Владивосток
Дальнаука
2003

УДК 532.5, 629.5

Храмушин В.Н. Поисковые исследования штормовой мореходности корабля. Владивосток: Дальнаука, 2003.-172 с., Ил. 98, таб. 4, библ. 86.

ISBN 5-8044-0367-2.

В книге рассматриваются вопросы выбора обводов корпуса и внешней архитектуры корабля с позиций наилучшей штормовой мореходности и безопасности в сложных условиях плавания. Проектирование океанского корабля, являющегося сложным инженерным сооружением, требует всестороннего изучения множества технологических и эксплуатационных факторов. Совместное использование исторического опыта хорошей морской практики, аналитических и экспериментальных исследований позволило найти некоторые подходы к непротиворечивой оптимизации основных элементов формы корпуса и общекорабельной архитектуры и согласовать методы повышения мореходности некоторых классов кораблей и судов.

Эти вопросы последовательно обсуждаются в книге в форме технико-исторического анализа мореходности, физико-геометрического представления о корабельном волнообразовании и взаимодействии корпуса с морским волнением, интерпретации специальных сравнительных экспериментов с гипотетической моделью корабля, что в заключение позволяет предложить новые обводы корпусов и внешней архитектуры кораблей и судов повышенной штормовой мореходности.

Книга может представлять интерес для судоводителей, корабельных инженеров, студентов морских институтов и всех интересующихся историей флота, мореходностью кораблей и вопросами проектирования формы корпуса и общекорабельной архитектуры.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дальневосточные морские пути России, особенно в северо-западных акваториях Тихого океана, характеризуются постоянным ветровым волнением и зыбью повышенной интенсивности. Эффективность морских транспортных коммуникаций и рыбных промыслов в существенной степени определяется способностью судов двигаться произвольным курсом и выполнять производственные задачи при свежем ветре и волнении. Российский военно-морской флот также должен выполнять поставленные перед ним задачи в любых погодных условиях, когда боеготовность и безопасность плавания в наибольшей степени зависят от мореходных качеств корабля в условиях океанской зыби, штормового ветра и волнения.

Весьма актуальными представляются анализ основных принципов проектирования наиболее известных исторических кораблей и судов, мореходность которых опробована в реальной морской практике. Целью такого анализа является поиск принципиально новых перспективных технических решений по улучшению мореходных качеств корабля, определяемых гидродинамическими особенностями формы корпуса и аэродинамическими характеристиками его общекорабельной архитектуры.

Традиционные решения, реализуемые в современном кораблестроении, дают большое разнообразие в форме и обводах корпуса, так же как и в принципах построения общекорабельной архитектуры, которые существенно отличаются от аналогичных технических решений, реализованных в конце XIX – начале XX вв., когда в проектах кораблей и судов реализовывались практически одинаковые принципы, отличавшиеся от современных существенно более сложными проектными и технологическими решениями.

Соответственно искомое исследование штормовой мореходности изначально становилось на позиции изучения основ хорошей морской практики, а основные выводы о наилучшей мореходности опробовались при ходовых вахтах автора на мостиках реальных судов. Экспериментальной базой служил анализ успешных, и не очень, результатов практического маневрирования рыбопромысловых и транспортных судов в штормовом море. Впоследствии выводы из навигационной практики применялись в теоретических исследованиях, в постановке вычислительных экспериментов, а также в разработке программ опытовых сравнительных и мореходных испытаний моделей судов различного класса. Наиболее значимые экспериментальные работы выполнены при активном участии профессора кафедры теория корабля Ленинградского кораблестроительного института, д.т.н. Александра Николаевича Холодилина, являвшегося руководителем настоящей работы в рамках научных исследований по специализации «Гидромеханика корабля».

Изучение мореходности корабля в условиях штормового волнения инициировано преподавателями судоводительского отделения Калининградского мореходного училища в 1976 г. Тогда же были построены первые опытовые модели и проведены успешные и вполне показательные эксперименты. В 1980 году работы возобновлены в Ленинградском кораблестроительном институте (ныне Санкт-Петербургский государственный морской технический университет - СПбГМТУ), где разрабатывались математические модели формы корпуса и методы оптимизации его по волновому сопротивлению. В 1983-1984 гг., при активном участии Морского института Дальневосточного государственного университета, исследования и проработки основных элементов новой формы корпуса выполнялись на рыболовных судах Тихоокеанского управления рыбопоискового и научно-исследовательского флота (ТУРНИФ), где были реально опробованы (на ходовом мостике) основные положения и выводы технико-исторического анализа мореходности и хорошей морской практики.

Теоретические и экспериментальные результаты получены в 1985-1986 гг. на кафедре теории корабля СПбГМТУ, тогда же выполнена широкая серия научных обсуждений, докладов и представлений результатов на выставках, в том числе на всесоюзной конференции Советского научного общества истории философии, естествознания и техники (СНОИФЕТ), на секции Научно-технического общества имени академика А.Н. Крылова, с опубликованием материалов в сборниках дальневосточного отделения этого общества.

В 1987 г. исследования по теме «Мореходность» перенесены на Сахалин, где они были активизированы в Сахалинском отделении Русского географического общества, и в настоящее время ведутся в Сахалинском государственном университете, лаб. вычислительной гидромеханики и морских исследований, при участии Морского института Дальневосточного государственного технического университета (ДВГТУ) и кафедры кораблестроения Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

В 1999 г. материалы исследований частично опубликованы в интернете: http://www.science.sakhalin.ru/Ship/Ship_00.html, и в 2001 г. первый научный отчет под названием "Поисковые исследования нетрадиционных решений по оптимизации корпуса корабля для повышения эксплуатационных и боевых качеств" представлен на госрегистрацию.

Двадцать девятого апреля 2002 г. в США также объявлено о завершении конкурсных исследований по архитектуре нового боевого корабля повышенной мореходности - корабля XXI в., которыми должны стать эсминцы типа "Zumwalt" проекта DD(X), и крейсера типа "Arsenal" проекта CS(X), форма корпуса которых в немалой степени соответствует результатам и выводам из исследований по теме "Мореходность". Военное ведомство США начало финансирование завершающих стадий проектирования, выполняемых корпорациями General Dynamics и Northrop Grumman, с последующим строительством нового корабля на верфях Ingalls Shipbuilding в Паскагула (Pascagoula), штат Миссисипи.

ВВЕДЕНИЕ

Работа может быть разделена на три взаимосвязанных направления исследований, которые в целом образуют методический подход к проектированию формы корпуса и общекорабельной архитектуры как единой инженерной системы, допускающей реализацию непротиворечивых технических решений. Первое направление - технико-исторический анализ развития представлений об оптимальных по мореходным свойствам форме корпуса и архитектуре корабля. Анализ опирается на наиболее известные океанские корабли, которые в прошлом проектировали сами же мореплаватели, знающие как назначение корабля, так и условия его плавания. Второе, теоретическое направление оперирует физико-математическими решениями с использованием вычислительной математики и геометрической интерпретации формы корпуса корабля как источника излучения корабельных волн и как объекта, подверженного воздействию со стороны штормового волнения. Третье, экспериментальное направление исследований начинается с проектирования гипотетической модели корабля и интерпретации его кривых элементов теоретического чертежа, диаграмм остойчивости и других архитектурных и мореходных особенностей новой формы корпуса. Эти материалы предваряют сравнительный анализ результатов испытаний ходкости и мореходности нового корпуса. Сравнительные ходовые и мореходные испытания выполнены в опытовом бассейне гравитационного типа Санкт-Петербургского морского технического университета, целью которых являлась апробация результатов технико-инженерного анализа и физико-математических исследований, а также сбор экспериментальных данных для обоснования новых теоретических исследований в области как проектирования нового корабля, так и эксплуатации действующего флота. В заключении делается попытка составления новой системы непротиворечивых требований к форме корпуса и внешнему виду корабля в целом.

Технико-исторический анализ мореходности кораблей и судов в большей степени опирается на практический опыт и знания, полученные на теоретических занятиях и семинарских дискуссиях на курсах морского дела Судоводительского отделения Калининградского мореходного училища.

При анализе исторических проектных решений по форме корпуса и общекорабельной архитектуре средневековых кораблей использован альбом чертежей «Architectura Navalis Mercatoria» [Friderik Henrik of Chapman, 1968], в котором показан высокий технический уровень строительства и эксплуатации морского флота того времени. Подробный и своеобразный анализ мореходности судов русских поморов выполнен К.В. Бадигиным в очерках по истории ледовых плаваний последних «По студеным морям» [1956]. Он показывает особенности эксплуатации кораблей в сложных условиях полярного плавания и, пожалуй, является одним из немногих исследований по мореходности корабля, освещающих вопросы штормовой и ледовой эксплуатации древних кораблей. Дополнительные материалы по истории европейского кораблестроения можно найти в книгах Х. Ханке «Люди, корабли, океаны» [1976] или О. Курти, «Постройка моделей судов» [1977]. К 300-летию российского флота авторитетными морскими офицерами Тихоокеанского флота опубликованы две книги с обширными технико-историческими материалами: «Надводные корабли России: история и современность» и «Подводные лодки России: история и современность» [Хмельнов и др., 1996 а, б], в которых приводится наиболее полный иллюстративный материал по истории флота и судостроения. Нельзя не упомянуть серию любопытных публикаций Р.М. Мельникова, таких как «Миноносцы типа Измаил» [1981] и другие, однако в них много внимания уделяется достижениям технологии судостроения, количеству вооружений на единицу площади верхних палуб, а также вопросам снабжения и технической эксплуатации флота, успешное решение которых не всегда связано с улучшением мореходных качеств корабля.

Технико-исторический анализ мореходности завершается формированием проектных требований к судовым обводам, которые затем используются в качестве основы при математическом описании и вычислительной оптимизации различных вариантов формы корпуса корабля. Вычислительные эксперименты позволили также оценить влияние основных элементов формы корпуса на корабельное волнообразование и взаимодействие корпуса с морским волнением. При вычислительном анализе волнового сопротивления корабля основой служила книга Г.Е. Павленко "Сопротивление воды движению судов" [1953], в которой много внимания уделяется физико-геометрической интерпретации корабельного волнообразования, с использованием которой строятся и реализуются полуэмпирические методы численного интегрирования формул Мичелла. В книге Дж. Нъюмена "Морская гидродинамика" [1985] были найдены основные идеи и методы физической интерпретации формул Мичелла, использованные при построении вычислительных экспериментов для решения проектных задач настоящего исследования. В этой же работе наглядно иллюстрируется картина волнообразования, которая была использована при получении математических зависимостей для учета конечности амплитуды корабельной волны вблизи корпуса. Аналитическое описание формы корпуса для проведения систематических расчетов волнового сопротивления основывалось на эмпирических формулах, обеспечивающих форму шпангоутам, близкую к обводам, показанным в статье Ю.С. Тимошина "Возможности применения вычислительных методов для оптимизации обводов корпуса" [1975].

Теоретический корпус гипотетической модели корабля был спроектирован так, чтобы можно было провести сравнение испытаний со стандартной серией Тейлора, материалы о которой приведены в книгах "Основы корабельной архитектуры" [1948] и Г.Е. Павленко[1953]. Так как испытания проводились на критических скоростях хода и при максимально допустимом волнении, то для получения возможности реального сравнения в этих режимах плавания параллельно испытывалась модель судна 60-й серии (краткие материалы о 60-й серии опубликованы в книге "Сопротивление, пропульсивные качества и управляемость судов" [Ван-Ламмерен и др., 1957]).

Форма корпуса корабля с уменьшенными моментами инерции площади действующей ватерлинии была создана в 1977 г., чему способствовали лекции и практические занятия при изучении мореходности и управляемости корабля, проводимые замполитом Калининградского мореходного училища Г.С. Маленко. В Калининграде же были проведены и первые испытания небольшой модели корабля с новой формой корпуса, которые продемонстрировали принципиальную возможность минимизации поперечной корабельной волны и соответственно возможность существенного снижения силового воздействия на корпус корабля со стороны крупной зыби и штормового волнения.

Основные идеи настоящей работы были сформулированы и представлены в феврале 1985 г. в докладе: «Историческое развитие представлений о наилучшей форме корпуса корабля» на кораблестроительной секции Всесоюзной конференции Советского национального общества истории, философии, естествознания и техники (СНОИФЕТ). Довольно бурные дискуссии по докладу, а также наивысшая научная активность Ленинградских кораблестроительного института и Ленинградского государственного университета тех лет позволили успешно объединить возможности вычислительной гидромеханики, опытовых испытаний различных моделей кораблей и судов и также заинтересованность в научных исследованиях штормовой ходкости со стороны мореплавателей.

Таким образом, основным тезисом исследований стало «сравнение мореходных свойств кораблей и сухогрузных судов конца XIX и конца XX вв.», т.е. сопоставление представлений о наилучшей мореходности у морских инженеров, проектировавших корабли типа крейсера «Аврора» и современные широкопалубные круизные лайнеры и ракетные корабли. Соответственно корпус гипотетического корабля для мореходных опытовых испытаний явился вариантом формы корпуса, усиливающим особенности обводов крейсера «Аврора», в том числе путем завала бортов не только в надводной части корпуса, но и на уровне действующей ватерлинии. Параллельно были изучены современные математические модели и вычислительные алгоритмы для расчетов волнового сопротивления и корабельного волнообразования, из анализа которых следовало, что современная вычислительная техника только-только приступила к возможности решения задачи о корабельном волнообразовании с использованием интегралов Мичелла. Попытка физической интерпретации и вычислительной алгоритмизации математического решения Мичелла привела к новым представлениям о процессе зарождения корабельной волны, и, что еще более важно, о связи и возможности совместного изучения особенностей корабельного волнообразования и взаимодействия корпуса корабля с внешним штормовым волнением. В результате получен вывод, что стабилизация и уменьшение волновых нагрузок на корпус корабля достигаются, в частности, за счет оптимизации ходкости корабля на всех скоростях хода, в том числе на закритически высоких, то есть таких, когда длина корабельной волны становится соизмеримой с длиной океанской зыби и штормового волнения.

По завершении экспериментальных работ первый же экспресс-анализ результатов во многом подтвердил правильность сделанных технических предпосылок по проектированию формы корпуса корабля, приспособленного к плаванию и решению различных задач в условиях морского штормового волнения. В частности, несомненными достоинствами модели при плавании в условиях крупного волнения стали: 1 – малая потеря хода; 2 – хорошая устойчивость на курсе; 3 – существенное снижение как килевой, так и бортовой качек; 4 – уменьшение заливаемости и полное исключение зарываемости корпуса под волну; 5 – исключительная пассивность корпуса по отношению к крупным штормовым волнам, которая наблюдалась даже при отсутствии хода и управляемости.

Подтверждается, что использованный при оптимизации формы корпуса принцип непротивления силовому воздействию со стороны реального морского волнения обеспечил пассивность или независимость динамики корабля от внешнего воздействия. На некоторых участках корпуса, в результате оптимизационных решений, была допущена чрезмерная гиперболизация свойств его формы, что на некоторых режимах движения отмечалось как недостаточная мореходность, однако количественные критерии все равно оставались лучшими, чем у моделей с традиционной формой корпуса. Недостатки нового гипотетического корабля представляются вполне устранимыми при незначительных изменениях локальных участков надводных или подводных обводов корпуса.

В завершение делается попытка концептуального построения эскизных проектов кораблей и судов различного назначения с использованием концепции проектирования корабля как единой инженерно-технической системы, показанной в книге Томаса С. Джилмера "Проектирование современного корабля" [1984]. Однако базовые принципы этих проектов формулируются в соответствии с представлениями мореплавателей о хорошей морской практике и о построении «красивого корабля», на котором нет ничего лишнего. К примеру, нет вечно пустых бортовых твиндеков; нет широкопалубных бака и юта, а парусность надстроек не влечет опасностей при ураганных ветрах.

Результаты исследований мореходности и эскизы теоретических чертежей оптимизированных судов могут быть использованы при проектировании новых судов повышенной штормовой мореходности, а изученные в работе особенности формы корпуса могут быть интересны капитанам или ходовой вахте действующих судов при выборе наилучшего курса и скорости относительно морского волнения.

С искренним уважением и благодарностью вспоминаются первые морские наставники, многие идеи которых составили основу настоящей работы: искусный судоводитель на штормовых волжских водохранилищах Г.И.Андриянов, авторитетнейший калининградский капитан В.С. Герасимов. Анализ проектных решений с позиций хорошей морской практики выполнен при участии флотских офицеров - преподавателей Калининградского мореходного училища: А.А.Камышева, Г.С.Маленко, В.Н.Строкина, Е.В. Миронова и начальника лаборатории теории и живучести корабля Д.Я. Бронштейна, и приобрел законченную форму в дискуссиях с преподавателем кафедры конструкции судов Дальневосточного политехнического института В.А. Бабцевым. Теоретическая и экспериментальная часть работы сложилась под руководством и при участии профессоров Ленинградского кораблестроительного института: А.Н.Холодилина, В.Б.Амфилохиева, А.Н.Шебалова, Л.И.Артюшкова, и А.Ш.Ачкинадзе.

Особую признательность автор выражает капитану I ранга, преподавателю теории корабля Военно-морского инженерного института С.И. Кроленко, профессорам Морского института ДВГТУ С.В. Антоненко и В.Г. Бугаеву, начальнику Дальневосточной секции прикладных проблем РАН А.Н. Бурнису и В.И. Петухову, а также д.г.-м.н. М.Л.Красному и заведующему сектором спутниковых систем связи и навигации Ю.И.Недорезу, принявшим активное участие в обсуждении проблем мореходности и создавшим благоприятные условия для реализации настоящего исследования.

ПОИСКОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШТОРМОВОЙ МОРЕХОДНОСТИ КОРАБЛЯ

§ 1. Технико-исторический анализ мореходности
§ 2. Теория волнового сопротивления Мичелла
§ 3. Математические модели формы корпуса и оценочные расчеты волнового сопротивления

ХОДОВЫЕ И МОРЕХОДНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

§ 4. Опытовые модели и поисковые эксперименты
§ 5. Основные результаты серии испытаний и сравнительных экспериментов

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ СУДОВ ПОВЫШЕННОЙ МОРЕХОДНОСТИ

§ 6. Анализ выполнения проектных требований к модели с малой инерцией действующей ватерлинии

Заключение
ОГЛАВЛЕНИЕ