Научные проблемы кораблестроения и их решение

Научные проблемы кораблестроения и их решение

И.Г. Захаров, доктор технических наук, профессор, контр-адмирал; В.В.Емельянов, кандидат технических наук, капитан 1 ранга; В.П. Щеголихин, доктор технических наук, капитан 1 ранга; В.В. Чумаков, доктор медицинских наук, профессор, полковник медицинской службы

Создание современного корабля основывается на достижениях многих наук, и, прежде всего на науках, изучающих мореходные характеристики корабля, архитектуру и прочность его корпуса, проблемы защиты от поражающего воздействия оружия, вопросы взрыво- и пожароопасности, скрытности от средств обнаружения по физическим полям, а также обеспечения обитаемости и многие другие качества корабля. Рекомендуемые при проектировании, строительстве кораблей технические идеи и конкретные решения должны отвечать уровню развития техники не только текущего периода, но и прогнозируемого на последующие 10-20 лет. Именно поэтому во всем цикле создания кораблей особенно важная и ответственная роль отводится решению различных научных проблем кораблестроения, направленных на улучшение боевых и эксплуатационных качеств надводных кораблей и подводных лодок.

Непотопляемость и остойчивость

Основы теории и практики непотопляемости кораблей были заложены в начале ХХв. замечательным русским флотоводцем и ученым вице-адмиралом С.О.Макаровым, которые затем развил академик А.Н.Крылов. Основоположником современной отечественной школы непотопляемости кораблей по праву считается видный ученый-кораблестроитель контр-адмирал В.Г.Власов. В практику борьбы за непотопляемость корабля внесли значительный вклад Д.В.Дорогостайский и Г.Е.Павленко.

В конце 40-х - начале 60-х годов встал вопрос о том, какой из методов спрямления корабля, получившего повреждение корпуса с затоплением части отсеков и имеющего значительный крен и дифферент, рекомендовать для внедрения на флоте. Проведенная по инициативе 1-го Центрального научно-исследовательского института (1-гоЦНИИ) ВМФ в 1953г. научная конференция по вопросам живучести кораблей приняла решение начать натурные испытания по спрямлению кораблей.

Специальная комиссия, в которой участвовали видные флотские ученые 1-гоЦНИИМО, Военно-морской академии (ВМА) им.А.Н.Крылова, Высшего военно-морского инженерного ордена Ленина училища (ВВМИОЛУ) им.Ф.Э.Дзержинского и специалисты промышленности, провела уникальные опытовые учения в Кронштадте по спрямлению крейсера “Максим Горький” и эсминца “Строгий”. На кораблях подвергались фактическому затоплению намеченные отсеки. В результате успешно проведенных испытаний комиссия единогласно признала наиболее целесообразным способ спрямления, предложенный В.Г.Власовым. Принципиальной особенностью этого способа являлось определение потребного спрямляющего момента и на этой основе подбора отсеков, используемых для спрямления в условиях, когда нет достоверных сведений о затопленных помещениях корабля. Такие условия в максимальной степени отвечали условиям борьбы за живучесть корабля в боевой обстановке. В этом отличие от ранее предложенного А.Н.Крыловым способа и его практическая ценность. Приказом по флоту опробованный способ спрямления кораблей был введен в действие.

Натурные испытания на эсминце “Сообразительный”, проведенные в 1949г. с целью исследования воздействия ветрового крена на корабль, открыли большой цикл экспериментальных работ по изучению этой проблемы, и к 1953г. была создана теория динамической остойчивости. Наиболее существенный вклад в эту работу внес сотрудник ЦНИИ им.А.Н.Крылова Г.А.Фирсов.

Результаты исследований в области остойчивости и непотопляемости кораблей вошли в требования ВМФ к проектированию, изданные впервые в 1952г. Нормирование остойчивости корабля исходило из заданной интенсивности ветра и качки, а непотопляемости - по заданному количеству затопленных отсеков, параметров посадки и остойчивости при этом.

Применительно к подводным лодкам различают надводную и подводную непотопляемость. На первом этапе (до начала 60-х годов) нормирование надводной непотопляемости осуществлялось только по углу аварийного статического дифферента, величина которого была назначена без особых обоснований (при единственном требовании: отсутствии каких-либо серьезных последствий для вооружения и технических средств подводной лодки). Численные оценки дифферента определялись по диаграммам, предложенным специалистами ЦКБ-18 Д.Л.Гармашем А.В.Базилевичем.

Исследования продольной остойчивости кит сгонных и шпигатных подводных лодок, выполненные С.И.Крыловым (специалист 1-гоЦНИИМО), показали, что не дифферент, а запас продольной остойчивости является решающим фактором при оценке безопасности положения аварийной подводной лодки (ПЛ). Поэтому нормирование было предложено производить не только по величине аварийного статического дифферента, но и по максимальному плечу диаграммы продольной статической остойчивости. Влияние на непотопляемость подводной лодки морского волнения не рассматривалось и не учитывалось Возросшие скорости кораблей, увеличение глубины погружения ПЛ потребовали более углубленного анализа требований, предъявляемых к их остойчивости и непотопляемости. Были разработаны “Общие правила восстановления остойчивости и спрямления поврежденного корабля” и макеты корабельной документации по непотопляемости для надводных кораблей и подводных лодок.

Исследовательские работы по изучению ветрового крена позволили в 1958г. создать методику расчета предельной скорости ветра, выдерживаемой кораблем при его движении на волнении, что дало возможность перейти к нормированию остойчивости корабля не по давлению ветра, а по его скорости. В это же время сотрудниками ЦНИИ им.А.Н.Крылова решалась задача о действии на корабль воздушной ударной волны от атомного взрыва, что дало возможность разработать методику расчета крена корабля в этих условиях.

Несмотря на широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований непотопляемости подводных лодок, их создатели до начала 70-х годов не обращали должного внимания на повышенную опасность поведения бескингстонных лодок при авариях, связанных с поступлением воды в прочный корпус при волнении моря. Специальных требований в этом случае к проектировщикам не выдвигалось. Позже были сформулированы требования к надводной непотопляемости, которые учитывали как затопление шпигатных ЦГБ от воздействия морского волнения, так и влияния качки самой подводной лодки.

При создании подводных лодок с малым запасом плавучести выявилось, что требования по непотопляемости к ПЛ двухкорпусного типа не могут быть в полном объеме применены к ПЛ однокорпусной архитектуры. Поэтому 1-й ЦНИИ МО в конце 80-х годов разработал новую концепцию обеспечения надводной и подводной непотопляемости, которая учитывала их взаимное влияние друг на друга. Одновременно было выдвинуто требование к обязательному оборудованию кингстонами однокорпусных подводных лодок и концевых ЦГБ на двухкорпусных лодках.

Начиная с 50-х годов проводились исследования по созданию автоматизированных систем, обеспечивающих работу технических средств по борьбе за живучесть и непотопляемость аварийной ПЛ. Такие системы были затем созданы и внедрены.

Особое внимание обращалось на конструктивное обеспечение запасов плавучести и остойчивости, автоматизацию расчетов непотопляемости. В решении последней задачи активное участие приняли специалисты 1-гоЦНИИМО, ЦНИИ им.А.Н.Крылова и НПО “Аврора”. Специалисты 1-гоЦНИИМО являлись, как правило, не только инициаторами, но и непосредственными исполнителями большей части исследований в области непотопляемости кораблей и подводных лодок, разработчиками ряда методических материалов и монографий (академик Н.С. Соломенко, С.И. Крылов, Ю.И. Кузнецов и Л.Ю. Худяков).

Мореходность

Опыт войны, повышение требований к перспективным проектам кораблей и анализ возможности их использования в различных погодных условиях ставили перед отечественными учеными проблему дальнейшего совершенствования мореходных качеств кораблей.

Нужны были более современная теория, надлежащая экспериментальная база, систематические испытания моделей и натурные испытания, позволяющие проверить возможности корабля в море.

В ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского и ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова были проведены испытания в бассейне серии моделей эсминца с различными обводами на различных скоростях и волнении. Это позволило создать один из лучших, с точки зрения мореходности, корабль в нашей стране - эскадренный миноносец проекта 56. Его корпус до сих пор служит прототипом для современных кораблей. Вершиной проверки стали расширенные мореходные испытания этого корабля в море, которые подтвердили правильность выбранного пути.

В ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова уделялось серьезное внимание развитию экспериментальных средств изучения мореходности. Под руководством Г.А.Фирсова создан отечественный волнопродуктор в старейшем опытовом бассейне. Это позволило приступить к экспериментальным исследованиям качки на волнении и связанных с нею явлений. Программа предусматривала испытания большой серии моделей на предмет выявления оптимальных коэффициентов и геометрических соотношений элементов корпуса корабля с точки зрения дополнительного сопротивления, заливаемости и оголения днища.

В начале 50-х годов усилия специалистов 1-гоЦНИИМО, ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, НПО “Аврора” (А.Н.Шмырев, Г.А.Фирсов, Г.М.Хорошанский, В.А.Мореншильд, В.Б.Терезова и другие) были сосредоточены на исследованиях, натурных проверках успокоителей качки корабля, их внедрении и совершенствовании. Этими работами определялась эффективность различных систем успокоителей качки, законов управления ими, оценена надежность конструкций приводов и наметилось направление дальнейших работ. Добившись высоких гидродинамических качеств управляемых бортовых рулей, на боевых кораблях удалось достичь существенного снижения бортовой качки при сильном волнении моря.

Работы Е.Б.Юдина послужили основой для методики расчета стабилизирующего момента, создаваемого бортовыми рулями, а также необходимой для их перекладки мощности, что позволило создать первый, вошедший в серийное производство, отечественный успокоитель качки с бортовыми управляемыми рулями (установлен на кораблях проекта 56). В середине 60-х годов в ЦНИИ им.А.Н.Крылова проводились исследования успокоителей качки в виде разрезных бортовых рулей, что способствовало значительному улучшению их мореходных качеств. Мореходные испытания вошли в практику государственных испытаний головных кораблей.

На базе теоретических и экспериментальных исследований, многочисленных натурных испытаний были разработаны требования к мореходности кораблей различных типов. Они были изложены во “Временных общих требованиях к проектированию боевых надводных кораблей” и нашли отражение в “Методике проведения мореходных испытаний кораблей ВМФ”.

В совокупности с модельными испытаниями в бассейнах натурные мореходные испытания кораблей и судов позволили более глубоко изучить поведение их на волнении и обеспечить требуемую мореходность при проектировании. Предложенная на основании этих исследований статистическая теория качки обобщила и расширила выводы теории качки на регулярном волнении, разработанной академиком А.Н.Крыловым, и открыла новые пути для развития этого раздела науки о корабле работами А.И.Вознесенского, А.В.Герасимова, М.Д.Хаскинда, И.Е.Бородая. Особенно значителен вклад в теорию корабля и современного учения о мореходности Г.А.Фирсова. В связи с необходимостью обеспечения использования ракетного оружия из подводного положения возникла проблема исследования качки подводной лодки под водой. Такое исследование было впервые выполнено в 1-м ЦНИИМО Ю.И.Кузнецовым. В дальнейшем определение параметров качки подводных лодок на перископной и стартовой глубине стало обязательным для всех ракетных подводных лодок.

С появлением авианесущих кораблей стал актуальным вопрос безопасности взлета-посадки самолетов на палубу корабля в условиях волнения. Возникла необходимость изучения мореходности кораблей с динамическими принципами поддержания (КДПП) при их движении в режиме плавания. С этим направлением связан ряд работ В.Г.Платонова и А.М.Янчевского. Заметное место стали занимать исследования поведения на волнении глубоководных аппаратов при плавании в надводном положении.

К началу 90-х годов относятся работы по созданию быстроходных кораблей сравнительно небольшого водоизмещения, выполненные как в традиционном, так и в многокорпусном вариантах. Разрабатываются методы расчетного прогнозирования качки быстроходных кораблей, плавающих в переходном режиме, с учетом действия днищевых управляемых интерцептов, используемых в качестве успокоителей (ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, 1-й ЦНИИ МО, МАИ).

В 1987г. И.К.Бородаем сформулированы методы расчета качки в наиболее общем случае движения корабля на волнении - при маневрировании с непрерывно изменяющимися скоростью и курсом по отношению к волнению, был завершен цикл систематических исследований Н.Н.Рахманина по динамике аварийного корабля с затопленными отсеками различной категории, что непосредственно связано с решением проблем непотопляемости корабля на волнении. 

Ходкость, управляемость и движители

В понятие “ходкость корабля”, как известно, вкладывается способность корабля осуществлять движение с максимальной скоростью хода при минимальных энергетических затратах. Применительно к подводным лодкам это понятие расширяется: их движение не должно сопровождаться интенсивным демаскирующим шумом, приводящим к потере их скрытности. За последние 50 лет в области ходкости ПЛ проводились исследования по обеспечению минимально возможного их сопротивления в основном режиме хода, достижению наиболее высоких пропульсивных характеристик ПЛ при ее движении в этом режиме, а также созданию конструкций гребных винтов, обладающих низким уровнем шумоизлучения. Интенсивному развитию исследовательских работ в области ходкости подводных лодок, начиная с начала 50-х годов, послужило широкое внедрение на них атомных энергетических установок.

Опыт натурных испытаний первой отечественной атомной подводной лодки убедительно показал, что прежние подходы к выбору наружных обводов лодок и их внешней архитектуре, расчетам их буксировочного сопротивления при движении в воде, изучению условий работы гребных винтов за корпусом корабля нуждались в серьезном пересмотре. Эти же испытания продемонстрировали перспективность применения на подводных лодках специальных малошумных гребных винтов. Были развернуты комплексные целенаправленные исследования, связанные с совершенствованием конструкции винтов. Задача обесшумливания гребных винтов решалась не только путем акустической оптимизации их геометрических элементов, но и за счет реализации других идей, улучшающих условия работы винтов за корпусом подводной лодки. Благодаря тесному сотрудничеству специалистов промышленности и ВМФ удалось добиться заметных успехов в разработке принципиально новых теоретических методов проектирования гребных винтов, в создании физико-математической модели их шумоизлучения, что, по существу, открыло новый раздел теории корабля. Были детально и последовательно исследованы все составляющие сопротивления подводной лодки при ее движении в воде, осуществлен поиск форм корпуса и определены главные размерения, обеспечивающие наилучшие пропульсивные качества и наиболее благоприятные условия для работы гребного винта за корпусом корабля.

Следует отметить, что в ходе выполнения этих работ предложена ювелирная “операция вписывания” лопастей малошумного гребного винта в ту неоднородность потока, которую формируют корпус подводной лодки и его выступающие части для придания ему в полной мере свойств “малошумности”. В корне видоизменилась сама концепция проектирования гребных винтов для ПЛ. Корпусы подводных лодок приобрели хорошо обтекаемую форму, с них были убраны все детали, увеличивающие сопротивление при движении на глубине. Доля сопротивления турбулентного трения воды об обшивку корпуса ПЛ резко возросла и составила 65-70% от полного сопротивления, став определяющей.

В получении положительных результатов исследований в области ходкости подводных лодок большое значение имело развитие гидродинамической экспериментальной базы ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, а также создание современных измерительных средств, позволивших резко расширить номенклатуру выполняемых модельных измерений, повысить их точность и надежность. В результате исследований были найдены наиболее перспективные и реальные пути существенного снижения сопротивления движению в воде. Теоретические расчеты были подтверждены серией испытаний крупномасштабных моделей. Для проверки методов снижения сопротивления и для проведения гидродинамических и других исследований в натурных условиях, выясняющих степень влияния так называемого масштабного эффекта, было принято решение о строительстве специальной подводной лодки-лаборатории. На этой подводной лодке в 80-х годах были проведены эксперименты по совершенствованию гидродинамических характеристик за счет применения различных способов воздействия на так называемый пограничный слой. В натурных условиях было достигнуто снижение сопротивления трения на 30%, что в общем сопротивлении составляет около 25%.

Значительный вклад в исследование прикладных аспектов проблемы снижения гидродинамического сопротивления и разработку конструкторских решений внесли ученые Сибирского отделения Российской академии наук - сотрудники Института теплофизики. Иркутского института органической химии (ИрИОХ), Института гидродинамики.

Одной из важнейших вех в развитии исследований в рассматриваемой области теории корабля явилось создание в начале 70-х годов скоростной серийной атомной подводной лодки, на которой в значительной степени были реализованы все мероприятия по гидродинамической отработке обводов корпуса и геометрических элементов гребных винтов. На этой подводной лодке (проект 661) была достигнута максимальная скорость под водой (более 40уз.), которая до сих пор не перекрыта за рубежом. Зафиксированные высокие значения пропульсивного коэффициента (80%) и критических скоростей подводной лодки (скоростей, при которых шум гребного винта еще не проявляется) оказались близкими к предельно достижимым и полностью совпали с прогнозируемыми, что свидетельствовало об обоснованности и надежности разработанных к тому времени расчетных методов.

Но уже тогда специалистам в области ходкости подводных лодок стало понятно, что в ближайшие годы на скрытных режимах движения их шумность будут определять шумы гребных винтов некавитационной природы, которые ранее маскировались другими источниками. Создание конструкций малошумных гребных винтов, обладающих низкими уровнями некавитационного шума, при сохранении уже достигнутых пропульсивных и кавитационных характеристик, явилось следующим циклом исследований в области ходкости подводных лодок и обесшумливания гребных винтов. Эти исследования продолжаются до сих пор. Достижения в области ходкости подводных лодок стали возможными благодаря работам Ю.В.Кривцова, которого заслуженно называют отцом отечественного глубоководного бассейна, А.Д.Перника - автора первой отечественной конструкции малошумных гребных винтов, а также И.А.Титова - первопроходца в области ходкости подводных лодок в ее современном понимании и многих других сотрудников ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, 1-гоЦНИИМО и ВВМИОЛУ им. Ф.Э.Дзержинского (В.Ф.Бавип, Б.А.Самарин, А.С.Горшков, О.Н.Гончаров, Б.А.Бискуп, С.В.Куликов, В.П.Ильин, Б.Г.Тощев, И.А.Воров, А.Н.Патрашев, В.Ф.Дробленков, В.Н.Герасимов, Ю.С.Шалин, И.И.Сизов).

Как известно, традиционный гребной винт как тип движителя в большинстве случаев применяется на водоизмещающих надводных кораблях.

Основным требованием, предъявляемым к гребным винтам надводных кораблей послевоенной постройки, было обеспечение наилучших пропульсивных качеств, позволяющих максимально повысить их скорость и дальность плавания. Как правило, это были трехлопастные гребные винты.

Начиная с середины 60-х годов в качестве движителей надводных кораблей стали применяться так называемые “малошумные” гребные винты, в конструкции которых реализуются некоторые идеи, направленные на задержку момента возникновения кавитации с увеличением частоты вращения. Винты были четырехлопастными. Поскольку возникновение кавитации определяется не только конструкцией гребных винтов, но и условиями их работы, в частности, неоднородностью поля скоростей натекающего потока, то одновременно реализовывались предложения по выравниванию натекающего потока. Все это позволило на 30-40% повысить докавитационные скорости и соответственно снизить уровни шума на закритических ходах.

В 70-е годы продолжалось строительство серийных кораблей с малошумными гребными винтами первого поколения. Однако в интересах повышения эффективности новых мощных гидроакустических комплексов потребовался дополнительный прогресс в обесшумливании корабельных движителей.

К концу 70-х годов был сформулирован облик малошумных корабельных винтов второго поколения. Серийные надводные корабли оборудуются преимущественно пятилопастными гребными винтами с умеренной саблевидностью. В ряде проектов применяются подвод воздуха к входящим кромкам лопастей и выравнивающие устройства.

Эти меры позволили увеличить докавитационные скорости на 35-45% при снижении уровней подводного шума на закритических ходах на 10-15Дб. Одновременно в 2-2,5 раза снизились амплитуды периодических сил, передаваемых гребными винтами корпусу.

Несмотря на достигнутый прогресс в обесшумливании корабельных движителей, проблема дальнейшего улучшения гидроакустических качеств продолжает оставаться. Стало очевидным, что для ее решения необходимо совершенствование как теоретических, так и экспериментальных исследований. К настоящему времени практически все резервы пропульсивных и гидроакустических качеств кораблей в условиях применения обычных гребных винтов в значительной мере исчерпаны. Поэтому актуальной задачей стала разработка таких конструкций винтов, которые обладают повышенными гидроакустическими качествами не только в идеализированных условиях сдаточных испытаний кораблей, но и в реальных условиях эксплуатации с учетом влияния волнения, ухудшения состояния поверхности обшивки корпуса, маневрирования и т.д. Данная проблема может быть решена путем применения винтов регулируемого шага. Предпосылки для этого на отечественных быстроходных водоизмещающих надводных кораблях созданы за счет разработки силовых установок со сниженной номинальной частотой вращения.

Для обеспечения нового прорыва в улучшении пропульсивных и гидроакустических качеств надводных кораблей предпочтительно применение движителей новых типов, например, соосных гребных винтов противоположного вращения. Большой вклад в создание современной теории ходкости и движителей надводных кораблей, в строительство современной экспериментальной базы и проведение натурных испытаний внесли специалисты ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, 1-гоЦНИИМО, ЛКИ и проектных бюро: В.А.Миниович, А.М.Басин, И.А.Титов, С.В.Куликов, И.Д.Желтухин, В.К.Турбал, В.К.Иванов, И.Н.Сыркин, Л.С.Артюшков, А.Ш.Ачкинадзе, М.Н.Саморуков, Ю.С.Шалин и другие.