Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Системное освоение ресурсного потенциала арктического шельфа и развитие транспортной инфраструктуры СМП становятся для России главными составляющими государственной политики. Наиболее универсальным средством продления навигации является ледокольный флот. За более чем полутора вековую историю его развития накоплен значительный опыт проектирования ледоколов. В этих процессах важную роль играли теоретические и экспериментальные исследования ледовой ходкости. Тем не менее, анализ точности методов прогнозирования ледопроходимости показывает, что развитие физического моделирования и математического описания взаимодействия судов со льдом зашло в тупик. 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 судов ледового плавания. Проект посвящен разработке экспериментально-теоретических методов прогнозирования ледовой ходкости, позволяющих учитывать форму корпуса ледокола при взаимодействии со льдом. Основное внимание уделено обоснованию теории и разработке практических методов прогнозирования ходкости ледоколов; комплексным исследованиям процессов разрушения композитного льда различных конструкций по разным схемам нагружения; проектированию и изготовлению оборудования для модернизации ледового опытового бассейна. В ходе выполнения проекта получены научно значимые результаты. Выполнено теоретическое обоснование структуры расчетных моделей ледового сопротивления при движении ледокола в сплошном льду. Описана физическая картина взаимодействия корпуса судна со льдом. Выполнен обоснованный подбор полуэмпирических моделей расчета ледового сопротивления, наиболее полно учитывающих геометрические характеристики судна и физико-механические характеристики льда. Для анализа выбраны наиболее полно разработанные методы расчета ледового сопротивления при движении судов в сплошном льду. Для создания полуэмпирической модели сопротивления при движении в сплошных льдах подобраны методы для построения полуэмпирических моделей расчета ледового сопротивления. Сопротивление движению судна в ровном сплошном льду обусловлено затратами энергии на: ломку ледяного покрова; локальное разрушение кромки льда в местах контакта с корпусом судна; поворачивание, притапливание и раздвигание обломков льда; сопротивление снега; трение льда о корпус судна. Для удобства теоретических и экспериментальных исследований чистое ледовое сопротивление представлено из трех взаимонезависимых частей: сопротивление разрушению целого льда; сопротивление обломков льда; сопротивление снега. Действие отдельных составляющих ледового сопротивления основано на рассмотрении картины движения ледокола в сплошном льду и специальных модельных исследованиях. Математическая модель сопротивления построена с учетом энергетического подхода к разрушению льда. При построении теоретической модели сопротивления использовались математические модели, упрощающие физическую реальность. Представлен полуэмпирический способ расчета чистого ледового сопротивления с учетом физико-механической картины разрушения ледяного покрова судами и теоретико-экспериментальных исследований. Для настройки полуэмпирических моделей на экспериментальные данные сопротивления спроектированы и изготовлены модели судов ледового плавания в различных масштабах. Для этого проанализированы различные формы корпуса существующих проектов речных и морских ледоколов и выбраны пять проектов судов: ледокол проекта 16 мощностью 1320 кВт; рейдовый ледокол (буксир-толкач) проекта Р47 мощностью 442 кВт; ледокол проекта 1105 мощностью 4650 кВт; мелкосидящий ледокол проекта 1191 мощностью 4815 кВт; морской ле-докол проекта 21900 «Москва». В ходе эксперимента необходимо контролировать физико-механические характеристики модельного льда. Для этого выполнено проектирование, изготовление и наладка лабораторного оборудования для их измерения. Для определения характеристик льда необходимы специальные устройства и приспособления, которые не производятся промышленностью. Поэтому лабораторное оборудование для определения основных физическо-механических характеристик спроектировано, изготовлено и произведена его наладка. Это позволит оценить достоверность моделирования и произвести вычисления при пересчете данных опытов на натуру. Экспериментальные исследования в опытовых бассейнах моделей судов являются актуальными на сегодняшний день, поскольку проведение натурных испытаний является сложным и дорогостоящим мероприятием. Для получения надежных результатов необходимо иметь со-временное оборудование. В настоящее время буксировочная система ледового бассейна представляет собой гравитационный привод для буксировки модели и имеет недостатки. Модель буксируется при помощи бесконечного троса. Сопротивление модели задается весом подвешенного груза. Скорость движения модели измеряется частотомером и оптронным датчиком. Для проведения много-факторных исследований и обработки результатов испытаний в темпе эксперимента необходимо создание самоходной буксировочной тележки, отвечающей современным требованиям и задачам. Для этого выполнено проектирование оборудования для буксировочных испытаний моделей судов. Разработана и создана самоходная буксировочная тележка. Разработан и создан информационно-измерительный комплекс, позволяющий вести сбор и обработку информации в темпе эксперимента. Проведены экспериментальное исследование параметров процесса разрушения композитного ледяного покрова различных конструкций по схемам нагружения «центральный про-лом» и «прокладка канала» с записью диаграмм разрушения. Исследовались различные варианты конструкций композитной модели. Варьировалась форма гранул (сферическая и в виде усечённого конуса), размеры гранул (диаметр характерного сечения от 3 до 20 мм), количество слоёв укладки (от 1 до 4), глубина проморозки. В ходе проекта были получены диаграммы разрушения композитной модели льда. Анализ результатов позволил выявить качественное и количественное изменение характера процесса разрушения композитного ледяного покрова, подробно описать этот процесс. Результаты, полученные в первые, имеют несомненную научную ценность с точки зрения описания фундаментальных параметров разрушения композитного льда и с точки зрения практического использования. Достигнутые результаты являются оригинальными и самостоятельными. Полученные результаты превосходят заявленные. Результаты исследовательской работы всесторонне обнародованы и представлены • на сайте Научно-исследовательской лаборатории «Моделирование природных и техноген-ных катастроф в интересах устойчивого промышленного развития страны и региона»: https://lmnad.nntu.ru/ru/projects/Experimental%20and%20theoretical%20study%20of%20semi-empiric/; • на интернет-странице ФГАНУ «Социоцентр» Приоритет 2030: https://priority2030.ru/news/nizhegorodskie-uchenye-avtomat ; • освещены в СМИ ( РОССИЯ 24 Нижний Новгород, программа «10 минут с Политехом» https://youtu.be/TbCYXnfmgbQ ; Телеканал «Легендарный 24», программа «Новости Севастополя» (О конференции «Моря России-2022», сюжет о конференции идет с 8.13 по 9.55 http://mhi-ras.ru/news/news_202209301415.html ) Результаты опубликованы в известных научных изданиях с уровнем цитируемости выше среднего для судостроительной отрасли. Представленные публикации полностью соответствуют тематике проекта. Результаты исследований доложены на представительных конференциях и значимых научных мероприятиях, вносящих существенный вклад для развития судостроительной отрасли.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Арктика обладает уникальным природно-ресурсным потенциалом, поэтому удержание лидерских позиций Россией в ее освоении является актуальным. Наиболее универсальным средством продления навигации и борьбы с ледовыми затруднениями является ледокольный флот. В этих процессах 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. Проект посвящен разработке экспериментально-теоретических методов прогнозирования ледовой ходкости, позволяющих детально учитывать форму корпуса ледокола во взаимодействии с окружающей средой. Проводимые исследования являются фундаментальными в области корабельной ледотехники, связаны с представлением о взаимодействии судов со льдом, своевременны и актуальны в судостроении. В соответствии с заявленным планом работ, основное внимание во второй год работы над проектом было уделено: разработке альтернативных экспериментальных методик определения ледового сопротивления на моделях; проведению испытаний моделей ледоколов различных проектов и экспериментальных исследований в опытовых бассейнах НГТУ с различными физическими моделями ледяного покрова; обработке результатов экспериментов; разработке модернизированной полуэмпирической модели сопротивления наиболее полно учитывающей параметры ледяного покрова; разработке математической технологии определения коэффициентов полуэмпирических моделей ледового сопротивления. А также проведены работы по изготовлению и наладке оборудования для буксировочных испытаний моделей судов ледового плавания в НГТУ. В ходе выполнения проекта получены научно значимые результаты. Для открытого опытового ледового бассейна, предназначенного для проведения многофакторных исследований, выполнены работы по модернизации буксировочной системы; изготовлено и налажено оборудование, при помощи которого можно синхронно фиксировать параметры движения модели в процессе эксперимента. Продолжена модернизация малого ледового бассейна, расположенного в термокамере. Для этого создано уникальное лабораторное оборудование, позволяющее нагружать ледовое поле и измерять его прогиб, реактивную силу с целью получения физико-механических характеристик льда, а также оборудование для определения плотности модельного льда способом притапливания образцов. Модернизация существующего и разработка нового оборудования способствовала получению новых уникальных результатов мирового уровня, лежащих в области исследования несущей способности и физико-механических характеристик различных моделей плавающего ледяного покрова и прогнозирования ледовой ходкости судов. С использованием разработанных в рамках данного проекта уникальных методик по проведению испытаний моделей судов ледового плавания в открытом опытовом бассейне НГТУ с использованием различных физических моделей ледяного покрова проведена первая серия испытаний моделей речных ледоколов проектов 16, 1105, 1191, морского ледокола проекта 21900, изготовленных в разных масштабах. В качестве материала модели ледяного покрова использовался пресноводный лед уменьшенной толщины. В ходе эксперимента фиксировались параметры: сопротивление и скорость установившегося движения модели, толщина намороженного ледяного поля, температура воды и воздуха. Испытания проведены при заданном тяговом усилии (сопротивлении), которое оставалось постоянным для серии испытаний в разных толщинах льда. Для каждого варианта тяги, составляющего 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,2 от тяги на швартовном режиме, проведены испытания указанных моделей судов не менее, чем в 5 толщинах модельного льда. При обработке результатов проведенных экспериментальных исследований были получены зависимости сопротивления движению исследовавшихся корпусов судов как в пересчёте на натуру, так и в модельных масштабах от скорости их движения и ледовых условий, а также кривые ледопроходимости, которые дают наглядное представление о максимальных скоростях, достижимых судами в различных ледовых условиях. При работе над проектом в 2023 году была разработана методика проведения модельных испытаний в композитной модели льда. Для этого были проведены тестовые эксперименты в ледовом опытовом бассейне НГТУ с естественным охлаждением, в ходе которых были отработаны ключевые этапы: технология получения полей композитного льда в бассейне, последовательность действий при проведении буксировочных испытаний, измерение скорости движения судна, определение физико-механических характеристик модельного ледяного покрова. Также была разработана оригинальная методика проведения экспериментов при исследовании процесса разрушения модельного ледяного покрова вертикальной нагрузкой. В результате проведения опытов по данной методике были получены диаграммы разрушения, анализ которых позволил выделить силовые, деформационные и энергетические характеристики разрушения модельного ледяного покрова. Эти параметры будут использованы для определения составляющей сопротивления разрушению льда при движении судна в разрабатываемых полуэмпирических моделях ледового сопротивления. В ходе реализации проекта были произведены эксперименты, направленные на изучение процесса разрушения новой запатентованной композитной модели льда, составленной из гранул в форме усечённого конуса. Размеры гранул: диаметр верхнего и нижнего оснований – 20 мм и 18,2 мм, высота – 25,7 мм. Запланированный объём опытов был выполнен полностью. Эксперименты производились в малом ледовом опытовом бассейне НГТУ. В результате получены зависимости силы вертикальной реакции ледяного покрова от прогиба в точке его нагружения – диаграммы разрушения модельного льда. Их анализ позволил впервые получить качественное и количественное описание фундаментальных параметров процесса разрушения композитной модели ледяного покрова данной конструкции, что имеет ценность для практического использования. Результаты проведенных экспериментальных исследований были использованы для настройки полуэмпирических моделей чистого ледового сопротивления с целью повышения точности методов прогнозирования ледовой ходкости судов путем уточнения эмпирических коэффициентов (коэффициентов множественной линейной регрессии) в этих моделях. Коэффициенты были рассчитаны методом наименьших квадратов с использованием полученных экспериментальных данных по указанным моделям ледоколов. Для этого была разработана программа на языке программирования Python с использованием библиотек numpy, scipy, scikitlearn. Результаты расчетов получены для различных методов прогнозирования ледового сопротивления с использованием экспериментальных данных сразу по четырем ледоколам. Это сделано не случайно, а для максимального изменения основных определяющих факторов: толщины льда и формы корпуса ледоколов. Результаты данной работы были всесторонне обнародованы и представлены на сайте Научно-исследовательской лаборатории «Моделирование природных и техногенных катастроф в интересах устойчивого промышленного развития страны и региона»: https://lmnad.nntu.ru/ru/projects/Experimental%20and%20theoretical%20study%20of%20semi-empiric/ . Оригинальность и самостоятельность достигнутых результатов подтверждается их публикацией в известных научных изданиях с уровнем цитируемости выше среднего как для теории корабля, так и в целом для судостроительной отрасли. Также результаты были доложены на представительных конференциях и значимых научных мероприятиях, вносящих существенный вклад в развитие судостроительной науки, и получили положительные отзывы от ведущих экспертов в области ледовой ходкости судов. Для выполнения данного проекта научных исследований был составлен детализированный план работ на 2024 год, содержащий конкретный перечень ожидаемых результатов.