Ледяная мечта жоржа мужена: айсберг
Я стою на палубе океанского буксира и наблюдаю на громадный столовый айсберг, возвышающийся сзади. Толстенный канат, натянутый как струна, уходит по направлению к ледяной горе, которая если сравнивать с судном кроме того на таком расстоянии думается легко огромной. Погода ужасная: с неба падают то ли капли дождя, то ли хлопья снега, а судно изрядно болтает на волнах.
Меня уже легко укачало, а ведь в первых рядах пять продолжительных месяцев пути от Ньюфаундленда к Канарским островам. «Желаете, позовем кита? — говорит мой сопровождающий и нажимает на кнопку пульта. — Вот он, смотрите!» И вправду, чуть в стороне с совсем необычной для собственной массы грацией из воды выпрыгивает кит и, красиво перевернувшись в воздухе, практически без брызг входит в воду. Впечатляет. Я делаю ход в сторону и натыкаюсь на стену.
Так как в действительности я нахожусь вовсе не в северной части антлантического океана, а в Велизи, пригороде Парижа, в центре виртуальной реальности Dassault Systemes, где сотрудники компании посредством очков и шести проекторов демонстрируют мне степень совершенства трехмерной визуализации пакета программ 3DVIA и проработанность настоящего научного проекта «Ледяная мечта» — Ice Dream.
Мечтатель
Мысль применять айсберги, каковые образуются в ходе сползания ледников в океан, в качестве источника пресной воды насчитывает уже большое количество десятилетий. Но действительно проблемой транспортировки ледяных гор заинтересовались лишь в середине XX века американские армейские. Действительно, айсберги их интересовали не столько как источник пресной воды, сколько как плавучий аэропорт.
Но и мирные применения не остались без внимания некоторых энтузиастов.
Жорж Мужен, появившийся во французской Бретани и выросший в жёстком северном климате канадского Ньюфаундленда, где его папа держал мастерскую по ремонту рыбацких судов, был с детства заворожен ледяными гигантами Арктики. Во второй половине 40-ых годов двадцатого века, по окончании окончания Парижского политехнического университета ENSAM (Ecole Nationale Superieure d Arts et Metiers), он переоборудовал одно из списанных американских судов и занялся изучениями Антарктики и Арктики. Тогда ему и пришла в голову мысль нужного применения айсбергов.
Намного позднее, накопив опыт и поработав в Антарктике и Арктике, совместно со известным французским полярным исследователем Полем-Эмилем Виктором он внес предложение саудовскому принцу Мохаммеду Аль-Фейзалу наглый проект. При помощи принца в 1975 году приятели основали ITI (Iceberg Transport International) — компанию, которая в течение нескольких лет занималась изучением возможности аналогичной транспортировки, изучая дрейф айсбергов у берегов Антарктиды. Но из-за нехватки знаний и высокой цены экспериментальных изучений в первой половине 80-ых годов XX века проект заглох.
Но в 2003 году он возродился на новом уровне — за прошедшие годы показались и спутниковые разработки, и течений и модели атмосферы, и суперкомпьютеры, разрешающие строить правильные прогнозы, и морские буровые платформы. Но вопросы реализуемости проекта так же, как и прежде были неясны.
Помог счастливый случай: в 2009 году Жорж взглянул 3D-фильм Khufu Revealed («Секреты Хеопса»), созданный при активном участии компании Dassault Systemes, разработчика совокупностей автоматизированного проектирования и трехмерной визуализации. Мужен был впечатлен моделями египетских пирамид и возможностями, каковые предоставляют новейшие технологии компьютерного моделирования, и обратился к управлению Dassault Systemes с предложением разглядеть обстановку транспортировки айсберга. Как говорит Менди Тайоби, директор по интерактивным стратегиям и маркетингу Dassault Systemes, «проект показался достаточно сложным и сумасшедшим, дабы нам стало весьма интересно им заняться».
Как тает айсберг
В качестве объекта виртуальных опытов Жорж Мужен по окончании консультаций со экспертами внес предложение выбрать столовый айсберг (с плоской поверхностью). На начальной стадии команда Dassault Systemes во главе с начальником проекта Седриком Симаром должна была изучить сотрудничество айсберга с окружающей средой. Варьировались условия, с которыми айсберг имел возможность столкнуться в настоящем путешествии: океанские течения, ветер, воды и температура воздуха, волны и многие другие параметры.
Результатом этого моделирования стала карта, показывающая главные области теплообмена ледяной горы и океана.
Эти сведенья стали вводными для следующего этапа — моделирования процесса таяния в программе SIMULIA. Как выяснилось, тает айсберг вовсе не равномерно: надводная часть, прекрасно отражающая солнечные лучи, подвержена этому в намного меньшей степени, чем подводная, омываемая водой. А особенно скоро таяние происходит на вертикальных стенках и ватерлинии, содержащих глубокие трещины.
Дабы уменьшить утрату льда, Жорж Мужен внес предложение применять «юбку» из геотекстиля, которая крепится к плавающему на поверхности воды поясу, защищающему ватерлинию на 6 м вверх и вниз. В пространстве между «айсбергом» и юбкой образуется слой холодной пресной воды, что мешает доступу горячей воды к поверхности льда, делая роль дополнительного теплоизолятора.
Полярный конвой
По окончании нескольких месяцев изучения тепловых моделей команда приступила к моделированию буксирования и течений айсберга. В качестве научных консультантов выступали директор норвежского Полярного университета доктор наук Олав Орхейм, начальник Группы физики океана факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета доктор наук Петер Вэдэмс, занимавший ранее пост директора по науке университета IRD и эксперт по физической океанологии Бруно Вуатюрье и Тина Йенсен, начальник проекта «лёд и Вода» правительства Гренландии.
Начальные условия, введенные в программу Dymola специалистами Dassault Systemes, предусматривали старт конвоя около Ньюфаундленда и финиш около Канарских островов. Было изучено множество вариантов буксировки с различным числом буксиров и разной силой тяги, возможные обстоятельства и разные маршруты в виде тайфунов. Учитывались бессчётные параметры течений, влияние вращения Почвы (эффект Кориолиса) и т. п.
Моделирование одного маршрута с учетом статистики погоды в данной области океана в указанное время года занимает всего около двух мин., а после этого среди всего множества предстояло выбрать оптимальный. «Это как научная игра, квест, — говорит Седрик Симар. — Возможно поменять какой-нибудь параметр и взглянуть, что случится. Скажем, в случае если на пути конвоя встретится тайфун, его возможно обойти с одной стороны — это приведет к уменьшению времени транспортировки, и айсберг достигнет финиша намного раньше. А вдруг постараться обойти его иначе — так и вовсе не дойдет до места назначения, растаяв либо расколовшись по дороге».
Краш-тест айсберга
Важный фактор, воздействующий на успех всей миссии, — стабильность буксируемого айсберга как целого. Внутренняя структура айсберга неоднородна и к тому же малоизвестна заблаговременно, а лед — достаточно хрупкий материал, склонный к растрескиванию при хороших температурах. К тому же на протяжении буксировки айсберг подвергается весьма интенсивной эрозии под действием горячей воды, штормов и волн.
В следствии он практически в любую секунду может расколоться на пара частей, что сразу же существенно уменьшит возможность добраться до финиша (либо кроме того вовсе сведет ее к нулю). «Данный процесс сложно моделировать, по причине того, что он практически непредсказуем. К сожалению, на него воздействует через чур много факторов, — растолковывает Седрик Симар. — Жорж Мужен уверен в том, что его возможно будет упростить посредством тщательного отбора айсберга.
Во-первых, будет выбран как раз столовый айсберг, по причине того, что таковой тип менее вторых подвержен растрескиванию. Во-вторых, предполагается, что любой кандидат на транспортировку будет тщательным образом обследован на наличие трещин и неоднородностей. И надводная часть, и подводная будут шепетильно осматриваться экспертами-гляциологами, а внутренняя структура будет выявляться посредством ледовых радаров.
Практически должна быть выстроена полная структурная силовая карта айсберга, и вот тогда мы сможем уже более-менее с уверенностью моделировать его структурную целостность на протяжении буксировки».
Однако кое-какие краш-тесты возможно было сделать и на базе предполагаемых данных. Посредством программного пакета SIMULIA Abaqus эксперты Dassault Systemes постарались смоделировать кое-какие самые типичные сценарии, характерные для раскалывания айсбергов: один из осколков уходит под воду, перед тем как снова вынырнуть, а второй демонстрирует противоположное поведение, по окончании чего, «потанцевав» так, оба занимают новое равновесное положение. Моделирование выяснилось очень эффектным: оно продемонстрировало, что в приведенном сценарии локально появляются волны высотой в три раза выше надводной части айсберга, что возвышается над водой на 20 м, другими словами высота гребней может быть около 50 — 60 м, а скорость потоков — 60 — 80 м/с. «Ясно, что такие явления воображают уже не просто риск провала для всей миссии, но и важную опасность для буксира, — говорит Седрик Симар. — Исходя из этого такие ситуации нужно отслеживать заблаговременно, дабы обезопасить экипаж».
Осуществимый проект
Как вспоминают участники проекта, результаты поразили кроме того оптимистически настроенного Жоржа Мужена. Так как одно дело — предполагать, и совсем второе — взять итог четкого научного моделирования, шепетильно проработанный на компьютере. Вердикт инженеров гласил: посредством простого океанского буксира с тягой в 130 тысячь киллограм силы столовый айсберг массой в 7 млн тысячь киллограм возможно отбуксировать от Ньюфаундленда к Канарским островам, стартовав 7 июня, по оптимальному маршруту всего за 141 дни.
Средняя скорость наряду с этим составит менее 1 узла (всего 1,5 км/ч), а расход горючего — 4000 т. Расчеты продемонстрировали, что повышение количества буксиров не через чур воздействует на неспециализированную длительность миссии, повышая только расход горючего, потому, что, как говорит Седрик Симон, главную работу делает вовсе не буксир, а верно выбранные океанские течения. Наряду с этим по прибытии к месту назначения айсберг все еще сохранит в жёстком виде 62% собственной массы.
Так что в полной мере быть может, что обитателям Канарских островов в скором времени удастся попытаться на вкус канадский лед. И не только в виртуальном, но и в реальности.
Айсберг (CATIA)
Трудясь вместе с Франсуа Мовилем, правой рукой Жоржа Мужена, команда Dassault Systemes создала в программе CATIA виртуальный айсберг массой 7 млн тысячь киллограм, размерами площадки 240х190 м и осадкой 165 м. Форму айсберга выбрали исходя из информации о аналогичных объектах, снабдили его широкомасштабными неровностями, а после этого обтянули текстурой. На каждом этапе модель проверялась научными консультантами.
Тепловая модель (SIMULIA)
Применяя ПО SIMULIA, инженеры выстроили тепловую модель айсберга. Как продемонстрировало моделирование, различные части тают по-различному. Надводная — медленнее всего, потому, что прекрасно отражает прямые солнечные лучи.
Подводная часть подвержена намного большей тепловой нагрузке, в особенности вертикальные территории с глубокими трещинами и район ватерлинии, потому, что вода вблизи поверхности теплее.
Защита от таяния (CATIA)
Дабы обезопасисть айсберг от таяния и максимально сохранить его массу, Жорж Мужен внес предложение применять собственный изобретение — «юбку» из геотекстиля. Около айсберга разворачивают пояс, складывающийся из вертикальных поплавков, что защищает ватерлинию на 6 м ниже поверхности воды и на 6 м над поверхностью. К нему крепится «юбка», которая простирается на глубину от 200 до 300 м.
Варианты маршрутов (dymola)
С учетом всех вероятных факторов, каковые смогут подстерегать конвой на подобном маршруте, — погодные условия, температура и скорость течений на разных глубинах, тепловая модель и форма айсберга, — инженеры посредством программы Dymola имели возможность следить за всеми этапами. Выбрав место и дату старта, они взяли вероятные маршруты, время перехода, остаток массы и расход топлива айсберга.
Буксировка (SIMULIA)
Предполагается, что под айсберг будет заведена огромная сеть, распределяющая силу тяги по поверхности, но ее все равно нужно будет соединить с буксиром толстым тросом. Натяжение троса из-за разных факторов изменяется, что ведет к неравномерному износу. Эксперты Dassault Systemes смоделировали усталостные и износные факторы троса, свитого из 256 металлических стренг (прядей), и оценили время его работы.
Раскол айсберга (SIMULIA)
Кое-какие айсберги сохраняют собственную целостность годами, а другие раскалываются, причем делают это в самый неподходящий момент. Дабы оценить, как данный процесс будет страшен для буксира, посредством программы SIMULIA Abaqus было совершено моделирование раскалывания айсберга на две части способом конечных элементов. 20 секунд для того чтобы моделирования требуют решения 426 млрд уравнений.
Из пункта А в пункт Б
В финальной модели маршрута для программы Dymola команда должна была учесть пара главных параметров. Во-первых, метеорологические и океанографические эти на всем протяжении маршрута.
Во-вторых, гидравлическую и тепловую модели, обрисовывающие таяние и эволюцию айсберга. И наконец, физические явления, воздействующие на динамику ледового конвоя и дрейфа: ветер, течения, волны, силу тяги буксира, трение о воду, сопротивление воздуха, силу Кориолиса и т. п.
Итог моделирования
продемонстрировал, что айсберг массой 7 млн тысячь киллограм при тяге буксира в 130 тысячь киллограм силы, начав собственный путь 7 июня, пройдет маршрут за 141 дни, утратив наряду с этим 38% массы льда и израсходовав 4170 т топлива.
Северным маршрутом
В конце 1970-х компания ITI изучала антарктические айсберги, но в ходе проекта Ice Dream Жорж Мужен решил смоделировать доставку ледяной горы с севера — от берегов Ньюфаундленда. Обстоятельств тому пара. Во-первых, рядом находится природная «фабрика» айсбергов.
Во-вторых, тут существуют развитые совокупности наблюдения за айсбергами (Интернациональный ледовый патруль и Канадская ледовая работа). В-третьих, местные океанские течения помогают проекту доставки. И наконец, тут имеется соответствующая буксиры и портовая инфраструктура нужного класса.
Конечным пунктом Жорж решил выбрать Канарские острова. Тут отмечается недостаток пресной воды, что на данный момент восполняется посредством разных разработок опреснения. Так что это в полной мере подходящий рынок для опробования, пускай до тех пор пока и виртуального, другой технологии.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№112, февраль 2012).
<
h4>