Почему в Сиднейской бухте можно, а в сочинской гавани нельзя? Или Что мешает развитию композитного судостроения в России

Наша компания работает в азиатском хабе композитного судостроения с 2006 года. Это позволяет накапливать и систематизировать мировой опыт производства судов длиной до 35 м. 

Более половины из 120 реализованных нами проектов, выполнено из композитных материалов. Это специальные, коммерческие суда, спортивные парусники, суда прогулочного назначения. Недавно начато производство промысловых судов (рис. 1). Серия, состоящая  почти из сотни патрульных композитных судов, была выпущена для индийских ВМС (рис. 2). Четыре беспилотных композитных катера построено для ВМС Сингапура (рис. 3).

Рис.1   /  Фото: Albatross Marine Design

Рис. 2 / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd Рис. 3 / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

Композитные материалы позволяют реализовывать и неординарные проекты, такие как суда с альтернативными способами движения. На рис. 4 показан катамаран с электродвижением от системы солнечных батарей. На его борту располагаются аккумуляторные батареи и небольшой генератор. В портфеле компании есть даже катер, способный тушить пожар. Он сделан полностью из композитов и классифицирован, как спасательное судно с противопожарным оборудованием класса Lloyds Register.  

Рис. 4 / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

Почему в России большинство из этих проектов не могло бы реализоваться? Попробуем разобраться.

Что можно, а что "низзя"

Набережные многих курортных южных городов России заставлены сегодня судами неказистого внешнего вида. Стоянки таких судов выглядят, как "кунсткамеры судостроения" (на рис. 5 слева), но возить туристов этим стальным "ровесникам ХХ века" доверяют, они же "не горят"! А вот использование композитного катамарана проекта ASV1500 (на рис. 5 справа) в России бы запретили - тут вам не Камбоджи. Катамаран сделан из композита – горючего материала. При взгляде на обе фотографии, появляется ощущение абсурдности ситуации.

Рис. 5 / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

Стоит отметить, что в мировом малом судостроении композитные материалы занимают уже главенствующую роль. Часто приводят значение в 80%. На самом деле это не так, потому что большое количество судов сегодня изготавливается и из полиэтилена. Если взглянуть на опыт AMD, то больше половины наших судов в диапазоне до 24 м сделано из композитов.

Если выйти за 24 м, там доля композитных судов существенно ниже, но, тем не менее, перспективы роста есть и в этом сегменте. Преимущества композитов неоспоримые. Во-первых, это материал, который проектируется под нагрузку, что позволяет создавать легкие конструкции. Разработаны методы постройки: можно строить из композитов и единичные суда, и крупные серии. В этом случае обеспечивается значительное снижение себестоимости. 

Не стоит забывать и такие плюсы, как минимум межсезонного обслуживания, радиопрозрачность, отличную изоляцию, минимизацию потерь внутреннего пространства. Композиты позволяют создавать очень интересные, эстетичные формы изделий. Проектирование судов из композитов хорошо отработано на практике и не требует привлечения НИИ и тестов образцов. В России десятки компаний производят суда из композитов. Опыт работы с этими материалами имеют и ведущие КБ. 

Диаграмма, составленная на основе проектов AMD, свидетельствует об экономии массы композитных судов. На рис. 6 показано, как меняется масса конструкции судов (без учета изоляции) ряда проектов, в случае их реализации из композитов или алюминия. При производстве катамаранов композиты позволяют экономить более четверти массы корпуса, для однокорпусных судов – порядка 10-15%. И речь идет даже не об углепластике, а о более тяжелом стеклопластике. Почему такой резерв снижения массы не используется в российском судостроении?

Рис. 6 Сравнение массы корпуса проектов судов из КМ и алюминия / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

На судах с новыми способами движения, например, электродвижением, применение композитов позволяет разместить больше аккумуляторных батарей, оборудования, снизить затраты топлива на движение. Композиты расширяют возможности конструкторов.

Рис. 7 Укладка материала для формования пассажирского катамарана пр.ASV1500W методом инфузии / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

Многие из тех, кто работает с композитами, видели катастрофическую картину – пожар на тримаране Klewang в Индонезии в 2012 году. Её активно используют в качестве козырной карты композитоненавистники: "Композиты горят, вот смотрите". Развеять все сомнения по этому поводу, поможет внимательный взгляд на фото судна до пожара, там везде виден буксирный трос. В момент бедствия на Klewang не были установлены даже главные двигатели, не говоря о системе пожаротушения. Местные эксперты считают, что судно было уничтожено намеренно.

Нужно четко представлять себе, что при сегодняшнем уровне технологий композитного судостроения, конструкцию из композитных материалов (КМ) можно в лучшем случае сделать более-менее огнестойкой, но нельзя сделать ее негорючей. Но всегда и для всех типов судов нужна эта "вожделенная" негорючесть? И, кстати, суда из стали горят ничуть не хуже, поскольку на них много горючих компонентов; уже не говоря о судах из алюминия.

Проанализируем правила, которые действуют в отношении композитного судостроения в разных странах мира. Источником запретов на композитные решения являются прежде всего документы, созданные на базе стального судостроения, например, конвенция SOLAS. Но откроем раздел об области ее применения и сразу отметим, что конвенция распространяется на суда, совершающие международные рейсы. То есть формально и SOLAS, и те документы, на которые ссылается эта конвенция, не касаются судов внутреннего сообщения.  Не попадают под нормы SOLAS и яхты, военные суда, несамоходные суда и т.п. Более того, из действия отдельных положений конвенции допускается исключать суда с инновационными характеристиками. 

В таблице (рис. 8) более "дружелюбные" к композитам ниши отмечены зеленым цветом. Уже сегодня в зарубежной практике в этих нишах широко применяются композитные решения. Но даже для судов, попадающих в красные ячейки, существует варианты использования композитов, и это хорошо показали новейшие зарубежные программы: RAMSESS, LASS, FiberSHIP и др. 

Рис 8 Применимость SOLAS и, как следствие, требования к негорючести материала корпуса для различных судов / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

Почему же за границей композитные суда использовать можно, а здесь в России нельзя. Вот композитный катамаран, который возит до 36 туристов по Сиднейской бухте (рис. 9). К этому судну никто не применял требования к негорючести корпуса. Как так? Давайте рассмотрим. 

Рис 9 Композитный катамаран в австралийском Сиднее / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

В таблице (рис. 10) отражены зарубежные требования к конструктивной противопожарной защите судов разных типов. Вновь, зелёные ячейки более "дружелюбные" к композитам, красные – менее. На рекреационные суда до 24 м распространяется стандарт ISO9094. Он предполагает, что материал корпуса уже является достаточной противопожарной защитой. Система пожаротушения предполагается в машинном отделении и т.д. Далее по нарастающей: стандарт DNV0342, как правило, используется для рабочих судов, противопожарная защита там требуется, но она минимальна и только в машинном отделении. Требований к негорючести материалов корпуса нет. 

Рис 10 Матрица конструктивной противопожарной защиты судов, зарубежный опыт / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

Есть образцы нормативных документов для пассажирских судов местного сообщения (SCV Сode, разработанный при участии IMO для стран Карибского бассейна, а также NSCV – австралийские правила). Они описывают, как должна обеспечиваться конструктивная противопожарная защита судов в зависимости от их пассажировместимости, категории и т.д. Эти документы допускают использование композитных материалов, не требуя применения "стали или эквивалентного материала". 

Мы уже поняли, что в мировой практике композитные суда допускаются для коммерческой эксплуатации и перевозки пассажиров в определенных нишах – речь в основном идет о местных линиях. Взглянем на российскую действительность (рис. 11): красный цвет означает, что эти типы судов строить из композитов нельзя, корпус должен выполняться из негорючего материала. И даже прогулочные рекреационные суда, которые в правилах Российского морского регистра обозначены, как суда высшей категории - их корпус должен быть из негорючего материала, хотя в международных стандартах для рекреационных судов ISO9094 этого требования нет. Жестче, чем зарубежные нормы, и новые правила РМРС для рыболовных судов. В целом, движение в положительную сторону в России отмечается, но красная зона остается неоправданно большой. 

Рис 11 Матрица конструктивной противопожарной защиты судов (требования РМРС) – российский опыт / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

Практический совет к таблице 11: как в зарубежной практике решается вопрос обеспечения проверки конструктивной противопожарной защиты судов до 24 м? Они используют тест горелкой на прожигание переборки машинного отделения. Почему в Российской Федерации этот метод был бы предпочтительнее, чем установка изоляции огнестойкими матами в машинном отделении? Потому что изоляция может оказаться санкционной продукцией. Или, допустим, для верфи потребуется купить ровно 3 кв.м  этой изоляции. Кто им ее продаст в таком количестве? А вот провести тест горелкой переборки фактической конструкции можно, и это широко применяется. Здесь https://bvi.gov.vg/sites/default/files/resources/scv_code_july_2017.pdf (см. Annex 4) представлено описание этого теста, оно достаточно простое и может быть выполнено на небольшой верфи, строящей небольшие коммерческие или промысловые суда. Это можно сделать прямо на месте. 

На рис. 12 представлен австралийский стандарт NSCV. Он применяется без ограничений длины, то есть не только для малых судов. Норматив действует, в основном, для судов, которые совершают внутренние рейсы. Хотя скажут «что там эта Австралия?», но посмотрите на условия плавания, например, на Тасмании. Там очень жёсткая обстановка, это Южный океан. И у них допускается применение композитов. Опять же градация идет по нарастающей: для судов высшей категории требуется полное соответствие SOLAS, для судов менее 200 пассажиров есть очень разумные послабления и т.д. 

Рис. 12 / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

Мы не раз проектировали суда этих категорий NSCV, в качестве материала корпуса там допускается композит без каких-либо дополнительных покрытий. Исключения составляют опасные помещения, типа машинного отделения, где используется изоляция. 

Глядя на российскую ситуацию, проблема требования "корпуса из стали или эквивалентного материала" (де-факто – негорючесть корпуса) представляется первичной и трудно преодолимой. А вот правила проектирования и методы расчета композитных конструкций –  вторичны. Потому что, если первая проблема не решена, то говорить о второй преждевременно. 

Методы проектирования конструкций из КМ

Все же затронем методы расчета проектируемых композитных конструкций. И попытаемся классифицировать эти методы в зависимости от сложности и т.п. (рис. 13). Многие проектировщики используют в своей практике сразу несколько методов. Возьмем, например, простейшие рекомендации Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO). У них есть свои расчетные таблицы для промысловых судов. Или можно пойти в сторону метода конечных элементов (МКЭ). Методом сбрасывания испытывают суда вместо расчетов, недавно мы делали исследование на эту тему. То есть методов много, они развиваются. Специалисты, проектирующие суда из композитных материалов, этим аппаратом владеют. 

Рис. 13 Методы расчета конструкций из композитов / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

Судостроение достаточно консервативная отрасль. От композитов требуют достаточно высокие запасы прочности, лежащие в пределах 2…3. Применяемый проектировщиком метод расчета прочности определяет и сам результат проектирования, так сказать весовое совершенство конструкции. Под ведущие КО мы делаем расчёты пакетными методами и методами классической теории ламинатов, а также работаем с методом конечных элементов, в основном, для анализа общей прочности. 

Рассмотрим, к примеру,  исследование общей прочности катамарана при скручивании (рис.14). Применение программ МКЭ позволяет создавать более продвинутые конструкции, более сложные ламинаты и реализовывать преимущества композитов. 

Рис. 14 Пример расчета корпуса катамарана при скручивании методами МКЭ / Фото: Albatross Marine Design

Сравнение применяемых методов расчетов в различных нормативных документах 

Обычно, в одних правилах может применяться несколько методов расчетов. Мы начинали работу в 2010 году с Индийским регистром, когда у них практически не было опыта с композитами. Мы создали серию катеров, которые они требовали считать одновременно и по их правилам, и по правилам Ллойда. Затем они изучали результаты, сравнивали, и  сегодня в Индии существует достаточно большой композитный флота под классом национального регистра. Они получили информацию о композитах, выросли на тех проектах, которые мы с ними разрабатывали. Достаточно интересный опыт, к которому можно было бы приглядеться и в России.

Перспективные проекты композитных судов

Рассмотрим несколько перспективных проектов, демонстрирующих преимущества композитов, как конструкционных материалов. Например, скоростной катамаран (рис. 15) длиной 32 м на 200 пассажиров. Подобные суда позволяют полностью раскрыть потенциал композитов. Напомню, катамаран экономит 20-30% массы корпуса при использовании композитных материалов. 

Рис. 15 / Фото: Albatross Marine Design

Концепт проекта водного автобуса для городов с электродвижением (рис. 16) спроектирован "вокруг" солнечных панелей. Судно может подзаряжаться на береговых станциях или от солнечных панелей. 

Рис. 17 / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd

Лидером в сегменте композитного судостроения сегодня является прогулочное судостроение. На рис. 18 представлен проект катамарана в 48 футов, который в этом году получил приз на Muse Design Award. Карбоновые элементы используются даже в дизайне экстерьера, это подчеркивает композитность этого судна и технологичность.

Рис. 18 / Фото: "Albatross Marine Design", Ltd