В середине XIX века своеобразной революцией в гидромеханике явился переход от абстрактного безвихревого или потенциального движения жидкости к более реальному вихревому. В 40-50-х годах сначала французский математик Огюстен Коши (1789-1857 гг.), а затем и в 1856 г. немецкий математик и физик Герман Гельмгольц (1821-1894 гг.) при аналитическом и физическом исследовании вихрей в сплошной среде разрабатывают основы вихревой теории жидкости, в соответствии с которой скорость v в любой точке завихренной жидкости может быть разложена на следующие составляющие

При этом Гельмгольцем было введено понятие вихря скорости rot v = 2 w .

Краткая биографическая справка: Огюстен Коши, французский математик, член Парижской академии наук. Окончил Политехническую школу и Школу мостов и дорог в Париже, работал инженером в Шербуре, преподавал в Политехнической школе и Коллеж де Франс. Основоположник теории аналитических функций комплексного переменного, автор трудов по теории дифференциальных уравнений, математической физике, теории чисел и вычетов, геометрии, классических курсов по математическому анализу, работ по алгебре, теории упругости, гидромеханике и оптике.

Краткая биографическая справка: Герман Гельмгольц, немецкий физик, гидромеханик, математик, физиолог и психолог, профессор, член-корреспондент Петербургской академии наук. Окончил Военно-медицинский институт в Берлине, преподавал в берлинском Физико-техническом институте. Впервые дал математическое обоснование закона сохранения энергии, распространил принцип механического подобия на природные явления. Автор термодинамической теории химических процессов и аномальной дисперсии. Труды по вихревой теории, аэродинамике и воздухоплаванию, физиологии слуха и зрения, биофизике.

В 1860 г. английский ученый Файбери предложил обеспечивать общую продольную прочность кораблей условной постановкой его корпуса на скалу при обеспечении равновесия носовой и кормовой частей, что позволило внести единообразие в определении расчетного изгибающего момента на корпусе.

В этом же году Бурачек, посвятивший многие годы проектированию и совершенствованию водометных движителей, опубликовывает научную работу, в которой даются основы теории и различные конструкции этого типа движителя. Однако реализовывать предложения Бурачека так никто и не стал, в том числе проект водометного движителя под строящийся в США крейсер “Генерал-Адмирал”.

Говоря о научной деятельности Бурачека, которая к сожалению не получила в свое время мирового признания, необходимо отметить, что к этому времени он впервые в отечественной практике разрабатывает также и теорию сопротивления воды движущимся телам и кораблю в частности, основанную на идее использования модельных испытаний, в каких-то моментах опередив на 10 лет общеизвестную методику Фруда. Более того, на основании этой теории он создает и оригинальный метод вычисления потребной мощности главных судовых двигателей.

Примечательно также то, что по предложению Бурачека науку о корабле с методической точки зрения стали делить на три взаимосвязанных, но самостоятельных дисциплины: теорию корабля, корабельную архитектуру (проектирование) и науку о прочности корпуса. Эти три базовых компонента корабельная наука содержит до сих пор.

С 1861 по 1875 г. английский ученый Вильям Фруд (1810-1879 гг.) разрабатывает линейную гидродинамическую теорию бортовой качки судна на регулярном волнении (для идеальной жидкости), которая впервые была опубликована в 1865 г. и была основана на гипотезе о малости размеров судна по сравнению с размерами волн. Таким образом, на смену упрощенной теории бортовой качки Д.Бернулли приходит более совершенная теория, которая впоследствии будет учеными неоднократно совершенствоваться, пока не примет современный вид как основной инструмент кораблестроителей в исследовании качки судов.

Краткая биографическая справка: Вильям Фруд, английский корабельный инженер и ученый. Окончил колледж в Оксфорде, член Английского королевского общества. Участвовал в постройке “Грейт Истерна”, по предложению Брунеля занялся изучением качки и сопротивления движению судна, автор трудов в области теории корабля, теоретической и экспериментальной гидродинамики, создатель первого в мире современного опытового бассейна. Разработал методику проведения модельных и натурных испытаний судов, изобретатель фрикционного маятника.

Суть линейного подхода в задачах гидродинамики состоит в использовании при решении уравнения Лапласа граничных условий только с линейными членами, предполагая скорости перемещения судна и жидкости в каждый момент времени пренебрежимо малыми. С учетом малости также и амплитуд колебаний судна и жидкости это в итоге приводит к тому, что характеристики качки судна - перемещения, скорости и ускорения, - оказываются линейно связанными с соответствующими характеристиками волнения.

Система линеаризованных граничных условий для судна без хода по поверхности воды

Интересно отметить, что теория бортовой качки Д.Бернулли во времена парусного судостроения использовалась кораблестроителями не так часто. Это объяснялось не столько невысокой ее точностью, сколько тем, что парусники имели в целом слабую качку из-за демпфирующего действия парусов и рангоута, и чем была выше скорость ветра, тем качка становилась незаметнее. Правда, при этом, судну приходилось двигаться, как правило, под каким-то постоянным углом крена.

Ко времени завершения создания Фрудом новой теории бортовой качки практическая потребность в ней коренным образом изменилась. В это время боевые корабли начали интенсивно избавляться от своего парусного вооружения, что сразу обострило и проблему их качки. Еще во времена Д.Бернулли была известна связь параметров качки и остойчивости, однако теперь учет характеристик волнения позволял более точно прогнозировать поведение корабля в море.

Как и всякий колебательный процесс качка не только дурно влияет на механизмы и грузы, но, в первую очередь, - и на человека: морская болезнь при резкой и порывистой качке делает затруднительным не только выполнение экипажем элементарных боевых операций, но и способна полностью вывести корабль из строя, даже эффективнее, чем это сделает противник другими средствами.

В том же 1865 г. английский ученый Вильям Рэнкин (1820-1872 гг.), который явился основоположником технической термодинамики, разрабатывает дисковую теорию движителя (теорию идеального движителя), усовершенствованную затем в 1883 г. Фрудом и в 1910 г. русскими инженерами Г. Сабининым и Б. Юрьевым. Эта теория идеального движителя на долгое время станет единственной работоспособной для кораблестроителей со времен Традголда (рис.34).

В 1865 г. издается и фундаментальный труд Окунева “Теория и практика судостроения”, в котором, в частности, впервые представлено уравнение весов в более общем виде, учитывающее наличие на судне машинной установки и запасов топлива для нее. Эта работа Окунева явилась значительным вкладом в теорию проектирования новых для того времени паровых судов и намного опередила свое время, так как позволила связать требования к ходкости с искомым водоизмещением судна.

Можно сказать, что научные работы Окунева, получившие мировое признание, официально открыли “русский” вклад в развитие корабельных наук.

В 1866 г. Рэнкин вносит свой вклад и в общую прочность корабля - предлагает разделять общий изгибающий момент, действующий на корпус, на две составляющие: волновую (на волне трохоидального профиля) и на тихой воде. Этот подход в оценке общей продольной прочности корабля используется кораблестроителями и до настоящего времени.

В 1869 г., когда Рассел опубликовал свою теорию сопротивления воды, которая для кораблестроителей давала не много практических рекомендаций, Вильям Фруд формулирует закон гидродинамического подобия, который до настоящего времени является одним из главных инструментов при проектировании судов: “Сопротивления формы двух геометрически подобных судов соотносятся между собой как кубы линейных измерений, в то время как их скорости будут находиться в отношении корня квадратного из их измерений” [5].

Открытие этого закона было вызвано крайней необходимостью определения в процессе проектирования судна достоверного значения мощности, требующейся для движения корабля с заданной скоростью в зависимости от его размеров и формы. К тому времени кораблестроителям при создании мощных броненосцев и крейсеров все чаще и чаще приходилось расплачиваться за ошибки в определении мощности энергетической установки ценой невыполнения контрактных скоростей хода. Этим, отчасти, объяснялось и то, что кораблестроители тогда не торопились избавить свои корабли от парусного вооружения, подстраховывавшего их от подобных неприятностей.

В соответствии с открытым законом второй после числа Эйлера критерий гидродинамического подобия - число Фруда будет представлять из себя отношение сил инерции к силам веса.

Для проверки своей методики Фруд впервые проводит буксировку натурного парового судна - корвета “Грейхаунд”.

Научные исследования английского физика и математика Джорджа Стокса (1819-1903 гг.) в 60-х годах XIX века позволили значительно развить вихревую теорию жидкости - им была выведена теорема, позволяющая связать циркуляцию и вихрь скорости: циркуляция скорости по замкнутому контуру, ограничивающему односвязную область жидкости, равна потоку вектора вихря сквозь произвольную поверхность S , опирающуюся на этот контур

где - циркуляция скорости, м²/c; L - контур циркуляции; /dr/ = dL - направленный элемент контура; n - направление нормали к поверхности S; v - скорость, м/с.

В 1870 г. французский кораблестроитель Жак Норман (1839-1906 гг.) поставил вопрос о создании таких приближенных формул при проектировании судна, которые “позволят привести целый вопрос, иногда очень сложный, к одной или двум формулам, где легко можно будет увидеть влияние каждого элемента, например, веса корпуса или механизмов, расхода топлива или района плавания, толщины брони у бронированных кораблей” [2], что означало необходимость применения дифференциального исчисления в теории проектирования судов. В этом же году Норман опубликовал свои, получившие всемирную известность, приближенные формулы элементов теоретического чертежа.

В 1870 году опубликовывается и первая научная статья Степана Макарова (1848-1904 гг.), посвященная исследованию непотопляемости корабля на примере аварии канонерской лодки “Русалка”. Этот русский военный моряк и ученый считается основоположником теории непотопляемости корабля. В целом ряде научных работ 1870-1898 гг. Макаров проводит анализ непотопляемости отдельных кораблей, рекомендует метод модельного эксперимента для исследования непотопляемости, предлагает принцип контрзатопления отсеков для устранения аварийных крена и дифферента, составляет первые таблицы непотопляемости. Ему принадлежит идея спрямления поврежденного корабля, основанная на равенстве кренящего и спрямляющего моментов.

Краткая биографическая справка: Степан Макаров, русский флотоводец и ученый, вице-адмирал, внесший значительный вклад в развитие океанологии, метеорологии, кораблестроения и военно-морской тактики, освоение Северного ледовитого океана. Окончил Морское училище в Николаевске-на-Амуре. С 1861 по 1872 гг. плавал на кораблях Сибирской флотилии и Тихоокеанской эскадры, работал над проблемами непотопляемости и живучести корабля. Будучи командиром вооруженного парохода «Великий князь Константин» во время русско-турецкой войны 1877-78 гг. организовал и совершил первую в мировой практике успешную торпедную атаку. С 1881 по 1904 гг. командовал различными кораблями и соединениями, Кронштадским портом и Первой Тихоокеанской эскадрой, внес большой вклад в становление русского Тихоокеанского флота. Участвовал в разработке кораблестроительных программ и совместно с Менделеевым технического задания на проектирование ледокола «Ермак». Погиб на броненосце «Петропавловск» во время Русско-Японской войны.

Время показало, что научные работы Макарова предопределили лидирующее положение русской корабельной науки в области теории непотопляемости судна. Острая необходимость разработки теории непотопляемости к концу XIX века объяснялась участившимися случаями гибели судов от разгерметизации корпуса и попадания в него большого количества воды не только в боевых условиях в результате поража-ющего воздействия мин и снарядов, но и в мирное время - чаще всего в результате столкновений. Это в особенности касалось военных кораблей, боевая эффективность которых должна сохраняться в течение всего боя.

В связи с этим можно привести в качестве примера целую серию крупнейших катастроф с боевыми кораблями, начиная с 60-годов XIX века. Гибель нескольких низкобортных казематных броненосцев конфедератов и башенных мониторов федералов в ходе гражданской войны в США 1861-65 гг.; в 1866 г. во время Лисского боя броненосных эскадр Австрии и Италии за 3 минуты исчезает с поверхности воды итальянский флагман "Ре д^, Италия", протараненный австрийским броненосцем "Фердинанд Макс"; в 1875 г. погибает английский броненосец "Вэнгард", также протараненный в тумане броненосцем "Айрон Дюк"; 1893 г. - гибель новейшего английского флагманского броненосца "Виктория" от тарана броненосца "Кампердаун" и невезучей русской канонерки "Русалка"; в 1897 г. в результате столкновения с необозначенным на картах подводным препятствием, несмотря на героические усилия экипажа, тонет новый русский броненосец "Гангут"; боевые итоги японо-китайской и американо-испанской колониальных войн на море 1894 и 1898 гг., в результате которых было потоплено значительное количество броненосных кораблей, главным образом, китайских и испанских.

Рис. 35. Флагманский английский броненосец “Кептен” (L= 97,5 м; B= 16,2 м; T= 7,8 м; D= 7891 т; v= 14,2 уз; N= 5400 л.с.) кораблестроителя К.Кольза. Опрокидывание этого корабля от резкого шквала ветра в 1870 г., в результате чего вместе с 473 членами экипажа погибает и его конструктор, выявило необходимость обеспечения не только начальной остойчивости, но и остойчивости на больших углах крена.

В 1872 г. Фруд выдвигает гипотезу независимости составляющих гидродинамического сопротивления, которая позволяет ему вскоре разработать методику определения сопротивления проектируемого судна с использованием модельных испытаний для получения волнового и вихревого сопротивления (сопротивления формы) как остаточного. Проведя в 1874 г. натурную буксировку фрегата для проверки своей методики, Фруд окончательно отрабатывает и методику проведения натурных буксировочных испытаний судов.

В 1873 г. французский инженер-кораблестроитель Жоссель исследует давно известный эффект подъемной или боковой силы пластины (позднее крыла), ориентированной под некоторым углом к набегающему потоку. Имитируя пластиной судовой руль, он впервые получает ее гидродинамические характеристики в зависимости от, так называемого, угла атаки - угла между пластиной и набегающим потоком (рис.36). Через десять лет знаменитый французский инженер А. Эйфель, создатель радиобашни в Париже, проводя опыты с такими же пластинами, обнаружил, что подъемная сила формируется не столько давлением на нагнетающей поверхности, сколько разрежением на засасывающей и превышает первую в 2 - 3 раза. Таким образом были созданы все теоретические предпосылки для последующих исследований сначала крыла в аэродинамике, а затем и судна на подводных крыльях (СПК).

В связи с гибелью в 1874 г. английского железного парохода “Мэри” длиной 64 м, разломившегося пополам во время перехода через Атлантический океан из-за потери устойчивости палубного настила, в Англии был разработан способ подсчета элементов продольных связей корпуса в так называемом втором приближении. По предложению инженера Джона критическое напряжение определялось по Рэнкину как для балки-полоски с заделанными концами и производилось редуцирование (условное уменьшение) площади сечения сжатых пластин. Однако это ценное предложение Джона почему- то не привлекло к себе в свое время внимание.

Рис. 36. Эффект подъемной силы и ее гидродинамическая характеристика. 1 - зона разряжения; 2 - зона повышенного давления; a - угол атаки; Р_у - подъемная сила; С_у - коэффициент подъемной силы; S - площадь пластины.

В 1876 г. после упорной восьмилетней борьбы в английском парламенте крупным судовладельцем Самюэлем Плимсолем проводится, так называемый, “Билль о надводном борте”, регламентирующий минимальный надводный борт и грузовую марку (круг Плимсоля). Этот закон, являющийся прообразом современных “Правил о грузовой марке”, стал еще одним вкладом в повышение безопасности эксплуатации гражданских судов за счет обеспечения минимального запаса плавучести.

Краткая биографическая справка: Степан Джевецкий, русский инженер и изобретатель, лауреат Международного конкурса в Париже 1898 г., руководитель воздухоплавательного отделения Русского технического общества, внесший большой вклад в развитие кораблестроения и воздухоплавания. Автор множества проектов подводных лодок, в том числе первой серийной подводной лодки и подводной лодки «Почтовый» с единым бензиновым двигателем для русского военно-морского флота. Разработчик проектов «водобронного» миноносца и различных вооружений для подводных лодок, механического прибора для автоматической прокладки курса корабля на карте.

Рис.37. Схема лопастной теории гребного винта.

В 1878 г. Фруд предлагает первую лопастную теорию гребного винта, которая затем в 1892-1900 гг. была развита выдающимся русским инженером Степаном Джевецким (1843-1938 гг.) - автором проекта первой серийной подводной лодки в России. Эта теория была основана на исследованиях подъемной силы пластины или крыла и явилась значительным шагом вперед по сравнению с используемой до этого схемой идеального движителя (рис.37).

Рис.38. Английский стальной быстроходный двухвинтовой крейсер “Айрис” (L= 101,5 м; B= 14 м; T= 6,7 м; D= 3750 т; v= 18,6 уз; N=7500 л.с.), при испытаниях которого в 1878 г. выявилась необходимость проектирования оптимального винта. После невыполнения на сдаточных ходовых испытаниях контрактной скорости на один узел и замены четырехлопастных винтов двухлопастными сдаточная комиссия была буквально ошеломлена: если с четырехлопастными винтами при мощности машин 5250 л.с. корабль показывал 15,1 уз, то с двухлопастными - уже при мощности 4370 л.с. он развил скорость 15,5 уз.

В 1880 г. издается научный труд выдающегося русского ученого Дмитрия Менделеева (1834-1907 гг.) “О сопротивлении жидкости и о воздухоплавании”, в котором, в частности, обобщаются все научные достижения того времени в области гидродинамики судна и дается понятие пограничного слоя жидкости. Исследуя критически опыты Фруда, Менделеев предлагает учитывать шероховатость поверхности при определении сопротивления трения. Впоследствии многие ученые - гидродинамики будут уделять этому вопросу большое внимание, так как от шероховатости обтекаемой поверхности зависят толщина пограничного слоя и его характер, определяющие, наряду с формой корпуса, вязкостное сопротивление судна в целом.

Краткая биографическая справка: Дмитрий Менделеев, русский ученый, открыватель периодического закона химических элементов. Окончил Главный педагогический институт в Петербурге, член Петербургской АН, автор свыше 500 работ в области химии и химической технологии, физики, метрологии, воздухоплавания и гидроаэродинамики, метеорологии, сельского хозяйства, экономики, народного просвещения, кораблестроения и мореплавания. Заложил основы теории растворов, предложил промышленный способ перегонки нефти, изобрел вид бездымного пороха, один из инициаторов создания Русского химического общества, организатор и первый директор Главной палаты мер и весов. Один из первых в России предложил строить нефтеналивные суда, руководил проводившимися на флоте экспериментами по исследованию сопротивления воды и ходкости кораблей, обосновал необходимость создания в России опытового бассейна, предложил широкую программу государственных мероприятий по развитию технической базы отечественного судостроения, занимался вопросами перевода судов на жидкое топливо. Обосновал народно-хозяйственное и оборонное значение Северного морского пути и постройку первого в мире арктического ледокола, совместно с Макаровым разработал техническое задание на проектирование ледокола “Ермак”.

В 1883 г. английский ученый Осборн Рейнольдс (1842-1912 гг.) экспериментально получил еще один важный критерий гидродинамического подобия, представляющий собой отношение сил инерции к силам вязкости и широко используемый в практике судостроения.

Исследуя пограничный слой жидкости, он пришел к выводу, что сопротивление трения ее о стенки твердого тела зависит от характера течения жидкости. В зависимости от него он предлагает разделять пограничный слой на ламинарный и турбулентный (рис.39).

Рис.39. Линии тока и эпюры скоростей в ламинарном и турбулентном пограничном слое. 1 - ламинарный пограничный слой; 2 - турбулентный пограничный слой; 3 - толщина пограничного слоя; 4 - эпюра скорости линий тока; 5 - линии тока ламинарного пограничного слоя; 6 – эпюра средней скорости турбулентного потока; 7 – вихри турбулентного пограничного слоя.

В том же году английский корабельный инженер А. Денни на основании исследований Э. Рида впервые предлагает критерии нормирования остойчивости для небольших грузовых судов. Это явилось важным событием в развитии гражданского судостроения, так как такие суда, в общем, любого назначения, также зачастую гибли от потери остойчивости. Позднее ученые выяснят, что вероятность опрокидывания небольшого судна гораздо больше, чем большого, и обеспечение остойчивости малых судов носит в целом более сложный характер.

В 1884 г. по результатам трагической гибели в 1870 г. у м. Финистерре новейшего английского броненосца “Кептен”, имевшего низкий надводный борт монитора и полное парусное вооружение корабля, главный конструктор ВМС Англии Эдвард Рид (1830-1906 гг.) опубликовывает свой фундаментальный научный труд “Стабильность (остойчивость) кораблей”, где представлена диаграмма остойчивости судна на больших углах крена, которая с тех пор носит название диаграммы Рида. В этой книге показано, что “Кэптен” (рис.35), построенный кораблестроителем Купером Кользом, при динамическом действии шквала опрокидывается уже при 12-13⁰ крена, тогда как для броненосца Рида “Монарх” эта опасность начинается только с 23 ⁰ (рис.40).

Рис.40. Определение опрокидывающего момента и соответствующего ему угла крена по диаграмме Рида.

Значение исследований Рида по остойчивости судов было огромно, ибо они уже в ближайшее время дадут свои плоды, сохранив жизнь многим поколениям моряков во всем мире. Казалось бы, что проблема обеспечения остойчивости, сопутствующая развитию кораблестроения с самого его зарождения, наконец может быть снята. Тем не менее опрокидывание судов от потери остойчивости до сих пор является основной причиной их гибели, что требует от корабельной науки дальнейших усилий в этом направлении.

В этом же году французский ученый Морис Леви (1838-1910 гг.), ученик основоположника теории пластичности Сен-Венана, впервые решает задачу устойчивости цилиндрической оболочки на примере кольца, определив ее критическую нагрузку на разных стадиях потери устойчивости от наружного равномерного давления

,
где q_кр - критическая погонная нагрузка, т/м; r - радиус кольца, м; n - число волн кольца, потерявшего устойчивость (рис.41).

В отличие от котельной формулы, формула Леви имела чисто корабельную природу, отвечая запросам развивающегося подводного кораблестроения. К этому времени среди конструкторов подводных лодок окончательно укореняется мнение о круговой форме ее прочного корпуса как оптимальной по материалоемкости. Несмотря на то, что попытки использования формы прочного корпуса в виде тел вращения предпринимались еще с начала XIX века ("Наутиль 2"^* Фултона, 1801 г.; подводная лодка К. Чарновского, 1825 г.), поиски оптимальной формы велись вплоть до 1860 г., так как в соответствии с тогдашней концепцией "ныряющей лодки" считалось, что ее корпус должен быть подобен корабельному.

Рис. 41. Расчетная схема сжатого снаружи кольца и формы потери его устойчивости.

С увеличением в этот период глубины погружения подводных лодок с 2 до 15 м к концу XIX века участились и их аварии из-за разрушения прочного корпуса. Наиболее трагичными считаются случаи гибели в 1851 г. сразу двух подводных лодок - "Брандтаухера" В. Бауэра водоизмещением 38,5 т, которая была раздавлена давлением на глубине 18 м, и паромашинной лодки американца Лоднера Филиппса во время погружения на о. Эри. В последнем случае подводная лодка, превысив расчетную глубину, похоронила на дне озера экипаж вместе с ее изобретателем. Не исключено, что и "Умный кит" ("Интеллижент уэйл") американца О. Халстеда за время беспрецедентных десятилетних испытаний с 1862 по 1872 год неоднократно затапливался из за разрушения корпуса под действием давления, так как за этот период с его помощью было отправлено на тот свет 39 человек.

Не случайно, что именно во Франции, имеющей лучшую в Европе научную школу строительной механики, в 80-годах XIX века ведутся интенсивные поиски не только надежного двигателя для подводной лодки, но и оптимальной формы ее прочного корпуса, в результате чего к началу XX века она занимает лидирующее положение в подводном кораблестроении.

В 1885 г. Норман опубликовывает научный труд, в котором, используя дифференциальный метод, показывает, что водоизмещение проектируемого судна растет значительно быстрее веса, который в силу изменения задания на проектирование судна добавляется к весам по отдельным разделам нагрузки судна-прототипа. Отношение приращения водоизмещения к приращению веса по статьям нагрузки отныне получило название коэффициента Нормана.

Дифференциальная форма уравнения весов Нормана имела в свое время большое практическое значение для проектирования судов, так как позволяла при любом изменении в нагрузке проектируемого корабля быстро получить новое значение водоизмещения, не пересчитывая каждый раз уравнения весов в алгебраической форме. Постоянно меняющиеся в те времена интенсивного строительства боевых кораблей (во Франции Норман специализировался на проектировании и строительстве миноносцев) условия поставки материалов и оборудования, машинной установки и боевых вооружений для проектируемых кораблей предопределили научные изыскания этого талантливого кораблестроителя по совершенствованию уравнения нагрузки.

В 1889 г. в результате многолетних исследований ходовых испытаний кораблей, выдающийся русский инженер-механик флота Василий Афанасьев (1843-1913 гг.) предлагает метод, так называемых, адмиралтейских коэффициентов, позволяющий достаточно точно прогнозировать ходовые качества корабля, не прибегая к испытаниям в опытовом бассейне, и выраженный простой эмпирической формулой, ставшей поистине знаменитой

или в общем виде

N = D ^m v ⁿ / C_o , (1889 г.)
где N - мощность главных двигателей, л.с. или квт; D - весовое водоизмещение судна, т; v - скорость хода, уз; С_Ао - адмиралтейский коэффициент.

Краткая биографическая справка: Василий Афанасьев, русский инженер-механик флота, ученый, генерал-лейтенант. Окончил Инженерное и артиллерийское училище в Кронштадте и Академический курс морских наук по механическому отделу, преподавал в Штурманском и артиллерийском училище Кронштадта, работал на Кронштадском пароходном заводе, старшим помощником главного инспектора механической части Морского технического комитета. Автор научных работ по прочности, электромагнетизму, проектированию судов и судовым энергетическим установкам. Инициатор иссследований ходкости и создания ледоколов в России.

Значение метода Афанасьева действительно трудно переоценить, особенно с точки зрения проектирования судов. Со времен обобщенного уравнения весов Окунева, куда вошли составляющие нагрузки в функции водоизмещения, связанные с мощностью главных двигателей, никому еще не удавалось такой простейшей и достаточно точной для первого приближения формулой связать потребную мощность главных двигателей с водоизмещением и скоростью хода. Можно сказать, что эта формула завершила формирование современного уравнения нагрузки в теории проектирования судов с механическими двигателями и сразу же нашла повсеместное применение в мировой практике судостроения. Достаточно привести высказывание А. Крылова: “Эта формула, замечательная по своей простоте и точности, вскоре вошла во всеобщее употребление, сводя вычисления, требующие затраты многих часов, к нескольким минутам” [26].

Исследования Афанасьева по ходкости кораблей были опубликованы в научной работе “Материалы к изучению движения судна”, изданной в 1899 г. В ней, в частности, он впервые использует понятие “боевой скорости судна”, исследует условия совместной работы винта с корпусом корабля, предлагает не менее замечательную эмпирическую зависимость между скоростью корабля и числом оборотов движителя.

Рис. 42. Первая боевая электрическая подводная лодка французского инженера Густава Зеде "Сирена" ^* (L= 45,1 м; D= 266/272 т; v= 12/10 уз; N= 360 л.с.), построенная в 1893 г., вероятно является и первой лодкой, при проектировании которой предпринимались попытки проверки прочного корпуса на устойчивость (рабочая глубина 17 м).

В 1894 г. Рид, который еще в 1870 г. предложил рабочую методику расчета общей продольной прочности корабля, и английский ученый Стенбюри математически обосновано установили, что корпус судна при общем изгибе ведет себя подобно простой балке. С этого момента повсеместно при проверке корпуса судна на общую продольную прочность используется, так называемый, эквивалентный брус (рис.43).

С разработкой методики проверки общей продольной прочности по эквивалентному брусу в целом была сформирована методология обеспечения этого важного эксплуатационного свойства судна в том виде, в котором она существует и поныне.

Рис. 43. Эквивалентный брус корпуса корабля: 1 - поперечное сечение корабля; 2 - эквивалентный брус корабля.

В этом же году выходит в свет фундаментальный труд немецкого ученого Отто Шлика, посвященный систематическим исследованиям вибрации судов - негативного явления, которое давно начало преследовать суда, оснащенные, в первую очередь, паровыми машинами, и особенно после того, как их корпуса стали металлическими. Появление гребного винта с его высокочастотными периодическими нагрузками еще более усугубило остроту проблемы борьбы с вибрацией корпуса.

Низкочастотная вибрация корпусных конструкций от работы паровых машин на деревянных пакетботах и пароходофрегатах настолько сильно ускоряла процесс разгерметизации всего корпуса, что явилась, в конце концов, одной из причин использования на мощных пароходах железных корпусов. Однако вскоре оказалось, что металл является значительно более лучшим проводником волновых колебаний, чем дерево, что привело к появлению структурной вибрации всего металлического корпуса, особенно после перехода к более изящным стальным конструкциям.

Замена гребного колеса винтом в корме добавила кораблестроителям проблем - появляется еще и локальная вибрация оконечности судна и чем несовершенней винт, тем она становится больше. Если к тому же добавить периодически вызываемую вибрацию носовой части корпуса от ударов волн, можно себе представить всю полноту этой проблемы: сильная вибрация не только расшатывает конструкции и механизмы, она плохо влияет на самочувствие человека, а на боевом корабле - не позволяет эффективно использовать и оптические приборы для наведения орудий.

Рис. 44. Английский истребитель миноносцев (контрминоносец) “Дэринг” (L= 56,6 м; B= 5,7 м; T=2,1 м; D= 264 т) впервые столкнулся с явлением кавитации гребных винтов, развив на сдаточных испытаниях в 1894 г. скорость 24 уз вместо 27 контрактных. В результате смены на этом истребителе шести пар гребных винтов, в конце концов, корабль достиг желаемой скорости с винтами, имеющими на 45 % большую площадь лопастей, чем первоначально.

В 1896 г. выдающийся русский кораблестроитель и ученый Алексей Крылов (1863-1945 гг.) разрабатывает линейную гидродинамическую теорию килевой качки на волнении, а в 1898 г. - общую теорию совместной килевой и бортовой качки при движении корабля косыми курсами. Последняя теория была основана на гипотезе “проницаемости” корпуса судна для воды: на каждый элемент смоченной поверхности судна должно действовать такое давление, которое наблюдается в соответствующей точке волнующейся жидкости при отсутствии судна.

Краткая биографическая справка: Алексей Крылов, русский ученый-кораблестроитель, механик и математик. Окончил морское училище и кораблестроительное отделение Морской академии, член Петербургской АН и АН СССР, автор работ по теории корабля и строительной механике, теории магнитных и гироскопических компасов, артиллерии, механике, математике, истории науки. Разработал теорию вибрации корабля, создал ряд корабельных и артиллерийских приборов, руководил первым опытовым бассейном. Главный инспектор кораблестроения и председатель Морского технического комитета, участник проектирования и постройки первых русских линкоров типа “Севастополь” и других кораблей, активный участник решения основных технических вопросов военного и гражданского судостроения в СССР, начальник Морской академии.

Таким образом, в отличие от теории Фруда гипотеза Крылова уже позволяла учитывать влияние формы корпуса на качку корабля. Для математического описания движения судна в пространстве Крылов использовал более удобную корабельную систему эйлеровых углов, которая применяется в теории корабля с небольшими изменениями до сих пор (см. рис. 27 б).

В 1898 г. выдающийся русский ученый Николай Жуковский (1847-1921 гг.), основоположник современной аэродинамики, вносит существенный вклад и в развитие гидравлики. Исследуя движение жидкости в трубах, он впервые физически обосновывает явление гидравлического удара, а также вырабатывает рекомендации по предотвращению этого негативного явления в эксплуатации систем.

Примерно в это же время, изучая сопротивление движению судна в воде, Жуковский впервые высказывает мысль об оптимальном соотношении параметров формы корпуса судна и его скорости хода: “Всякое очертание подводной части судна строго соответствует некоторой соответствующей для него наивыгоднейшей скорости движения; ... уклонение от этого очертания при данной скорости и, наоборот, уклонение от наивыгоднейшей скорости при данном обводе неизбежно влекут за собой быстрое возрастание сопротивления и бесполезно затрачиваемой работы” [26].

Необходимо также отметить вклад, который внес Жуковский в это время в развитие теории водометного движителя. Рассмотрев взаимодействие корпуса судна с этим движителем, он доказал его эффективность в широком диапазоне скоростей и упоров.

Краткая биографическая справка: Николай Егорович Жуковский, русский ученый, основоположник современной аэродинамики. Окончил Московский университет, член Петербургской АН, автор работ по гидроаэродинамике, теории авиации, механике твердого тела, астрономии, математике, гидравлике, прикладной механике, теории регулирования машин и механизмов, реактивным движителям, теории корабля. Создал одну из первых в Европе аэродинамических труб, основатель и первый руководитель аэродинамического института.

В том же 1898 году в Лондоне издается научная работа австралийского ученого-гидродинамика Джона Мичелла, в которой дается законченное математическое решение задачи о волновом сопротивлении корабля с узким корпусом в неограниченном фарватере (для идеальной жидкости), позволяющее перейти к аналитическому определению этой составляющей сопротивления. До этого волновая составляющая сопротивления в соответствии с методикой Фруда не выделялась даже экспериментальным путем, входя в остаточное сопротивление.

, (1898 г.)
где R_x – продольное волновое сопротивление по оси Х, Н; f=f(x,z) – ординаты поверхности корпуса в функции абсцисс Х и аппликат Z, м; V₀ – cкорость судна, м/с; Ω – площадь элементарной площадки на поверхности корпуса, м²; θ = arcos (V/V₀) – фазовый угол Кельвина, задающий направление отраженных от корпуса волн, рад; V – скорость распространения корабельной волны в направлении θ, м/с; k = g/(V₀² cos² θ) – частота формы волны, 1/м (g – ускорение свободного падения, м/с²); i = (-1)^0,5- мнимая единица.

Рис. 45. Обладатель Голубой ленты Атлантики - шикарный немецкий трансатлантический лайнер “Дойчланд” (L= 208,6 м; B= 20,4 м; T= 8,84 м; v= 23,5 уз; N= 36000 л.с.), сильнейшая вибрация корпуса которого стала одной из причин вывода судна в 1907 г. из борьбы за скорость. На этом судне, построенном в 1900 г., были установлены самые мощные по тому времени паровые машины четырехкратного расширения, оказавшиеся не только малоэкономичными, но и источником сильнейшей структурной вибрации по всему корпусу.

В 1901 г. выходят в свет научные работы русских ученых- кораблестроителей Ивана Бубнова (1872-1919 гг.) и Крылова по теории непотопляемости корабля, позволяющие в корабельных условиях не только использовать таблицы непотопляемости, разработанные еще Макаровым, но и производить расчетное определение посадки и остойчивости поврежденного и спрямленного судна. Использование методики Бубнова и Крылова корабельным инженером В. Костенко во время Цусимского боя в мае 1905 г. спасло броненосец “Орел” (рис.48) от гибели, тогда как три других однотипных корабля затонули в ходе сражения.

Значительным вкладом Бубнова в теорию и практику проектирования судов явилась статья "Основы статистики судостроения", опубликованная в этом же году. В этой научной работе он впервые к проблеме составления уравнения нагрузки подходит с методологических позиций, разработав методику учета весов и формирования их уравнения, что в дальнейшем будет способствовать единообразию в сборе и подготовке информации по нагрузке и значительно облегчит работу не только конструкторам, но и экипажам кораблей.

Краткая биографическая справка: Иван Григорьевич Бубнов, русский инженер - кораблестроитель и ученый, основатель современной строительной механики корабля. Окончил Петербургское Морское инженерное училище и Морскую академию, автор работ по прочности и строительной механике корабля, теории подводного плавания и прочности подводных лодок, разработал теорию спуска судна по продольному стапелю, внес существенный вклад в развитие теории проектирования судов. Участвовал в проектировании первых русских линейных кораблей и линейных крейсеров, разработал оригинальные способы испытания подводных лодок, руководил проектированием и постройкой первых русских мореходных подводных лодок “Дельфин” и “Барс”.

В этом же году в России была опубликована научная статья известного корабельного инженера Николая Кутейникова (1872-1921 гг.) “Разбор элементов подводных судов”, которая явилась одним из первых трудов, посвященных вопросам проектирования подводных лодок - анализу опыта проектирования, прогнозированию дальнейшего пути развития и определению основных тактико-технических элементов подводных лодок ближайшего будущего.

Рис. 46. Английский контрминоносец "Кобра" (L= 68,1 м; B= 6,2 м; T= 2,2 м; D= 430 т; v= 36 уз; N= 12000 л.с.) вошел в историю как один из первых турбинных боевых кораблей. Вместе с тем, его трагическая судьба выявила проблему взаимодействия чрезмерно облегченного корпуса и мощной энергетической установки: в 1901 г. этот корабль на полном ходу разорвался надвое и в считанные мгновения затонул вместе с 67 членами экипажа.

В 1903 г. французский ученый И. Фредхольм формулирует метод интегральных граничных уравнений, позволяющий решать задачи взаимодействия материальных систем с заданными граничными условиями по поверхности, что позволяет перейти к решению не только задач теории упругости однородных тел, но и взаимодействия сплошных сред с различными характеристиками.

В 1904 г. немецкий ученый-гидромеханик Людвиг Прандтль (1875-1953 гг.) исследует пограничный слой и выявляет зависимость коэффициента трения воды от числа Рейнольдса. В своей научной работе “О движении жидкости при очень малом трении”, изданной в 1905 г., Прандтль объясняет сопротивление формы (вихревое сопротивление) при обтекании тела жидкостью отрывом ее пограничного слоя (рис.47). Впоследствии им будет предложен очень эффективный способ ламинаризации пограничного слоя с помощью его отсоса, который, в частности, эффективно реализован на “турбопарусе", установленном сначала на экспериментальном парусном катамаране "Мулен а^/ Вент" в 1983 г., а затем и судне Жака Кусто “Алсион” в 1985 г. (рис. 70).

 
Рис.47. Пограничный слой и его отрыв в кормовой оконечности судна: 1 - ватерлиния корпуса судна; 2 - граница пограничного слоя; 3 - граница отрыва пограничного слоя.

Дальнейшее развитие теория пограничного слоя получает в трудах немецкого ученого Теодора Кармана (1881-1963 гг.), который исследует, в частности, автоколебательные движения в воде вертикальных круговых цилиндров. Позднее своеобразный след сорванного пограничного слоя за цилиндром получит название "дорожка Кармана".

Краткая биографическая справка: Людвиг Прандтль, немецкий ученый гидраэроодинамик, один из основателей аэродинамики и научной шеолы по прикладной гидроаэромеханики, профессор. Окончил Высшее политехническое училище в Мюнхене, преподавал в Высшем техническом училище Ганновера и Гетингенском университете, директор Института аэродинамики в Гетингене. Труды по теории пограничного слоя и турбулентности, в том числе в свободной атмосфере, сверхзвуковых истечений и теплопередачи в потоке. Работы по теории упругости и пластичности, газовой динамике и динамической метеорологии.

В 1905 г. был опубликован курс лекций по проектированию судов корабельного инженера и первого декана кораблестроительного отделения Петербургского политехнического института Константина Боклевского (1862-1928 гг.), представляющий собой первую попытку формирования теории проектирования судна в виде самостоятельной научной дисциплины.

Краткая биографическая справка: Константин Боклевский, русский инженер-кораблестроитель, педагог и ученый, генерал-майор, член координационного органа при Совете министров, организатор Русского Регистра и председатель его Технического совета. Окончил кораблестроительное отделение Технического училища морского ведомства и Морскую академию, работал в Петербургском Новом Адмиралтействе помощником строителя, наблюдающим и строителем миноносцев в Одессе и Николаеве, наблюдающим за постройкой кораблей во Франции, руководил постройкой броненосца «Бородино», крейсера «Олег» и транспорта «Камчатка». С 1902 г. декан кораблестроительного отделения Петербургского политехнического института. Автор проекта усовершенствованного мореходного миноносца и автономного броненосца с дизель-электрической энергетической установкой, трудов по корабельной архитектуре.

Рис.48. Новейший русский эскадренный броненосец “Орел” (L= 121 м; B= 23,2 м; T= 8,0 м; D= 13732 т;v= 17,5 уз; N=16300 л.с.) уцелел после Цусимского побоища в 1905 г. во многом благодаря таблицам непотопляемости и инструкциям по расчетному определению посадки и остойчивости поврежденного и спрямленного корабля, которые были на его борту.

Глава 4. Период специализации корабельных наук ( с 1906 г. по 1945 год )