Научные проблеми кораблебудування та їх вирішення

Научные проблеми кораблебудування та його решение

И.Г. Захаров, доктора технічних наук, професор, контр-адмірал; В. В. Емельянов, кандидат технічних наук, капітан 1 рангу; В. П. Щеголихин, доктора технічних наук, капітан 1 рангу; В. В. Чумаков, доктора медичних наук, професор, полковник медичної службы Создание сучасного корабля полягає в досягненнях багатьох наук, і на науках, вивчаючих морехідні характеристики корабля, архітектуру і міцність його корпусу, проблеми захисту від який уражує впливу зброї, питання взрывоі пожароопасности, скритності засоби виявлення по фізичним полях, і навіть забезпечення населеності і ще якості корабля. Рекомендовані під час проектування, будівництві кораблів технічні ідеї, й конкретні рішення мають відповідати рівню розвитку техніки як поточного періоду, а й прогнозованого на наступні 10−20 років. Саме тому в усьому циклі створення кораблів особливо важлива і відповідальна роль відводиться рішенню різних наукових проблем кораблебудування, вкладених у поліпшення бойових і експлуатаційних якостей надводних кораблів і підводних лодок.

Непотопляемость і остойчивость

Основы теорії та практики непотоплюваності кораблів було закладено на початку ХХ ст. чудовим російським флотоводцем і вченим віце-адміралом С. О. Макаровым, які потім розвинув академік А. Н. Крылов. Основоположником сучасної вітчизняної школи непотоплюваності кораблів з права вважається видатний ученый-кораблестроитель контр-адмірал В. Г. Власов. Щодо практики боротьби за непотоплюваність корабля внесли значний внесок Д. В. Дорогостайский і Г. Е. Павленко.

В кінці 40-х — початку 1960;х років постало питання у тому, який із методів випрямлення корабля, який отримав ушкодження корпусу з затопленням частини відсіків і має значний крен і диферент, рекомендувати на впровадження на флоті. Проведена з ініціативи 1-го Центрального науково-дослідного інституту (1-гоЦНИИ) ВМФ в 1953 г. наукову конференцію з питань живучості кораблів ухвалили розпочати натурні випробування по спрямлению кораблей.

Специальная комісія, у якій брали участь визначні флотські вчені 1-гоЦНИИМО, Військово-морський академії (ВМА) им. А. Н. Крылова, Вищої військово-морського інженерного ордена Леніна училища (ВВМИОЛУ) им. Ф. Э. Дзержинского й фахівці промисловості, провела унікальні опытовые навчання у Кронштадті по спрямлению крейсера «Максим Горький» й есмінці «Суворий». На кораблях піддавалися фактичному затоплення намічені відсіки. Через війну успішно проведених випробувань комісія одноголосно визнала найдоцільнішим спосіб випрямлення, запропонований В. Г. Власовым. Принциповою особливістю цього способу було визначення потрібного спрямляющего моменту і основі добору відсіків, що використовуються випрямлення за умов, коли немає достовірних даних про затоплених приміщеннях корабля. Такі умови в у максимальному ступені відповідали умовам боротьби за живучість корабля на бойовий обстановці. У цьому вся відмінність від раніше запропонованого А. Н. Крыловым способу та її практична цінність. Наказом по флоту випробуваний спосіб випрямлення кораблів був у действие.

Натурные випробування на есмінці «Кмітливий», проведені у 1949 г. із єдиною метою дослідження впливу вітрового крену вздовж, відкрили великий цикл експериментальних робіт з вивченню цієї проблеми, і до 1953 г. було створено теорія динамічної остійності. Найбільш значний внесок у роботу вніс співробітник ЦНДІ им. А. Н. Крылова Г. А.Фирсов.

Результаты досліджень у сфері остійності і непотоплюваності кораблів увійшли до вимоги ВМФ до, видані вперше у 1952 г. Нормування остійності корабля випливало з заданої інтенсивності вітру і качки, а непотоплюваності - по заданому кількості затоплених відсіків, параметрів посадки і остійності при этом.

Применительно до підводним човнам розрізняють надводну і підводний непотоплюваність. У першому етапі (на початок 1960;х років) нормування надводному непотоплюваності здійснювалося лише з розі аварійного статичного дифферента, величина якого було призначена без особливих обгрунтувань (при єдиному вимозі: відсутності якихось серйозних наслідків озброєння і технічних коштів підводного човна). Чисельні оцінки дифферента визначалися по диаграммам, запропонованим фахівцями ЦКБ-18 Д. Л. Гармашем А.В.Базилевичем.

Исследования подовжньої остійності кит сгонных і шпигатных підводних човнів, виконані С. И. Крыловым (фахівець 1-гоЦНИИМО), показали, що ні диферент, а запас подовжньої остійності є вирішальний чинник в оцінці безпеки становища аварійної підводного човна (ПЛ). Тому нормування запропонували виробляти як за величиною аварійного статичного дифферента, а й у максимальному плечу діаграми подовжньої статичної остійності. Вплив на непотоплюваність підводного човна морського хвилювання не розглядався й не враховувалося Зрослі швидкості кораблів, збільшення глибини занурення ПЛ зажадали поглибленого аналізу вимог, що висуваються до їх остійності і непотоплюваності. Розроблено «Загальні правила відновлення остійності і випрямлення ушкодженого корабля» і макети корабельної документації по непотоплюваності для надводних кораблів і підводних лодок.

Исследовательские роботи з вивчення вітрового крену дали змоги 1958 г. створити методику розрахунку граничною швидкості вітру, выдерживаемой кораблем за його русі на хвилюванні, що дозволило можливість перейти до нормуванню остійності корабля за тиску вітру, а, по його швидкості. У цей час співробітниками ЦНДІ им. А. Н. Крылова вирішувалася завдання про дії вздовж повітряної ударної хвилі від атомного вибуху, що дозволило розробити методику розрахунку крену корабля у тих условиях.

Несмотря на широкий комплекс теоретичних і експериментальних досліджень непотоплюваності підводних човнів, їх творці на початок 1970;х років не звертали належного увагу підвищену небезпека поведінки бескингстонных човнів при аваріях, що з надходженням води в міцний корпус при хвилюванні моря. Спеціальних вимог щодо такому випадку до проектувальникам не висувалось. Згодом були сформульовані вимоги до надводному непотоплюваності, які враховували б як затоплення шпигатных ЦГБ від впливу морського хвилювання, і впливу качки самої підводного лодки.

При створенні підводних човнів малим запасом плавучості виявилося, що вимогами з непотоплюваності до ПЛ двухкорпусного типу неможливо знайти повному обсязі застосовані до ПЛ однокорпусной архітектури. Тому 1-ї ЦНДІ МО наприкінці 80х років розробив нову концепцію забезпечення надводному і підводного непотоплюваності, яка б враховувала їх взаємовпливи друг на друга. Одночасно було висунуто вимогу до обов’язковому устаткуванню кингстонами однокорпусних підводних човнів і кінцевих ЦГБ на двокорпусних лодках.

Начиная з 50-х років проводили дослідження зі створення автоматизованих систем, які забезпечують роботу технічних засобів боротьби за живучість і непотоплюваність аварійної ПЛ. Такі системи потім вже створені і внедрены.

Особое увагу зверталося на конструктивне забезпечення запасів плавучості і остійності, автоматизацію розрахунків непотоплюваності. У рішенні останньої завдання активне участь прийняли фахівці 1-гоЦНИИМО, ЦНДІ им. А. Н. Крылова і НВО «Аврора». Фахівці 1-гоЦНИИМО були, зазвичай, як ініціаторами, а й безпосереднім виконавцем більшу частину досліджень у сфері непотоплюваності кораблів і підводних човнів, розробниками низки методичних матеріалів і монографій (академік М. С. Соломенко, С.І. Крилов, Ю.І. Кузнєцов і Л.Ю. Худяков).

Мореходность

Опыт війни, підвищення вимог до перспективним проектам кораблів і аналіз можливості їх використання їх у різних погодні умови ставили перед вітчизняними вченими проблему подальшого вдосконалення морехідних якостей кораблей.

Нужны були більш сучасна теорія, належна експериментальна база, систематичні випробування моделей і натурні випробування, дозволяють перевірити можливості корабля в море.

В ЦАГІ їм. Н. Е. Жуковського і ЦНДІ им. академикаА.Н.Крылова було проведено випробування, у басейні серії моделей есмінця з різними обводами в різних швидкостях і хвилюванні. Це й дозволило створити одну з найкращих, з погляду мореплавності, корабель в нашій країні - ескадрений міноносець проекту 56. Його корпус досі служить прототипом сучасних кораблів. Вершиною перевірки стали розширені морехідні випробування цього корабля у морі, які підтвердили правильність обраного пути.

В ЦНДІ им. академикаА.Н.Крылова приділялося серйозну увагу розвитку експериментальних коштів вивчення мореплавності. Під керуванням Г. А. Фирсова створено вітчизняний волнопродуктор в найдавнішому опытовом басейні. Це й дозволило розпочати експериментальним дослідженням качки на хвилюванні і що з нею явищ. Програма передбачала випробування великий серії моделей щодо виявлення оптимальних коефіцієнтів і геометричних співвідношень елементів корпусу корабля з погляду додаткового опору, заливаемости і оголения днища.

В початку 50-х років зусилля фахівців 1-гоЦНИИМО, ЦНДІ им. академикаА.Н.Крылова, НВО «Аврора» (А.Н.Шмырев, Г. А. Фирсов, Г. М. Хорошанский, В. А. Мореншильд, В. Б. Терезова та інші) зосереджувалися на дослідженнях, натурних перевірках заспокоювачів качки корабля, їх запровадженні й удосконаленні. Над цим визначалася ефективність різних систем заспокоювачів качки, законів управління ними, оцінена надійність конструкцій приводів і намітилося напрям подальших робіт. Домігшись високих гідродинамічних якостей керованих бортових рулів, на бойових кораблях вдалося досягти істотного зниження бортовий качки при сильному хвилюванні моря.

Работы Е. Б. Юдина послужили підвалинами методики розрахунку стабілізуючого моменту, створюваного бортовими рулями, і навіть яка потрібна на їх перекладання потужності, що дозволило на створення першого, яка у серійне виробництво, вітчизняний заспокоювач качки з бортовими керованими рулями (установлено в кораблях проекту 56). У 1960;х років в ЦНДІ им. А. Н. Крылова проводилися дослідження заспокоювачів качки як разрезных бортових рулів, що сприяло значному поліпшенню їхньої морехідних якостей. Морехідні випробування увійшли до практику державних випробувань головних кораблей.

На базі теоретичних і експериментальних досліджень, численних натурних випробувань розробили вимоги до мореплавності кораблів різних типів. Вони мусили викладено у «Тимчасових спільних домаганнях до бойових надводних кораблів» і в цьому свій відбиток у «Методиці проведення морехідних випробувань кораблів ВМФ».

В сукупності з модельними випробуваннями в басейнах натурні морехідні випробування кораблів і судів дозволили глибше вивчити поведінка їх у хвилюванні й забезпечити необхідну мореплавність під час проектування. Запропонована основі цих досліджень статистична теорія качки узагальнила розширили висновки теорії качки регулярним хвилюванні, розробленої академіком А. Н. Крыловым, відкрила нових шляхів розвитку цього розділу науки про кораблі роботами А. И. Вознесенского, А. В. Герасимова, М. Д. Хаскинда, И. Е. Бородая. Особливо значний внесок у теорію кораблі та сучасного вчення про мореплавності Г. А. Фирсова. У зв’язку з необхідністю забезпечення використання ракетної зброї з підводного становища проблему дослідження качки підводного човна під водою. Таке дослідження було виконано у 1-му ЦНИИМО Ю. И. Кузнецовым. Надалі визначення параметрів качки підводних човнів на перископной і стартовою глибині стала обов’язковою всім ракетних підводних лодок.

С появою авіанесучих кораблів став актуальним питання безпеки зліт-посадки літаків на палубу корабля за умов хвилювання. Виникла необхідність вивчення мореплавності кораблів з динамічними принципами підтримки (КДПП) за її русі як плавання. З цією напрямом пов’язаний низку робіт В. Г. Платонова і А. М. Янчевского. Помітне місце почали займати дослідження поведінки на хвилюванні глибоководних апаратів при плаванні в надводному положении.

К початку 90-х років ставляться робота зі створення швидкохідних кораблів порівняно невеликого водотоннажності, виконані як у традиційному, і у многокорпусном варіантах. Розробляються методи розрахункового прогнозування качки швидкохідних кораблів, плаваючих в перехідному режимі, з урахуванням дії днищевых керованих интерцептов, використовуваних як заспокоювачів (ЦНДІ им. академикаА.Н.Крылова, 1-ї ЦНДІ МО, МАИ).

В 1987 р. И. К. Бородаем сформульовані методи розрахунку качки у найбільш загальному разі руху корабля на хвилюванні - при маневруванні з безупинно изменяющимися швидкістю і курсом стосовно хвилюванням, завершився цикл систематичних досліджень Н. Н. Рахманина за динамікою аварійного корабля з затопленими відсіками різної категорії, що безпосередньо з рішенням проблем непотоплюваності корабля на хвилюванні.

Ходкость, керованість і движители

В поняття «загальнодоступність корабля», як відомо, вкладається здатність корабля здійснювати рух з максимальною швидкістю ходу при мінімальних енергетичних витратах. Що стосується підводним човнам це поняття розширюється: їх рух на повинен супроводжуватися інтенсивним демаскирующим шумом, що призводить до втрати їх скритності. Останні 50 років у області ходкости ПЛ проводили дослідження щодо забезпечення мінімально застосування опору переважно режимі ходу, досягненню найвищих пропульсивных характеристик ПЛ у її русі в цьому режимі, і навіть створенню конструкцій гребних гвинтів, які мають низьким рівнем шумоизлучения. Інтенсивному розвитку дослідницьких робіт у царині ходкости підводних човнів, починаючи початку 1950;х років, послужило широке впровадження ними атомних енергетичних установок.

Опыт натурних випробувань першої у вітчизняній атомній підводного човна переконливо показав, що колишні підходи у виборі зовнішніх обведень човнів та його зовнішньої архітектурі, розрахунках їх буксировочного опору під час руху у питній воді, вивченню умов роботи гребних гвинтів за корпусом корабля потребували серйозному перегляді. Ці ж випробування продемонстрували перспективність застосування на підводні човни спеціальних малошумных гребних гвинтів. Були розгорнуто комплексні цілеспрямовані дослідження, пов’язані з удосконаленням конструкції гвинтів. Завдання обесшумливания гребних гвинтів вирішувалася як шляхом акустичної оптимізації їх геометричних елементів, але й рахунок початку реалізації інших ідей, що поліпшують умови роботи гвинтів за корпусом підводного човна. Завдяки тісній співпраці фахівців в промисловості й ВМФ вдалося домогтися помітних б у розробці принципово нових теоретичних методів проектування гребних гвинтів, у створенні фізико-математичній моделі їх шумоизлучения, що, сутнісно, відкрило новий розподіл теорії корабля. Були докладно і послідовно досліджені всі складові опору підводного човни у її русі у питній воді, здійснено пошук форм корпуси та визначено головні размерения, щоб забезпечити найкращі пропульсивные якості і найбільш сприятливі умови до роботи гребного гвинта за корпусом корабля.

Следует відзначити, що під час виконання цих робіт запропонована ювелірна «операція вписування» лопатей малошумного гребного гвинта у той неоднорідність потоку, яку формують корпус підводного човна та її виступаючі частини щоб надати то повною мірою властивостей «малошумности». Рішуче видозмінилася сама концепція проектування гребних гвинтів для ПЛ. Корпуси підводних човнів придбали добре обтічну форму, з нього було прибрано всі деталі, які збільшують опір при русі на глибині. Частка опору турбулентного тертя води про обшивку корпусу ПЛ різко зросла і становить 65−70% від повного опору, ставши определяющей.

В отриманні позитивних результатів досліджень у сфері ходкости підводних човнів велике значення мало розвиток гідродинамічної експериментальної бази ЦНДІ им. академикаА.Н.Крылова, і навіть створення сучасних вимірювальних коштів, дозволили різко розширити номенклатуру виконуваних модельних вимірів, підвищити їхня точність і надійність. У результаті знайшли найперспективніші і реальні шляху істотного зниження опору руху у питній воді. Теоретичні обслуги були підтверджені серією випробувань великомасштабних моделей. Для перевірки методів зниження опору й у проведення гідродинамічних та інших досліджень, у натурних умовах, выясняющих ступінь впливу з так званого масштабного ефекту, було винесено рішення про будівництво спеціальної підводного лодки-лаборатории. І на цій підводного човна в 80-ті роки було проведено експерименти для вдосконалення гідродинамічних характеристик шляхом застосування різних засобів впливу на так званий прикордонний шар. У натурних умов було досягнуто зниження опору тертя на 30%, що загалом опір становить близько 25%.

Значительный внесок у дослідження прикладних аспектів проблеми зниження гідродинамічного опору й розробку конструкторських рішень внесли вчені Сибірського відділення Російської Академії Наук — співробітники Інституту теплофізики. Іркутського інституту органічної хімії (ИрИОХ), Інституту гидродинамики.

Одной з найважливіших віх у розвитку досліджень, у аналізованої області теорії корабля стало створення початку 1970;х років швидкісної серійної атомним підводним човни, де значною мірою були буде реалізовано всі заходи щодо гідродинамічної відпрацюванні обведень корпуси та геометричних елементів гребних гвинтів. І на цій підводного човна (проект 661) було досягнуто максимальна швидкість під водою (більш 40уз.), яка досі не перекрита там. Зафіксовані високі значення пропульсивного коефіцієнта (80%) і критичних швидкостей підводного човна (швидкостей, у яких шум гребного гвинта ще проявляється) виявилися близькими до гранично можливим й цілком збіглися з прогнозованими, що свідчило про обгрунтованість й надійності розроблених на той час розрахункових методов.

Но що тоді фахівцям у сфері ходкости підводних човнів з’ясувалося, у найближчі роках потайливих режимах руху їх шумность визначатимуть шуми гребних гвинтів некавитационной природи, які раніше маскувалися іншими джерелами. Створення конструкцій малошумных гребних гвинтів, які мають низькими рівнями некавитационного шуму, за збереження вже досягнутих пропульсивных і кавитационных характеристик, стало наступним циклом досліджень у сфері ходкости підводних човнів і обесшумливания гребних гвинтів. Ці дослідження тривають досі. Досягнення у сфері ходкости підводних човнів стали можливими завдяки роботам Ю. В. Кривцова, якого заслужено називають батьком вітчизняного глибоководного басейну, А. Д. Перника — автора першої вітчизняної конструкції малошумных гребних гвинтів, і навіть И. А. Титова — першопрохідника у сфері ходкости підводних човнів у її сучасному розумінні й багатьох інших працівників ЦНДІ им. академикаА.Н.Крылова, 1-гоЦНИИМО і ВВМИОЛУ їм. Ф. Э. Дзержинского (В.Ф.Бавип, Б. А. Самарин, А. С. Горшков, О. Н. Гончаров, Б. А. Бискуп, С. В. Куликов, В. П. Ильин, Б. Г. Тощев, И. А. Воров, А. Н. Патрашев, В. Ф. Дробленков, В. Н. Герасимов, Ю. С. Шалин, И.И.Сизов).

Как відомо, традиційний гребний гвинт як тип рушія здебільшого застосовується на водоизмещающих надводних кораблях.

Основным вимогою, що ставляться до гребним гвинтам надводних кораблів повоєнної будівлі, було забезпечення найкращих пропульсивных якостей, дозволяють максимально підвищити їх швидкість і дальність плавання. Зазвичай, що це трехлопастные гребні винты.

Начиная з середини 1960;х років як рушіїв надводних кораблів стали застосовуватися звані «малошумные» гребні гвинти, в конструкції яких реалізуються деякі ідеї, створені задля затримку моменту виникнення кавітації з збільшенням частоти обертання. Гвинти були четырехлопастными. Оскільки виникнення кавітації визначається як конструкцією гребних гвинтів, але та умовами його роботи, зокрема, неоднорідністю поля швидкостей натекающего потоку, то одночасно реалізовувалися пропозиції щодо вирівнюванню натекающего потоку. Усе це дозволило на 30−40% підвищити докавитационные швидкості і відповідно знизити рівні шуму на закритичних ходах.

В роки тривало будівництво серійних кораблів з малошумными гребними гвинтами першого покоління. Однак у інтересах підвищення ефективності нових потужних гидроакустических комплексів знадобився додатковий прогрес в обесшумливании корабельних движителей.

К кінцю 70-х років було сформульований образ малошумных корабельних гвинтів другого покоління. Серійні надводні кораблі обладнуються переважно пятилопастными гребними гвинтами помірною саблевидностью. У багатьох проектів застосовуються підвід повітря до що входить крайкам лопатей і выравнивающие устройства.

Эти заходи дозволила докавитационные швидкості на 35−45% за незначного зниження рівнів підводного шуму на закритичних ходах на 10−15Дб. Водночас у 2−2,5 разу знизилися амплітуди періодичних сил, переданих гребними гвинтами корпусу.

Несмотря на досягнутий прогрес в обесшумливании корабельних рушіїв, проблема поліпшення гидроакустических якостей продовжує залишатися. Стало очевидним, що з її вирішення потрібне вдосконалення як теоретичних, і експериментальних досліджень. На цей час майже всі резерви пропульсивных і гидроакустических якостей кораблів на умовах застосування звичайних гребних гвинтів значною мірою вичерпані. Тому актуальним стала розробка таких конструкцій гвинтів, які мають підвищеними гидроакустическими якостями у ідеалізованих умовах здавальних випробувань кораблів, а й у реальних умов експлуатації з урахуванням впливу хвилювання, погіршення стану поверхні обшивки корпусу, маневрування тощо. Ця проблеми можуть стати вирішеною шляхом застосування гвинтів регульованого кроку. Передумови при цьому на вітчизняних швидкохідних водоизмещающих надводних кораблях створено завдяки розробці силових установок зі зниженою номінальною частотою вращения.

Для забезпечення нового прориву у поліпшенні пропульсивных і гидроакустических якостей надводних кораблів переважно застосування рушіїв нових типів, наприклад, соосных гребних гвинтів протилежного обертання. Вагомий внесок у створення сучасної теорії ходкости і рушіїв надводних кораблів, у житлове будівництво сучасної експериментальної бази й проведення натурних випробувань внесли фахівці ЦНДІ им. академикаА.Н.Крылова, 1-гоЦНИИМО, ЛКИ і проектних бюро: В. А. Миниович, А. М. Басин, И. А. Титов, С. В. Куликов, И. Д. Желтухин, В. К. Турбал, В. К. Иванов, И. Н. Сыркин, Л. С. Артюшков, А. Ш. Ачкинадзе, М. Н. Саморуков, Ю. С. Шалин і другие.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.