Поисковые исследования штормовой мореходности корабля
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе выполнены поисковые исследования методов проектирования и оценки мореходности кораблей и судов с использованием качественно новых подходов к изучению исторических проектных решений в судостроении, анализ которых был дополнен новыми математическими моделями, вычислительными и опытовыми сравнительными экспериментами. Предметом исследований являются три взаимосвязанных и взаимозависимых направления работ.
По результатам технико-исторических исследований математической оптимизации корабельных обводов и изучения особенностей волнообразования и поведения на волне новой модели МИДВ были проработаны новые варианты формы корпуса и общекорабельной архитектуры перспективных кораблей и судов различного назначения, которые подтвердили, что проектные решения для многих кораблей конца XIX - начала XX вв. удовлетворяли как критериям непротиворечивой оптимизации, так и хорошей морской практике.
Для теоретического обоснования и вычислительной проверки проектных решений в работе были использованы две математические модели судовых обводов, с использованием которых проведен предварительный анализ влияния основных характеристик корпуса на волновое сопротивление. Новая геометрическая интерпретация интеграла для расчета волнового сопротивления по Мичеллу позволила представить аргумент в виде амплитуды излучаемой корпусом корабельной волны, а подынтегральную функцию связать с амплитудой этой волны. Это дало возможность на новом уровне провести анализ физических процессов, протекающих вблизи обшивки волноизлучающего корпуса, и построить целый комплекс эмпирических поправок, необходимых как для уточнения особенностей реального корабельного волнообразования, так и для восстановления картины расчетного волнового поля.
Важным теоретическим результатом является обнаружение связи между корабельным волнообразованием при ходе на спокойной воде и интенсивностью силового взаимодействия корпуса корабля с внешним волнением, которое тем активнее, чем менее оптимизирован корпус по волновому сопротивлению на скорости хода, когда порождаемая корпусом поперечная волна соизмерима с длиной внешней штормовой волны. Это позволило найти основные оптимизационные решения по построению теоретического чертежа корабля, приспособленного к плаванию в условиях интенсивного волнения, которые затем были подтверждены экспериментальными исследованиями мореходности различных морских судов в опытовом бассейне гравитационного типа.
Исходя из принципиальной возможности оптимизации штормовой мореходности кораблей и судов различного класса, изложенные в настоящем исследовании принципы проектирования формы корпуса и общекорабельной архитектуры могут быть использованы для следующих типов кораблей и судов:
В заключение технико-историческому анализу мореходности был приведен эскизный проект универсального грузового судна с уменьшенными моментами площади действующей ватерлинии, в котором показано, что новая форма корпуса может быть использована даже для наиболее сложных транспортных судов, в том числе допускающих горизонтальные методы погрузки и стандартные контейнерные перевозки.
На рис. 98 показан согласованный теоретический чертеж и аксонометрическая прорисовка формы корпуса быстроходного военного корабля, в носовой части которого установлен заглубленный бульб, в котором может быть размещено гидроакустическое оборудование. Как показывалось в результатах анализа мореходности модели МИДВ (см. главу 6 наст. работы), наличие развитого бульба приведет к стабилизации на волнении носовой части корабля, что будет очень благоприятно сказываться на работоспособности приемоизлучающей гидроакустической аппаратуры, установленной в носовом бульбе.
Рис. 98. Эскизная прорисовка формы корпуса быстроходного корабля. Так же как у средневековых парусников и быстроходных судов конца XIX - начала XX вв., мидельшпангоут вписан в окружность. В этой же окружности должны быть размещены основные палубные надстройки, что в целом обеспечит как пассивность корпуса по отношению к штормовому волнению, так и его невидимость по отношению к внешним гидроакустическим и радиолокационным средствам обнаружения.
С использованием новых разработок по комплексному и непротиворечивому проектированию формы корпуса и общекорабельной архитектуры каждый из перечисленных проектов может быть дополнительно проработан для удовлетворения требований по остойчивости и непотопляемости, возможно исследование особенностей корабельного волнообразования и взаимодействия корпуса с морским волнением, а также проработка рекомендаций по штормовому управлению кораблем на различных режимах штормового хода и другие операции маневрирования или позиционирования на точке в штормовом море.
Минимизация силового взаимодействия корпуса корабля с внешним морским волнением, выполняемая с целью повышения мореходных качеств и безопасности мореплавания, одновременно обеспечивает военному кораблю снижение отражательной способности корпуса как от удаленных подводных гидроакустических средств, так и от надводных радиолокационных систем дальнего обнаружения и опознавания этого корабля, что объясняется одинаковой волновой природой как штормовых, так и гидроакустических или радиолокационных волн. Из этого следует дополнительный вывод о том, что повышение штормовой мореходности за счет достижения пассивности корпуса корабля по отношению к волнению одновременно делает его невидимым для гидроакустических и радиолокационных средств дальнего обнаружения.
Одним из важных выводов из текущих исследований является обнаружение режимов плавания оптимизированного корабля, при которых достижение стабилизации качки и улучшение ходкости достигаются путем задания особого курса относительно волнения и соответствующего увеличения скорости хода. Аналогичное активное ведение корабля в штормовом море может быть изучено и, в случае отработки безопасных методов форсирования штормового хода, предложено для действующих кораблей ВМФ и гражданских судов России.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МОРСКИЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯАхтерштевень – элемент набора судна: открытая или замкнутая стальная рама в кормовой оконечности, являющаяся продолжением киля. Через ахтерштевень проходят баллер руля и гребной вал (у одно- и трехвинтовых судов). Плавник, образуемый ахтерштевнем в кормовой части корпуса, выравнивает поток воды из-под днища корабля, что способствует сохранению управляемости при плавании на крупном волнении.
Бак корабельный 1) Носовая часть верхней палубы, идущая от форштевня до фок-мачты или носовой надстройки. 2) Надстройка судна в носовой части, доходящая до форштевня. На палубе бака располагаются якорное и швартовные устройства, которые редко используются экипажем при плавании в штормовых условиях. Высокий бак защищает носовую палубу от заливаемости при ходе на слабом волнении. При встрече с крупной волной полный бак способствует развитию резкой и интенсивной продольной качки, глубокой зарываемости корпуса под встречную волну, а также возникновению опасности нарушения продольной прочности удлиненных корпусов кораблей.
Бизань - нижний косой парус, устанавливаемый на кормовой мачте (бизани). Бизань, закрепленная по-штормовому, может служить эффективным средством для приведения корабля на курс носом на волну при полной остановке главных двигателей.
Бимс – элемент набора корпуса судна; поперечная металлическая или деревянная балка, связывающая бортовые ветви шпангоута. Служит основанием для палубы. Придает жесткость палубам и распределяет палубную нагрузку на борта, продольные переборки и пиллерсы.
Буксирный гак – служит для крепления буксирного троса и быстрой его отдачи. В качестве буксирного гака могут применяться гаки, глаголь-гаки как обычные, так и снабженные амортизаторами (смягчают рывки, что уменьшает вероятность обрыва троса). В штормовых условиях с аварийного судна на трос буксира заводятся якорные цепи, что позволяет использовать в качестве амортизаторов погруженные под воду якоря. На спасательных судах вместо гаков используются буксирные лебедки, которые автоматически регулируют длину и натяжение буксирного троса.
Бульб судна – каплевидное обтекаемое утолщение корпуса в носовой подводной оконечности судна, предназначенное для снижения волнового сопротивления и увеличения скорости судна при той же мощности главной энергетической установки. Бульб способен стабилизировать и жестко противостоять рысканию носовой части корпуса в штормовых условиях, что на косых курсах относительно волнения может приводить к ударным воздействиям гребней волн на надводную часть корпуса.
Бушприт – горизонтальный или наклонный брус, выступающий с носа парусного судна. Служит для вынесения вперед косых парусов (кливеров и стакселей) с целью смещения вперед общего центра парусности, для приведения его на одну вертикаль с центром бокового гидродинамического сопротивления корпуса.
Ватерлиния – след пересечения плоскости водной поверхности с корпусом судна. Положение ватерлинии на корпусе зависит от загрузки судна. Изменяется при плавании по мере расходования боеприпасов, топлива, воды, масла и др., а также при изменении плотности воды (например, при переходе из водоема с пресной водой в море), обледенении судна и др.
Волнопродуктор – устройство для образования волн в опытовом бассейне при испытании моделей.
Гальюн – водопроницаемая горизонтальная площадка впереди форштевня парусного корабля, закрепленная на прочном княвдигеде, впереди которых устанавливалось массивное носовое украшение. Выступающая вперед форштевня носовая наделка первой встречает гребни штормовых волн и, разрушая монолитность фронта, смягчает ударные нагрузки волн на бушприт, носовые палубы и надстройки, но при этом не способствует всхожести корпуса корабля на волну.
Гировертикаль (гирогоризонт) – гироскопическое устройство для воссоздания условной вертикали или плоскости горизонта, относительно которой возможно измерение углов крена и дифферента корабля. В качестве простейшей гировертикали служит трехстепенный астатический гироскоп, ось которого стремится сохранять свое направление в мировом пространстве. Однако по отношению к вращающейся Земле, а также под воздействием качки корабля эта ось будет со временем изменять свое направление. Поэтому без корректирующего устройства такой прибор может служить лишь кратковременным указателем направления (в частности вертикали). Чувствительные элементы судовых гирокомпасов обладают свойством высокостабилизированного гирогоризонта.
Движитель – устройство, преобразующее работу двигателя или естественного источника энергии в движение боевого или транспортного средства. Для передвижения по воде в качестве движителя могут служить парус, машущий плавник, весло, гребной винт, гребное колесо, водометный движитель, воздушный винт, роторный движитель и др.
Дифферент корабля (судна) – наклон корабля в продольной вертикальной плоскости относительно поверхности моря. Измеряется дифферентометрами в градусах для подводных лодок или в сантиметрах (разность между углублениями кормы и носа) для надводных кораблей. Влияет на поворотливость корабля, работу гребного винта и пр. Статический дифферент обычно регулируют приемом (удалением) водяного балласта или перекладкой горизонтальных рулей (на подводных лодках). На ходу корабль несколько увеличивает осадку на корму, т.е. приобретает ходовой дифферент, вызываемый перераспределением сил сопротивления воде. Дифферентовка корабля, возникающая в результате продольной качки на штормовом волнении, наиболее пагубно влияет на обитаемость корабля, представляет опасность срыва грузов в трюмах и лишает корабль его основных мореходных качеств.
Забортный выстрел – устройство на корабле в виде горизонтального бревна или балки, устанавливаемое перпендикулярно к борту на уровне верхней палубы. Служит для постановки и крепления шлюпок и катеров при стоянке корабля на якоре, а также для посадки личного состава в них. На ходу корабля заваливается к борту.
«Карманный» линкор (линейный корабль) – неофициальное название трех германских военных кораблей: «Дойчланд» (впоследствии «Лютцов»), «Адмирал Шеер» и «Адмирал Шпее», построенных в 1928-1934 гг. в рамках ограничений Версальского мирного договора 1919 г. «Карманными» они назывались за небольшие размеры (хотя имели мощное артиллерийское вооружение). Водоизмещение стандартное 11 700 т (полное до 16 200 т).
Киль – элемент набора; продольная балка или балки, или пояс наружной обшивки судна, расположенные в диаметральной плоскости либо простирающиеся симметрично этой плоскости в районе днища судна и служащие для обеспечения прочности корпуса корабля (судна).
Княвдигед (ист.) – прочная, наклоненная вперед верхняя часть форштевня парусных кораблей, над которой тросовой связкой укреплялся бушприт, и завершающаяся массивным и прочным носовым украшением.
Кормовая раковина – верхний участок кормовых обводов корпуса, форма которого определяет гидродинамические условия воздействия штормовых волн на корму и винто-рулевой комплекс корабля.
Кормовые обводы – форма кормовой части корпуса корабля, определяется предназначением корабля и его размерами. На крупных исторических крейсерах кормовые обводы были овальными, на эскадренных миноносцах для удобства постановки мин на ходу делались в виде отвесной вертикальной стенки (транцевая корма и т.д.).
Лаг – навигационный прибор для измерения скорости хода судна и пройденного им расстояния. Различают лаги относительные (измеряют скорость относительно воды) и абсолютные (относительно дна). На морских судах применяют механические лаги, геомагнитные лаги, радиодоплеровские лаги.
Латинские паруса (латинское вооружение) – треугольные паруса, которые пришнуровываются к длинному, часто составному рейку. Одно из древнейших парусных вооружений, сохранившееся до наших дней в неизменном виде. Получили распространение в Средиземном море со средних веков.
Лисели (лизеели) – дополнительные паруса в форме трапеций, которые ставятся на фок- и грот-мачтах в помощь прямым парусам по их сторонам при попутных ветрах. Различают брам - лисели (ставятся с боков брамселей) марса-лисели (с боков марселей) и ундер-лисели (выстрелы).
Лисель-спирты – тонкие выдвижные рангоутные деревья на фоку–, гротареях и на фор- и грот-марса-реях, служащие для постановки лиселей.
Метацентрическая высота – возвышение метацентра над центром тяжести судна. Метацентром называют аппликату центра дуги, по которой движется центр величины погруженного корпуса при малых углах накренения (дифферента). Расстояние от метацентра до центра величины называют метацентрическим радиусом, величина которого определяется продольным (поперечным) моментом инерции площади ватерлинии. Метацентрическая высота рассматривается как удельная мера остойчивости (т.е. приходящаяся на одну тонну весового водоизмещения судна). Увеличение метацентрической высоты способствует резкой качке на волнении, а завышенные величины метацентрических радиусов приводят к увеличению размаха поперечной (продольной) качки. Значение метацентрической высоты поперечной – от долей метра до 2–4 метров у крупных судов, продольной – от 1 до 2 длин корпуса.
Мидель-шпангоут – линия пересечения теоретической поверхности корпуса вертикальной поперечной плоскостью, проходящей по середине длины судна, на базе которой построен теоретический чертеж судна.
Обводы корпуса корабля (судна) – внешние очертания формы корпуса корабля (судна). Задаются теоретическим чертежом корабля при проектировании и зависят от назначения корабля, его размеров, проектной скорости хода, района плавания, автономности и др. В значительной степени определяют сопротивление воды его движению, управляемость, интенсивность и амплитуду штормовой качки, остойчивость, всхожесть на волну и заливаемость палуб, условия работы движителей и др.
Погибь – выпуклый изгиб палубных бимсов, служащий для ускорения ската потоков воды с верхней палубы, а также обеспечивающий динамическую устойчивость и прочность палуб под воздействием внешних, и в том числе ударных нагрузок.
Подзор кормовой – наклонная часть кормы, выходящая за пределы ахтерштевня. Форма изгиба и сама его величина зависит от типа и количества движителей, особенностей расположения руля, преобладающих скоростей корабля (судна) при его повседневной службе, а также особенностей эксплуатации корабля.
Полубак – возвышение корпуса над верхней палубой в носу корабля. По длине занимает от 1/4 до 2/3 длины корабля, в последнем случае называется удлиненным полубаком.
Руль – собранные в единую конструкцию перо руля и баллер руля. Перо руля изгибает диаметральную плоскость корабля, отчего появляется разворачивающий момент и дополнительная «подъемная» сила, отклоняющая корпус корабля в сторону, противоположную циркуляции. Баллер является осью вращения пера руля и обычно образует кормовой перпендикуляр на теоретическом чертеже корпуса корабля. Различают балансирные рули, полубалансирные рули и небалансирные рули. На малой скорости, когда эффективность обычного руля падает, используют системы активного управления судном.
Рыскание (рыскливость) – свойство судна произвольно уклоняться в ту или другую сторону от курса. Свободное рыскание в штормовых условиях является необходимым условием для уклонения корабля от сильных косых ударов встречных волн, но при этом форма корпуса корабля должна обеспечивать осредненную устойчивость корабля на курсе. Степень рыскливости и устойчивости на курсе регулируется величиной и наклоном подводной части форштевня, которые могут быть выбраны по результатам испытаний мореходности в штормовом опытовом бассейне.
Скула судна – место наиболее крутого изгиба борта, переходящего в носовую или кормовую часть – носовая или кормовая скулы, или в днище – бортовая скула. Мореходные качества корабля в наибольшей степени определяются отработанностью формы скуловых обводов корпуса.
Слемминг – тяжелые удары корпуса о воду при неблагоприятной встрече с крупными гребнями штормовых волн. Слемминг может стать причиной срыва с фундаментов корабельных механизмов, смещения тяжелых грузов или разрушения остова корпуса, что может нарушить его общую прочность и привести к разлому или обширному нарушению герметичности. Чаще всего слемминг происходит по причине излишней всхожести корпуса на волну, отчего, при падении носовой оконечности с высокого гребня одной волны, происходит сильнейший удар днищем о ее плоскую подошву с последующим глубоким зарыванием корпуса под новый гребень штормовой волны.
Степс 1) Наглухо прикрепленное к килю корабля (кильсону шлюпки) стальное или деревянное гнездо, в которое вставляется мачта своим шпором. 2) Стакан (гнездо) в палубе, в который вставляется баллер шпилями т.п.
Твиндек – межпалубное пространство во внутренней части корпуса сухогрузного судна, лежащее выше трюма. В твиндеке размещаются грузовые помещения, каюты пассажиров и экипажа. На многопалубных судах несколько ярусов твиндека.
Транец – плоский срез кормы у кораблей, судов и яхт-швертботов. Широкая транцевая корма способствует захвату корпуса попутной волной, что может привести к быстрому развороту корабля и его опрокидыванию.
Фальшборт – легкий пояс бортовой обшивки, возвышающийся над верхней палубой, служит для ограждения края палубы и меньшей ее заливаемости. На судах выполняется, как правило, в носовой и кормовой частях палубы.
Фок-мачта – передняя мачта на судне, т.е. первая, считая от носа к корме на судах с двумя и большим числом мачт.
Форштевень – деревянная или стальная балка в носу корабля повышенной прочности, на которой закреплена наружная обшивка носовой части корпуса и которая в нижней части корпуса переходит в киль. Наклон форштевня и полнота надводной части корпуса наиболее сильно отражаются на штормовой мореходности корабля. Для пассажирских судов (и современных военных кораблей) форма форштевня, подобно носовым украшениям, нередко выбирается из эстетических принципов. Завышенный форштевень повышает опасность критической нагрузки на корпус в условиях штормового волнения, что для удлиненных кораблей и тяжелых танкеров может привести к поперечному разлому корпуса.
Ходкость – способность корабля (судна) развивать заданную скорость при минимальной мощности главной энергетической установки. Зависит от формы обводов корпуса, соотношения главных размерений, типа движителя. В теории корабля объединяет как научная дисциплина два раздела – сопротивление воды движению корабля (судна) и теорию движителей. Ходкость определяется расчетным путем на стадии проектирования; точность определения проверяется на стадии модельных испытаний; результирующая оценка ходкости выполняется при испытаниях корабля на мерной миле.
Ходовой мостик – огражденная часть палубы ходовой рубки, где расположены приборы управления кораблем и его оружием: машинные телеграфы, репитеры компаса, лага, выносные индикаторы радиолокатора, гидролокатора и др.
Ширстрек – пояс бортовой обшивки, примыкающей к верхней непрерывной палубе корабля (судна). Является одной из основных продольных связей и делается толще остальных поясов обшивки с целью увеличения общей прочности корабля (судна).
Шпангоут – ребро жесткости наружной обшивки корпуса корабля (судна) или фюзеляжа самолета, расположенное в поперечной плоскости; элемент поперечного набора. Шпангоуты являются опорами листов наружной обшивки. На уровне палуб шпангоут замыкается поперечными связями – бимсами. Шпангоут в среднем по длине корпуса сечении называется мидель-шпангоутом, изображение которого на чертеже позволяет судить о размерах корабля, его некоторых конструктивных особенностях.
Ют 1) Название кормовой надстройки на судах гражданского флота (на кораблях ВМФ она именуется полуютом). 2) Кормовая часть палубы корабля (на парусных кораблях и судах – от кормы до последней мачты).