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.