Technologia

Władcy lodowych krain

Numer 9/2019
aerophoto / Shutterstock
By podjąć próbę zdobycia dominacji w nieprzyjaznym polarnym regionie, człowiek musiał nauczyć się konstruować lodołamacze zdolne do przeciwstawienia się miażdżącym siłom natury.
„Jermak” pozostawał w czynnej służbie przez rekordowe 66 lat.Wikimedia Commons/Wikipedia „Jermak” pozostawał w czynnej służbie przez rekordowe 66 lat.
W szwedzkim „Ymerze” po raz pierwszy w historii zastosowano silnik spalinowo-elektryczny.Wikimedia Commons/Wikipedia W szwedzkim „Ymerze” po raz pierwszy w historii zastosowano silnik spalinowo-elektryczny.
„Lenin”, czyli ojciec dzisiejszych rosyjskich atomowych lodołamaczy.Wikimedia Commons/Wikipedia „Lenin”, czyli ojciec dzisiejszych rosyjskich atomowych lodołamaczy.
Wnętrze „Lenina” można dziś zwiedzać w bazie w pobliżu Murmańska, gdzie od 2009 r. statek pełni funkcję pływającego muzeum.Wikimedia Commons/Wikipedia Wnętrze „Lenina” można dziś zwiedzać w bazie w pobliżu Murmańska, gdzie od 2009 r. statek pełni funkcję pływającego muzeum.
„Jamał” jest jednym z lodołamaczy klasy Arktika, zdolnych do regularnych podróży na biegun północny.Andrei PolarMan/Shutterstock „Jamał” jest jednym z lodołamaczy klasy Arktika, zdolnych do regularnych podróży na biegun północny.

Trudno dziś przecenić znaczenie tych niezwykłych pływających jednostek. To do nich należy utrzymywanie w odpowiednim stanie morskich szlaków istotnych dla handlu i rozbijanie otaczającego lodu, gdy jakieś statki zostaną w nim uwięzione. Ale to zaledwie ułamek z powierzanych lodołamaczom zadań, do których należą też dostarczanie niezbędnego wyposażenia do placówek naukowych czy pomoc w operacjach wiertniczych. W miarę przesuwania się granicy wydobycia surowców naturalnych na północ potężne statki mają coraz więcej pracy. Odgrywają tam rolę strażników bezpieczeństwa – chroniąc np. wielomilionowe instalacje, choćby przez odpychanie dryfujących w ich kierunku gór lodowych.

Cuda technologii

Tak skomplikowane zadania wymagają szczególnej konstrukcji okrętów. Podwójny kadłub – wewnętrzny i zewnętrzny, z dzielącą te elementy przestrzenią wypełnioną balastem lub powietrzem – zapewnia bezpieczeństwo, nawet gdyby doszło do przerwania jego ciągłości. Podobną rolę odgrywa podzielenie kadłuba na kilka komór. Poszycie musi być wykonane ze stali zapewniającej odpowiednią wytrzymałość w niskich temperaturach, dodatkowo wzmocnionej w najbardziej narażonych na uszkodzenie miejscach, takich jak uczestniczący bezpośrednio w łamaniu lodu dziób. Dodatkowa ochrona dotyczy steru i śrub napędowych umieszczonych tak, by przesuwające się do tyłu odłamki nie mogły ich uszkodzić. Jeżeli jednak do tego dojdzie, łopaty tych drugich da się wymienić nawet w trakcie rejsu. Gdyby z kolei statek ugrzązł w lodzie, z pomocą przychodzą zbiorniki umożliwiające przepompowywanie balastu z jednej strony na drugą i tym samym rozbujanie statku na boki.

To wszystko jednak przeciwśrodki, a lodołamacze jak żadne inne statki – poza wojennymi – lubią przechodzić do ofensywy. Samo łamanie lodu opiera się tu więc na kilku rozwiązaniach. W pierwszej kolejności liczą się duża masa statku i zaokrąglony kadłub, pokryty warstwą polimeru mającą zredukować tarcie, co pozwala wślizgnąć się na lód, gdzie ciężar statku zrobi swoje. By jeszcze ułatwić to zadanie, lodołamacze wyposażane są w systemy wytwarzania bąbli powietrza wokół linii wodnej, ułatwiające kruszenie i przesuwanie warstw lodu. Podobny cel mają dysze tryskające strumieniami gorącej wody. Większe lodołamacze zabierają też na pokład helikoptery służące do rekonesansu, a gdy przychodzi im pływać pośród polarnych nocy, włączają potężne reflektory (szperacze).

Pierwsze konstrukcje

Chociaż obecnie utożsamiamy je głównie z wchodzącymi w skład rosyjskiej floty atomowymi gigantami pokroju rekordowego „50 Liet Pobiedy”, okręty zaprojektowane tak, by mogły operować w skutych lodem arktycznych wodach, są wykorzystywane przez człowieka od pierwszych eksploracji polarnych. Za prototypy lodołamaczy uznaje się konstruowane przez Pomorców (rosyjskich osadników, którzy zawędrowali na wybrzeże Morza Białego na przełomie XI i XII w.) łodzie o nazwie „koch”. Jako traperzy i łowcy fok Pomorcy prowadzili intensywny tryb życia. Zakładane na wybrzeżu osady (największa to Chołmogory) służyły im jako bazy wypadowe w dalekich wyprawach lądowych i morskich ku Spitsbergenowi i archipelagowi Nowej Ziemi. By tego typu ekspedycje były możliwe, kochy musiały być odpowiednio przygotowane. Zaokrąglenie kadłuba zapobiegało uwięzieniu przez lód i ewentualnemu zmiażdżeniu statku, bo jednostka była wypychana ponad zestaloną powierzchnię. Drewniane poszycie na wysokości linii wodnej chronione było dodatkowo przez odporne na działanie kryształów lodu dębowe i modrzewiowe deski. Kochy stały się niezwykle popularne w trakcie rosyjskiej eksploracji Syberii i Dalekiego Wschodu w XV i panowały do XVII w., a ich supremację przerwała dopiero wielka wojna północna w 1700 r.

Rozwiązania zastosowane w tym typie okrętów zostały z powodzeniem zaadaptowane w nowocześniejszych, napędzanych parą jednostkach już w XIX w. Jedną z takich łodzi był oddany do służby w 1892 r. „Fram”. Choć nie lodołamacz w klasycznym rozumieniu tego słowa, zaprojektowana przez armatora Colina Archera jednostka była jednym z najsilniejszych drewnianych statków, jakie kiedykolwiek powstały. Przez 19 lat służyła w kilku arktycznych ekspedycjach (w tym w słynnej Roalda Amundsena z lat 1910–1912 na biegun południowy) i dotarła najdalej na północ i południe spośród wszystkich okrętów z kadłubem wykonanym z drewna.

Rozwój technologii

Dla samych lodołamaczy z kolei wiek XIX stał pod znakiem pary. Rewolucja przemysłowa umożliwiła zastosowanie w statkach silników niezależnych od warunków pogodowych i zapewniających niezbędną do kruszenia lodu moc. W taki sposób powstał rosyjski „Pilot” – protoplasta wyposażonych w śruby napędowe konstrukcji. Wybudowano go w 1864 r. według projektu okrętowego magnata Michaiła Britniewa, ale zastosowane w nim rozwiązania zainspirowane były osiągnięciami Pomorców. Zaokrąglony i umieszczony pod kątem 20 stopni w stosunku do osi konstrukcyjnej (kilu) dziób miał wypychać statek nad lód i tym samym ułatwiać przebijanie się przez niego. „Pilot” w latach 1864–1890 służył w Zatoce Fińskiej, ale międzynarodowe uznanie przyniosła mu zima z przełomu 1870 i 1871 r. Ekonomiczne straty, jakie spowodowało wtedy zamarznięcie rzeki Elby w Hamburgu, skłoniły Niemców do zakupu projektu i wybudowania na jego podstawie własnej jednostki. Ośmielony takim sukcesem „Pilota” Britniew ostatecznie skonstruował jeszcze dwie niemal identyczne łodzie – „Boy” (1875) i „Booy” (1889).

Statki, które musiały radzić sobie z lodem, pływały też w Polsce. Oddany do użytku w 1881 r. rzeczny „Weichsel” („Wisła”) miał przeciwdziałać powodziom, krusząc pojawiający się na Wiśle lód i umożliwiając przepływ wody. Statek napędzała maszyna parowa o mocy 120 koni mechanicznych, a jego całkowite zanurzenie wraz z 9 t węgla wynosiło 1,7 m. „Weichsel” pływał po Wiśle do 1930 r., a w tym samym czasie zadecydowano o budowie kolejnych 12 okrętów podobnego typu.

Choć „Pilota” uznaje się za pierwszy lodołamacz, to on i jemu podobne jednostki operowały jedynie w przybrzeżnych wodach. Ale już rosyjski „Jermak” przeznaczony był do użytku w warunkach arktycznych. Powstał w 1898 r. w jednym z oddziałów Armstrong Whitworth, wiodącej brytyjskiej firmy konstrukcyjnej, na zlecenie rosyjskiej armii, a jego budowę nadzorował m.in. twórca układu okresowego pierwiastków Dmitrij Mendelejew. Silny metalowy kadłub, wyporność sięgająca 9000 t i generujące moc 10 tys. koni mechanicznych silniki umożliwiały mu rozwijanie prędkości do 12 węzłów i przebijanie się przez lodowy pak o grubości nawet do 2 m. W latach 1899–1911 „Jermak” przez ponad tysiąc dni żeglował w arktycznych warunkach, a w trakcie I wojny światowej z jego asysty korzystała ewakuowana z Helsinek Flota Bałtycka. Wycofany ze służby dopiero w 1964 r., stał się jednym z najdłużej pracujących lodołamaczy w historii.

Na początku XX w. coraz więcej krajów interesowało się budową podobnych okrętów. Większość tych jednostek była odpowiedzialna za udrażnianie koryt rzek, choć zdarzały się wyjątki. Na przykład ponad 80-metrowe kanadyjskie CGS „N.B. McLean” i CGS „D’Iberville” mogły pływać zarówno po Rzece Świętego Wawrzyńca, jak i otwartych arktycznych wodach.

Bliżej współczesności

Znaczenie lodołamaczy wzrastało wraz z gwałtownym uprzemysłowieniem świata i związaną z nim koniecznością otwierania nowych morskich szlaków handlowych. By umożliwić lodołamaczom dostanie się w miejsca wcześniej dla nich niedostępne oraz zapewnić słabszym jednostkom bezpieczną drogę przez wypełnione lodem regiony, wprowadzono napęd spalinowo-elektryczny, który stosuje się w różnych typach okrętów aż do dziś. Jego przewaga nad starszymi układami okazała się nie do przecenienia.

W tego typu konstrukcjach śruby napędowe są obracane przez zasilane z falownika silniki elektryczne, pobierające energię z generatorów spalinowych, co daje o wiele lepszą kontrolę nad śrubami. A to nie koniec zalet. Częstokroć ze względu na konieczność precyzyjnego manewrowania statkiem na otwartym morzu albo utrzymania stałej pozycji napęd powinien dostarczać jedynie minimalnej mocy, zapewniającej nieznaczne obroty śrub. W przypadku silnika czysto spalinowego moc ulega w takich sytuacjach znacznym wahaniom, w rezultacie czego taki układ często nie działa z optymalną wydajnością. W silnikach spalinowo-elektrycznych prędkością śrub steruje z kolei przekształtnik częstotliwości, dostosowujący do zapotrzebowania częstotliwość i amplitudę prądu zmiennego z generatora spalinowego. Dzięki temu, że rotor taki produkuje wyłącznie tyle energii, ile potrzeba, a poza tym nie jest bezpośrednio sprzężony z prędkością śrub, może działać bardziej efektywnie, a co za tym idzie – oszczędzać paliwo.

Pierwszym przykładem zastosowania silnika spalinowo-elektrycznego w lodołamaczu był szwedzki „Ymer” z 1933 r. o wadze 4600 t i łącznej mocy trzech śrub wynoszącej 9 tys. koni mechanicznych, który był najsilniejszym tego typu statkiem w Szwecji aż do budowy jego następcy „Odena” w 1957 r. Identycznie napędzane statki zdolne poradzić sobie z lodem powstawały w XX w. na całym świecie, a wśród nich m.in. osiem amerykańskich okrętów klasy Wind, z których najdłużej w czynnej służbie pozostawał USCGC „Northwind” (aż do końca lat 80.). Prawdziwa rewolucja w branży lodołamaczy miała jednak dopiero nadejść.

Era atomu

W 1959 r. Związek Radziecki wprowadził do czynnej służby pierwszy lodołamacz i zarazem również pierwszy cywilny statek o napędzie jądrowym. Mierzący 134 m długości NS „Lenin” wyposażony był początkowo w trzy reaktory wodne ciśnieniowe typu OK-150 (w których woda pełniła funkcję zarazem moderatora, jak i chłodziwa), wytwarzające ponad 100 t pary na godzinę dla turbogeneratorów, które z kolej zasilały trzy silniki prądu stałego, po jednym na każdą śrubę. O tym, jak udana była to konstrukcja, świadczyły jej osiągnięcia: tylko w ciągu pierwszych 6 lat służby „Lenin” przepłynął ponad 82 tys. mil morskich, asystując ponad 400 okrętom. W ciągu całych 30 lat użytkowania łączny przebyty dystans przez ten lodołamacz wyniósł 654 tys. mil morskich, a w 1971 r. „Lenin” stał się pierwszym nawodnym statkiem, który dotarł na północ od Ziemi Północnej. Mimo technologicznego zaawansowania jego konstruktorom nie udało się uniknąć wszystkich problemów i najpierw w 1965, a potem na przełomie 1966 i 1967 r. pojawiły się incydenty związane z pracą reaktorów. Ten drugi był konsekwencją wycieku chłodziwa, który sprawił, że wymieniono wszystkie trzy reaktory typu OK-150 na nowsze i wydajniejsze dwa, OK-900.

Ostatecznie jednak nagrodzony Orderem Lenina statek (przekształcony w 2009 r. w muzeum) stał się dowodem na zasadność inwestowania w napęd jądrowy w lodołamaczach. Relatywnie wysokie koszty instalacji rekompensowały olbrzymia moc, samowystarczalność i możliwość pokonywania długich dystansów bez uciążliwego w polarnych warunkach dotankowywania (jednorazowy wsad paliwa starczał na trzykrotne opłynięcie Ziemi). Druga generacja atomowych lodołamaczy wystartowała w 1975 r., kiedy testy na wodzie pomyślnie przeszła „Arktika”. Jeszcze większy (148 m długości) od „Lenina” okręt nie musiał długo czekać na swój pierwszy spektakularny sukces. 17 sierpnia 1977 r. jako pierwsza nawodna jednostka w historii dotarł na biegun północny. Nazwą „Arktika” ochrzczono całą klasę sześciu polarnych lodołamaczy, z których do dziś w czynnej służbie pozostaje „Jamał” z 1992 r. i do niedawna największy tego typu statek świata – „50 Liet Pobiedy” z 2007 r.

Warto nadmienić, że budowa tego ostatniego nie należała do najłatwiejszych. Rozpoczęte w 1989 r. prace nad pierwotnie nazwanym NS „Ural” okrętem przebiegały w pierwszej fazie bez problemów, ale po jego zwodowaniu w grudniu 1993 r. okazało się, że zabrakło funduszy na jego dokończenie. Ostatecznie przemianowany na „50 Liet Pobiedy” lodołamacz na rzeczone pięćdziesięciolecie zwycięstwa w II wojnie światowej nie zdążył. Jeszcze w 2002 r. stopień zaawansowania konstrukcji określano zaledwie na 70%, a dwa lata później na pokładzie rozszalał się pożar, który udało się opanować dopiero po 20 godzinach. Ostatecznie „50 Liet Pobiedy” został ukończony dopiero 1 lutego 2007 r., po 18 latach od rozpoczęcia prac. Pomimo trudności w ich trakcie efekt końcowy okazał się imponujący.

„50 Liet Pobiedy” ma 159,6 m długości, wyporność ponad 25 tys. t i dwa reaktory atomowe OK-900A, zapewniające łącznie moc 74 tys. koni mechanicznych – wystarczającą do tego, by uporać się z lodowym pakiem o grubości do 2,8 m. Takie parametry pozwoliły jednostce pobić w lipcu 2008 r. rekord szybkości podróży z Murmańska na biegun północny, który zamknął się w czterech dniach zamiast dotychczasowych siedmiu. „50 Liet Pobiedy” obsługuje 140 członków załogi, statek jest też wyposażony w udogodnienia dla turystów (w postaci basenu, prywatnej kliniki czy biblioteki), którzy za opłatą do 45 tys. dol. mogą odbyć na jego pokładzie podróż na biegun.

Równolegle do klasy Arktika powstały również dwa siostrzane okręty o mniejszym zanurzeniu, umożliwiającym pracę w zlodowaciałych kanałach rzecznych. „Tajmyr” i „Wajgacz”, mierzące niemal 152 m długości, zaprojektowane zostały do łamania lodu o grubości do 2 m. W odróżnieniu od atomowych lodołamaczy przeznaczonych na otwarte wody, powstających w Stoczni Bałtyckiej w Petersburgu, oba okręty zostały skonstruowane w Finlandii, w stoczni w Helsinkach.

Nowe Behemoty

Wszystkie atomowe lodołamacze znajdują się obecnie na usługach Rosatomu, Rosyjskiej Państwowej Korporacji Energii Jądrowej, a kolejne – jeszcze większe i nowocześniejsze – są już w zaawansowanej fazie budowy. Początkowo znane pod kodową nazwą Projektu 22220 statki „Arktika”, „Sibir” i „Ural” mają mieć ponad 173 m długości, 34 m szerokości i zapewniające moc 81 tys. koni mechanicznych nowoczesne reaktory RITM-200. Wszystko to ma umożliwić im radzenie sobie z lodem grubym nawet na 3 m. Choć oryginalnie planowana na czerwiec 2019 r., pierwsza z wymienionych jednostek do czynnej służby ma wejść w maju 2020 r.

Tylko do 2035 r. Rosja chce mieć na stanie 13 ciężkich lodołamaczy, dzięki którym ambitne plany otwarcia całorocznej żeglugi po Północnej Drodze Morskiej będą możliwe do zrealizowania. Reszta świata również coraz chętniej korzysta z usług tak wyspecjalizowanych okrętów, łącznie z Hiszpanią, Argentyną czy Australią. Wszystko wskazuje więc na to, że o pływających metalowych potworach zdolnych rzucić wyzwanie siłom natury usłyszymy jeszcze nieraz.

01.09.2019 Numer 9/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną