Концепция построения сверхскоростных и экономичных судов

Написать это письмо нас подтолкнул №176 Вашего журнала, в частности, статья редактора о состоянии дел в любительском судостроении и особенно "Bladerunner" — "Бегущий на лезвиях". В ней говорится: "Складывается впечатление, что время бурного поиска прошло: каждому типичному назначению современного катера соответствуют хорошо отработанные и более или менее одинаковые по обводам серийные корпуса. Кажется, все уже продумано, апробировано, внедрено. Соревнование кораблестроителей перешло в несколько иную плоскость. Сравнивают не какой-то один показатель (в прошлом это чаще была максимальная скорость на гладкой воде), а расплывчатую совокупность иногда ничем не измеряемых и далеких от морской техники характеристик."

В принципе, трудно не согласиться с таким положением дел. Оно является закономерным развитием любой технической системы и говорит о том, что данная система в рамках выбранной для нее концепции построения подошла к пределу своего технического совершенствования (известная S-образная кривая развития технических систем).

Мы хотели бы нарушить эту, в некотором роде болотную, идиллию и предложить еще одно направление для приложения пытливых конструкторских умов. Предлагаем вниманию читателей "КиЯ" идею новой концепции построения сверхскоростных и экономичных судов, обладающих к тому же отличными ходовыми качествами. Окончательную оценку предлагаемого технического решения, конечно, должны дать специалисты, а подтвердить изложенные в нем идеи — постройка и ходовые испытания реального катера. Успешная же реализация этой идеи может стать основой нового направления в судостроении.

Подавляющую часть мирового надводного флота составляют суда водоизмещающего типа с движителями в виде гребных винтов, расположенными в кормовой части. Но за многие десятки лет существования надводных судов их скорость ощутимо не изменилась и в настоящее время составляет несколько десятков километров в час, несмотря на постоянное совершенствование формы корпуса и двигательные установки в десятки и сотни тысяч лошадиных сил. Объясняется это тем, что сопротивление движению таких судов с ростом скорости растет резко нелинейно и требует для его преодоления больших энергетических затрат. Повышение скорости их движения или снижение энергозатрат на несколько процентов считается уже большим достижением, и это дает основание говорить о том, что надводные суда традиционной конструкции подошли к пределу своего совершенства и необходим переход к новой технической системе, позволяющей достичь качественно иных результатов.


В №176 "КиЯ" есть статья "Приближенная оценка экономичности водоизмещающего катера", где достаточно полно рассмотрены силы сопротивления движению таких судов. Поэтому для сохранения единства описания идеи, мы позволим себе привести только краткое указание на основные составляющие сил сопротивления движению и сказать об их влиянии на скорость движения. Кроме того, по нашему мнению, данные материалы являются весьма своевременным и нетривиальным продолжением темы статьи об экономичности водоизмещающих судов. Вот только основная масса формул и графиков статьи при успешной реализации нашей идеи судостроителям уже не понадобится. Но ближе к теме.

Надводное судно водоизмещающего типа в общем случае представляет собой корпус в форме клина или двойного клина с гребными винтами-движителями, расположенными в его кормовой части. Но именно размещение движителей в кормовой части судна создает условия для возникновения сил сопротивления движению. При работе движителей в кормовой части судна создается зона пониженного давления, а на его носовую часть действуют соответствующие силы лобового давления. Преодолевая его и раздвигая массу воды, корпус судна создает систему волн, приводящую к появлению волнового сопротивления, принципиально ограничивающего скорость движения судна известным соотношением Фруда. При движении судна на его корпус действуют еще силы трения, также противодействующие движению. Сумма этих основных сил и создает мощное сопротивление движению судов, снижение которого и является основной задачей всех судостроителей. Однако, как показывает опыт развития мирового судостроения, совершенствованием формы корпуса и увеличением мощности двигательных установок добиться существенного снижения сил сопротивления и увеличения скорости движения пока не удается.

Вполне логично в связи с этим выглядели попытки размещения движителей на носовой части судна. "Передний привод" должен бы снизить лобовое давление и привести к появлению сил кормового давления, действующих в направлении движения. Положительный эффект у известных конструкций судов с "передним приводом" практически полностью нивелируется возрастанием сил трения за счет "прилипания" к корпусу упорных струй от винтов и перераспределения сил давления по корпусу судна.


Как известно, ходовые качества судна не только определяются сопротивлением движению корпуса и КПД движителя, но и существенно зависят от величины коэффициента засасывания t и коэффициента попутного потока W. Не будем вдаваться в физическую сущность этих коэффициентов и тонкости их влияния на ходовые качества судна, а согласимся с данными специалистов, что при традиционных обводах корпуса и расположении движителей в корме t≈0,06-0,08, W≈0,02-0,05, а коэффициент влияния корпуса η_к=1-t/1-W≈0,94-0,98, т.е. достаточно близок к пределу.

При носовом же расположении движителей у известных конструкций судов t≈0,2, W=0, а коэффициент влияния корпуса η_к≈0,8, т.е. ухудшается почти на 20%. Это одна из причин, по которой "передний привод" до настоящего времени не нашел практического применения в судостроении.

Из формулы для η_к можно видеть, что обеспечить его существенное увеличение может только коэффициент попутного потока W, так как при его увеличении до 1 коэффициент η_к стремится к бесконечности.

Следует отметить, что попутному потоку в судостроении уделяется явно недостаточное внимание, хотя его влияние на движение судна известно и пассивно используется (см., например, Х. Баадер. "Разъездные, туристские и спортивные катера". Л., Судостроение, 1977, с.274). Там говорится: "Гребной винт всегда стремятся расположить как можно выгоднее в поле попутного потока, влияние которого увеличивает упор винта, не требуя для этого увеличения мощности. Чем сильнее попутный поток, тем меньшая мощность требуется от движителя".

Конечно, попутный поток в несколько процентов не в состоянии оказать заметного влияния на скорость движения судов. Создать же попутный поток, способный значительно повлиять на их ходовые качества, пока никому не удавалось, хотя в явном виде такая задача в литературе по судостроению не встречалась. В то же время в природных условиях такие потоки можно наблюдать довольно часто, например, за резкими выступами или изгибами берегов рек. Это мощные и достаточно протяженные потоки, направленные против течения реки. В литературе по судовождению они носят название аномальных и весьма опасны для малых судов. На сибирских реках в них попадают и не могут из них выйти даже вековые деревья. Таким образом, если повторить это природное явление техническими средствами и создать вдоль корпуса судна достаточно мощный попутный поток, то появится возможность значительно снизить энергозатраты судна или повысить скорость его движения при той же мощности двигательной установки.


Правильность исходных предпосылок и работоспособность идеи были проверены на нескольких моделях с гребными винтами и водометными движителями. Конструктивно движители располагались в носовой части корпуса, изменена была и традиционная форма корпуса, благодаря чему удалось достичь следующих физических эффектов и результатов:

1. Перед носовой частью судна создается разрежение и появляются силы кормового давления, направленные в сторону движения.

2. Упорные струи от винтов не прижимаются к корпусу, и за ними образуется попутный поток.

3. За счет эжекции в упорные струи попутный поток приобретает скорость большую, чем скорость судна, что приводит к появлению сил трения, но направленных уже в сторону движения и способствующих ему.

4. Забор воды в носовой части и попутный поток вдоль корпуса в направлении движения ликвидируют волнообразование, и судно движется в спокойной воде. Таким образом, снимается принципиальное ограничение скорости движения, обусловленное волновым сопротивлением. При этом в значительной мере гасится внешнее волнение вдоль корпуса судна и снижается его влияние на ходовые качества.

5. Судно приобретает хорошую устойчивость по курсу и высокую маневренность, при этом развороты можно производить практически на месте.

6. Благодаря форме корпуса, в условиях внешнего волнения судно при неработающих движителях разворачивается носом к волнам и движется навстречу им, что способствует повышению его непотопляемости.

7. Существенно сокращаются конструктивные ограничения и снижаются требования к корпусу судна. Не потребуется изобретать экзотические обводы и добиваться высокой гладкости поверхности, без существенных потерь скорости смогут двигаться суда размером, например, с футбольное поле и более. И хотя для маломерного судостроения такие габариты не требуются, но проблемы увеличения жизненного пространства и повышения комфортабельности разъездных, туристских и прочих катеров весьма актуальны.

Можно было бы назвать и другие положительные эффекты, но и перечисленные наглядно показывают достоинство данного технического решения. В нем движители, создаваемые ими упорные струи и корпус судна взаимодействуют как единое целое, значительно ослабляя силы сопротивления движению или же вообще меняя их направление и помогая движению. В этом случае уже можно говорить о едином комплексе движитель — корпус судна, где в отличие от судов традиционного типа движителю не приходится преодолевать силы сопротивления, создаваемые им самим и корпусом судна.


Оценим количественно возможное улучшение ходовых качеств судна по данному техническому решению. Приняв для носового расположения движителей t≈0,2, которым мы оперировали ранее, и учитывая, что в данном случае попутным потоком может быть охвачена практически вся подводная часть корпуса, т.е. W≈0,8-0,9, формально получим η_к≈4-8 !!!

Эти, на первый взгляд невероятные, цифры показывают, что данное техническое решение в принципе позволит повысить скоростные качества или уменьшить энергозатраты судна в несколько раз, а не на несколько процентов, которые есть еще в резерве у судов традиционной конструкции. Скорости движения в несколько сот километров в час при этом могут стать вполне реальными, что позволит вывести водный транспорт на качественно иной уровень. Еще раз следует обратить внимание на то, что все эти качества проявляются не в режиме глиссирования или воздушной подушки, а в обычном водоизмещающем.

По мнению специалистов Корабелки, бывшего Военмеха, Физтеха и ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, с которыми приходилось общаться авторам, дать чисто теоретическое обоснование описанным выше эффектам, которые не во всем укладываются в рамки существующей теории судостроения, достаточно сложно. Необходимы эксперименты на полномасштабных моделях и натурные испытания маломерного катера. Эти работы требуют затрат, правда не очень больших, но у наших организаций, которые могли бы эти работы выполнить, в условиях нынешнего экономического развала и таких средств нет. Найти же спонсоров для доведения этого технического решения до коммерческого использования пока также не удается, так как нет желающих вкладывать средства в проекты, не дающие быстрой отдачи, тем более в рискованные. Хотя, честно говоря, степень риска здесь довольно мала, поскольку данная идея базируется на реально существующих в природных условиях физических эффектах, которые предлагается повторить техническими средствами.

В связи с этим авторы приглашают читателей "КиЯ" к обсуждению предлагаемой идеи, а фирмы, заинтересованные в ее опробовании и освоении, — к сотрудничеству. Риск для последних -старый корпус катера и месяц работы по его доводке до нужной кондиции. Выигрышем же в случае успешной реализации идеи будет завоевание лидирующих позиций на рынке высокоскоростных и с отличными ходовыми качествами судов нового типа. А поле деятельности здесь практически безгранично — от скоростных спортивных и разъездных катеров и пассажирских судов до гигантских транспортных судов и танкеров.

Комментарий специалиста

В предыдущей статье предлагается "идея новой концепции построения сверхскоростных и экономичных судов". Однако в целом эта идея базируется на достаточно вольной и слабо аргументированной интерпретации физических явлений, сопровождающих движение судна и определяющих его ходовые качества. Не очень убедительно выглядит и приводимый длинный список "достигнутых на моделях положительных эффектов".

"Техническое решение", которое, по словам авторов, "позволит повысить скоростные качества или уменьшить энергозатраты судна в несколько раз", не конкретизировано. Совершенно не ясно, как может выглядеть судно, на котором будет реализовано указанное "техническое решение" и за счет чего возможен столь ошеломляющий эффект. Уважая нежелание авторов подробно описывать свою конструкцию, которая, по их мнению, может представлять предмет патентуемого изобретения, попытаемся выяснить, существует ли принципиальная возможность кардинального повышения экономической эффективности судна.

Здесь нам не обойтись без краткого экскурса в теорию корабля, науку изучающую мореходные качества судна, в том числе его ходкость. Приведем основную зависимость, определяющую величину необходимой для движения судна с заданной скоростью V мощности:


где R — сопротивление движению судна при заданной скорости; η_s — КПД передачи мощности, определяемый только типом этой передачи (для большинства судов потери в передаче очень невелики, так что η_s=0.97-0.99); η_D=η_Hη₀ — пропульсивный коэффициент; п0 — КПД движителя, в частности гребного винта; η_H — коэффициент влияния корпуса (в комментируемом материале он фигурирует в виде η_к, который, в свою очередь, определяется как


Здесь t и W — коэффициенты взаимодействия движителя и корпуса — засасывания и попутного потока соответственно.

Анализируя выражение [1], приходим к выводу, что снижение энергопотребления судна при заданной скорости движения достигается либо уменьшением сопротивления R, либо увеличением пропульсивного коэффициента η_D. Последнее возможно за счет повышения КПД движителя, коэффициента влияния корпуса или обоих указанных коэффициентов одновременно.

Сегодня известно много теоретических способов снижения сопротивления движению (управление пограничным слоем, введение в пристеночную область газа или жидкости с другими, чем у воды, свойствами и др.). Однако те из них, кстати очень немногие, которые были реализованы, дают относительно небольшой эффект. Например, воздушная каверна, образуемая на днище и тихоходного судна внутреннего плавания, и быстроходного глиссирующего катера, снижает сопротивление не более чем на 15-20%. Таким образом, о качественном (в несколько раз) скачке говорить не приходится.

У лучших современных движителей КПД достигает 70-75%, и даже доведение его до теоретического, естественно, недостижимого на практике предела — 100%, не приведет к многократному снижению потребляемой мощности. Остается путь, который и выбрали авторы "новой концепции" — повышение коэффициента влияния корпуса η_H за счет соответствующего изменения коэффициентов W и t. При этом они решили "не вдаваться в физическую сущность этих коэффициентов" и здесь-то совершили основную ошибку, используя сугубо формальный, чисто математический подход к зависимости [2], которая описывает очень сложные физические явления взаимодействия движителя с корпусом судна.

Действительно, если в [2] положить t=const, a W→1, то получим η_H→∞ то, а вместе с этим из [1] и P_s→0. Правда, авторы были скромнее и приняли W=0.8-0.9, потому "снизили" энергопотребление "всего в 4—8 раз".

Чтобы разобраться в сути явлений, кратко вспомним физическую подоплеку коэффициентов взаимодействия. Так, попутный поток — это фактически увлекаемая движущимся судном вода. Интенсивность этого попутного потока характеризуется коэффициентом


где V — скорость движения судна; VA — средняя скорость воды в диске (в месте расположения) винта; U — скорость попутного потока, направленная в сторону движения судна, т. е. скорость жидкости, вовлеченной судном в движение.

Чем больше увлекается жидкости и чем больше ее скорость, тем выше сопротивление тела, а следовательно, и энергетические потери при движении, тем больше и коэффициент попутного потока W.

Поясним эту мысль на простом примере. Рассмотрим движение в воде пластины длиной L=10 м и шириной В=2 м со скоростью 5 м/с. Конкретные численные значения, кстати, характерные для небольшого катера, приведены, чтобы при желании можно было проследить за выполненными ниже выкладками и проверить их результаты. Минимальное сопротивление R₁ будет при обтекании пластины параллельным потоком (пластина расположена по потоку), максимальное R₂ — когда пластина поставлена поперек потока. Очевидно, что в первом случае количество увлекаемой пластиной жидкости и ее скорость минимально возможные, а вместе с этим минимальным будет и коэффициент попутного потока. Во втором случае этот коэффициент будет иметь максимальное значение. В обоих случаях сопротивление движению пластины можно подсчитать по одной и той же формуле:


где С — коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и в нашем примере - от ориентации пластины в потоке; S = L·B — площадь пластины.

Принимая плотность воды ρ=1 т/м³, ее температуру t=20°С, найдем величину числа Рейнольдса Re = 5·10⁷ и по известной формуле Прандтля—Шлихтинга рассчитаем коэффициент сопротивления трения пластины C_F=2.35·10^-3. С учетом того, что пластина обтекается параллельным потоком с двух сторон, для первого из рассматриваемых вариантов найдем C₁=2·C_F=4.7·10^-3. Известно, что для пластины, расположенной поперек потока, коэффициент сопротивления С₂=1.2. Тогда в нашем примере по формуле [4] сопротивление при движении по потоку составит R₁=1.18 кН, поперек потока R₂=300 кН. Приняв реальное значение произведения η_sη_D=0.65, по [1] рассчитаем необходимую для движения мощность: в первом случае P_S1=9 кВт (около 12 л.с.), во втором P_S2=2300 кВт (3100 л.с.). Следовательно, во втором варианте с максимально развитым попутным потоком энергетические потери будут в 250 раз больше!

Столь же строго подсчитать значения коэффициентов попутного потока в обоих случаях гораздо сложнее. Поэтому ограничимся качественными соображениями.

В первом варианте пластина обтекается безотрывно, ширину гидродинамического следа за ней или области, в которой скорость воды отличается от скорости пластины, т.е. фактически ширину попутного потока, можно оценить известными в гидромеханике методами — эта ширина составит 0.35 м.

Ширина же аналогичного следа за пластиной во втором случае будет близка к ширине самой пластины, т.е. к 2 м. Средняя скорость жидкости в этом следе окажется почти нулевой (вспомним, как мы прячемся от ветра за домом, рекламным щитом, человеком), а коэффициент попутного потока, очевидно, близок к единице. Если для оценок принять даже большее, чем предлагают авторы "концепции", значение W=0.95 и t=0, то коэффициент влияния корпуса η_H=1/(1-0.95)=20. Однако при этом, как было показано, сопротивление пластины возрастет в 250 раз, т. е. суммарный эффект выразится не декларируемым "уменьшением энергозатрат в несколько раз", а многократным (250/20=12) проигрышем в мощности.

Предвижу вопрос, а почему бы не довести коэффициент попутного потока до предельной величины W=1 и соответственно не устремить η_H→∞? В этом случае придется вспомнить, что η_D=η_Hη₀ и при W=1 скорость воды в диске винта V_A=0. В соответствии с теорией коэффициент полезного действия п0 движителя также будет равен нулю, а следовательно, опять ничего путного не получается.

Приведенный выше вывод о бесперспективности попыток снижения потерь мощности за счет увеличения коэффициента попутного потока W можно подтвердить и соображениями, основанными на фундаментальном законе сохранения энергии. Попутный поток за движущимся телом — эквивалент той энергии, которая затрачена на его создание. Если за счет рационального выбора типа, размеров и расположения движителя удается утилизировать часть этой потерянной движущимся корпусом энергии, то тогда коэффициент влияния корпуса может превысить единицу. Кстати, подобная ситуация наблюдается практически у всех одновинтовых судов, а "чемпионами" в этом отношении являются подводные лодки, у которых указанный коэффициент η_H=1.2-1.25.

Завершая тему, хотел бы подчеркнуть, что изложенное отнюдь не означает отказ от совершенствования взаимодействия движителей и корпуса с целью повышения пропульсивного коэффициента. Однако это делается не путем увеличения попутного потока у хорошо обтекаемого тела, а более глубокой утилизацией энергии, затраченной на создание мощного попутного потока при движении тела, плохо (или не очень хорошо) обтекаемого.

С подобными телами судостроителям приходится сплошь и рядом иметь дело. Так, в силу специфики большинству подводных аппаратов не удается придать хорошо обтекаемые обводы. Вот где имеет смысл разрабатывать мероприятия, повышающие коэффициент влияния корпуса. Примеры таких решений можно найти в специальной литературе, в частности в учебниках по теории корабля. Оригинальный пропульсивный комплекс, реализующий подобную идею, предложен группой специалистов С.-Петербургского государственного морского технического университета (ранее Ленинградский кораблестроительный институт); с его описанием можно познакомиться в журнале "Судостроение" (1997, №6, с. 18-20).