Рис. 1. Буксировка модели судна в опытовом бассейне КнАГТУ
Мореходство и морские науки - 2009
УДК: 629.5.018.1С 1985 г. в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете при кафедре кораблестроения действует уникальная научная лаборатория «Опытовый гидродинамический бассейн». Уже более 20 лет опытовый бассейн используется в учебных и научных целях.
Опытовый гидродинамический бассейн КнАГТУ (рис. 1) является самым большим учебно-научным экспериментальным комплексом в системе вузов России. В опытовом бассейне ученые кафедры кораблестроения, сотрудники университета и ученые других ВУЗов Дальневосточного региона проводят научные исследования по оценке эксплуатационных и мореходных качеств объектов океанотехники, береговых сооружений, надводных судов и подводных аппаратов.
История развития опытового бассейна КнАГТУ неразрывно связана с историей кафедры кораблестроения, структурным научным подразделением которой он является.
Приказом Министра ВиССО РСФСР № 390 от 20 мая 1960 г. предписывалось организовать в КнАВПИ с 1 сентября 1960 г. кафедру «Технологии судостроения». Приказом ректора института № 116 от 3 июня 1960 г. такая кафедра с 1 сентября 1960 г. была создана. Эта дата является датой создания кафедры, которая ныне имеет наименование «Кафедра кораблестроения».
Первым заведующим кафедрой был назначен кандидат технических наук, доцент Лейзерович Самуил Яковлевич, который руководил кафедрой до 1975 г. В период становления основные научные исследования кафедры были сосредоточены вокруг вопросов, связанных с проблемами постройки кораблей на Амурском судостроительном заводе. Выполнялись работы по проектированию судов (руководитель канд. техн. наук, доцент С. Я. Лейзерович), технологии судостроения (руководитель канд. техн. наук, доцент В. В. Макаров) и прочности судов (руководитель канд. техн. наук, доцент В. А. Топчий).
Постепенно расширялся круг научных интересов сотрудников кафедры. Под руководством В. А. Зуева на кафедре начинают выполняться научные исследования в области гидродинамики и ледопроходимости судов. Свои эксперименты по изучению гидродинамики судов ученые кафедры проводили в обычных плавательных бассейнах или в малых бассейнах, представляющих собой емкости прямоугольной формы небольших размеров, заполненные водой (рис. 2), а по вопросам ледопроходимости - в открытых ледовых бассейнах (рис. 3).
С ростом интенсивности научных исследований в конце 70-х годов назрела необходимость в строительстве настоящего Опытового бассейна.
С 1976 г. по 1981 г. кафедрой руководил кандидат технических наук, доцент Новиков Борис Александрович. Под его руководством развивалась научная база кафедры. В этот период была создана лаборатория технологии постройки подводных лодок, начато строительство Опытового бассейна КнАГТУ (рис. 4).
Строительство современного опытового бассейна началось с вводом в эксплуатацию в 1980 г. третьего учебного корпуса университета. Под опытовый бассейн был отведен первый этаж южного крыла учебного корпуса (рис. 5).
Эта уникальная лаборатория была построена сотрудниками университета при поддержке Министерства образования Российской Федерации, руководства университета, предприятий и организаций региона.
В 1980 г. в КнАПИ приезжает из Ленинградского кораблестроительного института известный ученый в области теории корабля кандидат технических наук, доцент Ткачук Герман Николаевич. Он становится заведующим кафедрой гидромеханики и теории корабля, выделенной в 1981 г. из состава кафедры технологии судостроения. Позднее, с 1987 г. кафедрой гидромеханики и теории корабля заведует кандидат технических наук (ныне д. т. н., профессор) Козин Виктор Михайлович. Под их непосредственным руководством велось строительство лаборатории и проводились первые эксперименты. Первым начальником опытового бассейна стал Новолодский И. Д.
В 1985 г. в чашу опытового бассейна была залита вода и началось освоение этого сложного учебно-научного комплекса (рис. 6).
На кафедре гидромеханики и теории корабля под руководством В. М. Козина начинает развиваться новое научное направление – разрушение ледяного покрова с помощью судов на воздушной подушке. Первые эксперименты в опытовом бассейне были проведены с моделями судов на воздушной подушке (рис. 7).
В 1988 г. кафедры «Технология судостроения» (зав. кафедрой к. т. н., доцент Тарануха Н. А. с 1981 г.) и «Гидромеханика и теория корабля» объединяются в одну большую кафедру «Кораблестроение», которая существует и поныне. Заведующим объединенной кафедры кораблестроения был избран Н. А. Тарануха, который в 1990 г. защитил в ЛКИ докторскую диссертацию.
В 1990–2000 гг., несмотря на известные трудности, на кафедре кораблестроения продолжала развиваться научно-материальная база, велись разносторонние теоретические исследования. В эти годы практически завершилось строительство и оснащение уникального для всей системы вузов России научно-экспериментального комплекса – опытового бассейна КнАГТУ.
За этот период лаборатория оснащается современным измерительным оборудованием. При этом следует заметить, что большая часть измерительно-регистрирующей аппаратуры и оборудования проектировалась и изготавливалась силами сотрудников кафедры кораблестроения (рис. 8). Для проведения исследований в модельной мастерской при опытовом бассейне изготавливаются модели судов различных типов (рис. 9). Проводится планомерная модернизация опытового бассейна: бассейн оснащается волнопродуктором пластинчатого типа, что расширяло возможности гидродинамической лаборатории по номенклатуре проводимых исследований. Большинство этих работ выполнялось под научным руководством к. т. н., доцента Мытника Н. А., который непосредственно занимался конструкторской проработкой нового оборудования. Технологической подготовкой и изготовлением оборудования руководил заведующий лабораторией Козлов А. А. Разрабатываются методики проведения модельных экспериментов с использованием нового измерительного оборудования.
Развитие вычислительной техники и оснащение лаборатории новыми измерительными комплексами потребовало разработки и новых подходов к обработке результатов модельных испытаний. Для проведения измерений результатов экспериментов опытовый бассейн был оснащен станцией обработки результатов, оснащенной компьютером, который через аналогово-цифровую плату подсоединен к регистрирующей аппаратуре. Под руководством старшего преподавателя Бурменского А. Д. был разработан программный комплекс АСОРИ, который позволял проводить в автоматизированном режиме тарировку измерительного оборудования и непосредственную обработку экспериментальных данных в режиме реального времени.
Большинство проводимых работ по модернизации оборудования опытового бассейна требовало вложения существенных материальных ресурсов. Проведение данных работ стало возможным благодаря финансированию в рамках выполнения госбюджетных и хоздоговорных работ под научным руководством профессора Таранухи Н. А. Начиная с 1995 г., был выполнен ряд госбюджетных НИР по модернизации опытового бассейна в рамках проектов федеральной программы Министерства образования РФ «Гидродинамический опытовый бассейн КнАГТУ» (1999–2000 гг.); «Гидродинамический комплекс опытового бассейна КнАГТУ» (2001–2002 гг.) и «Расчетно-экспериментальные исследования проблем проектирования и прочности сложных объектов океанотехники на базе опытового бассейна КнАГТУ» (2003–2004 гг.).
Также финансирование работ в Опытовом бассейне идет и за счет собственных внебюджетных средств кафедры «Кораблестроение». Коллектив кафедры регулярно участвует в конкурсах по проведению госбюджетных НИР. Это позволяет и дальше проводить работы по модернизации гидродинамической лаборатории и оснащению ее новейшим измерительно-регистрирующим оборудованием.
К научным исследованиям в Опытовом бассейне привлекались ведущие специалисты смежных специальностей КнАГТУ, институтов ДВО РАН и других организаций.
Достаточно отметить создание по заказу КнААПО скоростной буксировочной тележки (СБТ) и испытания на ней динамики гидросамолетов и экранопланов, а также проведение учеными ИММ ДВО РАН исследований по разрушению ледяного покрова с использованием искусственного льда.
В 2004 г. сотрудники СКБ САМИ ДВО РАН под руководством к. т. н. Храмушина В. Н. впервые в опытовом бассейне проводили самоходные мореходные испытания моделей судов с новыми формами корпуса (рис. 10), созданные в рамках научно-образовательных грантовых проектов Сахалинского отделения Русского географического общества.
В ходе этих испытаний исследовалось поведение моделей судов на экстремальном волнении, соответствующем реальным штормовым условиям Дальнего Востока, с целью повышения штормовой мореходности проектируемых судов различных типов. Результаты проведенных исследований были представлены на международную выставку «Брюссель-Эврика-2002», где была получена золотая медаль.
В настоящее время в Опытовом бассейне проводятся различные научные исследования в области гидродинамики и гидроупругости.
Дальневосточный опытовый бассейн КнАГТУ является единственным подобным научно-экспериментальным и производственно-учебным комплексом в регионе Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Опытовые бассейны в целом предназначены для проведения физических экспериментов в области гидродинамики, теории корабля, гидротехники и гидроакустики. Опытовый бассейн КнАГТУ чаще всего используется для модельных испытаний судов и кораблей по оценке их ходкости и мореходности.
Функционально Опытовый бассейн состоит из следующих основных элементов: чаши, буксировочного комплекса, волнопродуктора с волнографами, пульта управления с АСОРИ, тарировочной лаборатории и мастерских.
Чаша является базисным устройством Опытового бассейна и состоит из собственно конструкции чаши, рельсовых путей, подвесного дна, осушительно-зачистной системы и устройства для экстренного торможения буксировочной тележки.
Чаша представляет собой цельнометаллическую конструкцию в виде ванны с наружным набором, которая состоит из рабочей части в виде прямоугольного параллелепипеда и доковой части спереди для спуска и подъема экспериментальной модели, ее балластировки и удифферентовки. Полная длина, ширина и высота борта чаши опытового бассейна, соответственно, составляют 45 х 4,1 х 3,25 м. Доковая часть чаши имеет одинаковую высоту с рабочей, а размеры в плане – 4,8 х 1,42 м.
Расчетный уровень воды в чаше соответствует надводному борту 0,5 м при глубине воды 2,75 м.
Буксировочный комплекс Опытового бассейна состоит из буксировочных устройств в виде большой (ББТ) (рис. 11) и скоростной тележек и различных измерительных систем, основными из которых являются системы измерения скорости тележки, буксировочного сопротивления и параметров перемещения модели.
Буксировочное устройство с ББТ (рис. 12) состоит из несамоходной буксировочной тележки 1, рельсовых путей 2, бесконечного троса 3, привода 4, буксируемой модели 5, включателя и выключателя секундомера, соответственно 6 и 7 и тахогенератора 8. Привод буксировочной тележки оснащен системой стабилизации скорости. Колеса тележки изготовлены без реборд, т. к. поперечные смещения тележки исключаются четырьмя прижимными роликами.
Несамоходная буксировочная тележка имеет тросовый привод, в котором ведущие шкивы вращаются электродвигателем постоянного тока мощностью 5 квт через редуктор с передаточным отношением 1:5. Управление электродвигателем дистанционное и обеспечивается с поста на боковой антресоли, откуда обеспечивается наилучший обзор движения тележки.
По конструкции буксировочная тележка двухосная, однопилонная и состоит из рамы ферменной конструкции, изготовленной из алюминиевых и титановых сплавов, с шахтой в центральной части; пилонного моста с пилоном, установленного в шахте на амортизаторах и способного регулироваться по горизонтали; датчиков скорости буксировочной тележки и положения пилона по высоте; консоли системы экстренного торможения.
Действующий привод буксировочной тележки способен обеспечивать ей минимальную устойчивую скорость 0,01 м/с и максимальную скорость 4,8 м/с. Разгонный участок при максимальной скорости составляет до 25 м.
Системы измерения скорости буксировочной тележки включают две подсистемы, которые можно использовать независимо друг от друга с учетом выбранного диапазона скоростей и характера проведения эксперимента: система измерения скорости по мерной дистанции и система измерения по тарировочной кривой с использованием тахогенератора.
Системы измерения буксировочного сопротивления модели основаны на использовании датчиков Scaime, рассчитанных под статическую нагрузку до 5 кг, а системы измерения параметров перемещения модели (крена, дифферента и вертикальных перемещений) – на поворотных электромеханических датчиках, которые смонтированы на единой подвеске специальной конструкции (кроме датчика вертикальных перемещений). Подвеска с датчиками, с одной стороны, крепится к пилону буксировочной тележки, а с другой, – к экспериментальной модели (рис. 13).
Волнопродуктор предназначен для генерирования волнения на поверхности воды с целью проведения исследований по ходкости и мореходности судов, оценки гидродинамических воздействий на береговые и плавучие сооружения. Устройство состоит из собственно волнопродуктора, систем волногасителей и волнографов, а также системы измерения параметров генерируемого волнения.
В Опытовом бассейне установлен волнопродуктор пластинчатого типа (рис. 14), содержащий четыре пластины (ширина каждой пластины составляет 1 м). Волнопродуктор расположен в задней части чаши бассейна и способен генерировать регулярное фронтальное (рис. 15) или косое волнение высотой и длиной соответственно до 0,4 и 6 м.
Волногасители представляют собой перфорированные пластины, изготовленные из алюминиевых сплавов, а волнографы – два попловковых датчика, отстоящих друг от друга на заданном расстоянии вдоль стенки чаши бассейна, с электромеханическими приводами.
Пульт управления Опытовым бассейном состоит из центрального поста в закрытом помещении на антресоли, где расположен компьютер, обслуживающий АСОРИ с помощью специального программного обеспечения, и двух постов: управления буксировочными тележками (на переходе к антресоли в средней части бассейна) и управления волнопродуктором (рядом с последним).
Модельная мастерская Опытового бассейна располагает станочным парком для обработки дерева и металла, стендом для формовки моделей из парафина и различным электрическим и ручным инструментом.
В настоящее время на существующем оборудовании и технологическом обеспечении в Дальневосточном Опытовом бассейне КнАГТУ могут проводиться следующие частично или полностью обеспеченные инструментально экспериментальные работы:
1. Буксировочные испытания моделей судов и кораблей на тихой воде (на глубокой воде и мелководье).
2. Несамоходные и самоходные мореходные испытания моделей судов и кораблей на регулярном встречном (в ограниченном диапазоне скоростей – на попутном) фронтальном или косом волнении (ходкость на волнении, заливаемость, качка) (рис. 16).
3. Гидростатические испытания моделей судов и плавучих сооружений на плавучесть и непотопляемость.
4. Самоходные испытания моделей судов и кораблей на устойчивость на курсе на тихой воде.
5. Испытания на прочность судов и плавучих сооружений при регулярном волнении.
6. Испытания по регулярному волновому воздействию на морские установки и береговые сооружения.
На базе опытового бассейна могут выполняться заказы сторонних проектных и эксплуатационных организаций по оценке мореходных качеств судов, воздействия волновых и ледовых нагрузок на объекты океанотехники и береговые сооружения, ледоразрушающей способности судов, а также проведение тарировочных работ по датчикам скорости движения жидкости.
Дальнейшее развитие Дальневосточного опытового бассейна КнАГТУ направлено на повышение качества уже проводимых экспериментальных работ и расширение возможностей бассейна в проведении других работ в области гидродинамики и теории корабля.
Потенциально в Опытовом бассейне, в дополнение к вышеприведенным, можно проводить следующие экспериментальные работы:
1. Мореходные испытания (ходкость, заливаемость и качка) судов и кораблей на нерегулярном волнении;
2. Испытания гребных винтов в швартовом режиме и на ходу;
3. Испытания по нерегулярному волновому воздействию на морские установки и береговые сооружения;
4. Испытания на прочность судов и плавучих сооружений при нерегулярном волнении;
5. Испытания судов и плавучих сооружений на остойчивость, в том числе аварийную;
6. Исследования гидроупругости судовых конструкций.
В Опытовом бассейне проводятся не только научные исследования. Он также является и учебно-лабораторной базой для студентов различных специальностей университета. Будущие инженеры и магистры знакомятся здесь с методиками проведения экспериментов. Визуально изучают гидродинамические эффекты и явления.
На базе Опытового бассейна существуют в настоящее время и разрабатываются современные учебные лабораторные установки и стенды по дисциплинам: гидромеханика, теория корабля, проектирование судов, экспериментальные методы. Кроме того, Опытовый бассейн используется в настоящее время и будет использоваться ещё в большей степени как собственная база производственных и преддипломных практик для студентов университета.
По тематике, связанной с Опытовым бассейном, постоянно ведется подготовка магистров, аспирантов и докторантов.
В сентябре 2010 г. кафедра «Кораблестроение» будет праздновать 50-летие своего создания. К своему юбилею коллектив кафедры стремится подойти с высокими научными показателями. Одним из основных инструментариев научных исследований на кафедре является действующий Опытовый бассейн, оснащенный современным научным оборудованием.
Для поддержания опытового бассейна в работоспособном состоянии ведутся работы по его капитальному ремонту и модернизации. В настоящее время капитально отремонтирована чаша бассейна, внутренняя поверхность которой была покрыта современными антикоррозионными покрытиями, применяемыми в судостроении. Ведутся работы по проектированию и изготовлению гравитационной буксировочной системы. Эта система в качестве тестовой будет построена в опытовом бассейне как дополнение к уже имеющейся буксировочной системе на базе большой буксировочной тележки с измерительным комплексом. Ведется изготовление тестовой модели ледокольного судна. Приобретены датчики Scaime под динамическую нагрузку до 5 кг, спроектирована под них подвеска и ведутся работы по ее изготовлению. Изготовлены электронные приборы собственной конструкции для измерения частоты вращения вала волнопродуктора, а также создается лазерная система мерной дистанции. Начаты работы по сертификации экспериментального комплекса Опытовый бассейн КнАГТУ. Также проводятся другие мероприятия по увеличению номенклатуры проводимых в лаборатории научных экспериментов и повышению их качества.
В настоящее время работы по модернизации Опытового бассейна выполняются в рамках гранта РФФИ 08-08-98501 «Математическое и экспериментальное моделирование гидроупругости и волновой гидродинамики на базе Дальневосточного Опытового бассейна КнАГТУ» (2008–2009 гг.) и аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2010 годы)» (рег. номер 2.1.2/3046).
В августе 2009 г. в рамках деловой поездки по Дальнему Востоку Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет посетил Министр образования и науки РФ Фурсенко Андрей Александрович. Во время посещения университета Андрей Александрович ознакомился и с состоянием дел в Опытовом бассейне и перспективами его развития (рис. 17).
Хотя опытовый бассейн КнАГТУ, в первую очередь, является научным инструментом ученых кафедры кораблестроения, он доступен для использования всеми учеными Дальнего Востока. Для всех заинтересованных научных организаций и ВУЗов режим коллективного использования научным оборудованием Опытового бассейна реализуется в рамках договоров о взаимном сотрудничестве.
Одной из главных целей проводимых работ по модернизации и оснащению оборудованием Опытового бассейна КнАГТУ является создание на его базе регионального научно-технического центра коллективного пользования – Дальневосточного Опытового бассейна (ДВОБ КнАГТУ).