Главная ВЫСОКАЯ СКОРОСТЬ БЕСПОЛЕЗНА БЕЗ ВЫСОКОЙ МОРЕХОДНОСТИ.
 

Авторизация



ВЫСОКАЯ СКОРОСТЬ БЕСПОЛЕЗНА БЕЗ ВЫСОКОЙ МОРЕХОДНОСТИ. Печать

Виктор Дубровский

1. Водоизмещающие корабли.

Вынесенный в заголовок тезис нуждается в пояснении как в связи с ростом скоростей полного хода водоизмещающих кораблей за рубежом, так и в связи с неизбывной тенденцией чиновников разных уровней сравнивать корабли по декларируемой скорости, которая обычно определяется по результатам испытаний на тихой воде.

Если начать именно с водоизмещающих кораблей, то для них наиболее наглядно разделение причин потерь скорости на волнении на две группы.

В первую входят причины гидро- и аэродинамические: вызванное волнами дополнительное буксировочное сопротивление, вызванное ветром дополнительное аэродинамическое сопротивление, а также снижение пропульсивного коэффициента из-за вызванного этим увеличением сопротивления повышения удельной нагрузки на движители.   Для компенсации этой части потерь скорости обычно в проекте предполагается некоторый запас мощности.

Однако  курсовой угол по отношению к волнам и выбираемая судоводителем – намеренно снижаемая - скорость определяют среднюю достижимую эксплуатационную скорость в значительно большей степени. Первой с ростом интенсивности волнения  начинается бортовая качка. Обычно она заставляет менять курс по отношению к волнению, избегая положения «лагом к волне».

Но любое вынужденное изменение курса равносильно снижению средней достижимой скорости – просто за счёт удлинения траектории корабля при движении «галсами». Успокоители бортовой качки эффективны только до определённой интенсивности волнения, да и пользуются ими не всегда – вероятно, опасаясь исчерпания ресурса приводов. Так что обычно на более или менее интенсивном волнении корабли двигаются на встречном или, реже, на попутном волнении. Сравнения скорости на волнении обычно также производятся для случая встречного волнения.

В числе причин, ограничивающих скорость на волнении, амплитуды и-или ускорения качки, днищевой и-или скуловой слеминг, заливаемость палубы, превышение сверх допустимых пределов продольного изгибающего момента.

Допустимая по различным ограничениям мореходности скорость определяется как мореходными качествами конкретного корабля, так и уровнями допустимых характеристик мореходности, перечисленных выше.

Эти уровни, фактически – нормы мореходности, могут быть приняты по различным соображениям, которые будут рассмотрены ниже.

На рис. 1 показаны результаты анализа мореходности на встречном волнении, включая отдельные ограничения по качке, слемингу, заливаемости – при некоторых практически применяемых нормах этих характеристик.

Очевидно, что реальная достижимая скорость представляет собой огибающую показанные линии снизу кривую.

Эти и аналогичные расчёты показывают, что гидро- и аэродинамические причины определяют скорость на встречном волнении рассмотренного корабля – водоизмещением около 3 тысяч тонн – только до высоты волны 3 % - ной обеспеченности около 2.5 м, т.е. чуть более 4 баллов по шкале Бофорта. Это соответствует высоте волны, отнесённой к кубическому корню из водоизмещения около 0.15 – 0.17. Так что скорость корабля большего водоизмещения будет соответственно больше, но кубическая зависимость от водоизмещения не позволяет рассчитывать на существенное повышение этого предела скорости за счёт роста размеров корабля: это слишком затратный путь.

Вид показанных зависимостей позволяет предположить, что каждый из этих процессов имеет некоторый район максимума – когда интенсивность процесса растёт наиболее интенсивно – и зарезонансный район, где скорость нарастания характеристик при росте интенсивности волнения существенно падает.

 

029db001Рис. 1. Ограничения скорости фрегата на встречном волнении по причине:

1 – дополнительное сопротивление и падение пропульсивного коэффициента,

2 – продольная качка, амплитуды и-или ускорения, 3 - слеминг  днища, 4 – заливаемость ВП.

 

Очевидно, что скорость хода при достаточно интенсивном волнении не может быть достигнута никаким повышением используемой мощности, но только – повышением мореходности. И если учесть повторяемость волнения в различных районах Мирового Океана, а также более существенную потерю скорости кораблями меньшего водоизмещения, крайняя желательность повышения мореходности водоизмещающих боевых кораблей представляется бесспорной.

Но наибольшие преимущества по всем показателям мореходности обеспечивают корабли и суда с малой площадью ватерлинии. Преимущество это приблизительно пропорционально относительной площади ватерлинии. Судя по результатам испытаний многочисленных моделей и натурным данным о примерно 70 построенных судах с такими обводами, СМПВ имеет такую же мореходность, как однокорпусное судно в 5 – 15 раз большего водоизмещения – в зависимости от достигнутого снижения удельной площади ватерлинии. Дополнительным преимуществом является то, что  сниженные – из-за снижения площади ватерлинии – возмущающие силы и моменты таких кораблей и судов оказываются сравнимыми со стабилизирующими силами и моментами, генерируемыми разными успокоителями качки. Ниже будет показана некоторая обобщающая характеристика КМПВ, определённая по комплексной методике  сравнения мореходных качеств.

 

2. Скоростные катера.

 

Для катеров – при их небольшом водоизмещении – влияние мореходности на достижимые скорости на волнении ещё выше, чем для достаточно крупных водоизмещающих кораблей. Быстроходные и, тем более, скоростные катера начинают менять курс или намеренно снижать скорость уже на волнении 1 – 2 – 3 балла – в зависимости от водоизмещения.

Рассмотрим сперва относительные показатели необходимой энерговооружённости катеров, рис. 2, где аргументом является число Фруда по водоизмещению.

 

 

029db002Рис. 2. Удельная мощность быстроходных и скоростных катеров различных типов:

1 – однокорпусные катера a – худшие, b – лучшие; 2 – катера на крыльях; 3 – катамараны;

4 – СМПВ; 5 – катера на воздушной подушке, c – худшие, d – лучшие.

Понятно, что, по существующему определению, однокорпусные катера и катамараны, число Фруда  которых равно и превосходит 3.0, являются глиссирующими.

Очевидно, что с точки зрения необходимой энерговооружённости лучшими являются катера на воздушной подушке.

Совершенно иначе обстоит дело с точки зрения мореходности. На рис. 3 сопоставлены относительные вертикальные ускорения на встречном волнении катеров различных типов в зависимости от относительной высоты волн.Рис. 3. Приблизительное сравнение относительных вертикальных ускорений катеров различных типов на встречном волнении:

029db0031 – глиссеры; 2 – катера на малопогруженных крыльях; 3 – катера на воздушной подушке;

4 – «рассекающие волны» катамараны; 5 – СМПВ; 6 – катера на глубокопогруженных крыльях.

 

Очевидна основная причина постоянных поисков путей замены глиссеров в качестве скоростных катеров: из сравнимых типов катеров глиссеры наименее мореходны.

Катера на подушке занимают некоторое промежуточное положение между крылатыми с глубокопогруженными крыльями и глиссерами. Надо отметить, что имеется принципиальная возможность умерения качки КВП путём динамического управления подачей воздуха в различные точки подушки, но осуществление этого принципа представляется очень сложным и пока нигде не реализовано.

А вот другой органический недостаток КВП, большое дополнительное сопротивление на волнении, очень трудно, если не невозможно, хотя бы снизить. Дело в том, что КВП необходим постоянный контакт с водной поверхностью для поддержания подушки – а потому эти катера воспринимают энергию волн всей своей немалой шириной…

Следует отметить также особое положение экранопланов среди всех скоростных объектов. С одной стороны, по достижимым скоростям они находятся вне конкуренции, и в этом плане могут широко применяться на достаточно спокойных водоёмах. А с другой – трудно рассчитывать на применение на море плавсредства, даже одно случайное соприкосновение  которого с волной может окончиться аварией с непредсказуемыми последствиями…

Итак, наибольший недостаток КВП, имеющих лучшие пропульсивные характеристики на тихой воде – это большое дополнительное сопротивление, а потому – значительное падение скорости на волнении. На рис. 4 сопоставлены величины падения скорости катеров различных типов на встречном волнении. Размерения и водоизмещение катеров были выбраны таким образом, чтобы они имели примерно одинаковую стоимость постройки.

 

 

 

 

029db004Рис. 4. Ориентировочное сравнение потери скорости на встречном волнении быстроходных и скоростных объектов различных типов при примерном равенстве стоимости постройки:

1 – однокорпусный, 1 000 т; 2- на глубокопогруженных крыльях, 175 т;

3 – скеговый на подушке, 500 т; 4 – амфибийный на подушке, 200 т; 5 – с малой площадью ватерлинии, 800 т.

 

Надо отметить, что показанные величины водоизмещения и скорости на тихой воде очень приблизительны, но сравнение выявляет основные зависимости падения скорости на волнении. Во-первых, оба типа КВП отличаются интенсивным снижением скорости под действием волнения. Во-вторых, проявляется особенность объектов на глубокопогруженных крыльях: они мало теряют скорость, пока не срывается режим обтекания крыльев, но после этого падение наиболее значительно из всех сравниваемых типов. Так что в широком диапазоне высот волн наименьшие потери скорости имеют корабли и катера с малой площадью ватерлинии.

Кроме того, характер показанной зависимости для однокорпусного корабля заставляет предположить, что все эти зависимости построены без учёта существенного намеренного снижения скорости для поддержания приемлемого уровня комфорта по мореходности. А учёт этих дополнительных потерь, очевидно, выявил бы ещё более интенсивное снижение скорости у объектов всех типов, кроме КМПВ. В частности, ещё и потому, что для КМПВ поддержание мореходности обычно требует не снижения, а повышения скорости. Между прочим, поэтому для этого типа объектов эффективен возможно больший запас мощности ЭУ – именно для обеспечения максимальной мореходности.

Так что надо отметить, что сегодня нет типа скоростного катера, который одновременно решал бы и задачу существенного повышения скорости, и задачу существенного повышения мореходности. Предложенный автором примерно 10 лет назад  »рассекающий волны» тримаран позволяет повысить достигнутые на сегодня в море скорости примерно вдвое, но при этом только незначительно повысить мореходность. Пример возможной реализации такого катера  показан на рис. 5.

 

 

 

 

029db005Рис. 5. Вариант патрульного «рассекающего волны» тримарана, несущего вертолёт.

 

С другой стороны, также предложенные автором новые обводы СМПВ позволяют заметно повысить достижимую скорость кораблей и катеров таких типов, но – ценой некоторого снижения мореходности по сравнению с обычными на сегодня объектами этого типа.

3. Нормы мореходности.

 

При всех сопоставлениях мореходности и достижимой скорости на волнении всегда – и обычно незримо – присутствует вопрос о тех пределах мореходных качеств, которые считаются границей разделения приемлемых и неприемлемых режимов плавания, т.е. об используемых нормах мореходности.

Применительно к боевым кораблям, представляется очевидным, что эти нормы могут быть установлены, исходя из двух различных позиций: либо из условий работы систем вооружения и корабельных систем, либо из условий работы и отдыха экипажа. Конечно, эти позиции связаны, поскольку техника без людей не работает, но для упрощения анализа представляется возможным разделить эти два подхода.

Что касается систем вооружения и корабельных систем, то постоянная тенденция развития морских боевых кораблей – это приспособление всех систем к условиям всё более интенсивного волнения. И можно предположить, что эта тенденция будет существовать всегда, так что в смысле ограничителей мореходности сегодня и в ближайшей перспективе можно рассматривать разве что авиационное вооружение, где техника наиболее глубоко и постоянно зависит от возможностей качественного обслуживания.

Однако люди всегда останутся людьми. И лучшие условия отдыха и работы по обслуживанию техники всегда окупятся более высокой боевой эффективностью кораблей.

В этом отношении меня всегда удивляло равнодушие специалистов заказчика к возможностям повышения мореходности, которые предоставляют многокорпусные объекты. Как только поднимался этот вопрос, всегда звучал ответ: »наши корабли соответствуют требованиям существующих норм мореходности.»  Только однажды я догадался задать вопрос: «а как были выбраны эти существующие нормы?» Оказалось, что весьма незатейливо: после постройки головного корабля какой-либо серии его испытывали на волнении, и полученные результаты принимались в качестве норм. Это значит, что все последующие просто не могли существенно нарушать эти «нормы», поскольку мореходность мало подвержена влиянию небольших изменение характеристик.

Представляется, что такой подход совершенно не стимулирует совершенствование кораблей с точки зрения мореходности. Гораздо более продуктивен подход, ставящий целью постепенной приближение к наилучшим показателям с точки зрения обитаемости.

Например, японскими специалистами были выполнены обширные исследования  зависимости производительности труда людей от ускорений и амплитуд колебаний платформы, на которой они работали. Оказалось, что производительность падает примерно в два раза при вертикальных ускорениях около 0.4 ускорения свободного падения, а также при бортовой качке около 7 – 8 градусов и килевой около 3 – 4 градусов

( так называемые «существенные» значения случайных величин). Интересно, что примерно около этих величин колеблются все многочисленные предложенные варианты норм мореходности. При наличии авиационного вооружения к ним добавляются также нормы, учитывающие возможную скорость реакции пилотов на изменение положения ВПП в пространстве.

 

4. Методика сравнения мореходности.

 

029db006Для проектирования морских объектов весьма важна методика, позволяющая объединить разнообразные характеристики мореходности в один коэффициент. Значения такого коэффициента удобно использовать при сравнении вариантов рассматриваемых типов кораблей.

Одна из первых методик такой направленности было предложена автором в книг

«Многокорпусные суда», изданной на русском языке в 1978 году. В качестве обобщающей характеристики вводился «коэффициент мореходности», который представлял собой вероятность выполнения наперёд заданных норм и требований данным кораблём на данной акватории.

В число требований могла как входить, так и не входить способность поддерживать скорость полного хода в любой требуемый момент. Частным случаем предложенного коэффициента являлась «среднегодовая достижимая скорость» на заданной акватории.

Одной из особенностей методики было включение в перечень рассматриваемых условий и курсового угла по отношению к волнам, поскольку в этом отношении разные типы кораблей сильно отличаются друг от друга.

Расчёты на основании предложенной методики подтвердили повышенную вероятность выполнения заданных норм мореходности кораблей с малой площадью ватерлинии по сравнению с традиционными кораблями, особенно – при размещении авиационного вооружения. На рис. 6 показана среднегодовая достижимая скорость в Северной Атлантике кораблей разных типов и разного водоизмещения. В частности, судя по данным этих расчётов, КПМВ смогут эффективно использоваться при волнении до 6 баллов включительно, т.е. быть практически «всепогодными» кораблями с авиационным вооружением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


.

 

Рис.6. Среднегодовая  относительная  достижимая скорость кораблей различных типов:

1 – однокорпусные корабли с вертолётами, 2 – то же, без вертолётов, 3 – КМПВ с вертолётами.

 

 

К сожалению, методика осталась незамеченной специалистами, а потому и не был получен  более или менее широкий  опыт её использования.

Однако в сегодняшних условиях, когда начинается реальная конкуренция типов кораблей на стадии их проектирования, представляется  необходимым сравнивать их и по вероятности обеспечения заданного уровня мореходности, включая возможность поддержания скорости – т.е., в конечном счёте, вероятности обеспечения высокой эффективности корабля как боевой единицы.

 

Выводы, рекомендации.

 

  1. Изложенное показывает, что борьба за скорость на море неразрывно связана с борьбой за повышение мореходности, и первая цель не может быть достигнута без существенных успехов в отношении второй.
  2. Особенности характеристик и преимущества многокорпусных кораблей и катеров являются следствием особенности их геометрии и конструкции, т.е. следствием определённых физических закономерностей. Эти закономерности можно использовать или не использовать, но только их использование открывает широкие перспективы совершенствования кораблей и катеров различного назначения.
 
Разработка сайтов