ХХ век стал прорывным во множестве областей технического прогресса, в частности в увеличении скорости движения транспортных средств. Для наземных средств передвижения скорости эти выросли в разы, для воздушных - на порядки. А вот на море человечество упёрлось в тупик.
Этот рекорд побили, конечно. Перед Второй мировой очень быстро носились по Средиземному морю итальянские и французские лидеры и эсминцы, добираясь иногда аж до 45 узлов. Непонятно, впрочем, зачем им была нужна эта скорость, поскольку именно итальянский и французский флоты во Второй мировой воевали хуже всех. Побил рекорд "Новика", завоевав в начале 1950-х "Голубую ленту Атлантики", американский лайнер "Юнайтед Стейтс" (38,5 узла). Но даже эти скорости достигались считанным количеством кораблей и на очень коротких дистанциях. В целом же для боевых кораблей максимальная скорость и сегодня редко превышает 32 узла, а крейсерская скорость (на которой достигается максимальная дальность плавания) всегда была ниже 30 узлов. Для транспортных судов и 25 узлов было уникальным достижением, большинство из них до сих пор таскаются по морям со скоростями, не превышающими 20 узлов, то есть менее 40 км/ч.
Появление дизельных, газотурбинных, даже ядерных двигателей в лучшем случае давало прибавку в скорости на несколько узлов (другое дело, что дизели и ядерные энергетические установки позволили резко повысить дальность плавания). Волновое сопротивление вставало стеной. Важнейшим средством борьбы с ним стало увеличение отношения длины корпуса корабля к его ширине. Слишком узкий корабль, однако, обладал плохой остойчивостью, в шторм он мог легко перевернуться. Кроме того, в узкий корпус трудно было запихнуть разнообразные системы и механизмы. Поэтому только некоторые эсминцы за счёт узости корпусов установили свои рекорды скорости, тенденцией это не стало даже для боевых кораблей, а для грузовых судов сужение корпусов было неприемлемо в принципе.
Авиация практически полностью заменила морские суда в плане пассажирского сообщения, но вот что касается грузовых перевозок, то почти все они до сих пор приходятся на водный и железнодорожный транспорт. Грузоподъёмность для самолётов остаётся почти таким же критическим вопросом, как скорость для судов. Поэтому инженеры продолжают биться над решением обеих проблем.
Для коммерческого судоходства проблема низких скоростей в значительной степени нивелируется большим количеством судов на линиях. Если танкеры (контейнеровозы, банановозы, лесовозы и т. д.) выходят из пункта А ежедневно, то и приходить в пункт Б они будут ежедневно независимо от скорости каждого отдельного судна. Главное, чтобы хватало судов для поддержания такого графика.
Для ВМС скорость, разумеется, гораздо важнее. И для боевых кораблей (тут объяснения, пожалуй, излишни), и для транспортных и десантных судов, перевозящих войска. Причём последнее сейчас, когда войны приобрели глобальный размах, стало важнее первого (тем более что для боевых кораблей некоторой компенсацией собственной низкой скорости стало наличие ракетного оружия: ракета догонит кого угодно).
Поскольку нерешаемость проблемы волнового сопротивления стала понятна давно, то, наряду с погоней за единицами узлов за счёт улучшения обводов корпуса и формы винтов, усиления энергетических установок на обычных кораблях, начался поиск чего-нибудь необычного.
Ещё в конце XIX века был открыт эффект действия подъёмной силы на пластину, буксируемую под водой под небольшим углом наклона к горизонту. Этот эффект аналогичен аэродинамическому, действующему на крыло самолёта и позволяющему ему летать. Поскольку вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, площадь подводного крыла могла быть во столько же раз меньше площади крыла самолёта. Если поставить на крылья судно, то при достаточно большой скорости подъёмная сила поднимет его над водой, под ней останутся только крылья. Это позволит в разы снизить сопротивление воды и, соответственно, повысить скорость движения.
Первые опыты с судами на подводных крыльях проводились во Франции и Италии, но наибольшего развития они достигли в СССР. Главным конструктором таких судов стал Ростислав Алексеев, который возглавил соответствующее ЦКБ (оно находилось в Горьком). Был создан целый ряд пассажирских судов и боевых катеров на подводных крыльях. Однако быстро выяснилось, что водоизмещение судов на подводных крыльях очень ограниченно. Чем оно выше, тем больших размеров и массы должно достигать подводное крыло и тем мощнее должна быть энергоустановка. Из-за чего даже фрегат на подводных крыльях создать практически невозможно.
В итоге дело не пошло дальше "пригородного транспорта" - "Ракет", "Комет" и "Метеоров" - и некоторого количества боевых катеров на подводных крыльях. Для ВМФ СССР и погранвойск было построено 2 противолодочных корабля на подводных крыльях пр. 1145 и 1 пр. 1141, 1 малый ракетный корабль (МРК) пр. 1240, 16 сторожевых катеров пр. 133, 18 ракетных катеров пр. 206МР. Большинство из них сейчас уже списано. Один ракетный корабль на подводных крыльях пр. 206МР оказался тем самым грузинским катером "Тбилиси", который в августе 2008 года, в соответствии с легендами и мифами агитпропа, был потоплен российским МРК "Мираж" в морском бою, а на самом деле брошен своим экипажем в Поти и взорван нашими десантниками.
За рубежом катера на подводных крыльях также развития практически не получили. В США было построено 6 ракетных кораблей на подводных крыльях типа "Пегас", в Италии - 7 РК типа "Спарвьеро", в Израиле - 3 РК типа М161, в Японии - 3 РК типа PG01. Сейчас все они, кроме японских, списаны. Китай наштамповал более 200 торпедных катеров на подводных крыльях типа "Хучуань", они экспортировались также в Румынию, Албанию, Танзанию, Пакистан, который затем передал их в Бангладеш. Сейчас в строю осталось лишь 4 бангладешских и 2 танзанийских "Хучуаня". В целом для ВМС всего мира КПК оказались тупиковой ветвью развития.
Несколько более перспективными стали корабли на воздушной подушке (КВП). Эта самая подушка создаётся путём нагнетания вентиляторами сжатого воздуха под днище корабля, благодаря чему корабль поднимается над водой и волновое сопротивление исчезает полностью. Что позволяет не только развивать огромную скорость (50-60 узлов), но и выходить на сушу.
Наибольшее развитие корабли на воздушной подушке получили опять же в СССР (начиная с 1920-х годов). Запад начал развивать это направление лишь в конце 1950-х. Вскоре выяснилось, что для таких кораблей существует почти та же коренная проблема, что и для кораблей на подводных крыльях, - их полезная масса не может быть большой. Для поддержания на весу тяжёлого корабля нужно ставить очень мощные вентиляторы. А для движения корабля нужны огромные и мощные воздушные винты, занимающие очень много места и чрезвычайно уязвимые в бою.
В итоге область применения таких кораблей оказалась весьма ограниченной. В СССР построили довольно много десантных кораблей на воздушной подушке (ДКВП) различных типов. Очень уж привлекательной казалась возможность (благодаря способности таких судов выходить на берег) высаживать десант "не замочив ног". Правда, их десантовместимость была довольно ограниченной, а уязвимость от огня даже стрелкового оружия - чрезвычайно высокой (особенно уязвимыми были именно воздушные винты). Самыми крупными стали ДКВП пр. 12322 "Зубр" (водоизмещение более 500 т, длина 56 м, скорость до 60 узлов, способны брать на борт 3 танка или 140 морпехов). У России сейчас осталось всего 2 таких корабля, зато 3 мы продали в Грецию. Есть у нас сейчас около 10 старых ДКВП пр. 12321, 1206 и 1205 меньшего размера.
Кроме России, десантный катер на воздушной подушке LCAC (150 т, 50 узлов, несёт 1 танк) создали в США. Таких катеров построено около ста, они базируются на американских универсальных десантных кораблях и десантных кораблях-доках. Десантные катера пр. 724 в количестве примерно 30 штук строились в КНР. Это, наверное, самые маленькие корабли на воздушной подушке в мире: 6,5 т, длина 12 м, берут на борт 10 десантников.
Маленькие (от 15 до 100 т) сторожевые катера на воздушной подушке в 1970-е годы строили англичане, в том числе для продажи в Иран (ещё при шахе) и Саудовскую Аравию. Один иранский КВП британской постройки типа ВН.7 погиб во время войны с Ираком.
В конце концов как отечественные, так и зарубежные конструкторы пришли к мысли заменить резиновую "юбку", поддерживающую воздушную подушку, на жёсткие пластины, называемые скегами. Они значительно лучше "юбки" удерживают воздух внутри подушки, что позволяет увеличить массу корабля. Кроме того, поскольку скеги входят в воду, на них можно устанавливать гребные винты или водомёты, убрав с палубы корабля громоздкие и уязвимые воздушные винты. При этом сопротивление скегов, конечно, больше, чем у "юбки", но гораздо ниже, чем у подводных крыльев. Единственный их недостаток - корабль лишается возможности выйти на сушу. Поэтому скеговые КВП целесообразно строить в варианте ударных кораблей или тральщиков. В последнем случае выгода в том, что чем меньшая часть корабля находится в воде и чем выше его скорость, тем меньше шанс подорваться на мине.
Пока монополия на такие корабли у России и Норвегии. У нас на Черноморском флоте имеется 2 скеговых МРК пр. 1239 ("Бора" и "Самум"), крупнейшие корабли на воздушной подушке в мире (водоизмещение более 1 тыс. т). Они обладают огромной ударной мощью (8 сверхзвуковых ПКР "Москит") и скоростью 53 узла. Недостаток этих кораблей - слабая ПВО и, главное, крайняя сложность в эксплуатации.
В состав ВМС Норвегии входит по 6 скеговых ракетных катеров типа "Скъёльд" и тральщиков типа "Оксёй". Они значительно меньше наших МРК (250-400 т). При этом ракетные катера несут 8 сверхзвуковых ПКР NSM. Можно отметить, что (кроме России и Норвегии) сверхзвуковые ПКР есть ещё только у Китая.
Хотя корабли на воздушной подушке и перспективнее кораблей на подводных крыльях, но и они никоим образом проблему скорости не решают из-за множества описанных выше ограничений, а также дороговизны и сложности в эксплуатации.
Сперва - немного о физических основах, без всякой математики.
К сожалению, как и многие малоосведомленные в гидромеханике люди, автор рассматривает только абсолютные скорости кораблей и катеров. Конечно, в тактическом отношении, скажем, при боестолкновении корабля и катера, только абсолютные их скорости и имеют значение. Однако для сравнительного анализа и выявления тенденций развития этого совершенно недостаточно.
Дело в том, что удельное (скажем, на тонну водоизмещения) сопротивление воды, кроме вязкостного, зависит не от абсолютной, а от относительной скорости, так называемого "числа Фруда". В качестве такой характеристики применяется либо соотношение скорости и длины, "число Фруда по длине", либо соотношение скорости и кубического корня из водоизмещения (одного) корпуса, "число Фруда по водоизмещению". И рассмотрение всего мыслимого диапазона относительных скоростей движения по поверхности воды показывает, что существуют, как минимум, три скоростных режима, в частности, отличающихся ролью волнового сопротивления. При числах Фруда по водоизмещению примерно до 1, "режим плавания" или "водоизмещающий", волновое сопротивление играет существенную роль, особенно оно велико при числах Фруда по длине около 0.5, а также на локальных "горбах" сопротивления при меньших относительных скоростях; числа Фруда по водоизмещению от 1 до 3 соответствуют "переходному режиму", где доля волнового сопротивления снижается, постепенно развивается значительная вертикальная сила, и за счет этой силы корпус выходит из воды с ростом скорости. При еще больших относительных скоростях в "режиме глиссирования" вертикальная гидродинамическая сила становится сравнимой с весовым водоизмещением, т.е. "выталкивает" корпус из воды, при этом волновое сопротивление исчезающе мало.
Поэтому очевидно, что для достаточно большого корабля, обычно движущегося в режиме плавания или переходном, имеется проблема снижения волнового сопротивления, а для малотоннажного катера, при той же абсолютной скорости движущегося в режиме глиссирования, этой проблемы вообще нет.
Надо отметить, что методы прогнозирования и снижения волнового сопротивления - целая отрасль гидродинамики, популярное изложение которой может быть темой отдельной статьи. Кроме того, в ретроспективе автора совершенно отсутствуют глиссирующие катера, которые задолго до появления крыльев и воздушной подушки развивали скорости 50 узлов и более.
Правда, именно на примере глиссеров особенно очевидна другая сторона проблемы обеспечения высоких скоростей на море: морское волнение сильно уменьшает достижимые скорости. И чем больше скорость и меньше водоизмещение корабля или катера, тем сильнее его скорость ограничена воздействием волн. Причем снижение скорости определяется дополнительным сопротивлением от волн только на небольшом волнении, а при более интенсивном приходится намеренно снижать скорость, чтобы обеспечить заданные уровни мореходных качеств и прочности. Очевидно, что действительно быстроходным кораблем является не тот, который в самых благоприятных условиях развивает наибольшую скорость, а тот, который может поддерживать достаточно высокую скорость на волнении в заданной акватории. Потому проблема повышения скоростей на море неразрывно связана с обеспечением соответствующей мореходности.
Также нужно отметить, что представление автора о том, что стимулом для роста скоростей являются интересы ВМФ, значительно устарело. В поледние десятилетия в мире на коротких линиях интенсивно применяются скоростные пассажирские и автомобильно-пассажирские паромы. Здесь коммерческая конкуренция привела к появлению десятков, если не сотен судов со скоростями 40 узлов и более. Причем надо отметить, что, если для боевых кораблей и катеров режимы полного хода составляют не более 5% времени плавания, то для скоростных паромов полный ход - это постоянный и повседневный режим. Естественно, это подразумевает другой уровень требований и к совершенству обводов, и к главным двигателям и движителям, и к мореходности и умерению качки.
Очень долго бытовало представление, что "от ракеты не уйдешь, а потому высокая скорость кораблям и не нужна" - как выясняется теперь, неправильное. У любой ракеты есть определенный радиус действия, и высокая скорость помогает как нанесению поражающего удара, так и уходу из-под удара противника. Кроме того, оказалось, что при высокой скорости корабля многие неконтактные мины не успевают его поразить. Так что интерес к скоростным кораблям в ВМФ возрождается. И примечательно то, что первые скоростные корабли нового поколения в значительной мере являются реализацией научных, экспериментальных, и практических достижений коммерческого судостроения.
Также вне внимания автора в статье оказались такие сверхскоростные корабли, как экранопланы. Конечно, они не были приняты в состав флота, но их существование, достоинства и недостатки заслуживают упоминания и обсуждения при рассмотрении проблемы повышения скорости на воде.
Хочу особо отметить, что основные проблемы повышения скорости на море решаются применением многокорпусных судов, кораблей и катеров - при одновременном повышении безопасности и живучести. С кратким обзором этих возможностей можно ознакомиться на том же сайте, гда помещена статья автора.
УДК 656.6 Костенко Виктория Николаевна Одесская национальная морская академия, факультет судовождения на морских и внутренних водных путях 2 курс, группа 1221
Руководитель - доц. Сиряченко В.Ф., кафедра теории и устройства судна
ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ВОДОИЗМЕЩАЮЩЕГО СУДНА
Морские и океанские акватории, покрывающие 2/3 поверхности Земли, в течение многих веков являются естественными транспортными артериями между островными и прибрежными странами. Морской транспорт остается основным видом, способным обеспечить большие грузопотоки между континентами, а освоение минеральных и биологических ресурсов мирового океана еще более повышает роль морского флота. Однако скорость транспортных судов мало изменялась за прошедшие века, и уже не соответствует темпам развития современной экономики.
В поисках путей повышения скорости предпринимались попытки отделить суда от поверхности воды и таким образом избежать ограничений скорости. Однако водоизмещающие суда по-прежнему остаются наиболее практичными, экономичными и комфортабельными. Поэтому приходится, насколько это возможно, устранять присущие им недостатки или в крайнем случае мириться с ними.
Водоизмещающие суда испытывают значительное сопротивление воды и достигнув скорости порядка 40 узлов, уже не могут существенно прибавить в скорости (и в экономичности), даже если мощность энергетической установки будет существенно увеличена. Поэтому проблему увеличения скорости судна невозможно решать без рассмотрения каждого вида сопротивления, которое на него оказывается.
Корпус, движущийся в воде, испытывает сопротивление воды и воздуха, препятствующее его движению. Сопротивлением воздуха можно пренебречь. Сопротивление воды складывается из сопротивления трения, формы и волнового сопротивления.
Известна старая идея Ньютона, описывающая давление, оказываемое ударным слоем на корпус судна. Используя ее содержание для определения силы сопротивления, расчётная формула принята в следующем виде:
Исследования показали, что зависимость полного сопротивления судна от скорости не является квадратичной, и при разных числах Фруда коэффициент k 1 меняется в пределах 2 < k 1 <3 в зависимости от угла входа действующей ватерлинии.
Значительная часть мощности двигателя затрачивается на преодоление важной части сопротивления - трения воды о корпус судна.
В настоящее время существует множество методов, идей и проектов, направленных на управление пограничным слоем с целью снижения турбулентности, от традиционных до экзотических.
Главный традиционный метод - докование судна с обязательной очисткой подводной части корпуса и покрытием его противообрастающими красками.
Экзотических разработок методов уменьшения сопротивления трения в настоящее время довольно много.
Например, добавка химикатов. Известны результаты испытания, проведенного в 1968 г. на английском минном тральщике «Хайбэтон», когда из носовой части судна во время хода постоянно выпускали очень слабый раствор полиоксиэтилена. Сопротивление трения катера благодаря этому уменьшалось в зависимости от скорости и волнения на 22-36%, экономия мощности двигателя составила 12-20%. Однако экономия топлива не покрыла расходов по использованию полимера.
Любопытным, однако, в некотором роде непрактичным, может показаться система воздушной смазки, принцип работы которой основан на сокращении сопротивления между корпусом судна за счет использования воздушных пузырьков, создаваемых под корпусом. В ходе испытаний, проведенных в 2010 на грузовом судне Yamatai, выяснилось, что пузырьковая система позволяет экономить 10% топлива с учетом расхода электроэнергии на работу воздушных компрессоров.
Также учеными из США было создано покрытие, основанное на принципе кожи дельфина. Чтобы запустить механизм очистки, нужно приложить к данному материалу электроимпульс или же повысить оказываемое на него давление. Тогда он сморщивается, при этом закрепившиеся на его поверхности биоплёнки, и в итоге сами отваливаются.
Интересным направлением является конструктирование судов с выемками (лунками на обтекаемой поверхности), используя явление движения мяча для гольфа. Известно, что оставляемый мячом с лунками вакуумный след меньше, чем обычным мячем, а торможение его – слабее. Поэтому, можно предположить, что конструирование судов с выемками на корпусе может помочь сделать само судно более эффективным, значительно уменьшив его сопротивление трения.
Еще одно экзотическое направление – создание супергидрофобной поверхности судна на основании природной модели водяного папоротника salvinia molesta.
Исследователи полагают, что, воспроизведя механизм, с помощью которого salvinia molesta
выходит сухой из воды, можно будет экономить до 10% горючего при эксплуатации судов.
Вторая составляющая полного сопротивления - это сопротивление формы, у некоторых типов судов (особенно у барж) оно может составлять до 50 % полного сопротивления. Поэтому на сегодняшний день важной задачей является проектирование оптимальной формы корпуса судна. При нахождении оптимальной длины корпуса судна, например, необходимо помнить, что тихоходные суда, сопротивление которых состоит преимущественно из трения, выгодно строить относительно короткими, а быстроходные – удлиненными.
Однако главным препятствием на пути повышения скорости водоизмещающих судов является волновое сопротивление, так как по мере увеличения скорости оно возрастает примерно пропорционально четвертой степени.
Поиски способов уменьшения волнового сопротивления велись в различных направлениях и породили многочисленные предположения, многие из которых оказались фантастическими и непрактичными, а некоторые – весьма важными и перспективными.
Идея носового расположения движителя возникла у австрийского инженера Виктора Шаубергера. Носовой и кормовой винты предлагалось вращать в разные стороны. Циркулирующая при помощи винтов вода имеет при этом форму вытянутого тора, а движение судна должно было происходить за счет трения этого тора с окружающей водой. Но, к сожалению, эта идея не нашла своего практического применения в судостроении ввиду того, что «активный носовой бульб» неудобен в эксплуатации - он затрудняет маневрирование, а также затрудняют отдачу якорей.
В основе плавникового движителя лежит «коньковый ход», используемый большинством рыб и китообразных. Поступательное движение рыбы обеспечивается своеобразным эффектом, возникающим при колебаниях хвостового плавника, который как бы соскальзывает со “щеки” водяного клина. В случае достаточно быстрого (импульсного) приложения силы со стороны плавника водяной клин приобретает свойства твердого тела, т.е. играет роль именно клина-ускорителя, с которого соскальзывает упругий гибкий плавник. Данная гипотеза проверялась в практическом использовании Г. Боуласом и Г. Семеновым на моделях катамаранов с плавниковыми движителями, а также исследователями Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.
Однако, в наше время наиболее практичным и общеприменимым способом уменьшения волнового сопротивления является использование интерферирующих устройств, к которым относятся бортовые були, носовые бульбы и подводные крылья.
Расчеты показывают, что для увеличения скорости хода судна при той же мощности его энергетической установки достаточно увеличить площадь носовых обводов, что можно осуществить с помощью использования носового бульба.
При его отсутствии недалеко от носа судна происходит отрыв потока, а с установкой бульба средняя скорость потока, обтекающего подводную часть корпуса, понижается в такой степени, что происходит уменьшение вязкостного сопротивления.
Также перспективным может оказаться использование двойного бульба на комбинированных судах.
Как показали испытания больших судов, уменьшение полного сопротивления благодаря использованию таких форм носовой оконечности составило 15%. Следует заметить, что сопротивление значительно уменьшается не только при движении судна в полном грузу, но и в балластных пробегах при малых осадках. Это означает, что эффективность бульба сохраняется и при его приближении к поверхности воды.
В заключение следует отметить, что путем выбора оптимальной формы носовой оконечности корпуса судна можно существенно уменьшить затраты мощности на преодоление волнового сопротивления. Однако и в настоящее время волнообразование по-прежнему остается сложным и неблагоприятным природным явлением, которое проектант не может не учитывать.
Список использованных материалов:
1. Шапиро Л.С. Самые быстрые корабли. – 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Судостроение, 1989. – С. 28-39.
2. Гилмер Т.С. Проектирование современного корабля/ Е.А. Будяковский, А.О. Виглина, Е.А. Широкова. – 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1984. – С. 142-159.
3. Короткин А.И. Мифы и реальность гидробионики. – СПб.: МорВест, 2012. 88 с.
4. Басин А.М. Ходкость и управляемость судов. – М.: Транспорт, 1977. – С. 71-74.
5. Donnelly K.J. Reduction of Ship Resistance through Induced Turbulent Layers. – F.: Master of Science in Ocean Engineering, 2010. – 65 p.
6. Семенов Г. Катамаран с плавниковым движителем//Катера и яхты. – Вып. 169. – М.: Царь, 1999. – С.54-55.
7. Чижиумов С.Д., Беляев В.А., Кузнецов Д.С. Проекты плавниковых движителей. – Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет,2012 – С. 57-63
/пиратами , торговцам , чтобы успевать воремя сбыть товар и удирать от пиратов , пиратам, чтобы догонять торговцев , наемникам, чтобы успевать в срок выполнять правительственные задания , ну и, конечно же рейнджерам , чтобы успешно выполнять все и сразу.
Скорость является одной из самых комплексных характеристик и зависит от целого ряда параметров, главным из которых, конечно же, является номинальная скорость двигателя , на которую и накладываются различные эффекты ускорения и замедления.
Большая масса корабля, оборудования и груза, который он везет в трюме может привести к снижению скорости. При этом коэффициент замедления колеблется от 1 до 0,333 и вычисляется по формуле:
Коэффициент замедления = 122,333 - 0,045 * Масса корабляТаким образом при массе корабля 2000 коэф. примет свое минимальное значение и при дальнейшем росте массы снижаться не будет.
Некоторые образцы акринового оборудования или корпусов , могут давать бонусы (или штрафы) к скорости в виде целого числа, а не коэффициента.
Стимулятор , заставляющий мозг работать в несколько тысяч раз быстрее и помимо бонусов к навыкам на треть увеличивает скорость корабля, добавляя тем самым в формулу скорости коэффициент 1,3 .
| Игровой процесс |
|---|
Использование: изобретение относится к судостроению и может быть использовано для увеличения скорости движения морских и речных судов без увеличения их мощности или же для снижения мощности энергетических установок строящихся судов при расчетной скорости движения. Сущность изобретения: для уменьшения сопротивления движению корпуса судна изменяют режим движения огибающего потока воды путем создания в нем отрицательного градиента динамического давления, воздействуя на поток с помощью жесткого обтекателя, соединенного с корпусом судна упругой связью в виде пружины и совершающего относительно корпуса колебательное движение с помощью источника колебаний. 2 ил.
Изобретение относится к судостроению и может быть использовано для увеличения скорости движения морских и ручных судов без увеличения их мощности или же для снижения мощности энергетических установок строящихся судов при расчетной скорости движения. Известен способ увеличения скорости движения судна в водной среде, заключающийся в создании колебаний рабочего органа носовой части корпуса поступательно движущегося в водной среде судна путем передачи их этому рабочему органу через упругую связь от источника колебаний. Недостатком такого способа является сложность его реализации. Целью описываемого изобретения является упрощение реализации способа увеличения скорости движения судна в водной среде. Поставленная цель достигается тем, что в качестве носового рабочего органа используют жесткий обтекатель, а в качестве упругой связи - подпружиненный толкатель. На фиг. 1 схематически показано устройство для реализации описываемого способа; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1. К жесткому обтекателю 1 из листового металла присоединен подпружиненный толкатель 2, который проходит через отверстие 3 в корпусе 4 судна и выступами 5 опирается на пружину 6, которая насажена на направляющую полую штангу 7, пропускающую через себя толкатель 2 и закрепленную на корпусе 4. Для предупреждения попадания воды между корпусом и обтекателем щель между краем обтекателя и корпусом по всей длине перекрыта полосой эластичного материала 8, обеспечивая свободное перемещение обтекателя 2 при его колебании относительно корпуса 4. Другой конец толкателя соединен с источником 9 колебаний. От вдавливания эластичного материала 8 давлением воды в щель последняя перекрыта по всей длине полосой армированного эластичного материала 10, одним краем закрепленной на обтекателе 2, а вторым краем свободно опирающейся на корпус (фиг. 2). Обтекатель 2, воспринимая силу гидростатического давления, приближается к корпусу при сжатии упругой связи в виде пружины 6. Предлагаемый способ реализуется следующим образом. В состоянии равновесия обтекатель 1 удерживается на некотором расстоянии от корпуса 4 пружиной 6, когда сила гидростатического давления равна силе упругого сжатия пружины 6. Если обтекатель 1 выводится из равновесия внешней силой от источника 9 колебаний и приближается к корпусу 4 на некоторое расстояние, а, то в этом положении на обтекатель 1 со стороны пружины 6 действует сила, под действием которой он начинает удаляться от корпуса 4, отталкивая некоторый объем воды, прилегающий к его поверхности. Под действием упругой силы обтекатель 1 движется со скоростью, возрастающей от нуля до максимального значения положения равновесия. В момент пересечения положения равновесия объем воды, прилегающий к поверхности обтекателя 1, имеет скорость движения, равную скорости обтекателя. Пересекая положение равновесия, обтекатель 1, обладая массой, движется по инерции, удаляясь от положения равновесия на такое же расстояние, на которое он приближается к корпусу, при этом скорость его движения уменьшается от максимальной до нуля. Сила, замедляющая движение обтекателя 1, пропорциональна жесткости пружины 6. Объем воды, прилегающий к обтекателю, после пересечения положения равновесия обтекателем 2 также движется по инерции, но эффективность действия силы, тормозящей движение его частиц, со стороны окружающей жидкости значительно меньше, чем эффективность силы, замедляющей движение обтекателя 1. Поэтому, имея равную скорость в момент пересечения положения равновесия, обтекатель и прилегающий к нему объем воды удаляются от положения равновесия с разными скоростями, когда скорость обтекателя меньше скорости воды, прилегающей к его поверхности. Лишь в начале движения обтекателя 1 между ним и водой действует давление положительной величины, так как прилегающий объем воды разгоняется им из состояния покоя. Далее, практически во время операции колебания между обтекателем и водой действует отрицательное давление, так как скорость движения отбрасываемой воды больше скорости обтекателя 1. Если приложить к судну с колеблющимся обтекателем 1 усилие от движителя, то при движении оно будет испытывать не силу лобового сопротивления воды, а наоборот, силу влечения попутным течением, так как скорость убегания воды от поверхности обтекателя больше, чем скорость движения обтекателя. Отрицательное динамическое давление, развиваемое вдоль поверхности обтекателя, препятствует развитию в потоке процессов, сопровождающихся возникновением в нем поперечного движения частиц жидкости, являющегося согласно последним исследованиям причиной гидравлического сопротивления при турбулентном режиме движения потока. Возвращаясь к идее "бегущей волны", можно объяснить ее возникновение вдоль тела дельфина. Если исходить из допущения, что при движении дельфина его голова совершает возвратно-поступательное колебание, то естественно, что оно передается упругому кожному покрову дельфина, вдоль которого бежит поперечная волна возмущения от головы к хвосту. Бегущая волна является лишь следствием действий дельфина, направленных на создание отрицательного градиента давления, но не служит причиной ламинаризации потока. Предлагаемым изобретением решается проблема воздействия на огибающий поток воды с целью его ламинаризации для уменьшения гидравлического сопротивления. Снижение расхода топлива при транспортировке грузов по водным путям с помощью значительного увеличения скорости движения судов указывает на экономическую эффективность заявляемого способа. Заявляемый способ предполагается применять для увеличения скорости движения строящихся судов, для реконструкции эксплуатируемых, а также при проектировании других тел, движущихся в водной среде. (56) Авторское свидетельство СССР N 1403520, кл. B 63 B 1/36, 1985.
Формула изобретения
СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ СУДНА В ВОДНОЙ СРЕДЕ, заключающийся в создании колебаний рабочего органа носовой части корпуса поступательно движущегося в водной среде судна путем передачи их этому рабочему органу через упругую связь от источника колебаний, отличающийся тем, что в качестве носового рабочего органа используют жесткий обтекатель, а в качестве упругой связи - подпружиненный толкатель.
Погоня за рекордами не чужда и морским путям. Рейс из Европы в Северную Америку на самолете занимает всего несколько часов, в то время как самому быстроходному судну, чтобы пересечь океан, требуется затратить три с половиной дня. Если говорить о транспортных судах сегодняшнего дня и ближайшего будущего, то они все еще двигаются намного медленнее, чем наиболее быстроходное пассажирское судно 25 лет назад. Лишь в 1973 г. торговое судно достигло рекордной скорости в 33 уз. Однако эта цифра и сегодня столь же мало характерна для среднего уровня достигнутых в морском торговом флоте скоростей, как и в предыдущие годы. Средние скорости судов намного ниже этого достигнутого единичными судами максимума, и для этого имеются основания. Повышение скорости, хотя и приводит к сокращению времени перевозки груза, материально обходится очень дорого. Корабли ВФМ развивают скорости не более 60 км/ч. С увеличением скорости сильно возрастают расходы на постройку судна и его эксплуатацию. Целесообразность повышения скорости определяется и продолжительностью стоянок судов в портах. С точки зрения экономической эффективности повышение скорости будет оправдано только в случае, если одновременно будут проведены обеспечивающие сокращение стояночного времени усовершенствования технологии обработки судов в портах. Так же корабли ВМФ сохраняют данную тенденцию, и их скорости колеблются от 50 до 60 км/ч. И этих скоростей достаточно для эффективного выполнения боевых задач.
«Петр Великий» развивает скорость 57 км/ч.
«Москва» максимальная скорость крейсера -- 60 кмч.
«Варяг» развивает скорость 60 км/ч.
«Настойчивый» скорость эсминца - 62 км/ч.
«Адмирал Флота Советского Союза Кузнецов» скорость - 53 км/ч.
Подводная лодка «Юрий Долгорукий» скорость надводная составляет 28 км/ч, скорость подводная - 53 км/ч.
Многоцелевая атомная подводная лодка 4-го поколения «Северодвинск», надводная скорость подлодки - 30 км/ч, подводная - 57 км/ч.
Сторожевой корабль «Татарстан» проекта 11661 («Гепард») является флагманом каспийской флотилии.Скорость - 52 км/ч.
Корвет «Сообразительный». Скорость корвета достигает 50 км/ч.
Так, начавшееся в 60-х годах стремление повысить эффективность сухогрузных судов за счет повышения их скорости не имело успеха. Качественно новые условия возникли лишь после внедрения контейнеров для перевозок генеральных грузов. В сочетании с созданием специальных комплектов для перегрузки контейнеров это привело к резкому сокращению простоев судов-контейнеровозов под грузовыми операциями и обеспечило необходимые предпосылки для повышения скорости транспортных судов. Быстроходные суда в любом случае очень дороги. Невзирая на это, скорость судов приобрела большое значение в конкурентной борьбе на мировом фрахтовом рынке, особенно для судов линейного плавания. Большая скорость считается признаком высокой конкурентной способности и служит соответствующей судоходной компании для завоевания или поддержания престижа; это присущее капиталистическим производственным отношениям явление способствует расточительству общественного труда. Сильно возрастающие с увеличением скорости эксплуатационные расходы накладываются на стоимость перевозимых грузов. Это оправдано только при перевозке ценных генеральных грузов, где высокие фрахтовые ставки могут окупиться за счет более быстрой доставки. Что же касается сухих и жидких массовых грузов, то они ввиду их меньшей стоимости не могут выдержать больших наценок на транспорт, иначе их дальнейшая переработка окажется экономически невыгодной. Поэтому среди быстроходных судов можно встретить только контейнеровозы, суда с горизонтальной погрузкой, рефрижераторные суда и лихтеровозы, т. е. главным образом суда, предназначенные для перевозки ценных штучных грузов, но отнюдь не танкеры и не суда для перевозки навалочных грузов. Отметим, что в последнее время в число быстроходных судов вошли также танкеры для перевозки сжиженных газов. Этот вид перевозок представляет собой особую проблему, которая будет рассмотрена позднее. Повышение скорости судов, однако, не является чисто экономической проблемой. Чем быстроходнее судно, тем более острые обводы оно должно иметь. Большие заострения корпуса, которые простираются от оконечностей судна почти к самому мидель-шпангоуту, приводят к очень неудобной форме судовых трюмов с точки зрения укладки грузов при погрузке либо к большим потерям кубатуры по сравнению с более тихоходными судами аналогичных размеров. В то же время именно контейнеры предъявляют очень высокие требования к кубатуре судовых трюмов.
Необходимая для движения судна мощность энергетической установки растет примерно пропорционально третьей степени скорости судна. Современное 14000-тонное сухогрузное судно для достижения скорости 18 уз обходится установкой мощностью примерно 8100 кВт, а всего в три раза больший по грузоподъемности контейнеровоз для достижения скорости 30 уз требует уже 85 тыс. кВт. Наряду с необходимостью установки таких мощных двигателей на борту судна требуется предусмотреть также возможность размещения запасов топлива для них. Если остановиться на этом примере, то выяснится, что сухогрузному судну для одного рейса в Восточную Азию потребуется «только» 1300 т топлива, в то время как упомянутый контейнеровоз вынужден будет везти с собой почти 11 тыс. т топлива, если не будет пополнять его запасы в пути, а заходы в промежуточные порты связаны с неизбежными потерями времени. В связи с дальнейшим ростом требований к скорости транспортных судов можно полагать, что повышение скоростей будет сдерживаться не только ростом расходов на постройку и эксплуатацию судов, но и определенными техническими и физическими аспектами этой проблемы. Верхний теоретический предел скорости любого судна, очевидно, будет достигнут тогда, когда вся его полезная грузоподъемность будет израсходована на массу двигателей и запасов топлива. Но для торговых судов такой вариант неприемлем. В самом деле, зачем должно идти в рейс судно, если оно не будет нести никакой полезной нагрузки? Однако ничего другого не получится, если, например, поставить задачу спроектировать судно с полной грузоподъемностью 10 тыс. т для плавания на линии протяженностью 10 тыс. миль со скоростью 40 уз. Грузоподъемности такого судна хватит только на то, чтобы принять запасы топлива, необходимые для работы энергетической установки мощностью более 75 тыс. кВт. С пустыми трюмами и с 10 тыс. т топлива в двойном дне и других отсеках это судно начнет рейс как танкер, а придет к месту назначения с пустыми топливными цистернами. Практически, однако, до этого дело не дойдет уже хотя бы потому, что одновременно со скоростью растут размеры судов. Это благоприятно сказывается на верхнем пределе мощности энергетической установки, которую можно поставить на судне, но, с другой стороны, требует обеспечить постоянную подачу груза в количествах, достаточных для загрузки таких больших судов.
Помимо приведенных выше соображений массогабаритного характера имеется и другой, гидродинамический предел скорости транспортных судов, связанный с резким повышением волнового сопротивления. Это вытекает из того обстоятельства, что начиная с определенного значения скорости сопротивление воды движению судна растет так сильно, что любое дальнейшее повышение скорости связано с чрезмерным ростом сопротивления. Так например, при дальнейшем повышении скорости большого 40-узлового сухогрузного судна всего на 1 уз требуется значительное увеличение мощности энергетической установки -- до 40%. Но такое повышение скорости обошлось бы слишком дорого. Отсюда появляется ограничение скорости для всех судов, плавающих на поверхности воды. Предельная скорость в соответствии с физическими закономерностями зависит от длины судна и имеет различное значение для судов с полными образованиями и с острыми обводами. Прогнозы наибольшей достижимой скорости сделаны, разумеется, только для водоизмещающих судов, которые в соответствии с законом Архимеда вытесняют столько воды, сколько весят они сами. К судам на подводных крыльях и на воздушной подушке, к глиссерам, а также к подводным судам эти прогнозы не относятся. Хотя скорости, закладываемые ныне в проекты быстроходных судов с острыми обводами, всегда оказываются ниже экстремальных значений, тем не менее вполне отчетливо прослеживается тенденция: быстроходные водоизмещающие суда одновременно должны быть большими по величине. Таким образом, прогнозы роста скорости должны учитывать также размеры судов. Удлинение судна с 300 до 400 м, например, хотя и повышает предельную скорость на 6 уз, но одновременно увеличивает грузоподъемность судна примерно с 40 тыс. т до 70 тыс. т. Такой контейнеровоз рассчитан на перевозку около 3000 20-футовых контейнеров. Все эти контейнеры должны быть в кратчайшие сроки поданы в порт для погрузки на судно и так же быстро вывезены из порта после разгрузки. Нельзя не отметить и трудности складирования такого большого количества ценных грузов.
В 1973 г. вступили в строй первые транспортные суда со скоростью 33 уз. В Японии проводятся исследования, связанные с постройкой 35-узлового контейнеровоза. Вполне возможно, что к концу столетия скорость контейнеровозов в отдельных случаях достигнет 40 уз. Однако, чтобы прийти к таким скоростям, нужны еще большие научно-технические достижения. Существенное противодействие росту скоростей судов оказывают резкие повышения цен на нефть и, как следствие, на топливо. С 1973 г. цены на топливо в международном судоходстве выросли в несколько раз. Поэтому теперь (да и в будущем) при выборе судов цены на топливо могут служить лишь для сугубо ориентировочных экономических оценок. В этой связи следует указать, что более быстроходные суда, как правило, не являются самыми экономичными. Примечательно, что самые быстроходные суда принадлежат судоходным компаниям, субсидируемым государством. Решающими при этом являются военные соображения, так как в рамках глобальной стратегии США быстроходным транспортным судам поручаются важные военные функции. Влияние этих обстоятельств на международное судоходства при проектировании контейнеровозов и судов с горизонтальной погрузкой исключает возможность выбора оптимальной с экономической точки зрения скорости. Конкуренция капиталистических судоходных компаний приводит к завышению скорости таких судов. В противовес этому отвечают научно-исследовательские работы, ведущие к достижению более высоких скоростей за счет снижения сопротивления воды и повышения коэффициента полезного действия судовых энергетических установок. Наиболее часто применяемым средством для снижения сопротивления воды является носовой бульб, который дает максимальный эффект при умеренно острых обводах: при очень острых обводах носовой бульб дает около 5% экономии мощности, при более полных до 10--15%.
Все более широкий ассортимент покрытий судового корпуса, предлагаемый лакокрасочной промышленностью, позволяет уменьшить коррозию и обрастание корпуса, что также ведет к некоторому, хотя и небольшому, уменьшению сопротивления трения. Значительно большего эффекта можно ожидать в будущем от вдувания воздуха и впрыска высокополимерных растворов (насколько это позволяют соображения охраны окружающей среды) в пограничный слой между корпусом и водой. Эффект наступит тогда, когда расходы на эти мероприятия будут окупаться пользой от них в виде экономии мощности и топлива. В настоящее время еще трудно сказать, когда это произойдет. Для уменьшения сопротивления большое значение имеет правильный выбор соотношения между длиной и шириной судна, особенно сейчас, когда наблюдается дальнейший рост скоростей и размеров судов. Все это служит одной цели -- максимально возможному уменьшению мощности судовых энергетических установок. Для водоизмещающего судна обычного типа, передвигающегося на границе раздела двух сред -- воды и воздуха, едва ли достижима скорость более 40--45 уз. Если же требуется большая скорость, необходимо использовать новые способы движения судов. Это не означает, однако, простого отхода от принятой ныне формы корпуса. Корпус судна должен покинуть границу раздела и двигаться только в одной среде. Для этого имеются два пути: вниз, под поверхность воды, или вверх, над нею. В обоих случаях волновое сопротивление должно исчезнуть. И действительно, над поверхностью воды или под нею судно может двигаться быстрее, ограничения скорости теряют силу. волновой корабль гидродинамический
Ожидается, что переход от однокорпусных к многокорпусным судам также приведет к росту скоростей. В принципе, однако, любое повышение скорости судна сопряжено со значительным увеличением мощности. Интересно, что характер повышения мощности с ростом скорости весьма различен для судов разного типа. Превосходство одного типа корпуса над другим всегда связано с каким-то определенным диапазоном скоростей. Если вначале отвлечься от проблем, связанных с выбором главных двигателей, то на перспективу с точки зрения достижимых скоростей можно предложить следующую новую классификацию судов:
У всех судов необычного типа, корпус которых либо вынесен над поверхностью воды либо опущен под воду, исчезает волновое сопротивление, которое является доминирующей частью полного сопротивления воды для обычных водоизмещающих судов. В действительности достигнуты (или предусмотрены в проектах) такие максимальные скорости. Подводные транспортные 50--60 уз. Полупогруженные многокорпусные 50--80 уз. На подводных крыльях 60--100 уз. На воздушной подушке 80--200 уз.
Эти скорости существенно выше, чем у обычных торговых судов. Диапазон скоростей движения между транспортной авиацией и морским торговым флотом будет заполнен, по крайней мере частично, судами на подводных крыльях и на воздушной подушке. Во всяком случае, представления о перспективах развития судов этих двух типов заходят весьма далеко. Хотя проекты тяжелых, массой во многие тысячи тонн, судов на подводных крыльях и на воздушной подушке скоростями порядка 150 уз и даже более 200 уз признаются технически осуществимыми, однако постройка их остается нереализованной, поскольку пока отсутствует общественно обусловленная необходимость этого. Можно предполагать, что для осуществления подобных проектов потребуются десятилетия, в течение которых неизбежны большие достижения и в других областях транспорта. В будущем к эффективности морского транспорта будут предъявлены высокие требования. Удастся ли, однако, с помощью известных доселе технических средств создать суда, которые смогут удовлетворить пожелания клиентуры морского транспорта? Возрастающий уровень специализации судов и увеличение их размеров создают предпосылки для морских перевозок грузов с минимальной затратой средств. Автоматизация судовых производственных процессов в сочетании с их высокой надежностью также будет способствовать повышению экономичности судов. Однако достаточно ли этого? Не возникнет ли перед морским флотом будущего проблема удовлетворения новых, сегодня еще не известных потребностей общества? По-видимому, так оно и будет. Нерешенным остается также вопрос о том, сможет ли морской флот в будущем удовлетворять требования высоких скоростей перевозок ценных грузов. Уже сейчас авиация представляет собой альтернативу трансокеанским перевозкам на судах. Достижение высоких скоростей является важнейшей перспективной задачей для всего международного судоходства. При этом имеются в виду не только перевозки ценных грузов, но и расширяющиеся паромные сообщения и туризм.
Но как может быть сокращено ходовое время, если возможности для повышения скорости паромов обычного типа уже практически исчерпаны? Будут ли эти транспортные задачи в дальнейшем возложены на вертолеты либо, скажем, на дирижабли, или эксплуатация быстроходных судов на подводных крыльях и на воздушной подушке окажется более экономичной? Совершенно новые, необычные задачи встают перед морским судоходством в связи с более интенсивным использованием северных морских путей. Суда, прокладывающие свой путь через арктические льды с целью вовлечения и этой части Земли в сферу хозяйственной деятельности, являются предтечами судов будущего. Сегодня еще почти невозможно предвидеть, какие требования предъявит к судостроению и судоходству добыча морского сырья, значение которой будет все больше возрастать. С нашей сегодняшней точки зрения будущие инженерные сооружения, предназначенные для добычи морского сырья на поверхности моря, под его поверхностью или на морском дне, а также плавучие обогатительные фабрики, плавучие станции для сжижения природного газа и другие плавучие предприятия должны выглядеть в высшей степени необычно. Естественно, что в этом перспективном производственном процессе на море трудно будет провести четкую грань между судами и другими промышленными сооружениями. Однако этими и другими вопросами неизбежно придется заниматься, поскольку речь идет о судах завтрашнего дня. Новые задачи ведут к новым техническим и технологическим решениям. Наряду со все совершенствующимися судами обычного типа свой вклад в решение будущих транспортных проблем на море внесут и транспортные средства нового, нетрадиционного типа.
