in Englishin English
Целевое непротиворечивое проектирование корабля, как сложного и единого инженерного сооружения, достигает критериев технической оптимальности и навигационной эффективности только в случае всестороннего учета региональных особенностей мореплавания и ведения морских работ в конкретных географических и гидрометеорологических условиях. Так, в северо-западной части Тихого океана, в дальневосточных морях России, невозможно использовать флот тихой погоды даже для прибрежного плавания, и который широко представлен в зарубежных морских акваториях умеренных широт. Концептуальные положения непротиворечивого проектирования, устанавливающие механику слаженного диалога корабля и океана конкретных навигационных условиях, в хорошей морской практике связываются аксиомой технической эстетики об отсутствии чего бы то лишнего на красивом корабле.
Дальние океанские переходы между районами рыбных промыслов и незащищенными сахалино-курильскими портопунктами изобилуют штормовыми ветрами, с подвижными ледовыми полями и тяжелым обледенением палубных устройств и надстроек в холодные сезоны года. Все классы рыбопромыслового и вспомогательного флотов должны проектироваться с учетом фактического отсутствия надежных портов-убежищ на Сахалине и Курильских островах, что требует от экипажей судов постоянной готовности к выходу из портовых гаваней для неизбежной встречи всех штормов и ураганов в открытом море – на глубокой воде вдали от берега.
В отличие от крупных лайнеров, в проектировании рыболовных, спасательных и гидрографических судов, важнейшими становятся требования всепогодной эффективности и безопасности по работе палубной команды, по возможности регламентного использования всех судовых устройств и механизмов в условиях штормов и обледенения. Предназначение такого флота в полной мере определяется исходными проектными решениями по достижению наилучших штормовых мореходных качеств судов, строжайше согласованных с опытностью мореплавателей на ходовой вахте; на верхних и промысловых палубах, в судовой машине и в производственных помещениях. Навигационные условия на Дальнем Востоке России должны оцениваться ветрами более 30 м/с; крупными прогрессивными волнами высотой фронта более 10 м и крутизной порядка 30°, с периодами 6–8 с в Охотском и Японском морях, и до 15 с – в Тихом океане; а также регулярным проявлением опасных стоячих девятых валов с крутизной гребня более 45°.
Оптимизация в технике опирается на частные инженерно-технические решения, при отсутствии «достаточных условий» для определения единственно верного проектного заключения. Свобода и необходимость творческого выбора связана с принципиальной недостаточностью и противоречивостью исходных требований к перспективному судну, разрешающиеся исключительно с позиций хорошей морской практики и грамотности мореплавателей при формулировании проектных требований и оценки технических решений для особых условий эксплуатации новой морской техники.
Непротиворечивое проектирование эффективных морских судов образуется встречными этапами поисковых исследований, нацеленных на последовательное согласование требований к кораблю как к единому инженерно-техническому сооружению [1]. Целевое проектирование с поверкой избранных инженерных решений могут представляться встречные проходами (этапами), как: анализ «сверху–вниз» – от общих проектных предпосылок к частным техническим решениям; и синтез «снизу–вверх» – от доступных технологических возможностей к оптимальному по назначению проекта нового корабля в целом.
Непротиворечивая проектная оптимизация сводится к согласованию эксплуатационных требований к перспективному кораблю, выполняемому на проходе по логическим этапам проектного синтеза: «сверху–вниз» (рис. 1–а), затем в обратной последовательности поверочного анализа принятых решений на пути: «снизу – вверх» (рис. 1–б). Новые технические решения сопутствуют концепции синтеза «сверху – вниз», где на основе пожеланий мореплавателей происходит согласование технологических возможностей современного судостроения и прогнозируемых мореходных качеств перспективного корабля. Частный анализ и компоновка добротных инженерно-технических решений на проектном этапе: «снизу – вверх» завершается отработкой наставлений мореплавателям, с детальным исследованием всех режимов судовождения для документирования особых мореходных свойств и рекомендаций по оптимальному разрешению опасных ситуаций, с наставлениями по регламентным действиям экипажа в сложных, ледовых и штормовых условиях морских работ, в том числе с учетом особенностей и преимуществ найденных проектных новаций.
В зависимости от предназначения и условий мореплавания узкоспециализированные корабли и суда должны обретать вполне определенные и формально прогнозируемые особенности общекорабельной архитектуры, и компоновки судовых устройств и помещений. Такая систематизация общеархитектурных принципов построения морских судов необходима для изначального обоснования обобщенных проектных заключений на этапах поиска ключевых инженерно-технических решений в диалоге с опытными мореплавателями – ответственными за реально эффективную и безопасную эксплуатацию создаваемых проектов новых судов. Формально независимые (ортогональные) направления проектных изысканий опираются на ограниченное количество инженерно-технических решений по форме корпуса и архитектуре корабля:
1. В зависимости от характера грузов и громоздкости палубных надстроек и бортовых устройств, внешний вид и особенности общекорабельной архитектуры морского судна могут представляться в следующих вариантах:
– полупогружное судно – если в эксплуатационных требованиях не предусматривается необходимости каких-либо палубных работ в открытом море, и особенно в свежую погоду или в штормовых условиях;
– палубное судно – если предусматривается проведение судовых работ, рыболовства и рыбообработки, спасательных операций и других работ на верхних палубах или в водопроницаемых (проветриваемых) подпалубных помещениях в любых погодных условиях;
– высокое башенное исполнение надстроек судна – если предназначением предусматриваются особо большие объемы закрытых помещений для комфортного размещения пассажиров, для самоходных мобильных или десантно-транспортных средств, палубной авиационной техники, громоздких антенных комплексов и др.
2. Эксплуатационные возможности морского судна всецело определяются требованиями по необходимости поддержания всепогодного мореходства и эффективного ведения морских работ в сложных навигационных, штормовых и ледовых условиях в заданных географических регионах:
– судно для неограниченного штормового мореходства с возможностью всепогодного ведения морских работ – требует наивысшей проектной оптимизации с учетом узконаправленной специализации морского судна, что формально увеличивает лишь стоимость его проектирования и строительства.
– судно неограниченного плавания без возможности всепогодного ведения морских работ – способное лишь к условно безопасному штормованию в тяжелых погодных условиях под непрерывным контролем опытных мореплавателей, что отрицательно сказывается на эксплуатационных расходах и износе судовых механизмов, подвергающихся чрезмерным перегрузкам в особых условиях штормового плавания;
– судно ограниченного района плавания – обеспечиваемое мощностью машин для уклонения от штормовых циклонов и соответствующей возможностью своевременного укрытия в портах-убежищах по оперативным прогнозам бортовых метеостанций или по командам из береговых служб контроля обстановки в прилегающих прибрежных акваториях.
3. Судовые обводы нередко определяются жесткими экономическими требованиями по общей полноте корпуса, или по глубине воды на морских коммуникациях и у причалов в портах назначения:
– наибольшая полнота корпуса – как оптимум для достижения наибольшей массы транспортируемых грузов при минимальных затратах на строительство и эксплуатацию морского судна в заданных навигационных условиях;
– ограниченная осадка – может стать жестким условием, ограничивающим как общие мореходные качества судна, так и возможность его использования в сложных и штормовых условиях эксплуатации;
– скоростное (быстроходное) судно – для водоизмещающего режима эксплуатации обводы корпуса оптимизируются по условиям минимума силового влияния на корпус судна со стороны штормовых волн, что безусловно положительно сказывается на ходкости и стабилизации положения судна при движении на тихой воде.
Важно отметить, что настоящие изыскания в области штормовой мореходности в наибольшей степени актуальны для судов относительно небольшого водоизмещения, для которых длина и высота штормовых волн соизмеримы с главными размерениями морского судна. В качестве инструментальных средств задействуется аналитическое обобщение системы технических требований из хорошей морской практики и новых инженерных обоснований для построения внешнего облика (общекорабельной архитектуры) и главных элементов формы корпуса, которые оказывают непосредственное влияние на мореходные качества и условия маневрирования корабля в сложных, штормовых и ледовых условиях плавания.
В отличие от среднеширотной навигации теплых морей, Дальнему Востоку России требуются узкоспециализированные суда для особых штормовых и ледовых условий плавания, эффективность эксплуатации которых определяется минимизацией потерь ходового времени на активное штормование (ожидание у моря хорошей погоды). Фактическое отсутствие портов-убежищ также служит исходному условию по достижению неограниченной штормовой мореходности, как необходимой проектной предпосылке для обеспечения непрерывного и всепогодного ведения промысловых, спасательных или поисковых операций в открытом море.
Эффективность всепогодного ведения морских работ обусловливается: – комфортностью обитания экипажа по плавности и малости штормовой качки; – защищенностью палубной команды от шквалов и северных леденящих ветров; – возможностью обогрева отсеков для стабильной работы судовых служб и палубных команд в зимних рыбопромысловых или гидрографических экспедициях. Тогда функциональные цели проектной оптимизации исходят из навигационных требований по ходкости произвольными курсами относительно штормового волнения и ветра, обусловленных оптимальным распределением масс и объемов судовых отсеков: с удобными выходами на рабочие палубы; с увязкой разнообразных судовых и палубных работ по эффективности судовых технологических процессов и комфортности повседневных условий для жизни экипажа.
Концептуальные проектные предпосылки к означенным классам кораблей и судов [1], сообразно условиям эксплуатации, сводятся к необходимости достижения условно обобщенных мореходных качеств:
– патрульные, спасательные и рыболовные суда обеспечиваются ходкостью любыми курсами относительно штормового волнения и ветра; при обязательной стабилизации качки для поддержания палубных работ в любых погодных условиях;
– суда спасательной и патрульной службы должны обладать минимальной качкой и быть устойчивыми на штормовом курсе; и в то же время иметь возможность активно маневрировать в тяжелых погодных и сложных навигационных условиях;
– все три класса судов должны обладать минимальной килевой качкой и обеспечивать незаливаемость кормовой рабочей палубы на ходу вперед под главными (маршевыми) двигателями, возможно за счет избыточной заливаемости, вертикальной качки и рыскании в носовой оконечности корпуса;
– безусловная безопасность аварийного штормования без хода не ставится существенным условием, т. к. в аварийных ситуациях высококвалифицированный экипаж сможет предпринять активные действия по установке штормовых парусов и плавучих якорей.
На практике это взаимосвязанные проектные задачи аэрогидромеханики корабля в условиях интенсивного штормового волнения и ветра, с целевым функционалом на достижение: 1 – ходкости; 2 – стабилизации корпуса; 3 – возможности ведения палубных работ в любых погодных условиях. Проектные заключения ограничиваются следующими особенностями формы корпуса и общекорабельной архитектуры:
1. Уменьшение площади, поперечного и продольного моментов инерции действующей ватерлинии и заострение ее в оконечностях для уменьшения силового воздействия штормовых волн и сохранения ходкости при малой килевой качке.
2. Существенное уменьшение надводных объемов корпуса в оконечностях, завал штевней и борта в средней части корпуса на уровне действующей ватерлинии, что стабилизирует ход в режиме прорезания штормовых волн.
3. Исключение развала бортов и широкой непрерывной верхней палубы, что предотвратит чрезмерную качку с ударами волн по бортам и палубам, создавает возможность активного управления ходом в штормовых условиях, а также снимает остроту проблемы борьбы с обледенением.
Указанные правила не противоречат естественным построениям формы корпуса при оптимизации общеинженерных и навигационных требований к перспективному кораблю повышенной мореходности:
These rules are not contrary to the natural shape of the hull constructions in general engineering optimization and navigation requirements for prospective ship seaworthy increased:
– ходкость на спокойной воде, обусловленная острыми носовыми ватерлиниями с бульбовыми обводами и округлыми шпангоутами в средней части корпуса, вмещающими наибольший объем в минимальную поверхность судовой обшивки;
– исключение отрыва пограничного слоя в районе руля и движителей достигается за счет крейсерской кормы с плавными кормовыми рыбинами на теоретическом чертеже, способствующими малости градиентов и завихренности потока в зоне действия движителей;
– проходимость во льдах в автономном плавании может быть улучшена в режиме разрезания и подламывания ледовых полей снизу, что отчасти решает проблему ледовой защиты движителей.
Рыбопромысловые акватории часто характеризуются малыми глубинами морских банок и шельфовых мелководий, где штормовые опасности усугубляются длинноволновыми колебаниями уровня моря, волнами-убийцами и экстремальными течениями, возникающими в результате трансформации штормовых волн и волн зыби, при их активной интерференции, дисперсионного увеличения длин волн, на фоне стратификации плотности воды вблизи устьев рек и в зонах подъема донных вод. Столь неблагоприятные гидродинамические процессы наблюдаются в узкостях, в местах якорных стоянок, на рейдах и на подходах к воротам морских портов, где опасности для мореплавателей возрастают даже при умеренных ветрах и длинноволновых откликах прибрежья на удаленные шторма.
Неразрешимые сложности возникают при поиске проектных решений с целью гидродинамического согласования безопасных режимов плавания в штормовых условиях на мелководье. Тогда, каждый проект перспективных и действующих судов должен пройти комплекс мореходных испытаний с телеуправляемыми опытовыми моделями в прибойной зоне на мелководье, с последующим представлением результатов в наставлениях мореплавателям, и в алгоритмах автоматического управления для ускоренного вывода судна на глубокую воду.
Суда повышенной штормовой мореходности, способные к маневрированию произвольными штормовыми ходами и курсами при номинальной (или минимальной) энерговооруженности, как следствие, освобождаются от чрезмерных расходов на топливо и содержание главных двигателей, что с избытком покроет единоразовые расходы целевого проектирования, добротных мореходных испытаний и постройки судов для работы в северных широтах дальневосточных морей.
Условия производственной деятельности рыболовного судна не изобилуют оригинальностью промысловых схем и методов развертывания орудий лова, из чего также не должно следовать разнообразия технических решений в построении обводов и компоновке общекорабельной архитектуры. Критерием проектирования перспективного судна можно установить, что в промысловом рейсе мореходные качества должны в полной мере обеспечивать работоспособность экипажа в условиях штормов и ледяных ветров северных морей:
1. Обитаемость, достаточная для активных действий с орудиями лова на верхней палубе, и для непрерывных внутрисудовых работ и технологических процессов по рыбообработке:
– движение произвольными курсами с тралом, в рыбопоисковом режиме и на переходах между рыбопромысловыми участками;
– активное маневрирование с траловой командой на промысловой палубе при постановке/выборке орудий лова.
2. Режимы хода или дрейфа при свернутых орудиях лова и остановленных промысловых и производственных операциях:
– швартовые операции в открытом море для приема запасов и передачи готовой рыбопродукции;
– аварийные режимы плавания и штормование в ожидании спокойной погоды.
Добротным прототипом перспективного рыболовного траулера повышенной мореходности может быть традиционный суператлантик [2], скомпонованный в корпусе аналогичного по водоизмещению исторического корабля XIX века (рис. 2). Суператлантик способен за 24 дня работы на промысле добывать и брать на борт порядка 1200 тонн рыбопродукции.
Рыболовный флот обычно не обладает техническим потенциалом для безопасного проведения промысловых работ в штормовом море. В судостроении это означает, что как и на заре Великих географических открытий, в проектировании перспективных типов судов следует пользоваться судоводительским опытом и знаниями хорошей морской практики, что особо важно для реального достижения всесезонной эффективности рыбопромысловых операций. Участие авторитетных капитанов-наставников, способных воспринимать инженерные новации с позиций многолетнего опыта командования рыболовными судами в дальних промысловых рейсах, крайне важен именно в процессе поиска оптимальных проектных решений, изначально согласуемых с необходимостью практического освоения и эффективного использования новейших образцов морской техники.
Для улучшения штормовой мореходности полезно использовать исторически поверенный вариант крейсерской кормовой оконечности, не воспринимающей ударов крупных гребней штормовых волн. Компенсация гидродинамических нагрузок будет улучшена при допущении беспрепятственного заливания палубы бака, что станет особым надводным успокоителем килевой качки, и поспособствует улучшению условий проведения морских работ и безопасности моряков на открытой кормовой промысловой палубе:
1. В кормовой части устраивается два яруса выше главной палубы прочного водонепроницаемого корпуса:
– шельтердек рыбообрабатывающего цеха, через полупортики которого сбрасываются потоки использованной в производстве морской воды;
– верхняя палуба обеспечивает одновременную работу с двумя рыбопромысловыми тралами (дублем) при их подъеме/постановке; полностью укрывается от ветровых воздействий и заваливается внутрь для снижения бортовой качки под ударами гребней волн и шквальных ветров.
2. Зауженная (крейсерская) корма ограничивает доступ в опасную зону под траловым мостиком и дает возможность полной механизации операций с траловыми досками в бортовых срезах под грузовыми шкентелями кормового портала и тралового мостика, с походным креплением досок в этих бортовых срезах в непосредственной близости от ваерных лебедок.
3. Судовые обводы обеспечивают стабилизацию кормовой части корпуса на ходу вперед, при буксировке и постановке/выборке орудий лова в условиях интенсивного волнения. Кормовая часть корпуса утяжеляется за счет строительного дифферента на корму, а полнота носовых обводов уменьшается для исключения захвата корпуса гребнями волн, что освобождает рыскание и способствует беспрепятственному заливанию палубы бака потоками из гребней волн. Штормовая стабилизация кормовой палубы также проявляется интенсивной забортной динамикой гребней волн, которые в бортовых срезах отчасти компенсируют бортовую качку.
С ходового мостика обеспечивается обзор траловой палубы, что важно для контроля безопасности траловой команды в штормовом маневрировании судна. Непрерывная верхняя палуба позволяет тралмастеру разворачивать рыболовные снасти на всю длину траулера при их ремонте или модернизации; упрощает перенос судовых запасов или грузов между носовым и средним трюмами в открытом море; а также способствует компенсации бортовой качки при боковом захлесте штормовых волн на верхнюю палубу.
Полагая в качестве прототипа средний траулер-сейнер морозильный типа «Орленок» (проект Атлантик–333): L – 62,25 м; B – 13,8 м; T – 5,2 м; W – 2400 м3 (2467 т); грузоподъемность 230 т; экипаж 40 чел., обводы корпуса строятся по аналогии с рисунком корабля Марко Поло из XIII века (рис. 3), что будет означать использование всех ключевых технических решений по оптимизации формы корпуса и общекорабельной архитектуры для достижения наилучшей штормовой мореходности среднетоннажного рыболовного судна.
Якорно-швартовные устройства размещаются в закрытом помещении форпика (рис. 3), укрывается от ветров и ледяных брызг промысловая палуба, что важно для организации эффективной работы экипажа в зимних условиях холодных морей России. Минимальная по площади палуба бака устраивается для открытого доступа к горловине трюма № 1, что необходимо для выгрузки мороженой рыбопродукции в открытом море в спокойную погоду или в укрытии высоких бортов транспортного рефрижератора.
В обводах траулера использовано техническое решение по гидродинамической компенсации килевой качки при движении судна произвольным курсом относительно штормовых волн трохоидальной природы [4]. В процессе суперпозиции встречных штормовых и соразмерных корабельных волн силовое воздействие концентрируется в районе скуловых обводов, где дифферентующие моменты вырождаются в поступательные силы вертикального всплытия/погружения корпуса. Необходимым условием такого процесса является сохранение посадки и отсутствие ходового дифферента на тихой воде, даже при движении испытываемой модели на закритически высоких скоростях хода. В мореходных испытаниях (рис. 4) подтверждается столь же устойчивый режим хода с прорезанием гребней штормовых волн, в котором траулер практически не искажает формы рассекаемых волновых фронтов, что является условием сохранения ходкости и плавности килевой качки на крупном штормовом волнении.
В мореходных испытаниях ставился также вопрос об уменьшении потенциально опасных последствий вертикальной качки, которая на больших скоростях хода (рис. 4) сопровождается заливаемостью носовой палубы и почти полным всплытием корпуса между гребнями волн[1]. Для предсказуемой реакции траулера на управляющие воздействия руля и успокоителей качки необходимо точное знание, по крайней мере, характеристик остойчивости корпуса в любой момент времени. Использование округлых шпангоутов позволяет сохранять величину метацентрической высоты [5] при различных посадках судна в условиях вертикальной качки, что может использоваться в законах автоматического управления рулем с упреждающей посылкой команд на стабилизаторы бортовой качки для предотвращения неуправляемого крена на циркуляции, опасного для траловой команды при промысловых операциях на верхней палубе в штормовую погоду. Если активные крыльевые успокоители качки устанавливаются в потоке гребных винтов [6], то их эффективность будет сохраняться при рыбопромысловых операциях с тралом или другими забортными орудиями лова.
Завышенная до 7,5 м осадка траулера обеспечивает его устойчивое движение в штормовом море с соразмерными по величине гребнями ветровых волн и зыби. За счет такой осадки водоизмещение увеличивается более чем на 1000 тонн, что соответствует рангу большого траулера с исходными размерениями среднего. Увеличение судовых запасов и объема грузовых трюмов требуется для автономной работы судна в удаленных промысловых районах Тихого океана, не обеспеченных обустроенными портами-убежищами, что является важнейшим эксплуатационным требованием к перспективному проекту траулера.
Традиционными рыбопромысловыми судами для Дальнего Востока России являются сейнеры-траулеры водоизмещением порядка 800 м3. Возможно построение аналогичного варианта среднего траулера, обеспечивающего укрытие палубной команды в штормовых условиях зимних сезонов северо-западной части Тихого океана. В качестве прототипа используется современный траулер СТР–420 типа «Надежный»: L – 44,9 м; B – 9,5 м; T – 3,8 м; W – 806 м3 (781 т); трюм 200 м3 (100 т) с охлаждением до –7 °С; экипаж – 22 чел.
В современных условиях на Дальнем Востоке России сложно организуется экспедиционный лов рыбы при поддержке крупных рыбообрабатывающих баз. Дополнительное в сравнении с прототипом водоизмещение нового траулера используется на увеличение мощности морозильного оборудования, устройство рыбообрабатывающего цеха, а также на увеличение объема морозильного трюма и количества судовых запасов для автономного плавания вдали от рыбных портов.
Обводы корпуса аналогичны предыдущему проекту траулера (рис. 3). Основное отличие в отсутствии яруса шельтердека (рис. 5), что делает траловую рыбопромысловую палубу главной палубой прочного водонепроницаемого корпуса. Палуба рыбцеха и бытовых помещений опускается ниже ватерлинии. Для обеспечения аварийной непотопляемости жилая палуба включается в герметичный контур надводного запаса плавучести. Палуба бака с якорно-швартовными устройствами закрывается надстройкой, с выводом швартовов через роульсы в укрываемых от ветра и волн полупортиках, что необходимо для предотвращения обледенения, сохранения остойчивости и минимизации бортовой качки в условиях сильной штормовой заливаемости носовой оконечности корпуса.
Округлые шпангоуты служат сохранению одинаковой остойчивости при различных посадках корпуса в условиях вертикальной качки [5], что важно для управляемой стабилизации корпуса в штормовых условиях с целью прогнозируемого контроля качки и обеспечения безопасности палубных работ и промысловых операций при различных загрузках траулера. Узкая крейсерская корма минимизирует внешние нагрузки на ходу по волне или при выборке трала. Для работы с траловыми досками в кормовой раковине устроены бортовые срезы. Траловый слип имеет перекрытие для перестройки рыбопромысловой схемы на работу с неводами.
Глубокий трюм позволяет выбирать высоту укладки производимой рыбопродукции, тем самым регулируя изменение начальной гидростатической остойчивости в зависимости от текущего количества топлива и судовых запасов траулера.
Мореходные качества рыболовного судна лежат в основе его эффективности на промысле в открытом море. Но все же для достижения требуемого режима хода судоводитель обладает определенной свободой в выборе курса и тяги на главных двигателях (как правило, по волне), что также допускает заметное разнообразие в обводах и принципах построения общекорабельной архитектуры рыболовного судна. Рассмотрим вариант судна, в проектном задании для которого оговаривается возможность уверенного маневрирования и устойчивого движения произвольным курсом относительно штормового волнения.
Небольшие океанские суда вспомогательного флота используются по различному назначению, в том числе в экстремально сложных условиях плавания. Это могут быть спасательные операции, буксировки аварийных судов в штормовых условиях, срочная доставка небольших грузов и почты в морские экспедиции, а также проведение поисковых работ и морских исследований в сложных, ледовых и штормовых условиях плавания.
Небольшой корабль может обладать достаточно прочным корпусом для активного маневрирования в условиях интенсивного волнения и под ударами ураганных ветров. Активная стабилизация качки, а также динамическое влияние на посадку, крен и дифферент судна с использованием плавниковых успокоителей и автоматически управляемых рулей и движителей принципиально возможны при условии, что форма корпуса и архитектура надстроек обеспечат пассивное снижение интенсивности силового взаимодействия корпуса с морским волнением и ветром (рис. 6).
Полагая, что спасательный флот формируется исключительно из профессиональных моряков, не будем предъявлять особых требований к обитаемости и комфортности для экипажа, ставя главными требованиями лишь безусловное выполнение морских задач в любых погодных условиях. Используя в качестве прототипа исторические арабские корабли из эпохи великих географических открытий, определяем обводы корпуса и компоновку судовых устройств следующими проектно-техническими особенностями:
1) корпус в целом подобен круговому цилиндру, что минимизирует бортовую качку при проведении спасательных операций в штормовом море;
2) основной объем и центр величины корпуса смещены в кормовую часть, что способствует смещению в корму центров килевой качки и рыскания, приближая их к зоне действия руля и движителей;
3) зауженные и заостренные носовые ватерлинии не обеспечивают всхожести на волну, отчего центр всплытия и ось килевой качки на ходу судна смещаются в корму, ближе к средней части корпуса;
4) полная корма с высоким ютом и глубоко погруженным плавниковым ахтерштевнем обеспечивают управляемость в штормовых условиях, позволяя экипажу проводить палубные работы в кормовой части судна;
5) основная масса судна сосредотачивается в средней части корпуса, что уменьшает поперечный момент инерции массы судна и позволяет использовать горизонтальные поворотные насадки [2] на движителях для успокоения килевой качки и выравнивания дифферента при позиционировании на волнении;
6) форма надводного объема носовой части корпуса приспособлена к прорезанию гребней штормовых волн в условиях повышенной заливаемости, для чего палуба бака максимально снижена, а носовая надстройка включена в контур прочного водонепроницаемого корпуса.
 Рис. 7. Округлый корпус и низкие палубы судна уменьшают интенсивность всех видов штормовой качки на глубокой воде |
Корпус округлой формы имеет диаграммы плеч остойчивости формы без угла заката и со смещенным центром площади (максимальным восстанавливающим моментом) за пределами 90°. На реальных углах крена не возникает больших восстанавливающих моментов, соответственно не возникает и опасных кренящих моментов при волновых наклонах поверхности моря, что позволяет стабилизировать качку судна с помощью активных успокоителей качки (например: горизонтальных поворотных насадок, позволяющих управлять как креном, так и дифферентом судна одновременно).
Фактически это означает, что следование концепции непротивления штормовой стихии является универсальным правилом проектирования кораблей и судов (рис. 7), обеспеченных как пассивными качествами безопасного плавания, так и активными техническими средствами для решения поставленных задач.
Само по себе спасательное судно не нуждается в поддержании особо высоких скоростей хода; в эксплуатационных расходах предусматривается номинальные расходы топлива для достижения максимальной автономности и дальности плавания; а на борту имеется только судовое оборудование, специально предназначенное к регулярному использованию в соответствии с рейсовыми заданиями или плановыми экспедиционными предписаниями.
Рассмотрим вариант быстроходного корабля, в предназначении которого не оптимизируются проектно-технические решения для удовлетворения экономически обоснованных эксплуатационных требований, а на борту находятся сложные системы вооружений, опасные как для самого корабля, так и для всех окружающих.
Патрульно-гидрографический корабль предназначен для непрерывного всепогодного дежурства в акваториях Сахалина и Курильских островов, с работоспособными корабельными вооружениями и постоянно действующими комплексами контроля обстановки на море, в готовности к скоростным переходам в сложных и штормовых условиях плавания (рис. 8). Кроме охраны морских рубежей, на корабль возлагаются обязанности обеспечения безопасности мореплавания и спасения человеческой жизни на море, активный контроль и своевременное предупреждение сахалинских морских служб о потенциально опасных морских явлениях [7] [3].
Непротиворечивое проектирование корабля подразумевает комплексное исследование современных технических решений, опыта эксплуатации и хорошей морской практики по управлению кораблем в сложных условиях плавания, а также отработку всех аспектов кораблевождения в сложных, ледовых и штормовых условиях плавания.
В качестве главных требований к форме корпуса быстроходного корабля определяется необходимость эффективного поддержания хода произвольным курсом относительно интенсивного морского волнения, при условии максимальной стабилизации корпуса как платформы для всех видов вооружений и систем контроля обстановки на море.
Для достижения хорошей мореходности в обводы и внешнюю архитектуру корабля вносятся следующие проектные особенности:
1) надводный объем герметичного корпуса меньше водоизмещения корабля;
2) заваленный в средней части корпуса борт корабля имеет максимальный угол наклона на уровне действующей ватерлинии;
3) начальная метацентрическая высота имеет минимальную величину при конструктивной осадке и возрастает как при всплытии, так и при погружении корпуса [5];
4) диаграмма статической остойчивости имеет S-образную форму с углом заката 180°;
5) неразрывная площадь верхней палубы минимизирована продольным расположением рубок и фундаментов палубных устройств и механизмов;
6) в штормовых условиях на любой участок палубы вдоль борта корабля заливается примерно одинаковое количество воды, свидетельствуя о демпфировании килевой качки;
7) надводная часть форштевня корабля завалена в корму, а в подводной части форштевня сделан наклонный подрез, что необходимо для исключения рыскания и бортового слеминга на ходу по штормовому волнению;
8) крейсерская корма имеет завал надводного борта и минимальное нависание кормового подзора, допускаемого использованием двухвальной схемой винто-рулевого комплекса;
9) ограниченный по площади плавник ахтерштевня позволяет скатываться (рыскать) с попутной волны, не допуская жестких ударов волн в районе кормовой раковины;
10) непосредственно за гребными винтами установлены горизонтальные крылья активных успокоителей качки на подпружиненных баллерах [6], которые в случае остановки главных машин начинают работать в качестве аварийных штормовых движителей;
11) геометрия корпуса корабля с палубными рубками определяется охватывающим круговым цилиндром, при этом подводная часть корпуса гладкая и не содержит продольных скуловых или днищевых килей, а вдоль бортов на верхней палубе устраивается открытый проход, на котором потоки воды из гребней штормовых волн удерживаются с помощью палубных рубок и продольных комингсов;
12) все бытовые и служебные помещения корабля располагаются под верхней палубой, которая одновременно является главной палубой прочного водонепроницаемого корпуса.
Только в случае успешной минимизации силового воздействия штормовых волн на корпус корабля могут быть использованы активные успокоители килевой и бортовой качки. Установка крыльевых успокоителей в зоне активного действия потоков воды за гребными винтами необходима для прогнозируемой отработки команд стабилизации корпуса [6]. В случае остановки главных машин такие успокоители качки автоматически войдут в режим аварийных штормовых движителей, тяга которых может быть использована для удержания корабля на безопасном штормовом курсе.
Эксплуатационная эффективность определяется способностью судна выполнять поставленные задачи в характерных для географического региона условиях штормового и ледового плавания, которые должны детально отрабатываться и планироваться к включению в наставления мореплавателям еще на стадии проектирования новых кораблей и судов.
Наставления мореплавателям всегда локализуются географическими особенностями района плавания и традиционно относятся к ведению действующих капитанов-наставников, обладающих многолетним цензом безаварийного плавания в конкретных морских акваториях, и которым доступны административно-технические ресурсы для экспертной и практической (опытовой) проработки конкретных действий судоводителей во внештатных и аварийных ситуациях на море. Безусловно, капитанские изыскания мореходности действующих судов имеют неоценимо большую пользу при согласовании проектных решений для перспективных судов, единственно обоснованных с позиций хорошей морской практики, определяющей проблемы безопасности мореплавания в качестве целевой функции для достижения наивысшей производственной эффективности судна как специализированного морского инженерного сооружения.
В новых проектно-технических изысканиях представляется чрезвычайно полезным судоводительский опыт активного штормового маневрирования, в том числе согласованный со знанием хорошей морской практики палубных работ в сложных, штормовых и ледовых условиях, с последующей поверкой новых разработок в жестких ограничениях концепции непротиворечивого проектирования всепогодного океанского судна.
Патенты и видеоматериалы испытаний опубликованы на корабельном портале: Shipdesign.ru.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность реальным соавторам настоящего морского исследования: морским офицерам – преподавателям Калининградского мореходного училища рыбного хозяйства Камышеву А. А., Маленко Г. С., Миронову Е. В. и Бронштейну Д. Я. за их бережное отношение к морской и корабельной истории, послужившей основанием для создания новых проектов кораблей и судов повышенной мореходности, в том числе прошедших первую экспериментальную проверку при их участии еще в 1975-1979 гг. Основной цикл аналитических и экспериментальных исследований выполнен в 1986 году под руководством Холодилина А. Н. – профессора кафедры теории корабля Ленинградского кораблестроительного института. В создании настоящих проектов судов принимали деятельное участие Антоненко С. В. и Бугаев В. Г. из Дальневосточного федерального университета; Мытник Н. А. и Чижеумов С. А. – кафедра кораблестроения из Технического университета в г. Комсомольске-на-Амуре. Собственно известность и формальное признание настоящего корабельного исследования в наибольшей степени обусловлено творческими дискуссиями и бескорыстной помощью капитана I ранга Кроленко С. И., преподавателя кораблестроительного факультета Военно-морского инженерного института в г. Санкт-Петербурге, множество полезных идей которого воплотились в обоснования новых корабельных проектов и во множестве интереснейших морских инженерных решений.
©2014 Храмушин Василий Николаевич,
подсекция мореходных качеств судов в штормовых условиях Российского научно-технического общества судостроителей им.А.Н.Крылова;
факультет Прикладной математики – процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета
1. Храмушин В. Н. Поисковые исследования штормовой мореходности корабля. Lambert Academic Publishing, Germany, 2011. – 288 с. – (http://shipdesign.ru/Khram/History-II.pdf)
2. Каменский Е. В., Терентьев Г. Б. Траулеры и сейнеры. – Л.: Судостроение, 1978. – 216 с.
3. Бронштейн Д. Я. Устройство и основы теории судна. – Л.: Судостроение, 1988. – 336 с.
4. Корабль без килевой качки на ходу на волнении // Роспатент: рег. № 2007133625/11. Бюл.№ 8 от 20.03.2009 г. – (www.shipdesign.ru/Invent/02.html)
5. Корабль, остойчивый в штормовом плавании // Патент № 2487043 от 12.07.2011 г. – (www.shipdesign.ru/Invent/06.html)
6. Активный стабилизатор килевой и бортовой качки корабля – штормовой аварийный движитель // Патент № RU2384457 от 20.03.2010 г. – (www.shipdesign.ru/Invent/04.html).
7. Корабль гидрографической и патрульной службы // Патент № RU2384456 от 20.03.2010 г. – (www.shipdesign.ru/Invent/05.html).
8. Рыболовное судно северных морей // Роспатент: рег. № 2012145301/11. Бюл.№ 12 от 12.04.2014 г. – (www.shipdesign.ru/Invent/07.html)