XIV Съезд Русского географического общества
Книга 3. Климат, Мировой океан и воды суши
Часть I. Исследования Мирового океана, стр. 130-134
Секция E-3. Процессы в Мировом океане
В.Н. Храмушин [1], Сахалин.
По всем формальным признакам Сахалин и Курильские острова образуют своеобразную «морскую страну», с комфортными условиями проживания населения на морском побережье, с потенциально эффективной прибрежной экономикой, открытой для международного сотрудничества при освоении Японского, Охотского морей и Тихого океана.
Признавая наивысшую актуальность активизации морских исследований, Сахалинское отделение Русского географического общества на инициативной основе реализует научно-просветительские проекты, морские поисковые и прикладные исследования, ориентированные на создание региональной морской научной школы.
Отметим, что сахалинские морские службы строились на уроках морских катастроф в штормовых широтах Тихого океана, с многократным постижением истины А.Н. Крылова, что наука без практики – бесплодна, а морское дело без теории – пагубно. Активизация морских производств делает актуальным наставление адмирала И.А Шестакова, высказанного при создании Российского флота и судостроения второй половины XIX века, о недопустимости праздного и наукообразного изобретательства без пользы для реального морского дела.
Материалы двух региональных морских научно-технических конференций «Мореходство и морские науки», проводимых Сахалинским государственным университетом при непосредственном участии Сахалинского отделения Русского географического общества, показывают наивысшую актуальность новых математических разработок для реализации прямых вычислительных экспериментов по моделированию динамики моря, атмосферы и их воздействия на побережье, на морские стационарные и плавучие инженерные сооружения.
Быстрое развитие морской измерительной аппаратуры и телеметрических систем сбора информации о динамике взаимодействия океана и атмосферы позволяют детально отрабатывать новые вычислительные алгоритмы, которые в свою очередь способны значительно повысить эффективность комплексного контроля морских акваторий, включая обеспечение своевременного и обоснованного прогноза опасных морских явлений. В частности, сопоставление результатов целенаправленных вычислительных экспериментов с разрозненными экспедиционными морскими и прибрежными наблюдениями за динамикой моря и атмосферы, позволило обосновать качественно новое представление о длинноволновых процессах на мелководном шельфе и вблизи побережья [1].
В анализе гидродинамического режима в нефтепромысловых акваториях сахалинского шельфа получено разделение процессов воздействия длинных волн на побережье по этапам прохождения первых волн цунами (метеоцунами) и последующего возбуждения собственных колебаний уровня моря в мелководных акваториях (рис. 1):
Рис. 1. Три типовых варианта трансформации длинных волн вблизи морского побережья. (А) – обрушение фронта первого вступления волны; (В) – штормовые колебания уровня моря на шельфе вдали от побережья; (С) – обрушение волны на побережье при нарушении стационарности длинноволновых процессов на глубинах от 25 до 40 м.
A) Первое вступление волны цунами проявляется на побережье крутым фронтом или быстрым подтоплением. По глубоководным акваториям волна достигает побережья предельно быстро, и при этом ослабляется рефракционными процессами на маршруте распространения. Прибрежные отмели сдерживают подход цунами, одновременно фокусируя фронт на небольшом участке берегового уреза, где волна становится максимально опасной.
B) При длительном штормовом или внешнем длинноволновом воздействии, волновые структуры систематизируется, устойчивые и наиболее высокие волны концентрируются на изобатах от 15 до 30 м, а вблизи берегового уреза собираются пространственно короткие волны относительно малой высоты, как бы защищая побережье от размыва и наводнений.
C) Некоторые участки побережья не всегда поддерживают стабильность общего длинноволнового процесса на шельфе, и словно по волноводам вытягивают волновую энергию на себя, заливая берег штормовыми наводнениями. При нарушении устойчивости волновых структур, например при слишком быстром прохождении циклона, катастрофическая волна может сформироваться у любого участка морского побережья.
Вычислительные эксперименты для сахалинского шельфа показывают 4-6 кратное увеличение высоты пакета волн, идущего к берегу от границы свала глубин (рис. 1-А), в то же время вынужденные колебания уровня моря при длительном штормовом воздействии приводят превышению прибрежных волн над их глубоководными возбудителями примерно в 20-25 раз (рис. 1-В), что и объясняет потенциальную опасность возникновения штормовых метеоцунами (рис. 1-С). Важнейшим практическим результатом является обоснование возможности контролируемой стабилизации длинноволновых процессов при строительстве гидротехнических сооружений для защиты морских портов или особо значимых участков побережья. Все программные комплексы опубликованы в интернет [2], и предлагаются к свободному использованию в оперативной работе морских служб, в гидротехнических изысканиях при проектировании или модернизации морских портов.
Периоды расцвета российского кораблестроения и мореходства отмечаются общностью и согласием морской практики с фундаментальными науками, и ознаменованы рождением истинных шедевров морской инженерной мысли, развитием береговой инженерной инфраструктуры и глобальным освоением морских пространств и ресурсов. В такие периоды непротиворечивое проектирование и единение корабля с морем и штормовой стихией возлагалось исключительно на авторитетных мореплавателей.
Современные вычислительные технологии ослабили размежевание науки и практики периода научно-технических революций, открыли свободный доступ к новейшим концепциям проектирования и анализа мореходности корабля для широкого круга морских профессионалов, студенческой и курсантской молодежи, для независимого использования научных достижений в обосновании требований к новому кораблю, в разработке новых наставлений мореплавателям и обустройстве региональной морской инфраструктуры. Принципы единения науки и практики озвучены американскими корабелами на конференции STAB-2009 в качестве концепции «целевого проектирования» [3], обосновывающей условия строительства флота по прямым техническим заданиям опытных мореплавателей, отвечающих как за эксплуатационную эффективность нового флота, так и за безопасность мореплавания в сложных и штормовых условиях.
Уникальные условия мореплавания и освоения морских ресурсов на Сахалине и Курильских островах не позволяют игнорировать реальный опыт мореплавателей и хорошую морскую практику дальневосточных судоводителей. Прямое участие сахалинцев в проектировании нового флота и обустройстве морской инфраструктуры является необходимым условием эффективности морских работ, отличающихся сложными условиями плавания, высокой штормовой активностью и отсутствием защищенных от штормов портов - убежищь.
Базовые принципы непротиворечивого проектирования и эксплуатации корабля, разрабатываемые на Сахалине [4], позволили получить комплекс новых технических решений для достижения высокой штормовой мореходности перспективного флота различного назначения.
1. Теоретическая минимизация силового воздействия на корпус корабля в штормовых условиях основана на технико-историческом анализе эволюционного развития представлений мореплавателей об архитектуре корабля, эффективно исполняющего планы дальних походов в любых погодных условиях. В гидростатическом приближении очевидна аналогия с историческими кораблями конца XIX – начала XX веков, имевшими малые моменты инерции площади действующих и надводных ватерлиний, обеспечивавшими плавность качки и абсолютную остойчивость на всех углах крена в условиях интенсивного штормового волнения.
Сложность формы корпуса в оконечностях и недостаточная проработка вычислительных моделей нестационарной гидромеханики не дают возможности теоретической оптимизации формы корпуса. В то же время, в рамках исторически выверенных инженерных подходов допускается оптимизация с учетом взаимной компенсации штормовых воздействий на чисто качественном уровне. Экспериментальная поверка мореходных качеств оптимизированного корабля показала превосходные результаты: опытовая модель лишается бортовой качки на всех курсах относительно волны, как на ходу, так и без хода. Подтверждается существование обратного эффекта, при котором корабль кренится навстречу штормовой волне. Экспериментально определено, что оптимальный контур мидельшпангоута должен быть близок к окружности, и иметь точку перегиба на уровне действующей ватерлинии, где завал борта достигает 10-20° и является максимальным.
2. Уменьшение штормовых дифферентующих моментов основано на математических расчетах с использованием интеграла Мичела, физическая интерпретация которого связана с процессом отражения от корпуса корабля внешних трохоидальных волн. Расчетное исключение ходового дифферента и минимизация корабельного волнообразования на всех, включая закритически высоких скоростях хода, приводит к минимизации силового воздействия на корабль со стороны соответствующих штормовых волн, в том числе относительно большой высоты и длины. Инженерный результат представляется необходимостью устройства плавно закрученной поверхности носовой скулы, простирающейся от завала борта у бульбового форштевня с переходом под днище в районе обрушающегося гребня носовой расходящейся корабельной волны при скорости хода по Фруду: Fn>0,4.
Эксперименты с опытовой моделью, оснащенной плавниковым движителем для достижения высокой скорости хода, подтвердили исключение килевой качки на ходу любым курсом относительно волнения. При этом оптимизированный корпус испытывает значительную вертикальную качку, вплоть до отрыва от поверхности воды на горизонтальном киле. Как и в случае с бортовой качкой, в испытаниях обнаружена возможность обратного эффекта, эффекта подныривания корпуса под встречную волну, что также подтверждает возможность контролируемой оптимизации формы корпуса корабля.
Малая килевая качка является ключевым мореходным качеством корабля, необходимым для поддержания высокой скорости хода и работоспособности всех корабельных устройств и вооружений в штормовых условиях. В случае потери хода все гидродинамические эффекты исчезают, и корпус опытовой модели вновь обретает интенсивную килевую качку.
3. Минимизация внешних воздействий, построенная на принципах взаимного снижения внешних и восстанавливающих сил и моментов, как это нередко бывает в технике, сказывается негативными проявлениями второстепенных сил другой природы, как крен под действием ветра и перекладок рулей; или избыточный дифферент в режиме буксировки или реверсирования хода. Такого рода неучтенные и «незначительные» воздействия могут быть погашены активными стабилизаторами качки (прямое действие штормовых волн – нет).
В штормовых условиях стабилизированный по направлению поток жидкости вблизи корпуса корабля имеется только под кормовым подзором, непосредственно за работающими гребными винтами, и только здесь возможно получение контролируемых по направлению и наибольших по величине активных стабилизирующих воздействий. При потере хода асимметрия кормовой оконечности приводит к ее значительным штормовым раскачиваниям, под действием которых крыльевые стабилизаторы качки могут быть обращены в машущие плавниковые движители, активизируемые в случае аварийной остановки главных машин.
Вышеизложенные ключевые решения собраны в проекте перспективного патрульно-гидрографического корабля (рис. 2), оснащенного гидрофизическим и гидрометеорологическим оборудованием для всепогодного наблюдения за состоянием моря и атмосферы с целью своевременного прогноза и предупреждения об опасных морских явлениях, и способного нести постоянное дежурство по охране морских рубежей в акваториях Сахалина и Курильских островов в постоянной готовности к быстрым переходам в штормовых условиях.
Рис. 2. Проект гипотетического перспективного патрульно-гидрографического корабля. Запас плавучести корпуса не превышает водоизмещения. Отсутствуют скуловые и днищевые кили (учтена недопустимость крыльевых стабилизаторов качки в средней части корпуса).
Использование новых принципов непротиворечивого проектирования корабля применимо к различным типам судов рыбопромыслового, транспортного и пассажирского флотов, и представляются в качестве перспективных направлений исследований в интересах инновационного развития морской деятельности на Сахалине и Курильских островах.
Единение науки и практики означает повышенную активность региональной морской научной школы, успешно решающей фундаментальные и прикладные задачи гидромеханики корабля, океана и атмосферы, в том числе как основы для подготовки морских инженеров и плавсостава высшей технической квалификации. В решениях Сахалинских научно-технических конференций «Мореходство и морские науки» подтверждается необходимость создания регионального Морского научно-технического комитета на базе Сахалинского государственного университета и Сахалинского филиала Морского государственного университета, отвечающего за широкомасштабные теоретические и экспериментальные исследования по наиболее актуальным для региона направлениям активизации морской деятельности.