судно с малой площадью ватерлинии (2 видео)

Содержание

Судно с малой площадью ватерлинии (СМПВ) без формул и графиков
ГЛАВНОЕ О СУДАХ С МАЛОЙ ПЛОЩАДЬЮ ВАТЕРЛИНИИ Текст научной статьи по специальности « Строительство и архитектура»
Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Дубровский Виктор Анатольевич
Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Дубровский Виктор Анатольевич
MAIN THINGS TO KNOW ABOUT SMALL WATERPLANE AREA SHIPS
Текст научной работы на тему «ГЛАВНОЕ О СУДАХ С МАЛОЙ ПЛОЩАДЬЮ ВАТЕРЛИНИИ»
Экспериментальное судно с малой площадью ватерлинии SSP Kaimalino (США)
🎥 Видео

Видео:Pilottender Groden, SWATH VesselСкачать

Судно с малой площадью ватерлинии (СМПВ) без формул и графиков

Вся история человечества связана с Мировым океаном, и ровно столько лет, сколько человек плавает по морю, он стремится обуздать эту неукротимую стихию. Когда первые же мореплаватели (говорят, это были финикийцы) столкнулись с настоящим волнением, они не только почувствовали на себе изматывающее действие качки, но и заметили, что волны замедляют ход корабля. С тех далеких времен и до наших дней задачи обеспечения стабилизации судна на волнении — умерения качки — и повышения его скорости не теряют своей актуальности.

Уже давно замечено, что чем дальше корпус корабля находится от взволнованной поверхности, тем меньше действуют на него волны. Каждый, кто хоть раз был пассажиром судна на подводных крыльях, наверняка почувствовал, что как только корпус отрывается от воды, качка практически прекращается. То же самое можно сказать и о подводных лодках: помните, как капитан Немо наслаждался покоем и комфортом в своем «Наутилусе», когда на поверхности бушевал шторм.

Однако по мере развития судостроения выяснилось, что в силу объективных причин ни суда с динамическим поддержанием, ни подводные лодки не могут полностью заменить суда традиционные. Значительную роль здесь играют экономические соображения, а попросту говоря, дороговизна и тех и других. Возможной альтернативой является судно-гибрид, концепция которого была запатентована еще в 1905 г., — смесь подводной лодки, судна на подводных крыльях, катамарана и обычного однокорпусного водоизмещающего. Это и есть судно с малой площадью ватерлинии (СМПВ) или, как еще говорят, полупогруженный катамаран. Оно состоит из двух заглубленных корпусов, напоминающих торпеды или подводные лодки, узких вертикальных стоек, похожих на стойки крыльевой системы СПК, и опирающегося на эти стойки поднятого над волнами верхнего строения, в котором, как на обычном корабле, находятся служебные, бытовые и грузовые помещения. Такое судно несколько дороже традиционного однокорпусного, но дешевле СПК или подлодки.

Интересно, что в основе первого прототипа СМПВ была именно подводная лодка. В 1940 г. в Германии сделали попытку создать на базе 30-метровой субмарины «полуподводный» патрульный корабль. Рубку, возвышавшуюся над водой, удлинили и несколько сместили в корму, а мощность машин повысили до 2050 л. с. В результате скорость составила 28 уз, но, несмотря на укладку 12,5 т балласта, постоянный крен, возникавший от вращения винта, достигал 13°, и от практического применения такого корабля пришлось отказаться.

Первое настоящее СМПВ появилось в Нидерландах гораздо позже — в 1968 г. Называлось оно «Дуплус» и предназначалось для выполнения морских исследований и водолазных работ (длина 40 м, водоизмещение 1200 т). Это судно несколько отличалось от более современных СМПВ. В первую очередь тем, что соединение стоек с корпусами и верхним строением было выполнено плавным, а во-вторых, наличием двух горизонтальных крыльев, связывающих между собой подповерхностные корпуса. Судно вполне оправдало надежды своих создателей и эксплуатируется до сих пор под названием «Твин дрилл». Однако, поскольку скоростные переходы не входили в его функции, толщина стоек «Дуплуса» была со временем увеличена и он еще больше приблизился к обычному катамарану.

Вот тут-то мы и подошли к тому, чтобы поговорить о влиянии архитектурно-конструктивных особенностей СМПВ на их эксплуатационные показатели.

Прежде всего поговорим о ходкости — способности судна перемещаться с заданной скоростью при определенной мощности двигателя. Это качество непосредственным образом связано с сопротивлением, которое оказывает вода любому движущемуся в ней телу. Полное сопротивление судна состоит из нескольких компонентов, но нас будут интересовать в первую очередь сопротивление трения и волновое. На величину первой составляющей существенное влияние оказывает площадь поверхности корпуса, находящаяся под водой. Так вот, смоченная поверхность у СМПВ примерно на 70% больше, чем у традиционного судна такого же водоизмещения, следовательно, и сопротивление трения у него будет больше на эту же величину.

А вот волновое сопротивление у СМПВ значительно меньше, чем у традиционных судов, поскольку заглубленные корпуса оказывают на поверхность воды существенно меньшее возмущение. Благодаря этому потери мощности на волнообразование резко снижаются, что и представляет одно из основных достоинств судов рассматриваемого типа при движении с большой относительной скоростью.

Волновое сопротивление весьма сложным образом зависит от скорости. Уже много лет назад судостроители обратили внимание на то, что при разгоне судна затрачиваемая на волнообразование мощность меняется не равномерно, а скачкообразно, и характер этой зависимости очень напоминает «американские горы», на которых санки то взлетают на вершину, то устремляются вниз.

Объясняется это вот чем. При движении судна у его носовой и кормовой оконечностей возникают две системы поперечных волн, которые за кормой накладываются друг на друга. Если в результате такого наложения общая высота волны увеличивается (то есть возрастает энергия волн), то возрастает и волновое сопротивление и, следовательно, мощность, необходимая судну для его преодоления. Стоит повысить скорость, и при наложении двух волновых систем они начнут как бы сглаживать друг друга, и сопротивление, а вместе с ним и потребная мощность, уменьшится. Вот и получается, что зависимость волнового сопротивления от скорости имеет «горбы» (которые так и называются — «горбы сопротивления») и «впадины». И, конечно, каждое судно стараются спроектировать таким образом, чтобы его расчетный эксплуатационный режим соответствовал минимальной потребной мощности и «впадине» на кривой сопротивления.

Поскольку различные суда имеют разную скорость и размерения, для сравнения их ходовых характеристик англичанин Фруд еще в прошлом веке предложил использовать не абсолютное значение скорости, а отношение скорости судна к его длине. И в сопоставительных расчетах ходкости положение «горбов» и «впадин» на кривой сопротивления оценивают, ориентируясь именно на относительную скорость.

Так вот, оказывается, «горб» сопротивления СМПВ наблюдается при меньших относительных скоростях, чем у однокорпусного судна равного водоизмещения, да и сам «горб» оказывается значительно выше. Это происходит вследствие крайне неблагоприятного взаимодействия между собой волновых систем стоек и корпусов, а также наложения друг на друга волн, создаваемых корпусами. Зато потом, когда с ростом скорости СМПВ «соскальзывает» с «горба» сопротивления, а однокорпусное судно еще «карабкается» на свой «горб», преимущество СМПВ в ходкости становится очевидным.

Вполне естественен вопрос: а на какую же глубину надо «опустить» подповерхностные корпуса, чтобы взаимное влияние корпусов и морской поверхности было минимальным? Ответ напрашивается сам собой: чем глубже находятся корпуса, тем лучше. Результаты расчетов, выполненных в Японии, свидетельствуют о том же. Когда отношение осадки к диаметру корпуса увеличивается с 1,25 до 2,0, волновое сопротивление скоростного СМПВ на расчетном режиме падает в 2,5 раза.

В то же время чрезмерное заглубление корпусов увеличивает и без того большую смоченную поверхность и, значит, сопротивление трения СМПВ. Из этого можно сделать вывод, что, если полупогруженный катамаран проектируется тихоходным, то в первую очередь надо стремиться снижать сопротивление трения. Этого можно добиться, уменьшая осадку, укорачивая подповерхностные корпуса и делая стойки не сплошными, а разрезными. Для эксплуатации на больших скоростях стойки и корпуса должны быть удлиненными, а осадка несколько увеличена. У построенных скоростных СМПВ отношение длины корпуса к его диаметру составляет 10—15, а осадки к диаметру корпуса — 1,5—2,0.

Первое американское СМПВ «Каймалино» (длина 26,8 м, водоизмещение 193 т) имело двойные бортовые стойки, поскольку создавалось как экспериментальная стационарная платформа для выполнения океанографических исследований и водолазных работ. Вместе с тем, с помощью «Каймалино» проводилось изучение поведения СМПВ на волне и скоростных качеств этих судов. О полученных результатах говорит хотя бы го, что даже при волнении 5 баллов скорость составляла 25 уз, а при высоте волны 2,5 м на палубу «Каймалино» мог садиться вертолет.

Стоит сказать несколько слов и о сопротивлении формы. У всех построенных СМПВ стойки выполнены прямоугольными в плане и заостренными в носу и корме, а корпуса — торпедообразными круглого или эллиптического сечения. Такая их форма наиболее выгодна с позиций технологии изготовления, но далеко не оптимальна с точки зрения обтекания конструкций водой. Как показали исследования, при небольших относительных скоростях (в районе «горба») наименьшее сопротивление формы имеет корпус, заостренный в оконечностях и значительно утолщенный в районе мидель-шпангоута, а при росте скорости — цилиндрический со сферическими оконечностями и некоторым утолщением в средней части.

Теперь обратимся к качке. Известно, что каждое тело имеет собственные периоды колебания, которые зависят от его геометрических характеристик. Поскольку мы договорились анализировать суда одинакового водоизмещения, будем искать причины различного поведения СМПВ и обычного судна на волнении в их геометрических отличиях.

Особенно интенсивная качка любого судна наблюдается тогда, когда собственные периоды его колебаний совпадают с периодом волнения и возникает резонанс. Благодаря малой площади ватерлинии значение собственных периодов у СМПВ весьма велики, и поскольку морское волнение чаще всего имеет малые периоды, вероятность их совпадения незначительна. В результате амплитуда качки у СМПВ в 4—6 раз меньше, по сравнению с традиционным судном. Кроме того, на заглубленные корпуса волны оказывают слабое возмущающее воздействие, да и изменение силы плавучести при прохождении вершины волны вдоль стойки невелико и не столь заметно влияет на вертикальные перемещения СМПВ. Таким образом, при движении судна на волнении на его раскачивание тратится меньшее количество энергии и, как следствие, потери скорости гораздо меньше. Достаточно сказать, что если скорость однокорпусного судна на встречном волнении падает примерно на треть, то у СМПВ — только на 2—5%.

Сопоставление параметров качки и ходкости полупогруженных катамаранов со сплошными и двойными бортовыми стойками проводилось в Японии с использованием экспериментального судна «Мэрин эйс» (длина 12,4 м, водоизмещение около 20 т), построенного для перевозки пассажиров при 2—3-метровом волнении. Собственно говоря, эти испытания лишь подтвердили особенности СМПВ, предсказанные теоретически: в варианте со сплошными стойками собственные периоды качки уменьшились из-за роста ватерлинии, но зато весьма существенно снизилось и волновое сопротивление — за счет отсутствия волновых систем кормовых стоек, излишнего брызгообразования и т. п.

Вместе с тем неверно было бы думать, что уменьшение площади ватерлинии дает только преимущества и не связано с недостатками. К сожалению, это не так. Малые продольные восстанавливающие моменты могут сделать СМПВ неостойчивым на больших скоростях, ибо на подповерхностные корпуса при движении судна начинают действовать дополнительные моменты, еще более уменьшающие продольную остойчивость. Для борьбы с ними все суда рассматриваемого типа оборудуются активными бортовыми рулями, похожими на рули глубины подводных лодок. Управление ими осуществляется или автоматически, или вручную. Достаточную продольную остойчивость может обеспечить только кормовая пара таких рулей, но для более эффективного демпфирования вертикальной (за счет подъемной силы на рулях и их сопротивления в вертикальной плоскости) и килевой качки ставятся и носовые рули.

Малое по сравнению с однокорпусным судном значение продольного восстанавливающего момента делает СМПВ очень чувствительным к перемещению грузов вдоль судна, вызывающему дифферент. Но и это не все: даже сравнительно небольшое изменение нагрузки заметно сказывается на осадке СМПВ. Если увеличение осадки на 1 см традиционного судна водоизмещением 2500 т связано с приемом 8 т груза, то у судна с малой площадью ватерлинии — только 2 т. В силу этого у СМПВ большую роль играют вопросы балластировки.

Но ни эти, ни некоторые другие недостатки рассматриваемых судов (мы коснемся их несколько ниже) не могли сдержать развития СМПВ. Пожалуй, самое примечательное из построенных судов этого типа — японский пассажирский паром «Сигалл» (длиной 35,9 м, водоизмещением 343 т). На нем впервые были использованы все преимущества полупогруженных катамаранов и нашли отражение результаты испытаний экспериментальных судов. Слабая зависимость скорости от волнения позволяет ему совершать регулярные рейсы при высоте волн 3,5 м. Большая площадь палуб верхнего строения (в 1,5—2 раза больше, чем у однокорпусного судна) обеспечивает размещение 446 пассажиров. Высокая стабильность предопределяет комфортные условия пребывания на борту людей. Сплошные бортовые стойки повышают статическую остойчивость и упрощают размещение балластных цистерн.

Все корпусные конструкции этого СМПВ изготовлены из алюминиевого сплава, главные двигатели размещены на верхнем строении. На этих двух моментах стоит остановиться поподробнее. Масса корпусных конструкций полупогруженного катамарана больше, чем у обычного судна, и традиционным конструкционный материал — сталь — плохо подходит для СМПВ, а алюминиевые сплавы достаточно дороги. Поэтому у некоторых судов рассматриваемого типа корпуса и стойки выполнены из стали, а верхнее строение — из алюминиевого сплава.

Что касается расположения энергетической установки, то, казалось бы, разумнее всего разместить двигатели в подповерхностных корпусах, чтобы щади верхнего строения. Но против такого решения есть два существенных возражения: во-первых, при получении судном пробоины один из двигателей сразу же выходит из строя, а во-вторых, даже при безаварийной эксплуатации обслуживание энергетической установки резко усложняется из-за ограниченного пространства внутри корпуса. Эти обстоятельства вынуждают проектировщиков размещать главные двигатели на верхнем строении, а в подповерхностных корпусах — редукторы или электромоторы (при дизель-электрических установках).

Вернемся, однако, к парому «Сигалл». На внутренних поверхностях его корпусов установлены четыре активных бортовых руля, управляемых автоматически по командам от гироуказателя, акселерометра и датчика высоты волны. В ходе сдаточных испытаний исследовались также вопросы управляемости и устойчивости на курсе. Надо сказать, что за счет большого разноса движителей по ширине судна и при работе их враздрай маневренность на малых скоростях у СМПВ отличная. Другое дело, когда такое судно движется с большой скоростью, и стойки работают, как большие рули, удерживая судно на курсе. С точки зрения устойчивости в прямолинейном движении такое явление можно только приветствовать, но повернуть СМПВ в этих условиях гораздо труднее. Так, у парома «Сигалл» диаметр циркуляции при скорости 13 уз составлял 200 м, а при 23 уз увеличился вдвое. Это значительно больше, чем у традиционных судов, диаметр циркуляции которых равняется обычно двум-трем длинам корпуса. Маневренные характеристики СМПВ могут быть улучшены, если сместить стойки несколько в нос относительно центра тяжести судна и помогать повороту перекладкой бортовых активных рулей.

Хорошие результаты как теоретических, так и экспериментальных исследований эксплуатационных качеств СМПВ предопределили более широкое строительство этих судов. Если с 1968 по 1979 г. было построено четыре таких судна, то в последующие пять лет — уже шесть, причем большинство из них — в Японии.

Океанографические научно-исследовательские суда «Котозаки» и «Отори» (длина 27 м, водоизмещение около 240 т) предназначены для работы в прибрежных районах Японии. В соответствии со своим назначением они оборудованы средствами для взятия и анализа проб воды и грунта, глубиномерами, планктонными сетями, установками подводного телевидения и т. п.

Американское судно «Суаве лино» (длина 19,2 м, водоизмещение 53 т) строилось как рыбопромысловое для частного владельца, но затем было переориентировано ВМС США для проведения океанографических исследований. Совсем недавно оно переименовано в «Бетси» и используется теперь в качестве плавучей научной лаборатории, изучающей мореходные качества крейсерских яхт, которые участвовали в Кубке Америки.

Грузопассажирское СМПВ «Хэлсион» (длина 18,3 м, водоизмещение 57 т), по мнению его создателей, должно стать прототипом для постройки других судов — прогулочного, патрульного и судна для доставки экипажей на морские нефтепромыслы.

Японский полупогруженный катамаран «Кайо» (длина 61,6 м, водоизмещение 3500 т), построенный для обеспечения водолазных работ и изучения ресурсов океана,— самое крупное из существующих СМПВ. Его назначение предопределяет невысокую скорость, что в свою очередь позволило применить в качестве основного конструкционного материала сталь. Система позиционирования, состоящая из восьми подруливающих устройств, обеспечивает удержание судна с точностью 10 м или 5 % от глубины акватории.

Если в США еще только планируют создание малого пассажирского СМПВ на базе «Хэлсиона», то в Японии уже приступили к реализации программы «Си салун» («Морской салон»). Первое судно — это прогулочная яхта прибрежного плавания «Мэрин уэйв» (длина 15,1 м, водоизмещение 19 т), совершающая 20-часовые круизы с двенадцатью пассажирами на борту, которые размещаются в общем салоне. На более крупном судне (длина 22,2 м) для пассажиров предусмотрены спальные места в каютах на нижнем ярусе, поскольку круизы могут продолжаться более двух суток. Ярусом выше находятся общественные помещения, включающие в себя салон, кают-компанию и бар. Для уменьшения массы конструкций при сохранении высокой прочности фирма-строитель пошла на применение нетрадиционных для СМПВ и весьма дорогих материалов — угле- и стеклопластиков. Видимо, судовладелец надеется, что эти расходы себя окупят за счет высокой стоимости круиза.

Даже из поверхностного обзора построенных судов с малой площадью ватерлинии видно, что пока это, в основном, научно-исследовательские и пассажирские суда. Каковы же перспективы полупогружениых катамаранов? Все большее внимание уделяют СМПВ натовские военные, полагая, что из них могут выйти удачные авианесущие корабли — от патрульных с вертолетом на борту до крупных авианосцев. Разработаны проекты крупных круизных лайнеров, паромов, судов для доставки экипажей на нефтепромыслы, рыболовных и др., хотя некоторые специалисты полагают, что особенно ярко достоинства СМПВ проявляются у малотоннажных судов и при водоизмещении уже около 5 тыс. т они будут практически незаметны.

Подводя итоги, попробуем еще раз взвесить все «за» и «против» полупогружениых катамаранов в сравнении с однокорпусными судами. По мнению зарубежных специалистов они заключаются в следующем.

«ЗА»:

высокая стабилизация, меньшая потеря скорости и хорошая устойчивость на курсе при волнении;
снижение эксплуатационных расходов за счет сокращения потерь мощности на волнообразование при высоких относительных скоростях;
меньшая стоимость эксплуатации в условиях волнения при выполнении тех же функций, что и у обычного судна;
лучшая управляемость на малых ходах (хорошее удержание «на точке», малый радиус циркуляции);
большая полезная кубатура верхнего строения, которому можно придать форму, оптимальную с точки зрения размещения груза;
более высокая живучесть двухвальной энергетической установки, удобная балластировка судна в аварийной ситуации.

«ПРОТИВ»:

меньшие восстанавливающие моменты предопределяют «чувствительность» к изменению нагрузки и необходимость в дополнительных средствах обеспечения мореходности, например, в бортовых активных рулях;
сложная конструкция и технология изготовления в совокупности с большей массой корпуса и двухвальной энергетической установкой приводят к увеличению строительной стоимости;
увеличенная ширина корпуса и осадка ограничивают область применения СМПВ.

Конечно, недостатки полупогруженных катамаранов весьма серьезны, и судовладелец в каждом конкретном случае должен решать вопрос о строительстве именно такого судна. Не будем забывать, что история СМПВ еще очень коротка, а инженерная мысль не стоит на месте. Некоторые из отмеченных недостатков СМПВ могут быть, видимо, смягчены.

Видео:Pilot boat (swath) entering the portСкачать

ГЛАВНОЕ О СУДАХ С МАЛОЙ ПЛОЩАДЬЮ ВАТЕРЛИНИИ Текст научной статьи по специальности « Строительство и архитектура»

Видео:Pilottender Groden, SWATH VesselСкачать

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Дубровский Виктор Анатольевич

Объект и цель научной работы. Объектом исследования являются суда с малой площадью ватерлинии (СМПВ), основная особенность которых — высокая мореходность . Цель данной работы — демонстрация больших возможностей применения таких судов и кораблей. Материалы и методы. Рассмотрены как сведения, полученные из зарубежной литературы, так и собственные данные автора. Примененные методы сравнения направлены на демонстрацию главных особенностей объектов различного назначения. Основные результаты. Краткий очерк истории развития СМПВ показал основные тенденции этого развития. Рассмотрение типов таких судов позволило выявить общие особенности и отличия каждого типа СМПВ. Выявленные преимущества и недостатки, особенности проектирования дают широкую картину возможных областей применения. Заключение. Существенное повышение мореходности водоизмещающих морских судов малого и среднего водоизмещения может быть обеспечено применением архитектуры с малой площадью ватерлинии . Экономически рациональными СМПВ являются все типы морских судов, которым необходима большая относительная площадь палуб, так называемых носителей вместимости (capacity carriers), таких как пассажирские, научно-исследовательские, боевые, накатные и т.п. суда. Для более эффективного использования СМПВ рекомендуется разработка альтернативных проектов этой архитектуры на ранних стадиях создания всех судов названных выше назначений.

Видео:🔴Мир кораблей // Хорошо, что пятница!Скачать

MAIN THINGS TO KNOW ABOUT SMALL WATERPLANE AREA SHIPS

Object and purpose of research. The object of study is small waterplane area twin hull (SWATH) ships whose main advantage is their excellent seaworthiness. The purpose of this work is to demonstrate the broad capabilities of such vessels. Materials and methods. The knowledge from foreign literature along with the author’s data are employed. Comparison methods focus on the main specific features of the technology for different fields of application. Main results. Brief review of the SWATH background is given highlighting the main trends of development. Common features and differences of each SWATH type is identified. The revealed merits and disadvantages, design details point to a broad range of possible applications. Conclusion. SWATH architecture may provide a considerable improvement in seaworthiness of small and medium displacement vessels. SWATH is an economically viable option for all types of marine vessels with a relatively large deck area, so-called capacity carriers, like passenger, research, ro-ro, naval ships, etc. For more efficient application it is recommended that alternative SWATH projects should be developed at an early design of vessels for the above missions.

Видео:Почему "длина бежит"?Скачать

Текст научной работы на тему «ГЛАВНОЕ О СУДАХ С МАЛОЙ ПЛОЩАДЬЮ ВАТЕРЛИНИИ»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУКЦИЯ СУДОВ

DOI: 10.24937/2542-2324-2021-3-397-75-82 УДК 629.5.022.25

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия

ГЛАВНОЕ О СУДАХ С МАЛОЙ ПЛОЩАДЬЮ ВАТЕРЛИНИИ

Материалы и методы. Рассмотрены как сведения, полученные из зарубежной литературы, так и собственные данные автора. Примененные методы сравнения направлены на демонстрацию главных особенностей объектов различного назначения.

Основные результаты. Краткий очерк истории развития СМПВ показал основные тенденции этого развития. Рассмотрение типов таких судов позволило выявить общие особенности и отличия каждого типа СМПВ. Выявленные преимущества и недостатки, особенности проектирования дают широкую картину возможных областей применения. Заключение. Существенное повышение мореходности водоизмещающих морских судов малого и среднего водоизмещения может быть обеспечено применением архитектуры с малой площадью ватерлинии. Экономически рациональными СМПВ являются все типы морских судов, которым необходима большая относительная площадь палуб, так называемых носителей вместимости (capacity carriers), таких как пассажирские, научно-исследовательские, боевые, накатные и т.п. суда. Для более эффективного использования СМПВ рекомендуется разработка альтернативных проектов этой архитектуры на ранних стадиях создания всех судов названных выше назначений.

Ключевые слова: судно, площадь ватерлинии, остойчивость, мореходность, собственный период качки, успокоение качки, ходкость, прочность, проектирование. Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.

SHIP DESIGN AND STRUCTURE

DOI: 10.24937/2542-2324-2021-3-397-75-82 UDC 629.5.022.25

Krylov State Research Center, St. Petersburg, Russia

MAIN THINGS TO KNOW ABOUT SMALL WATERPLANE AREA SHIPS

Materials and methods. The knowledge from foreign literature along with the author’s data are employed. Comparison methods focus on the main specific features of the technology for different fields of application.

Main results. Brief review of the SWATH background is given highlighting the main trends of development. Common features and differences of each SWATH type is identified. The revealed merits and disadvantages, design details point to a broad range of possible applications.

Для цитирования: Дубровский В.А. Главное о судах с малой площадью ватерлинии. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 3(397): 75-82.

For citations: Dubrovsky V. Main things to know about small waterplane area ships. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 3(397): 75-82 (in Russian).

Conclusion. SWATH architecture may provide a considerable improvement in seaworthiness of small and medium displacement vessels. SWATH is an economically viable option for all types of marine vessels with a relatively large deck area, so-called capacity carriers, like passenger, research, ro-ro, naval ships, etc. For more efficient application it is recommended that alternative SWATH projects should be developed at an early design of vessels for the above missions. Keywords: ship, waterplane area, stability, seaworthiness, natural period of motions, damping of motions, propulsion, design.

The author declares no conflicts of interest.

Краткий очерк истории развития

Первые патенты на объекты с малой площадью ватерлинии были выданы в начале ХХ в. [1]. С середины века началось применение полупо-

Рис. 4. Исследованные типы судов с малой площадью ватерлинии: 1 — дуплус (двухкорпусное судно с одной длинной стойкой на каждом корпусе); 2 — трисек (то же, с двумя стойками на каждом корпусе); 3 — трикор; 4 — судно с двумя аутригерами с малой площадью ватерлинии; 5 — судно с традиционным центральным корпусом и аутригерами с малой площадью ватерлинии (вариант С.А. Руденко); 6 — однокорпусное судно с крыльями с малой площадью ватерлинии

Fig. 4. SWATH vessels under investigation:

1 — duplus (twin hull with one long strut at each hull);

2 — trisec (twin hull with two struts at each hull);

3 — tricor; 4 — vessel with two SWATH outriggers;

5 — vessel with a traditional middle hull

and SWATH outriggers (S^. Ruddenko version);

6 — monohulls with SWATH foils

гружных буровых платформ, которые тоже относятся к объектам с малой площадью ватерлинии. К концу века в мире работало около 300 платформ такого типа.

В 60-х гг. начались исследования собственно СМПВ, в начале 70-х гг. были построены первые суда. К настоящему времени в мире работают или исследуются более 100 СМПВ различного назначения. Рис. 1 (см. вклейку) дает представление о форме обводов СМПВ.

Построенные СМПВ имеют различное водоизмещение и назначение. На рис. 2 (см. вклейку) показано наибольшее из построенных СМПВ.

Однако наибольший эффект особенностей СМПВ проявляется при небольших водоизмещени-ях (рис. 3, см. вклейку).

Типы судов с малой площадью ватерлинии

В настоящее время практически применяются в основном двухкорпусные СМПВ, построено несколько СМПВ с аутригерами. В той или иной мере [2] изучены различные типы таких судов (рис. 4).

Очевидно разнообразие возможных вариантов СМПВ, которые могут быть применены для решения разнообразных практических задач.

Общие и частные особенности судов с малой площадью ватерлинии

General and specific features of SWATH vessels

Как и все многокорпусники, СМПВ отличаются от традиционных однокорпусных объектов следующими общими чертами:

■ увеличенная площадь палуб относительно водоизмещения;

■ возможность обеспечить требуемую поперечную остойчивость за счет изменения (поперечного) расстояния между корпусами;

■ возможность использования корпусов с различными соотношениями размерений, включая корпуса большого удлинения и корпуса, не имеющие собственной остойчивости вне многокорпусного судна;

■ увеличенная доля массы металлического корпуса по отношению к водоизмещению, но пониженная по отношению к площади палуб;

■ повышенная относительная смоченная поверхность (снижает ходовые качества на невысоких относительных скоростях).

Кроме того, СМПВ отличаются от других многокорпусных судов:

■ увеличенной относительной осадкой, что позволяет повысить диаметр и КПД движителей;

■ возможностью существенного изменения осадки за счет приема небольших количеств водяного балласта; это позволяет проектировать СМПВ с осадкой, равной высоте гондолы при полном водоизмещении, и предусматривать увеличение осадки балластированием при движении на волнении;

■ жесткой зависимостью поперечного габаритного размера от принятых норм начальной поперечной остойчивости;

■ сниженной продольной начальной остойчивостью, что заставляет в некоторых случаях ее нормировать и определять положение стоек на основании расчета продольной остойчивости;

■ повышенной эффективностью всех систем снижения качки;

■ большой (до 90 %) долей плоскостных, цилиндрических, конических секций в конструкции корпуса.

Каждый тип СМПВ имеет также и собственные

отличия. Так, дуплус обеспечивает наибольшую сре-

Таблица 1. Относительная площадь верхней палубы

Table 1. Relative upper deck area

ди СМПВ начальную поперечную остойчивость; трисек может иметь наименьшую относительную площадь ватерлинии; трикор может обеспечить наибольшее благоприятное взаимодействие волновых систем при определенных относительных скоростях, что дает высокие пропульсивные качества; суда с аутригерами имеют наименьший среди СМПВ вес металлического корпуса, особенно — проа (судно, состоящее из основного корпуса и одного аутригера), а потому наиболее дешевы в постройке и эксплуатации; в частном случае использования тянущих винтов на аутригерах может быть обеспечен наименьший уровень подводного шума.

Табл. 1 содержит сравнение относительной площади верхней палубы традиционного однокорпусного корабля и различных СМПВ.

Очевидно, что удельная площадь палуб СМПВ приблизительно равна или несколько больше, чем та же площадь сравнимого однокорпусного объекта.

Начальная поперечная остойчивость СМПВ близка к остойчивости однокорпусных объектов того же водоизмещения. Продольная остойчивость СМПВ всегда заметно ниже, что имеет и положительные, и отрицательные последствия. Поэтому необходимо нормирование не только поперечной остойчивости СМПВ, как и всех судов, но часто — и продольной остойчивости.

Минимальная площадь ватерлинии СМПВ определяется общим расположением (размещением) энергетической установки и прочностью. При выбранной площади требуемая начальная остойчивость определяет поперечное расстояние между корпусами, т.е. габаритную ширину СМПВ.

Тип судна Относительная длина корпуса Вероятные соотношения размерений Относительная площадь палубы

Традиционное однокорпусное lMON = L/Vm L/B = 8; Aud

Дуплус или трисек h = 0,8-/MON Ll = 0,64 L; BOA = (0,3-0,5)-Ll; AUD

С двумя аутригерами li = 0,8-/mon Ll = 0,8L; Lo = (0,3-0,4)L1; BOA = (0,3-0,5)L1 (0,18-0,3)-L2

Трикор Il = 0,5’lMON L1 = 0,35 L; Loa = 1,6 L1; BOA = (0,6-0,8) L1 (0,08-0,1 )L2

Здесь: Ь — длина однокорпусного аналога; V — объемное водоизмещение однокорпусного объекта; Ь1 — длина одного корпуса СМПВ; Ьд- длина аутригера; 1м0м — относительная длина однокорпусного аналога; 11 — относительная длина одного корпуса СМПВ; Лив — коэффициент полноты верхней палубы; В — ширина однокорпусного судна; В0А — габаритная ширина СМПВ.

На ранних стадиях проектирования СМПВ удобно использовать простую и универсальную норму поперечной остойчивости, применяемую в ВМФ США: крен не более 10 градусов при стоянке лагом к ветру со скоростью 100 уз (для неограниченного района плавания) или 50 уз (для ограниченного района).

Эта норма была использована при выборе поперечных размерений СМПВ, показанных в табл. 2.

При нормировании продольной остойчивости можно использовать, например, требование одинакового изменения крена и дифферента при перемещении заданного груза поперек или вдоль СМПВ. Тогда метацентрические высоты будут соотноситься как габаритные размеры в плане.

Отличие площади ватерлинии определяет основное преимущество СМПВ: мореходность, максимально достижимую для объектов без глубокопогружен-ных крыльев. Это же определяет высокую эффективность любых успокоителей качки. В среднем мореходность СМПВ данного водоизмещения сравнима с мореходностью однокорпусного объекта с большим в 5-15 раз водоизмещением (в зависимости от реализуемого соотношения площадей ватерлинии) (рис. 5).

Основные результаты снижения площади ватерлинии:

■ снижение возмущающих сил и моментов качки;

■ уменьшение продольной остойчивости и увеличение периодов качки;

■ резкое снижение сопротивления на встречном волнении, благодаря уменьшенной ширине ватерлинии и сниженной качке.

Большие собственные периоды качки всех видов определяют встречное и лаговое волнение как наиболее благоприятные для СМПВ, а попутные курсовые углы — как наиболее неблагоприятные. На попутном волнении (без успокоителей качки) достаточно тихоходные СМПВ имеют резонансную качку с большими амплитудами, но невысокими ускорениями (в отличие от объектов с традиционными обводами, у которых резонансная качка имеет как большие амплитуды, так и большие ускорения).

Для снижения резонансной качки СМПВ очень эффективны известные успокоители — управляемые подводные крылья, транцевые доски и интерцеп-торы для быстроходных и скоростных объектов, активированные воздухом цистерны для объектов тихоходных или работающих в море без хода.

Отличия собственных периодов влияют также на характер зависимости качки от кажущихся периодов при ходе на волнении (рис. 6, см. вклейку).

Очевидно, что с ростом скорости амплитуды качки СМПВ падают, а катамарана (судна из двух корпусов с традиционными обводами) растут.

К сожалению, такая зависимость не относится к ускорениям той же качки (рис. 7, см. вклейку).

Ускорения качки дуплуса не уменьшаются с ростом скорости, но растут достаточно медленно и достигают существенно меньших величин, чем у катамарана. Например, если принять за норму ускорение 0,4 g, видно, что при встречном волнении это требование не ограничит скорость при волнении 3 и 4 балла и допускает скорость около 14 уз при волнении 5 баллов. Для катамарана диапазон допустимых скоростей в этих условиях 7, 3 и 2 уз соответственно.

Таблица 2. Начальная поперечная остойчивость судов с малой площадью ватерлинии водоизмещением 1000 т (в скобках показаны размерения аутригера)

Table 2. Initial transverse stability of 1000-ton displacement SWATH (outrigger dimensions in brackets)

Тип судна Дуплус Трисек Трикор С двумя аутригерами

Длина корпуса (габаритная длина), м 47/47 47/47 40/65 65/65 (35)

Ширина корпуса (габаритная ширина), м 5/19 5/22 3,5/22 7 (1,5)/20

Площадь ватерлинии бокового корпуса, м2 65 45 50 40

Расчетная осадка (высота корпуса), м 4/11,5 4/11,5 4/11,5 4 (2)/11,5

Высота центра величины (высота центра масс), м 2,5/7 2,5/7 2,5/7 2,5/7

Метацентрический радиус (метацентрическая высота), м 6,5/2 6,5/2 8,5/4 7/2,5

Fig. 5. Comparison of natural perions of motions for different displacement vessels: left — roll, right — pitch (upper area) and heave:

1 — motion periods of traditional monohulls,

2 — motion periods of SWATH. Horizontal lines with numbers correspond to average wave periods of various sea states (Beaufort)

Рис. 5. Сравнение собственных периодов качки объектов разного водоизмещения: слева — бортовой качки, справа — килевой (верхняя область) и вертикальной: 1 — периоды качки традиционных однокорпусных объектов, 2 — периоды качки судов с малой площадью ватерлинии. Горизонтальные линии с номерами соответствуют средним периодам волнения различной интенсивности (баллы Бофорта)

Обычно скорости на достаточно интенсивном встречном волнении ограничиваются именно вертикальными ускорениями. На рис. 8 (см. вклейку) сравниваются достижимые скорости двух судов водоизмещением 1000 т при том же допустимом пределе ускорений.

Поскольку амплитуды качки СМПВ на встречном волнении падают с ростом скорости, для таких объектов целесообразно иметь большой запас мощности, который невозможно использовать на традиционных кораблях, потому что у них скорость на встречном волнении сознательно снижается для поддержания приемлемых характеристик мореходности.

Увеличенное погружение основного волнообразу-ющего объема под поверхность и увеличенная (обычно) осадка, позволяющая использовать движители большего диаметра (с большим КПД), обеспечивают СМПВ преимущество по ходовым качествам на достаточно больших относительных скоростях. Рис. 9 содержит сравнение адмиралтейского коэффициента СМПВ и катамаранов, натурные данные [3].

Этот рисунок показывает желательные величины относительных скоростей для эффективного по ходкости применения СМПВ.

Как и для всех многокорпусных объектов, для СМПВ велика роль поперечной прочности. На ранних стадиях проектирования обычно оказывается достаточным рассмотреть поперечный изгибающий

момент при стоянке лагом к волне. Считается, что эта нагрузка определяется горизонтальными скоростями в волне, например [4] (рис. 10).

Этот момент эффективнее всего воспринимается поперечными переборками, каждая переборка находится в одной плоскости в подводном объеме (гондоле), стойке и соединяющей корпуса

С 300 250 200 150 100 50

-«20 S2 13 Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Dubrovsky V., Lyakhovitsky A. Multi hull ships. USA, Fair Lawn: Backbone Publishing House, 2001. 495 p.

2. Dubrovsky V., Matveev K., Sutulo S. Ships with small water-plane area. USA, Fair Lawn: Backbone Publishing House, 2007. 256 p.

3. Yun L., Bliault A., Rong H.-Z. High speed catamarans and multihulls: technology, performance and applications. New York: Springer, 2019. XLVII, [1], 746 p. DOI: 10.1007/978-1-4939-7891-5.

4. Guidelines for small waterplane area twin hull craft: GD 06-2005 / China Classification Society. Beijing, 2005. 61 p.

Сведения об авторе

Дубровский Виктор Анатольевич, д.т.н., ведущий научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (921) 984-19-53. E-mail: multi-hulls@yandex.ru.

About the author

Victor A. Dubrovsky, Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher, Krylov State Research Center. Address: 44, Moskov-skoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (921) 984-19-53. E-mail: multi-hulls@yandex.ru.

Видео:В Севастополе прошёл финал конкурса «Я буду строить корабли!»Скачать

Экспериментальное судно с малой площадью ватерлинии SSP Kaimalino (США)

Как известно, катамараны имеют ряд преимуществ перед однокорпусными судами. Главные – повышенная остойчивость и меньшая амплитуда качки, обусловленные сравнительно большим расстоянием между двумя корпусами. При этом катамараны не лишены некоторых проблем, связанных с относительно высоким сопротивлением воды. В первой половине прошлого века появилось интересное предложение, призванное избавить катамараны от этих недостатков. В 1938 году британский изобретатель Фредерик Дж. Крид предложил уменьшить размеры смоченной поверхности за счет изменения конструкции корпусов.

За рубежом новая схема получила название SWATH (Small Waterplane Area Twin Hull – «Малая ватерлиния двойного корпуса») или semi-submerged catamaran («полупогружаемый катамаран»), в отечественной литературе она упоминается как «Судно с малой площадью ватерлинии» (СМПВ). Суть этой идеи состоит в конструировании боковых корпусов особой формы. Их подводная часть должна выполняться в виде цилиндрической конструкции с носовым и кормовым обтекателями. Надводная платформа судна должна крепиться к ним при помощи вертикальных платформ соответствующего сечения. Такая конструкция опор приводит к сокращению смоченной поверхности, а подводные корпуса-понтоны призваны обеспечивать необходимую остойчивость, запас плавучести и т.д.

Суда системы SWATH имеют большое преимущество в остойчивости как перед однокорпусными судами, так и перед катамаранами классический схемы. Они могут оставаться стабильными даже при сравнительно сильном волнении. Кроме того, такая конструкция позволяет развивать большие скорости за счет значительного сокращения волнового сопротивления. Таким образом, техника класса СМПВ имеет большие перспективы и в гражданском, и в военном судостроении.

В начале семидесятых годов перспективным изобретением заинтересовались американские военные. Суда класса SWATH могут использоваться в качестве универсальных морских платформ и способны выполнять различные задачи, для решения которых требуется сохранение положения даже при сильном волнении. К примеру, такое судно может работать вертолетоносцем или транспортом для перевозки различных грузов, способным передавать их другим судам.

7 марта 1973 года на верфи Coast Guard Yard в г. Кертис Бэй (шт. Мэриленд) было заложено опытовое судно SSP Kaimalino, которое предполагалось использовать в качестве экспериментальной платформы. Индекс SSP расшифровывался как Semi-Submerged Platform («Полупогружаемая платформа»), а имя «Каималино» было взято из гавайского языка и означало «тихая вода». Проект был разработан организацией Naval Undersea Center (Перл Харбор, Гавайи). Всего за несколько месяцев судостроители выполнили все необходимые работы и передали судно научно-исследовательской организации David W. Taylor Naval Ship Research and Development Center, которая в дальнейшем отвечала за его испытания.

Главной и самой необычной особенностью судна SSP Kaimalino была его конструкция, построенная в полном соответствии с концепцией SWATH. Основная часть корпуса оставалась над водой. Ниже поверхности находились два торпедообразных корпуса-понтона с двумя стабилизаторами в носовой части и горизонтальной перемычкой-стабилизатором в кормовой, а также четыре вертикальные опоры обтекаемой формы. Над водой находился прямоугольный корпус со скошенной носовой частью и обтекаемыми поверхностями на днище носовой части. В центре корпуса имелось крупное окно. В дальнейшем его использовали для проведения различных исследований.

СМПВ «Каималино» имело общую длину 26,76 м, ширину 14,2 м и нормальную осадку 4,65 м. В первом варианте, до модернизации, водоизмещение составляло 196 т. Подводные корпуса-понтоны имели диаметр 1,98 м, а их объем был достаточен для обеспечения необходимой плавучести. В случае использования судна в качестве плавучей вертолетной площадки в распоряжении летчиков оказывалось 306 кв. м крыши корпуса.

Специфическая архитектура сказалась на компоновке внутренних объемов корпуса. Носовая часть корпуса судна была отдана под мостик. По бокам мостика имелись люки, ведущие в передние вертикальные опоры корпуса. Через них специалисты могли спускаться в нижние корпуса-понтоны для обслуживания. Позади мостика имелись жилые помещения для экипажа и специалистов-испытателей в количестве до 15-16 человек. Одно из таких помещений находилось у левого борта, сбоку от центрального окна корпуса. С другой стороны от окна расположили зал для специальной аппаратуры. Судно могло брать на борт до 16 т различной полезной нагрузки, в первую очередь научного оборудования. В корме находилась силовая установка. Внутри подводных корпусов-понтонов поместили топливные баки.

Поскольку суда системы SWATH в теории могут иметь относительно высокую скорость, SSP Kaimalino получило соответствующую силовую установку системы CODOG (Combined, diesel or gas). В средней части корпуса, позади центрального окна, располагалось помещение с двумя дизельными двигателями General Motors 8V-71T мощностью по 160 л.с. (брутто). По бокам от этого помещения имелись залы с газотурбинными двигателями General Electric T64-6B мощностью по 5000 л.с. При помощи двух редукторов мощность двигателей передавалась на два гребных винта, расположенные в кормовой части подводных корпусов-понтонов. Редукторы могли обеспечивать только попеременную работу дизельных и газотурбинных двигателей. Совместная работа не предусматривалась.

Строительство судна завершилось в 1973 году. Тогда же его испытали сотрудники судостроительного завода. В течение некоторого времени продолжалась проверка и доводка различных бортовых систем, после чего «Каималино» передали ученым. Площадкой для испытаний и исследований, начавшихся в 1975 году, стали тихоокеанские акватории вокруг Гавайских островов. Первый выход в море, совершенный в интересах науки, состоялся в июле 1975-го.

Хотя использованная архитектура и газотурбинные двигатели позволяли судну развивать высокие скорости, в ходе первых испытаний его разогнали только до 22 узлов. На таких скоростях проверялись особенности обтекания корпуса нестандартной конструкции, поведение судна и другие параметры. Проверялась и дальность плавания. При использовании дизельных двигателей и экономической скорости 5 узлов судно могло преодолеть до 1500 морских миль. Для газотурбинных двигателей наиболее выгодной была скорость 17 узлов, однако в таком случае дальность плавания сокращалась до 450 миль.

В ходе первых испытаний судно SSP Kaimalino подтвердило некоторые расчетные характеристики. Так, в сравнении с однокорпусными судами оно вело себя стабильнее и меньше качалось на волнах. Кроме того, имелся определенный запас для увеличения максимальной скорости хода. При таких характеристиках экспериментальное судно могло стать хорошей платформой для строительства техники различного назначения.

В 1980 году судно отправили на гавайский судостроительный завод Dillingham Shipyard, где оно прошло модернизацию. На корпусе были установлены дополнительные модули из стекловолокна, предназначенные для улучшения плавучести конструкции. Эти и другие доработки привели к увеличению водоизмещения до 228 т. После модернизации в 1981 году «Каималино» вновь вышло на испытания.

Суда, подобные экспериментальному, планировалось использовать в разных целях, в том числе в качестве плавучих платформ для морской авиации. Для таких испытаний судно SSP Kaimalino оснащалось специальным жестким покрытием крыши корпуса, закрывавшим центральное окно. С использованием вертолетов SH-2 Seasprite отрабатывались взлет и посадка на стоящее или движущееся судно. Скорость движения при этом постоянно увеличивали. Было установлено, что вертолеты могут уверенно осуществлять посадку и взлет при скоростях судна до 25 узлов.

В 1982 году флотские специалисты провели еще один любопытный эксперимент. На этот раз судно SSP Kaimalino оснастили строенным торпедным аппаратом Mk 32. При помощи этого оборудования изучалась возможности применения SWATH-судов в качестве противолодочных кораблей. Грузоподъемность существующего экспериментального судна позволяла перевозить набор необходимого оборудования для поиска подлодок противника, а торпедные аппараты давали возможность не только находить, но и уничтожать их. Таким образом, при минимальных переделках экспериментальное судно могло стать боевым кораблем.

Различные испытания и исследования с участием экспериментального судна SSP Kaimalino продолжались до 1994 года. За двадцать с лишним лет был собран большой объем данных о поведении подобных судов в различных условиях и возможности их использования в качестве платформ для различного специального оборудования. В некоторых таких испытаниях использовалось центральное окно корпуса, через которое в воду опускались различные элементы научной аппаратуры.

В 1994 году экспериментальное судно после двух десятилетий эксплуатации перевели в г. Сан-Диего (шт. Калифорния). Следующие три года «Каималино» простояло без дела, но уже в 1997-м его вновь вернули в эксплуатацию. На этот раз судно должно было стать платформой для отработки различных идей и решений в рамках нового проекта Sea Slice. Новое судно Sea Slice так же строилось по схеме SWATH/СМПВ, однако отличалось от SSP Kaimalino предназначением. На нем предполагалось устанавливать вооружение и аппаратуру военного назначения.

Необходимо отметить, что результаты исследований, проведенных с помощью судна «Каималино», использовались не только в проекте Sea Slice. Несколькими годами ранее компания Lockheed построила экспериментальный стелс-корабль Sea Shadow, который имел характерную конструкцию с двумя подводными корпусами-понтонами и вертикальными опорами.

По состоянию на середину прошлого десятилетия экспериментальное судно SSP Kaimalino оставалось в эксплуатации и активно использовалось американскими учеными в научно-исследовательских целях. Несмотря на свой солидный возраст, это судно было в хорошем состоянии и могло продолжать выполнять свои функции. В ходе продолжавшихся экспериментов судно позволило собрать большой объем информации, который до сих пор используется при создании новых проектов перспективной техники для американского флота.

Таким образом, экспериментальный проект «Каималино» можно признать полностью успешным. Его реализация позволила не только построить одно из самых интересных современных судов, но и собрать сведения о технике класса Small Waterplane Area Twin Hull. Эти данные, идеи и технические решения могут быть использованы в массе перспективных проектов в судостроении. Более того, некоторые новые корабли для ВМС США разрабатывались и строятся именно с использованием сведений, полученных в ходе испытаний SSP Kaimalino.