Достижение наилучшей штормовой мореходности корабля. Проведение опытовых испытаний в условиях естественного ветрового и прибойного волнения

Достижение наилучшей штормовой мореходности корабля.
Проведение опытовых испытаний в условиях естественного ветрового и прибойного волнения
к.т.н. Василий Николаевич Храмушин,
Сахалинский государственный университет.
693008, Южно-Сахалинск, ул. Ленина, 290
тел. (4242) 25-37-24

1. Введение в проблему изучения штормовой мореходности корабля

Интенсивная подготовка морских специалистов в 70-е годы востребовала в качестве наставников многих боевых офицеров Военно-морского флота России, овладевших опытом хорошей морской практики в ходе Великой отечественной войны. Опытнейшие моряки работали с молодежью в стенах рыбацких Школ моряков и Мореходных училищ, готовя кадры крупнейшего в Мире рыболовного флота. В этих школах образовалась связь с далекой эпохой доцусимских морских офицеров, через военные лихолетья доносивших основы хорошей морской практики молодому поколению будущих судоводителей.

Григорий Степанович Маленко – на судоводительском отделении Калининградского мореходного училища (КМУ), в курсе морского дела тщательно разъясняет самые тонкие особенности гидродинамики рулей и движителей, требуя от курсантов мгновенных решений о динамике корабля в предельно сложных условиях маневрирования: при швартовках под воздействием сильных ветров, при подходе на волнении к другим судам на ходу, на якоре, в дрейфе. По прошествии времени понимаешь важность передаваемых из поколения в поколение и неписаных наук – старинного морского дела. В современности не нашлось применения старому шлюпочному опыту: на море уже не встречаются забортные выстрелы, обезьяньи трапы и шкентели с мусингами, а маломерные плавсредства находят тихою воду с подветренного борта современных судов. Другое же предположение морского наставника о том, что округлые борта боевых кораблей начала XX века были бы лучше для частых швартовок в открытом море, в экспериментальной поверке показало качественно лучшую мореходность упоминаемых кораблей в целом. Округлый в средней части корпуса корабль не отражал морских волн, а, пропуская их под корпусом на противоположный борт, восстанавливал актуальность наставлений по шлюпочным работам в открытом море.

Таким образом, первые оценочные эксперименты по штормовой мореходности корабля были сделаны в 1976 году на судоводительском отделении Калининградской мореходки, научным руководителем и вдохновителем которых стал кап. I ранга Александр Алексеевич Камышев. Вопросы теории корабля и требования Морского Регистра контролировал Дален Янгелевич Бронштейн, предоставляя для экспериментов опытовый бассейн лаборатории теории корабля на судомеханическом отделении мореходки.

Обобщенные результаты исследований впервые представлены на Кораблестроительной секции Всесоюзной конференции по истории философии, естествознания и техники в 1985 году. В эти годы активным участником работ стал профессор кафедры теории корабля Ленинградского кораблестроительного института Александр Николаевич Холодилин, специально открывший научную тему для проведения сравнительных испытаний мореходности в опытовом бассейне кафедры. В испытаниях на волнении модели свободно двигались с переменной скоростью под действием гравитационной тяги, что делало эксперименты максимально приближенными к реальному поведению судов в открытом море.

Рис. 1. Испытание телеуправляемой модели перспективного быстроходного корабля, способного к эффективному ходу с минимальной качкой в условиях интенсивного штормового волнения

В настоящее время проведены оценочные испытания других гипотетических моделей кораблей и судов различного назначения (рис.1). В опытовом бассейне кафедры проектирования судов Государственного технического университета в г. Комсомольске-на-Амуре, затем в испытаниях телеуправляемых моделей в открытом море, подтверждены и другие технические решения для достижения ходкости произвольным курсом относительно интенсивного морского волнения при минимальной качке корабля. В США, с использованием аналогичных результатов исследований штормовой мореходности, проходит окончательные стадии проектирования новый боевой корабль DDG-1000 Zumwalt.

2. Технико-исторический обзор мореходных свойств формы корпуса корабля

В проектах старинных кораблей нередко применялись весьма сложные технические решения, обеспечивавшие как эффективность, так и безопасность штормового плавания в открытом море и вблизи побережья. Хорошая морская практика на море определяет два метода активного поддержания штормового хода: на курсе лагом к волне и по ветру, которые до настоящего времени используются и на маломерных судах - буксирах, сейнерах, прогулочных яхтах.

Рис. 2. Египетское судно хорошо приспособлено для плавания с частыми подходами к необорудованному пологому берегу

Штормовое плавание в режиме лагом к волне используется речниками при плавании на лодках по водохранилищам в условиях сильных ветров. Мореходные качества речных лодок вполне соответствуют судам викингов и древним египетским судам, форма корпуса которых обладает симметрией относительно миделя, развалом бортов и большой седловатостью линии борта, поднимающейся высоко над водой в оконечностях (рис. 2). Корпус обладает большой остойчивостью и хорошо отслеживает наклоны поверхности волны. Развал скул и высокие штевни обеспечивают незаливаемость в оконечностях и демпфирование килевой качки. При ходе лагом к волне, наиболее крутые «девятые валы» свежих волн не попадают в корпус через борт, так как по своей природе они подобны стоячим волнам. И все же такие суда обладают ограниченной штормовой мореходностью, так как подвижные гребни крупных штормовых волн способны залить или опрокинуть такое судно.

Рис. 3. Рыболовное судно русских поморов. Образец корпуса, допускающего активное маневрирование в штормовом море

Режим плавания с активным ходом по волне, использовался русскими поморами в северных морях. Их суда были парусными (рис. 3) и с небольшой командой. Форму корпуса можно сравнить с закругленным бочонком, который менее всего реагирует на штормовое волнение. Судно может двигаться на попутных ветрах с максимально возможной скоростью, чтобы глубокопогруженное перо руля не оказалось в обратном потоке догоняющего гребня волны. Безопасность плавания зависит от искусства кормчего (рулевого), так как отклонение от курса грозит захватом корпуса попутной волной, быстрым разворотом и опрокидыванием судна.

На штормовом курсе лагом к волне или по волне на корпус оказываются огромные силовые нагрузки со стороны морского волнения, требующие должного повышения прочности корпуса.

Рис. 4. Галеон «Голден Хинт». Штормовые режимы плавания обеспечиваются специальной формой корпуса. При усилении ветра экипаж убирает все паруса, и судно подобно флюгеру выходит на курс носом на волну

Пассивное штормование в ураганных условиях на море возможно, если в проекте формы корпуса заложено снижение силовых нагрузок от ураганных ветров и волн. В средние века, так же как у русских поморов, средняя часть западноевропейского корпуса судна, вместе с палубными надстройками образовывала шпангоутные контуры близкие к окружностям. В этом случае штормовые волны трохоидальной природы, в которых частицы жидкости движутся по круговым или эллиптическим орбитам, оказывают минимальное динамическое воздействие на корпус корабля (рис.4).

Эпоха великих географических открытий характеризуется методами штормового плавания, при которых не требуется непрерывного участия парусной вахты в активном управлении кораблем. Именно за счет специальной формы корпуса, обеспечивающей непротивление штормовой стихии, средневековые мореплаватели открыли эпоху дальних походов, уверенно преодолевая океанские ураганы. Малый тоннаж океанских кораблей Колумба и Магеллана свидетельствует об определенном совершенстве корабельных и навигационных наук того времени. Корабли сочетают гармоничность общекорабельной архитектуры со строгостью гидромеханических решений при проектировании формы корпуса, достаточной для предоставления опытному капитану возможностей безопасного океанского плавания.

Рис. 5. Миноносец типа «Измаил». Корабль пользовался штормовым ходом в режиме прорезания волн. Очевидна технологическая сложность корпуса, в обводах которого нет ни одной прямой линии

На примерах исторических весельных и парусных кораблей просматривается системный подход к проектированию как к замкнутой системе инженерно-технических решений, отвечающих принципу непротивления силовому воздействию морского волнения и ветра, в соответствии с неформализованными представлениями мореплавателей о хорошей морской практике в кораблестроении. Можно сделать заключение о существовании следующих взаимозависимых правил поддержания высокой мореходности корабля:

1. Носовой таран-бульб, как и на древней галере, служит средством для стабилизации корпуса и сохранения устойчивости на курсе в условиях волнения.

2. Заострение оконечностей и малая полнота надводных объемов в носу и корме способствуют ходкости на волнении, уменьшению килевой качки и предотвращению слеминга.

3. Завал бортов в средней части корпуса предотвращает концентрированные удары волн по надводному борту корабля, округлый мидельшпангоут, веретенообразный и симметричный относительно центральной линии корпус не допускают сильного рыскания и потери хода при движении практически любым курсом относительно штормового волнения.

Рис. 6. Взаимодействие корпуса с волнением.
А — кренящее воздействие волны существенно снижается в случае завала борта в средней части корпуса;
Б — если корпус имеет развал бортов, то бортовые кили и перераспределение гидродинамических давлений усиливают кренящие моменты от штормовых волн

Оптимальную по всем названным критериям форму корпуса имели многие эскадренные броненосцы, а также миноносцы (рис. 5) и крейсера, построенные в конце XIX - начале XX веков. На случай остановки машин в архитектуре кораблей предусматриваются дополнительные устройства. Так, например, флаг на гафеле кормовой мачты одновременно является свидетельством готовности корабля к быстрой постановке косого паруса – штормовой бизани.

В проектировании исторических кораблей широко использовался опыт морского судовождения в сложных условиях плавания, в котором технические решения основывались на практическом видении гидродинамических процессов, возникающих в реальных условиях эксплуатации корабля. Для качественного описания таких процессов используется метод графической визуализации гидродинамических потоков и вызываемых ими перепадов давления и результирующих сил. Графический анализ показывает, что форма корпуса и надстроек исторического крейсера «Аврора» (рис. 6-А) обеспечивают плавное прохождение волновых потоков под корпусом корабля, при котором образуются гидродинамические силы со взаимно скомпенсированными кренящими моментами [1]. Аналогичный анализ для современного корабля (Рис.6-Б) приводит к суммированию всех сил гидродинамической природы, напора ветра и ударного воздействия отраженной от корпуса штормовой волны, показывая также обратное действие бортовых килей, обусловленное дрейфовым движением корпуса. Это объясняет сильные накренения и интенсивную качку такого корабля на умеренном волнении.

>Килевой качки надводного корабля избежать невозможно, поэтому в судовых обводах должны быть заложены механизмы как для минимизации дифферентующих сил, так и для эффективного демпфирования килевой качки в целом. Это означает, что в районе скуловых шпангоутов не должны отражаться морские волны, а весь набегающий поток должен затягиваться под днище корабля, препятствуя отрыву от корпуса расходящихся корабельных волн.

Рис. 7. Воздействия на судно одиночной волны с переносом суммарной дифферентующей силы в среднюю часть корпуса. На фотографиях приведены моменты встречи моделей судов с девятым валом.

Условия демпфирования килевой качки можно оценивать по «волновоспринимающей» длине корпуса (рис.7), которая в расчетах волнового сопротивления корпуса соответствует «волнообразующей» длине. Допуская принцип «обратимости» динамических воздействий, минимизация корабельного волнообразования на больших скоростях хода должна привести к снижению килевой качки на штормовом волнении. Таран-бульб при этом создает условия «закручивания» набегающего потока под днище корпуса, а кормовая раковина и плавниковый ахтерштевень способствует последующему гашению этого вихревого течения.

4. Обоснование достижения ходкости и стабилизации корабля на волнении

В оптимизации формы корпуса может быть применен интеграл Джона Генри Мичелла (1898г) для расчета интенсивности корабельного волнообразования [2]. Физико-геометрическая интерпретация гидродинамических процессов в этом интеграле показывает механизм отражения от корпуса корабля внешних волн в диапазоне длин: l Î [ 0 ¸ L = 2×p× V₀²/g ], где: L - длина поперечной корабельной волны, соответствующая скорости хода V₀. Формально такая оптимизация сводится к поиску технических решений для пропуска штормовой волны через корпус корабля с минимальными искажениями. Аналогичные свойства корпуса должны проявляться под воздействием гидроакустических или радиолокационных волн, что может способствовать скрытности корабля в море, а исторические корабли начала XX века – удовлетворяли современным стеллс-технологиям.

Исходя из технико-исторического анализа и систематических расчетов волнового сопротивления, создана гипотетическая форма корпуса с малой инерцией действующей ватерлинии (МИДВ).

Испытаниями подтверждено значительное улучшение мореходных качеств корабля в условиях интенсивного волнения: 1) малая потеря хода; 2) хорошая устойчивость на курсе; 3) снижение как килевой (рис.8), так и бортовой качки; 4) уменьшение заливаемости и полное исключение зарываемости корпуса под волну; 5) исключительная пассивность корпуса по отношению к крупным штормовым волнам, которая наблюдалась даже при отсутствии хода и управляемости. Одним из важных результатов исследования явилось обнаружение возможности улучшения мореходных качеств в режиме форсирования хода или выбора особого курса относительно штормового волнения.

Рис. 5. Рис. 8. Экспериментальное сравнение величин ускорений в оконечностях корпуса для оптимизированной моделей МИДВ и быстроходного судна 60-й серии, при движении на регулярном волнении. На кривых б - длина волны больше длины корпуса модели L=2,5 м; в - меньше длины корпуса; г - l=1,0 м. Кружочками помечены кривые с высотой равной осадке модели, крестиком ‑ половине осадки. Величины ускорений W_M /W_В=0,1 соответствуют порогу комфортности обитания на корабле, при W_M /W_В>0,2 условия обитания становятся невыносимыми

Мировая практика морских исследований, связанных с оптимизацией морских работ и повышением эффективности мореходства, опирается на научные исследования, натурные и модельные эксперименты, проводимые непосредственно в тех морских акваториях, для которых выполняется проектирование и строительство нового флота [3]. Опытно-экспериментальный и научный потенциал, наличие удобных озер и множества морских причалов, особые гидрометеорологические условия в Сахалинской области, изобилующие ветрами и прибрежным волнением в любые сезоны года – все это может служить серьезным вкладом в исследования и практическую реализацию актуальнейших задач штормового мореплавания и освоения дальневосточных морских акваторий России наиболее оптимальными и эффективными методами.