Архитектурно-компоновочные особенности амфибийных судов из композитов на воздушной подушке гражданского назначения
Положительный опыт проектирования, производства и эксплуатации АСВП имеется в целом ряде стран, таких как Австралия, Великобритания, Канада, Китай, США, Финляндия, Советский Союз, а теперь и современная Россия обладают уникальным опытом создания АСВП различного назначения, занимая в этой области лидирующие позиции в мире. Актуальность развития амфибийных транспортных средств на территории нашей страны с годами не только не снижается, а наоборот, только увеличивается. Особую актуальность развитию АСВП придает стратегия Российской Федерации по использованию Арктической зоны в качестве ресурсной базы, провозглашенная в "Основах государственной политики РФ в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу".
Применение АСВП в Арктической зоне связано с целым рядом задач в логистической инфраструктуре объектов нефте- и газодобычи. Согласно исследованиям ФГУП Крыловский государственный научный центр (ЦНИИ им.А.Н.Крылова) это экономически целесообразно. Согласно этим же исследованиям ближайшие перспективы развития амфибийного транспорта связаны также с решением задач перевозок пассажиров и грузов в труднодоступных регионах Севера, Сибири и Дальнего Востока.
В России за последние двадцать пять лет сформировался определенный опыт проектирования, постройки и эксплуатации АСВП различного назначения и размеров, реализующих многообразные конструктивные, аэро- и гидродинамические схемы. Одной из важнейших черт современных российских АСВП является широкое применение в их конструкции композитов. Этот опыт позволяет систематизировать спроектированные и построенные АСВП и определить основные тенденции, сложившиеся в области проектирования отечественных судов этого типа.
Михаил Францев
Рис. 1. Внешний вид АСВП "Пегас"
Систематизация проектных особенностей отечественных АСВП в сочетании с пониманием основных тенденций, сложившиеся в области их проектирования, дает ключ к определению перспектив развития этого рынка в области конструктивных решений, с точки зрения применения в их конструкции композитов.
Ниже приведено несколько примеров отечественных АСВП, подразделенных по объему и способам применения в их конструкции композитов.
Малое амфибийное судно на воздушной подушке "Пегас" включает две проектных модификации: АСВП "Пегас-4М" пассажировместимостью 4 чел. и более позднюю модификацию АСВП "Пегас-5У" пассажировместимостью 5 чел. Судно имеет корпус совершенной формы, изготовленный из композиционных материалов на основе стеклянного волокна со смешанной системой набора. В середине корпуса расположен пассажирский салон в виде кокпита и отсек топливного бака. Корпус разделен на отсеки. Непотопляемость корпуса обеспечена за счет блоков плавучести, интегрированных в конструкцию корпуса. Внешний вид АСВП "Пегас" представлен на рис. 1.
Борт корпуса сверху заканчивается планширем образующим жесткий верхний контур ограждения воздушной подушки. Сверху к корпусу крепится надстройка (рубка) совершенной формы, изготовленная из композиционных материалов на основе стеклянного волокна. Внутри корпуса находится пассажирский салон, вкладной топливный бак, моторный отсек с расположенным в нем силовым блоком, включающим главный двигатель и воздушный винт.
Михаил Францев
Михаил Францев
Рис. 2. Принцип работы и внешний вид объединенного подъемно-движительного комплекса АСВП "Пегас" из композитов
Кроме, собственно, рубки, из композита изготовлены капот моторного отсека, все дельные вещи - люки, двери крышки, а также самые сложные по форме детали - насадка воздушного винта, диффузор и разделитель потока. Учитывая требования экономии веса, все стеклопластиковые конструкции выполнены максимально облегченными.
Рубка опирается на корпус по периметру кокпита. Она имеет безнаборную конструкцию и обширные оконные вырезы. Толщины внешних оболочек составляют 3-5 мм. Многие участки рубки выполнены многослойными, чтобы повысить устойчивость оболочки. Кроме функции элементов, обеспечивающих прочность и устойчивость конструкции, эти сэндвичи играют роль термозвукоизоляции. Нижняя часть рубки, непосредственно прикрепляемая к корпусу, усилена многослойным подкреплением. Насадка имеет подкрепления из вспененного полимера сложной формы.
Пассажирский салон в виде кокпита имеет автомобильную компоновку. В носовой части пассажирского салона на правом борту расположен пост управления. Салон оснащен двумя автомобильными креслами и кормовым диваном.
Михаил Францев
Михаил Францев
Рис. 3. Модульные принципы при проектировании компоновки АСВП "Славир-936".
Первоначально при создании АСВП "Пегас" была использована схема гибкого ограждения в виде кольцевого ресивера без съемных элементов второго яруса. Эта схема была изобретена в 60-х года прошлого века и просуществовала до создания двухъярусного гибкого ограждения. Известны отрицательные стороны этого типа гибкого ограждения, заключающиеся, в первую очередь, в повышенном износе кольцевого ресивера на участке, контактирующем с подстилающей поверхностью. Большая площадь контакта ГО с подстилающей поверхностью обусловливает также повышенное сопротивление движению судна, что влечет за собой повышенную энерговооруженность АСВП.
Михаил Францев
Рис. 4. Модульные принципы при проектировании надстройки АСВП "AiroJet".
В процессе постройки разработчики АСВП "Пегас" дополнили исходную схему гибкого ограждения надувными скегами и запатентовали эту комбинацию патентом РФ 2331534. Эта схема является, в определенной степени, гибридом между двухярусным гибким ограждением и гибким ограждением, включающим три параллельных надувных скега.
Амфибийное судно на воздушной подушке "Пегас" имеет объединенный подъемно-движительный комплекс, в котором часть воздуха движителя направляется для создания избыточного давления в воздушной подушке. Отбор воздуха в подушку осуществляется за счет скоростного напора в струйном аппарате, расположенном напротив нижнего сектора диска воздушного винта. Принцип работы объединенного подъемно-движительного комплекса АСВП "Пегас" представлен на рис. 2 слева, а внешний вид объединенного подъемно-движительного комплекса изображено на рис. 2 справа.
Михаил Францев
Михаил Францев
Михаил Францев
Михаил Францев
Михаил Францев
Михаил Францев
Михаил Францев
Михаил Францев
Рис. 5. Модульные принципы при проектировании компоновки АСВП.
На базе конструктивной схемы АСВП "Пегас" с использованием модульных принципов проектирования разработаны два типовых ряда амфибийных судов на воздушной подушке с использованием таких типовых модулей, как: носовая часть надстройки с постом управления; моторный отсек, подъемно-движительный комплекс, гибкое ограждение воздушной подушки и ряд других.
Первым примером модульного принципа проектирования является семейство АСВП "Славир", созданное компанией "Амфибийные технологии - АМФИТЕХ" (Нижний Новгород), включающее АСВП "Славир-525" (собственно "Пегас-5У"), АСВП "Славир-636" и АСВП "Славир-936".
При создании АСВП "Славир-636" разработчик, полностью сохранив аэрогидродинамическую схему АСВП "Пегас", несколько увеличил длину судна для повышения его продольной устойчивости и существенно увеличил ширину судна для повышения его остойчивости. Изменение геометрических размеров и связанное с ним изменение массы судна потребовали установки более мощного двигателя и доработки объединенного подъемно-движительного комплекса.
Создание более мощной и совершенной судовой энергетической установки, включающей двигатель и объединенный подъемно-движительный комплекс, дало разработчику АСВП "Славир-636" возможность реализовать прирост мощности на увеличение полезной нагрузки. Удлинив АСВП "Славир-636" при сохранении его ширины для размещения дополнительных мест для пассажиров, разработчик перешел к АСВП "Славир-936". Модульные принципы, использованные при проектировании компоновки АСВП "Славир-936", представлены на рис. 3.
Вторым примером модульного принципа проектирования является семейство АСВП "AiroJet" размерного ряда "AiroJet-6" - "AiroJet-20" различного назначения, созданный компанией "АэроДжет" (Нижний Новгород). АСВП серии "AiroJet" - это модификации судов различного назначения нескольких типоразмеров, разработанных на базе одной гидродинамической схемы.
Корпуса АСВП "AiroJet" выполнены из специально подобранных современных высококачественных композиционных материалов на основе стеклянного волокна. Отличительной особенностью корпусов этих АСВП является сочетание прочности, обеспечивающей основные требования по нагрузкам для каждой проектной модификации с малым весом конструкции. В нижней части корпусов имеются специальные воздуховоды, формирующие необходимое распределение воздушных потоков с целью обеспечения оптимального давления во всем объеме формирования воздушной подушки.
При разработке надстройки АСВП "AiroJet" также были использованы модульные принципы. На базе единого набора деталей, изготовленных из композиционных материалов на основе стекловолокна, реализуется несколько компоновок пассажирского салона и грузового отсека. В боковых стенках надстройки размещены сдвижные двери, открывающие большие проемы, позволяющие удобно производить посадку/выcадку пассажиров, а так же погрузку/разгрузку грузов.
Ходовая рубка с постом управления отделена переборкой от пассажирского салона. В рубке две подъемные двери, открываемые вверх. Потолочная и боковые панели пассажирского салона выполнены съемными. Это дает возможность создавать нужную компоновку. При полностью снятых панелях пассажирского салона возможна перевозка крупногабаритных грузов с погрузкой их краном.
Как было сказано выше, вся надстройка изготовлена из композита со специально подобранными характеристиками связующих материалов с и имеет конструкцию в виде сэндвича, что позволило при относительно малом весе обеспечить наилучшие показатели по прочности, жесткости, термо- и звукоизоляции салоне. Звукоизоляция в пассажирском салоне дополнительно обеспечивается оклейкой специальным покрытием и искусственной кожей. В салоне имеется освещение, отопление, вентиляция. Остекление выполнено из органического и неорганического стекла. Лобовые стекла в ходовой рубке выполнены обогреваемыми. Модульные принципы, использованные при проектировании надстройки АСВП "AiroJet", представлены на рис. 4.
Михаил Францев
Рис. 6. АСВП "Ирбис" сочетающее в своей конструкции композиционные и традиционные материалы
Семейство АСВП "AiroJet" отличается от АСВП "Пегас" наличием раздельного подъемно-нагнетательного и движительного комплексов. В качестве подъемно-нагнетательного комплекса используется осевой нагнетатель с диаметром ротора 0,86 м. Компактность расположения подъемно-нагнетательного комплекса достигнута благодаря размещению нагнетательного вентилятора непосредственно под двигателем. Подъемно-нагнетательный и движительный комплексы вместе с двигателем конструктивно выполнены на общей раме и прикреплены к корпусу через амортизирующие элементы, что существенно снизило передачу вибрации на корпус.
Движительный комплекс АСВП "AiroJet" в зависимости от проектной модификации выполняется по одновинтовой или двухвинтовой схемам. Воздушные винты фиксированного шага изготовлены из алюминия. В приводе воздушных винтов используются центробежные муфты, сглаживающие передачу критических силовых нагрузок. Оба винта имеют одно и то же направление вращения.
Управление АСВП "AiroJet" по курсу осуществляется при помощи четырех воздушных рулей, расположенных непосредственно за каждой насадкой в потоке воздушного винта. Для регулирования тяги воздушного винта на АСВП "Пегас применены за насадками горизонтальные рули, позволяющие перекрывать часть воздушного потока от воздушного винта. Для возможности гибкого распределения мощности между подъемно-нагнетательным и движительным комплексами в зависимости от эксплуатационных условий и полезной нагрузки разработчик АСВП "AiroJet" применил в трансмиссии вариатор с цифровым управлением. Модульные принципы, использованные при проектировании компоновки семейства АСВП "AiroJet", представлены на рис. 5.
Михаил Францев
Рис. 7. Блок насадок с винтами изменяемого шага АСВП, изготовленный из композитов.
Использование модульных принципов при проектировании АСВП "AiroJet" позволило создать на базе единого комплекса технических решений большое количество проектных модификаций судна, включая суда специального назначения для МЧС России, что дало возможность существенно расширить поле применения этих судов.
В то же время фиксация размера АСВП по ширине независимо от длины и массы судна не обеспечивает необходимой остойчивости судна, особенно в эксплуатационных условиях, что неизбежно сказывается на мореходных качествах судна.
Фиксированное размещение осевого нагнетателя независимо от длины АСВП ведет к недостаточному давлению в носовой части гибкого ограждения воздушной подушки. Это определяет отрицательный (на нос) ходовой дифферент при движении по воде, что отрицательно сказывается на характеристиках ходкости и мореходности судов большой длины. Также недостаточным при этом является носовой клиренс для преодоления участков торошения.
Следующей большой группой АСВП являются суда, сочетающие в своей конструкции композиционные и традиционные материалы в различных соотношениях.
Рассмотрим особенности устройства АСВП сочетающего в своей конструкции композиционные и традиционные материалы на примере проекта 15063 "Ирбис" (рис. 6). Корпус АСВП "Ирбис" представляет собой два отделенных друг от друга отсеком нагнетателей водонепроницаемых понтона, изготовленных из легких сплавов, связанных между собой днищевым перекрытием и непрерывным продольным набором бортов. Корпус разделен водонепроницаемыми переборками на восемь отсеков (форпик, сухой отсек, коффердам правого борта, коффердам левого борта, пассажирский салон, отсек нагнетателей, моторный отсек, ахтерпик). АСВП "Ирбис" имеет одноотсечную непотопляемость.
Из композиционных материалов изготовлены надстройка, двери и крышки люков, аэродинамические насадки, диффузоры нагнетателей, лопасти воздушных винтов, большая часть нагнетателей (рис. 7).
Отсек нагнетателей, в котором побортно расположены пары центробежных нагнетателей частично изготовленных из композита, объединенных общим валом, отделяет пассажирское помещение от моторного отсека. Он расположен между кормовой переборкой рубки и носовой переборкой моторного отсека. Специально спрофилированные спиральные кожухи направляют поток воздуха от нагнетателей в секции ресивера ГО правого и левого бортов. Проход вдоль судна предусмотрен по навесным бортовым секциям.
В машинном отделении по бортам установлены два дизельных двигателя с навешенными силовыми блоками и муфтой сцепления. Двигатели приводят во вращение навешенные силовые блоки, с каждого из которых вращение побортно передается на пару центробежных нагнетателей и один воздушный винт с лопастями из композита изменяемого шага, установленный в насадке из композиционного материала.
Михаил Францев
Рис. 8. Надстройки из композитов АСВП "Арктика" на сварном каркасе.
Надстройка АСВП проекта 15063 "Ирбис" выполнена из композита на основе стеклянного волокна и имеет длину, превышающую четыре пятых длины корпуса. Надстройка представляет собой конструкцию из композита в виде многослойной оболочки с повышенной весовой эффективностью и входит в состав эквивалентного бруса. Из композита также изготовлены двери, крышки люков, капот, крышки капота.
Необходимо отметить, что организацией, наиболее далеко продвинувшейся в области создания надстроек из композиционных материалов на основе стеклянного волокна для амфибийных судов на воздушной подушке, было Центральное конструкторское бюро "Нептун" Министерства судостроительной промышленности СССР, расположенное в городе Москве. В 1982 году ЦКБ "Нептун" было создано амфибийное судно на воздушной подушке проекта 18800 "Гепард", имеющее надстройку из композитов обладающей высокой весовой эффективностью, впоследствии серийно выпускавшееся до 2003 года, то есть на протяжении более чем двадцати лет. Всего было выпущено порядка 200 судов. В этот же период производились достаточно массовые капитально – восстановительные ремонты этих амфибийных судов, которые затрагивали, в том числе, их конструкции из композитов. Опыт этих ремонтов позволил сформировать начальное представление об эксплуатационном поведении надстройки из композитов обладающей высокой весовой эффективностью и других элементов судна.
Как развитие данного типа судов были созданы амфибийные суда на воздушной подушке проектов 18801, 18802, 18803 "Пума", а также амфибийные суда на воздушной подушке проекта 15060, 15063 "Ирбис". АСВП проектов 18801, 18802, 18803 было построено несколько десятков. До 1991 года АСВП проектов 15060, 15063 "Ирбис" было построено пять единицы. Суда всех этих проектов прошли всесторонние испытания. Многие находятся в эксплуатации до настоящего времени, имея срок службы больше четверти века, в том числе, АСВП проекта 15060 "Ирбис" стр. № 1, который эксплуатируется на российско-китайской границе в районе города Благовещенск. В процессе серийной постройки АСВП были учтены некоторые начальные несовершенства проектов, а также исправлены некоторые ошибочные проектные решения. В дальнейшем АСВП всех этих проектов неоднократно экспортировались, в том числе в США, затем Колумбию, Финляндию, ОАЭ, Малайзию, Китай и ряд других стран.
В то время не было сделано попытки разработать аналитический и методический аппарат, позволяющий проектировать надстройки этих судов в виде многослойных оболочек конструкций из композитов, которыми они являлись по существу. Проектированием этих элементов АСВП из композитов в ЦКБ "Нептун" занималась группа конструкторов, в большой степени, по наитию, эмпирически, опираясь на свой огромный опыт. В то же время, при изготовлении этих конструкций на Опытном производстве ЦКБ "Нептун", а также на серийных заводах был совершен ряд конструктивных и технологических ошибок, снизивших эксплуатационные качества у некоторых построенных судов. После расформирования конструкторских подразделений ЦКБ "Нептун" в 1995 году преемственность в проектировании данного вида конструкций была временно утрачена.
Опыт проектирования и изготовления надстроек АСВП в виде многослойных оболочек из полимерных композитов в советские времена не был освещен в специализированной периодической печати и в силу этого оставался практически неизвестным.
Это обстоятельство не замедлило принести свои неблагоприятные плоды. Вновь создаваемые надстройки АСВП в виде многослойных оболочек из полимерных композитов для судов этого типа в новых проектах оказывались имеющими избыточные весовые и прочностные характеристики, что существенно снижало характеристики полезной нагрузки вновь построенных судов, а также их амфибийные и маневренные качества. В качестве примеров АСВП, имеющих неблагоприятные избыточные соотношения между массой собственно корпуса и массой надстройки из полимерных композитов, можно привести проекты АСВП АРКТИКА-3Д, АСВП МАРС-700, АСВП МАРС-2000, АСВП МАРС-3000, и ряд других.
Существует важное отличие в конструкции надстроек из композитов АСВП различных проектов. Большая часть АСВП имеет надстройки в виде многослойной оболочки, представляющей собой объемно-прочную конструкцию. АСВП типа "Арктика" имеют надстройки из композитов, прочность которых обеспечивается каркасом из легких сплавов (рис. 8). Такая конструкция является менее совершенной, так как в местах контакта каркаса и деталей надстройки из композитов возникают жесткие точки, являющиеся концентраторами напряжений.
Необходимо отметить, что эмпирическое проектирование надстроек АСВП проектов 18800, 18801, 18802, 18803, 15060, 15063 из композитов наряду с другими проектными решениями, в то же время, позволило обеспечить этим АСВП эксплуатационные характеристики, существенно превышающие аналогичные характеристики судов-конкурентов сопоставимых размеров. Так, например, АСВП проекта 18802 "Пума" имеет коэффициент утилизации по полезной нагрузке на 10,7% больший, чем у АСВП проекта АРКТИКА-3Д, при расходе топлива на 1 пасс-км более чем в 3,8 раза меньшем, чем у этого АСВП при одинаковой пассажировместимости.
