Опыт мирового судоходства свидетельствует об успешной эксплуатации скоростных морских катамаранов. Двухкорпусные суда различных типов продолжают строиться в большом количестве. Так, только за период с 1990 по 1995 г. число введенных в строй морских катамаранов возросло с 312 до 500 единиц; при этом доля катамаранов в общем количестве построенных за те же пять лет морских судов возросла с 34 до 42%. Лидирующее положение в создании судов рассматриваемого типа занимает Австралия — на ее верфях построено около четверти общего количества построенных в мире катамаранов. Немало двухкорпусных судов построено также в Норвегии, Японии и Финляндии.
Постоянно совершенствуется архитектурно-конструктивный тип двухкорпусных судов, возрастает их грузо- и пассажировместимость, повышаются скоростные характеристики и мореходность, обеспечивается более высокий уровень комфортности для пассажиров. Характерной тенденцией является неуклонный рост скоростей хода: у большинства построенных морских катамаранов эксплуатационная скорость находится в пределах 38-42 узла, а на некоторых достигнута максимальная скорость 45-50 узлов. Таким образом, благодаря использованию двухкорпусных судов можно считать преодоленным 40-узловый барьер скорости в развитии мирового транспортного флота.
В последнее время в ряде стран все чаще проектируют и строят двухкорпусные суда гибридных типов. На таких судах в целях всемерного снижения сопротивления движению и повышения мореходности применяют комбинированные обводы корпусов, а также используют нетрадиционные гидродинамические принципы поддержания — при помощи подводных крыльев или воздушной подушки.
1. Катамараны с корпусами большого удлинения и V-образными обводами
Основной составляющей полного сопротивления быстроходного судна является волновое сопротивление, обусловленное возникновением судовых волн под действием сил тяжести частиц жидкости. Вызванное движением судна волнообразование состоит из носовой и кормовой групп расходящихся и поперечных волн, причем основную роль в создании сопротивления играют именно поперечные волны. В процессе движения судна происходит наложение — интерференция этих групп волн. При одних скоростях движения возникает неблагоприятная интерференция, в результате которой амплитуда результирующих волн возрастает и волновое сопротивление увеличивается; при других скоростях, наоборот, наблюдается благоприятная интерференция носовой и кормовой групп волн, т.е. происходит снижение интенсивности волнообразования за кормой и общая величина волнового сопротивления Rв уменьшается.
Картина волнообразования за корпусом движущегося судна, а следовательно и величина Rв, зависят прежде всего от скорости движения, поэтому волновое сопротивление моделируется по числу Фруда
При малых скоростях, определяемых числом Фруда 0.10÷0.15, волновое сопротивление практически отсутствует. С увеличением скорости оно резко возрастает и при Fr ~ 0.5 наблюдается четко выраженный максимум Rв — возникает проблема преодоления так называемого "волнового барьера" (для этого приходится использовать различные гидромеханические и конструктивные средства).
Волновое сопротивление весьма существенно зависит также от формы обводов корпуса и соотношения главных размерений судна. При этом преобладающее влияние на Rв оказывают: коэффициент общей полноты судна 5; относительная длина корпуса L/B или L/V1/3 (где V — объемное водоизмещение судна); относительная ширина В/Т, а также обводы судна в оконечностях. При этом увеличение относительной длины способствует снижению Rв тем большему, чем выше число Фруда.
Волновое сопротивление интенсивно уменьшается с увеличением глубины погружения тела (корпуса судна). Известно, что подводные лодки в подводном положении не испытывают волнового сопротивления. Относительная глубина погружения корпуса, при движении на которой не будет волнообразования, может быть определена из условия H/L ≥ 1.5·Fr-0.15.
И наконец, у движущегося катамарана возникает гидромеханическое взаимодействие волновых систем обоих корпусов. При благоприятном их взаимодействии может быть достигнуто некоторое снижение Rв, величина которого зависит также от обводов корпусов и их горизонтально-поперечного клиренса.
В целях повышения пропульсивных и мореходных качеств корпуса катамаранов обычно выполняются с большим относительным удлинением lк/bк. В этом отношении следует, например, отметить серию из шести судов австралийской фирмы "InCat". На самом крупном катамаране этой серии "InCat 050", построенном в 1998 г., корпуса имеют очень высокое относительное удлинение — 19.1, что и позволило существенно снизить волновое сопротивление на режиме полного хода и обеспечить эксплуатационную скорость 42 узла при относительно умеренной мощности энергетической установки.
В стадии постройки находится еще более крупный катамаран со "сверхузкими" корпусами, имеющими относительное удлинение 21.7. При главных размерениях 120x29x4.7 м длина корпусов по КВЛ равна 102.3 м, а ширина — 4.7 м. При дедвейте 1200 т и газотурбинной ЭУ мощностью 4x13100 кВт судно будет способно развивать скорость 51 узел, имея на борту 1200 пассажиров и 460 автомобилей.
Японская фирма "IHI" разработала типоразмерный ряд катамаранов со "сверхтонкими" корпусами типа "SSTH" (Super Slender twin hull) длиной от 30 до 200 м. Один из наиболее крупных катамаранов этой серии, имеющий главные размерения 153.5x27.5 м, будет способен развивать скорость 37 узлов при двухвальной энергетической установке общей мощностью 41 200 кВт.
Известно, что при движении на волнении судно испытывает вертикальную, бортовую и продольную качку, в результате чего возникают заливание палубы и надстроек, опасность слеминга (т.е. гидродинамических ударов корпуса о встречную волну) и потери остойчивости. Все эти явления значительно ухудшают комфортность пассажиров и обитаемость экипажа. От воздействия волн возникают ускорения (перегрузки), которые принято оценивать в долях от ускорения свободного падения g (если величина этих перегрузок, измеренных в центре тяжести судна, ниже 0.2g, мореходность судна оценивается как достаточная).
Кроме того, в условиях волнения ухудшаются ходовые характеристики судна вследствие возрастания сопротивления движению и снижения эффективности работы движителей. В ряде случаев возникает необходимость намеренного снижения скорости движения судна или даже изменения его курса.
Одним из конструктивных средств повышения мореходности катамаранов является использование обводов типа "глубокое V", которые до недавнего времени широко применялись лишь в катеростроении. По сравнению с обычными малок-леватыми и круглоскулыми, V-образные обводы, смягчающие удары о волну, позволяют значительно снизить вероятность слеминга и повысить устойчивость судна на курсе; кроме того, снижается заливаемость его водой, возрастает остойчивость. Важным эксплуатационным преимуществом V-образных обводов является снижение фактической потери скорости при ходе на волнении.
С целью дальнейшего повышения эффективности эксплуатации большинство построенных за последнее время скоростных катамаранов оборудовано специальной системой стабилизации движения судна в условиях волнения MDS (Motion Damping System). Эта система включает Т-образные подводные крылья с закрылками, устанавливаемые в носовой оконечности каждого корпуса, активные триммеры на транце — управляемые транцевые плиты, а также интерцепторы по периметру корпусов. Как показал опыт, система MDS обеспечивает умерение (на 50%) амплитуд килевой качки и перемещений при вертикальной качке; снижение в 1.5-2 раза перегрузок, а также упрощение дифферентовки в условиях волнения. В результате существенно повышается уровень комфортности на борту.
В частности, такая система применена на пассажирском катамаране с остроскулыми обводами, построенном на украинской верфи "Море" (Феодосия). Катамаран водоизмещением 77 т имеет плавные размерения 30.4x8.6x0.9 м и вместимость 200 пассажиров. Два носовых Т-образных крыла выполнены из титанового сплава. Интерцепторы установлены в корме. Дизельная ЭУ мощностью 4x788 кВт работает на два винта, обеспечивая скорость 45 узлов.
2. Катамараны с относительно малой площадью ватерлинии
Как отмечалось выше, снижение волнового сопротивления может быть достигнуто и заглублением плавучего объема судна, т.е. создания катамарана с подповерхностными корпусами типа SWATH (СМПВ). Эта модификация в последнее время также получает развитие. Конструктивно СМПВ состоит из двух подводных сигарообразных корпусов с большим относительным удлинением, каждый из которых при помощи одной или двух вертикальных стоек соединен с надводной частью судна, имеющей вид несущей платформы. На этой платформе размещаются перевозимый груз, помещения для пассажиров, оборудование. В подводных корпусах располагаются энергетическая установка, судовые системы и устройства, балластные и топливные цистерны.
Характерной особенностью катамаранов-СМПВ является малая площадь действующей ватерлинии — она определяется лишь площадью сечения уровнем воды поддерживающих стоек. Их основными эксплуатационными преимуществами являются высокие мореходные качества и комфортность, снижение потери скорости хода на волнении. Эти положительные качества обусловлены малым возмущающим воздействием волн на судно (благодаря уменьшенной площади ватерлинии) и большими величинами собственных периодов вертикальной и продольной качки, в результате чего судно менее подвержено слемингу и заливаемости. Однако СМПВ имеют большую удельную смоченную поверхность корпусов, по сравнению с обычными катамаранами, а это приводит к возрастанию сопротивления трения. Такие суда по энергетическим характеристикам могут быть конкурентоспособными с другими многокорпусниками лишь при достаточно высоких скоростях, при которых волновое сопротивление становится основной составляющей полного сопротивления. У катамаранов типа СМПВ снижение волнового сопротивления достигается за счет заглубления корпусов и использования благоприятной интерференции — наложения волновых систем.
В последнее время в качестве гибридных катамаранов проектируют и строят двухкорпусные суда с частичным использованием концепции СМПВ. Такие суда получили название "полу-СМПВ" (semiSWATH). Конструктивно они выполняются с уменьшенной шириной корпусов в районе эксплуатационной ватерлинии. По этому принципу спроектирован и построен ряд довольно крупных катамаранов в Норвегии, Дании и Австралии.
Значительный интерес представляют катамараны гибридного типа "HSS.1500" и подобные им, но меньшие по размерам, типа "HSS.900". Комплекс примененных на этих судах конструктивных и гидромеханических средств обусловил значительное снижение волнового сопротивления на расчетной скорости (40 уз) и повышение эксплуатационных качеств. Отметим необычные по форме обводов корпуса с большим относительным удлинением, уменьшенную (по сравнению с обычными катамаранами) площадь действующей ватерлинии, применение носовых бульбов, а также установку на обоих корпусах активных успокоителей бортовой качки и носовых подруливающих устройств. Улучшены маневренные качества катамаранов, конструктивно обеспечено уменьшение уровня вибраций и перегрузок от воздействия волн, а также шумности в пассажирских салонах.
Как показал анализ испытаний головного катамарана "Stena Explorer" (типа "HSS.1500"), его число Фруда составляет 0.58 (для судов типа "HSS.900" оно еще больше и равно 0.7). Таким образом, можно заключить, что расчетный режим эксплуатации этих судов, благодаря применению ряда новых решений, приходится на закритическую по волновому сопротивлению область (т.е. выше, чем Fr ~ 0.5). Этому способствуют также повышенная энерговооруженность судна (суммарная мощность главной ЭУ составляет 68 000 кВт) и высокая эффективность многоваль-ной водометной пропульсивной установки.
Успешно эксплуатируются датские катамараны "Mai Mols" и "Mie Mols" типа "Seajet-250", на которых применена та же концепция полу-СМПВ. Эти суда паромного типа имеют следующие основные характеристики: главные размерения — 76.12x23.4x3.36 м; дедвейт — 250 т; вместимость — 450 пассажиров и 120 автомобилей. Двухвальная газотурбинная ЭУ суммарной мощностью 24 800 кВт, осуществляющая привод четырех водометов "КаМеВа", обеспечивает эксплуатационную скорость 43.6 уз и максимальную — 46.4 уз.
Корпуса сварной конструкции выполнены из алюминия. В районе эксплуатационной ватерлинии они частично сужены, что обусловило некоторое уменьшение площадей ватерлиний. Корпуса спроектированы с большим удлинением и бульбообразной носовой оконечностью, что также способствует снижению волнового сопротивления на расчетной скорости. Отмечается, что примененные решения обусловили снижение на 50% вертикальных и продольных перемещений и перегрузок при эксплуатации на волнении. Благодаря дополнительной плавучести соединительного моста и разделения корпусов на водонепроницаемые отсеки обеспечены непотопляемость и аварийная остойчивость судна при затоплении обоих корпусов на 1/3 их длины.
Дополнительное сопротивление при ходе на волнении не превышает 4-6%; суда сохраняют проектную скорость при эксплуатации на волне высотой до 2.5 м.
Концепция полу-СМПВ применена также на нескольких катамаранах типа "Auto Express 82", построенных в Австралии. Это паромные суда "Felix" и "Dolphin", имеющие главные размерения — 82.3x23.0x2.7 м; дедвейт — 320 т; вместимость — 676 пассажиров и 156 автомобилей; четырехвальная водометная установка типа "КаМеВа 112" с приводом от четырех дизелей суммарной мощностью 24 000 кВт обеспечивает эксплуатационную скорость 40.5 уз и максимальную 41.5 уз.
3. Катамараны с нетрадиционными принципами поддержания
Большинство построенных и проектируемых в настоящее время катамаранов являются судами водоизмещающего типа, плавучесть которых обеспечивается гидростатической (Архимедовой) силой поддержания. Известно, что по мере увеличения скорости движения величина этой силы уменьшается, так как возникают и начинают играть все более важную роль гидродинамические силы поддержания. Существуют различные средства практического осуществления гидродинамического принципа поддержания. Для этого используют глиссирующие или полуглиссирующие обводы корпуса, а в последнее время применяют несущие подводные крылья, которые позволяют поднять (или приподнять) корпуса из воды и тем самым уменьшить сопротивление движению. Подъем судна из воды может быть осуществлен также при помощи аэростатических сил, создаваемых воздушной подушкой.
Катамараны на подводных крыльях
Крыльевое устройство, необходимое для движения судна в крыльевом режиме, должно обеспечивать быстрый выход судна на крылья, устойчивое и безопасное движение его не только на тихой воде, но и на волнении (при заданной высоте волны), сохранять постоянство подъемной силы крыльев в широком диапазоне скоростей хода. Разумеется, оно должно быть простым и надежным в эксплуатации.
На большинстве построенных морских катамаранов-СПК применены глубокопогруженные, автоматически управляемые подводные крылья (АУПК). Постоянство подъемной силы этих крыльев обеспечивается изменением угла атаки механических закрылков путем поворота их при помощи автоматической системы. Как показал опыт эксплуатации, АУПК не только обеспечивают повышение скорости, но и позволяют существенно уменьшить вредное влияние качки и повысить комфортность.
На некоторых КПК применены стреловидные в плане крылья. Придание крылу стреловидности оттягивает появление кавитации (она возникает на большей скорости движения), повышает устойчивость судна на курсе и его мореходность. Скорость, соответствующая моменту отрыва корпуса от воды, у большинства катамаранов-СПК находится в пределах 0.5÷0.6 от скорости полного хода.
Норвежской фирмой "Westmarin West AS" построен скоростной КПК "Foilcat 2900", крыльевое устройство которого состоит из носовых разрезных и кормового сплошного (неразрезного) крыльев, выполненных из нержавеющей стали. Размах каждого носового ПК — 2.5 м, а кормового — 7.79 м. Оба крыла являются плоскими и глубокопогруженными, имеют стреловидность в плане. Кормовое крыло воспринимает 60% массы судна, а остальная часть нагрузки приходится на носовые крылья. В качестве движителей применены два тянущих гребных винта диаметром 1.25 м, передача мощности к которым от дизелей осуществляется через угловую передачу.
Большой интерес представляет построенный в Японии фирмой "МНУ" высокоскоростной СПК "Rainbow". На нем применен ряд новых технических решений, обеспечивающих всемерное снижение водоизмещения, повышение гидродинамической эффективности крыльевого устройства и водометных движителей. Особенностью корпусов является применение V-образных обводов на значительной части их длины, что способствует повышению мореходности судна. Корпуса выполнены из алюминия, причем в конструкцию включены дополнительные элементы для снижения вибрации и уровня шума в пассажирских салонах (до 76 дБ).
Крыльевое устройство состоит из двух идентичных по всем характеристикам АУПК из нержавеющей стали. Размах каждого крыла — 12.8 м. Концевые участки крыльев — цельные, а остальная часть — полая. Для обеспечения стабильности движения установлена специальная система управления крыльями APF (Auto Pilot on Foils).
Пропульсивная установка состоит из четырех высокооборотных облегченных дизелей марки "S16R-MTK-S", обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками, и двух водометов "MWJ-5000A", разработанных "Мицубиси". Необычный по типу и конструкции лопастной механизм этого водомета, имеющий рабочее колесо каскадного типа с двумя рядами лопаток, способен развивать дополнительную тягу для преодоления "горба" сопротивления при выходе на крылья. Управляемость и маневренные качества обеспечиваются реверсивно-рулевым устройством водометов, а также системой закрылков, установленных на стойках носового крыла.
Другая японская фирма "Hitachi Zosen", продолжая работы по созданию новых и все более совершенных катамаранов, построила головной СПК типа "Superjet-40" водоизмещением 300 т со скоростью хода 45 узлов. Это — дальнейшее развитие ранее построенной серии паромов типа "Superjet-30": увеличены размерения и пассажировместимость (до 300 чел.); применение более мощной энергетической установки позволило повысить скорость на 7 узлов. Два АУПК расположены между корпусами, имеющими V-образные обводы. Четыре дизеля (по два в корпусе) работают на два водомета. Отмечаются повышенный уровень комфортности, хорошие мореходные качества и маневренность ОТК.
Проектирование и постройка двухкорпусных СПК осуществляются также и в Южной Корее. Так, фирмой "Huindai Heavy Ind" еще в 1993 г. построен первый КПК, имеющий главные размерения — 45.0x11.4x1.6 м и пассажировместимость 300 чел. Крыльевое устройство состоит из двух АУПК. Двухвальная дизельная энергетическая установка общей мощностью 8210 кВт обеспечивает эксплуатационную скорость 40 узлов. На основе успешного опыта эксплуатации этого катамарана разработан проект более крупного ОТК длиной 80 м (дедвейт 240 т), рассчитанного на перевозку 630 пассажиров и 160 автомобилей. Четыре газовые турбины общей мощностью 28 000 кВт, работающие на два водомета, обеспечивают скорость 45 узлов.
Отметим, что водоизмещение уже находящихся в эксплуатации ОТК, как правило, не превышает 300 т. Создание более крупных катамаранов на крыльях, как отмечают специалисты, проблематично, поскольку существенно возрастают габариты и масса крыльевого устройства; кроме того, возникают конструктивные трудности осуществления автоматизации крыльев столь больших размеров. Именно поэтому, когда речь идет о более крупных катамаранах, подводные крылья на сегодня рассматриваются не как средство повышения скорости, а лишь как основная часть системы стабилизации движения и дифферентовки судна (см. выше о системе MDS).
Катамараны на воздушной подушке
Известны два принципиально отличных типа судов на воздушной подушке: амфибийные, корпус которых при движении может полностью отрываться от воды, так что судно способно выходить на берег, и неамфибийные, или скеговые, с неполным отрывом корпуса от воды, имеющие жесткие бортовые ограждения (скеги) зоны воздушной подушки.
Первые скеговые СВП малых размерений были построены в 60-х годах, в том числе и в нашей стране; скорость их составляла 30-40 узлов. Опыт создания и эксплуатации этих скеговых СВП в последнее время используется для разработки проектов и постройки все более крупных катамаранов на воздушной подушке (СВП).
Каждый корпус такого СВП состоит из основной части и отходящих от нее вниз по бортам скегов — узких корпусов, ширина которых обычно меньше половины ширины основной части. На малотоннажных СВП применяют "узкие скеги", а на среднетоннажных и крупных судах выполняют скеги в виде объемных водоизмещающих конструкций.
Эти скеги-корпуса не только ограждают область ВП, но и обеспечивают плавучесть и остойчивость катамарана, его общую и местную прочность; служат объемом для размещения двигателей и движителей.
На корпусах СВП в статическом положении возникает гидростатическая (Архимедова) сила поддержания
(где Wск — погруженный объем одного скега), а при движении возникает также некоторая гидродинамическая подъемная сила.
Отличительной особенностью СВП является наличие специального подъемного комплекса, предназначенного для создания и поддержания ВП под днищем основной части корпусов. Равнодействующая статических давлений воздуха на днищевую часть корпуса является аэростатической подъемной силой СВП, которая определяется выражением
(где Рвп — давление воздуха в подушке; Sвп — площадь подушки). Таким образом, общая сила поддержания катамарана будет равна
На построенных СВП 80-85% общей силы поддержания Y приходится на Yас и 15-20% — на Yгс. Важным конструктивным элементом двухкорпусных СПК является гибкое ограждение области воздушной подушки в оконечностях. Оно должно быть достаточно гибким и иметь специальную форму, обеспечивающую наименьшее гидродинамическое сопротивление.
Отмеченные выше особенности гидроаэродинамической компоновки СВП обуславливают необходимость отдельной ЭУ для создания и поддержания воздушной подушки; на построенных и проектируемых катамаранах ее мощность составляет 25-30% полной мощности ЭУ судна.
В качестве главных двигателей на СВП используются высокооборотные легкие дизели и газовые турбины в различном сочетании, в качестве движителей — гребные винты различных типов (в т.ч. ВРШ, ЧПВ и суперкавитирующие, предназначенные для работы в условиях сильно развитой кавитации) и водометы. Характерным является широкое применение многовальных водометных установок с повышенными энергетическими характеристиками. Это обусловлено такими преимуществами водометов, по сравнению с гребными винтами, как удобство компоновки в узких скегах (корпусах), конструктивная простота и повышенная надежность эксплуатации, возможность уменьшения осадки судна, пониженная шумность и уровень вибрации корпуса, высокие маневренные качества водометного судна.
Анализ опыта эксплуатации свидетельствует о перспективности дальнейшего развития гибридных катамаранов на воздушной подушке, обеспечивающих повышенный уровень комфортности. Отмечаются малая подверженность судна влиянию ветра и достаточная устойчивость на курсе, относительно малые перегрузки от воздействия на судно морских волн, отсутствие высокочастотных шумов, которые на амфибийных СВП создаются воздушными пропеллерами.
Наиболее крупным катамараном этого типа является техносуперлайнер TSL-A "Hisho", разрабатываемый по японской программе создания скоростных паромов типа "РО-РО". Этот паром имеет главные размерения 125x27x4.7/1.5 м (величина осадки 1.5 м соответствует режиму движения на воздушной подушке); полезная нагрузка 1100 т. Пропульсивная ЭУ, состоящая из двух газовых турбин типа LM 1600 общей мощностью 26 200 кВт, работает на четыре водомета, обеспечивая скорость 42-50 узлов. Дизельная ЭУ из четырех двигателей по 4410 кВт работает на вентиляторы для создания и поддержания ВП.
