т ¿от , м / т ¿от , с ¿о^ м ¿от, с ¿р, м ¿р, с N1, кВт N2, кВт «1, об/м N2, об/м 1п, м ¿п, с ^ м/с

1 0,91 - - - - - - - - - - - 64,1 37 1027 945 295 288 44,1 44 2,75

2 0,74 - - - - - - - - - - - 29,9 25 1027 945 313 296 17,6 13 2,20

3 0,70 - - - - - - - - - - - 44,0 45 1027 945 306 308 12,5 9 1,90

4 0,86 - - - - - - - - - - - - - 1027 945 369 258 19,1 14 2,05

5 0,86 - 1027 945 -331 -275 11,2 - 25,9 26 37,1 - 37,1 25 1027 945 288 292 24,8 17 2,30

6 0,90 - 1027 910 -325 -283 - - 24,9 20 - - - - 1027 945 288 292 12,6 12 1,85

7 0,70 0,3 1027 910 -313 -292 32,4 35 15,5 14 47,9 49 47,9 - 1066 910 325 283 30,5 20 2,50

8 0,57 снег 1066 910 -313 -300 - - 7,6 9 - - - - 1027 910 313 275 19,8 15 2,00

9 0,57 снег 1027 910 -325 -300 51,2 - 60,0 35 111,2 - 111,2 51 1027 910 325 283 33,0 15 4,10

10 0,50 снег 1027 945 -325 -308 122,5 70 44,1 24 166,4 94 166,4 84 1027 910 258 325 31,5 16 3,70

11 0,85 снег 1066 945 -325 -300 121,1 70 68,5 40 189,6 110 190,3 72 1027 945 338 300 40,6 17 4,15

12 0,76 снег - - - - 77,5 - 28,5 25 106,0 - 106,0 50 1027 945 338 300 31,4 15 3,65

13 0,74 - - - - - - - - - 148,0 - 148,0 63 1027 945 350 300 53,1 19 4,50

14 0,66 снег 1027 945 -325 -300 25,9 25 40,9 28 66,8 53 66,8 - 1027 945 325 292 35,3 18 3,10

15 0,89 снег 1027 945 -350 -300 65,8 40 70,3 39 136,0 79 135,5 51 1027 945 338 300 45,4 17 4,50

16 0,56 снег 1027 945 -325 -300 23,0 25 25,8 20 48,8 45 48,3 32 1027 945 338 292 19,7 12 2,70

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Свидетельство на полезную модель и патенты

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акты внедрения результатов диссертации

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (НГТУ)

АКТ

21 /0.2О2<? № У

г. Нижний Новгород

УТВЕРЖДАЮ

Первый проректор - проректор по образовательной деятельности ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический Е. Алексеева

Е.Г. Ивашкин

о внедрении результатов диссертационного исследования Калининой Н.В. в учебный процесс кафедры «Кораблестроение и авиационная техника» ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет

им. Р.Е. Алексеева»

Основные научные положения, расчетные методики, выводы и рекомендации, полученные в результате диссертационного исследования Калининой Надежды Викторовны на тему «Проектирование ледоколов с позиций теоретико-экспериментального подхода к прогнозированию ледовой ходкости», внедрены в учебный процесс кафедры «Кораблестроение и авиационная техника» образовательно-научного института транспортных систем.

В частности, предложенные практические методы расчета чистого ледового сопротивления при движении ледоколов и судов активного ледового плавания в различных ледовых условиях, методики определения параметров движения и средней скорости при работе ледоколов набегами и при движении в торосистых ледяных полях внедрены в учебный процесс НГТУ при изучении дисциплин «Физика и механика льда», «Ледовая ходкость судов», «Проектирование и конструкция судов ледового плавания», а также при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ студентами образовательной программы магистратуры «Проектирование судов и морских сооружений, эксплуатирующихся в ледовых условиях» направления подготовки 26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры».

Директор образовательно-научного института транспортных систем

Тумасов A.B.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (НГТУ)

АКТ

21 /о. 2D2C № ^

г. Нижний Новгород

о внедрении результатов диссертационного исследования Калининой Н.В. в научно-исследовательские работы кафедры «Кораблестроение и авиационная

техника» ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Основные научные положения, расчетные методики, выводы и рекомендации, полученные в результате диссертационного исследования Калининой Надежды Викторовны на тему «Проектирование ледоколов с позиций теоретико-экспериментального подхода к прогнозированию ледовой ходкости», используются при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Кораблестроение и авиационная техника» образовательно-научного института транспортных систем.

В частности, теоретико-экспериментальные способы прогнозирования ледовой ходкости ледоколов и судов ледового плавания; методика определения средней скорости и параметров движения ледокола набегами в ровном сплошном льду; расчетные модели определения средней скорости и параметров движения ледокола в торосистом льду непрерывным ходом и набегами используются в научной деятельности кафедры «Кораблестроение и авиационная техника».

Способы определения некоторых физико-механических свойств моделей ледяного покрова используются при проведении модельных ледовых испытаний в лаборатории проектирования и ледовых качеств судов кафедры «Кораблестроение и авиационная техника».

Также результаты диссертационного исследования Калининой Н.В. были использованы при выполнении проекта Российского научного фонда № 22-19-00376 «Экспериментально-теоретическое исследование полуэмпирических моделей взаимодействия судов со льдом» в 2022-2024 гг.

Директор образовательно-научного института транспортных систем

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (НГТУ)

АКТ

21. /0. 202Ъ~„ 3

г. Нижний Новгород

АКТ

о внедрении результатов диссертационного исследования Калининой Н.В. в научно-исследовательские работы научно-исследовательской лаборатории «Моделирование природных и техногенных катастроф» ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет

им. Р.Е. Алексеева»

Основные научные положения, расчетные методики, выводы и рекомендации, полученные в результате диссертационного исследования Калининой Надежды Викторовны на тему «Проектирование ледоколов с позиций теоретико-экспериментального подхода к прогнозированию ледовой ходкости» используются при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых в научно-исследовательской лаборатории «Моделирование природных и техногенных катастроф».

В частности, способы определения некоторых физико-механических свойств моделей ледяного покрова, теоретико-экспериментальный подход к прогнозированию ледовой ходкости ледоколов и судов ледового плавания использовались при выполнении научно-исследовательской работы по проекту Российского научного фонда № 22-19-00376 «Экспериментально-теоретическое исследование полуэмпирических моделей взаимодействия судов со льдом» в 2022-2024 гг.

Заведующий научно-исследовательской лабораторией «Моделирование природных и техногенных катастроф»

КОНСТРУКТОРСКОЕ 5ЮР0 ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СУДОВ

ВЫМПЕЛ

ДО КБ «вымпел». 6031 (К, г Нижний Новгород ул. Мартом, п. 6. корп. 6. лом. 25. клб. 96 тел : *7 831 ¿33-41-49. факс: -7 931 ¿30-2D-96, e-mail: mfoOvvmpeLru, www wmpel.ru ИНН/КПП 526000120бУ526201а01.0ГРН 1025203018708

А К .

и внедрении результатов to к I орской диссертационной работы

Комиссия в составе:

председатель - Сахабутлинов Рам иль Вагалович. АО КБ «Вымпел», генеральный

директор:

члены комиссии:

Милавни Сергеи Анатольевич. АО КБ «Вымпел», заместитель генерального директора по проектированию.

Вьюшкин Алексей Романович. АО КБ «Вымпел», главный конструктор

составили настоящий акт о том. что результаты диссертационной работы Калининой Надежды Викторовны на тему «Проектирование ледоколов с позиций теоретнко-экспериментального подхода к прогнозированию ледовой ходкости», представленной на соискание ученой степени доктора технических наук, а именно: расчетные методики для определения ледового сопротивления битого и сплошного льда, параметров движения ледокола в сложной ледовой обстановке набегами внедрены в практику деятельности АО КБ «Вымпел».

Расчетные методики ледового сопротивления в явном виде включают толшину и механические характеристики ледяного покрова, толшину снега, коэффициент трения наружной обшивки корпуса о ледяной покров, главные размерения и форму корпуса ледокола, скорость движения. Математическая модель движения набегами позволяет оптимизировать тактику движения ледоколов в тяжелых льдах, прогнозировать время выполнения ледокольной работы с минимальными затратами на топливо. Использование указанных результатов при проектировании судов ледового плавания и ледоколов позволяет повысить точность прогнозирования ледовой ходкости на начальных этапах проектирования, создавать экономичный флот хтя суровых условий арктического региона.

Члены комиссии: