Способ разрушения ледяного покрова

Изобретение относится к технологиям разрушения ледяного покрова для вскрытия прохода через ледовое поле к судовому оборудованию для судов ледокольного класса. Способ разрушения ледяного покрова основан на использовании для фокусировки лазерного излучения, поделенного на N кольцевых зон, фокусировку N кольцевых зон излучения осуществляют с отдельными сферическими фокусами F_N, отличающимися на длину перетяжки (удвоенная длина Рэлея) L лазерного излучения в фокусах F_N, расположенными последовательно друг за другом на одной оси фокусировки на глубину раскалывания ледяного покрова Т. Технический результат заключается в сокращении состава оборудования, в повышении плотности распределения энергии лазерного излучения вдоль линии облучения ледяного покрова на глубину раскалывания ледяного покрова, в повышении скорости раскалывания ледяного покрова, в снижении ледовой нагрузки на корпус судна, в расширении возможностей применения способа на судах ледокольного класса. 4 ил.

 

Изобретение относится к способам разрушения ледяного покрова для вскрытия прохода через ледовое поле, к судовому оборудованию, к ледоколу и инженерным сооружениям к ледоколу для осуществления способа.

Известны способы разрушения ледяного покрова с помощью устройств по патентам №RU 2245275, В63В 35/08, и RU 2245275, В63В 35/08, в них используется лазерная установка, расположенная на судне с воздушной подушкой для создания светогидравлического удара на лед и разрушения его резонансным методом.

Недостатком является применение только для судна на воздушной подушке и необходимость создания изгибно-гравитационной волны.

Известен также метод разрушения льда [Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат.- 1983. - 232 с], где для разрушения льда возможно применение лазера, энергия передается в подледный слой для использования резонансного метода.

Недостатком является ограниченное применение в тонком слое льда при наличии резонансной волны.

Известно использование лазерного излучения для раскалывания льда на поверхностях самолетов - патент США №4900891, НКИ 219/121.6, 1990 г., и патент США №5823474, НКИ 244/134 Е, 1998 г. В известных патентах - США №6206325, НКИ 244/134Е, 2001 г., и Канады №2222881, МКИ H02G 7/16, 1998 г., с этой целью используют лазерное излучение с длиной волны в диапазоне 10-11 мкм, соответствующем области поглощения излучения льдом, и происходит скалывание льда.

Недостатком является использование на самолетных поверхностях и локальное действие на тонкие слои, что не позволяет проводить разрушение льда на больших массивах.

Известен способ разрушения ледяного покрова по патенту №KR 10-2009-0094924 А «1СЕ BREAKER WITH A HIGH POWER LASER», номер публикации KR20090094924 (А) от 2009-09-09 В63В 35/08; В63В 35/00, в котором разрушение льда проводится лазером высокой мощности, расположенным на носу ледокола и дробящим лед, делая трещины во льду и уменьшая воздействие на носовую часть.

Недостаток известного технического решения состоит в том, что с его помощью невозможно обеспечивать ледоколом широкие каналы для проводки крупногабаритных судов, затраты значительного времени на дробление льда и невозможности разрушать толстые массивные ледяные поля, торосы.

Известен «Способ разрушения ледяного покрова» по патенту №2463200 RU от 15.04.2011 г., в котором используется облучение ледяного покрова мощным лазерным излучением по линиям концентрации напряжения, создаваемым ледоколом, наезжающим на целое ледяное поле. Недостаток известного технического решения состоит в том, что необходима лазерная установка большой мощности обеспечивающей испарение льда на глубину раскалывания ледяного покрова, снижение линейной плотности распределения энергии лазерного излучения вдоль линии сканирования при движении.

Известен "Способ разрушения ледяного покрова" по патенту №2553516 RU от 11.06.2013, в котором используются лазерные установки, фокусирующие устройства которых ориентированы на ледяной покров вниз, линейную плотность распределения энергии лазерного излучения вдоль линии облучения ледяного покрова регулируют скоростью движения судна, воздействуют лазерным излучением на кромку ледяного покрова и по мере движения судна испаряют лед по линиям, параллельным направлению движения ледокола на глубину раскалывания.

Недостатком данного способа разрушения ледяного покрова является использование лазерных установок большой мощности обеспечивающих высокий уровень излучения для испарения льда на глубину раскалывания ледяного покрова, что приводит к необходимости иметь на борту ледокола дополнительных источников энергопитания лазерных установок, необходимость регулировки плотности распределения энергии лазерного излучения скоростью судна снижающего скорость разрушения льда и ограничивает возможности применения способа на других судах ледового класса.

Раскрытие изобретения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение скорости разрушения ледового покрытия на глубину раскалывания ледового покрытия, увеличение скорости движения ледокола, расширение диапазона возможного применения способа на судах ледового класса.

Данная цель достигается путем последовательной фокусировкой кольцевых зон излучения обеспечивающей распределение плотности мощности излучения вдоль направления по глубине раскалывания ледового покрова.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что перед фокусировкой лазерного излучения производят деление лазерного излучения с сечением площадью S на N кольцевых зон, фокусировку N кольцевых зон излучения осуществляют с отдельными сферическими фокусами F_N, отличающимися на длину перетяжки (удвоенная длина Рэлея) L лазерного излучения в фокусах Fn, расположенными последовательно друг за другом на одной оси фокусировки на глубину раскалывания ледяного покрова Т;

где N=T/L; F_N=F₁-L × (N-1); где F₁ - фокус центральной зоны излучения, F_N -фокус N кольцевой зоны; L=2 R - длина перетяжки сфокусированного излучения; R - длина Рэлея.

Технический результат заключается в сокращении состава оборудования, необходимых для реализации способа, в повышении плотности распределения энергии лазерного излучения вдоль линии облучения ледяного покрова на глубину раскалывания ледяного покрова, в повышении скорости раскалывания ледяного покрова, в снижении ледовой нагрузки на корпус судна, в расширении возможностей применения способа на судах ледокольного класса.

Осуществление изобретения

Основу применения лазерного излучения для разрушения льда составляет механизм теплового поглощения лазерного излучения в диапазоне спектра поглощения льда (Богородский В.В., Таврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат, 1983). При фокусировании излучения с плотностью 15-20 кВт/см² происходит плавление льда и при дальнейшем повышении плотности мощности более 100 кВт/см² испарение льда, осуществляется мгновенный фазовый переход лед-вода-пар. Скорость испарения достигает значения 1 мм в 0,01 с. ("Воздействие излучения СО₂ - лазера на крупные капли ортофосфорной кислоты, воды и ледяные кристаллы сферической формы", ж. Квантовая Электроника, 1994, Т. 21, №2, С. 137-141, В.К. Рудаш).

Сканирование лучом лазера льда приводит к разрезанию толстых плит ледяного поля. Известно (3. Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. П.: Гидрометеоиздат, 1967, 216 с), что увеличение давления на ледяную пластину приводит к увеличению амплитуды прогиба пластины, образуются линии концентрации напряжений, а изменение температуры и толщины льда приводит к предельным прогибам и к ломке льда по этой линии. Толщина и скорость разрезаемого льда определяется линейной плотностью распределения энергии излучения (плотности мощности) вдоль линии движения луча лазера по облучаемой поверхности льда и нелинейно связана с характеристиками фокусирующей системы лазера и расходимостью лазерного излучения. Величина линейной плотности распределения энергии линейно зависит от мощности лазера и обратно пропорциональна скорости перемещения лазерного луча по облучаемой поверхности.

Фокусировка лазерного излучения зависит от расходимости излучения и технических характеристик фокусирующей системы (Материалы Международной научно-технической конференции "INTERMATIC-2013" 2-6 декабря 2013 г. Москва, МИРЭА, "Элементы волоконного лазера на фотонных кристаллах" Ю.В.Сорокин).

Необходимая плотность мощности лазерного излучения формируется в перетяжке фокуса и на длине перетяжки (2 длины Рэлея) образует канал интенсивного испарения льда, при 30 кВт мощности лазерного излучения и диаметре фокуса 0.2 мм плотность мощности излучения в канале достигает величин более 10 МВт/ см², с высокой скоростью удаления материала.

Известно, что плотность мощности в сечении излучения зависит от расходимости после фокуса и обычно быстро падает за границами длины Рэлея, что приводит к соответственно резкому снижению скорости разрушения льда.

При известной глубине раскалывания ледового поля Т, известном числе М лазерного излучения определяют длину перетяжки L и число необходимых кольцевых зон. При М²=1-1.5, длине фокуса примерно 20 м, длина перетяжки может быть порядка 20 см, тогда для Т=1 м, необходимо иметь Т/1=5 кольцевых зон с фокусами 20 м; 20.2 м; 20.4 м; 20.6 м; 20.8 м. Скорость разрушения увеличивается более чем в 5 раз по сравнению с одной перетяжкой. Таким образом получим суммарную длину перетяжки 1 м соответствующую глубине раскалывания ледового поля, что приводит к равномерному распределению плотности мощности вдоль оси излучения в канале длин Рэлея последовательного ряда фокусов. В результате достигается резкое увеличение скорости испарения материала в канале и увеличение скорости хода ледокола.

В предлагаемом способе производится деление сечения излучения на кольцевые зоны, на рис. 1 приведена схема разбиения сечения излучения на кольцевые зоны.

Таким образом формируется суммарная длина перетяжки обеспечивающая необходимую длину с плотностью излучения обеспечивающей высокую скорость разрушения льда.

Схема образования перетяжки приведена на рис. 2 (статья " Выбор параметров лазера для качественной резки" на сайте https://ummach.ru/articles/laser-parameters/)

Радиус Wo в перетяжке (точном фокусе) в соответствии с формулой:

BPP=W₀Θ₀=(λ/π)M²;

В этом соотношении W₀ - радиус перетяжки; ©о - угол расходимости в дальней зоне; λ - длина волны лазерного излучения; М² - безразмерный параметр, определяющий для реального пучка и идеального гауссова пучка моды ТЕМ_оо различие произведений диаметра перетяжки и угловой расходимости, для идеального гауссова пучка М²=1, а для реального М²>1. Для оценки качества пучков лазеров используются такие параметры, как Beam Parameter Product (ВРР), определяющийся как произведение радиуса пучка в плоскости перетяжки на его угловую расходимость в дальнем поле и М («Инженерный подход к расчетуфокусирующей системы волоконного лазера», Политехнический молодежный журнал. 2018, №6, МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва).

Глубину фокуса или длину, на которой диаметр пучка меняется в раз, характеризуют рэлеевской длиной Z_R (см. рис. 2):

Z_R=W₀²/BPP;

Длина перетяжки равна удвоенной величине L=2Z_R. Известно, что эффективная резка

материалов определяется длиной перетяжки.

Для создания увеличенной длины перетяжки используется последовательное суммирование перетяжек фокусов кольцевых зон. Структура перетяжек приведена на рис. 3. Кольцевые зоны образуются на поверхности зеркал металлоптики за счет изменения кривизны поверхности на кольцевых зонах или на основе кварцевой оптики за счет также изменения кривизны кольцевых зон поверхности линз.

Техническая реализация способа разрушения ледовых полей иллюстрируется рисунком 4. Лазерное излучение в соответствии с фокусировкой кольцевых зон проникает внутрь ледового поля на глубину раскалывания и обеспечивает быстрое разрушение ледового поля. В зависимости от ледовой обстановки производят сканирование границ напряжений или производят параллельную резку вдоль бортов ледокола.

Предложенный способ разрушения ледяного покрова имеет большое народнохозяйственное и оборонное значение. Технический результат реализации изобретения заключается в обеспечении безопасной проводки крупногабаритных судов, повышении ледопроходимости ледокола, создании широких каналов в ледовых полях и повышении скорости проводки судов.

На Северном морском пути продление навигации позволит обеспечить перевозку грузов практически из всех северных портов. Становится возможным обеспечить проводку любых судов через ледовые поля любой толщины вне зависимости от мощности ледокола. Инженерные сооружения и разработки арктических шельфовых месторождений становятся работоспособными в течение всего года. Становится возможным обеспечить создание транспортной инфраструктуры в Арктике, независимой от погодных условий.

Литература

1. Богородский В.В., Таврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат.- 1983. - 232 с.

2. Рудаш В.К."Воздействие излучения СО₂-лазера на крупные капли ортофосфорной кислоты, воды и ледяные кристаллы сферической формы"..Ж. Квантовая Электроника, 1994, том 21, №2, с. 137-141.

3. Хейсин Д.В. Динамика ледяного покрова. П.: Гидрометеоиздат, 1967, 216 с.

4..Вагин Д.В «Инженерный подход к расчету фокусирующей системы волоконного лазера», Политехнический молодежный журнал. 2018, №6, МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва.

5. сайт https://ummach.ru/articles/laser-parameters, статья " Выбор параметров лазера для качественной резки".

6..Сорокин Ю.В. "Элементы волоконного лазера на фотонных кристаллах" Материалы Международной научно-технической конференции "INTERMATIC-2013" 2-6 декабря 2013 г. Москва, МИРЭА.

Способ разрушения ледяного покрова, основанный на расположении на ледоколе лазерных установок, нагружении ледоколом, фокусировке лазерного излучения на ледяном покрове, испарении сфокусированным лазерным излучением льда на глубину, определяемую раскалыванием ледяного покрова, отличающийся тем, что перед фокусировкой лазерного излучения производят деление лазерного излучения с сечением площадью S на N кольцевых зон, фокусировку N кольцевых зон излучения осуществляют с отдельными сферическими фокусами F_N, отличающимися на длину перетяжки (удвоенная длина Рэлея) L лазерного излучения в фокусах F_N, расположенными друг за другом на одной оси фокусировки на глубину раскалывания ледяного покрова Т, где

N=T/L; F_N=F₁-Lx(N-1);

где N - число кольцевых зон;

Т - глубина раскалывания ледяного покрова (м);

F_N - фокус N кольцевой зоны (м);

F₁ - фокус первой центральной зоны излучения (м);

L=2R - длина перетяжки сфокусированного излучения (м);

R - длина Рэлея (м).