В статье рассказывается о том, что такое ватерлиния, для чего она нужна и когда впервые был введен закон об обязательном использовании одной из ее разновидностей.
Корабли
Очень долгое время единственным и относительно быстрым способом путешествия оставались корабли. Конечно, их использование влекло за собой целый ряд ограничений, но более удобных и безопасных альтернатив попросту не было.
Со временем, когда были изобретены более-менее надежные навигационные приборы, люди смоги путешествовать между континентами, что было настоящим прорывом. Постепенно, когда кораблестроители смогли усовершенствовать конструкцию судов, на них стали в обязательном порядке появляться отметки ватерлинии. Но что такое ватерлиния и зачем она нужна? В этом мы и разберемся в данной статье.
Определение
Слово это происходит из нидерландского языка, что вполне логично. Ведь именно это королевство было одним из первых, которое отличалось высоким качеством своего флота.
Ватерлиния - это линия, по которой происходит соприкосновение спокойной поверхности воды с корпусом корабля или иного плавающего судна. Если рассматривать этот термин с точки зрения проектирования кораблей, то ватерлиния - это сечение корпуса горизонтальной плоскостью на чертеже. Так что теперь мы знаем, что такое ватерлиния.
Виды ватерлиний
Ватерлиния бывает следующих видов:
- Конструктивная - это линия, которая берется за основу при построении теоретического чертежа. На основе предварительный расчетов, она показывает различные типы
- Грузовая ватерлиния создана для определения максимально допустимой просадки судна из-за его загруженности. Обычно подобная ватерлиния судна совпадает с конструктивной.
- Расчетная показывает осадку, по которой определяются теоретические характеристики судна.
- Действующая не наносится на корпус судна, это понятие, которое определяет текущий уровень просадки корабля в зависимости от его загруженности или типа воды.
Если говорить о ватерлинии действующей, то она определяется в зависимости от множества факторов, к примеру, формы корпуса судна, плотности материала, из которого оно построена, веса, волнения воды и прочего.
Площадь ватерлинии может служить для вычисления коэффициента полноты корпуса. Однако, в зависимости от нагрузки, погоды, плотности воды и остальных факторов, площадь ватерлинии может сильно варьироваться, а вместе с ней крен и устойчивость судна. Если говорить о ее длине, то она служит в качестве линейного размера при определении числа Фруда для судов с водоизмещением, а значит, и их скорости в теории. Теперь мы знаем, что такое ватерлиния.
Однако более подробно разберем такую ее разновидность, как грузовая марка.
Грузовая марка
В 1890 году подобная отметка стала обязательной на всех грузовых суднах. В отличие от иных разновидностей ватерлинии, ее назначение имеет более практичную роль.
Дело в том, что до введения подобной ватерлинии многие торговые суда тонули из-за перегруза, сказывалась разница плотности воды, в зависимости от региона, времени года, ее солености и прочего. Тогда была введена грузовая ватерлиния. С ее помощью человек, ответственный за погрузку, рассчитывает максимально допустимую нагрузку на судно, сверяясь с маршрутом, погодными условиями, типом воды и другими параметрами. Пример таких отметок можно увидеть на фото ниже.
Проще говоря, грузовая марка была введена для того, чтобы следить за загруженностью судна, и если вода ниже ватерлинии, то все в порядке. Но как уже говорилось, зависит это от типа воды, времен года и прочих параметров. В 1890 году в Британии был принят закон об обязательном использовании грузовой марки.
Для изучения навигационных качеств судна необходимо знать величины, от которых они зависят. К таким величинам относится группа показателей, характеризующих геометрию корпуса судна и называемых – элементы теоретического чертежа ; последние также называют – гидростатические показатели судна.
К элементам теоретического чертежа относят:
| V | – | объемное водоизмещение, м 3 ; | |
| z с | – | аппликата центра тяжести погруженного объема корпуса (аппликата центра величины – ЦВ), м; | |
| х с | – | абсцисса ЦВ, м; | |
| х f | – | абсцисса центра тяжести площади ватерлинии, м; | |
| S | – | площадь ватерлинии, м 2 ; | |
| w | – | погруженная площадь шпангоута, м 2 ; | |
| d,a,b | – | коэффициенты полноты: водоизмещения, площади ватерлинии и погруженной площади шпангоута соответственно; | |
| I x | – | момент инерции площади ватерлинии относительно продольной оси 0Х , м 4 ; | |
| I f | – | момент инерции площади ватерлинии относительно поперечной оси, проходящей через ее центр тяжести, м 4 ; | |
| r | – | малый (поперечный) метацентрический радиус, м; | |
| R | – | большой (продольный) метацентрический радиус, м. | |
Элементы теоретического чертежа принято делить на две группы: элементы плавучести (V, S, w, z с , х c , х f , a, d, b) и элементы начальной остойчивости (I x , I f , r, R) . Применение элементов плавучести показано в разделе «Плавучесть» настоящего пособия.
Основным параметром, характеризующим посадку судна (положение судна относительно воды), является его заглубление (z ). При отсутствии крена и дифферента (посадка прямо и на ровный киль) заглубление является единственным параметром посадки, а при произвольной посадке – основным параметром. С учетом отмеченного, значения элементов теоретического чертежа принято представлять в виде зависимостей (кривых) от погружения (рис. 1.10).
На рис. 1.10 не представлена зависимость изменения погруженной площади шпангоутов (w ). В качестве базы (аргумента) для представления изменения w принимается длина ватерлинии (L ) при некотором значении погружения (z ). График такой зависимости (рис. 1.11) называется строевая по шпангоутам.
Общие выражения для элементов плавучести. Для вычисления объемного водоизмещения, координат центра величины и других элементов плавучести используется теоретический чертеж.
Выделим из подводного объема корпуса двумя плоскостями шпангоутов, отстоящих на бесконечно малую величину dx элемент этого объема (рис. 1.12, а ). Объем такого элемента будет w · dx , а погруженный объем судна определится интегрированием этого выражения по длине судна
Рис. 1.11. Строевая по шпангоутам
Для определения абсциссы центра величины (х с) воспользуемся теоремой о том, что статический момент объема (V ) относительно миделя равен суммарному моменту его элементов, т.е.
Аппликата центра величины определится, аналогично (1.6), через статический момент объема относительно основной плоскости
Статический момент элементарной площадки (см. рис. 1.14) относительно оси 0У равен ; а для всей площади ватерлинии будем иметь
Аналогично, если в формуле (1.7) площадь ватерлинии заменить ее выражением (1.10) будем иметь
 | (1.15) |
Общие выражения для определения коэффициентов полноты a, b, d, относящихся к элементам плавучести, представлены формулами (1.1) (1.2) и (1.3); применение последних возможно при известных значениях (S, V и w ).
Представленные выше общие выражения для определения элементов плавучести содержат определенный интеграл, который может иметь точное решение, если функция задана аналитически.
Зависимости, описывающие теоретическую поверхность корпуса судна, задаются в виде чертежа, т.е. в графическом виде. В этом случае определенный интеграл вычисляют по приближенным формулам (формулам квадратур). В расчетах по теории корабля формулы квадратур называют правилами. В практике судостроительных расчетов получили распространение три правила: правило трапеций, правило Симпсона и правило Чебышева. Достоинство правила трапеций – простота и наглядность; оно широко используется на практике.
Правило трапеций. Суть этого правила и его применение для расчета элементов плавучести представлены ниже.
Если необходимо вычислить определенный интеграл вида , а подинтегральная функция y=f(x) задана в виде кривой (рис. 1.15), то геометрическим выражением интеграла будет площадь (А ), ограниченная заданной кривой, осью абсцисс и концевыми ординатами. Для приближенного вычисления площади она делится на ряд трапеций с одинаковой высотой; в таком случае вычисление интеграла сводится к определению площади, ограниченной ломаной линией, т.е. к вычислению суммы площадей трапеций, основаниями которых являются ординаты у 0 , y 1 , … y n :
где – высота трапеции; n – число интервалов.
Так как половина каждой ординаты, кроме крайних, входит в полученное выражение дважды, формула может быть преобразована к виду
а полусумму крайних ординат, называемую поправкой к сумме, как
Правило трапеций может быть применено для вычисления любых определенных интегралов, при этом подинтегральная функция y = f(x) может иметь любой геометрический или физический смысл.
Расчет площади шпангоута.
Шпангоут задается его очертанием на проекции «корпус» теоретического чертежа (см. рис. 1.13). по правилу трапеций площадь шпангоута определяется как сумма площадей трапеций с одинаковой высотой 
, т.е.
| . | (1.20) |
После преобразований и принятых по правилу трапеций обозначений (1.16) – (1.18) выражение (1.20) можно представить в виде
Ватерлиния, нанесённая на корпус корабля (чёрным)
Ватерли́ния (англ. waterline ) - линия соприкосновения спокойной поверхности воды с корпусом плавающего судна . Также - в теории корабля элемент теоретического чертежа: сечение корпуса горизонтальной плоскостью.
Различают следующие ватерлинии:
Действующая ватерлиния определяется формой судна, его средней плотностью, а также степенью волнения воды в данном бассейне. Площадь ватерлинии используется для вычисления коэффициента полноты корпуса. Форма площади ватерлинии, точнее её момент инерции , является фактором, определяющим устойчивость формы . Очевидно, в зависимости от условий нагрузки, крена и дифферента форма площади ватерлинии, а с ней и устойчивость, могут меняться.
Длина по ватерлинии служит характерным линейным размером в определении числа Фруда для водоизмещающих судов и, соответственно, их теоретической скорости.
Грузовая марка
Грузовая марка (Plimsoll line)
Все коммерческие суда должны иметь на борту отметку под названием грузовая марка (также известна под названиями англ. Load line,Plimsoll line ).
До того, как эта отметка стала обязательной (первый прецедент в новой истории - британский закон о грузовой марке 1890 г., по которому минимально допустимая высота надводного борта устанавливалась не судовладельцем, а государственным органом), было потеряно много судов. Основная причина - перегрузка, обусловленная стремлением в получении дополнительной прибыли от перевозки , которая усугублялась разницей в плотности воды - в зависимости от её температуры и солёности осадка судна может существенно меняться.
Грузовая марка - это специально наносимая на мидель судна отметка, по которой суперкарго (лицо, ответственное за погрузку, доставку и разгрузку груза) определяет уровень, до которого судно может быть безопасно нагружено, то есть грузовую ватерлинию . При загрузке судна оно садится глубже в воду и отметка опускается ближе к поверхности воды.
В 1870-х годах британским политиком Сэмюэлем Плимсолем была предложена система универсальной маркировки судов, которая позволила определять максимальную загрузку корабля в зависимости от времени года и региона.
Таблица соответствия осадки судна его загрузке и риске грузовой марки
Буквы на грузовой марке означают:
Примечания
Литература
Ватерлиния:
- // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
- Суворов Н. С., Иванов В. П., Фёдоров В. П. Современные боевые корабли. - ДОСААФ СССР, 1978. - 285 с.
- Фрид Е. Г. Устройство судна. - Л. : Судостроение, 1989. - 344 с. - 25 000 экз. -
Современные подходы к кораблестроению требуют непрерывного поиска оригинальных технических решений для завоевания превосходства над потенциальными противниками в мировом океане. И все чаще конструкторы обращаются к проектам многокорпусных плавсредств - катамаранов и тримаранов. Достаточно вспомнить литоральные корабли ВМС США типа "Индепенденс " или новейшую российскую разработку "Русич-1 ". Доктор технических наук Виктор Дубровский рассказывает, как еще можно улучшить технические характеристики многокорпусников за счет оригинального решения - уменьшения площади ватерлинии.
Введение
К объектам с малой площадью ватерлинии относятся полупогружные (обычно – буровые) платформы и суда (корабли) с малой площадью ватерлинии (small water-plane area ships).На рис. 1 показана схема внешнего вида полупогружной платформы. В рабочем положении ватерлиния находится примерно на середине высоты стоек (колонн), соединяющих понтоны с верхним строением, в походном – несколько ниже верхних палуб понтонов.
Полупогружные платформы в мире используются с 50-х годов, с того времени было построено более 300 таких объектов достаточно большого водоизмещения. Практика показала, что они могут постоянно находиться в самых суровых морях планеты и работать большую часть времени, в том числе - при весьма интенсивном волнении. На рис. 2 показано двухкорпусное судно с малой площадью ватерлинии (СМПВ).
Исследования, проектирование и постройка СМПВ началась в 60-е годы, с тех пор в мире построено более 70 таких судов, в основном – малого водоизмещения, часто используемых как экспериментальные.
Уже эти иллюстрации выявляют основное отличие объектов с малой площадью ватерлинии: снижение водоизмещающих объёмов вблизи ватерлинии с компенсацией этих объёмов за счёт более погруженных под поверхность частей судна.
В настоящее время водоизмещающие объемы, пересекающие свободную поверхность, обычно называют "стойками" (для судов) или "колоннами" (для платформ). Подводные объемы сегодня не имеют установившегося названия: говорят о "понтонах" для платформ и судов, о "подводных корпусах", "подводных объемах" и т.д. для судов.
В публикациях автора с 1978 года для судов используется следующая терминология: каждый корпус состоит из надводной платформы – стойки (стоек) – гондолы (последний термин был заимствован из авиации). Эта же терминология использована ниже.
Кроме того, для характеристики расположения корпусов друг относительно друга и относительно водной поверхности используются такие термины: поперечный клиренс (обычно – расстояние между диаметральными плоскостями корпусов); вертикальный клиренс (отстояние днища платформы от расчетной ватерлинии); продольный клиренс (расстояние между миделями корпусов, если они сдвинуты в продольном направлении).
Отмеченная особенность обводов влияет на все технико-эксплуатационные качества судов. Кроме того, как все многокорпусные объекты, СМПВ отличаются увеличенной площадью палуб относительно объёмного водоизмещения. Потому, как и все многокорпусники, СМПВ эффективны для транспортировки полезной нагрузки небольшого веса, требующей для своего размещения больших площадей палуб или большого объема, т.е. "легких" грузов. К таковым относятся пассажиры в каютах, накатная техника, лёгкие контейнеры, научно-исследовательские лаборатории, системы вооружения, прежде всего – авиационные. Поэтому, в частности, наиболее рационально проектирование СМПВ на основе заданной изначально требуемой площади палуб.
Соотношения размерений и типы СМПВ
Специфическое распределение водоизмещающих объемов определяет и специфику соотношений размерений СМПВ.Для удобства использования внутренний объемов гондол и повышения технологичности их сборки целесообразно обеспечить безотрывное обтекание оконечностей: выбирать полуэллиптическую форму носа и конусообразную - кормы. Остальная длина представляет собой цилиндр. В результате, коэффициент полноты гондолы и корпуса в целом становится зависимым от удлинения гондолы L/D, где L - длина, D - диаметр гондолы.
Уменьшенная площадь ватерлинии требует увеличения расстояния между корпусами для обеспечения необходимой начальной поперечной остойчивости. Эти и другие, описанные ниже, особенности архитектурно-конструктивного типа определяют соотношения главных размерений, не характерные для однокорпусных судов и для многокорпусных судов с традиционными обводами. Наиболее вероятные значения этих соотношений приведены ниже при рассмотрении особенностей площади палуб и начальной остойчивости различных СМПВ.
До настоящего времени в той или иной мере изучено несколько типов СМПВ, хотя практически используются пока только двухкорпусные (большинство из более 70 построенных в последние годы СМПВ – дуплусы, в изложенной терминологии). На рис. 3 показаны изученные типы СМПВ.
Следует отметить, что показанная терминология, предложенная автором в 1978 году, не является общепринятой. Например, в Японии все двухкорпусные суда называют катамаранами, независимо от формы обводов. Представляется, что выделение двух типов двухкорпусных СМПВ делает классификацию более точной. СМПВ с одной длинной стойкой в составе каждого корпуса впервые было построено в Голландии, название этого первого судна было предложено автором в качестве общего для судов данной архитектуры. Термин "трисек" был предложен авторами первого двухкорпусного СМПВ с двумя короткими стойками в составе каждого корпуса, построенного в США: "ТРИ СЕКции", т.е. платформа и два подводных объёма.
Кроме того, в англоязычной литературе все трехкорпусные суда называют тримаранами, независимо от формы и соотношений размерений. Напротив, в российской практике с 70-х годов (исследования ходкости быстроходных речных судов А.Г. Ляховицким) название "тримаран" применяется к трёхкорпусным судам с одинаковыми корпусами обычных обводов. Поэтому отдельное название трехкорпусных СМПВ с одинаковыми корпусами представляется целесообразным.
СМПВ имеют как общие особенности, отличающие их от однокорпусных судов и от многокорпусных с обычными обводами, так и специфические для каждого типа. Ниже эти особенности рассмотрены более подробно. Надо отметить, что почти каждая особенность конкретного типа судна может быть благоприятной, неблагоприятной или нейтральной для конкретной цели применения. Все эти вопросы кратко рассмотрены ниже.
Здесь в качестве базы для сравнения условно используется однокорпусный объект равного водоизмещения, хотя практически при выборе вариантов судна в самом начале его проектирования необходимо рассматривать также сопоставимые типы многокорпусных судов с традиционными обводами.
Особо следует отметить, что каждое СМПВ можно спроектировать так, что при полном водоизмещении судно будет иметь осадку по верху гондол, что расширяет возможности использования мелководных акваторий и портов. При этом для повышения мореходности на волнении следует предусмотреть прием водяного балласта. Понятно, что объем этого балласта соответствует объему погружаемой части стоек, т.е. относительно невелик по отношению к полному водоизмещению судна.
Однако сильное влияние относительно небольших объемов балласта на посадку СМПВ – существенное неудобство его эксплуатации. Если не предусмотреть заранее, простое расходование топлива при плавании приведёт к неприемлемым изменениям посадки, прежде всего – крена и дифферента. Поэтому, например, одно из первых в мире СМПВ, японский пассажирский паром, имел автоматическую систему балластировки для поддержания требуемых пределов изменения посадки в процессе эксплуатации.
Как это работает
1. Площадь палуб
Хотя перераспределение объемов больше всего влияет на гидростатику и гидродинамику, с точки зрения проектирования удобнее начать с рассмотрения относительной площади палуб. Это рассмотрение базируется на упомянутой выше системе наиболее вероятных соотношений размерений, которые и определяют специфику данного типа судов.Основные результаты таких оценок приведены в Таблице 1.
|
Тип судна |
Относительная длина одного корпуса |
Вероятные соотношения размерений |
Относительная площадь палуб |
|
Однокорпусное |
L/B=8; A D ~0.8 |
||
|
Трисек или дуплус |
L SW =0.64*L; B OA =(0.3÷0.5)*L SW ; |
(0.19÷0.32 )*L 2 |
|
|
Корпус с малой площадью ватерлинии и два аутригера |
L M =0.8*L; L M /B M =8; L A =(0.3÷0.4)*L M ; B OA =(0.3÷0.4)*L M ; |
(0.13÷0.16 )*L 2 |
|
|
L 1 =0.35*L;A D ~ 0.75; L OA =1.6*L 1 ; B OA =(0.6÷0.8)*L 1 ; |
(0.25÷0.35 )*L 2 |
Таблица 1.
Здесь: L, V, B – длина, водоизмещение, ширина сравнимого однокорпусного судна, AD – коэффициент полноты верхней палубы; B1, BOA – ширина одного корпуса и габаритная ширина; LSW – длина по ватерлинии; LO-длина аутригера; LM - длина основного корпуса; lMON, l1 – относительная длина однокорпусного судна и одного корпуса многокорпусных судов.
Очевидно, что при равном количестве палуб СМПВ будет иметь в той или иной мере увеличенную, по сравнению с однокорпусным быстроходным судном, площадь палуб и внутренний объём надводной части. Именно поэтому полезная нагрузка большого объёма всегда размещается в соединяющей корпуса надводной платформе.
2. Начальная остойчивость и аварийная посадка
Продольная остойчивость СМПВ заметно ниже, чем сравнимого традиционного судна. Поэтому, в отличие от сегодняшней ситуации, когда продольная остойчивость не нормируется ни для каких типов судов, при проектировании СМПВ необходимо принимать какие-то ориентировочные пределы продольной метацентрической высоты. Учитывая соотношения габаритных размеров в плане, представляется удобным выбирать продольную высоту двухкорпусных СМПВ в 2 раза большей, чем поперечную, и в 3 раза большей – для трехкорпусных СМПВ.Поперечная остойчивость СМПВ определяет соотношения их габаритных размерений в плане, см. Таблицу 2, где рассмотрены примеры СМПВ различных типов при одинаковом водоизмещении. Для пояснения места СМПВ в общем ряду многокорпусных судов в таблицу включены также суда с традиционной формой обводов: катамаран (двухкорпусное), тримаран (три одинаковых корпуса) и судно с аутригерами (большой центральный и два малых бортовых корпуса). Для упрощения принято требование обеспечения начальной поперечной остойчивости СМПВ такой же, как у сравниваемого однокорпусного судна.
Главные размерения и начальная поперечная остойчивость 1000-тонных судов различных типов (в скобках – размерения аутригеров):
|
Тип судна |
Одно-корпусное (быстро-ходное) |
Катамаран |
Тримаран |
Традиционный
центр.корп.+2 аутригера
|
Центр. Корпус с МПВ + 2 аутригера |
|||
|
Длина одного корпуса, м |
65, 80 | 95 (30) | 65 (35) | |||||
|
Габаритная длина, м |
65, 80 | |||||||
|
Ширина одного корпуса, м |
6, 4 | 7 (1) | 7 (1.5) | |||||
|
Габаритная ширина, м |
18, 16 | |||||||
|
Площадь ватерлинии, кВ м |
2 х310, 2х 250 | |||||||
|
Расчётная осадка, м |
||||||||
|
Высота центра величины, м |
||||||||
|
Высота борта, м |
||||||||
|
Высота центра масс, м |
||||||||
| Поперечный метацентр. .радиус, м | ||||||||
|
Поперечная метацентр. высота, м |
||||||||
|
Продольный метацентр. радиус, м |
||||||||
|
Продольная метацентр. высота, м |
Таблица 2.
Анализ приведенных данных показывает, что поперечный размер СМПВ выбирается по совершенно иному принципу, чем те же размерения многокорпусных судов с традиционными обводами. Габаритная ширина СМПВ определяется требованием определенной начальной остойчивости. Напротив, расстояние между корпусами традиционной формы выбираются минимально приемлемыми для снижения их гидродинамического взаимодействия, которое обычно неблагоприятно, т.е. по требованиям ходкости. При этом поперечная остойчивость всех судов с традиционными корпусами, кроме аутригерных, намного больше, чем сравниваемого однокорпусного. Более того, начальная поперечная остойчивость катамарана, при необходимости, может быть равной продольной, и даже немного ее превосходить. Остойчивость аутригерного судна сравнима с той же характеристикой однокорпусного или несколько больше, если нужно.
Продольная остойчивость СМПВ существенно меньше, чем всех остальных типов судов, как однокорпусных, так и многокорпусных. Это обстоятельство сильно влияет на многие характеристики СМПВ.
Прежде всего, отметим, что снижение остойчивости приводит к трудностям с ограничением угла аварийного крена (дифферента): затопление одинакового объёма приводит к существенно бОльшему крену или дифференту СМПВ, чем у однокорпусного судна сравнимого водоизмещения. При этом обычно обеспечение минимального надводного борта не вызывает трудностей, если палубой переборок является верхняя палуба, соединяющая корпуса надстройки.
Недостаток поперечной остойчивости СМПВ может быть отчасти компенсирован развалом стоек вблизи надводной платформы, что обеспечивает увеличение площади диаграммы остойчивости. Но главное – наличие у всех многокорпусников непроницаемой платформы, соединяющей корпуса. Этот объем резко снижает углы крена и дифферента, как только его борта или оконечности начинают входить в воду. Существенно снижается также вероятность заливания при аварии, поскольку обычно вырезы в платформе находятся достаточно далеко от бортов и оконечностей.
Обеспечение аварийной остойчивости СМПВ обычно также не вызывает проблем, как только в воду начинает входить водонепроницаемая надводная платформа.
В качество существенной конструктивной меры для обеспечения аварийной посадки СМПВ можно рекомендовать заполнение отсеков (обычно – в оконечностях) негорючими плавучими блоками (или крупными гранулами в сетках – для упрощения перемещений при ремонтах).
Обычно размеры аутригеров невелики и сравнимы с размерами статистически возможных пробоин при авариях. Это значит, что при аварии вероятно полное затопление аутригера, то есть существенная потеря площади ватерлинии и остойчивости. В свою очередь, это значит, что обычно поперечная остойчивость должна быть обеспечена одним аутригером. Однако заполнение аутригеров плавучими материалами позволяет уменьшить размеры, собственное сопротивление и массу аутригеров.
Таким образом, аварийная посадка и остойчивость СМПВ, как большинства многокорпусных судов, мало соответствует представлениям, заложенным в основу правил, ранее создававшихся для однокорпусных судов. В результате отсутствия специфических правил остойчивости любое СМПВ оказывается экспериментальным объектом, то есть все его характеристики определяются расчетами и согласуются с соответствующим Регистром для каждого проекта отдельно.
3. Мореходность
Высокая мореходность СМПВ является их главным отличием и наибольшим преимуществом. Описанные выше отличия геометрии и остойчивости СМПВ определяют также и особенности мореходности.Известно, что собственные периоды качки сильно влияют на мореходность. Эти периоды определяются соотношениями восстанавливающих и инерционных сил и моментов. Для килевой качки – это соотношение продольной остойчивости и момента инерции масс (включая присоединенную массу воды) относительно поперечной оси.
При переходе от однокорпусного традиционного объекта к двухкорпусному СМПВ остойчивость падает сильнее, чем момент инерции масс. В результате собственный период килевой качки двухкорпусного СМПВ увеличивается примерно в 2 раза.
В отношении бортовой качки картина обратная: при примерно одинаковой начальной остойчивости резко увеличивается момент инерции масс (включая присоединённую) относительно продольной оси. В результате собственный период бортовой качки СМПВ также примерно в 2 раза больше, чем сравнимого однокорпусного объекта. Эти соотношения показаны на рис. 4.
Понятно, что такие существенные отличия сильно меняют и поведение СМПВ на волнении. Так, если однокорпусные суда обычно попадают в резонанс по продольной качке на встречном волнении, то СМПВ – на попутном и близких к нему курсовых углах. Достаточно крупные СМПВ редко попадают в резонанс при движении лагом к волне. Амплитуды качки СМПВ без успокоителей в резонансных режимах больше, чем сравнимых судов других типов, но ускорения в этом режиме очень невелики.
На рис. 5 показаны амплитуды килевой качки двух 100-тонных катеров на встречном волнении. Эти данные были получены по результатам испытания моделей дуплуса и катамарана, однако амплитуды второго достаточно точно могут считаться равными амплитудам однокорпусного судна той же длины и водоизмещения.
Очевидна совершенно непривычная для объектов с традиционными обводами зависимость качки от скорости дуплуса на встречном волнении: амплитуды падают с ростом скорости.
К сожалению, амплитуды вертикальных ускорений качки зависят от скорости иначе, см. рис. 6.
Очевидно, что при обычном ограничении скорости на встречном волнении величинами ускорений дуплус имеет существенное преимущество по достижимой скорости хода.
Уже первые натурные испытания СМПВ показали, что по уровню мореходности такое судно сравнимо с традиционным однокорпусным в 5-15 раз бОльшего водоизмещения (в зависимости от соотношения относительных площадей ватерлинии). На рис. 7 показаны амплитуды качки полунатурной модели СМПВ на естественном волнении с работающими и неработающими успокоителями качки.
В 1978 году автором была опубликована и в 2000 году детализирована методика "сворачивания" всей информации о мореходности, позволяющая характеризовать её одним числом. Этот "коэффициент мореходности" представляет собой среднегодовую вероятность выполнения заданных норм мореходности рассматриваемым судном на заданной акватории.
Эти расчёты показывают, что СМПВ становится практически "всепогодным" при водоизмещении около 5 – 6 тысяч тонн.
4. Ходкость на тихой воде
Отдельный корпус СМПВ обычно отличается от такого же традиционного увеличенной смоченной поверхностью и сниженным коэффициентом остаточного сопротивления. При этом надо помнить, что эти величины являются взаимозависимыми в обычной системе прогнозирования буксировочного сопротивления натурного объекта: если искусственно увеличить смоченную поверхность, то коэффициент остаточного сопротивления, как величина относительная, снижается – при неизменной абсолютной величине этой составляющей сопротивления.Рис. 8 содержит сравнение относительных величин смоченной поверхности корпусов двух типов: традиционных и с малой площадью ватерлинии.
На рис. 9 показывает коэффициенты остаточного сопротивления традиционных корпусов и корпусов с малой площадью ватерлинии.
По существу, сравнивать ходовые качества корпусов различных типов можно только на уровне спроектированных судов одного назначения. При этом будет заметна и другая сторона обтекания двух или трех корпусов, из которых состоит многокорпусное судно, включая СМПВ: гидродинамическое взаимодействие корпусов, прежде всего – генерируемых ими волновых систем. Особенности взаимодействия разнообразны и зависят от количества, взаимного расположения, размерений и формы корпусов.
Можно предположить, что максимум верхней кривой соответствует числу Фруда около 0.5 по длине стойки, которых на корпусе СМПВ данного типа две.
Интересным примером "продольного взаимодействия является вариант замены каждого корпуса дуплуса двумя более короткими корпусами того же типа. При этом число Фруда по длине одной части такого тандема будет в 1.5 – 1.7 раза больше, чем исходного корпуса. И если исходный корпус двигался при относительной скорости около 0.5, т.е. на "горбе" волнового сопротивления, то более короткие корпуса в составе тандема будут двигаться уже в загорбовой зоне. Вместе со снижением смоченной поверхности при уменьшении удлинения такой переход может быть эффективным для снижения буксировочного сопротивления.
Кроме "продольного" взаимодействия имеет место и взаимодействие двух корпусов, размещённых на определенном (остойчивостью) расстоянии друг от друга.
В данном случае благоприятное взаимодействие наблюдается в довольно узких диапазонах относительной скорости (от 0.33 до 0.43 и 0.2 до 0.25); весь остальной изученный диапазон относительных скоростей характерен неблагоприятным – в той или иной мере – взаимодействием волновых систем. При высоких скоростях взаимодействие стремится к нулю.
Вариантом "продольного" взаимодействия является влияние продольного сдвига центрального корпуса трехкорпусного объекта на суммарное значение его коэффициента остаточного сопротивления.
Имеющиеся результаты испытаний большой отечественной серии моделей СМПВ позволяют оценивать все возможные варианты размерений и взаимного расположения корпусов на ранних стадиях проектирования.
Наибольшее влияние на остаточное сопротивление аутригерного судна оказывает продольное положение аутригеров.
Что касается движителей, то для СМПВ могут применяться те же их типы, что и для традиционных судов и кораблей, наиболее часто размещаемые по одному на каждом из двух корпусов или по одному на кормовых корпусах трехкорпусных объектов, или по одному или два на корме центрального корпуса судна с аутригерами. Поскольку СМПВ могут иметь увеличенную расчетную осадку, хотя бы при движении на достаточных глубинах, движители этих объектов обычно имеют увеличенные диаметры, что положительно сказывается на пропульсивном коэффициенте. Другой особенностью СМПВ является больший вязкостный попутный поток и сниженные коэффициент засасывания, что также означает повышение пропульсивного коэффициента.
Уникальная серия моделей СМПВ, испытанная в ЦНИИ имени А.Н.Крылова в 70-е годы, позволяет прогнозировать буксировочное сопротивление судов различных типов на ранних стадиях проектирования (без дополнительных испытаний до стадии технического проекта).
5. Прочность
Полная схема сил и моментов, действующих на многокорпусные суда, включая СМПВ, достаточна сложна. Однако на ранних стадиях проектирования основной внешней нагрузкой является поперечная горизонтальная сила и определяемых ею поперечный изгибающий момент, рис. 10.
Наибольшие поперечные нагрузки действуют при стоянке лагом к волнению, что и является расчетным случаем для поперечной прочности.
Наиболее эффективно противодействуют общим поперечным нагрузкам поперечные переборки, расположенные по всей высоте борта СМПВ, рис. 11, и связанные с ними присоединённые пояски обшивок.
Расстановку обеспечивающих поперечную прочность переборок, каждая из которых должна быть от борта до борта и от днища до верхней палубы, необходимо начинать на первых этапах проектирования общего расположения. Если такая переборка должна быть проницаемой, то потеря ее прочности из-за вырезов должна компенсироваться подкреплениями.
Для двухкорпусных СМПВ продольная прочность менее важна, чем для традиционных судов, в основном потому, что меньше длина корпусов при равном водоизмещении. Продольная прочность трехкорпусных и аутригерных СМПВ играет значительную роль и должна проверяться, как и у традиционных корпусов. Общим отличием является падение продольного изгибающего момента СМПВ при росте скорости – у традиционных судов продольный изгибающий момент растет в увеличением скорости на встречном волнении. Наиболее нагруженным сечением СМПВ обычно является горизонтальное сечение каждой стойки в месте начала ее вертикального развала. Конструкцию стойки надо выполнять плавной – для недопущения концентрации напряжений в наиболее нагруженном сечении.
Если оценить необходимую толщину обшивки стойки в наиболее нагруженном сечении и принять эту толщину в качестве средней, а затем определить габаритные размеры всех частей конструкции, можно оценить массу корпусных конструкций СМПВ, см. рис. 12.
Обычно масса корпусных конструкций СМПВ по отношению к водоизмещению больше, чем у сравнимых традиционных судов, но меньше по отношению к площади палуб.
Наименьшей относительной массой отличаются СМПВ с аутригерами.
7. Проектирование
Для учёта особенностей СМПВ автором был предложен особый алгоритм их проектирования. Одним из основных исходных данных в этом алгоритме является необходимая для выполнения задач судна площадь палуб.Как правило, проектируемое СМПВ не имеет прототипов, или доступ к соответствующей информации невозможен. Потому размерения выбираются вариантным методом при расчётной оценке основных технико-эксплуатационных качеств прямыми расчётами. Схема соответствующего алгоритма показана на рис.13.
Результатом отечественных исследований характеристик СМПВ с конца 60-х годов
стала возможность разработки ранних стадий проектов судов любого назначения.
За указанное время автором было предложено множество вариантов СМПВ и других многокорпусных судов, см. рис. 14.
2. Имеющиеся отечественные материалы испытаний, расчетов и методические разработки позволяют выполнять ранние стадии проектов таких судов без дополнительных испытаний и расчётов.
Рекомендуется широкое применение судов с малой площадью ватерлинии во всех случаях, когда высокая мореходность увеличивает эффективность применения флота. Для демонстрации эффективности применения таких судов рекомендуется использование методики сравнения мореходности, "сворачивающей" всю информацию в одну цифру, "коэффициент мореходности".
Виктор Дубровский