§ 1. История кораблестроения как поиск непротиворечивого диалога с океаном

Где начинается море
Море начинается ночами,
Хлипкой грязью на глухом плацу,
Неизмятым гюйсом за плечами,
Ветром, резко бьющим по лицу.
Море начинается у стенки
Незлобиво брошенным: «Салага!»
Море начинается в шеренге
Ровно в восемь
На подъеме флага.
И потом,
На дымчатом просторе,
Где в волнах
Заря с зарей встречается,
Ты еще совсем не видишь моря -
Море только-только намечается.
В горизонте,
Нервно опрокинутом,
В чутком сне,
Тревогою отброшенном,
Вдруг себе покажешься покинутом,
Слабым,
    неустроенным,
          непрошеным.
Но плечами переборки пробуя,
Стонущие под валящим валом,
Каждой клеткой -
      сердцем,
            телом,
                  робою
Моря ты почувствуешь начало.

[Пантюхов И.М., 1975, стр 70]

Не без основания можно полагать, что первые человеческие поселения образовались на берегах рек, озер и морских гаваней, а водные пути стали первыми транспортными магистралями для строительства бытовой инфраструктуры и организации общественных взаимоотношений между народами. Искусство кораблестроения во многом отражает, а иногда предвосхищает уровень развития человеческой цивилизации, ярко показывая высокий уровень развития науки, естествознания и техники.

Романтика моря всегда увлекает наиболее активную творческую молодежь, стремящуюся к освоению всего комплекса сложных морских наук и приумножающую авторитет корабелов и легендарную славу мореплавателей. Постройка кораблей всегда опиралась на весь арсенал наук и ремесел, на опыт профессионалов и техническое искусство инженеров, в свою очередь отражавших стиль жизни, мировоззрение людей и их общие устремления.

Реальные возможности прибрежных стран по освоению морских пространств являются главным критерием экономической мощи и политической роли государства в мировом сообществе. До настоящего времени все многообразие научных открытий отражается в морских технологиях и кораблестроительной практике; исследования океана, атмосферы и космоса всегда приходят на службу мореплавателям, обусловливая эффективность мореходства и безопасность человеческой жизни на море.


Рис.1. Китайская джонка – пришедшее из глубины веков совершенное парусное судно с превосходной мореходностью. Непотопляемость этих довольно крупных судов, длиной порядка 40÷50 м, обеспечивалась водонепроницаемыми поперечными переборками. При движении в узкостях или при безветрии на Востоке издревле используются плавниковые весла, единственные, которые не теряют работоспособности при плавании в условиях постоянного волнения дальневосточных морей

Современная историческая наука не определяет каких-либо точных дат о строительстве первых морских судов, однако во всех письменных свидетельствах, дошедших до наших дней, упоминается о морских судах и о существовании морских торговых путей, связывавших между собой практически все человеческие цивилизации на побережье Мирового океана. Хронологически связанная история средиземноморских цивилизаций ни в коей мере не отрицает развитой восточной морской инфраструктуры, издревле существовавшей в Тихом и Индийском океанах (рис.1). В легендах и повествованиях древнегреческого философа Платона упоминается даже о еще более древней морской цивилизации – Атлантиде, владычествовавшей не только на европейском и африканском побережьях Атлантики, но также и на американском континенте, причем с хронологическими ссылками на 9000 лет до нашей эры.

Подобно удивительным историческим памятникам наземного строительства и уникальным по технологической сложности и красоте шедеврам городской архитектуры древности, столь же совершенный морской флот существовал во все времена человеческой цивилизации и всегда являлся олицетворением самой передовой научной мысли и производственного потенциала морских государств. Исторические свидетельства о дальних походах древних мореплавателей не позволяют отвергать их умения определять местоположение судна вдали от берегов в ясную или облачную погоду, днем или ночью, также как и их познания о морских течениях, приливах и отливах, верности предсказаний погоды и морских ветров. Кроме чисто теоретических навигационных и астрономических наук, географических познаний в морских лоциях и путевых манускриптах, искусство мореплавания требует сохранения и передачи из поколения в поколение неписаного практического опыта, поддержания высокого ценза моряков, способных принимать уверенные, точные и смелые решения о кораблевождении на штормовых ветрах открытого моря и опасных фарватерах прибрежных маршрутов.

Древние косвенные свидетельства об архитектуре кораблей и условиях мореходства нередко подтверждают высокое морское искусство восточно-азиатских стран, откуда в Средиземноморье приходили кораблестроительные технологии, новые технические средства и навигационные науки о дальнем кораблевождении.

К сожалению, общепризнанная и документально неразрывная история мореплавания берет свое начало только от средневековой Европы, от могучего и многочисленного венецианского флота. В период крестовых походов (1096-1270 гг.) Венеция была основным поставщиком крупных судов – нефов. В последующие века конструкция этих судов постоянно изменялась, и к началу XVI века венецианский четырехмачтовый неф имел вполне совершенную форму корпуса и значительные размеры. Фок- и грот-мачты несли прямые паруса, второй грот- и бизань-мачты – латинские. Такое парусное вооружение позволяло ходить довольно круто к ветру.


Рис.2. «Два корабля на рейде» (Андрис Ван Эртфельт, 1590-1652 гг., Фландрия). Живописное свидетельство о форме корпуса и архитектуре средневековых кораблей Европы. Такие корабли, с бочкообразными корпусами и взлетающими вверх кормовыми палубами, вполне уверенно осваивали новые океанские пути эпохи Великих географических открытий.

До начала XX века каждый крупный корабль считался уникальным инженерным сооружением, в проектировании и строительстве которого непосредственное участие принимали сами же мореплаватели, имевшие большой опыт морских походов и безаварийного кораблевождения в сложных и штормовых условиях плавания.

Ответственность за мореходные качества и безопасность мореплавания новых кораблей полностью ложилась на этих же старых морских капитанов, в ожидании новых дальних походов становившихся береговыми корабелами, строившими для своих же будущих походов новые корабли с учетом как исторического опыта кораблевождения, так и собственных практических навыков и знаний особенностей эксплуатации корабля в океанском плавании. Таким образом, преемственность кораблестроительной науки жестко поверялась способностями проектировщиков – капитанов, а также подчиненных им экипажей к выполнению длительных морских экспедиций, сохранению боеспособности корабля и своих жизней в жестких условиях плавания на ими же спроектированных кораблях.

Можно принять за истину утверждение, что если определенные проектные решения по форме корпуса и корабельной архитектуре сохранялись веками и тиражировались одновременно в нескольких странах, то соответствующие корабли можно считать вполне мореходными или оптимальными по условиям плавания в заданных районах океана или, на морском сленге, удовлетворяющими требованиям «хорошей морской практики» (наилучшим и исторически выверенным техническим решениям, отвечающим современным условиям мореплавания).


Рис.3. «Бурное море», 1626 г. (Абрахам Виллартс, 1603-1669 гг., Голландия). Условия штормового плавания требовали от капитанов парусных кораблей огромного практического опыта кораблевождения и обширных теоретических знаний о природе океана и атмосферы. Искусство проектирования и постройки новых кораблей имело в своем основании глубокое уважение к законам морской стихии - к законам сохранения жизни моряков в открытом море.

Очевидно, что хорош не тот корабль, который может плавать вообще, а только тот, который в состоянии ответить предъявляемым к нему требованиям по автономности, грузоподъемности, скорости хода и управляемости в простых и сложных условиях плавания. Во все времена от начала мореплавания человек пытался как можно лучше приспособить судно к взаимодействию с окружающей водной и воздушной средой. А именно в шторм эти две среды – водная и воздушная, взаимодействуя между собой, порождали наиболее опасные факторы. Это грозные волны под шквально-ураганными ветрами. Длительные время опыт строительства  речных и морских судов приобретался методом проб и ошибок, что приводило к весьма продолжительным историческим срокам в эволюции судостроения. Нередко достигнутый опыт погибал вместе с его носителями – моряками. Последователи вынуждены были повторять их путь или создавать что-либо новое в области судостроения и мореплавания. Конечно, первое, к чему пришли моряки мыслящие: борьба с разбушевавшейся стихией абсолютно безнадежна. Гребцы в штормовых условиях довольно быстро выбиваются из сил, а весла, если их не убрать, ломаются и калечат гребцов. Парус обрывает, мачту ломает – в итоге на поверхности штормового моря остается неуправляемое судно с экипажем, грузом и пассажирами, молящими всех известных богов о пощаде. И вот в такие тревожные часы, кроме молитв и воззваний, истинные моряки отмечали, что широкие и округлые корпуса с высокими скулами способны удерживаться лагом на крупной волне, практически не заливаясь, а круглые, как бочонки – менее всего кренит и ломает под ударами волн, даже если на зауженных палубах нередко разгуливают грозные волновые потоки. Непротивление штормовой стихии, как главное правило непротиворечивого проектирования, ярко проявляется в форме корпуса и общекорабельной архитектуре всех наиболее известных исторических кораблей и судов океанского плавания.


Рис.4. «Бурное море с кораблями» (Пьетро Темпеста (Питер Мулиер), 1637-1701 гг., Италия). Корабли не могут бесконечно долго находиться в открытом море, где их капитаны и экипажи способны достойно держать выбранный курс в любых условиях плавания. Посещение же неизведанных или необустроенных берегов может превратиться в жестокую игру за выживание корабля, что особенно опасно для парусников, гидродинамика корпуса и парусное вооружение которых оптимизированы только для уверенного плавания в открытом море.

Появление парусных судов неограниченного района плавания привело к эпохе Великих географических открытий, когда в течение нескольких десятилетий конца XV – начала XVI веков испанский флот посетил практически все удаленные районы Мирового океана. Но уже в середине XVI века «Непобедимая испанская армада» потерпела сокрушительное поражение от штормовой стихии в плавании вокруг островов Великобритании, когда при отсутствии минимального навигационно-гидрографического обустройства побережья, точных навигационных карт и необходимых знаний о гидрометеорологических условиях района плавания, большая часть кораблей великой эскадры оказалась на камнях и мелях вблизи побережья.

И ныне существует немало прибрежных акваторий Мирового океана, необеспеченных гаванями – убежищами от штормовых ветров. При плавании в таких открытых акваториях корабли и суда могут полагаться только на опыт капитанов и на собственные штормовые мореходные качества. В определенной степени к таким опасным районам относятся прибрежные акватории вблизи Сахалина, Камчатки и Курильских островов, где штормовая мореходность является важнейшим условием поддержания эффективности морских транспортных коммуникаций и обязательным требованием для судов и морских инженерных сооружений, занимающихся освоением морских природных ресурсов.

Древние инженерные решения по мореходности судна

Хронологически связанная история современной европейской цивилизации неотделима от многовековой истории средиземноморского мореплавания, истории взаимопроникновения народов, их культур и технологий, что наиболее концентрированно отражается в описаниях древних морских походов и в упоминаниях о кораблестроительных достижениях античных лет.

Начало хронологически связанной истории кораблестроения может быть датировано 5000-3000 годами до нашей эры и начинается с упоминаний о парусных судах Египта. В отличие от стран Востока и таинственной Атлантиды Древний Египет не славился морскими походами, его флот предназначался для плавания по Нилу. Частое изменение уровня и полноводности Нила затрудняло строительство крупных речных портов и верфей с прибрежными спусковыми стапелями, а отсутствие собственных запасов корабельного леса окончательно лишало египтян всяких претензий на роль морской державы Средиземноморья.


Рис.5. Египетское судно. Корпус судна приспособлен для речного плавания с частыми подходами к пологому необорудованному берегу. Плоское днище делает корпус очень поворотливым, может быть, даже излишне вёртким, что, кстати, при сильном изгибе килевой линии обеспечивает высокую рыскливость корпуса на резком речном волнении. Это уменьшает забрызгиваемость грузов внутри судна и позволяет уворачиваться от опасного заливания при жестких встречах с гребнями крупных волн

Однако Нил, будучи крупнейшей рекой Африки, требовал от египетских корабелов соблюдения не менее строгих канонов проектирования судов речного флота, форма корпуса которых приспосабливалась для частых подходов к пологому необустроенному берегу; при усилении ветра такое речное судно отыгрывалось на крутой и резкой волне пресноводной реки, не допуская забрызгивания грузов; а при необходимости египетские суда уверенно обеспечивали прибрежное плавание в Персидском заливе, на Красном и Средиземном морях.


Рис.6. Кормовое весло-плавник является единственным движителем, которое может использоваться в штормовых условиях. Такой плавник мог раскачиваться 1÷2 гребцами, а с помощью рычага динамически регулировались угол атаки плавника и направление тяги его, как движителя

Форма корпуса египетских судов характеризуется почти плоским днищем с сильным прогибом килевой линии и плавными подъемами штевней в оконечностях.

Трудно представить, как могли такие бескилевые и потому очень вёрткие суда тянуть люди или животные вверх по течению с берега реки, так как при любом креплении буксирного троса округлый корпус не будет отводиться от берега встречным потоком воды. Значит, судно способно двигаться самостоятельно с помощью кормовых весел-плавников, часто показываемых на изображениях египетских судов. Такие же кормовые весла-плавники до настоящего времени используются в странах Дальнего Востока и Африки.

Судя по всему, в безветренную погоду кормовые плавниковые весла использовались в качестве главных движителей. При движении под парусом такие весла становились обычными кормовыми рулями. Только такие кормовые плавниковые весла способны удерживать курс судна относительно крупного волнения. Видимо, их тяги вполне хватало также для поддержания хода древних судов навстречу речным течениям.

Несмотря на интенсивное использование речных и морских прибрежных транспортных перевозок, несмотря на активное строительство и использование многочисленных судоходных каналов на своей территории, Древний Египет так и не стал независимой морской державой. Известно, что фараон Нэхо (612-576 гг. до н.э.), для организации внешней торговли и мореплавания, обращался к услугам финикийцев, государство которых находилось на богатой лесом территории современных Ливана и Сирии, а многочисленный флот которых служил опорой также и для египетских фараонов.

Финикия имела очень благоприятные природные условия для строительства флота: удобные бухты и устья рек на морском побережье, которые могли служить убежищем для флота в штормовую погоду; изобилие корабельной древесины – леса росли вблизи средиземноморского побережья на склонах Ливанских гор, и в них преобладали знаменитые ливанские кедр и дуб, а также другие ценные породы деревьев. Расцвет кораблестроения и морской славы Финикии отмечается в истории средиземноморья периодом 1200÷700 гг. до нашей эры. По очень многим историческим свидетельствам, финикийская морская империя опиралась на развитую прибрежную инфраструктуру своих морских портов и баз снабжения флота, а курсировавшие между ними военные и торговые корабли имели неограниченный район плавания. О финикийцах по праву можно судить как о великих мореплавателях – они имели колонии по всему побережью Средиземного моря, их знали далеко за пределами Гибралтарского пролива, в том числе на английских островах и даже за мысом Доброй Надежды. [Курти, 1977].


Рис.7. Финикийское морское торговое судно. Подобно лодьям викингов, более полные суда финикийцев также были способны удерживаться лагом к штормовой волне в пассивном режиме плавания. В этом режиме килевая качка демпфируется развалом шпангоутов в оконечностях, а большая поперечная остойчивость корпуса позволяет отслеживать поверхность волны при очень резкой бортовой качке, чем обеспечивается незаливаемость в средней части корпуса

При ближнем плавании финикийцы использовали преимущественно легкие торговые суда, имевшие весла и прямой рейковый парус. Значительно внушительнее выглядели суда, предназначенные для дальнего плавания, и военные корабли. Крупные торговые суда имели водонепроницаемые палубы, а форма их корпуса и штормовая мореходность, к сожалению, может быть оценена только по искусству смелых и дальних походов лодий викингов, сохранивших для современных историков архитектурный тип судов с широкими открытыми палубами.

На военных кораблях финикийцев отмечалось использование носового подводного бульба, что свидетельствовало о способности этих кораблей держать ход без всхожести на волну, при повышенной заливаемости носовых палуб. Величина быстроходных кораблей – галер – иногда допускала использование двух-трех рядов весел (биремы и триремы), что делало военно-морской флот поистине всепогодным и способным к активному маневрированию на опасных прибрежных фарватерах. С тех времен во всех языках средиземноморских народов закрепилось обобщенное определение быстроходного гребного судна как галера.

Морская слава финикийцев говорит о хорошей мореходности их кораблей и торговых судов, вполне достаточной для дальнего плавания. Принципы проектирования формы корпуса торговых судов дольше всего сохранялись в лодьях викингов и успешно используются ныне при строительстве небольших рыболовных судов. Аналогичные по мореходным качествам современные речные деревянные лодки показывают наглядный пример уверенного хода по взволнованной поверхности волжских водохранилищ, держа курс лагом к волне.

Штормовой режим плавания лагом к волне

Форма корпуса беспалубных судов является наиболее ярким примером приспособляемости к свойствам свежего ветрового волнения, когда самые крупные девятые валы не обрушиваются внутрь корпуса, а только разворачивают корабль лагом к волне. Уменьшение забрызгивания и защита от заливаемости достигается за счет развала бортов и большой седловатости палубы, при которых в условиях предельно максимальной качки и сверхинтенсивных волновых нагрузок на остов корабля, палуба удерживается параллельно уровню поверхности каждого из волновых гребней штормового моря.

Плавание лагом к волне, по-видимому, является одним из древнейших способов штормового хода на крупном волнении, изначально практиковавшимся на небольших судах озерного и речного плавания. На таком курсе наблюдается резкая бортовая качка, которая проходит в темпе ветровых волн, и, пожалуй, это единственный способ уменьшить забрызгивание открытых грузов и оттянуть опасность заливания беспалубных судов и речных лодок. Однако только такие суда могут обладать малой осадкой при большой ширине корпуса, что очень важно для прибрежного, озерного и речного судоходства, но требует особой отваги для морского штормования.

От древних египетских лодок и финикийских торговых судов класса «река-море» обводы корпуса с широким и плоским днищем унаследовали хорошо известные лодьи викингов. Аналогичными по сути, но более высокими за счет зауженных корпусов, обладают мореходными качествами современные деревянные лодки, у которых безопасность плавания на крупной волне речных водохранилищ существенно выше, чем у модных глиссирующих катеров.

Управление речной лодкой при плавании по взволнованной поверхности пресных водоемов требует определенного опыта и немалых усилий для перекладки руля даже при ходе под мотором. Еще большая опытность и недюжинные силы необходимы для штормового маневрирования с помощью кормового весла–плавника (обычные загребные весла при плавании на крупном волнении бесполезны, а паруса – опасны).

При усилении волнения, первым вестником о необходимости выхода на курс лагом к волне, служит сильное забрызгивание, которое происходит при ударах гребней волн по скулам движущейся лодки.


Рис.8. Лодья – небольшое парусно-гребное судно древних славян. Маневренность лодьи не хуже чем у египетских судов, что позволяло ей ходить по мелким российским речушкам и ходом преодолевать днепровские пороги. И все же мореходность этой по сути речной лодьи была достаточной для дерзких походов в Черном море, которые, судя по летописям, не всегда заканчивались «победами» над морскими штормами.

После выхода на курс лагом к волне забрызгивание и заливаемость обычно прекращаются, однако даже при очень благоприятном плавании качка в оконечностях лодки нередко превосходит ускорение свободного падения, отчего пассажирам приходится либо перемещаться в среднюю часть корпуса, либо очень крепко держаться, дабы не оказаться за бортом. Это означает, что в оконечностях подобного транспортного судна недопустимо размещать тяжелые грузы. Однако непротиворечивость проекта обводов корпуса и общего расположения такого судна подтверждается тем, что именно это же необходимо для уменьшения массовых моментов инерции корпуса и обеспечения его беспрепятственной всхожести на встречную волну.

По гидродинамическим условиям безопасное плавание лагом к волне возможно только на свежем ветровом волнении, когда самые крупные девятые валы малоподвижны и обладают свойствами стоячих волн. При нарушении регулярности волнения, так же как и при выравнивании волновых фронтов в прибойной зоне мелководий, плавание вдоль волновых фронтов становится чрезвычайно опасным, так как на нерегулярном волнении судно невозможно удержать от сильного рыскания, а на мелководье штормовые валы теряют свойства стоячих волн, что грозит сильным боковым дрейфом, заливанием беспалубного корпуса и неминуемым опрокидыванием плоского и широкого судна.

Главными особенностями формы корпуса, обеспечивающими штормовую незаливаемость беспалубного корабля, можно назвать следующие:


Рис.9. При усилении морского волнения использование обычных гребных весел становится невозможным, и тогда только кормовое весло-плавник остается единственным средством для активного позиционирования корабля и предотвращения опасных контактов беспалубного корпуса со штормовыми волнами.

К сожалению, ввиду очень резкой качки, такой режим плавания нельзя использовать крупным судам, так как увеличение размеров и водоизмещения не может быть обеспечено пропорциональным ростом прочности корпуса. При плавании лагом к волне необходимы очень активные действия рулевого по удержанию курса вдоль волновых фронтов, так как при малейшей оплошности нос или корма лодки (судна) могут «взлететь» на гребне волны и в падении либо опрокинуться сразу, либо поднырнуть под следующую волну, зачерпнув губительный поток воды внутрь беспалубного корпуса.

Такая форма корпуса хорошо использует свойства ветрового волнения при малой длине разгона свободных волн (длительный шторм в океане порождает волнение в форме суперпозиции пологих волн зыби и активных «молодых» волн, что, с позиций рулевого, делает непредсказуемым подход волны к корпусу и затрудняет маневрирование с целью уклонения от ударов волны). Групповой характер ветрового волнения обусловливает появление крупных девятых валов, которые всегда имеют четко выраженную продольную вытянутость, а по динамическим свойствам эти валы подобны стоячим волнам, то есть вершина вала не несет на корпус судна высокоскоростного обрушающегося потока. Кормчему необходимо следить, чтобы корпус судна удерживался лагом к волне, тогда при подходе крутого вала судно свободно кренится, удерживая палубу параллельно волновой поверхности. Незаливаемость в таком режиме плавания обеспечивается, даже если высота девятого вала в несколько раз превышает высоту надводного борта судна (или речной лодки).

При взгляде со стороны получается захватывающе красивое плавание между гребнями волн, которое, конечно же, носит экстремальный характер. Кажется, что судно полностью погружается в пучину между белыми гребнями девятых валов, но затем оно лишь на мгновение появляется над вершинами кипящих волн в полной сохранности и продолжает движение с сильнейшими пируэтами на продольной качке! Мореходность такого судна не безгранична, и в случае нарушения характера качки от неуправляемого рыскания судна или при усилении шторма первая губительная волна все же попадет в корпус в районе скулы или кормовой раковины.

Активный режим штормового хода по ветру и волне


Рис.10. Активное удержание корпуса на гребне волны возможно только для небольших судов или шлюпок. Такое плавание всегда является экстремальным и потому не может быть рекомендовано для крупных судов открытого моря.

Другой дерзкий метод штормового плавания пришел на флот с введением парусного вооружения. Это штормовой ход по волне, который может использоваться современными спортивными яхтами. Древними аналогами таких парусников можно назвать арабские парусники, китайские джонки и рыболовные суда русских поморов. Причем для русских поморов поддержание активных режимов штормового плавания являлось условием спасения от усиливающихся штормов в Баренцевом море. Держа ход по волне, судно или пыталось укрыться в прибрежных шхерах при северных ветрах, или войти в битый лед на границе арктических ледовых полей при ветрах южных.

Штормовой ход к берегу необходим еще и потому [Бадигин К.С., 1956], что суда поморов, приспособленные к лову рыбы и плаванию во льдах, не обеспечивались достаточной автономностью по запасам топлива и продовольствия, чтобы длительное время отстаиваться в дрейфующих льдах.

При штормовом плавании в открытом море поморы также не могли выдержать затяжных циклонов северных широт, длящихся обычно не менее недели. Непрерывный аврал на штормовой парусной вахте, холод и резкая изнуряющая качка внутри корабля в течение первых суток способны вымотать экипаж, лишить его сил для активного сражения за жизнь корабля.

Форма корпуса и парусное вооружение корабля обладали следующими проектными и эксплуатационными особенностями:


Рис.11. Рыболовное судно русских поморов. Образец корпуса, допускающего активное маневрирование в штормовом море, что необходимо для ухода в укрытие от реальной штормовой опасности. При этом обводы корпуса учитывают особенности штормового плавания по волне под управлением штормовых парусов и навесного руля.

Заливаемость верхних палуб при таком режиме плавания не исключена, но разрушительная сила попутной волны ослаблена ходом судна вперед, и поэтому вода на палубе не представляет непреодолимых трудностей по управлению рулем и парусом. При плавании в открытом океане, когда ветровые волны складываются с не менее интенсивной зыбью, в условиях интенсивной качки активное управление штормовым ходом может стать невозможным.

Рассмотренные выше два типа корпуса представляют собой два проекта, в которых первое судно является наилучшим для плавания на веслах, второе – для плавания под парусами. Оба режима плавания сохранились до наших дней: первый используется при изготовлении спасательных шлюпок и небольших рыболовных судов, второй – на спортивных яхтах и буксирах спасателях. Если не учитывать влияния палубных надстроек, то это превосходные малые суда, способные сохранять ход и управляемость при движении в условиях усиливающегося шторма.

Но это режимы плавания, в которых корпус судна подвергается огромным силовым перегрузкам при взаимодействии со штормовой волной, особенно при изгибах на килевой качке и резких бортовых раскачиваниях, что недопустимо для крупных судов по двум причинам:

Оба проекта древних судов, как для плавания лагом к волне, так и для активного штормования по волне, требуют повышенной начальной статической остойчивости, достигаемой за счет существенного увеличения ширины корпуса на уровне действующей ватерлинии, а также за счет развала бортов, приводящих к увеличению площади верхних палуб, и, как следствие, при усилении шторма – к опасной заливаемости беспалубных лодей викингов или разрушительному разгулу штормовых волн по широкой палубе парусников.

И снова, обращаясь к Финикии, мы находим третье решение как прообраз будущего всепогодного корабля. Это древний военный корабль - галера.

Режим пассивного штормования носом на волну

Военные корабли финикийцев, в отличие от их торговых судов, не были симметричными относительно мидель-шпангоута. Корабли имели приподнятую над водой корму и низкий бак, с заглубленным под воду носовым бульбом.

Существует однобокое мнение, что бульб галеры выполняет роль только боевого тарана. Бульбовый нос заметно затрудняет маневрирование при таранных или абордажных атаках, а, учитывая относительно малые скорости парусно-весельных кораблей, увеличенная за счет бульба смоченная поверхность корпуса может заметно снизить скорость хода таких боевых кораблей. В качестве боевого тарана такой бульб может оказаться не очень надежным и небезопасным устройством, так как, являясь продолжением прочного корпусообразующего киля, он, использованный как таран, может деформировать или разрушить всю систему поперечного набора на днище корпуса, что приведет к обширной разгерметизации и быстрому затоплению корабля.

В то же время, атакуемое судно, кроме преимущества в маневренности и ходкости, сможет встретить таранящий корабль фронтальным огнем со всего борта, а если и не сможет увернуться от перпендикулярного таранного удара, то при сохранении общей прочности корпуса у экипажа будет время и возможность для заделки не очень крупной подводной пробоины и поддержания аварийной плавучести.

Установка тарана не может быть обоснована необходимостью улучшения ходовых качеств ни при движении на веслах, ни под парусами. Бульб лишает корабль устойчивости на курсе относительно ветра, так как вызванное им смещение вперед центра бокового сопротивления не может быть скомпенсировано аналогичным смещением в нос общего центра парусности.

И все же применение бульба можно считать революционной технической находкой древнего кораблестроения. Бульб – снимает ограничение на дальность и длительность плавания, обеспечивая возможность безопасного пассивного штормования корабля курсом носом на волну, при котором корабль самостоятельно выходит на требуемый курс даже при срыве штормовых парусов и при невозможности активного использования кормовых рулевых весел.

На взволнованном море невозможно управиться даже с легкими веслами на маленькой шлюпке. Порывистый штормовой ветер способен превратить любые паруса в источник дополнительной опасности не только для парусной команды, но и для всего корабля в целом. Только кормовые весла-плавники при умеренном  волнении могли служить активными движителями для приведения корабля на штормовой курс, а отсутствие плавникового ахтерштевня и бульбовый нос создавали условия для пассивного штормования на курсе носом на волну без хода, что и спасало финикийский галерный флот от неминуемой гибели в открытом штормовом море.

Платой же за конструктивное обеспечение безопасного штормового плавания стал отказ от возможности подхода к пологому необорудованному берегу, а также заметная потеря всех боевых качеств корабля, обусловленных ухудшением маневренности и ходкости на тихой воде.

Итак, финикийский военный флот строился для длинных морских походов в открытом море, простиравшихся вплоть до берегов Англии и Норвегии на севере, Мадагаскара, Персидского залива и Индии – на юге, что как раз и соответствовало колониальной политике этой морской империи, имевшей порты и крепости практически на всем средиземноморском побережье и во многих пунктах Атлантики, которые в будущем стали новыми центрами европейской цивилизации.


Рис.12. Древний военный корабль. Изображен "Корабль Аргонавтов", унаследовавший мореходные качества финикийских военных кораблей. Асимметричный относительно мидель-шпангоута корпус парусно-гребного судна позволяет удерживать курс штормового плавания носом на волну. Для корабля относительно малого водоизмещения активное удержание на этом штормовом курсе возможно с помощью кормовых рулевых весел-плавников, которые в режиме «юления» могут придавать кораблю небольшой ход вперед - навстречу штормовым волнам

Особенностями формы корпуса, обеспечивающими безопасное штормование подобно флюгеру на курсе навстречу ветру и волнению, являются:

Такие галеры существовали вплоть до нового летоисчисления, их строили греческие, затем римские кораблестроители. Техническое обеспечение этих мореходных кораблей требовало строительства причалов, углубления подходных фарватеров, а также установки маяков и множества навигационных знаков для проводки кораблей вблизи прибрежных скал и отмелей.

На примере трех вышеприведенных проектов древних кораблей и судов были показаны почти все известные в кораблестроении инженерные решения для обеспечения искомой мореходности корпуса.

Документально отмечен не менее чем полуторатысячелетний период истории кораблестроения и парусного мореплавания, в течение которого корабелы в основном придерживались вышеописанных проектных решений в отношении обводов корпуса и принципов обеспечения безопасного плавания в штормовых условиях. Фактически за это время существенные изменения можно отметить только в технологиях строительства большого количества крупных кораблей, на которых постоянно совершенствовалось парусное вооружение. Во многих случаях различия в форме корпуса и общей архитектуре корабля обосновывались их своеобразной специализацией, применяемой для кораблей и судов прибрежного плавания с ограниченной мореходностью.

Новое становление средиземноморского флота

По преданиям, римское кораблестроение достигло расцвета во времена правления Гая Юлия Цезаря (100-44 гг. до н.э.). История мореходства молодой Римской империи в большей степени определялась неутихающей борьбой со старыми морскими странами – Финикией, Карфагеном, а затем и c Византийской империей. В 30-е годы до н.э. и ко времени мессианских путешествий христианских апостолов Средиземное море было открыто для свободного торгового мореплавания. Но в годы ослабления римского контроля над этим районом в Средиземноморье снова стали наведываться норманны и арабские искатели легкой морской добычи, постоянное крейсерство вели взбунтовавшиеся римские колонии, да и собственные «адмиралы», неполадившие с имперскими амбициями центральных властей, тоже становились на морскую дорогу вне «римского закона». В таком неопределенном и опасном для мирного плавания состоянии средиземноморское мореходство оставалось практически все первое тысячелетие новой эры.

В столь сложной обстановке приморские государства нуждались в надежной охране своих портов от непоседливых «жителей моря», обладавших очень мореходными, но тяжелыми и тихоходными кораблями. Для защиты торговых судов от пиратов, саксонских на севере и иллирийских на юге, римлянами были созданы легкие и быстроходные парусно-весельные корабли – либурны. Считается, что либурн является прототипом средиземноморской галеры, просуществовавшей вплоть до XVIII века. Целью этого проекта ставилось достижение максимальной скорости хода, и, как следствие, новые эксплуатационные требования заставили серьезно пересмотреть концепцию мореходности и безопасности штормового плавания корабля в целом.


Рис.13. Средиземноморская галера. В архитектуре парусно-гребного корабля прибрежного плавания основное внимание уделяется максимальной скорости хода и повышенной маневренности. Безусловное удовлетворение этих требований к кораблю было возможно только за счет снижения штормовой мореходности корабля. Но при крепком ветре само море не допускает вооруженных инцидентов между кораблями, а крупные прибойные волны не допускают никаких десантов на открытом побережье. То есть галерам важнее прятаться в тихих бухтах и закрытых гаванях, где они смогут противостоять непрошенным гостям совместно с береговыми пограничными отрядами.

В первую очередь быстроходные парусно-весельные корабли могли быть эффективно использованы для охраны водного района вблизи крупных морских портов и прибрежных городов. Такие корабли были необходимы также для конвоирования коммерческих судов или для быстрой доставки особо важных пассажиров и небольших грузов. Удлиненный, хорошо обтекаемый и очень устойчивый на курсе корпус галеры позволял ей ходить под очень крутыми курсами на почти встречных ветрах, что существенно расширяло возможности боевого использования этих кораблей при малых ветрах и в отсутствии океанского волнения или зыби. Однако при усилении ветра и волнения высокая ходкость уже требовалась только для быстрого укрытия от встречи со штормами, и галеры прятались в многочисленных прибрежных гаванях и портах-убежищах, находившихся в средиземноморских владениях Римской империи.

Только специализированные быстроходные и маневренные корабли, корпуса которых были оптимизированы для хода на тихой воде, были в состоянии эффективно защищать побережье и реально противостоять тихоходным и зависящим от воли ветра океанским парусникам, основным районом плавания которых было открытое штормовое море. Именно повышенная ходкость и маневренность на тихой воде позволяла кораблям охраны водного района преследовать и атаковать с наиболее выгодного курса одинокие пиратские корабли и их береговые пристанища, и в том числе с применением таранно-абордажных атак или быстрых десантных операций в портах и у необорудованного побережья, при которых длинный штормовой княвдигед мог служить своеобразным мостиком для высадки воинских отрядов.

Высокая скорость хода средиземноморских галер, в том числе на встречных ветрах и в безветрии, их отличная управляемость и высокая маневренность при одновременном или попеременном использовании гребных весел и латинских парусов реально позволяла им участвовать в абордажных боях, применяя безбульбовые таранно-абордажные атаки. Кстати, именно наклонным вперед форштевнем у неприятельского корабля мог быть разрушен прочный палубный ширстрек – один из главных элементов общей прочности корпуса, а если при этом образовывалась пробоина, то она постоянно расширялась при килевой качке даже на умеренном волнении. Атакующая же галера могла воспользоваться штормовым княвдигедом в качестве мостика для абордажной команды, но от таранного удара она не менее сильно повреждала надводную часть своего форштевня и лишалась носовых парусов. Безусловно, что при безбульбовой таранной атаке общая прочность корпуса атакующего корабля не нарушалась, а сам корабль сохранял способности для безопасного перехода в близлежащий порт для ремонта.

Но все же всевозможные боевые аспекты использования кораблей океанского плавания никогда не будут совместимыми с реальной мореходностью и уж тем более - штормовой. Любое мореходное судно, приспособленное к длительному плаванию в открытом море и находящееся вдали от ремонтных баз или безопасных гаваней, даже после небольших военных столкновений на море очень сильно рискует не вернуться в свой родной порт.

К особенностям быстроходного парусно-весельного корабля, обеспечивающим высокую ходкость и маневренность на спокойном море, можно отнести следующие конструктивные элементы формы корпуса и парусного вооружения:

По мере совершенствования и распространения кораблестроительных технологий по европейским странам разнообразие в форме корпуса и общей архитектуре сохранялось только в кораблях прибрежного или озерно-речного плавания, для которых штормовые мореходные качества могли быть пожертвованы ради малой осадки, высокой скорости хода и маневренности, а в некоторых случаях – ради эстетического оформления внешнего вида прогулочных судов. К примеру, для Римской империи такого флота тихой погоды было вполне достаточно, так как все ее морские коммуникации не простирались далее восточной части Средиземного моря – побережья Малой Азии и устья Нила в Египте.

В Римском флоте для дальних походов, в том числе и по средиземноморью, в целом сохранялись кораблестроительные традиции древних финикийцев. Но римляне уже не отваживались на дальние океанские походы, так как еще длительное время реальное господство на море оставалось за остатками бывшего могущественного Финикийского флота. После потери независимости и истощения экономической мощи малоазиатских провинций, выходы в Атлантический океан закрывались Карфагеном, а затем ограничивались арабской торговой экспансией и активным военным присутствием на средиземноморье как арабского, так и норманнского флотов. По этой причине центры средневекового кораблестроения перемещаются в Северную Европу, а после установления единого правления Османской империи – только на северном побережье Африки, центрами европейского мореходства становятся также и обретшие независимость Португалия и Испания.

Флот Великих географических открытий

В начале первого тысячелетия упоминается о существовании великого флота Восточной Азии и активном мореходстве в Тихом и Индийском океанах.

Чжоу Чун описывал морские суда того времени следующими пышными фразами: « Корабли, что плавают по Южному морю в его южной части, подобны домам. Когда их паруса подняты, они подобны огромным облакам в небе. Их рули имеют несколько десятков футов в длину. На одном корабле находятся несколько сот человек, а в его трюмах – запас зерна на год». Восхищение Марко Поло китайским военным флотом также не знало границ. Покинув в 1292 году Китай, он писал: «Великий Хан, вооружаясь, построил 14 больших кораблей, и каждый из них имел по четыре мачты… В каждый корабль он посадил по 600 человек и погрузил провизии на два года… Это был флот, почти наверняка превосходящий любой европейский, не исключая английский флот Эдуарда I и французский флот Людовика IX Благочестивого».

В Европу восточное морское искусство приносили арабские мореплаватели, господствовавшие как в Индийском океане, так и на Средиземном море.


Рис.14. Испанская шебека – быстроходное и маневренное парусно-гребное судно. Архитектура этого корабля является традиционной для арабских мореплавателей, безраздельно господствовавших в Индийском океане и принесших свое кораблестроительное искусство в Средиземноморье. Широкая палуба шебеки позволяет размещать пушки, использовать гребные весла и вольготно управляться с латинскими парусами. Корпус судна хорошо демпфирует качку при ходе лагом к волне, но также позволят активно двигаться по волне под управлением глубоко посаженного подвесного руля, а при усилении шторма может встать на курс носом на волну, удерживая бизань в качестве штормового паруса. В будущем шебека послужила прототипом для еще более быстроходных галер, а также для всепогодных испанских судов эпохи Великих географических открытий – каравелл.

Генрих Мореплаватель, третий сын португальского короля Жуана I и его жены, англичанки Филиппы Ланкастерской, основал в Сагрише учебное заведение для будущих великих кораблестроителей и мореплавателей Европы. В первой португальской школе собрались математики, астрономы, картографы, капитаны и летописцы всех национальностей – португальцы и испанцы, венецианцы и генуэзцы, арабы и евреи. Они составляли карты и астрономические таблицы, усовершенствовали компáсы, астролябии и градштоки (древние прообразы квадранта и секстана). После ряда опытов в этой мореходной школе объединили старинные прямые паруса с косыми арабскими на корпусе типично арабского судна – испанской шебеки, что стало первым океанским кораблем Европы с романтичным названием – каравелла. Генрих Мореплаватель видел свою миссию в поиске южного пути в Индию, оживлении морской торговли и, что не менее важно – в распространении христианской веры по всему миру.

Наступление эпохи Великих географических открытий (XV÷XVI вв.) снова может быть охарактеризовано строительством кораблей, наилучшим образом приспособленных к длительному океанскому плаванию под парусами. Учитывая небольшой тоннаж кораблей Колумба и Магеллана, нужно признать истинное совершенство корабельной науки того времени, отметить гармоничность в сочетании архитектурных и гидромеханических решений, а также точность в раскрое парусного вооружения и его полное соответствие особенностям гидродинамики корпуса в условиях штормового плавания на волнении.


Рис.15. Корабли первой трансатлантической экспедиции Христофора Колумба в 1492 году. Слева направо: каравелла «Нинья», каракка «Санта-Мария» и каравелла «Пинта». Идеальная штормовая мореходность всех кораблей Колумба позволила ему совершить столь дерзкие и длительные океанские походы.

Первые дальние океанские плавания европейцев совершались на крупных высокобортных парусниках — каракках и каравеллах.

В 1487-1488 годах португальский навигатор Бартоломео Диас сумел дважды обойти мыс Доброй Надежды и затем прибыл в Лондонский порт.

В 1497-1499 годах португальский мореплаватель Васко де Гама на каравеллах «Сан-Габриэль», «Сан-Рафаэль» и «Беррио» совершил плавание из Лиссабона в Индию. Обогнув Африку, он при содействии арабского лоцмана впервые проник в малабарскую гавань Каликут (ныне – Кожикодэ), осуществив старую мечту европейцев о морском пути в Индию. В 1502-1503 и 1524 годах он совершил еще две успешных экспедиции в Индию, установив таким образом постоянный морской путь в Юго-Восточную Азию.

В 1492 году генуэзец Христофор Колумб, находясь на службе у короля Испании Фердинанда, добился контракта на поиски западного пути в Индию, и 2 августа каракка «Санта Мария» и две каравеллы – «Пинта» и «Нинья» – вышли из испанского порта Палос, чтобы в ночь с 11 на 12 октября с «Пинты» впервые увидели Багамские острова вблизи Америки. Таким образом, была открыта дорога к Новому Свету. До 1504 года Христофор Колумб под испанским и флорентинец Америго Веспуччи под португальским флагами совершили ряд плаваний через Атлантику, в том числе к берегам Южной Америки.

В 1497 году на северо-запад, на поиск северного маршрута в Китай, отправилась английская экспедиция под командованием Джона Кэбота (венецианца Джованни Каботто), который на каракке «Мэтью» дошел до Лабрадора и Терра Нуова, посетив Америку, ранее доступную только викингам. Позже, в 1594÷1597 годах, нидерландский мореплаватель Вильям Баренц также совершает три безуспешные экспедиции в Северный Ледовитый океан в поисках северо-восточного пути в Китай и окончательно закрывает для парусных кораблей северные маршруты вокруг Евразии.

Возможность достичь Индию западным путем могла быть доказана лишь кругосветным плаванием через Магелланов пролив или вокруг мыса Горн у Южной Америки, с возвращением вокруг мыса Доброй Надежды у южной оконечности Африки. Испанскую западную экспедицию на Восток в 1519-1522 годах возглавил португалец Фернандо Магеллан. Из пяти каракк экспедиции Магеллана («Тринидад», «Консепсьон», «Сантьяго», «Сан-Антонио» и «Виктория») в порт приписки через три года вернулась одна лишь «Виктория» – первое европейское судно, обошедшее вокруг света.

В штормовых условиях у Магеллана погибла самая маленькая каравелла «Сантьяго», которая вышла на разведку в поисках прохода в Тихий океан. После нескольких дней плавания вдоль побережья неизведанной Южной Америки, каравелла была разбита бурей о прибрежные скалы. Другие четыре корабля с честью выдержали все невзгоды длительной экспедиции:


Рис.16. Реконструированное изображение корабля времен Фернандо Магеллана, преодолевающего встречные ветра на выходе в Южное море – Тихий океан. Мореходные качества новых кораблей вполне достаточны, чтобы в исторических описаниях великих экспедиций практически не упоминалось об опасностях штормового плавания.

Все это свидетельствует о высочайшем уровне кораблестроительных технологий и «навигацких» наук, которыми обладали Испания и Португалия – первые мировые державы, распространившие свет своих цивилизаций по всему земному шару. Это свидетельствует о реально неограниченной мореходности средневековых кораблей, а также о том, что главной опасностью на море становилось отсутствие навигационного, гидрографического и гидрометеорологического обеспечения мореходства. Наступала эпоха глобального навигационного обустройства опасного для плавания побережья, морских бухт и проливов. Устанавливались маяки и туманные гонги, заполнялись белые пятна на морских навигационных картах, издавались многочисленные лоции. Но это уже особая история, и не столько о штормовых условиях плавания, а больше о защите кораблей от неожиданной встречи с мелями и прибрежными скалами.

Многочисленные испанские тихоокеанские экспедиции 1525÷1565 гг. позволили установить надежные торговые пути в Восточную Азию и Южную Америку. Богатый опыт дальних плаваний подтвердил высокие мореходные качества парусных кораблей тех лет, совершенствование которых в будущем касалось лишь парусного вооружения, которое становилось более удобным в управлении. Повышалась скорость хода парусных кораблей при различных курсах относительно ветра, а специальными штормовыми парусами обеспечивалась безопасность плавания в любых погодных условиях.

Вершиной средневекового кораблестроительного искусства можно назвать парусные галионы, пришедшие из Испании XVI века на смену южноевропейским караккам.


Рис.17. Галион «Голден Хинт» («Золотая лань»). Идеальный корабль для дальних океанских экспедиций. Штормовые режимы плавания обеспечиваются исключительно специальной формой корпуса. При усилении  штормового ветра экипаж убирает все паруса, и судно подобно флюгеру выходит на курс носом на волну

В 1577—1580 годы состоялось второе кругосветное плавание англичанина Френсиса Дрейка. Его корабль «Пеликан», в походе переименованный в «Золотую лань», не отличался большими размерами, водоизмещение составляло порядка 100 тонн. По заданию королевы Англии Елизаветы II из порта Плимут в южные моря вышла эскадра из пяти кораблей. Пройдя Магелланов пролив и будучи отброшенным сильнейшим штормом к оконечности Южной Америки, к мысу Горн, Френсис Дрейк остался в Тихом океане с одной своей «Золотой Ланью». Дерзкое плавание в ревущем штормовом Тихом океане начиналось с открытия широкого пролива между Южной Америкой и Антарктидой, позднее названного именем Дрейка.

Это был первый в мире крейсерский рейд одиночного корабля, в котором испанским морским коммуникациям был нанесен ощутимый урон, а военный приз, доставленный Дрейком в Англию, в полтора раза превысил годовой бюджет этой новой морской державы. С этого момента в историю мореходства жестко вплетаются пушки и политика и, по-видимому, слегка забывается история развития штормовой мореходности флота, основанная на уроках многочисленных морских катастроф, замалчиваются и достижения испанских и португальских корабелов и навигаторов, в полной мере унаследовавших лучшие традиции арабских мореплавателей.

Возвращаясь к проектно-техническим решениям по обеспечению штормовой мореходности, можно отметить общую гармонию в архитектуре замечательных или наиболее известных кораблей средневековья. На примере галиона можно показать оптимальность конструкции корпуса и его гидродинамической формы, а также высокую эффективность парусного вооружения и практически полное отсутствие каких-либо ненужных надстроек или украшений на борту корабля.

Экипаж относительно небольших средневековых кораблей в штормовую погоду уже не мог управляться с развитым парусным вооружением и не полагался на активное использование парусов в противостоянии со штормовой стихией. Поэтому определяющую роль в обеспечении безопасного плавания опять играет специальная форма корпуса, где обводы и надводная архитектура обеспечивают режим минимального взаимодействия с разрушительной энергией штормового моря.

В итоге, принимая целью проектирования возможность неограниченно дальнего и длительного океанского плавания, формулируются основные тезисы о форме корпуса и общекорабельной архитектуре парусного корабля повышенной штормовой мореходности:

На примерах исторических весельных и парусных кораблей вполне просматривается системный подход к проектированию как к замкнутой системе инженерно-технических решений, отвечающих принципу непротивления силовому воздействию со стороны морского волнения и обоснованных неформализованными представлениями мореплавателей о хорошей морской практике.


Рис.18. Корпус галеры из альбома чертежей Фридерика Чапмэна «Architectura Navalis Mercatoria», 1768 г. Это быстроходный корабль прибрежного плавания, который прекрасно выполнял роль посыльного судна или дозорного корабля, обеспечивал охрану морского побережья и боролся с пиратами и контрабандистами, а при подготовке боевых операций основного флота успешно проводил конвоирование своих кораблей или стремительные разведки дислокации флота противника. Плавности обводов корпуса этой галеры могут позавидовать проектировщики современных скоростных кораблей, а форма корпуса и общекорабельная архитектура в целом также, как и эстетическое оформление корабля, ярко подтверждают высочайший технологический уровень средневекового кораблестроения.

С опорой на исторические проекты кораблей и опыт дальнего мореходства возможно тезисное определение главных принципов непротиворечивого проектирования корабля, при котором могут быть учтены основные технические решения по обеспечению штормовой мореходности и безопасности мореплавания. Это возможно только в том случае, если основные эксплуатационные свойства корабля в достаточной степени изучены и соответственно при любых новациях в архитектуре будущего корабля четко представляются не только достоинства, но все связанные с этим негативные последствия. Если же, хотя бы качественно определяются как достоинства, так и недостатки любых изменений в проекте, то возможна постановка задачи об оптимизации всего комплекса мореходных качеств будущего корабля. Но это возможно только в том случае, если в проектировании нового корабля непосредственное участие принимают наиболее опытные мореплаватели.

Непротиворечивое или оптимальное проектирование может быть разделено на последовательные этапы комплексного изучения технической проблемы, формально образующих направления исследований «сверху вниз» — от общих эксплуатационных требований к кораблю до частных технических решений по его конструкции. Обычно при таком подходе возникают настолько нетрадиционные решения, что их реализация становится возможной только после перестройки всей кораблестроительной промышленности или революционного пересмотра ключевых кораблестроительных технологий, что, конечно, не входит в область реальных познаний старых капитанов. Но все же следуют крылатому выражению кораблестроителя Александра Николаевича Крылова: «Теория без практики всего лишь бесплодна, в то время как инженерная практика без теоретических обоснований зачастую – пагубна».

В таком случае, до принятия проекта нового корабля, все технические решения пересматриваются по правилу «снизу вверх» — от доступных технических решений к оптимальному кораблю в целом. Комплексное решение задачи непротиворечивой оптимизации возможно только в том случае, если удовлетворены все требования к кораблю как на проходе по логическим этапам «сверху вниз», так и на этапе приведения к существующим технологиям, т.е. в строго обратном направлении «снизу вверх».


Рис.19. «Галера «Тверь». 1767 г.» (А.К. Беггров). Главным требованием к кораблям охраны водного района остается максимальная скорость хода под парусами, в том числе при встречных ветрах, также как и при безветрии - на веслах. При опасности усиления ветра и волнения до штормового та же быстроходность требуется для скорейшего ухода галеры из открытых морских акваторий под укрытие берега.

Интересующие нас корабли повышенной штормовой мореходности строились в странах Европы, имеющих морское побережье с выходом к Атлантическому океану, а также практически во всех Восточно-Азиатских странах, поддерживавших дальние морские коммуникации на просторах Тихого и Индийского океанов. Если перед мореплавателями ставилась задача длительного автономного плавания в открытом океане, то строились (или модифицировались, на примере подготовки к дальнему походу шлюпов «Восток»  и «Мирный») корабли, обладавшие всеми необходимыми проектными особенностями, позволявшими им безопасно штормовать без хода, удерживаясь на курсе носом на волну.

Если же в проектировании флота не возникало активного научно-технического взаимодействия и всестороннего контроля принятых проектных решений между мореплавателями–проектантами и корабелами–технологами, то кораблестроительные недочеты непременно откликались угрозами морских катастроф, и соответственно безвозвратной потерей всех исторических упоминаний о нерадивых корабелах и безвестных моряках, сгинувших вместе с неразрешенными противоречиями морских наук.

Исторически так сложилось, что в зависимости от назначения и района плавания проектируемого корабля, его форма корпуса, движители, так же как и другие общеархитектурные решения, могут иметь заметные внешние различия. Но все же корабли дальнего плавания всегда имели корпуса в форме круглых бочонков с относительно большой осадкой, быстроходные сторожевые галеры оставались с такими же легкими (с малыми коэффициентами общей полноты) и идеально обтекаемыми корпусами, и лишь торговые суда озерно-речного или ближнего каботажного плавания, постоянно проходившие через мелководные бары в устьях рек, имели широкие корпуса с малой осадкой.

Расцвет парусного флота и переход к механическому движению

Возвращаясь к вопросам проектирования реальных исторических кораблей, можно отметить, что по мере совершенствования принципов приведения корабля в движение, уже на галерах и парусных кораблях (фрегат «Паллада») отмечаются случаи обеспечения режимов штормового плавания за счет активного использования штормовых парусов, что позволило несколько упростить форму корпуса и архитектурный облик этих кораблей, а также обеспечить существенно лучшие ходовые качества на умеренном волнении (клипер «Катти-Сарк»).

Русский флот создавался под влиянием европейской кораблестроительной школы, которая к тому времени достигла уровня проектирования наилучших по мореходным качествам парусных судов. Кораблями английской архитектуры корпуса являлись первый русский корабль «Орел», а также построенные на Дальнем Востоке пакетботы «Петр» и «Павел». Основные корабли Петра I относились к голландской корабельной школе [Chapman, 1968], они уже не имели развитой кормовой надстройки и были достаточно высокобортными в носовой части. Это означало, что по аналогии с балтийскими странами кораблестроительная программа Петра I в первую очередь учитывала потребности в обеспечении ближних морских коммуникаций на Балтике и в северных морях.


Рис.20. Фрегат «Паллада» (рисунок Е. Войшвилло). Многочисленное парусное вооружение красавца фрегата XIX века позволяет поддерживать хороший ход на умеренных и сильных ветрах. Спрямленная палуба корабля свидетельствует о том, что совершенство техники управления парусами позволяет сохранять ходкость и управляемость корабля даже под воздействием ураганных штормов.

В XVIII веке парусное вооружение достигает абсолютного совершенства, теперь уже нет необходимости решать задачу безопасного штормового плавания только путем проектирования специальной формы корпуса. Для противостояния штормовому волнению и ураганному ветру активно используется парусное вооружение. Мореплавателям ставится задача поддержания заданного курса и максимальной скорости хода даже в условиях очень свежих ветров и умеренных штормов, при которых малотоннажные каравеллы эпохи Великих географических открытий обязательно переходили в режим штормования без хода. Палуба парусного корабля спрямляется и становится непрерывной, а иногда – почти горизонтальной, как у фрегата «Паллада». Для улучшения маневренности теперь широко используется разнообразное косое парусное вооружение, на слабых ветрах реи прямых парусов удлиняются лиссель-спиртами, а в штормовую погоду судно уверенно держит курс с помощью специальных штормовых парусов, либо используются рифы на нижних парусах для уменьшения их площади.

Если сила урагана превышает возможности экипажа по управлению парусами, то остается радикальное аварийное средство: «фок-мачту - за борт» в качестве плавучего якоря, что превращает штормующий быстроходный парусник в его исторический прототип с парусностью, смещенной в корму за счет оставшихся мачт, и носом, прижатым к воде силой сопротивления буксируемой фок-мачты. К сожалению, современные суда с механическими двигателями не имеют аналогичных аварийных средств, и при этом эксплуатация двигателей и рулевых машин в штормовых условиях зачастую ведется с серьезными или даже опасными перегрузками.


Рис.21. Но все же безопасность штормового плавания фрегата «Паллада» (рисунок Е. Войшвилло) поддерживается непрерывной активностью и экстремально-каскадерскими действиями парусной вахты. В режиме штормования на курсе носом на волну корабль может удерживаться под управлением штормовых парусов на бизани. Если же экипаж начинает терять управление кораблем, то остается еще возможность срубить фок-мачту и буксировать ее за форштевнем в роли плавучего якоря. Оставшиеся грот- и бизань-мачты позволят экипажу пассивно ожидать окончания шторма на курсе носом на волну, так же как это позволялось на средневековых галионах за счет специальной формы корпуса и надстроек.

Начало XIX века отмечается строительством первых судов с паровыми машинами. В 1815 году первый русский колесный пароход, который называли «стимботом» или «Елизаветой», встал на линию Петербург – Кронштадт. В 1819 году американский колесный пароход "Саванна" пересек Атлантику от Нью-Йорка до Ливерпуля за 24 дня, пройдя всего лишь малую часть пути под парусами.

Механический привод значительно повышает мореходность корабля, что обусловлено возможностью поддержания хода произвольным курсом при любом состоянии волнения. Эффективный механический движитель способен преодолевать натиск штормовой стихии, и при небольшом навыке рулевого в динамике лавирования между волнами может спасти от опрокидывания любое, даже самое несуразное плавучее сооружение. Новый двигатель, являясь сложным механическим сооружением, привлек на борт кораблей высококвалифицированных специалистов – механиков, которые в силу своей молодецкой изобретательности стали привносить на флот психологию силового «покорения» моря, вместо традиционных морских правил непротивления морской стихии.

Но все же на первых порах требования эффективности и экономичности мореходства довольно быстро привели к появлению новых «неписаных» правил хорошей морской практики, таких же как и в парусном флоте, составленных с использованием реального опыта штормового судовождения. Новые океанские корабли всех стран мира довольно быстро приобрели одинаковую внешнюю форму, что является необходимым признаком существования общемировых критериев оптимальности в проектировании корабля, что свидетельствовало также и о едином подходе к обеспечению мореходности корабля на умеренном волнении и в штормовых условиях плавания.


Рис.22. Корпус винтового фрегата «Олег», построенного в Кронштадте в 1858-1860 гг. «Олег» был одним из последних добротных деревянных кораблей русского военно-морского флота. Двухлопастный гребной винт имел диаметр 5,8 м. При движении под парусами винт отсоединялся от гребного вала и втягивался в колодец, устроенный в кормовом подзоре.

Но все же первые гребные колеса устанавливались на парусных судах в качестве дополнительного движителя, а в силу технического несовершенства главных двигателей такие пароходы обладали всеми недостатками весельного судна:

Первое крупное судно «Great Britain», оснащенное гребным винтом, было построено в Бристоле в 1843 году. Затем в течение 50 лет форма корпуса всепогодного корабля претерпевает последовательные эволюционные изменения, которые, тем не менее, всегда и в полной мере наследовали лучшие свойства своих парусных и весельных предшественников.

Несомненно, что в обводах корабля, построенного в начале XX века, можно прочитать компромиссные решения между покорностью и противостоянием перед морской стихией:


Рис.23. Миноносец типа «Измаил». Корабль пользовался штормовым ходом в режиме прорезания волн. Известно, что в 1887 году миноносцу устраивались ходовые испытания на 6-бальном волнении, где он, идя навстречу волне и зарываясь по ходовую рубку, показывал 15,5 узла и 17 узлов – при ходе по волне [Мельников, 1981]. По теоретическому чертежу хорошо видно, что нос не обладает свойством всхожести на волну, в то же время развал шпангоутов в районе кормового подзора обеспечивает прижатие корпуса к поверхности волны на ходу корабля, что необходимо для стабилизации работы гребного винта и руля в условиях крупного волнения.

Идеальной архитектурой корпуса по всем названным критериям обладали многие эскадренные броненосцы, а также крейсера и эсминцы, построенные в конце XIX – начале XX веков. Не меньшей мореходностью обладали и линейные корабли первой половины XX века, имевшие заниженные и заостренные бак и ют, а основной объем корпуса у них сосредотачивался в средней части. Это обеспечивало устойчивое движение на волнении, при котором не возникало интенсивной килевой качки, и соответственно возможность опасной заливаемости оконечностей исключалась за счет уменьшения общей площади и непрерывности верхних палуб бака и юта, а также отсутствием фальшбортов и большой погибью палубных бимсов.



Рис.24. Крейсер «Аврора». В корпусе крейсера реализованы мореходные качества аналогичные обводам миноносца. Их суть – это непротивление штормовой стихии. Хорошо виден завал бортов в средней части корпуса. На верхней палубе отсутствуют большие непрерывные площади. Довольно любопытно устроена внутрикорпусная прочная и непрерывная палуба, погибь которой образует второй внутренний борт. Очевидна технологическая сложность корпуса, в обводах которого нет ни одной прямой линии. Интересно, как в те времена проектировали бы корпус корабля, если б внутренние объемы не определялись громоздкостью судовых машин?

Создание нового Российского флота в конце XIX века

Становление нового флота Российской империи ярко персонифицировано с именем адмирала Ивана Алексеевича Шестакова. Близкий ученик и сподвижник М.П. Лазарева, В.А. Корнилова и П.С. Нахимова, получив отличную морскую выучку, участвуя в боевых действиях, а затем командуя Черноморским флотом, он сыграл важную роль в организации экстренного кораблестроения во время Крымской войны и в первые годы после нее, реализуя замыслы великого князя Константина Николаевича – первого председателя Русского географического общества. В 1856 году И.А. Шестаков наблюдал за строительством в США винтового фрегата «Генерал-Адмирал», приняв затем командование этим лучшим в Российском флоте кораблем.


Рис.25. Порт-Артурские эскадренные миноносцы «Внимательный» типа «Форель», построенный во Франции (сверху), и «Бдительный» типа «Кит», спущенный на воду в Германии (снизу). Немецкий проект («Кит») ориентирован на плавание и решение боевых задач в условиях умеренного волнения Балтийского моря и обладает относительно малой осадкой, что требуется для базирования в мелководных балтийских портах и устьях европейских рек, а у французского проекта отсутствует даже открытая верхняя палуба, то есть корабль должен основное время находиться в открытом штормовом море.

При вступлении на престол императора Александра III был в полной мере востребован и морской и кораблестроительный опыт И.А. Шестакова, и в 1881 году он был назначен председателем Кораблестроительного отделения Морского технического комитета, а в 1882 году – управляющим Морского министерства. Призвав для обновления министерства морских офицеров из Военного ведомства, И.А. Шестаков начал реформы кораблестроения с введения положения о морском цензе. Так же, как это происходило ранее при адмирале А.А. Попове, сухопутные корабельные инженеры были снова низведены на роль безгласных исполнителей, а в кораблестроении перестали приветствовать «наклонности к изобретательству без пользы».

С целью восстановления централизованного управления флотом на равных правах были сформированы Морской ученый комитет (МУК), Морской технический комитет (МТК), Главное управление кораблестроения и снабжения (ГУКиС) и Главный морской штаб (ГМШ). Ввиду отсутствия у России достаточного опыта проектирования и строительства парового океанского флота, Морское министерство нередко ориентировалось на западные прототипы новых кораблей. Во многих случаях И.А. Шестаков сам формулировал задания на проектирование кораблей, и при его непосредственном участии были определены проектные условия и построены 7 броненосцев, 5 крейсеров, 13 канонерских лодок, 49 миноносцев и 7 минных крейсеров. Достигнутый высокий темп строительства кораблей сохранялся до 1905 года.


Рис.26. Броненосец «Император Николай I» построен в 1891 г. на верфи Франко-Русского завода в Санкт-Петербурге. Он стал флагманским кораблем командующего соединенных эскадр Черного моря и Тихого океана вице-адмирала П.П. Тыртова. Вверху справа показан минный катер с борта броненосца. В проектировании и строительстве корабля активнейшее участие принимал адмирал И.А. Шестаков. Известный корабельный инженер Н.Е. Кутейников наблюдал за строительством корабля, и в это время в чине мичмана у него стажировался А.Н. Крылов. Новые российские кораблестроительные технологии рождались вместе с этим замечательным океанским кораблем.

Несмотря на усиленное внимание к развитию российского кораблестроения, участие в европейской гонке морских вооружений требовало размещения заказов на зарубежных верфях, где по русским проектным заданиям были построены многие известные корабли, такие, как «Варяг» и «Ретвизан» – в Америке, «Аскольд» и «Новик» – в Германии; многочисленные эскадренные миноносцы заказывались в Англии, Франции, Германии и в других странах. Разнообразие иностранных кораблей объяснялось в то время «периодом конструктивной множественности». Лучшие иностранные судостроительные компании рассматривали проектные задания нашего Морского министерства и получали право на строительство новейших кораблей Российского Императорского флота только по результатам строгого конкурсного отбора, проводившегося при участии авторитетнейших русских адмиралов, имевших реальный ценз морского плавания и командования флотом. При таком распределении заказов флот быстро пополнялся не просто новыми кораблями, а современными образцами судостроения различных «кораблестроительных школ». Непосредственное участие русских морских офицеров и корабельных инженеров на всех этапах подготовки проектных условий, проектирования, постройки и испытания новых кораблей ложилось в основу создания новейшей русской кораблестроительной школы, способствовало быстрому развитию технических наук, тяжелой промышленности и российского океанского мореплавания.

С 1898 года управляющим Морским министерством становится вице-адмирал П.П. Тыртов, в полной мере поддерживавший реформы адмирала И.А. Шестакова. К этому времени в России рассматривались только проекты кораблей океанского плавания повышенной мореходности, что объяснялось приоритетностью пополнения флота Тихого океана. В продолжение программы интенсивного строительства океанского флота рассматривались четыре российских проекта эскадренных броненосцев, к которым морские офицеры относились как к неудачным попыткам русских инженеров усовершенствовать старые неуклюжие и немореходные броненосцы береговой обороны.

26 мая 1898 года конкурс на проектирование и строительство нового океанского корабля выиграл блестящий проект директора завода французской фирмы «Форж э Шантье» А. Лаганя. Великим князем Алексеем Александровичем было приказано «теперь же заказать фирме броненосец по этому проекту» и «выговорить в контракте доставление детальных чертежей по корпусу и механизмам для постройки таких же типов в наших Адмиралтействах». В контракте также оговаривалось выполнение брони по способу Крупа, что существенно повышало боевые качества корабля.

С использованием французского опыта параллельно строительству эскадренного броненосца «Цесаревич», на Санкт-Петербургских вервях было развернуто строительство лучших в мире океанских кораблей типа «Бородино». Вместе с «Цесаревичем» на заводе А. Лаганя был заложен крейсер «Баян», который после русско-японской войны также был признан превосходящим аналогичные корабли российской постройки типа «Диана» и немецкие типа «Аскольд».

Однако с конца 1898 года, после кончины императора Александра III, на всех заграничных верфях стали обостряться отношения между строевыми офицерами и прикомандированными им в помощь корабельными инженерами. Так, первый ректор Кораблестроительного института К.П. Боклевский жаловался на капитана 1-го ранга И.К. Григоровича, что корабельные инженеры низведены до роли указателей, «отвечающих за качество клепки и чеканки».


Рис.27. Эскадренный броненосец «Цесаревич», головной корабль серии крупных российских кораблей типа «Бородино». При водоизмещении порядка 13 тыс.тонн на мерной миле они достигали скорости хода около 18 узлов. Несмотря на величайшие технологические сложности в кораблестроении того времени, даже в ущерб эксплуатационным требованиям по обслуживанию громоздких артустановок, угольных котлов и паровых машин, форма корпуса этих кораблей, тем не менее, обеспечивала наилучшую штормовую мореходность и удовлетворяла всем требованиям снижения качки и достижению устойчивости на курсе в условиях штормового океанского волнения.

Начинавшаяся демократизация в обществе позволила начальнику Балтийского завода отстоять свое право на выполнение большого объема проектно-конструкторских работ по броненосцам типа «Бородино». После поражения Российского флота под Цусимой между морскими офицерами и корабельными инженерами размежевание усилилось, а в 1905 года был отменен морской ценз на занятие должностей в Морском министерстве.

Во многом вынуждаемая необъективными обстоятельствами и внутренними неурядицами, Россия обрела собственные пути проектирования и строительства океанского флота. Конечно же, международное взаимопроникновение морских идей и кораблестроительных технологий на этом новом пути ни сколь не ослабло, однако флотские акценты их осмысления со временем все боле угасали в тиши кабинетов «морских» береговых инженеров.

О гидродинамических особенностях качки кораблей конца XIX – начала XX веков

В дальний поход 2-й Тихоокеанской эскадры в 1904-1905 годах, в помощь корабельным механикам, вице-адмирал З.П. Рожественский брал заводских инженеров-кораблестроителей.


Рис.28. Крейсер «Аврора» на переходе в шторм.

Так, на броненосце «Орел» в походе и бое участвовал известный корабельный инженер Владимир Полиевктович Костенко, который во время сильнейшего шторма у южной оконечности Африки в декабре 1904 года отмечал «странное явление» –  четыре броненосца типа «Бородино» взмывали и проваливались между десятиметровыми океанскими валами, практически не качаясь, в то время как крейсер «Аврора» раскачивался с борта на борт (всего лишь) градусов на 20! В.П. Костенко отмечает, что столь различное поведение кораблей не объяснялось особенностями остойчивости или весовой нагрузки (метацентрическая высота у броненосца и крейсера была примерно одинаковой и составляла порядка 70 см.)

Наблюдения за ударами волн о борт броненосца «Орёл» с правого крыла среднего мостика показали следующую картину: очередной океанский вал настигает корабль и налезает на борт, иллюминаторы кают-компании и офицерских кают скрываются под водой, затем волна наваливается на срез верхней палубы и заливает ее так, что средняя (152 мм) башня кажется торчащей прямо из воды. От такого удара в правый борт, по представлениям В.П. Костенко, корабль должен был бы качнуться резко влево, но вместо этого «Орел» не только сохраняет вертикальное положение, но даже чуть кренится на правый борт! Столь «неожиданное» открытие корабельный инженер связывал именно с особенностями формы надводного борта броненосца: крутым завалом бортов выше броневого пояса и у верхней палубы, а также открытыми срезами вдоль бортов по носу и корме.

С приобретением механического двигателя крупные корабли снова обрели способность активно маневрировать в условиях штормового волнения, подобно небольшим судам древности, управляемым с помощью кормовых весел–плавников. Движители современных кораблей способны развивать огромные мощности для приведения его в движение при любом состоянии моря, что при исправной работе машин может сделать любое судно в полной мере готовым к встрече со штормовой стихией. При определенной опытности рулевого и достаточной надежности двигателей в условиях работы с большими перегрузками корабль может противостоять ударам каждого из гребней волн, при малейшей же ошибке рискует либо опрокинуться под давлением штормовой стихии, либо «разломиться» под жесткими ударами штормовых волн.

Но все же эти режимы штормового хода не представляют особого интереса, так как они не отвечают требованиям безусловной безопасности мореплавания, и при поломке рулевой машины или остановке главного двигателя корабль может оказаться в бедственном положении, подобно неуправляемому самолету.

Важнее отметить, что в отличие от исторических гребных и парусных кораблей на современном флоте используются абсолютно идентичные движители. Это гребные винты и стоящие за ними навесные рули. Что совершенно нельзя сказать о форме корпуса или архитектурном облике современных кораблей и судов, даже в случае их абсолютно одинакового назначения. Не является ли это свидетельством частичной потери единого системного подхода к достижению наилучшей мореходности, так как оптимальные проектные решения в технике никогда не отличались слишком большим разнообразием?

Поэтому представлялось актуальным рассмотреть особенности мореходных качеств кораблей с существенно отличными судовыми обводами и принципиально разной общекорабельной архитектурой. Так, физико-геометрический анализ взаимодействия корпуса корабля с «трохоидальным» морским волнением показывает существенные гидродинамические преимущества корпуса крейсера "Аврора" в сравнении, к примеру, с ракетным крейсером "Варяг". Приведенный здесь схематический рисунок с распределением гидродинамических сил волновой природы не оригинален, его показывал преподаватель, капитан дальнего плавания  Г.С. Маленко на учебном курсе морского дела Калининградского мореходного училища в 1976 году, т.е. старые судоводители знали и не скрывали этого несложного "неписаного правила морской практики", довольно важного для обеспечения хорошей мореходности и безопасности штормового плавания корабля.

Даже небольшой завал надводного борта в средней части корпуса благоприятно влияет как на уменьшение бортовой качки, так и на снижение заливаемости верхней палубы, что в первую очередь обуславливается особенностями гидродинамического непротивления или соответственно ослабленного воздействия преграды – корпуса на форму и динамику движущихся на него гребней штормовых волн.

Надвигающийся на корпус корабля гребень волны несет потоки воды со скоростью превышающей фазовую скорость распространения этой волны. Если надводный борт завален внутрь корпуса, то в точке встречи с судовой обшивкой жидкость в гребне волны успевает приобрести направленную вниз составляющую скорости, которая способна увлечь весь поток воды из гребня волны под днище, и тогда волна может проявиться на противоположной стороне корпуса корабля с минимальными искажениями формы ее изначального фронта. Аналогичная форма мидель-шпангоута, как бы вписанного в окружность, использовалась также и на парусных кораблях, предназначенных для океанского плавания, критерии остойчивости у которых изначально ставились существенно выше, чем у судов с механическим двигателем, и, тем не менее, возможность увеличения ширины ватерлинии при больших углах крена за счет расширения верхней палубы не использовалась (как у парусного галиона «Голден Хинт»).


Рис.29. Схематический рисунок, иллюстрирующий характер воздействия морского волнения на корпус корабля, подтверждает принципиальные различия в перераспределении кренящих гидродинамических сил для исторических кораблей конца XIX века и для современных кораблей постройки середины - конца XX века. На схеме А показано, что крен от прямого воздействия гребня волны на надводный борт корабля может быть минимизирован с помощью завала борта, а длинная вдолькорпусная надстройка на верхней палубе, округлость шпангоутов и бортовые кили в этом случае, и только при условии завала надводного борта, смогут частично скомпенсировать остаточный кренящий момент от воздействия ветра и волнения. Если же корпус имеет развал бортов (схема Б), то и бортовые кили, и распределение давлений в подводной части корпуса будут усиливать кренящий момент под воздействием морского волнения. Над палубой окружность средних шпангоутов может обобщенно дополняться (замыкаться) за счет вытянутой вдоль корпуса надстройки, которая не позволит перетекать массе воды, попавшей на палубу, с одного борта на другой. Удержав попавшую на палубу воду на наветренном борту, суммарный кренящий момент может быть уменьшен, и наоборот, если масса воды по «плоской» палубе перейдет на противоположный борт, то возникнет дополнительный и неблагоприятный (точнее, опасный) кренящий момент.

Под воздействием бортового ветра и волнения корпус корабля получает заметный боковой дрейф, который усиливается еще и оттого, что в подошве волны скорость жидкости направлена навстречу волнению, отчего судно получает постоянный кренящий момент. В таком режиме бортовые кили только ухудшают условия плавания судна лагом к волне, а применение таких успокоителей качки на парусниках вообще нецелесообразно. Однако, если за счет завала бортов под днище будет увлекаться поток жидкости из гребня волны, то бортовые кили действительно смогут создать небольшой восстанавливающий момент сразу же после удара крупной штормовой волны в борт корабля. В случае же развала надводного борта, поток из гребня волны не увлекается под днище и, отталкиваясь от корпуса, увеличивает скорость бокового дрейфа корабля, а бортовые кили в таких условиях могут способствовать только ускоренному опрокидыванию.

Для поиска математического подхода к минимизации сил взаимодействия корпуса корабля с волнением, показанный выше гидродинамический процесс можно формализовать: необходимо добиться такого обтекания корабля штормовыми валами, чтобы подходящий к корпусу фронт трохоидальной волны проявлялся затем с противоположного борта с минимальными искажениями. Таким образом, облегчение перетока волновой энергии под днищем корпуса корабля, то есть обеспечение перетока жидкости в момент прохождения гребня волны на подветренный борт, а в подошве волны – обратно, является основным условием снижения энергии взаимодействия корпуса корабля и штормового волнения.

Можно отметить гидродинамическую особенность затягивания жидкости из гребня волны под днище корпуса, который в любом случае будет заторможен встречным потоком в подошве волны. В точке остановки этого потока образуется повышенное давление на обшивку корпуса, и если это происходит с подветренного борта, то скорость накренения под воздействием волны замедляется. При отражении же волны от наклоненного наружу борта, остановка дрейфового потока под днищем происходит на наветренном борту – качка усиливается. Другую «гидростатическую особенность» успокоения качки за счет завала бортов в средней части корпуса, которую кораблестроитель В.П. Костенко называл «надводным бортовым килем», на том же броненосце «Орел» он отмечал как препятствующий накренению момент, образуемый удерживающейся на наветренном борту массой воды. Однако и для достижения такого эффекта успокоения качки также необходим завал борта, чтобы гребень волны безударно попадал и удерживался на верхней палубе с наветренной стороны (без перетока с остановкой у подветренного фальшборта). С этой целью верхняя часть окружности средних шпангоутов дополнялась длинной палубной надстройкой по диаметральной плоскости корпуса.

Если форма корпуса корабля и его весовая нагрузка хорошо оптимизированы для плавания в штормовом море, то, как это обычно происходит в искусственно оптимизированных системах, небольшие отклонения от проектной нагрузки или посадки корабля могут привести к вполне заметным отклонениям от должной мореходности. В этом случае знание экипажем особенностей штормовой гидродинамики может позволить найти решение по изменению хода и курса корабля или по небольшому перераспределению балласта, чтобы вновь оптимизированный корпус вернулся к оптимальному режиму штормового плавания или к наилучшему выполнению поставленных перед кораблем задач.


Рис.30. Эскадренный броненосец «Цесаревич». Основным признаком хорошей штормовой мореходности является плавность качки, свидетельствующая об отсутствии резкого воздействия волн на корпус корабля. Все другие свойства корпуса, как заливаемость палуб, рыскание или ходкость и маневренность на тихой воде, могут быть оптимизированы во вторую очередь. К транспортным паровым судам, ввиду громоздкости и малой мощности главного двигателя, не предъявлялось специальных требований по ходкости в штормовом океане. Судно имело заостренный вертикальный форштевень и округлую нависающую над водой корму. В случае штормовой погоды судно должно было взять курс носом на волну и удерживаться на нем с помощью двигателей до улучшения погоды

В том же походе на «Орле» В.П. Костенко провел очень показательный эксперимент по успокоению килевой качки, возбуждаемой попутными океанскими валами, двигавшимися вдвое быстрее самого броненосца. Расстояние между гребнями волн было примерно на одну четверть больше длины корпуса, и собственные колебания броненосца иногда не совпадали с фазой очередной настигающей его волны. Тогда на стремительно погружающуюся корму сзади надвигалась многотонная водяная гора и создавалась ситуация особо тяжелая для всплытия броненосца. Широкая корма в этих случаях, стряхивая с себя потоки воды, поднималась быстрее, чем острый нос, который полностью зарывался в уходящую волну. От этой неравномерности всплытия кормы и носа броненосец терял устойчивость на курсе, начинал рыскать. В.П. Костенко было предложено принять 200 тонн балласта в кормовой танк, расположенный в междудонном пространстве от 77-го до 87-го шпангоута под кормовой 12-дюмовой башней главного калибра. Как только приказ командира о затоплении междудонного отсека был исполнен, отчего нос подвсплыл почти на 2 фута (0,6 метра), корабль перестал рыскать, что сразу облегчило удержание курса в кильватерном строю.

К транспортным паровым судам, ввиду громоздкости и малой мощности главного двигателя, не предъявлялось специальных требований по ходкости в штормовом океане. Судно имело заостренный вертикальный форштевень и округлую нависающую над водой корму. В случае штормовой погоды судно должно было взять курс носом на волну и удерживаться на нем с помощью двигателей до улучшения погоды.

Но все же наблюдения В.П. Костенко за поведением в штормовом море в общем-то тихоходного броненосца «Орел» дают основу для отличного технического решения не только по безопасности плавания на крупном волнении, но также и по архитектурному оформлению корабля с полными обводами, для которого активное плавание и решение поставленных задач в штормовом океане является основным назначением. Так, если форму корпуса броненосца типа «Бородино» будет иметь спасательный буксир или гидрографическое судно, то:

Можно также отметить своеобразный недостаток корпуса корабля, в архитектуре которого за счет завала бортов реализован принцип непротивления волновой стихии. Такой корабль не сможет защитить от интенсивного волнения шлюпки и другие мелкие суда, подходящие к нему с подветренного борта, так как устремляющиеся под корпус потоки энергии штормовых волн, создадут и там столь же интенсивные изменения уровня воды, как и с наветренного борта. Однако к «старым» кораблям шлюпки и более крупные баркасы обычно не швартовались непосредственно к борту, удерживаясь от него на некотором удалении с помощью забортных выстрелов. Грузы в этом случае снимались обычными стрелами, а люди поднимались на борт по трапам или шкентелям с мусингами, закрепленным на специально оснащенных для этого выстрелах.

Можно предположить, что возврат к использованию выстрелов для работы со шлюпками послужит расширению штормового диапазона использования бортовых плавсредств в целом. Этому будет способствовать уменьшение бортовой качки корабля с заваленными бортами, а качка все же является большей опасностью при проведении операций по спуску-подъему шлюпок, чем бурлящая за бортом вода. Важно также заметить, что в практике экспедиционных работ рыбопромысловых судов (как и в эскадренном плавании кораблей) шлюпочные сообщения между судами являются довольно важным элементом повседневной деятельности флота, а повсеместно используемая ныне швартовка шлюпок непосредственно к вертикальному борту судна несет неожиданные опасности шлюпочным командам.


Рис.31. Схема воздействия на корабль встречного волнения, показывающая динамические особенности качки, связанные с формальным понятием волнообразующей – волновоспринимающей длины корпуса корабля, при его взаимодействии с «правильной» прогрессивной штормовой волной. L(kwl) - длина корпуса по ватерлинии. L(wave) – длина корпуса, на которую оказывает прямое воздействие встречное морское волнение. Если L(wave) будет заметно меньше длины корабля L(kwl), то оконечности корпуса будут успокаивать килевую качку за счет нарушения структуры волнового потока в скуловой и в средней частях корпуса, а также снизят реакцию корпуса за счет общего увеличения моментов инерции массы корпуса.

Аналогичные эмпирические заключения по наилучшей форме корпуса можно сделать и в отношении килевой качки. Если на парусных кораблях носовая оконечность делалась очень полной в подводной части и с очень низким надводным бортом в районе бака, то это означало, что для борьбы с килевой качкой увеличивался момент инерции массы корпуса, который в силу необходимости сохранения продольной прочности не обеспечивался свойством всхожести на волну. То есть уже на средневековых парусных кораблях успешно обеспечивали минимизацию килевой качки и соответственно – общую стабилизацию корпуса в условиях интенсивного штормового волнения. Именно килевая качка приводит к невыносимым условиям обитания экипажа на корабле, но еще большую опасность она представляет потому, что при неконтролируемом изменении гидродинамических условий взаимодействия корпуса с морским волнением может произойти захват корпуса волной с его быстрым разворотом относительно фронта штормовой волны и последующим опрокидыванием.

Для современного быстроходного корабля повышенная полнота носовой оконечности недопустима. Это сильно сказывается на ходовых качествах. Однако ничто не мешает сместить дифферентующие силы, создаваемые гребнями штормовых  волн, ближе к средней части корпуса. Для этого необходимо уменьшить полноту надводного борта в оконечностях корабля и обеспечить хорошую обтекаемость корпуса на скорости хода, при которой длина корабельной волны соизмерима с длиной корпуса (объяснение ниже). В этом случае дифферентующие силы при встрече корабля с гребнями штормовых волн будут преобразовываться в силы всплытия, которым корабль будет противопоставлять инерцию всей массы своего корпуса.

При формальном рассмотрении процесса пассивного демпфирования килевой качки можно сделать заключение, что она зависит от своеобразной «волновоспринимающей» длины корпуса, которая одновременно является «волнообразующей» при рассмотрении процессов волнообразования корабля на различных скоростях хода на спокойной воде.


Рис.32. Геометрическая интерпретация расходящейся корабельной волны с помощью вихря, рождаемого вблизи судовой обшивки. Изображены линии тока в районе отрыва расходящейся волны от поверхности корпуса. Аналогичный процесс перераспределения волновых потоков происходит при столкновении корабля с гребнями штормовых волн.

В носовой части корпуса происходит группирование (сложение) расходящихся волн, которые не могут оторваться от корпуса ввиду малой скорости их распространения. Отрыв корабельных волн с малым периодом происходит только после того, как их амплитуда вырастет до такой степени, чтобы соответствующее увеличение длины достигло бы величины, когда скорости свободного движения этой поверхностной волны, суммировавшей весь высокочастотный спектр корабельного излучения, будет достаточной для отрыва от корпуса. Если в этой области потока создать как бы “закручивание” линий тока в обратную сторону, то, вероятно, произойдет гашение амплитуды расходящейся волны. Таким простым способом можно объяснить влияние бульба на носовую подпорную волну при движении судна с относительно малой скоростью. Аналогичный процесс будет происходить при взаимодействии корабля со встречным морским волнением, что как раз и должно обеспечивать динамическое перемещение сил всплытия на волнении ближе к средней части корпуса. Главное, чтобы у корпуса не было сильного развала надводных ветвей носовых шпангоутов, которые способны напрямую воспринимать силовые нагрузки от гребней штормовых волн, даже еще не ослабленных сложными взаимодействиями волновых потоков с гладкой обшивкой корпуса или, по крайней мере – княвдигедом, как у старых парусных кораблей.

Килевой качки, также как и вертикальной, невозможно избежать полностью, поскольку их проявление является результатом прямого воздействия на корпус корабля со стороны морского волнения. Однако нет необходимости ее и усиливать, как это делалось ранее на приспособленных к штормованию лагом к волне судах викингов.

Смысл визуальных наблюдений за ударами волн о корпус реального судна, так же как и при испытаниях моделей с оптимизированными корпусами, состоял в том, что наибольшую ширину ватерлинии и объем надводного корпуса, отвечающих за всплытие на волнении (в безбульбовом варианте - основной объем подводной части корпуса), необходимо сосредотачивать в его средней части, что должно обеспечивать динамически уменьшенную длину корпуса. Это позволит перенести силовое воздействие встречных волн ближе к средней части корпуса и соответственно частично перераспределить пары сил (дифферентующих моментов) в силы, направленные на поступательное всплытие и погружение корпуса, или превратить сильную килевую качку в умеренную – вертикальную.


Рис.33. Французский корабль «Лафайет», имеющий относительно скромный развал бортов в районе форштевня по сравнению с современными российскими кораблями, встречается с волной при относительно умеренном волнении моря. Удар гребня встречной волны о выступающий вперед форштевень может иметь сокрушительные последствия. Такой удар может произойти даже при движении по относительно пологой океанской зыби.

Килевой качки, видимо, невозможно избежать полностью, ибо пока не найдено соответствующих простых проектно-технических решений. Однако остаточную килевую качку можно эффективно гасить силами демпфирования, возникающими в районе скуловых шпангоутов, которые из условий оптимизации ходкости на тихой воде должны иметь довольно сложную форму, приводящую к своеобразному затягиванию (закручиванию) под днище набегающего потока, что способствует гашению расходящейся корабельной волны. Оптимально построенные скуловые обводы корпуса позволяют также снизить активность взаимодействия со штормовыми волнами, соизмеримыми с размерами скуловой части корпуса, а также при встрече с более крупными гребнями волн, когда корабль пытается поддерживать высокую скорость штормового хода.

В заключение необходимо также сказать о важных особенностях наиболее крупных и крутых морских волн – девятых валов, которые всегда присутствует в открытом море и наиболее активны в процессе свежего или усиливающегося волнения. Девятые валы всегда проявляются группами из двух-трех волн и обладают очень малой подвижностью. Самые грозные с виду волны не могут нанести бокового удара по корпусу неподвижного корабля, но могут резко подбросить его вверх или опустить вниз, причем если на вершине таких волн образуются обрушающиеся гребни, то «подбрасывания» и «опускания» оконечностей корпуса могут легко превысить ускорение свободного падения.

1. Траулер идет малым ходом курсом вразрез волне. Впереди виднеются аномально высокие девятые валы;
2. Волна приблизилась к траулеру, и экипажу может показаться, что ее высота выше ходового мостика;

3. Эта крупная волна лишь вскользь задевает форштевень, при этом нос не взлетает вверх, а падает вниз под удар следующего гребня волны;
4. Однако, стоячая волна больше не движется вперед и теперь подбрасывает вверх корму, оголяя винты и рули траулера

5. В следующий момент «качели» девятого вала ставят корпус траулера на ровный киль;
6. И траулер, разгоняясь, встречает ходом новую подвижную волну, но она уже имеет меньшую высоту.

Рис.34. Испытания на волнении модели корпуса траулера, имеющего форму корпуса, как у крейсера «Аврора».

Полный пакет образуют также 3-4 быстрых гребня прогрессивных волн, попарно опережающих и догоняющих девятые валы. Эти волны способны наносить сокрушительные удары по скулам корпуса, и чем лучшей всхожестью на встречную волну будет обладать корпус корабля, тем чаще такие «быстрые волны» будут прокатываться сокрушительными потоками по его носовым палубам.

«Быстрые волны» сменяются кратковременным затишьем, имеющем протяженность порядка 2-3 волн с характерными для волновой структуры периодами. В этот момент судоводитель имеет возможность встать на обратный курс, или вырваться их жесткого объятья штормовых волн, если судно, потеряв управляемость, будет поставлено штормом лагом к волне.

Знание указанных особенностей штормового волнения в открытом море позволяет мореплавателям уверенно удерживать судно даже в условиях ураганных штормов, а иногда – требовать от рулевого обеспечения приличной обитаемости для экипажа. Но все же штормовая мореходность в не меньшей степени должна обеспечиваться мореходными качествами корабля, особенностями обводов корпуса и архитектурным обликом, не вступающими в жесткие контакты с сокрушительными волнами и ураганными ветрами.

О современных проектных решениях

Считается, что на архитектуру современных кораблей наибольшее влияние оказали «кораблестроительные уроки Цусимы». Под руководством А.Н. Крылова, а затем И.Г. Бубнова в опытовом бассейне в Петрограде проводились экспериментальные работы по совершенствованию научных методов оценки ходовых и мореходных качеств проектируемых кораблей [Хмельнов и др, 1996]. Однако особое внимание стали уделять непотопляемости и живучести корабля в боевых условиях, а ходовые испытания ограничивались опытами по достижению максимальной скорости хода на тихой воде.

Реалистичные испытания штормовой ходкости и качки корабля в новом большом опытовом бассейне оказались затруднительными, так как в отличие от гравитационной тяги малых бассейнов, позволявшей моделям изменять ход под ударами волн, буксировочная тележка «прорывала» испытываемые модели сквозь гребни волн с фиксированной скоростью, что лишало экспериментаторов возможности делать объективные оценки особенностей формы корпуса при его силовом взаимодействии с гребнями волн.

С учетом потребностей в увеличении надводных объемов корпуса для размещения вооружений, форма корпуса корабля начала изменяться в сторону завышения надводного борта, что сказывалось на изменении традиционного штормового плавания в режиме «прорезания волн», так как корабли с огромным запасом плавучести кроме отличной «всхожести на волну» приобретали также и резкую килевую качку.

В новых проектах кораблей все в большей мере отражались, ранее активно отклоняемые идеи вице-адмирала С.О. Макарова об обеспечении боевой непотопляемости за счет увеличения высоты борта, что формально означало также и увеличения запаса плавучести корабля. Фактически же это приводило не только к ухудшению штормовой мореходности и безопасности штормового плавания, но также лишало артиллерийский корабль его главного качества – устойчивости корпуса как стабилизированной платформы в условиях покатой морской зыби и умеренного волнения.

За точку отсчета современных подходов в российском кораблестроении условно можно принять появление и триумф эсминца типа "Новик". Это тот весьма показательный случай, когда стремление к максимальной вооруженности корабля возобладало над свойственной мореплавателям заботой о хорошей мореходности.

1 августа 1910 года, на основе конкурсного проекта, под руководством старшего делопроизводителя кораблестроительного отдела Морской технической комиссии, подполковника, корабельного инженера К.А. Теннисона был заложен эскадренный миноносец «Новик», в проекте которого было очень хорошо сбалансировано соотношение мощностей энергетической установки и многочисленных систем вооружений. Форма корпуса корабля вполне соответствовала представлениям о наилучшей мореходности тех лет: надводный борт имел внутренний завал, оконечности корпуса заострены, все шпангоуты построены на плавных лекальных кривых, а вот отношение ширины к осадке корпуса стало несколько большим. Последнее привело к завышенной остойчивости миноносца и уменьшению периода собственных поперечных колебаний корпуса до 6,5–7 сек.


Проекция «корпус» теоретического чертежа эсминца «Новик»

Командир «Новика» – капитан 1-го ранга Д.Н. Вердеревский по результатам испытаний летом 1912 года указывал, что «чрезмерная остойчивость прежде всего отрицательно сказывается на состоянии экипажа и возможности эффективно использовать артиллерийское и торпедное вооружение». Предвидя это, Путиловский завод еще на этапе разработки детального проекта корабля просил Морское министерство разрешить ему несколько увеличить слишком малую осадку «Новика», отрицательно влиявшую на его мореходные качества. Но эта просьба не была удовлетворена, и в результате сразу после ввода новых миноносцев типа «Новик» в строй, они становились экспериментальными в применении различных успокоителей качки.

Несколько завышенный надводный борт и очень высокий полубак этого корабля, внесенные в проект для размещения многочисленных корабельных механизмов и палубных вооружений, также были устроены в ущерб штормовой мореходности, что, как показала морская практика, лишила эсминец «Новик» своих преимуществ в избытке его артиллерийских вооружений, эффективность которых в условиях морской зыби и волнения оказалась не на самом высоком уровне. К сожалению, негативные элементы формы корпуса «Новика» в современном кораблестроении даже усилены стремлением к обеспечению еще и незаливаемости верхних палуб, что оказалось возможным только за счет недопустимого усиления интенсивности килевой качки, которая стала опасной даже на относительно слабом волнении.

Но все же первые послецусимские проекты линкоров типа «Севастополь», крейсеров типа «Светлана» («Красный Кавказ») и эсминцев типа «Новик» еще не утрачивали мореходных свойств старых доцусимских кораблей в целом.

Мореплавателям известно, что за непритязательным термином «хорошая морская практика» стоят тысячи поглощенных морской стихией или же благополучно выбравшихся из смертельных океанских переделок судов и человеческих жизней. И, как это ни странно на первый взгляд, но расхождение кораблестроения XX века с хорошей морской практикой было предопределено не столько эйфорией перед кажущимися неограниченными возможностями начавшейся научно-технической революции, сколько по большей части – самой диалектикой противоречий, порожденных бурным развитием этой революции. Если в прежние века корабли создавались практическими мореплавателями «для себя», то объективно возрастающая специализация науки, интенсификация инженерно-технологических работ потребовали формирования самостоятельной кораблестроительной науки и производства. При этом, конечно же, утверждения о принципиальных расхождениях кораблестроительной науки с морской практикой и навигационными науками вряд ли будут уместны, но в то же время отсутствие постоянной практики судовождения у зародившейся к началу XX века плеяды береговых специалистов-кораблестроителей не могло не уводить из их поля зрения отдельные (в т.ч. существенные) особенности реальных воздействий суровой и изменчивой морской стихии на корабль. Как следствие, приоритеты в целом ряде случаев стали перемещаться в сторону не вполне оправданного функционального насыщения кораблей, поддержания соответствующей мореходности за счет усиления их прочностных характеристик, мощности силовых установок и увеличения остойчивости.


Рис.35. Линкор «Парижская коммуна» («Севастополь») с носовой наделкой полубач-ного типа, которая не столько обеспечивала всхожесть на волну, сколько черпала потоки воды на верхнюю палубу, создавая чудовищные продольно-скручивающие нагрузки на корпус.

Наклоненный вперед форштевень и развал скуловых шпангоутов в советское время был устроен линкорам типа «Севастополь» при их модернизации в конце 20-х годов ХХ века. Считалось, что это улучшит всхожесть на волну и снизит заливаемость носовой палубы. Но морская практика показала обратное. В ноябре 1929 года линкор «Парижская коммуна» (бывший «Севастополь») под командованием Л.М. Галлера ушел в дальнее плавание на Средиземное море, но на пути, в Бискайском заливе, попал в жестокий шторм. Носовая наделка ничуть не улучшила всхожесть на волну, а наоборот, черпала воду, из-за чего корабль зарывался носом еще сильнее. Крен достигал 29 градусов, нарушилась герметичность палубных люков, один за другим начали выходить из строя различные механизмы. Положение стало критическим. К счастью, несуразная носовая конструкция под ударами волн вскоре развалилась, несколько облегчив движение линкора … Носовая часть современных кораблей, и в том числе большого водоизмещения, имеет еще более высокий и широкий полубак.

Однако победившая в цусимской компании Япония, воевавшая на английских кораблях, включила в свою новую кораблестроительную программу не новомодные английские дредноуты, а проекты кораблей, более похожие на русские «Бородино» и «Цесаревича».


Рис.36. Немецкий линкор «Адмирал граф Шпее», как и другие крупные немецкие корабли того времени, обладал заметным завалом бортов на уровне действующей ватерлинии, очень заостренными штевнями и малыми моментами инерции площади ватерлиний в оконечностях во всем диапазоне изменения посадки в условиях океанской качки. Безусловно, что именно эти качества формы корпуса корабля способствовали хорошей ходкости и высокой эффективности артиллерии в условиях океанской зыби и сильного волнения. Корпус корабля рассчитан на эксплуатацию в условиях постоянной забрызгиваемости верхних палуб, обусловленной малой килевой качкой, отчего возможная заливаемость не грозила заныриванием корабля под встречную волну.

Примечательно также, что обводы корпуса, заострение оконечностей, завал бортов на уровне действующей ватерлинии и внешняя архитектура немецких карманных линкоров в целом тоже приводили их к мореходным качествам, аналогичным последним русским эскадренным броненосцам. Причем, по многим документальным съемкам немецких кораблей, отмечается постоянное присутствие воды на верхней палубе, что свидетельствует о важной для артиллерийских кораблей стабилизации килевой качки в ущерб «всхожести на волну» и «незаливаемости».

Новые эсминцы 1930-х годов типа «Гневный» (проект 7) уже не имели завала бортов в средней части корпуса, форштевень был заметно наклонен вперед, а узкая крейсерская корма заменена на широкую транцевую. Соответственно, изгибно-скучивающие нагрузки на корпус эсминца при его плавании в условиях штормового волнения многократно возрастали. 22 ноября 1942 года при плавании в штормовых условиях Баренцева моря эсминец «Сокрушительный», штормуя малым ходом на курсе носом на волну, неожиданно потерял 26 метров своей широкой транцевой кормы, отломившейся до водонепроницаемой переборки машинного отделения. Кормовая часть быстро затонула вместе с находившимися в кубриках матросами, при этом качка оставшейся части корпуса стабилизировалась, и аварийный корабль еще не менее двух суток штормовал без хода, что позволило спасти большую часть его экипажа.


Рис.37. Лидер «Ташкент». Вторая мировая война испытывала на прочность не только самоотверженность корабельных минно-артиллерийских расчетов, во многих случаях искусство штормового кораблевождения оказывалось не менее важным средством поддержания боеготовности корабля в открытом море.

Трагическая морская практика кораблей этого типа, к сожалению, с точностью до наоборот отразилась в проектах современных кораблей с еще более широкими транцевыми кормами и полубаками, да еще и с развалом бортов в средней части корпуса. Это свидетельствует о современной концепции кораблестроения, ориентированной на поддержание абсолютной «всхожести на волну», что вполне соответствует и современному требованию по запасу плавучести, многократно превышающему водоизмещение корабля.

Отрыв от морской практики отмечен и другими технологическими «успехами» современной «самостоятельной» кораблестроительной науки. В начале XX века транспортные суда оборудовались парусиновыми люковыми закрытиями, унаследованными еще с парусного флота. Опасность для штормования представлялась в результате срыва такого закрытия «гуляющей» по палубе штормовой волной, что усугублялось как постоянно увеличивающимися размерами люковых закрытий на новых транспортных судах, так и все большей открытостью верхних палуб для ударов волн. Для обеспечения прочности и надежности люковых закрытий были созданы складывающиеся металлические люки типа "Мак-Грегори", повсеместно внедренные, правда, только в 50-е годы.

Независимо эту же задачу решили и корабельные инженеры, которые для защиты люковых закрытий пытались обеспечить незаливаемость верхних палуб, придавая корпусу судна свойство всхожести на волну. Форштевень судна (или корабля) стал наклонным вперед, а над ним стала простираться широкая палуба бака с крылообразным развалом носовых шпангоутов, что вместо ожидаемой «всхожести на волну» привело к резкой килевой качке и явлению «зарывания» или даже «подныривания» под встречную волну. Широкая и объемная, нависающая над водой транцевая корма, устроенная, видимо, для стабилизации потока в районе винто-рулевого комплекса, теперь стала подхватываться штормовой волной, усугубляя рыскание, бортовую качку и даже, угрожая опасными захватами корпуса попутной волной.

Судовладельцы, зная о проблемах штормовой мореходности, организовали службу штормовых предупреждений, которая вырабатывала рекомендации по обязательному уклонению от циклонов, по сути – отреагировали запретами плавания в штормовую погоду.


Рис.38. Траулер, скатывающийся под волну. Это единственно допустимый режим штормования для этого судна (СРТМК), так как движение вразрез волне невозможно из-за ударов волн по развалистой скуле. Траулер поддерживает ход, необходимый для сохранения управляемости, это усиливает разрушительную силу падающей на бак волны. В следующий момент между баком и надстройкой образуется озеро метровой глубины, судно теряет остойчивость и, кренясь, сбрасывает это "озеро" через фальшборт. Широкая транцевая корма - это опасность захвата корпуса попутной волной и опрокидывания при крутом выходе с курса по волне (но "морские волки" должны обгонять волну, давая полный или даже форсированный ход).

К сожалению, достижение незаливаемости палуб за счет хорошей всхожести на волну привело к необходимости усиления продольной прочности корпуса (эскадренные миноносцы без высокого полубака намного легче держали ход на волнении). Наблюдения за поведением корпуса судна во время штормовых ходовых вахт также наглядно подтверждали, что задача о безусловной незаливаемости верхней палубы приводит к совершено неприемлемым, а часто и к прямо противоположным результатам. Так, рыболовный траулер, постоянно падая с гребня одной волны, принимал на свою широкую носовую палубу следующую волну в ее наиболее разрушительной фазе. В результате интенсивной килевой качки вертикальное ускорение в носовом части корпуса нередко превышало ускорение свободного падения g, что наглядно проявлялось разбросанными грузами в носовом трюме и в кормовой провизионке этого траулера.

Для уменьшения качки, предотвращения днищевого слеминга и чрезмерных изгибных нагрузок корпуса на волнении обычно используется режим штормования вразрез волне, при котором поддерживается минимальный ход с курсовым углом приблизительно 30 градусов от встречного к волнению. Такое плавание сопровождается разрушительными воздействиями на двигатели и рулевые устройства, так как для удержания минимального хода главные двигатели работают на малых оборотах и с огромными внешними перегрузками на движителях, а для сохранения управляемости требуются постоянные перекладки руля чуть ли не с борта на борт. Вследствие усиленной килевой качки и малого хода создаются условия для оголения винто-рулевого комплекса, что приводит к его ударным перегрузкам. Штормование вразрез волне является комбинированным методом, в котором небольшие отклонения от курса носом на волну позволяют корпусу плавно отслеживать волновую поверхность при довольно сильном рыскании на штормовом курсе, при котором рулевой сохраняет режим активного хода, не отдает судно полностью во власть волны.


Рис.39. Океанский спасатель. На основе исторического анализа эти корабли можно сопоставить с поморскими кочами и ладьями викингов, если, конечно, исключить соотношение размеров корпуса и его относительную прочность. Такие обводы оправданы только для малых судов, способных удерживаться на поверхности волны, несмотря на огромные ускорения в процессе качки (теоретически - это g, если на вершине волны имеется обрушающийся гребень), и перед которыми не ставится задача сохранения хода, работоспособности оборудования, комфортной обитаемости и т.п. Остается надежда, что такая форма корпуса всего лишь вершина абсурдов борьбы с заливаемостью верхних палуб

Но и этот метод плавания был отменен из-за установки носового бульба, так как в результате повышенной массовой инерционности и жесткой гидродинамической устойчивости этого бульба на курсе вразрез волны может быть получен сильнейший удар волны по скуле, имеющей сильный развал носовых шпангоутов. Удары по скуле правильнее было бы определить как новый вид слеминга, вызванный усилением динамического взаимодействия корпуса и волнения.

В основном режиме работы рыболовного траулера, при выборке трала на курсе по волне, даже в случае умеренного волнения регулярно ощущаются удары слеминга также и под широкой транцевой кормой, которые к тому же сопровождаются продольной вибрацией корпуса. Главной особенностью рыболовных судов является необходимость работы экипажа на верхней палубе при умеренных штормах, при которых либо еще продолжается рыбалка, либо сети поднимаются на борт с последующим креплением «по штормовому». В данном случае достижение незаливаемости бака, которое имеет следствием усиление всех видов качки, приходит в явное противоречие с обеспечением безопасности работы на кормовой траловой палубе.

Если же траулер, к примеру, следуя штормовым курсом носом на волну немного превысит скорость, то в условиях зарываемости под встречную волну будут получены сильнейшие удары обрушающегося потока по широкой палубе бака, а при уменьшении хода появляется риск потери управляемости и самопроизвольного выхода на курс лагом к волне, после чего может не хватить мощности машин для возврата на курс безопасного штормования.

Но все же стабилизация корпуса особенно важна для кораблей с гидро- и радиолокационным оборудованием, которое слепнет в условиях интенсивной качки. Как известно, при плавании на умеренном волнении новейший английский эсминец «Шэффилд» погиб, оказавшись беззащитным даже перед морально устаревшим ракетным оружием аргентинского самолета.



Рис.40. Пассажирский лайнер. Огромный надводный объем в носовой части корпуса предполагает плавание на волнении со свободным рысканием на курсе, но этого не допускает бульб. Широкая кормовая палуба существенно ограничивает возможности выбора штормового курса. В целом же штормовая безопасность этого судна всецело зависит от надежности двигателей и опытности ходовой вахты или от возможности быстро укрыться от непогоды в ближайшем порту – убежище

Исследование мореходных качеств современного флота является особой задачей, сулящей множество неожиданных открытий, особенно связанных с широким разнообразием обводов корпусов современных кораблей и судов. К сожалению, до настоящего времени в России не налажено постоянного взаимодействия кораблестроительной науки с капитанским опытом реального мореплавания, не опубликованы и не переданы широкой научной общественности материалы о мореходности, имеющиеся в судовых журналах 2-й Тихоокеанской эскадры адмирала З.П. Рожественского, не учитывается опыт флотских испытаний на мерных милях, которые в начале ХХ века проводились даже в условиях штормового волнения.


Рис.41. Форма корпуса современного корабля I-го ранга «Адмирал Пантелеев». Корабль имеет очень большой развал бортов в районе действующей ватерлинии, что обуславливает интенсивную бортовую качку на штормовом волнении. Очень высокий надводный борт, огромный развал носовых шпангоутов и большая дополнительная плавучесть в кормовой части корпуса приводят к недопустимой интенсивности всех видов качки. При этом глубоко посаженый бульб не позволяет корпусу уворачиваться (рыскать) от ударов встречных волн. Если же командир примет решение об уменьшении бортовой качки за счет снижения начальной остойчивости, то также будут существенно уменьшены и запас остойчивости, и угол ее заката, что создаст опасность опрокидывания корабля

Настоящие исследования штормовой мореходности полностью опираются на выводы из собственной морской практики автора, да на поддержку и взаимопонимание многих капитанов и судоводителей, с которыми приходилось обсуждать эту тему на Черном море, на Балтике, в Атлантическом и Тихом океанах. Многие исторические примеры приукрашены сленгом береговых встреч с однокашниками по мореходке, отчего и сложилось эмоционально-палубное и полукритическое восприятие традиционного ныне искусства проектирования формы современных кораблей и судов.

И все же корабль является сложной, но единой инженерной системой, и если при его проектировании усиливается одно из эксплуатационных требований, то из этого не должно следовать абсурдного следствия, которое, если не губит на корню мореходность корабля в целом, то нередко снимает актуальность или делает абсурдным требование – причину (подобно случаю борьбы с незаливаемостью).

Предварительные предложения по корабельной архитектуре

Проектирование корабля, как инженерного сооружения, должно обеспечивать сочетание свойств непротивления стихии с возможностями активного управления судном в штормовом море в соответствии с его назначением.


Рис.42. Малый противолодочный корабль пр.204 (1964 г.), как пример удачного проектирования высокоскоростного специализированного корабля прибрежного плавания. Корпус корабля является ярким примером обводов типа «двойного клина». Этому кораблю, оснащенному суперкавитирующими винтами с принудительным нагнетанием воздуха в область их действия, нестрашны оголения винто-рулевого комплекса, когда он начинает «перепрыгивать» с одной штормовой волны на другую. Подобно средиземноморским галерам, в основную задачу этого корабля входит охрана водного района вблизи торговых портов или военно-морских баз, где он всегда сможет укрыться и сам, спасаясь от ураганных штормов. В свежую погоду такие малые корабли охраны водного района отстаиваются у причалов военно-морской базы, а по тревоге готовы выскочить в море с предельно максимальной скоростью. Неадекватное поведение такого корабля на волнении требует особого опыта и автоматизма от рулевого, поэтому для управления ходом желательно использование компьютерные экспертно-измерительные и управляющие комплексы, которые либо автоматически поддерживали бы ход, либо наилучшим образом стабилизировали корпус корабля для повышения эффективности вооружений. Малому кораблю с относительно высокой прочностью корпуса вполне позволительно работать на форсированных режимах с предельными нагрузками на корпус и корабельное оборудование.

Современные корабли обладают огромными запасами мощности главных двигателей, а также очень прочными корпусами, что позволяет им уверенно штормовать в открытом море при активном использовании (и чрезмерной перегрузке) винто-рулевых комплексов. Учитывая исторический опыт мореплавания и непротиворечивого проектирования кораблей различного назначения, можно существенно повысить эффективность, экономичность и безопасность эксплуатации флота.

Однако, учитывая большие технические возможности и энергетические мощности современных кораблей, оптимизация формы корпуса и общекорабельной архитектуры может быть проведена с целью существенной специализации корабля как по его назначению, так и по режимам его повседневной эксплуатации и боевого использования. Чрезмерная специализация инженерной системы, как и ее оптимизация по жестко заданным формальным критериям, может привести к появлению критических режимов эксплуатации сверхспециализированного корабля, когда человек будет не в состоянии адекватно оценивать обстановку на море и предпринимать действия по управлению кораблем, особенно в сложных условиях плавания, во внештатных или аварийных ситуациях.

К примеру, достижение наилучшей штормовой мореходности может позволить поддерживать высокую скорость хода при стабилизации корпуса активными успокоителями качки, малейшая ошибка в управлении которыми будет представлять немалую опасность для удержания корабля на поверхности воды. Поэтому специализированное проектирование должно требовать более углубленного изучения особенностей эксплуатации флота в штормовых режимах плавания, чтобы после математизации основных законов и опытовых экспериментов по штормовому управлению кораблем можно было воспользоваться как аналитическими возможностями бортовых вычислительных комплексов, так и практическим опытом по обеспечению безопасности корабля при сбоях автоматических систем управления, формализованных в рамках тех же компьютерных экспертных систем.

В заключение можно сформулировать основные требования к мореходным качествам судна и на их основе построить гипотетическую модель формы корпуса и общекорабельной архитектуры:

- Кораблям ВМФ, исследовательским и рыболовным судам необходимы:

- Суда спасательной и патрульной службы должны иметь возможность поддержания хода на произвольном курсе относительно штормового волнения, а также активно маневрировать в любых погодных условиях;
- К транспортному судну с маломощными двигателями не всегда возможно предъявление требований о всепогодной эксплуатации, однако поддержание хода в условиях интенсивного волнения является чисто экономическим требованием. Сохранение активного хода на волнении также необходимо для уклонения или обхода циклонов, а при встрече с ураганными штормами судно должно иметь возможность пассивного штормования в режиме носом на волну, обеспечивающем минимальные нагрузки на корпус и груз;
- Конечно, это необходимо для всех морских судов, а для пассажирских и рыбообрабатывающих судов важно также и по этическим нормам (здесь нет проблем ни с обеспечением высокой скорости транспортировки грузов, ни с поддержанием боеготовности) – это требование безопасности штормового плавания без хода, которое должно быть обеспечено проектированием специальной формы корпуса и надстроек
.

Реально – это три взаимоувязанные проблемы: 1 - ходкость; 2 - стабилизация корпуса; 3 - безопасность плавания, которые должны решаться применительно к реальному плаванию, в том числе в условиях штормового волнения. Следуя вышеописанным проектным требованиям, полученным из исторического анализа свойств корабельной архитектуры, в предполагаемый проект нового корабля должны быть включены следующие 6 взаимозависимых правил:

1. Смещение центра величины в нос до приведения на одну вертикаль или даже опережения динамического центра бокового сопротивления. Это обеспечит стабилизацию качки при движении на волнении, а без хода создаст предпосылки для безопасного штормования;
2. Существенное уменьшение площади, а также поперечного и продольного моментов инерции действующей ватерлинии и заострение ее в оконечностях для уменьшения силового воздействия умеренного волнения и сохранения ходкости в условиях океанского плавания;
3. Исключение развала бортов, широкой и непрерывной верхней палубы (а также наклона вперед надводной части форштевня). Во время штормового плавания это снимет проблему чрезмерной качки и ударов волн как по корпусу, так и по палубе, а также создаст условия для активного управления ходом судна;
4. Существенное уменьшение надводных объемов корпуса в оконечностях. Если надводный центр парусности привести к средней части корпуса, то это улучшит штормовую управляемость, если же обеспечить завал борта на уровне действующей ватерлинии, то это стабилизирует ход на волнении без усиления килевой качки и рыскания, так как движущийся с высокой скоростью корабль перейдет в режим прорезания волн;
5. Последнее не противоречит переносу основных надводных объемов в кормовую часть корпуса (конечно же, без образования широкого транца и плоского кормового подзора) по правилу: нос загружается в подводной части, а кормовой объем нависает над водой, в том числе и за кормовым перпендикуляром. Таким образом, будут выполнены требования безопасного штормования в режиме носом на волну. Такое решение учитывает свойства реального штормового волнения, исключая, может быть, условия непредсказуемости волнообразования в центре циклона. Завышенные кормовой надводный объем и высота юта не мешают поддержанию эффективности хода и управляемости, так как ускоренный движителем поток "удерживает" кормовой подзор на осредненном уровне поверхности взволнованного моря.
6. Существенное уменьшение парусности и высоты надстроек, с переносом соответствующих помещений внутрь гидродинамически обоснованного корпуса – это уже хорошая морская примета: "Красота корабля определяется отсутствием на его борту ненужных вещей". Попутно снимаются ограничения на выбор штормового курса, обусловленные заливаемостью, а также решается проблема ветрового крена, и, как следствие, за счет уменьшения начальной метацентрической высоты корпус может стать пассивным по отношению к кренящему воздействию волн, и, уж конечно, - это основное и единственное решение задачи в борьбе с обледенением
.



Рис.43. Эскиз универсального судна, штормовая мореходность которого подобна старинной галере с бульбовым носом. Такой корпус позволяет удерживать судно на штормовом курсе носом на волну даже при относительно маломощных двигателях, которые фактически исполняют роль кормового весла-плавника. В проекте показывается, что реализация формы корпуса, удовлетворяющей всем вышеперечисленным требованиям к мореходности, и использование этого корпуса возможно даже в случае самого сложного универсального судна.

Указанные правила не противоречат другим мореходным качествам:

В описанных правилах упомянут завал борта в районе действующей ватерлинии (пп.4). Это новый элемент формы корпуса, выведенный из принципа непротивления морской стихии. Скорее всего, корабелы прошлого века широко использовали бы такой завал борта у корпусов военных кораблей, если бы форма мидель-шпангоута не определялась громоздкостью паровых машин, используемых в то время в качестве главных двигателей.

Лаборатория вычислительной гидромеханики и океанографии
История штормовой мореходности (от древности до наших дней)

§ 1. История кораблестроения как поиск непротиворечивого диалога с океаном
§ 2. Условия штормового мореходства и морская инфраструктура
§ 3. Проектные особенности корабля повышенной штормовой мореходности
§ 4. Проработка перспективных проектов кораблей повышенной мореходности
Морское дело и научно-техническое творчество юношества
Краткий толковый словарь морских и кораблестроительных терминов
Аннотированный список использованной литературы
Содержание