Многокорпусные суда: особенности, применение, развитие
Предлагаем вашему вниманию научный труд, посвященный многокорпусным судам, нашего активного читателя, а также доктора технических наук Виктора Анатольевича Дубровского. Хочется сказать, что Виктор Анатольевич прошел серьезный путь инженера-кораблестроителя, приложил немалый труд к развитию науки, а также работал старшим, а потом и ведущим научным сотрудником ЦНИИ им. А.Н. Крылова. Его труд, который мы вам сегодня представляем, посвящен глубоким и важным вопросам развития и осмысленного использования многокорпусных судов.
Статья Виктора Анатольевича родилась в ответ на опубликованный на нашем сайте материал, посвященный скоростному судоходству. Сегодня мы предлагаем вам заглянуть в более частную проблематику и призываем к научной дискуссии, которая во все времена приносила пользу... даже в самые непростые.
Введение
К настоящему моменту многокорпусные суда (МКС) имеют длинную историю, значительное применение, обширную литературу и существенные перспективы. Поэтому рассмотрение этого множества типов судов и кораблей целесообразно начать с применяемой в данной статье терминологии [1].
До середины прошлого века использовались и изучались МКС, состоящие из корпусов с традиционными обводами. На рис. 1 показаны в той или иной мере изученные суда с такими обводами.
Рис. 1. Исследованные варианты многокорпусных объектов с традиционными обводами корпусов: 1 – катамаран с симметричными корпусами, 2 – то же с несимметричными корпусами, 2 – тримаран с симметричными корпусами, 4 – тримаран с несимметричными корпусами, 5 – катамаран со смещенными симметричными корпусами, 6 – проа, 7 – судно с аутригерами.
В середине прошлого века стали применяться (запатентованные еще в начале века) полупогружные буровые платформы, являющиеся принципиально новым классом плавучих объектов. Основная особенность таких объектов, малая площадь ватерлинии, стала использоваться и при проектировании и постройке судов разного назначения. К концу века удалось также построить общую картину возможных типов судов с малой площадью ватерлинии, СМПВ, рис. 2.
Рис. 2. В той или иной мере исследованные СМПВ: 1 – дуплус (два корпуса, одна длинная стойка на каждом); 2 – трисек (два корпуса, две коротких стойки на каждом; 3 – трикор (три одинаковых корпуса), 4 – корпус с малой площадью ватерлинии и два аутригера традиционной формы; 5 – традиционный корпус и два аутригера с малой площадью ватерлинии (вариант С.А.Руденко); 6 – корпус с малой площадью ватерлинии с подводными крыльями.
Основной водоизмещающий объем корпуса с малой площадью ватерлинии, гондола, может иметь круглое или овальное поперечное сечение; пересекающие свободную поверхность достаточно тонкие стойки имеют заостренные оконечности.
Необходимо отметить, что в мировой технической литературе часто используются различные названия для одних и тех же типов объектов. Так, тримаранами называются и суда с аутригерами, и суда с одинаковыми корпусами. В Японии называют катамаранами все двухкорпусные суда. И как пример неудачной терминологии можно назвать "катамаран с двумя корпусами" - ведь иных катамаранов не бывает… Представляется, что точная терминология необходима для определенности обсуждения любых проблем.
Исторический экскурс
Плавучие сооружения, имеющие больше одного корпуса, известны человечеству достаточно давно. Так, в Древнем Риме соединяли общей палубой две триремы и ставили на эту палубу "штурмовую башню". Полинезийцы пересекали океан на лодках с противовесами задолго до встречи с европейцами…
Периодически отдельные энтузиасты создавали сперва парусные, потом паровые суда из двух одинаковых обычных корпусов, однако большого распространения такие суда, катамараны, достигли только в середине прошлого века. Тогда же началось широкое исследование и проектирование различных объектов, имеющих больше, чем один, корпус. В конце прошлого века сложилось более широкое и точное представление о МКС, их особенностях и возможностях.
Общие особенности многокорпусных судов
Для определения наиболее эффективных областей применения МКС большое значение имеет характерная для них увеличенная площадь палуб по отношению к водоизмещению, см. таблицу 1.
Таблица 1. Относительная площадь палубы достаточно быстроходных МКС, [1].
Тип объекта
Относительная длина корпуса
Вероятные соотношения размерений
Относительная площадь палубы
Сравнимый однокорпусный
lMON=L/V1/3
L/B=8; AUD~0.8
0.1*L2
Катамаран
l1 = lMON
L=0.8*L; B1=0.8*B;
AUD~0.9; BOA=(4÷8)B1
(0.23÷0.46)*L2
Дуплус или трисек
l1=0.8*lMON
L1=0.64*L; BOA=(0.3÷0.5)*L1;
AUD~1.0
(0.19÷0.32)*L2
Аутригерный, обычный корпус
l1=1.2*lMON
L1/B1=10;
LOA=(0.3÷0.4)*L1;
BOA=(0.2÷0.3)*L1;
(0.17÷0.25)*L2
С аутригерами, корпус с малой площ.
ватерлинии
l1=0.8*lMON
L1=0.8*L; Lo=(0.3÷0.4)*L1;
BOA=(0.3÷0.5)*L1;
(0.18÷0.3)*L2
Трикор
l1=0.5*lMON
L1=0.35*L; LOA=1.6*L1; BOA=(0.6÷0.8)*L1;
(0.08÷0.1)*L2
Тримаран
l1= 0.6*lMON
L1=0.42*L;
LOA=1.6*L1;
BOA=(0.4÷0.5)*L1;
(0.09÷0.12)*L2
Здесь: lMON, l1 – относительная длина однокорпусного аналога, то же – одного корпуса; L, L1, LO, LOA – длина аналога, одного корпуса, аутригера, габаритная длина; B. B1, BOA – ширина аналога, одного корпуса, аутригера, габаритная длина; AUD – коэффициент полноты верхней палубы.
Поэтому МКС наиболее экономически эффективны для транспортировки легкой, объемной полезной нагрузки: пассажиров в салонах или каютах, накатных грузов, контейнеров, научно-исследовательских лабораторий, боевых постов и авиационного вооружения военных кораблей. Понятно, что указанные объемные полезные нагрузки размещаются в надводной платформе. На СМПВ иногда размещают и энергетику в надводной платформе; понятно, что при этом возникают трудности в передаче энергии на водяные движители. Иногда для упрощения размещения ЭУ кормовые части корпусов имеют обычные обводы – при сниженной площади ватерлиний в носовых частях корпусов, что привело к появлению так называемых "полу-СМПВ". Такие обводы имеют несколько автомобильно-пассажирских паромов.
В отношении общего расположения нужно отметить, что обычное разделение энергетических ресурсов судна на две или даже три части существенно повышает безопасность всех объектов и живучесть боевых кораблей. К сожалению, пока никто из специалистов по надежности не оценил это повышение количественно.
Все МКС могут обеспечить снижение расчетной осадки для расширения перечня доступных портов и акваторий без ухудшения мореходных качеств, при этом СМПВ – за счет относительно небольшой балластировки, Поэтому МКС целесообразны для объектов прибрежного плавания.
Второй важной особенностью МКС является простота обеспечения поперечной остойчивости: за счет выбора габаритной ширины. Надо напомнить, что момент инерции площади ватерлинии относительно продольной оси МКС зависит от квадрата поперечного расстояния между корпусами, т.е. небольшое изменение ширины обеспечивает практически любую требуемую поперечную остойчивость – для выбранной формы обводов. При этом у большинства МКС с традиционными обводами корпусов поперечная остойчивость избыточна, например, у катамарана она может быть на порядок больше, чем у однокорпусного судна того же водоизмещения. Напротив, у СМПВ начальная поперечная остойчивость примерно равна той же характеристике сравнимых однокорпусных объектов. То же относится и к судам с аутригерами и проа.
Продолжая рассмотрение вопроса безопасности МКС, отметим, что обычно значительная часть надводной платформы, соединяющей корпуса, водонепроницаема и разделена на отсеки водонепроницаемыми переборками. Поэтому при аварийном входе в воду надводной платформы обеспечивается высокая аварийная остойчивость и непотопляемость – существенно более высокие, чем у однокорпусных объектов сравнимого водоизмещения. Практика показала, что хорошо спроектированные МКС оставались на плаву и имели положительную остойчивость при затоплении большей части корпусов. Представляется, что на фоне достаточно часто происходящих аварий однокорпусных судов с практически мгновенной потерей остойчивости принципиально более высокая безопасность МКС должна быть принята во внимание при выборе вариантов в начале проектирования объектов всех назначений.
Для СМПВ обеспечение аварийной посадки – до входа в воду платформы – является проблемой, потому что они имеют существенно пониженную продольную остойчивость. Однако сегодня, когда уже есть предложения о заполнении концевых отсеков традиционных надводных кораблей негорючими пенопластовыми блоками, такое же предложение для СМПВ уже не должно вызвать сильного отторжения…Такое заполнение позволит обеспечить общие нормы аварийной посадки и для СМПВ, потому что, в общем, вход в воду существенной части надводной платформы нежелателен с точки зрения поведения объекта на волнении, хотя и обеспечивает существенно более высокую безопасность, чем безопасность сравнимых однокорпусных объектов.
В скоростных режимах плавания и переходном увеличение удлинения обтекаемого тела снижает его буксировочное сопротивление, например, рис. 3.
Рис. 3. Коэффициент остаточного сопротивления одиночных корпусов обычных обводов и различного удлинения, [2]: здесь L - длина корпуса, V - его водоизмещение, куб м, Fn = v/(gL)0.5 – число Фруда, (относительная скорость), v – скорость, м/сек, g – ускорение свободного падения, мсек2 .
Очевидно, что влияние относительной длины (удлинения) весьма велико примерно до удлинения 10 и существенно снижается при переходе этого значения.
В начале изучения ходкости катамаранов ожидалось, что может иметь место значительное благоприятное взаимодействие волновых систем корпусов, т.е. снижение их суммарного волнового (и остаточного) сопротивления. Однако детальные исследования показали, что такое взаимодействие наблюдается только у достаточно удлиненных корпусов, в узком диапазоне скоростей и не очень велико. Поэтому при переходе от однокорпусного судна к катамарану основного преимущества в остаточном сопротивлении можно ожидать только от увеличения удлинения корпусов, а взаимодействие волновых систем корпусов обычно неблагоприятно и его приходится минимизировать, выбирая достаточно большое расстояние между корпусами (поперечный клиренс).
Однако при увеличении удлинения корпуса увеличивается его удельная смоченная поверхность. Так что при рассмотрении вариантов катамарана в сравнении с однокорпусным судном того же водоизмещения следует искать благоприятное равновесие между ростом смоченной поверхности и снижением остаточного сопротивления.
Судя по выполненным исследованиям, установка подводных крыльев на скоростные катамараны позволяет получить заметное снижение сопротивления при относительных скоростях (по водоизмещению одного корпуса) около 2.0 и более, рис. 4.
Рис. 4. Влияние подводных крыльев на удельное сопротивление R/W скоростного катамарана [3], R – буксировочное сопротивление, т, W – водоизмещение, т.
Взаимодействие волновых систем тримарана существенно больше, чем катамарана, рис. 5.
Рис. 5. Коэффициент волнового взаимодействия тримарана KWT = CRT/3CR1 , [3]
Здесь: CR1 – коэффициент остаточного сопротивления одного корпуса тримарана, CRT – коэффициент остаточного сопротивления тримарана, b– расстояние между ДП судна и ДП бортового корпуса, отнесенное к длине корпуса, a– выдвиг центрального корпуса, отнесенный к длине корпуса, Fn – относительная скорость по длине одного корпуса.
Использование существенного благоприятного взаимодействия корпусов тримарана позволяет выбирать относительно небольшое удлинение корпусов для снижения смоченной поверхности, получая в результате преимущество по ходкости как по сравнению с однокорпусным судном, так и по отношению к катамарану – в определенном диапазоне относительных скоростей.
В основном такое же влияние удлинения корпусов и волнового взаимодействия наблюдается и для СМПВ. Однако здесь добавляется влияние волновых систем стоек на ту же систему погруженного объема, гондолы, рис. 6.
Рис. 6. Коэффициент остаточного сопротивления дуплуса (1) и трисека (2) с удлинением гондол 16. [4]
Видно, что распределение объема стоек и их различное расположение оказывает сильное влияние на сопротивление СМПВ.
Продольное расположение аутригеров оказывает сильное влияние на остаточное сопротивление аутригерных судов, рис. 7.
Рис. 7. Влияние продольного положения аутригеров на коэффициент остаточного сопротивления: сплошная линия – аутригеры на миделе, крупный пунктир – на 5 шпангоуте, мелкий пунктир – на 1 шпангоуте. [2]
Сниженная продольная остойчивость СМПВ препятствует использованию таких объектов с принятыми сегодня обводами при относительных скоростях более 0.9: из-за сильного дифферента на корму при таких скоростях носовые закругления гондол пересекают свободную поверхность, тем самым вызывая сильной волно- и брызгообразование. Для перехода этого предела была предложена особая форма обводов, что позволило спроектировать так называемые "полуглиссирующие" СМПВ для относительных скоростей до 1.3 [4].
Отмеченные особенности буксировочного сопротивления МКС различных типов могут и должны быть использованы при рациональном их проектировании.
В настоящее время различные типы скоростных судов могут применяться в различных условиях эксплуатации. На рис. 8 показана относительная мощность ЭУ скоростных судов разных типов.
Рис. 8. Относительная мощность ЭУ, лст, скоростных судов различных типов в зависимости от числа Фруда по водоизмещению одного корпуса. [1] Здесь: черная сплошная и пунктирная линии – однокорпусные объекты, как переходного режима, так и глиссеры; синий мелкий пунктир – верхняя и нижняя границы мощности катамаранов; синяя сплошная и крупный пунктир – СПК; красная сплошная и и пунктир – СМПВ; оранжевая сплошная и пунктир – СВП.
Надо отметить, что удельная мощность катамарана типа "Сокол", спроектированного и построенного В.П.Соколовым, лежит на нижней границе области мощностей катамаранов, т.е. это судно имеет очень хорошие характеристики ходкости.
Достаточно большой разброс данных на рис. 8 объясняется несколькими причинами. Прежде всего – в разных странах достижимая скорость фиксируется при разных весовых нагрузках судов, причем в отчетах нагрузка обычно не указывается… Так, в СССР было принято делать это при полной нагрузке, а за рубежом в основном испытывают скоростные суда при минимальной нагрузке. Кроме того, на удельную мощность ЭУ накладывают свои отпечатки и ограничения осадки, и ограничения в выборе двигателей и трансмиссий, и относительный вес корпусных конструкций. Наконец, важно и то, что и проектирование скоростных объектов, и особенно – форм их обводов, до сих пор остается в значительной мере искусством.
Каждый тип МКС имеет то или иное отличие от однокорпусных объектов в отношении мореходности. Так, продольная качка катамарана (до начала слеминга соединяющей корпуса платформы) весьма близка к той же качке однокорпусного объекта той же длины и водоизмещения. Но бортовая качка катамарана отличается от той же качки сравнимого однокорпусного судна очень существенно: меньшие амплитуды качки и резонанс на коротких волнах, которые обычно имеют небольшую высоту. При этом для обеспечения приемлемых ускорений бортовой качки необходимо принимать специальные меры при выборе соотношений размерений.
Бортовая качка тримаранов меньше изучена, но в целом она меньше, чем у однокорпусных судов того же водоизмещения, но больше по амплитудам, чем качка сравнимого катамарана. Ускорения бортовой качки тримаранов также нуждаются в особом внимании при проектировании.
Аутригерные суда с обычным центральным корпусом имеют продольную качку, близкую к качке однокорпусных аналогов той же длины и водоизмещения – при некотором сдвиге резонансных режимов в сторону меньших кажущихся периодов встречных волн. Бортовая качка таких объектов меньше по амплитудам и сравнима по ускорениям с качкой однокорпусных аналогов.
СМПВ весьма существенно отличается от традиционных объектов по мореходности и в этом отношении сравнимы с судами на автоматически управляемых подводных крыльях в расчетном режиме. Эти отличия вызваны рядом причин. Прежде всего – уменьшенная площадь ватерлинии означает соответствующее снижение возмущающих сил и моментов. Далее, заметно сниженная продольная остойчивость СМПВ при сравнимых величинах момента инерции относительно поперечной оси означает увеличение собственных периодов килевой качки. Поэтому резонансная качка СМПВ имеет место при больших кажущихся периодах волн, т.е. на попутном волнении, а не на встречном, что характерно для традиционных судов.
Поперечная качка СМПВ, имеющих примерно ту же поперечную остойчивость и намного большие моменты инерции относительно продольной оси, что также приводит к большим собственным периодам качки, т.е. к резонансам при больших кажущихся периодах, на попутных и близких к таковым курсовых углах.
Необходимо подчеркнуть, что неумеряемая резонансная качка СМПВ может иметь большие амплитуды, но всегда имеет небольшие ускорения.
Наконец, все известные типы успокоителей качки отличаются высокой эффективностью при применении на СМПВ, потому что противодействуют сниженным внешним воздействиям.
Как результат, конкретное СМПВ превосходит сравнимое традиционное судно в 5 – 15 раз большего водоизмещения, в зависимости от достигнутой степени снижения площади ватерлинии. На рис. 9 сопоставлены характеристики качки натурных объектов: традиционного фрегата водоизмещение 3 тыс. т, однокорпусного катера водоизмещением 100 т и СМПВ водоизмещением 200 т.
Рис. 9. Сравнение некоторых мореходных качеств традиционного фрегата, однокорпусного катера и СМПВ, сверху вниз: амплитуды килевой качки, амплитуды бортовой качки, ускорения в центре масс, скорость 15 узлов.[3]
Следует отметить, что практически одинаковые ускорения и меньшие амплитуды качки СМПВ и в 15 раз большего фрегата были достигнуты за счет минимальной достижимой площади ватерлинии СМПВ и работы крыльевой системы умерения всех видов качки.
Скоростные объекты, как правило, малотоннажные, в наибольшей степени подвержены влиянию волнения. На рис. 10 показано приблизительное сравнение ускорений в центре масс в зависимости от относительной высоты волны.
Рис. 10. Приблизительное сравнение ускорений в центрах масс в зависимости от высоты волны [1]. Слева направо: однокорпусные глиссеры, суда на малопогруженных крыльях, СВП, "рассекающие волны" катамараны, СМПВ, СПК с автоматически управляемыми крыльями.
Как развитие типа "рассекающих волны" катамаранов был предложен "рассекающий волны" тримаран с аэродинамической разгрузкой. Модельные испытания показали, что развитое крыло-надстройка заметно демпфирует самопроизвольные колебания, что ликвидирует так называемое "дельфинирование" при числах Фруда по водоизмещению более 6. Поэтому сегодня можно считать проверенной на моделях возможность стабильного движения супер-глиссеров до числа Фруда до 7.5. Выбранная форма обводов корпусов обеспечила также отсутствие слеминга днищ, что соответствует снижению ускорений на высоких скоростях на порядок по сравнению с традиционными глиссерами.
Особенностью МКС является возможность слеминга днища соединяющей корпуса конструкции. Однако вероятность слеминга зависит от соотношения вертикального клиренса (расстояния от днища платформы до расчетной ватерлинии) и перемещений уровня воды при качке по экспоненте. Поэтому требуемые пределы частоты слеминга могут быть обеспечены при проектировании рациональным выбором размерений , включая вертикальный клиренс, на основании модельных испытаний или расчетов.
Важной особенностью МКС является особая роль общей поперечной прочности, т.е. необходимо рациональное их конструирование с этой точки зрения. Поперечная прочность наиболее эффективно обеспечивается поперечными переборками, находящимися в одних плоскостях в подводной и надводной частях объекта; присоединенными поясками таких связей являются прилегающие к ним части палуб и днища соединяющей корпуса платформы.
Если для катамаранов определяющими нагрузками являются вертикальные, то для СМПВ – горизонтальные, рис. 11.
Рис. 11. Расчетная схема основной поперечной нагрузки СМПВ.[4].
Для промежуточных вариантов обводов необходимо выбирать нагрузки, дающие наибольшие напряжения в конструкциях.
Неправильное конструирование поперечных переборок – только одна из четырех опиралась на переборки в стойках – очень сократило срок работы экспериментального судна "Каймалино", рис. 12: в точках опоры переборок на оконечности стоек началось интенсивное образование трещин.
Рис. 12. Конструктивная схема экспериментального СМПВ "Каймалино", США.[1]
В настоящее время имеются разработанные классификационными обществами правила обеспечения прочности катамаранов, судов с аутригерами (называемых в англоязычной литературе тримаранами), двухкорпусных СМПВ.
Общим отличием МКС в отношении управляемости является повышенная устойчивость на курсе, что одновременно означает некоторое снижение поворотливости. Кроме того, управляемость СМПВ зависит от ходовой посадки; интересно, что есть относительно тихоходные СМПВ без вертикальных рулей: они маневрируют только за счет управления посадкой, т.е. в основном - ходовым дифферентом . Все трехкорпусные МКС тем более устойчивы на курсе, чем дальше в корму расположены их центры величины.
Недостатки МКС
Общие недостатки МКС можно рассматривать только при условии использования таких объектов для соответствующих их особенностям задач. В числе недостатков нужно отметить:
Увеличенная габаритная ширина, что усложняет постройку, базирование и ремонт; при этом большинство МКС имеют уменьшенную по сравнению с традиционными объектами длину;
Увеличенная масса корпусных конструкций в водоизмещении; однако эта масса снижается относительно площади палуб;
Возможность слеминга днища соединяющей корпуса конструкции, что требует специальной методики выбора вертикального клиренса каждого объекта;
Увеличенная относительная смоченная поверхность, что снижает ходовые качества на малых скоростях;
Возможные затруднения при размещении энергетики, систем и устройств в более узких, чем у однокорпусных объектов, отсеках;
МКС плохо приспособлены для движения во льду. Однако надо отметить, что все достаточно быстроходные мало- и среднетоннажные объекты также не могут работать во льдах по причине несоответствия формы обводов и соотношений размерений, а также неприспособленности конструкции корпуса к ледовым нагрузкам..
Все эти недостатки должны быть приняты во внимание при выборе типов судов и кораблей и учтены в используемых методах их проектирования.
Общим недостатком достигнутого на сегодня уровня развития судостроения является крайне малая информированность инженерного сообщества об особенностях и проектировании МКС: эти объекты не изучаются систематически ни в кораблестроительных вузах, ни на курсах повышения квалификации инженеров.
Тем не менее, в настоящее время в мире различные МКС находят все большее применение:
До 70% быстроходных пассажирских и автомобильно-пассажирских паромов – катамараны; кроме того, несколько тысяч внерегистровых малотоннажных туристских, рыболовных, прогулочных судов работают во все мире;
Около 300 плавучих полупогружных платформ работают во всех морях;
Простроено более сотни СМПВ самого различного назначения и водоизмещения;
Строится серия прибрежных боевых кораблей с аутригерами.
Представляется, что дальнейшее расширение использования различных типов МКС позволит существенно увеличить возможности судов и кораблей всех назначений.
Литература
Dubrovsky V. “Specificity & designing of multi-hull ships &boats”, 2016, Nova Science Publishers, ISBN 9781634846158, USA, 210 p.
Dubrovsky, V.“Ships With Outriggers”, 2004, ISBN 0-9742019-0-1, Backbone Publishing Co., Fair Lawn,USA, 88 p.
"Mногокорпусные суда", сб. статей под ред. и при уч. В.А.Дубровского, 1978, изд. Судостроение, 386 стр.
Dubrovsky, V., Matveev, K., Sutulo, S.,” Multi Hull Ships”, 2004, ISBN 0-9644311-2-2, Backbone Publishing Co., Fair Lawn,USA, 495 p
