Международная Программа строительства в Мировом Океане подводных плавучих водоводов, коллекторов, транспортных тоннелей
Технический очерк
Друзья земляне!
Вашему вниманию предлагается Международная Программа строительства в Мировом Океане подводных плавучих водоводов, коллекторов, транспортных тоннелей.
Подземные трубопроводы, коллекторы и тоннели являются сложными инженерным сооружениям, поскольку они рассчитаны на то, чтобы выдерживать многочисленные, различные по природе и величине нагрузки. Сложность подводных плавучих трубопроводов, коллекторов, транспортных тоннелей неизмеримо выше, поскольку нагрузки на них в морской воде на глубинах от нескольких десятков метров до нескольких сотен метров значительно разнообразнее по природе и многократно больше по величине. Традиционные строительные системы, основанные на применении железобетонных и стальных конструкций, для строительства таких сооружений использованы быть не могут из-за слишком большой разницы между тем, что необходимо, и тем, что в этих системах возможно. Это та причина, по которым указанные подводные плавучие сооружения до сих пор не строят.
У казалось бы разных объектов, вынесенных в заголовок предлагаемой крупномасштабной Программы, много общего, а именно:
1. Их линейная геометрия, при которой два поперечных размера значительно меньше третьего;
2. Значительная протяженность объектов;
3. Трубчатая форма, пустотелая внутри; форма сечения основной роли не играет;
4. Объекты будут размещены и будут эксплуатироваться в морской воде, обладающей мультикоррозионной активностью;
5. Объекты будут размещены и будут эксплуатироваться в жидкой среде, свойства которой постоянно меняются;
6. Объекты, находясь под водой, не будут опираться на несущую поверхность по всей своей длине, т.е. они будут находиться в плавучем состоянии;
7. Объекты будут размещены под водой на значительной глубине, будут находиться там постоянно, и будут все время испытывать огромное внешнее давление;
8. Объекты обладают собственной плавучестью, причем переменной по длине и по времени, и будут все время испытывать на себе действие переменной выталкивающей силы огромной величины;
9. Объекты будут все время испытывать на себе действие разнообразных гидродинамических сил, возникающих в морской среде, например, действие локальных импульсов давления или действие локальных гидродинамических сил со стороны водных потоков, например, морских течений;
Из первых двух пунктов следует существенная общность механических свойств выделенных объектов и ожидаемая однотипность их поведения как механических систем. Третий и четвертый пункты констатируют совпадение свойств среды, в которой объекты будут находиться. Пункты с пятого по восьмой констатируют однотипность внешних физических условий для объектов.
Из всего перечисленного очевиден динамический характер как самих объектов, так и условий их эксплуатации. Иными словами, в течение всего срока эксплуатации объекты будут постоянно находиться в подвижном состоянии. Управление такими сложными механическими динамическими системами представляет собой отдельную сложно структурированную задачу.
Среди трубопроводов различного назначения – нефтепроводов, газопроводов, продуктопроводов и др. мы намеренно выделили водоводы. Водовод рассматривается нами как стратегическая транспортная система, предназначенная для непрерывной транспортировки больших количеств пресной воды на большие и очень большие расстояния. Непрерывная доставка пресной воды в больших количествах через морскую водную среду с континента на остров или с острова на остров – это примеры задач, решаемых подводным плавучим водоводом. Водоводы, создаваемые на основе суперкомпозитной строительной системы, совершенно не похожи на традиционные водоводы, изготавливаемые из стальных или железобетонных труб. Например, сечение трубы водовода представляет собой не окружность, а фигуру, похожую на эллипс. Стенка трубы водовода представляет собой сложную конструкцию. Труба такого водовода не изготавливается на заводе, а строится на стапеле так же, как строится корабль.
Коллекторы выделены в качестве отдельной группы объектов потому, что спектр их функций в морской воде существенно расширяется. Коллекторы предназначены для защиты проложенных в них труб и кабелей от действия морской воды. Но не только. Подводные плавучие коллекторы должны выполнять также не свойственные им функции несущей конструкции, позволяющей не укладывать трубопроводы и кабели на морское или океанское дно, а позиционировать их на относительно небольшой глубине, защищать их от внешнего гидростатического давления, создать условия для их обслуживания и замены.
Подводные плавучие транспортные тоннели также являются совершенно новыми объектами, с которыми современное строительство не сталкивалось. Подводные плавучие транспортные тоннели предназначены для перемещения внутри них различных видов транспорта, например, автомобильного, железнодорожного, конвейерного, метро. Подводные плавучие транспортные тоннели позволяют совершенно по-новому решить задачу преодоления водных преград. Указанные водные преграды могут быть различными по ширине: сотни метров - ширина речного русла, несколько километров или десятков километров – ширина пролива или расстояние между островами, несколько сотен или несколько тысяч километров – ширина моря или океана.
Для решения принципиально нового класса задач строительства морских подводных плавучих линейных сооружений предлагается принципиально новая строительная система. Название строительной системы – «Суперкомпозитная ячеистая строительная система Краснова». Перечислим ее некоторые важнейшие особенности:
• Первой важнейшей особенностью строительной системы является то, что она основана на применении совершенно нового класса конструкционных строительных материалов. Материалы этого класса по своим физическим и техническим свойствам в десятки раз превосходят железобетон. Как показывает анализ видов нагрузок и характера воздействия морской глубоководной среды, свойств таких традиционных конструкционных материалов, как сталь и железобетон здесь абсолютно не достаточно.
• Второй важнейшей особенностью строительной системы является то, что набор обязательных свойств у базового конструкционного материала существенно шире, чем имеют железобетон и сталь. Приведем примеры таких обязательных свойств: отсутствие у конструкционного материала электропроводности, а также высокая стойкость к химической и электрохимической коррозии в морской воде.
• Третьей важнейшей особенностью строительной системы является то, что она предъявляет к базовому конструкционному материалу высокие требования по технологичности. Эта технологичность особого рода, связанная с изготовлением ячеистых конструкций.
• Четвертой важнейшей особенностью является то, что она основана на применении ячеистых конструкций. Как показывают расчеты, только ячеистые конструкции оказываются пригодными для строительства протяженных подводных плавучих сооружений. Именно ячеистые конструкции обладают необходимой, очень высокой удельной конструкционной прочностью, гибкостью, надежностью, плавучестью. Традиционные конструкции, такие как стальные силовые рамные конструкции или монолитные, железобетонные, сплошные в теле конструкции необходимыми прочностными и другими свойствами не обладают.
Базовыми материалами в новой строительной системе являются суперкомпозиты (композиты Краснова). Суперкомпозиты – это новый класс конструкционных строительных материалов. По своей внутренней структуре и составу суперкомпозиты представляют собой композиционные материалы. Основой выступает в данном случае неорганическое вяжущее – цемент. Он позволяет формировать матрицу композита. Для других классов новых композитов могут использоваться органические вяжущие и металлы. Суперкомпозиты на основе цемента в десятки раз превосходят железобетон по всему спектру физических, технических и технологических характеристик. Суперкомпозиты, кроме того, обладают теми характеристиками, которыми железобетон не обладает, в частности, полной собственной водонепроницаемостью и стойкостью к такой химически агрессивной среде, как морская вода. Последнее означает, что суперкомпозиты не требую дополнительных мер по их гидроизоляции или повышению химической стойкости. Это очень важно именно для строительства сооружений и их последующей эксплуатации в морской воде.
Ячеистые структуры различной формы собираются из суперкомпозитных листовых элементов. Ячеистые структуры представляют собой абсолютно новое звено в традиционной связке «материал – конструкция». Новая связка выглядит так: «материал - ячеистая структура - конструкция». Появление ячеистой структуры полностью меняют всю идеологию и философию конструирования и строительства. В новой конструкторской идеологии конструкция реализуется не из суперкомпозита непосредственно, а из ячеистой структуры. Суперкомпозит как материал используется для формирования структуры. При этом ячеистая структура не собирается отдельно от сооружения, она формируется как фрагмент сооружения, который не обязательно должен быть отдельной, самостоятельной конструкцией. Благодаря такому подходу понятие конструкции фактически расширяется до размеров всего сооружения. Сооружение оказывается единой целостной, интегрированной конструкцией.
Таким образом, в процессе сборки ячеистой структуры сооружение формируется, «выращивается», как единое целое без межконструкционных швов. Вместо традиционной связки «материал – конструкция – сооружение» новая строительная система предлагает абсолютно новую связку «материал – ячеистая структура – сооружение». Строительство предстает как мега формовка сооружения в виде единого изделия, но только не из материала, а из ячеистой структуры. При таком обобщенном взгляде ячеистая структура выполняет роль материала. Этот условный материал в виде ячеистой структуры можно было бы назвать виртуальным материалом.
Перечислим важнейшие свойства суперкомпозитных ячеистых структур, собираемых из листовых элементов:
• Ячеистые структуры обладают способностью выдерживать огромное гидростатическое давление, выдерживать значительное по величине гидростатическое обжатие, свойственное большим глубинам.
• Ячеистые структуры обладают способностью перераспределять напряжения по всему своему объему, в частности, всему телу сооружения. В ячеистых структурах нет мест локальной концентрации напряжений.
• Ячеистые структуры имеют высокий запас деформационной прочности.
• Ячеистые структуры обладают необходимой конструкционной жесткостью и устойчивостью.
• Ячеистые структуры обладают способностью выдерживать импульсные и периодические колебательные нагрузки, выдерживать очень сильный гидродинамический удар.
• Ячеистые структуры обладают способностью гасить в своем теле энергию вибраций, энергию колебаний, энергию удара, энергию взрыва.
• Ячеистые структуры обладают высочайшей надежностью. В ячеистой структуре невозможно катастрофическое развитие трещин. Трещина, проходящая через всю ячеистую структуру, невозможна.
• Ячеистые структуры обеспечивают высокий уровень свободы строительного, конструкционного формообразования. Из ячеистых структур можно сформировать практически любую пространственную форму и реализовать силовую схему требуемой конфигурации.
• Ячеистые структуры обладают высочайшей плавучестью. Ячеистые сооружения теряют плавучесть только в том случае, если их разбить буквально в щепки, вплоть до каждой ячейки.
В настоящее время разработаны уникальные ячеистые структуры для формирования тела и корпуса различных подводных сооружений. Такие ячеистые структуры способны выдерживать внешнее гидростатическое давление в десятки и сотни атмосфер. Кроме того, разработаны варианты многокорпусных подводных сооружений, обеспечивающих им исключительно высокую надежность и живучесть.
Сборка ячеистых структур может осуществляться как на строительной площадке, так и на специальном стапеле. Строительную сборочную площадку можно организовать на палубе или в трюме специального судна, находящегося в море, непосредственно на месте строительства. Фрагменты сооружения могут состыковываться на борту судна, наплаву на поверхности воды, либо на глубине. Относительная простота и повторяемость сборочных операций позволяет роботизировать процесс сборки ячеистых структур и формирования полномасштабного сооружения.
Одна из Международных Программ, предложенных нами, посвящена строительству плавучих, плавучих подводных и придонных платформ различного назначения, например:
• Плавучих портов с плавучими причальными сооружениями;
• Плавучих подводных и придонных платформ для добычи полезных ископаемых;
• Искусственных плавучих островов;
• Плавучих аэродромов и вертолетных площадок;
• Плавучих электростанций;
• Поселений и целых плавучих городов.
Подводные плавучие транспортные тоннели, водоводы и коллекторы играют в этой программе важнейшую роль, обеспечивая многофункциональную связь между отдельными платформами различного назначения, а также связь этих платформ с природными островами и с материком. Поясним на примере приведенных выше платформ:
• Плавучий порт с плавучими причальными сооружениями позволяет полностью отказаться от дноуглубительных работ, от строительства дорогостоящих причальных стенок. Плавучий порт размещается на глубоководной акватории, позволяющей принимать суда большого водоизмещения и с большой осадкой. Плавучие причальные сооружения подводятся к прибывающим судам, что существенно упрощает и ускоряет швартовку. Порт сообщается с материком через подводные транспортные тоннели и коллекторы. По тоннелям могут двигаться различные пассажирские и грузовые транспортные средства, включая эскалаторы и конвейеры. Необходимую защиту электрических и оптоволоконных кабелей, защиту технологических трубопроводов и продуктопроводов, протянутых от материка к плавучему порту, обеспечат подводные плавучие коллекторы.
• Подводные плавучие и придонные платформы для добычи полезных ископаемых позволяют полностью отказаться от использования платформ на морской поверхности, подвергающихся воздействию волн, ветра и других погодных и климатических факторов. Бурение скважин с надводных платформ и последующий подъем добываемой нефти или газа связаны с известными значительными техническими трудностями и финансовыми издержками. Гораздо технологичнее добывать полезные ископаемые с подводных придонных платформ «в сухую». Для доставки оборудования и персонала на придонную платформу целесообразно использовать подводный транспортный тоннель, связывающий платформу с материком. Для транспортировки добываемой нефти или газа понадобится плавучий подводный коллектор с проложенным внутри трубопроводом. Может понадобиться вертикальный транспортный тоннель с лифтами для подъема персонала и грузов на поверхность, а также вертикальный коллектор для трубопровода. Очевидно, что перераспределение сначала акватории Мирового Океана, потом дна Мирового Океана, а затем и его ресурсов произойдет между технологическими лидерами, владеющими самыми эффективными способами подводной морской добычи.
• Искусственные плавучие острова могут образовывать группу, распределенную по акватории значительной площади. Для связи между отдельными островами, а также всей группы с материком могут быть использованы транспортные тоннели и коллекторы. Они обеспечат круглосуточное, независимое от погодных условий решение указанной задачи. Бесперебойное, круглосуточное обеспечение пресной водой можно организовать, применив подводные плавучие водоводы и плавучие резервные хранилища воды.
• Многие прибрежные страны испытывают острый дефицит территорий с ровной поверхностью. Для размещения аэропорта можно использовать плавучую платформу, расположенную недалеко от берега. На ее поверхности размещается взлетно-посадочная полоса, а само здание аэропорта, здания всех технических служб, ангары для самолетов и вертолетов размещаются в теле платформы и на соседних платформах. Такая компоновка обеспечит безопасное хранение горючего, техники и ее обслуживание. Многофункциональная связь между отдельными платформами, а также между группой платформ и материком будет осуществляться с помощью подводных плавучих транспортных тоннелей, коллекторов, продуктопроводов и водоводов.
• Строительство плавучих электростанций целесообразно по многим соображениям. Плавучие электростанции могут быть гидродинамическими, волновыми, приливными, ветровыми, солнечными, теплоэнергетическими, биоэнергетическими, атомными и др. Разработаны интересные инженерные решения для тела таких электростанций, для высотных опорных сооружений ветряных электростанций, многооболочечные корпуса повышенной прочности и надежности для АЭС. Электростанции могут быть обслуживаемыми и не обслуживаемыми, автономными или неавтономными, обитаемыми и не обитаемыми. Во многих случаях может понадобиться связать эти энергетические объекты с сушей или другими плавучими платформами транспортными тоннелями и во всех случаях понадобится связать коллекторами, в которых проложены линии электропередачи.
• Мировой Океан способен вместить и комфортно обеспечить энергией, едой и водой сотни миллиардов человек. Поэтому начало строительства плавучих городов с численностью населения от сотен тысяч до десятков миллионов человек – это вопрос времени. Корпуса этих особо надежных платформ-городов представляют собой многослойную многооболочечную конструкцию. Каждая из оболочек или групп оболочек выполняет свою функцию, например, защитную от внешних недружественных воздействий. Разрушение такой оболочки, например, в результате столкновения с подводной лодкой, взрыва мины или торпеды, не приведет ни к каким тяжелым последствиям или угрозам для всей платформы. Плавучий город в теле Мирового Океана находится в гораздо большей безопасности, чем на суше. Урбанизация Мирового океана является глобальной стратегической тенденцией. Если рассматривать этот процесс в цивилизационном аспекте, то предстоящий этап развития Человечества является эпохой строительства Аквацивилизации.
.
В указанном контексте две технологии: технология строительства плавучих платформ различного назначения и технология строительства подводных плавучих транспортных тоннелей, коллекторов и водоводов, - на основе суперкомпозитной ячеистой строительной системы оказываются основными, системообразующими технологиями.
Создавая подводные платформы различного назначения, отдельные государства или группы государств совместно могут решать свои стратегические задачи, такие, например, как:
• компенсация дефицита общей территории или прибрежной территории,
• выход в Мировой Океан,
• обеспечение сырьем промышленности,
• решение транспортных проблем, связанных с развитием гидроавиации, морского флота,
• развитие новых видов транспорта и транспортных систем.
Транспортное освоение Мирового Океана в форме строительства подводных плавучих транспортных тоннелей позволяет в перспективе создать глобальную замкнутую транспортную систему, с помощью которой можно будет объехать Земной шар на поезде, не пересаживаясь на корабль. Преодоление морских и океанских просторов не со скоростью плавания, а со скоростью движения сухопутного транспортного средства (сотни километров в час), порождает новый уровень связности, интегрированности мировой экономической системы. Многократно снижаются транспортные издержки на глобальные грузовые, сырьевые, пассажирские перевозки, снижаются транспортные издержки мировой торговли. Конечно, такие транспортные системы будут платными и принесут своим владельцам поистине гигантские доходы.
Однако значение ячеистых структур этим далеко не исчерпывается. Ячеистые структуры знаменуют собой гигантский шаг не только в развитии строительства, но и в развитии наших возможностей в освоении других областей на планете. Приведем их краткий список:
• моря и Мировой Океан (поверхность, объем, дно);
• реки и озера;
• болота;
• тундра;
• ледники;
• лесные массивы;
• горные и высокогорные районы;
• территории песчаных, солончаковых и каменистых пустынь, снежных и ледяных пустынь и др.;
• Арктика и Антарктика;
• подземное пространство;
• приземное воздушное пространство до высот в несколько км.
Для освоения каждой из указанных областей разработаны соответствующие специализированные суперкомпозиты и суперкомпозитные ячеистые структуры, а также разработаны профильные Международные программы. Ячеистые структуры впервые позволяют говорить в практическом плане о разных видах специализированного строительства: о высотном и сверхвысотном строительстве, северном строительстве, горном строительстве, подземном строительстве, подводном строительстве т.д. Очевидная универсальность ячеистых структур определяет высочайшую гибкость и свободу в строительном формообразовании, в технологических процессах, в постановке и решении нетрадиционных строительных и экономических задач. Силовые конструкции из железобетона слишком тяжелы, слишком объемны, слишком непрочны. Рамные стальные конструкции не обеспечивают необходимой жесткости и устойчивости. Но самое главное, все они не обеспечивают необходимой технологической и строительной гибкости. Разнородные требования, возникающие в столь разных видах строительства, в полном объеме и в полном составе могут быть удовлетворены только на основе использования технологически гибких суперкомпозитных ячеистых структур.
Итак, в основе предлагаемой Программы строительства в Мировом Океане подводных плавучих водоводов, коллекторов, транспортных тоннелей лежит новейшая суперкомпозитная ячеистая строительная система Краснова. В самом общем виде указанная строительная система представляет собой процесс сборки из отдельных суперкомпозитных листовых элементов ячеистых пространственных структур и формирование на основе этих структур указанных сооружений.
Предлагаемая Концепция Программы ориентирована на практическую реализацию новейших технологических достижений в области материаловедения, производства, строительства. В рамках настоящей Концепции предполагается выполнение работ по следующим направлениям:
• создание системы научных, технологических, конструкторских, производственных подразделений для детальной разработки Программы строительства в Мировом Океане подводных плавучих водоводов, коллекторов, транспортных тоннелей;
• проектирование и строительство завода по производству суперкомпозитов;
• проведение испытаний суперкомпозитов и суперкомпозитных ячеистых структур;
• моделирование вариантов подводных линейных сооружений и отдельных силовых узлов;
• моделирование базовых гидродинамических условий эксплуатации подводных линейных сооружений в Мировом Океане;
• моделирование поведения линейных сооружений и их элементов в различных эксплуатационных условиях;
• моделирование катастрофических сценариев и соответствующих комплексных воздействий на подводные сооружения;
• разработка моделей надежности линейных сооружений и выбор соответствующих технических решений;
• выполнение проекта подводного сооружения для заданного вида использования;
• осуществление натурного проекта в заданном регионе Мирового Океана;
• опытная эксплуатация подводного сооружения;
• подготовка технического задания на разработку подводных и наземных строительных роботов первого поколения;
• подготовка технического задания на разработку автоматизированного и роботизированного морского производственного комплекса для серийного строительства линейных сооружений;
В освоении Мирового Океана, в освоении его сырьевых, энергетических и прочих ресурсов объективно заинтересованы все государства мира, все Человечество. Освоение Мирового Океана – это важнейшая стратегическая цель Человечества.
В ближайшие десятилетия научно-технический прогресс сконцентрируется на задачах, связанных с освоением Мирового Океана. Мир стоит на пороге эры Аквацивилизации.
С неизбежностью будут возникать подводные, опирающиеся на дно, и плавучие аквагорода с десятками миллионов обитателей в каждом. Акваурбанизация - новая фаза освоения планеты Земля, позволяющая создать комфортные условия обитания на планете сотням миллиардов жителей.
По это причине освоение новой суперкомпозитной ячеистой строительной системы, разработка методов проектирования и технологий строительства подводных линейных сооружений типа тоннеля или коллектора, позволит в самое ближайшее время и за очень короткие сроки сформировать на международном строительном рынке новый огромный сегмент.
Потенциал соответствующего сегмента рынка строительных услуг, изделий и сооружений в ближайшие 20-30 лет можно оценить величиной в диапазоне 3-5 трлн. долл.