Волновое сопротивление. Погоня за скоростью на море

Можно смело сказать, что судоходство - древнейший из всех существующих видов транспорта, хотя ответить на вопрос, когда и где было построено первое судно, вряд ли возможно. Но в данном случае нас интересует не это. Возьмем для примера греческие корабли, на которых совершали свои походы герои Гомера, и современный быстроходный лайнер. Сравним их. Разница, безусловно, огромная. Машины мощностью в десятки тысяч лошадиных сил, грузоподъемность, измеряемая тысячами тонн, - все это, конечно, свидетельствует о неоспоримом прогрессе, достигнутом в судостроении за истекшие две-три тысячи лет. Однако, с другой стороны, можно утверждать, что принципиального различия между сравниваемыми кораблями нет. Так, форма плавающего в воде корпуса судна - с заостренным носом, плавно расширяющимися, а затем сужающимися к корме бортами - осталась практически без изменений. Да и скорость современного турбохода-трансатлантика - обладателя «Голубой ленты» всего лишь в 5-6 раз превышает скорость корабля Одиссея, который двигали вперед два-три десятка гребцов.

Если сравнить эти результаты с прогрессом, достигнутым за гораздо более короткий срок в сухопутном, а тем более воздушном транспорте, то выглядят они более чем скромно. Это наводит на мысль, что скорость судна при традиционном способе движения по воде, чем бы оно ни приводилось в движение - веслом или гребным винтом, близка к верхнему пределу. Конечно, инженеры-кораблестроители продолжают работать над усовершенствованием формы корпуса судна и это дает важные для народного хозяйства результаты. Например, в недавнем прошлом только благодаря изменению формы носовой оконечности- установке так называемой бульбовой наделки удалось уменьшить общее сопротивление судна примерно на 5-7%. Но говорить о каких-то кардинальных достижениях и в этом, и во многих аналогичных случаях не приходится.

Вероятно, совершенствовать форму судна можно лишь до какого-то предела, который уже близок и превзойти который невозможно. Дело в том, что даже идеально обтекаемый корпус при движении вызывает образование волн и испытывает сопротивление от трения воды об его обшивку. Эти силы, препятствующие движению судна, возрастают пропорционально квадрату и даже кубу скорости и очень быстро достигают величин, преодолеть которые ни при какой затрате мощности не удается.

Раз их не преодолеть, от них нужно по возможности избавиться! Эта проблема серьезно встала в конце прошлого века. Именно тогда были сделаны попытки заменить движение в воде скольжением по ее поверхности - глиссированием. Первый глиссер, построенный в 1867 г. французом Адером, развивал небольшую скорость - немногим более 20 км/час, но его появление ознаменовало начало новой эпохи в истории борьбы за скорость на воде. Примечательно, что начало ее совпало по времени с первыми успешными полетами человека в воздухе, а дальнейшее развитие быстроходных судов шло в самой тесной связи с прогрессом в авиации.

За годы, прошедшие со времени испытания первого глиссера, был сделан скачок, уже несравнимый с тем, что было достигнуто за всю предыдущую историю судостроения: современный рекорд скорости на воде, поставленный в 1967 г. на глиссирующем катере с реактивным двигателем, равен 459 км/час! Эти результаты стали возможными только благодаря тому, что глиссирование позволило намного уменьшить одно из главных препятствий на пути роста скорости - волновое сопротивление. На современных глиссирующих судах большая часть мощности двигателей расходуется уже не на образование волн, а на преодоление сопротивления трения о воду (на гоночных глиссерах оно достигает 60-70% полного сопротивления движению, хотя абсолютная его величина гораздо меньше, чем у водоизмещающего судна). Чтобы добиться дальнейшего роста скорости при заданной ограниченной мощности двигателя, нужно преодолеть и это препятствие.

Однако способность скользить по поверхности воды является одновременно и одним из присущих глиссеру слабых мест. На большой скорости имеется опасность полного отрыва от воды, перехода на режим рикошетирования (так скачет по воде плоский камешек) и даже взлета в воздух, неизбежным результатом которого будет авария - вспомните конец «Синей птицы» Кэмпбелла! С другой стороны, поверхность воды никогда не бывает такой гладкой, как бетонная дорога, а на волнении со скоростным глиссером случится то же, что с гоночным автомобилем, пущенным по пересеченной местности. Ясно, что это ограничивает области применения скоростных глиссеров.

За последнее время теоретически обоснован и практически осуществлен ряд новых способов движения по воде с большими скоростями. Речь идет о применении подводных крыльев, принципа движения на воздушной подушке и др. Многих наших читателей заинтересовала и проблема использования на воде колес. Побудительным мотивом для этого явились очень заманчивые публикации в некоторых газетах и научно-популярных журналах. Вот, что, например, напечатано в № 12 за 1967 г. журнала «Юный техник»:

«Инженер В. Подорванов первым догадался использовать почти забытый «эффект Магнуса» в водяных струях. В его конструкции цилиндры не целиком погружены во встречный поток, а лишь своей нижней частью. Именно в этом и заключается главное достоинство новой конструкции. Колеса-цилиндры с наименьшими потерями энергии особенно легко подминали, подтягивали под себя встречные струи воды. Их подъемная сила была так велика, что значительно лучше подводных крыльев поднимала над водой весь корпус судна. Ведь сопротивление цилиндров значительно меньше, чем у подводных крыльев. Кроме того, они вращаются значительно быстрее, чем бегущие под них встречные струи воды. В результате появляется дополнительное тяговое усилие, ускоряющее движение судна. Чем больше скорость корабля, тем выше он поднимается над водой. Вот цилиндры лишь едва касаются поверхности воды своей нижней поверхностью. Новая фаза движения - цилиндры лишь временами касаются воды. Еще увеличишь скорость - и судно полностью переходит на режим полета. В воде остается лишь толкающий его гребной винт. Теперь цилиндры работают уже не в гидродинамическом, а в аэродинамическом режиме. Скорость корабля-цилиндрохода можно довести над самой поверхностью воды до 300 км/час, а возможно и более, что недостижимо для судов на подводных крыльях и на воздушной подушке».

Не будем пока подробно разбирать реальность применения этого принципа достижения столь высоких скоростей, но ознакомимся, хотя бы кратко, с проектом, о котором идет речь и на который В. П. Подорванову выдано авторское свидетельство.

Быстроходный катер, имеющий вертикальный воздушный руль и горизонтальный стабилизатор, удерживается над поверхностью воды за счет гидродинамических сил, образующихся на поверхности цилиндрических колес - двух больших носовых и двух поменьше в корме. Колеса перекатываются по воде с проскальзыванием и рикошетированием, причем ось вращения носовой пары колес расположена впереди и выше центра тяжести корпуса с отнесением на нее 70-90% веса всего катера. Колеса смонтированы на амортизаторах. Движение осуществляется за счет упора гребного винта.

Можно напомнить и о реактивном глиссере «Зеленое Чудовище», построенном американцем Артом Арфонсом для установления нового рекорда скорости на воде: в его поплавки-спонсоны вмонтированы выступающие вниз автомобильные колеса. По мысли изобретателя, колеса эти, как по бетону, будут катиться по поверхности воды. Что из этого вышло, пока неизвестно; во всяком случае мировой рекорд по-прежнему принадлежит Ли Тэйлору, а не Арту Арфонсу!

С просьбой оценить подобные проекты и установить, насколько они соответствуют фундаментальным положениям теории гидродинамики редакция обратилась к ученым, членам научно-технического общества судостроительной промышленности имени академика А. Н. Крылова. Чтобы конкретизировать тему беседы, мы сознательно сузили круг вопросов, задавшись целью выяснить принципиальную возможность повышения скорости движения малых судов, имеющих контакт с водой, т. е. исключив из рассмотрения аппараты на воздушной подушке, экранопланы и др. Приводим краткое содержание этой беседы.

Что можно сказать о принципиальной возможности движения по воде на копесах?

Инж. Э. А. Конов : Обычно возможность использования колес в качестве несущих поверхностей связывалась с идеей снижения сопротивления трения. Это и до сих пор продолжает привлекать изобретателей. Если же обратиться к истории, то следует отметить, что еще в 30-х годах проект быстроходного катера на колесах был предложен англичанами Ламбардини и Фиддерманом. Результаты своих теоретических и экспериментальных исследований они доложили в 1948 г. на Втором международном конгрессе по прикладной механике. Английские инженеры полагали, что, если установить под днищем судна ряд свободно или принудительно вращающихся цилиндров, то за счет снижения сопротивления трения скорость передвижения по поверхности воды возрастет. Но чтобы поддерживать судно над поверхностью воды, колеса одновременно должны создавать соответствующую подъемную силу. По существу англичане рассматривали движение колеса в режиме глиссирования. Однако, как показали проведенные позднее эксперименты, гидродинамическое качество (т. е. отношение подъемной силы к сопротивлению) колес может быть лишь немногим больше единицы, т. е. всегда оказывается значительно хуже, чем у обычного плоского днища.

Что же касается материалов по этому вопросу, опубликованных в некоторых популярных изданиях, то, к сожалению, все они грешат научной недостоверностью и поэтому вводят читателей в заблуждение.

Канд. техн. наук М. А. Басин : Я вообще не понимаю, зачем говорить о глиссирующем колесе как о новом принципе движения. Задача достижения высоких скоростей при движении по воде требует создания глиссирующей поверхности с высоким гидродинамическим качеством. Колесо (цилиндр), даже вращающееся в направлении движения, не обладает этим качеством, так как представляет собой глиссирующую поверхность с формой, далекой от оптимальной.

Резюмируем сказанное: движение колеса по водной поверхности не может быть идентичным движению по земпе, как на это рассчитывал Арфонс, а предположения Подорванова о большой несущей способности колес при глиссировании ошибочны.

Инж. Ю. А Голдобин : Предыдущие высказывания показали, что для увеличения скорости судна ставить его на колеса совершенно ни к чему. Мне хочется напомнить интересную мысль, высказанную известным аэродинамиком профессором Голубевым. Обычное колесо при движении по земле в любой момент, как известно, имеет точку, скорость которой относительно земли равна нулю, - это точка ее опоры. Подобным же образом и частицы воды, находящиеся на некотором удалении от обшивки движущегося судна, остаются в состоянии покоя, в то время как частицы, прилегающие к обшивке, силами вязкости увлекаются вместе с судном.

Из этой аналогии можно сделать вывод, что изобретенное человеком колесо является лишь грубой копией созданного природой вихревого механизма, который сейчас принято называть пограничным слоем.

Проблема состоит в создании оптимального режима взаимодействия пограничного слоя и корпуса. В науке эта проблема называется управлением пограничным слоем (УПС).

Что же имеется в виду под управлением пограничным слоем для снижения сопротивления трения?

: Одним из наиболее перспективных способов снижения сопротивления трения судна является создание на днище тонкой воздушной прослойки. При этом для достижения высоких результатов необходимо проектировать судно со специальной формой корпуса. Получаемый эффект достигается за счет уменьшения сопротивления трения той части поверхности корпуса, которая покрывается воздушной прослойкой и, грубо говоря, движется уже не в воде, а в воздухе. Расход воздуха, а следовательно, и мощности на поддув в этом случае получается несравнимо меньше, чем у судна на воздушной подушке обычного типа.

Инж. Ю. А. Голдобин : Любопытно, что эффект воздушной смазки был замечен на парусных швертботах, имеющих эжекторы в днище для откачивания попавшей в корпус воды. Если при большой скорости открыть эжекторы, то воздух засасываемый через них под днище, существенно уменьшает сопротивление и скорость швертбота при этом, несмотря на добавочное сопротивление самих эжекторов, заметно повышается, а за кормой можно наблюдать интенсивный воздушный след.

Инж. А. С. Павленко : Как сообщил журнал «Эр кашн», американцы при испытании 9-метрового быстроходного катера получили благодаря применению воздушной смазки снижение сопротивления трения на 40%. Следует, однако, отметить, что воздушная смазка - не единственный способ уменьшения сопротивления трения. Большой интерес представляют, например, податливые покрытия корпуса.

Речь идет о «дельфиньей коже»?

Инж. А. С. Павленко : Да, в популярной литературе такое название принято. Принципиально действие податливого покрытия объяснить несложно; одно из них, разработанное американским ученым Крамером, показано на рисунке. Изгибаясь под действием пульсирующих давлений, податливое покрытие как бы выравнивает, сглаживает поток, поглощает энергию поперечных колебаний пограничного слоя и таким образом ламинаризует его. На испытаниях, проведенных Крамером, удалось получить снижение сопротивления трения на 40%.

Канд. техн. наук В. П. Шадрин : Аналогия, конечно, есть, но далеко не полная. Принцип действия кожи дельфина, как и любой биологический саморегулирующейся системы, гораздо сложнее. Нервные окончания, которыми пронизана кожа дельфина, позволяют, очевидно, ей более активно взаимодействовать с окружающей средой и обеспечивают дополнительный выигрыш в сопротивлении. Механизм этого взаимодействия во многом не ясен.

Существует еще один способ снижения трения судна - введение в пограничный слой специальных полимерных веществ, например, окраска наружной обшивки выделяющей полимеры краской. Предполагают, что сравнительно длинные и гибкие молекулы полимеров являются своеобразной пружиной, гасящей колебания потока в пограничном слое. Располагаясь вдоль линий тока, такие молекулы сопротивляются поперечному перемешиванию воды и могут задержать переход ламинарного режима в турбулентный. Известно, что Международный Парусный Союз даже издал специальное постановление, запрещающее использовать такие покрытия на гоночных яхтах, чтобы не давать преимущества отдельным спортсменам.

Каковы физические основы действия полимерных покрытий и их перспективы?

Канд. техн. наук А. А. Бутузов : Механизм действия полимерных покрытий исследован пока слабо. Имеющиеся экспериментальные сведения еще не дают основания для каких-либо обобщающих выводов.

Инж. Ю. А. Голдобин : Известно любопытное сообщение об эксперименте, проделанном в США. С носовой части катера выливали в воду ведро раствора полимера. Скорость судна при этом мгновенно увеличивалась, ощущался толчок. Уменьшение трения оценивалось при этом величиной порядка 40%.

Обратимся теперь к более доступному средству повышения скоростей. Что можно сказать о будущем подводных крыльев! Может пи быть назван предел скорости, который доступен судам на крыльях!

Канд. техн. наук М. А. Басин : Назвать какую-либо определенную величину, пожалуй, не представляется возможным.

Инж. М. В. Михайлов : В авиации с ростом скоростей стали уходить на большие высоты, где плотность воздуха значительно меньше, чем у поверхности земли, а следовательно, меньше потери на трение. В судостроении происходит то же самое - подводные крылья нас уже не удовлетворяют, конструкторы добиваются теперь полного отрыва судна от слишком плотной среды - воды.

Мы, кажется, все-таки переходим к области применения судов на воздушной подушке и экраноппанов?

Инж. А. С. Павленко : Нет смысла говорить о теоретически предельно возможных скоростях с применением того или иного способа движения. Ведь имеются определенные границы, до которых использование каждого из этих способов практически целесообразно. Например, глиссер, движущийся со скоростью 100 км/час, по энергетическим затратам не имеет преимуществ перед судном на крыльях, тогда как по своим мореходным качествам он будет ему безнадежно проигрывать.

Инж. С. Б. Соловей : В такой же взаимосвязи следует рассматривать движение при использовании поддува воздуха под днище катера. Каждый способ эффективен лишь при определенных сочетаниях скорости и грузоподъемности судна.

Многих читателей нашего сборника интересует возможность создания многорежимного катера, который мог бы одинаково экономично ходить и с большой скоростью, и с малой. Для водного туризма такое судно не имело бы себе равных. Любителям отдыха на воде часто приходится преодолевать значительные расстояния, чтобы добраться до облюбованного места. Какие существуют, хотя бы пока теоретически, решения в этом направлении?

Инж. Ю. А, Голдобин : Самое простое - погрузить лодку на машину и забросить ее, куда нужно.

Канд. техн. наук М. М. Буньков : Если говорить серьезно, можно рекомендовать откидывающиеся подводные крылья. Другой интересный вариант - гидролыжи, патенты на которые зарегистрированы сейчас во многих странах. Принципиально назначение лыж то же, что и крыльев, - выталкивать корпус судна из воды, чтобы уменьшить его сопротивление. Разница заключается в том, что, во-первых, лыжи устанавливаются не поперек, а вдоль корпуса, и во-вторых, не находятся под водой, а скользят по ее поверхности. На стоянке и при движении с небольшой скоростью лыжи прижаты к днищу и не оказывают влияния на величину сопротивления корпуса. Конечно, гидродинамическое качество лыж ниже, чем подводных крыльев, и при равной мощности механической установки судно на крыльях сможет развить большую скорость, Это видно хотя бы при сопоставлении кривых сопротивления обоих судов. Но на волнении катер с гидролыжами оказывается более мореходным, по сравнению с глиссером. При движении с большой скоростью лыжи, скользя по взволнованной воде, за счет своей гибкости как бы следят за ее поверхностью и таким образом демпфируют, смягчают удары волн, превращающих обычно в пытку плавание на плоскодонном катере. Чтобы повысить демпфирующее действие лыж, японские судостроители предложили устанавливать их на амортизирующих опорах.

Известно, что при разгоне судна крылья создают огромное дополнительное сопротивление, которое на графике выглядит внушительным горбом. Лыжи такого горба не дают и сопротивление судна при увеличении скорости изменяется примерно так же, как и у обычного глиссирующего катера. Кроме того, изменяя угол наклона лыжи, можно регулировать подъемную силу, необходимую для того, чтобы оторвать корпус от воды. Каждый знакомый с воднолыжным спортом, легко может представить, как это делается.

Итак: лыжи, крылья, полимеры, поддув воздуха, податливые покрытия, - это основные направления, основные пути к достижению границ возможного в борьбе за скорость судна. Каждое из этих направлений, конечно, может быть темой специального разговора. Поэтому, выражая от имени читателей «Катеров и яхт» благодарность всем участникам сегодняшней беседы, мы надеемся, что они не откажутся в дальнейшем более полно изложить свои соображения по затронутым вопросам и с теоретической и с практической точек зрения.

Малые ракетные корабли сегодня становятся одними из самых массовых боевых единиц в ВМФ России. Не говоря уже о находящихся в строю советских МРК, для нужд российского флота параллельно строятся крупными сериями "Буяны" (проект 21631) и "Каракурты" (проект 22800). Доктор технических наук Виктор Дубровский подготовил для FlotProm статью, в которой рассчитывает варианты увеличения мореходности и скорости кораблей этого класса за счет изменения формы корпуса.

Введение

Рискну начать с идеи, которую фактически одобряют далеко не все кораблестроители: промышленность должна поставлять ВМФ такие корабли, которые в наибольшей степени соответствуют его нуждам. Однако реализация этой идеи возможна только при том обязательном условии, что заказчики, представители ВМФ, будут максимально полно и детально знать сегодняшние и, особенно, перспективные нужды флота, а также те возможности, которые может предоставить применение кораблей новых типов.

При этом одной из сторон проблемы является крайняя необходимость широкого технического кругозора представителей заказчика, потому что осознание перспективных возможностей сегодня неотделимо от понимания всего спектра возможностей, которые появились бы при использовании различных новых типов кораблей.

Надо иметь в виду, что современные надводные корабли – это "носители вместимости", говоря общими терминами. Это значит, что их размерения в основном определяются не массой полезной нагрузки, а площадью палуб, необходимой для размещения ее и экипажа (с учетом всех площадей, необходимых для управления кораблем и обслуживания его систем и устройств). Обычно сегодня полезная нагрузка надводных кораблей (НК) со стальным корпусом и надстройками находится в пределах 10-15% полного водоизмещения, редко превосходя 20%.

Особенно велики потребности в достаточно большой площади палубы (прежде всего – верхней) у НК с авиационным вооружением, в состав которого сегодня входят, прежде всего, беспилотные летательные аппараты.

Кроме того, важными оперативными качествами НК являются достижимая скорость хода и возможность ее поддержания в условиях морского волнения. Если первое достигается за счет современных энергетических установок, то второе почти не зависит от располагаемых мощностей ЭУ и определяется характеристиками корпуса, а также наличием систем успокоения качки. Отметим, что возможности таких систем в отношении продольной качки принципиально весьма малы у кораблей традиционного типа.

Отметим также, что скорость хода на волнении достаточной интенсивности практически всегда снижается (или изменяется курс, что удлиняет маршрут) для обеспечения тех уровней характеристик мореходности, которые требуются для безопасности плавания и возможности функционирования всех подсистем корабля, прежде всего – корпуса и экипажа. Это влияние тем больше, чем меньше водоизмещение НК и хуже мореходность, определяемая его архитектурно-конструктивным типом.

Таким образом, сегодня НК должен иметь достаточно большую площадь палуб, максимально высокую мореходность и высокие ходовые качества.

Все эти качества проще обеспечиваются при использовании многокорпусных НК, чем при традиционных однокорпусных. Так что ниже в качестве перспективных альтернативных вариантов НК, прежде всего – малого и среднего водоизмещения, наиболее подверженных влиянию волнения, рассматриваются многокорпусные НК различных типов.

Многолетние исследования и практика применения нескольких десятков построенных объектов с малой площадью ватерлинии показали их существенные преимущества по сравнению с традиционными. Обобщая, можно сказать, что многокорпусный объект с малой площадью ватерлинии имеет такую же мореходность, как однокорпусный в 5-15 раз большего водоизмещения (в зависимости от степени малости площади ватерлинии, которую удается обеспечить при выполнении всего комплекса требований к НК).

Например, на рис. 1 и 2 сравнены натурные данные об амплитудах килевой и бортовой качки традиционных кораблей водоизмещением 1000 и 3000 т (корвета и фрегата) и 600-тонного корабля с малой площадью ватерлинии (КМПВ), спроектированного в 70-е годы в качестве экспериментального (по данным модельных испытаний в мореходном бассейне ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова.). Рассматриваются варианты без успокоителей качки.

Рис. 1. Амплитуды килевой качки на встречном волнении: 1 – корвет, 1000 т, 12 узлов; 2 – КМПВ, попутное волнение, 10 узлов; 3 – то же, встречное волнение, 10 узлов; 4 - то же, 18 узлов; 5 – фрегат, 3000 т, 15 узлов.
Рис. 2. Амплитуды бортовой качки лагом к волне: 1 – корвет, 1000 т; 2 – фрегат, 3000 т; 3 – КМПВ, 10 узлов, 4 – то же, 18 узлов.

Очевидно не только преимущество КМПВ, но и обратная – по отношению к однокорпусным – зависимость качки от скорости хода: у КМПВ рост скорости приводит к снижению амплитуд качки. Так что для этих кораблей запас мощности реально вызывает рост скорости на волнении – в отличие от однокорпусных, где его невозможно реализовать из-за необходимости снижения скорости для поддержания нужного уровня мореходности.

Однако для предпроектного выбора одного или нескольких типов НК, которые целесообразно изучать более детально, участникам этого выбора надо как можно точнее понимать нужды ВМФ, а также то, как их обеспечение повлияет на конечные ТТХ кораблей различных типов. При этом невозможно ограничиться взаимодействием проектантов с заказчиком только самым ранним этапом проектирования. Это взаимодействие должно быть постоянным на предпроектных этапах, и доступным – на всех последующих, потому что на всех этапах проектирования возникают альтернативные технические решения, влияющие на результаты проектирования.

Предлагается рассмотреть последовательность предпроектных решений на примере малого ракетного корабля, МРК, поскольку он имеет небольшое водоизмещение, а потому может быть заменен кораблем нового типа без особых потрясений основ судостроения.

Предпроектные решения

В качестве исходного рассматриваются МРК проекта 21631, строящиеся в настоящее время. Первоначально интерес именно к этому назначению корабля был вызван возникновением вопроса: полезно ли удвоение скорости МРК с тактической точки зрения? Скажем, для максимально быстрого подхода на расстояние, равное дальности действия ракет – и быстрого выхода из зоны досягаемости ответным ударом? При дальности поражения морских целей до 300 км скорость до 50 узлов может быть полезной в указанном выше смысле. Однако пока целесообразность такого резкого повышения достижимой скорости с тактической точки зрения не оценена.

Без существенного повышения скорости переход к одному из новых типов кораблей, как минимум, позволит добиться более или менее (в зависимости от типа) заметного повышения мореходности, что особенно полезно для малотоннажного корабля.

Более высокая мореходность, вместе с увеличением площади палубы, позволит дополнительно принять авиационное вооружение (беспилотники) и достаточно эффективно его использовать.

Далее рассмотрены возможные ограничения и требования, которые могут определить выбор рассматриваемых типов. Отметим, что для обеспечения сравнимости все варианты должны иметь такую же площадь внутренних палуб в соединяющей корпуса платформе, какова площадь внутренних палуб и платформ исходного варианта. Кроме того, предполагается тот же комплект вооружения, т.е. его масса, при выборе размерений играющая роль полезной нагрузки.

Очевидно, что ограничение длины альтернативных вариантов отсутствует. Однако осадка у исходного корабля явно ограничена, и влияние этого обстоятельства следует рассмотреть. Такая же осадка может быть обеспечена:
- катамараном (двухкорпусным кораблем с традиционными обводами корпусов);
- КМПВ при особом выборе размерений;
- полу-КМПВ (когда носовые части корпусов имеют малую площадь ватерлинии, а кормовые – обычные обводы, что позволяет удобно разместить энергетическую установку (ЭУ) практически любой требуемой мощности).

Катамаран будет лучше традиционного варианта, кроме увеличенной площади палуб, по начальной поперечной остойчивости и по амплитудам бортовой качки (при примерно равных ускорениях этой качки, что можно обеспечить рациональным выбором размерений).

Небольшая осадка может быть обеспечена и при применении КМПВ, если высота его гондол (подводных водоизмещающих объемов) будет принята равной осадке при полном водоизмещении. При осадке, равной высоте гондол, КМПВ будет использоваться на тихой воде, а на волнении будет принимать водяной балласт для увеличения осадки, а потому – улучшения мореходности. Объем балласта при этом соответствует примерно половине полного объема стоек (т.е. объема от гондолы до платформы).

В этом случае высота главных двигателей может быть больше высоты гондол. Это вынудит либо переносить ЭУ в надводную платформу, либо существенно увеличивать ширину стоек (и плавно уменьшать к оконечностям; однако небольшая длина корпусов может при этом привести к неприемлемо большим углам заострения ватерлиний стоек, что увеличит буксировочное сопротивление). Понятно, что увеличение ширины стоек означает и увеличение площади ватерлинии, что приведет к ухудшению мореходности.

Перенесение двигателей в платформу означает применение более сложной и дорогой передачи мощности на движители, например, наклонных валопроводов, или угловых редукторов, или электропередачи. Все это усложняет и удорожает КМПВ с ограниченной осадкой.

Тот же результат – увеличение площади ватерлинии и обусловленное этим ухудшение мореходности – будет иметь место при использовании полу-КПМВ.

Таким образом, жесткое ограничение осадки в исходных данных ограничит количество типов, форму обводов или возможные варианты ЭУ.

Надо отметить, что все корабли с ограниченной осадкой должны иметь водометные движители – как и исходный традиционный корабль.

Использование преимуществ КМПВ наиболее дешево обойдется при отсутствии ограничений осадки.

Одним из условий, влияющих на выбор типа, в данном случае является высота пусковой установки основных ракет. Если эта высота больше 5 м, что не позволит разместить их в пределах двухярусной платформы, соединяющей корпуса, то наиболее удобно использование варианта с аутригерами; при этом пусковые установки будут линейно размещены в надстройке над основным корпусом – с возможностью нахождения их нижних частей в стойке корпуса. При этом аутригеры и соединяющая их с корпусом надстройка будут дополнительной защитой пусковых установок.

Этот вариант может иметь такой же главный двигатель и движитель, как и исходный однокорпусный прототип. Тогда можно ожидать снижения достижимой скорости на тихой воде. Однако, за счет снижения потерь скорости на волнении, средняя скорость в морских условиях может остаться практически той же.

Более традиционно для боевых кораблей можно использовать двухвальную ЭУ; при этом будет обеспечена такая же скорость на тихой воде, как у однокорпусного прототипа - за счет роста мощности и повышения пропульсивного КПД при увеличении площади двух движителей по сравнению с одним (при той же осадке). При этом увеличение суммарного гидродинамического сечения движителей позволит применять винты вместо более дорогих и сложных водометов. В этом случает также средняя скорость на волнении будет выше, чем у однокорпусного прототипа.

Наконец, может быть обеспечена примерно в два раза более высокая достижимая скорость КМПВ по сравнению с традиционным прототипом – понятно, с заметным увеличением мощности ЭУ и водоизмещения корабля.

Все перечисленные варианты могут иметь дополнительное вооружение, что должно быть учтено как в исходной величине полезной нагрузки, так и в величине необходимой площади палуб.

Таким образом, в зависимости от нужд заказчика могут быть рассмотрены следующие альтернативные варианты МРК при ограничении осадки:
- катамаран
- КМПВ с двумя осадками, для тихой воды и для волнения, с ЭУ в гондолах или в надводной платформе;
- полу-КМПВ (с малой площадью ватерлинии носовых частей и традиционными обводами кормовых).

Если же ограничения осадки нет:
- КМПВ с аутригерами для того же диапазона скоростей, что и традиционный корабль, одновальный или двухвальный;
- двухкорпусный КМПВ с удвоенной, по сравнению с традиционным кораблем, скоростью полного хода.

Ниже для примера кратко показаны основные результаты ориентировочного выбора размерений и ожидаемые характеристики двух последних вариантов МРК.

Исходные данные

Однокорпусный прототип альтернативных вариантов имеет полное водоизмещение 949 т, наибольшую длину 74,1 м, ширину 11 м, высоту борта 6,57 м, осадку 2,6 м, скорость 25 узлов при мощности ЭУ 7,35 мВт и водометном движителе.

При высоте борта 6,57 м в корпусе по высоте могут быть размещены одна или две палубы; с ошибкой в безопасную сторону, при оценке площади внутренних помещений, включая площадь надстройки, допустим наличие двух палуб. Тогда площадь внутренних помещений, без настила второго дна, составит около 1300 кв м.

Примем массу полезной нагрузки, равной 15% полного водоизмещения, т.е. примерно 150 т.

Указанные величины скорости и мощности считаем исходными при проектных исследованиях.

Варианты, не имеющие ограничения по осадке

Минимальная габаритная ширина вариантов, не подверженных ограничению осадки, определяется по следующему требованию к начальной поперечной остойчивости: крен не более 10 градусов при стоянке лагом к ветру со скоростью 100 узлов (что соответствует неограниченному району плавания).

КМПВ с аутригерами

При размещении пусковых установок вблизи миделя примем такое же размещение аутригеров (для повышения защищенности основного вооружения корабля). Такое положение оптимально для скоростей в районе скорости экономического хода.

Применение специфической методики, учитывающей особенности КМПВ, позволяет определить размерения и характеристики КМПВ с аутригерами в нулевом приближении.

Габаритная ширина этого варианта определяется изложенным выше требованием к начальной остойчивости.

Ориентировочная схема общего расположения МРК с аутригерами показана на рис. 3.

КМПВ с "полуглиссирующими" обводами

Для существенного увеличения скорости КМПВ необходимо использовать новую форму обводов, обеспечивающую скорости вплоть до верхнего предела переходного скоростного режима.

Существенно увеличенная, по сравнению с предыдущими вариантами, мощность ЭУ требует увеличенной ширины стоек, а потому приводит к увеличению площади ватерлинии. Однако в расчетном режиме полного хода корабль будет всплывать до ватерлинии у верхней кромки гондол, так что здесь площадь ватерлинии стоек несколько ухудшит мореходность только при небольших скоростях. Это ухудшение должно быть максимально компенсировано системой успокоения качки.

Ориентировочная схема этого варианта КМПВ показана на рис. 4.

Ориентировочные данные о главных размерениях и основных характеристиках вариантов МРК, осадка которых не ограничена

Тип корабля	КМПВ с аутригерами, одновальный	То же, двухвальный	Двухкорпусный КМПВ
Площадь внутренних палуб в соединяющей корпуса надстройке, кв м
Вооружение и боезапас, т
Габаритные размерения, м
Осадка при полном водоизмещении, м
Полное водоизмещение, т
Мощность ЭУ, МВт
Скорость полного хода при полном водоизмещении, уз
Дальность плавания при скорости 15 узлов, мили
Интенсивность волнения, при которой нет ограничений скорости и курсового угла, баллы
Интенсивность волнения, при котором необходимо выбирать курсовые углы, баллы

Для определения размерений и характеристик кораблей с ограниченной осадкой и для уточнения данных о кораблях с неограниченной осадкой, необходимо определить 1-2 варианта, наиболее эффективных для ВМФ. Изложенное показывает, что многообразие изученных многокорпусных объектов позволяет существенно улучшить тактико-технические качества мало – и среднетоннажных НК. Однако для выбора вариантов, в наибольшей степени учитывающих потребности ВМФ, необходимо постоянное плотное сотрудничество заказчика и проектантов.

Виктор Дубровский, д.т.н.

Погоня за рекордами не чужда и морским путям. Рейс из Европы в Северную Америку на самолете занимает всего несколько часов, в то время как самому быстроходному судну, чтобы пересечь океан, требуется затратить три с половиной дня. Если говорить о транспортных судах сегодняшнего дня и ближайшего будущего, то они все еще двигаются намного медленнее, чем наиболее быстроходное пассажирское судно 25 лет назад. Лишь в 1973 г. торговое судно достигло рекордной скорости в 33 уз. Однако эта цифра и сегодня столь же мало характерна для среднего уровня достигнутых в морском торговом флоте скоростей, как и в предыдущие годы. Средние скорости судов намного ниже этого достигнутого единичными судами максимума, и для этого имеются основания. Повышение скорости, хотя и приводит к сокращению времени перевозки груза, материально обходится очень дорого. Корабли ВФМ развивают скорости не более 60 км/ч. С увеличением скорости сильно возрастают расходы на постройку судна и его эксплуатацию. Целесообразность повышения скорости определяется и продолжительностью стоянок судов в портах. С точки зрения экономической эффективности повышение скорости будет оправдано только в случае, если одновременно будут проведены обеспечивающие сокращение стояночного времени усовершенствования технологии обработки судов в портах. Так же корабли ВМФ сохраняют данную тенденцию, и их скорости колеблются от 50 до 60 км/ч. И этих скоростей достаточно для эффективного выполнения боевых задач.

«Петр Великий» развивает скорость 57 км/ч.

«Москва» максимальная скорость крейсера -- 60 кмч.

«Варяг» развивает скорость 60 км/ч.

«Настойчивый» скорость эсминца - 62 км/ч.

«Адмирал Флота Советского Союза Кузнецов» скорость - 53 км/ч.

Подводная лодка «Юрий Долгорукий» скорость надводная составляет 28 км/ч, скорость подводная - 53 км/ч.

Многоцелевая атомная подводная лодка 4-го поколения «Северодвинск», надводная скорость подлодки - 30 км/ч, подводная - 57 км/ч.

Сторожевой корабль «Татарстан» проекта 11661 («Гепард») является флагманом каспийской флотилии.Скорость - 52 км/ч.

Корвет «Сообразительный». Скорость корвета достигает 50 км/ч.

Так, начавшееся в 60-х годах стремление повысить эффективность сухогрузных судов за счет повышения их скорости не имело успеха. Качественно новые условия возникли лишь после внедрения контейнеров для перевозок генеральных грузов. В сочетании с созданием специальных комплектов для перегрузки контейнеров это привело к резкому сокращению простоев судов-контейнеровозов под грузовыми операциями и обеспечило необходимые предпосылки для повышения скорости транспортных судов. Быстроходные суда в любом случае очень дороги. Невзирая на это, скорость судов приобрела большое значение в конкурентной борьбе на мировом фрахтовом рынке, особенно для судов линейного плавания. Большая скорость считается признаком высокой конкурентной способности и служит соответствующей судоходной компании для завоевания или поддержания престижа; это присущее капиталистическим производственным отношениям явление способствует расточительству общественного труда. Сильно возрастающие с увеличением скорости эксплуатационные расходы накладываются на стоимость перевозимых грузов. Это оправдано только при перевозке ценных генеральных грузов, где высокие фрахтовые ставки могут окупиться за счет более быстрой доставки. Что же касается сухих и жидких массовых грузов, то они ввиду их меньшей стоимости не могут выдержать больших наценок на транспорт, иначе их дальнейшая переработка окажется экономически невыгодной. Поэтому среди быстроходных судов можно встретить только контейнеровозы, суда с горизонтальной погрузкой, рефрижераторные суда и лихтеровозы, т. е. главным образом суда, предназначенные для перевозки ценных штучных грузов, но отнюдь не танкеры и не суда для перевозки навалочных грузов. Отметим, что в последнее время в число быстроходных судов вошли также танкеры для перевозки сжиженных газов. Этот вид перевозок представляет собой особую проблему, которая будет рассмотрена позднее. Повышение скорости судов, однако, не является чисто экономической проблемой. Чем быстроходнее судно, тем более острые обводы оно должно иметь. Большие заострения корпуса, которые простираются от оконечностей судна почти к самому мидель-шпангоуту, приводят к очень неудобной форме судовых трюмов с точки зрения укладки грузов при погрузке либо к большим потерям кубатуры по сравнению с более тихоходными судами аналогичных размеров. В то же время именно контейнеры предъявляют очень высокие требования к кубатуре судовых трюмов.

Необходимая для движения судна мощность энергетической установки растет примерно пропорционально третьей степени скорости судна. Современное 14000-тонное сухогрузное судно для достижения скорости 18 уз обходится установкой мощностью примерно 8100 кВт, а всего в три раза больший по грузоподъемности контейнеровоз для достижения скорости 30 уз требует уже 85 тыс. кВт. Наряду с необходимостью установки таких мощных двигателей на борту судна требуется предусмотреть также возможность размещения запасов топлива для них. Если остановиться на этом примере, то выяснится, что сухогрузному судну для одного рейса в Восточную Азию потребуется «только» 1300 т топлива, в то время как упомянутый контейнеровоз вынужден будет везти с собой почти 11 тыс. т топлива, если не будет пополнять его запасы в пути, а заходы в промежуточные порты связаны с неизбежными потерями времени. В связи с дальнейшим ростом требований к скорости транспортных судов можно полагать, что повышение скоростей будет сдерживаться не только ростом расходов на постройку и эксплуатацию судов, но и определенными техническими и физическими аспектами этой проблемы. Верхний теоретический предел скорости любого судна, очевидно, будет достигнут тогда, когда вся его полезная грузоподъемность будет израсходована на массу двигателей и запасов топлива. Но для торговых судов такой вариант неприемлем. В самом деле, зачем должно идти в рейс судно, если оно не будет нести никакой полезной нагрузки? Однако ничего другого не получится, если, например, поставить задачу спроектировать судно с полной грузоподъемностью 10 тыс. т для плавания на линии протяженностью 10 тыс. миль со скоростью 40 уз. Грузоподъемности такого судна хватит только на то, чтобы принять запасы топлива, необходимые для работы энергетической установки мощностью более 75 тыс. кВт. С пустыми трюмами и с 10 тыс. т топлива в двойном дне и других отсеках это судно начнет рейс как танкер, а придет к месту назначения с пустыми топливными цистернами. Практически, однако, до этого дело не дойдет уже хотя бы потому, что одновременно со скоростью растут размеры судов. Это благоприятно сказывается на верхнем пределе мощности энергетической установки, которую можно поставить на судне, но, с другой стороны, требует обеспечить постоянную подачу груза в количествах, достаточных для загрузки таких больших судов.

Помимо приведенных выше соображений массогабаритного характера имеется и другой, гидродинамический предел скорости транспортных судов, связанный с резким повышением волнового сопротивления. Это вытекает из того обстоятельства, что начиная с определенного значения скорости сопротивление воды движению судна растет так сильно, что любое дальнейшее повышение скорости связано с чрезмерным ростом сопротивления. Так например, при дальнейшем повышении скорости большого 40-узлового сухогрузного судна всего на 1 уз требуется значительное увеличение мощности энергетической установки -- до 40%. Но такое повышение скорости обошлось бы слишком дорого. Отсюда появляется ограничение скорости для всех судов, плавающих на поверхности воды. Предельная скорость в соответствии с физическими закономерностями зависит от длины судна и имеет различное значение для судов с полными образованиями и с острыми обводами. Прогнозы наибольшей достижимой скорости сделаны, разумеется, только для водоизмещающих судов, которые в соответствии с законом Архимеда вытесняют столько воды, сколько весят они сами. К судам на подводных крыльях и на воздушной подушке, к глиссерам, а также к подводным судам эти прогнозы не относятся. Хотя скорости, закладываемые ныне в проекты быстроходных судов с острыми обводами, всегда оказываются ниже экстремальных значений, тем не менее вполне отчетливо прослеживается тенденция: быстроходные водоизмещающие суда одновременно должны быть большими по величине. Таким образом, прогнозы роста скорости должны учитывать также размеры судов. Удлинение судна с 300 до 400 м, например, хотя и повышает предельную скорость на 6 уз, но одновременно увеличивает грузоподъемность судна примерно с 40 тыс. т до 70 тыс. т. Такой контейнеровоз рассчитан на перевозку около 3000 20-футовых контейнеров. Все эти контейнеры должны быть в кратчайшие сроки поданы в порт для погрузки на судно и так же быстро вывезены из порта после разгрузки. Нельзя не отметить и трудности складирования такого большого количества ценных грузов.

В 1973 г. вступили в строй первые транспортные суда со скоростью 33 уз. В Японии проводятся исследования, связанные с постройкой 35-узлового контейнеровоза. Вполне возможно, что к концу столетия скорость контейнеровозов в отдельных случаях достигнет 40 уз. Однако, чтобы прийти к таким скоростям, нужны еще большие научно-технические достижения. Существенное противодействие росту скоростей судов оказывают резкие повышения цен на нефть и, как следствие, на топливо. С 1973 г. цены на топливо в международном судоходстве выросли в несколько раз. Поэтому теперь (да и в будущем) при выборе судов цены на топливо могут служить лишь для сугубо ориентировочных экономических оценок. В этой связи следует указать, что более быстроходные суда, как правило, не являются самыми экономичными. Примечательно, что самые быстроходные суда принадлежат судоходным компаниям, субсидируемым государством. Решающими при этом являются военные соображения, так как в рамках глобальной стратегии США быстроходным транспортным судам поручаются важные военные функции. Влияние этих обстоятельств на международное судоходства при проектировании контейнеровозов и судов с горизонтальной погрузкой исключает возможность выбора оптимальной с экономической точки зрения скорости. Конкуренция капиталистических судоходных компаний приводит к завышению скорости таких судов. В противовес этому отвечают научно-исследовательские работы, ведущие к достижению более высоких скоростей за счет снижения сопротивления воды и повышения коэффициента полезного действия судовых энергетических установок. Наиболее часто применяемым средством для снижения сопротивления воды является носовой бульб, который дает максимальный эффект при умеренно острых обводах: при очень острых обводах носовой бульб дает около 5% экономии мощности, при более полных до 10--15%.

Все более широкий ассортимент покрытий судового корпуса, предлагаемый лакокрасочной промышленностью, позволяет уменьшить коррозию и обрастание корпуса, что также ведет к некоторому, хотя и небольшому, уменьшению сопротивления трения. Значительно большего эффекта можно ожидать в будущем от вдувания воздуха и впрыска высокополимерных растворов (насколько это позволяют соображения охраны окружающей среды) в пограничный слой между корпусом и водой. Эффект наступит тогда, когда расходы на эти мероприятия будут окупаться пользой от них в виде экономии мощности и топлива. В настоящее время еще трудно сказать, когда это произойдет. Для уменьшения сопротивления большое значение имеет правильный выбор соотношения между длиной и шириной судна, особенно сейчас, когда наблюдается дальнейший рост скоростей и размеров судов. Все это служит одной цели -- максимально возможному уменьшению мощности судовых энергетических установок. Для водоизмещающего судна обычного типа, передвигающегося на границе раздела двух сред -- воды и воздуха, едва ли достижима скорость более 40--45 уз. Если же требуется большая скорость, необходимо использовать новые способы движения судов. Это не означает, однако, простого отхода от принятой ныне формы корпуса. Корпус судна должен покинуть границу раздела и двигаться только в одной среде. Для этого имеются два пути: вниз, под поверхность воды, или вверх, над нею. В обоих случаях волновое сопротивление должно исчезнуть. И действительно, над поверхностью воды или под нею судно может двигаться быстрее, ограничения скорости теряют силу. волновой корабль гидродинамический

Ожидается, что переход от однокорпусных к многокорпусным судам также приведет к росту скоростей. В принципе, однако, любое повышение скорости судна сопряжено со значительным увеличением мощности. Интересно, что характер повышения мощности с ростом скорости весьма различен для судов разного типа. Превосходство одного типа корпуса над другим всегда связано с каким-то определенным диапазоном скоростей. Если вначале отвлечься от проблем, связанных с выбором главных двигателей, то на перспективу с точки зрения достижимых скоростей можно предложить следующую новую классификацию судов:

• -- водоизмещающие однокорпусные суда, передвигающиеся на поверхности воды, в полупогруженном состоянии и под поверхностью;
• -- водоизмещающие суда с двумя или большим числом корпусов, передвигающиеся на поверхности воды и в полупогруженном состоянии;
• -- суда с гидродинамическими силами поддержания: глиссирующие и на подводных крыльях;
• -- парящие суда: на воздушной подушке с аэростатической силой поддержания и экранопланы с аэродинамической силой поддержания.

У всех судов необычного типа, корпус которых либо вынесен над поверхностью воды либо опущен под воду, исчезает волновое сопротивление, которое является доминирующей частью полного сопротивления воды для обычных водоизмещающих судов. В действительности достигнуты (или предусмотрены в проектах) такие максимальные скорости. Подводные транспортные 50--60 уз. Полупогруженные многокорпусные 50--80 уз. На подводных крыльях 60--100 уз. На воздушной подушке 80--200 уз.

Эти скорости существенно выше, чем у обычных торговых судов. Диапазон скоростей движения между транспортной авиацией и морским торговым флотом будет заполнен, по крайней мере частично, судами на подводных крыльях и на воздушной подушке. Во всяком случае, представления о перспективах развития судов этих двух типов заходят весьма далеко. Хотя проекты тяжелых, массой во многие тысячи тонн, судов на подводных крыльях и на воздушной подушке скоростями порядка 150 уз и даже более 200 уз признаются технически осуществимыми, однако постройка их остается нереализованной, поскольку пока отсутствует общественно обусловленная необходимость этого. Можно предполагать, что для осуществления подобных проектов потребуются десятилетия, в течение которых неизбежны большие достижения и в других областях транспорта. В будущем к эффективности морского транспорта будут предъявлены высокие требования. Удастся ли, однако, с помощью известных доселе технических средств создать суда, которые смогут удовлетворить пожелания клиентуры морского транспорта? Возрастающий уровень специализации судов и увеличение их размеров создают предпосылки для морских перевозок грузов с минимальной затратой средств. Автоматизация судовых производственных процессов в сочетании с их высокой надежностью также будет способствовать повышению экономичности судов. Однако достаточно ли этого? Не возникнет ли перед морским флотом будущего проблема удовлетворения новых, сегодня еще не известных потребностей общества? По-видимому, так оно и будет. Нерешенным остается также вопрос о том, сможет ли морской флот в будущем удовлетворять требования высоких скоростей перевозок ценных грузов. Уже сейчас авиация представляет собой альтернативу трансокеанским перевозкам на судах. Достижение высоких скоростей является важнейшей перспективной задачей для всего международного судоходства. При этом имеются в виду не только перевозки ценных грузов, но и расширяющиеся паромные сообщения и туризм.

Но как может быть сокращено ходовое время, если возможности для повышения скорости паромов обычного типа уже практически исчерпаны? Будут ли эти транспортные задачи в дальнейшем возложены на вертолеты либо, скажем, на дирижабли, или эксплуатация быстроходных судов на подводных крыльях и на воздушной подушке окажется более экономичной? Совершенно новые, необычные задачи встают перед морским судоходством в связи с более интенсивным использованием северных морских путей. Суда, прокладывающие свой путь через арктические льды с целью вовлечения и этой части Земли в сферу хозяйственной деятельности, являются предтечами судов будущего. Сегодня еще почти невозможно предвидеть, какие требования предъявит к судостроению и судоходству добыча морского сырья, значение которой будет все больше возрастать. С нашей сегодняшней точки зрения будущие инженерные сооружения, предназначенные для добычи морского сырья на поверхности моря, под его поверхностью или на морском дне, а также плавучие обогатительные фабрики, плавучие станции для сжижения природного газа и другие плавучие предприятия должны выглядеть в высшей степени необычно. Естественно, что в этом перспективном производственном процессе на море трудно будет провести четкую грань между судами и другими промышленными сооружениями. Однако этими и другими вопросами неизбежно придется заниматься, поскольку речь идет о судах завтрашнего дня. Новые задачи ведут к новым техническим и технологическим решениям. Наряду со все совершенствующимися судами обычного типа свой вклад в решение будущих транспортных проблем на море внесут и транспортные средства нового, нетрадиционного типа.

УДК 656.6 Костенко Виктория Николаевна Одесская национальная морская академия, факультет судовождения на морских и внутренних водных путях 2 курс, группа 1221

Руководитель - доц. Сиряченко В.Ф., кафедра теории и устройства судна

ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ВОДОИЗМЕЩАЮЩЕГО СУДНА

Морские и океанские акватории, покрывающие 2/3 поверхности Земли, в течение многих веков являются естественными транспортными артериями между островными и прибрежными странами. Морской транспорт остается основным видом, способным обеспечить большие грузопотоки между континентами, а освоение минеральных и биологических ресурсов мирового океана еще более повышает роль морского флота. Однако скорость транспортных судов мало изменялась за прошедшие века, и уже не соответствует темпам развития современной экономики.
В поисках путей повышения скорости предпринимались попытки отделить суда от поверхности воды и таким образом избежать ограничений скорости. Однако водоизмещающие суда по-прежнему остаются наиболее практичными, экономичными и комфортабельными. Поэтому приходится, насколько это возможно, устранять присущие им недостатки или в крайнем случае мириться с ними.
Водоизмещающие суда испытывают значительное сопротивление воды и достигнув скорости порядка 40 узлов, уже не могут существенно прибавить в скорости (и в экономичности), даже если мощность энергетической установки будет существенно увеличена. Поэтому проблему увеличения скорости судна невозможно решать без рассмотрения каждого вида сопротивления, которое на него оказывается.
Корпус, движущийся в воде, испытывает сопротивление воды и воздуха, препятствующее его движению. Сопротивлением воздуха можно пренебречь. Сопротивление воды складывается из сопротивления трения, формы и волнового сопротивления.
Известна старая идея Ньютона, описывающая давление, оказываемое ударным слоем на корпус судна. Используя ее содержание для определения силы сопротивления, расчётная формула принята в следующем виде:

Исследования показали, что зависимость полного сопротивления судна от скорости не является квадратичной, и при разных числах Фруда коэффициент k 1 меняется в пределах 2 < k 1 <3 в зависимости от угла входа действующей ватерлинии.
Значительная часть мощности двигателя затрачивается на преодоление важной части сопротивления - трения воды о корпус судна.
В настоящее время существует множество методов, идей и проектов, направленных на управление пограничным слоем с целью снижения турбулентности, от традиционных до экзотических.
Главный традиционный метод - докование судна с обязательной очисткой подводной части корпуса и покрытием его противообрастающими красками.
Экзотических разработок методов уменьшения сопротивления трения в настоящее время довольно много.
Например, добавка химикатов. Известны результаты испытания, проведенного в 1968 г. на английском минном тральщике «Хайбэтон», когда из носовой части судна во время хода постоянно выпускали очень слабый раствор полиоксиэтилена. Сопротивление трения катера благодаря этому уменьшалось в зависимости от скорости и волнения на 22-36%, экономия мощности двигателя составила 12-20%. Однако экономия топлива не покрыла расходов по использованию полимера.
Любопытным, однако, в некотором роде непрактичным, может показаться система воздушной смазки, принцип работы которой основан на сокращении сопротивления между корпусом судна за счет использования воздушных пузырьков, создаваемых под корпусом. В ходе испытаний, проведенных в 2010 на грузовом судне Yamatai, выяснилось, что пузырьковая система позволяет экономить 10% топлива с учетом расхода электроэнергии на работу воздушных компрессоров.
Также учеными из США было создано покрытие, основанное на принципе кожи дельфина. Чтобы запустить механизм очистки, нужно приложить к данному материалу электроимпульс или же повысить оказываемое на него давление. Тогда он сморщивается, при этом закрепившиеся на его поверхности биоплёнки, и в итоге сами отваливаются.
Интересным направлением является конструктирование судов с выемками (лунками на обтекаемой поверхности), используя явление движения мяча для гольфа. Известно, что оставляемый мячом с лунками вакуумный след меньше, чем обычным мячем, а торможение его – слабее. Поэтому, можно предположить, что конструирование судов с выемками на корпусе может помочь сделать само судно более эффективным, значительно уменьшив его сопротивление трения.
Еще одно экзотическое направление – создание супергидрофобной поверхности судна на основании природной модели водяного папоротника salvinia molesta. Исследователи полагают, что, воспроизведя механизм, с помощью которого salvinia molesta выходит сухой из воды, можно будет экономить до 10% горючего при эксплуатации судов.
Вторая составляющая полного сопротивления - это сопротивление формы, у некоторых типов судов (особенно у барж) оно может составлять до 50 % полного сопротивления. Поэтому на сегодняшний день важной задачей является проектирование оптимальной формы корпуса судна. При нахождении оптимальной длины корпуса судна, например, необходимо помнить, что тихоходные суда, сопротивление которых состоит преимущественно из трения, выгодно строить относительно короткими, а быстроходные – удлиненными.
Однако главным препятствием на пути повышения скорости водоизмещающих судов является волновое сопротивление, так как по мере увеличения скорости оно возрастает примерно пропорционально четвертой степени.
Поиски способов уменьшения волнового сопротивления велись в различных направлениях и породили многочисленные предположения, многие из которых оказались фантастическими и непрактичными, а некоторые – весьма важными и перспективными.
Идея носового расположения движителя возникла у австрийского инженера Виктора Шаубергера. Носовой и кормовой винты предлагалось вращать в разные стороны. Циркулирующая при помощи винтов вода имеет при этом форму вытянутого тора, а движение судна должно было происходить за счет трения этого тора с окружающей водой. Но, к сожалению, эта идея не нашла своего практического применения в судостроении ввиду того, что «активный носовой бульб» неудобен в эксплуатации - он затрудняет маневрирование, а также затрудняют отдачу якорей.
В основе плавникового движителя лежит «коньковый ход», используемый большинством рыб и китообразных. Поступательное движение рыбы обеспечивается своеобразным эффектом, возникающим при колебаниях хвостового плавника, который как бы соскальзывает со “щеки” водяного клина. В случае достаточно быстрого (импульсного) приложения силы со стороны плавника водяной клин приобретает свойства твердого тела, т.е. играет роль именно клина-ускорителя, с которого соскальзывает упругий гибкий плавник. Данная гипотеза проверялась в практическом использовании Г. Боуласом и Г. Семеновым на моделях катамаранов с плавниковыми движителями, а также исследователями Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.
Однако, в наше время наиболее практичным и общеприменимым способом уменьшения волнового сопротивления является использование интерферирующих устройств, к которым относятся бортовые були, носовые бульбы и подводные крылья.
Расчеты показывают, что для увеличения скорости хода судна при той же мощности его энергетической установки достаточно увеличить площадь носовых обводов, что можно осуществить с помощью использования носового бульба.
При его отсутствии недалеко от носа судна происходит отрыв потока, а с установкой бульба средняя скорость потока, обтекающего подводную часть корпуса, понижается в такой степени, что происходит уменьшение вязкостного сопротивления.
Также перспективным может оказаться использование двойного бульба на комбинированных судах.
Как показали испытания больших судов, уменьшение полного сопротивления благодаря использованию таких форм носовой оконечности составило 15%. Следует заметить, что сопротивление значительно уменьшается не только при движении судна в полном грузу, но и в балластных пробегах при малых осадках. Это означает, что эффективность бульба сохраняется и при его приближении к поверхности воды.
В заключение следует отметить, что путем выбора оптимальной формы носовой оконечности корпуса судна можно существенно уменьшить затраты мощности на преодоление волнового сопротивления. Однако и в настоящее время волнообразование по-прежнему остается сложным и неблагоприятным природным явлением, которое проектант не может не учитывать.

Список использованных материалов:
1. Шапиро Л.С. Самые быстрые корабли. – 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Судостроение, 1989. – С. 28-39.
2. Гилмер Т.С. Проектирование современного корабля/ Е.А. Будяковский, А.О. Виглина, Е.А. Широкова. – 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1984. – С. 142-159.
3. Короткин А.И. Мифы и реальность гидробионики. – СПб.: МорВест, 2012. 88 с.
4. Басин А.М. Ходкость и управляемость судов. – М.: Транспорт, 1977. – С. 71-74.
5. Donnelly K.J. Reduction of Ship Resistance through Induced Turbulent Layers. – F.: Master of Science in Ocean Engineering, 2010. – 65 p.
6. Семенов Г. Катамаран с плавниковым движителем//Катера и яхты. – Вып. 169. – М.: Царь, 1999. – С.54-55.
7. Чижиумов С.Д., Беляев В.А., Кузнецов Д.С. Проекты плавниковых движителей. – Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет,2012 – С. 57-63

/пиратами , торговцам , чтобы успевать воремя сбыть товар и удирать от пиратов , пиратам, чтобы догонять торговцев , наемникам, чтобы успевать в срок выполнять правительственные задания , ну и, конечно же рейнджерам , чтобы успешно выполнять все и сразу.

Расчет скорости корабля

Скорость является одной из самых комплексных характеристик и зависит от целого ряда параметров, главным из которых, конечно же, является номинальная скорость двигателя , на которую и накладываются различные эффекты ускорения и замедления.

Эффекты замедления

Перегруз

Большая масса корабля, оборудования и груза, который он везет в трюме может привести к снижению скорости. При этом коэффициент замедления колеблется от 1 до 0,333 и вычисляется по формуле:

Коэффициент замедления = 122,333 - 0,045 * Масса корабля

Таким образом при массе корабля 2000 коэф. примет свое минимальное значение и при дальнейшем росте массы снижаться не будет.

Перегрев

Сломанный двигатель

Эффекты ускорения

Оборудование

Некоторые образцы акринового оборудования или корпусов , могут давать бонусы (или штрафы) к скорости в виде целого числа, а не коэффициента.

Форсаж

Гаалистра времени

Стимулятор , заставляющий мозг работать в несколько тысяч раз быстрее и помимо бонусов к навыкам на треть увеличивает скорость корабля, добавляя тем самым в формулу скорости коэффициент 1,3 .

Артефакты

• Пси-ускоритель материи - при помощи собственного мощного сознания позволяет двигателю использовать физические законы пси-пространства. Реализуя некоторые из этих законов, двигатель существенно увеличивает скорость движения. В первой и второй частях космосаги добавляет +100 ед. скорости , в КРHD целочисленный бонус был заменен на коэффициентный - 1,2 , т.е. бонус составляет 20% .
• Сопланатор - Самораспаковывающийся комплект дополнительных сопел, которые подключаются за счет одного неиспользуемого орудийного отсека. Благодаря более свободному выбросу энергии в космическое пространство скорость корабля увеличивается. Дает постоянный бонус +100 ед. к скорости .

Механизм вычисления скорости

Итоговая скорость = BS * SW * SE * SBE * H + FS

• BS = скорость двигателя
• SW = снижение скорости из-за перегрузки (от 0.333 до 1)
• SE = снижение скорости из-за перегрева (от 0.5 до 1)
• SBE = снижение скорости при сломанном двигателе (0.6 или 1)
• H = произведение всех коэффициентов ускорения
• FS = сумма всех бонусов к скорости (в т.ч. от акрина)

Изменения механизма вычисления скорости в КРHD

• Штраф от сломанного движка увеличен до 70%
• Эффекты замедления накладываются в соответствии с формулой:

• Чистые эффекты (flat) накладываются до вычисления скалирующих
• Всё уменьшение скорости, ниже 200 идёт с 80% штрафом
• Всё увеличение скорости, выше 1000 идёт с 30% штрафом
• Всё увеличение скорости, выше 1500 идёт с 50% штрафом
• Всё увеличение скорости, выше 2000 идёт с 80% штрафом

Примеры

Примечания

Игровой процесс