На основании анализа организации и результатов работы дрейфующих станций «Северный Полюс» разработано ТЭО на проектирование и постройку плавучих инженерных сооружений для долговременного базирования научно-исследовательских обсерваторий типа «СП». По результатам произведенного анализа на самой начальной стадии проектирования определены главные размерения и водоизмещение трех вариантов таких сооружений, необходимых и достаточных для жизнеобеспечения и успешной научной деятельности обсерваторий. Предложены варианты общего расположения жилых и служебных помещений, создающих оптимальные условия жизни и работы полярников. Рассмотрены новые перспективные научные направления исследований, возможность проведения которых обеспечивают конструктивные особенности плавучей самоходной платформы.
Российское присутствие в арктическом регионе и освоение Арктики относится к важнейшим геополитическим интересам России. Об этом свидетельствуют официальные документы заседания Правительства Российской Федерации по вопросу «Об обеспечении интересов Российской Федерации в высокоширотных и полярных регионах», Совета Безопасности Российской Федерации и Морской коллегии при Правительстве Российской Федерации.
Существующие проблемы и пути их решения отражены в Морской доктрине Российской Федерации, Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 г., Основах государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 г. и дальнейшую перспективу, в проекте Стратегии развития морской деятельности до 2020 г. и более отдаленную перспективу, в проекте разрабатываемой в настоящее время Стратегии развития арктической зоны до 2020 г. и на более отдаленную перспективу, других документах.
Согласно принятым решениям, Арктика должна стать основной стратегической ресурсной базой России. При этом Арктика имеет исключительно важное военно-стратегическое значение для решения задач обороны страны. Здесь базируются силы Северного флота и находится их операционная зона, сосредоточен ряд важнейших предприятий оборонной промышленности.
Закончившийся Международный полярный год (МПГ), инициатором проведения которого выступила Россия, высветил наиболее острые научные проблемы и направления, которые надо развивать в первую очередь. Именно сейчас, в период климатических изменений, наиболее актуальна необходимость продолжения мониторинга состояния арктической климатической системы для постоянной оценки устойчивости и масштабов наметившихся изменений.
Результаты научных наблюдений, полученные в высокоширотных исследованиях на дрейфующих научно-исследовательских станциях «Северный полюс», высокоширотных воздушных экспедициях, судовых высокоширотных исследованиях, внесли основной вклад в познание закономерностей природных процессов центральной части Арктического бассейна и арктических морей, создание системы научно-оперативного обеспечения безопасности мореплавания по высокоширотным и традиционным трассам Северного морского пути.
Присутствие в Арктике требует согласования экологических и инфраструктурных задач, однако риски, связанные с исследованиями на дрейфующих научно-исследовательских станциях «Северный полюс», ставят задачу поисков вариантов плавучих сооружений в качестве долговременной дрейфующей обсерватории взамен дрейфующих станций «Северный полюс».
В 2010 г. в ААНИИ закончена разработка Технико-экономического обоснования (ТЭО) проектирования и строительства плавучих ледостойких сооружений для долговременного базирования научно-исследовательских обсерваторий типа станций «Северный Полюс» («СП»). Основный задачей ТЭО являлась разработка эскизов и предварительная оценка строительной стоимости плавучего инженерного сооружения, пригодного для долговременного базирования научно-исследовательских обсерваторий типа станций «Северный Полюс».
Главным требованием к выбору основных параметров дрейфующего сооружения было обеспечение наиболее широкого спектра исследовательских работ и качества исследований и обработки их результатов, а также обеспечение максимально достижимых на судне в условиях долговременного полярного дрейфа комфортных условий проведения научных работ и проживания членов экспедиции, проведения досуга, в том числе возможности спортивно-оздоровительных занятий. Рассматривались также другие требования, касающиеся возможностей расположения штатного палубного научного оборудования, грузовых трюмов, приема и временного базирования вертолета, быстрого пополнения запасов, смены экспедиционного состава, приема инспекций и делегаций.
В качестве основного варианта платформы предлагается вариант самоходной платформы упрощенной формой и высокой ледовой прочностью корпуса, способной автономно дрейфовать в высоких широтах Северного Ледовитого океана (СЛО) не менее двух лет и самостоятельно (своим ходом) возвращаться из точки окончания дрейфа в точку начала следующего дрейфа по чистой воде. Проектный срок службы платформы 25 лет. Платформа не предназначена для самостоятельного плавания в ледовых условиях, что потребовало бы размещения на ней энергетической установки мощностью не менее 7200 кВт – минимальную по правилам Российского морского Регистра судоходства (часть VII, глава 2, п. 2.21.1) (Правила, 2010). В дрейфе будут работать только стояночные генераторы для обеспечения исследований и бытовых нужд. С учетом необходимости высокой степени защищенности движителя при длительном ледовом дрейфе платформы, оптимальным типом движителя представляется поворотная винто-рулевая колонка (ВРК), обеспечивающая движение платформы и ее маневрирование на чистой воде. При этом во время дрейфа ВРК должна убираться в корпус платформы во избежание повреждений. Общий вид самоходной платформы показан на рис. 1.
Рис. 1. Самоходный вариант платформы: вид сбоку и продольный разрез ниже второй палубы
Рис. 2. Вариант общего расположения верхней палубы
В табл. 1 представлены основные параметры платформы. В дальнейшем, на стадиях эскизного и технического проекта, требования к количеству и площадям лабораторий, жилых и служебных помещений будут уточнены, что позволит более точно определить размерения сооружения, его водоизмещение, строительную и эксплуатационную стоимости.
Таблица 1. Основные технические характеристики платформы
Разработка общего расположения основывалась на том, что на стадии ТЭО степень подробности должна быть достаточной для оценки правильности выбора главных размерений, а также возможности размещения лабораторий, кают, помещений общего пользования, вспомогательных помещений, основных механизмов палубного специального оборудования. Детальное расположение вспомогательных помещений, механизмов и устройств будет выполнено на стадии разработки технического проекта.
Корпус разделен на восемь водонепроницаемых отсеков, включая форпик и ахтерпик, семью поперечными водонепроницаемыми переборками.
Палубы ярусов надстройки используются под каюты и лаборатории. На верхнем ярусе находится ходовой мостик.
Жилой район верхней палубы, кроме кают, расположенных по бортам, вмещает столовую-салон на 44 посадочных места, камбуз с хлебопекарней и курительный салон.
Носовая часть второй палубы отведена под жилые помещения и лаборатории, в средней части расположена амбулатория с изолятором. Кормовая часть занята каютами и лабораториями. Работы с опускаемой подводной аппаратурой и другой техникой обеспечиваются колодцем, выходящим в крытое помещение в кормовой части верхней палубы. На крыше помещения предусмотрен люк для работы судового крана с крупногабаритным оборудованием.
Нижняя палуба отведена под спортивно-оздоровительный комплекс и помещения для вспомогательных механизмов и устройств судового назначения.
Спортивно-оздоровительный комплекс включает тренажерный зал, плавательный бассейн длиной 12,5 м с двумя дорожками и сауну с душем и контрастным бассейном.
Члены экспедиции размещены в одноместных каютах с санузлом. Начальник экспедиции и капитан имеют блок-каюты, включающие кабинет, салон, спальню и санузел с ванной. Во всех одноместных каютах должно быть предусмотрено резервное спальное место.
Количество и возможная площадь лабораторий определены на основании анализа опыта работы дрейфующих станций «Северный Полюс».
Выше было сказано, что определение главных размеров и компоновка общего расположения платформы осуществлялась с учетом условий обеспечения наиболее широкого спектра исследовательских работ, качества исследований и обработки их результатов, а также максимально достижимых на судне в условиях долговременного полярного дрейфа комфортных условий проведения научных работ и проживания членов экспедиции. Новые возможности, которые появятся при вводе в эксплуатацию долговременных плавучих инженерных сооружений, позволят не только расширить программы исследований, но и усовершенствовать традиционные направления за счет применения более современных технологий и средств обработки результатов исследований (Гудошников и др., 2008).
На платформе предполагается размещение одиннадцати штатных лабораторий: метеосиноптической, аэрологической, атмосферной, двух ледоисследовательских, одна из которых «холодная», двух океанографических, одна из которых «мокрая», гидрохимической, гидрографической, геофизической и экологической (биологической). Площадь каждой лаборатории составляет не менее 15 м2. Общая площадь лабораторных помещений на платформе будет около 180 м2. Наличие на платформе стационарных, хорошо оборудованных лабораторий позволит проводить новые виды исследований в различных областях полярной науки.
Работы на дрейфующей платформе дадут возможность выполнять широкий спектр океанологических исследований, связанных с возможностью использования глубоководных спускаемых обитаемых и необитаемых аппаратов.
Перспективы использования станций нового поколения для развития геолого-геофизических работ определяются уникальным геологическим и геофизическим материалом, который может быть получен для оценки углеводородного потенциала арктических бассейнов и для целей геологического картирования. Ранее проведенные попутные геолого-геофизические работы со льда на полярных дрейфующих станциях «СП» были использованы, в том числе, для обоснования положения внешней границы континентального шельфа России.
Конструктивные особенности платформы позволят существенно расширить объем геофизических работ. В частности, появится возможность установить приемную станцию наклонного зондирования ионосферы (современный цифровой ионозонд нового поколения с линейно-частотной модуляцией, ЛЧМ комплекс), предназначенную для оперативной диагностики условий распространения КВ радиоволн внутри северной полярной шапки. Определение диапазона рабочих частот для КВ радиосвязи представляется крайне необходимым для обеспечения безопасности авиационных полетов через Северный полюс, а также для других потребителей, которые используют радиосвязь в КВ диапазоне радиоволн.
Также дрейфующие станции нового поколения перспективны для развития воздушного транспорта, тем более, что Российская Федерация с мая 1995 г. проводит работу по внедрению полярных маршрутов, проходящих из Северной Америки в Юго-Восточную Азию через территорию Российской Федерации. Координация и взаимодействие авиационных администраций по открытию полярных трасс осуществлялась российско-американской координационной группой по управлению воздушным движением (УВД), в работе которой, кроме России и США, принимали участие Япония, Канада, КНДР, Китай, Монголия, Республика Корея, Международная организация гражданской авиации (International Civil Aviation Organization, ICAO), Международная ассоциация воздушного транспорта (International Air Transport Association, IATA), а также заинтересованные авиакомпании.
Правительственная комиссия по транспортной политике одобрила работу Минтранса России по созданию системы кроссполярных воздушных трасс и обеспечению регулярных полетов, удовлетворяющих потребности перевозчиков (протокол от 20 июля 2001 г. № 4).
Однако развитие экономики России и сопровождающие его процессы по совершенствованию межрегиональных связей требуют кардинально нового подхода к развитию транспортного обеспечения северных регионов и производительных сил Севера (особенно в высокоширотных и полярных регионах).
Исходя из того, что воздушный транспорт и его развивающаяся инфраструктура являются наиболее мобильными средствами для достижения вышеуказанных целей, полномасштабное его использование будет способствовать эффективному экономическому росту полярных регионов при условии скоординированных действий субъектов федерации. Эти скоординированные действия целесообразно направить на следующие мероприятия:
• развитие всех видов системы авиационного обеспечения (особенно – метеорологического), организации исследовательских работ с применением полярных станций, для обеспечения полетов в нижнем воздушном пространстве (неконтролируемом воздушном пространстве);
• создание (развитие) системы аэронавигационного обеспечения воздушных судов, обеспечивающих их проводку по Северному морскому пути, разработку нефтяных шельфов и геологоразведывательных работ.
Использование стальных водоизмещающих сооружений в качестве базы долговременных научных обсерваторий позволит не только расширить объем климатических, геологических, геофизических и других традиционных для дрейфующих станций исследований, но и дополнить этот перечень принципиально новыми видами работ. В частности, на дрейфующей платформе возможно выполнение прикладных инженерных исследований, а именно, поднять на новый уровень исследования в области механики и деформации льда при его воздействии на промышленные объекты, предназначенные для освоения шельфов арктических и замерзающих морей России. Могут выполняться не проводившиеся ранее исследования прочностных свойств морского льда совместно с исследованиями глобальных и локальных ледовых нагрузок с целью совершенствования методов расчета локальных и глобальных ледовых нагрузок на суда и другие инженерные сооружения. При этом именно стальной корпус платформы, оборудованный необходимым количеством датчиков и аппаратуры, будет служить уникальным измерительным инструментом (Гудошников и др., 2009).
В настоящее время общепринято разделение ледовой нагрузки на локальную и глобальную. Однако в нормативной документации, как в отечественной, так и в зарубежной, не приводятся определения этих физических величин, поэтому авторы предлагают следующие формулировки.
Глобальная ледовая нагрузка – физическая векторная величина, характеризуемая абсолютной величиной, направлением и точкой приложения суммарной силы, оказываемой льдом на инженерное сооружение. Глобальная нагрузка является расчетной при рассмотрении вопросов общей прочности сооружения, его устойчивости на грунте, удержания сооружения в точке бурения.
Локальная ледовая нагрузка – оказываемое льдом нормальное к поверхности инженерного сооружения давление, распределенное по пятну контакта, расположенному в определенном районе инженерного сооружения. Локальная нагрузка является расчетной при оценке местной прочности корпуса сооружения.
Глобальные ледовые нагрузки могут быть ограничены либо природными движущими силами, включая собственную энергию движущихся ледяных образований, либо несущей способностью ледяных образований. Природная движущая сила может определяться как суммарная сила от воздействия течения, ветра, а также от взаимодействия с окружающим льдом. При этом силы могут действовать как в одном, так и в различных направлениях. Под собственной энергией ледяного образования подразумевается кинетическая энергия его движения. При взаимодействии ледяного образования с ледостойким сооружением возможны различные виды разрушения ледяного образования.
Локальная ледовая нагрузка характеризуется размерами пятна контакта и законом распределения давления внутри зоны контакта. В настоящее время известны более десятка различных законов распределения ледовой нагрузки, предложенных специалистами разных стран. Знание закона распределения нагрузки имеет принципиальное значение при ее расчете.
Локальные ледовые нагрузки, возникающие в процессе дрейфа, могут быть определены с помощью оборудования стального корпуса платформы тензодатчиками. Непрерывные тензометрические измерения имеют не только важное научное значение, но и позволят контролировать состояние корпуса в процессе эксплуатации. Глобальные ледовые нагрузки определяются с помощью шестикомпонентных датчиков, включающих акселерометры и гироскопы. Измерения нагрузок особо актуальны во время ледовых сжатий, когда дрейфующая платформа испытывает наибольшее ледовое воздействие. При этом исследования нагрузок дополняются исследованиями прочностных свойств натурного льда, действующего на платформу.
Наиболее информативными испытаниями прочности льда являются крупномасштабные испытания, при которых нагружается вся толща ледяного покрова. Для определения прочности льда при изгибе крупномасштабными являются традиционные испытания консолей на плаву. Крупномасштабные испытания прочности льда при сжатии не являются общепринятыми, ввиду их большой трудоемкости и сложности экспериментального оборудования. Однако выполнение крупномасштабных испытаний является весьма важным, поскольку совместно с традиционными испытаниями малых образцов это позволяет установить взаимосвязь между прочностью образцов льда (основной объем данных о прочности льда при сжатии получен именно по результатам таких испытаний) и прочностью всей толщи ледяного покрова, которая, в рамках существующих подходов к расчетам ледовых нагрузок, и должна, по-видимому, подставляться в расчетные формулы.
В настоящее время в ААНИИ разработано оборудование для определения крупномасштабной прочности льда при сжатии (Лихоманов, Крупина, 2007). Его использование в натурных условиях показало его работоспособность и эффективность. Существуют две модификации оборудования: для определения крупномасштабной прочности при сжатии и для определения нагрузок при внедрении цилиндрического индентора (рис. 3–5).
Рис. 3. Силовой блок для крупномасштабных испытаний прочности льда при сжатии (слева) и испытаний по внедрению цилиндрического индентера (справа)
Рис. 4. Вид сверху на размещенный в майне силовой блок (слева) и лед в месте воздействия нагрузочной плиты во время испытания прочности льда при крупномасштабном сжатии (справа)
Рис. 5. Вид сверху на размещенный в майне силовой блок (слева) и лед в месте воздействия индентера во время испытания (справа)
Ввиду того, что существующее оборудование для крупномасштабных испытаний разрабатывалось для использования в краткосрочных экспедициях, оно было спроектировано максимально мобильным, что повело за собой ограничения в использовании: оно может применяться только на ровном льду толщиной не более 70 см и создавать усилие не более 70 т. Для долговременных дрейфующих обсерваторий оборудование должно быть усовершенствовано. Оно может быть менее мобильным, но более мощным и пригодным к использованию на существенно больших толщинах льда.
Совместно с проведением и по результатам испытаний ледовых нагрузок и прочностных свойств льда могут быть разработаны и апробированы системы мониторинга ледовых нагрузок на промышленные объекты и системы мониторинга состояния этих объектов с целью повышения уровня безопасности их эксплуатации.
С целью выработки требований к оптимальным параметрам инженерного сооружения для обеспечения заданной автономности, грузо– и пассажировместимости, возможности проведения широкого спектра научных исследований проанализированы логистические и финансовые затраты на организацию 37 советских и российских станций дрейфующих станций «СП».
В результате выполненного анализа проработаны и проанализированы технико-экономические показатели трех вариантов плавучих инженерных сооружений для долговременного базирования научно-исследовательских обсерваторий типа станций «Северный Полюс»: Наиболее перспективным представляется вариант самоходной водоизмещающей платформы с упрощенными формами и высокой ледовой прочностью корпуса, способной автономно дрейфовать в высоких широтах СЛО не менее двух лет и самостоятельно (своим ходом) возвращаться из точки окончания дрейфа в точку начала следующего дрейфа по чистой воде (способностью самостоятельного движения во льдах платформа не обладает).
К числу факторов, повышающих экономический эффект использования платформы и не имеющих в настоящее время количественного выражения, следует отнести:
– возможность существенного расширения круга научных исследований;
– использование нового оборудования, которое по своим техническим параметрам не может быть использовано в условиях дрейфующей льдины;
– качество и скорость обработки результатов наблюдений;
– условия работы и жизни полярников.
Ю.П. Гудошников, Г.К. Зубакин, А.В. Чернов. Вопросы обеспечения безопасности морских инженерных сооружений от айсбергов. //«Морская Биржа», № 3 (25), 2008. С. 70–73.
Ю.П. Гудошников, В.А. Лихоманов, А.В. Чернов, Н.А.Крупина. Натурные исследования ледовых нагрузок. // «Oil&Gas Journal Russia», № 6 (30), 2009. С. 28–34.
В.А. Лихоманов, Н.А. Крупина. Инженерные аспекты в задачах оценки воздействия льда на суда и другие сооружения. //«Морская Биржа», № 2 (20), 2007. С. 66–68.
Правила классификации и постройки морских судов. Российский морской регистр судоходства. СПб.: 2010. Том 1. 480 с.
Abstract
The feasibility study for design and construction of floating engineering structures for long-term location of research observatories similar the North Pole was carried out based on analysis of organization and work results of drifting stations North Pole. Main dimensions and displacements that are necessary and sufficient for life support and successful research activity of 3 variants of such structures were defined at the beginning stage of designing after detailed analysis. The variants of the general arrangement of living areas and staff rooms that give optimal conditions for scientists’ life and work were proposed. New prospective lines of investigation which possibility are provided by design features of a self-propelled floating platform were considered.