Гиперболоид Арктического НИИ: режет лед и металл!
В Архангельской области пройдут испытания судового лазера
Ранее все исследования проводились в лабораторных условиях. Лазерная установка мощностью 30 кВт разработана по федеральной целевой программе «Гражданское судостроение» для ледоколов в Национальном центре лазерных систем и комплексов «Астрофизика» совместно с учеными Арктического и антарктического НИИ Санкт-Петербурга.
Испытания стартуют в ноябре
Конечной задачей проекта является создание судового лазера на 200 кВт, который предполагается использовать для проводок ледовых караванов по трассе Северного морского пути. По словам разработчиков, такая установка позволит открыть круглогодичную навигацию в высоких широтах для ледоколов среднего уровня, которые в обычном режиме работают только 3 месяца в году. С применением мощного лазера 4-метровые льды перестанут быть помехой при морской транспортировке грузов в Заполярье. Арктические проводники смогут обеспечить движение караванов судов в бескрайних ледовых полях со скоростью 2–3 узла в час.
К настоящему моменту смоделировано оборудование мощностью 30 кВт, эффективность действия которого пока подтверждена только лабораторно.
– Мы достаточно быстро разрезаем метровую толщу льда с расстояния 6 м на испытательном стенде, – поделился заместитель начальника СКБ двойных технологий центра «Астрофизика» Юрий Сорокин. – Теперь предстоит проверка оборудования в реальных условиях.
Возможности опытной установки по резке льда в условиях Арктики оценят зимой этого года в ходе испытаний на ледоколе «Диксон» в Белом море и устье Северной Двины. Соглашение об их проведении будет подписано между разработчиками судового лазера из российского холдинга «Швабе» и правительством Архангельской области.
При выборе места испытаний большую роль сыграл человеческий фактор, подчеркнул ведущий научный сотрудник Всероссийского НИИ по проблемам ГО и ЧС Сергей Нехорошев:
– Я хорошо знаком с председателем правительства региона Алексеем Алсуфьевым и коллективом архангельских спасателей, с которыми наш институт постоянно сотрудничает по многим другим направлениям. Ни в одном другом российском субъекте не занимаются так серьезно подготовкой к ледоходу и паводку.
В ходе визита делегации конструкторов на ледокол были согласованы все технические характеристики установки лазерного комплекса: обозначено место расположения, крепления, требуемая мощность и точки подключения. Ледокольные проводки от приемного буя до порта Архангельск начинаются с середины ноября. В этот период лазер будет испытан в разных режимах и средах: в речной пресноводной и соленой морской. Группа испытателей из 10 ученых разделится по направлениям. Два человека – оператор и механик установки – будут вести работу непосредственно на ледоколе «Диксон».
Класс судна повысится
Лазерная установка позволяет повысить проходимость ледоколов и минимизировать риски.
– Лазер надрезает лед по линиям наивысшего напряжения, чтобы обеспечить более быстрое продвижение ледокола, – рассказал Юрий Сорокин. – Использование установки повышает ледовый класс судна.
Эффективнее всего оборудование работает с расстояния 10 метров, сокращение которого может привести к обмерзанию корпуса лазерной головки, поскольку при резке льда происходит интенсивный выброс пара.
Новая технология будет востребована и при освоении российского северного шельфа. Лазер помогает обеспечить безопасную эксплуатацию нефтегазовых платформ. Сегодня, для того чтобы вызволить сложное техническое сооружение из ледового плена, приходится вызывать на помощь ледокол.
– Это повышение безопасности эксплуатации и достаточно большая экономия, – отметил Сергей Нехорошев. – Дополнительных затрат по энергии практически никаких (на нефтегазовой платформе используется собственное сырье), плюс не надо задействовать ледокол.
Универсально и безопасно!
Лазерный комплекс может использоваться в разных режимах. Например, позволяет срезать ледовые наслоения при обледенении мостовых и других инженерных сооружений, бортов судна.
В ходе испытаний предстоит выявить эффективный и в то же время безопасный режим работы лазера при взаимодействии со строительными сооружениями и корпусом корабля. Ведь установка, по словам разработчиков, способна резать не только лед, но и металл, а также разрушать камни.
– Прежде всего это подбор режима, – подчеркнул Юрий Сорокин. – При определенной плотности и мощности за счет фокусировки и аккуратной работы луч быстро разрушит лед, минимально воздействуя на металл.
Возможности установки можно регулировать сменой фокусирующих головок, используя одни для разрезания ледовых полей, другие – для срезания в ручном режиме льда с борта судна или платформы. Лазерное излучение передается по оптико-волоконному кабелю, что позволяет вынести оптическую головку на большие расстояния. Варианты применения – это вопрос инженерного решения той или иной проблемы, считают разработчики.
Технология многоплановая, и ее можно модифицировать для конкретных нужд любого региона. Сейчас уже есть установка для дистанционной лазерной резки металлоконструкций при пожарах на нефтегазовых скважинах. В течение нескольких часов срезается все техническое сооружение.
– У нас тоже есть что порезать на побережье, – с улыбкой поделился руководитель агентства государственной противопожарной службы и гражданской защиты Александр Уваров. – Если лазером это быстрее, чем газосваркой, то мы обязательно предоставим возможность попробовать.
Утилизировать и вывезти крупногабаритные конструкции старых брошенных судов в короткий период арктической навигации и при большой удаленности от промышленных центров довольно сложно. Между тем очистка Арктики от техногенного мусора – одна из приоритетных задач государства.
Архангельские спасатели рассматривают также возможность испытаний лазера в период подготовки к ледоходу весной следующего года. В рамках противопаводковых мероприятий, чтобы уйти от взрывных работ, специалисты уже используют для резки льда термобарические установки.
– Новые технологии расширяют наши возможности. И если мы проведем какую-то часть испытаний с лазером этой зимой, то это будет ощутимый шаг вперед для нас и для разработчиков, – подчеркнул Александр Уваров. – При помощи термобарических установок мы уже добиваемся ослабления льда на Северной Двине – на участке от Великого Устюга до Котласа, чтобы ничто не препятствовало в период весеннего паводка поднятию и движению ледовых полей.
Разрезание льда идет струей температурно-активированной воды. За пять лет испытаний архангельские спасатели подобрали необходимые насадки, которые позволяют минимизировать последствия стихии, освобождать ото льда опоры мостов.
Но и это оборудование позволяет не все. Ослаблять лед на больших участках затратно по времени, ресурсам и силам. КамАЗ с оборудованием может подъехать далеко не везде. А длина шланга высокого давления позволяет двигаться по льду и вести резку на расстоянии всего два километра.
– Было бы здорово, если бы удалось решить эту проблему с помощью новых технологий, – отметил Александр Уваров. – Предполагаем, что лазер можно установить на воздушную подушку и резать лед параллельно курсу ее движения. Удобно и очень эффективно.
В деталях
Старое правило безотказно действует в каждом начинании. Первый вопрос: насколько мобилен лазерный комплекс – пока остается без ответа.
Общий вес 30-киловаттной установки (без энергетики) – около 3,5 тонны. Разместить ее на ледокол не проблема. А вот воздушная подушка столько не увезет. Оптимальный груз для нее – 700–800 кг.
– На вездеходе весом 10 тонн с дополнительным оборудованием в 3,5 тонны на середину реки не выехать, – заметил начальник Центра обеспечения мероприятий гражданской защиты Михаил Дерягин. – Надо размещаться на берегу.
И здесь возникает следующий вопрос – на какое расстояние можно передать энергию по оптико-волоконной линии. Разработчики больше 200 м даже не рассматривали. На судне это ни к чему. Спасателям же нужен рукав длиной как минимум 500 м – в ширину реки.
– На такую дальность надо разрабатывать атмосферный канал типа гиперболоида, – поделился новой идеей Юрий Сорокин. – Потребуется достаточно большая фокусирующая головка. Это можно сделать, но возникнет ряд других проблем, связанных с эксплуатацией металлооптики при низких температурах.
Получается, что использовать универсальные транспортные средства, которые могут двигаться по твердой и жидкой поверхности, все-таки проще. В решении этой задачи открывается перспектива для разработчиков специализированного транспорта. Проблема многоотраслевая, решение находится на стыке многих технологий.
Горячий лед
Есть и еще одна дилемма, на которую указали конструкторам, – перепады погоды. По мнению Михаила Дерягина, горячая вода, которая образуется при лазерной резке и под лучом будет просто кипеть, – это плохо. Место разреза в этом случае смерзается быстрее и сильнее и становится прочнее, чем остальной лед. А скачки температуры в марте составляют от +5 днем до –20 градусов ночью.
– У речного льда есть свои особенности, – поделился наблюдениями Александр Уваров. – Как правило, он многослойный и разный по структуре: где-то кристаллический, где-то – со снегом. Его формирование зависит от температур и уровней льдообразования.
Процесс взаимодействия с водой у каждого слоя свой. Например, снежные массы смерзаются быстрее чистого льда.
Чтобы разгадать загадки природной физики и подобрать необходимый режим работы лазера, потребуется не одна серия испытаний. Технический прогресс способствует развитию приполярного судоходства. При этом важно, чтобы внедрение новинок и разработок для Арктики обеспечивало не только эффективность, но и безопасность движения по трассе Северного морского пути.
ИД «Двина»
