МНОГОКОРПУСНОЕ СУДНО
MULTI-HULL VESSEL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области судостроения, а именно, к многокорпусным судам с изменяемой высотой основного корпуса относительно поверхности воды.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны многокорпусные суда, содержащие основной корпус и два вспомогательных корпуса, расположенные по бокам от основного корпуса (US 4474128, RU 2653983, RU 2726586, СА 2119417 и FR 2516042). Вспомогательные корпусы служат главным образом для стабилизации третьего корпуса при кренах.
Известно большое количество многокорпусных судов, имеющих SWAT-компоновку, предполагающую, что судно состоит по меньшей мере из трех корпусов: основного, расположенного по центру сверху, и дополнительных, расположенных снизу по бокам. При этом третий корпус практически полностью располагается над водой, а первые два полностью обеспечивают его плавучесть и, как правило, почти полностью располагаются в подводном положении (см. US 4763596, US 3842772, US 3896755, US 3897744, US 4440103, US 4552083, US 4867090, US 5301624, US 5941189, WO 8702641, GB 2047631). Такая компоновка позволяет уменьшить периметр ватерлинии и, как следствие, лобовое сопротивление при движении.
Также известны суда, имеющие SWAT-компоновку, в которых опоры, связывающие первый и второй корпусы с третьим корпусом, являются регулируемыми (US 5325804, US 5237947, US 4944238, US 5277142, US 5848574, US 7040244, WO 2007135486, WO 2012135718, WO 2012136980, WO 2013043171, WO 2015151983, WO 2017063202, ES 2570079, AU 8703191, DE 3614291, FR 2552046, FR 2997919 и GB 1306438). Возможность регулирования опор в известных судах позволяет изменять их осадку.
Упомянутые выше суда, имеющие SWAT-компоновку, не предназначены для движения в быстроходном глиссерном режиме.
И, наконец, известно небольшое количество многокорпусных судов, имеющих SWATH-компоновку, которые оснащены подводными крыльями (US 6073569, US 5544607, US 4944238, US 4981099, ЕР 0648668 и JP S5682687).
Однако в известных судах подводные крылья прикреплены либо к первому и второму корпусу, либо к третьему корпусу и работают во всех режимах движения. В этой связи суда с подобной компоновкой обладают избыточной осадкой и повышенным расходом топлива в водоизмещающем режиме движения. Кроме того, переход из водоизмещающего режима в режим глиссера/экраноплана требует повышенного расхода топлива (для преодоления так называемого «горба сопротивления»).
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание многокорпусного судна, обладающего совокупностью следующих качеств:
- способность передвигаться в тихоходном водоизмещающем режиме и быстроходном глиссирующем режиме;
- плавный переход от водоизмещающего к глиссирующему режиму;
- более высокая экономичность (минимальное волновое сопротивление и омываемая поверхность) и осадка в тихоходном (водоизмещающем) режиме по сравнению с традиционными одно корпусными судами на подводных крыльях;
- сниженные динамические нагрузки при волнении по сравнению с однокорпусными судами в тихоходном водоизмещающем режиме,
- сниженные динамические нагрузки в высокоскоростном режиме за счет амортизации гидролыжи,
- возможность перехода из режима движения на подводных крыльях в режим глиссера/экраноплана.
Технический результат, обеспечиваемый при использовании изобретения, состоит в совмещении в одном судне высоких скоростных и мореходных качеств, увеличении плавности перехода судна из тихоходного водоизмещающего режима в быстроходный глиссерный режим, режим экранопланирующего движения.
Вышеупомянутый технический результат достигается благодаря тому, что предлагаемое судно, характеризующееся тем, что оно содержит,
гидролыжи и/или подводные крылья,
по меньшей мере, три корпуса: первый корпус, второй корпус и третий корпус,
упомянутые первый и второй корпусы выполнены таким образом, что имеют возможность обеспечивать положительную плавучесть всего судна в целом без погружения третьего корпуса в воду,
упомянутые первый и второй корпусы расположены, по существу, параллельно упомянутому третьему корпусу слева и справа от него, соответственно,
упомянутые первый и второй корпусы соединены с третьим корпусом регулируемыми опорами, выполненными с возможностью изменения расстояния по вертикали между упомянутыми первым и вторым корпусом и третьим корпусом,
характеризующееся тем, что в нем
регулируемые опоры и гидролыжа и/или подводные крылья выполнены таким образом, что обеспечивают возможность перехода из положения, при котором плавучесть обеспечивается только первым и вторым корпусом в положение, при котором плавучесть обеспечивается только гидролыжей и/или подводными крыльями.
Судно при достаточно развитом основном корпусе и или применении расширяющих основной корпус устройств имеет возможность перейти из режима движения на подводных крыльях или глиссирующего в режим движения на экране и или динамической воздушной подушки.
Далее вышеупомянутое судно, охарактеризованное в общих категориях, поясняется на примере некоторых особенно предпочтительных форм выполнения, обеспечивающими получение дополнительных преимуществ.
Первый и второй корпусы могут быть дополнительно снабжены балластными емкостями, оснащенными кингстонами и насосами. Это позволяет управлять осадкой первого и второго корпусов (и судна в целом), а также боковым дифферентом.
Первый и второй корпусы, могут быть выполнены таким образом, что больше половины их объема или даже весь объем в нижнем положении располагается ниже поверхности воды. Иными словами, водоизмещающие первый и второй корпусы могут быть полупогруженными для уменьшения сопротивления. Глубина погружения первого и второго корпуса является изменяемой. При необходимости, например, на стоянке, воду из балластных емкостей первого и второго корпуса откачивают для уменьшения осадки.
Для снижения сопротивления, предпочтительно, когда корпусы судна (первый, второй и третий) выполняют обтекаемой формы.
Вышеупомянутые первый и второй корпусы могут быть дополнительно снабжены горизонтальными и/или вертикальными стабилизаторами. Стабилизаторы, наряду с рулем и подводными крыльями (если имеются) позволяют поддерживать заданный курс и дифферент судна, особенно в условиях волнения.
Вышеупомянутый третий корпус, располагающийся целиком над водой, взаимодействует с воздушным потоком при движении судна. Предпочтительно, чтобы форма третьего корпуса была обтекаемой, чтобы обеспечить низкое аэродинамическое сопротивление. Однако в зависимости от необходимости форма третьего корпуса может дополнительно обеспечивать создание положительной аэродинамической подъемной силы, отрицательной аэродинамической подъемной силы или нулевой аэродинамической подъемной силы.
Для дополнительного повышения маневренности (возможности быстро менять курс, тормозить и т.п.) или для дополнительной стабилизации судна (для быстрой коррекции крена или дифферента, стабилизации курса или дифферента, борьбы с опрокидыванием), вышеупомянутый третий корпус может быть дополнительно снабжен элементами воздушного оперения, выбранными из группы, включающей крылья, закрылки, элероны, интерцепторы, руль направления, рули высоты, вертикальный стабилизатор и горизонтальный стабилизатор.
Основная функция вышеупомянутых регулируемых опор состоит в том, чтобы обеспечить позиционирование первого и второго корпуса в заданных положениях относительно третьего корпуса при движении судна в различных рабочих режимах. Прежде всего, опоры должны обеспечивать изменение высоты третьего корпуса относительно плоскости водоизмещающих первого и второго корпусов для перехода из тихоходного (с опорой на водоизмещающие корпусы) в быстроходный режим (с опорой на гидролыжи или подводные крылья) и обратно.
Упомянутые регулируемые опоры могут быть выполнены обтекаемой формы, таким образом, чтобы обеспечить низкое лобовое сопротивление.
В одной из наиболее простых форм выполнения, вышеупомянутые опоры выполнены поворотными, то есть таким образом, что изменение расстояния по вертикали между днищем вышеупомянутого третьего корпуса и плоскостью первого и второго корпусов осуществляется посредством изменения двугранного угла между днищем вышеупомянутого третьего корпуса и первым и вторым корпусами.
Вышеупомянутые опоры могут обеспечивать позиционирование первого и второго корпусов относительно третьего корпуса, в том числе независимое друг от друга позиционирование первого и второго корпусов.
В одной из предпочтительных форм выполнения судна, упомянутые опоры могут быть выполнены таким образом, чтобы дополнительно обеспечить возможность изменения угла крена или тангажа вышеупомянутого третьего корпуса. Это может быть полезно, например, для противодействия опрокидыванию при резких поворотах (искусственный крен позволяет компенсировать отклонение под действием центробежной силы), разгонах и торможениях или для удобства экипажа (наклон третьего корпуса в направлении противоположном центробежной силе или ускорению позволяет уменьшить отклонение угла наклона равнодействующей силы по отношению к вертикали).
В еще одной предпочтительной форме выполнения судна, опоры могут быть выполнены таким образом, чтобы дополнительно обеспечить возможность независимого друг от друга изменения угла рыскания вышеупомянутых первого и второго корпусов. Это позволяет ориентировать первый и второй корпусы таким образом, чтобы обеспечивать торможение судна «плугом», либо использовать их для маневрирования наряду с рулями.
Привод регулируемых опор может обеспечиваться различными средствами, например, с помощью электродвигателей и рычажных систем или домкратов, однако, в наиболее предпочтительной форме выполнения судна привод упомянутых опор осуществляется посредством гидроцилиндров или пневмоцилиндров.
Изменение курса судна при движении может обеспечиваться различными средствами. Например, если применяется водометный движитель, направление движения может изменяться посредством изменения направления реактивной струи. Если применяется пара (или большее количество) движителей, то направление движения может изменяться посредством изменения тяги на движителях. Также изменение направления может осуществляться поворотом (изменением угла рыскания) первого или второго корпуса или изменением ориентации гидролыж и/или подводных крыльев (если они имеют вертикальные плоскости). Если в качестве движителя используют воздушный винт, то руление можно осуществлять либо посредством изменения вектора тяги. На больших скоростях руление (или, по крайней мере, корректировку курса) можно осуществлять посредством воздушных рулей.
В предпочтительной форме выполнения судна упомянутые первый, второй и/или третий корпусы оснащены рулем. Руль может представлять собой одно или несколько управляемых устройств, имеющих поворотную плоскость, способную создавать гидравлическое сопротивление встречному потоку воды, отклоняющее судно в том или ином направлении относительно курса. Альтернативно, руль может отклонять в том или ином направлении поток воды, создаваемый движителем.
Вышеупомянутый руль, которым оснащен третий корпус, в одной из предпочтительных форм выполнения судна, может быть выполнен таким образом, чтобы находиться ниже уровня воды как в верхнем, так и в нижнем положении вышеупомянутых первого и третьего корпусов. В этом случае обеспечивается возможность гидродинамического руления как в тихоходном, так и в высокоскоростном режимах движения судна.
Для обеспечения поступательного движения судна могут применяться любые подходящие типы движителей.
В одной из предпочтительных форм выполнения, судно снабжено гибридной двигательной установкой, в которой генератор располагается в третьем корпусе, а основные движители с электромоторами расположены на вершине подвижной балки в форме литеры «А», основание которой шарнирно закреплено в задней части (транце) третьего корпуса. Движители также закреплены на балке шарнирно. Такое расположение позволяет располагать движитель оптимальным образом независимо от клиренса и режима движения. Подобное расположение увеличивает маневренность судна за счет возможности осуществлять вращение на 360° в азимутальной плоскости основного движителя. Подвижность упомянутой балки в угломестной плоскости обеспечивает высокую ремонтопригодность. Также при движении с высокими скоростями упомянутая балка, обладая значительной длинной, уменьшает риск переворота через транец характерный для экранопланов со слабо развитым фюзеляжем. Предотвращение переворота обуславливается погружением значительной части балки в воду при возникновении опрокидывающего момента на основном корпусе при высокой скорости движения. В свою очередь погружение упомянутой балки приведет к возникновению тормозящего момента потери скорости и выравниванию судна.
В еще одной предпочтительной форме, судно может быть оснащено вспомогательными движителями малого хода с электромоторами, которые размещаются в оконечностях первого и второго корпусов.
Движители могут представлять собой толкающий винт и/или сопло водометного движителя.
В задней части вышеупомянутого третьего корпуса, в одной из предпочтительных форм выполнения судна, могут быть расположены, по меньшей мере, один толкающий воздушный винт или воздушно-реактивный двигатель.
Количество гидролыж и подводных крыльев в судне может быть различным. Например, судно может содержать две гидролыжи, расположенные, по существу, параллельно друг другу или три гидролыжи, две из которых расположены параллельно друг другу, а третья расположена в передней и/или в задней части (что обеспечивает дополнительную устойчивость в поворотах) части судна (что удобно, если третья гидролыжа используется для подруливания). В то же самое время, гидролыжа (подводное крыло) может быть и единственной. Количество гидролыж (и подводных крыльев) определяется с учетом их способности поддерживать третий корпус в надводном положении при движении и обеспечивать необходимую остойчивость судна.
Для обеспечения перехода судна из тихоходного режима в быстроходный необходимо чтобы гидролыжи имели возможность опускаться (чтобы прийти в контакт с поверхностью воды) и подниматься (чтобы избежать контакта с водой и избыточного сопротивления, когда скорость недостаточна для перехода в глиссирующий режим). Для этого гидролыжи могут быть соединены с вышеупомянутым третьим корпусом посредством регулируемых опор, выполненных с возможностью изменения расстояния по вертикали между лыжей и нижней поверхностью вышеупомянутого третьего корпуса. Альтернативно (в наиболее простом из вариантов), опоры не являются регулируемыми, а опускание гидролыжей происходит автоматически в результате функционирования рычажной системы при подъеме боковых корпусов.
Вышеупомянутые регулируемые опоры гидролыжи, в одной из предпочтительных форм выполнения судна, могут быть выполнены с дополнительной возможностью изменения ее угла тангажа, крена и/или рыскания. Возможность управления ориентацией гидролыжи может быть полезна либо для подруливания при движении, либо для компенсации крена/опрокидывания при резких маневрах, разгонах и торможениях.
Вышеупомянутые опоры гидролыжи, в одной из предпочтительных форм выполнения судна, могут быть дополнительно снабжены амортизирующими средствами. Эта особенность позволяет увеличить плавность хода и скорость движения при наличии волнения и уменьшает удары и вибрацию корпуса.
Как и в случае с гидролыжами, подводные крылья, могут быть выполнены с возможностью изменения угла атаки. В случае если подводные крылья имеют вертикальный участок достаточной площади, он может выполнять функцию руля, что обеспечивает дополнительную маневренность судна.
Компоновка крыльев на корпусах судна, их форма и количество может сильно варьировать, если при этом обеспечивается достаточная сила, чтобы поддерживать третий корпус в надводном положении при движении, и достаточная остойчивость судна.
В одной из предпочтительных форм выполнения судна, вышеупомянутые подводные крылья могут быть прикреплены к вышеупомянутым первому и второму корпусам. Предпочтительно, когда они размещены таким образом, что в нижнем положении боковых корпусов находятся над поверхностью воды, а в верхнем - оказываются в толще воды за счет поворота опор боковых корпусов без использования дополнительных средств.
В случае когда подводные крылья имеют вертикальную плоскость и выполнены поворотными, они могут быть использованы для изменения курса наряду с рулями, или вместо рулей. Таким образом, вышеупомянутые подводные крылья, в одной из предпочтительных форм выполнения судна, могут быть выполнены таким образом, чтобы обеспечить возможность корректировки курса.
Аналогично, если подводные крылья имеют управляемые горизонтальные плоскости, то они могут быть использованы для корректировки угла крена при маневрах аналогично элеронам воздушного крыла.
Для изготовления корпусов судна могут применяться любые подходящие материалы, в том числе, традиционно применяемые в этой области материалы. В одной из предпочтительных форм выполнения судна, вышеупомянутые первый, второй и/или третий корпусы могут быть выполнены из композитного материала, выбранного из группы, включающей углепластик и стеклотекстолит или сплав на основе алюминия или титана.
Необходимо понимать, что в настоящем тексте судно охарактеризовано только такими признаками, которые достаточны для решения поставленной задачи, реализации назначения и достижения выбранного технического результата; специального упоминания всех без исключения признаков и утилитарных характеристик судна не требуется, если специалистам должно быть известно, что суда того же типа обладают такими признаками и утилитарными характеристиками; тем более не требуется ограничивать обобщенные признаки какими-либо конкретными вариантами, если таковые должны быть известны специалистам и (или) могут быть подобраны по известным правилам.
Конструкция и использование устройства наглядно иллюстрируется фиг. 1 и 2 на примере одной из частных форм выполнения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Слева на фиг. 1 слева изображено судно с первым и вторым корпусами, находящимися в нижнем положении с опущенной ниже уровня воды гидролыжей. Данное положение является предпочтительным для стоянки, т.к. обеспечивается максимальная остойчивость в отсутствии движения.
Справа на фиг. 1 и на фиг. 7 - то же самое, что и на фиг. 1 слева, но гидролыжа поднята выше уровня воды. Это положение является предпочтительным для движения малым ходом в водоизмещающем режиме.
Слева на фиг. 2 и на фиг. 6 изображено судно с первым и вторым корпусами, находящимися в нижнем положении с опущенной на поверхность воды гидролыжей режим глиссера. Это положение является промежуточным при переходе из водоизмещающего режима к глиссирующему.
Справа на фиг. 2 и на фиг. 8 - то же самое, что на фиг. 2 слева, но первый и второй корпусы находятся в верхнем положении. Это положение соответствует глиссирующему режиму движения судна.
На фиг. 3 изображено судно (вид сбоку) в режиме малого хода с максимально опущенной балкой в виде литеры «А».
На фиг. 4 изображено судно в режиме движения с максимальной скоростью, упомянутая балка находится в верхнем положении.
На фиг. 9 изображено судно в режиме движения на подводных крыльях, когда первый и второй корпусы и гидролыжа не соприкасаются с водой.
На фиг. 10 изображено судно в том же режиме, что и на фиг. 9, с изменением ракурса; балка с движителем находится справа.
На фиг. 1-10 приняты следующие обозначения:
1 - первый корпус,
2 - второй корпус,
3 - третий корпус,
4 - подводное крыло,
5 - гидролыжа,
6 - опора гидролыжи,
7 - регулируемая опора,
8 - уровень воды,
9 - балка в виде литеры «А»,
10 - водометный движитель.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на фиг. 1 и 2, на примере одного из вариантов воплощения судна по изобретению, оно содержит:
гидролыжу (5),
три корпуса: первый (1) корпус, второй (2) корпус и третий (3) корпус,
упомянутые первый (1) и второй (2) корпусы выполнены таким образом, что имеют возможность обеспечивать положительную плавучесть всего судна в целом без погружения третьего (3) корпуса в воду.
Упомянутые первый (1) и второй (2) корпусы расположены, по существу, параллельно упомянутому третьему (3) корпусу слева и справа от него, соответственно.
Упомянутые первый (1) и второй (2) корпусы соединены с третьим (3) корпусом регулируемыми опорами, выполненными с возможностью изменения расстояния по вертикали между упомянутыми первым (1) и вторым (2) корпусом и третьим (3) корпусом.
Регулируемые опоры (7) первого (1) и второго (2) корпусов и гидролыжа (5) выполнены таким образом, что обеспечивают возможность перехода из положения, при котором плавучесть обеспечивается только первым (1) и вторым (2) корпусом в положение, при котором плавучесть обеспечивается только гидролыжей (5).
Активация и деактивация регулируемых опор (7) позволяет менять клиренс (просвет между основным корпусом и поверхностью воды) за счет изменения геометрического положения первого (1) и второго (2) корпусов относительно третьего (3) корпуса и поднимать корпусы (1, 2) над поверхностью воды после перехода в режим глиссирования. При этом, как показано на фиг. 1 и 2 изменение клиренса и подъем корпусов (1, 2) происходит за счет поворота опор (7) таким образом, что корпуса (1, 2) либо приближаются к третьему (3) корпусу (при увеличении клиренса), либо отдаляются от него (при уменьшении клиренса).
Гидролыжа (7) расположена у днища третьего (3) корпуса и связана с опорами (7) второго и третьего корпусов рычажным механизмом таким образом, что по мере уменьшении клиренса и подъеме корпусов (1, 2), она автоматически опускается в противоположном направлении, чтобы обеспечивать опору судна в режиме глиссирования, а при опускании корпусов (1, 2), поднимается в обратном направлении.
Гидролыжа (5) расположена у днища третьего (3) корпуса и связана с ним гидравлическими опорами таким образом, что по мере уменьшении клиренса и подъеме корпусов (1, 2), она автоматически опускается в противоположном направлении, чтобы обеспечивать опору судна в режиме глиссирования, а при опускании корпусов (1, 2), поднимается в обратном направлении. Также гидролыжа (5) имеет возможность независимого опускания и подъема в стояночном положении и при переходе к движению на подводных крыльях (4).
Если скорость поступательного движения судна невелика, например, когда судно только начинает движения или, когда движение с высокой скоростью небезопасно (из-за повышенного волнения, порывов ветра и других неблагоприятных факторов) предлагаемое судно движется в водоизмещающем режиме, при котором первый (1) и второй (2) корпусы опущены и, предпочтительно, находятся в подводном положении, что обеспечивает более низкое сопротивление по сравнению с однокорпусными судами. В этом режиме гидролыжа (5) прижата к днищу третьего корпуса и не касается поверхности воды.
По мере набора скорости клиренс уменьшают посредством изменения угла наклона опор (7) относительно горизонтальной плоскости (и плоскости днища третьего (3) корпуса). При этом расстояние между корпусами (1, 2) увеличивается, а гидролыжа (5) входит в контакт с поверхностью воды (8) (либо подводные крылья (4) погружаются под поверхность воды (8)).
Гидролыжи (5) (также как и подводные крылья (4)) имеют намного меньшее лобовое сопротивление и/или общую площадь поверхности трения о воду по сравнению с первым (1) и вторым (2) корпусами в подводном положении и, тем самым они в меньшей степени препятствуют движению судна на высоких скоростях.
Применение гидролыжи (также как и подводных крыльев (4)), помимо снижения сопротивления и трения о воду, позволяет применять амортизаторы, смягчающие динамические нагрузки (вибрации и удары), которые становятся особенно разрушительными при движении судна на высоких скоростях по неспокойной воде. В частности, опоры (6) гидролыжи (5) могут быть дополнительно снабжены амортизаторами.
В случае применения подводных крыльев (4) вместо гидролыж (5), эти элементы, будучи погруженными ниже уровня волн, практически полностью избегают ударов о волны (особенно, если сравнивать с тем уровнем динамических нагрузок, который испытывает однокорпусное судно того же водоизмещения).
По мере набора скорости, уменьшения клиренса, выдвижения гидролыж (5) и возникновения на них подъемной силы сравнимой с весом судна проводится дальнейшее изменение угла наклона поворотных опор до полного выхода из воды первого (1) и второго (2) корпусов судна. Дополнительная подъемная сила также может возникать за счет обтекания третьего (3) корпуса (и/или оперения третьего (3) корпуса при наличии) потоком воздуха. Судно при этом полностью переходит из водоизмещающего режима в глиссирующий режим (или режим экраноплана) без преодоления так называемого «горба сопротивления» на переходных режимах, который характерен для скоростных глиссирующих судов и судов на подводных крыльях.
При этом переход из водоизмещающего режима в глиссирующий режим (или режим экраноплана) может осуществляться автоматически с помощью средств управления, при достижении судном заранее рассчитанного в зависимости от веса судна значения скорости. Вес судна может быть определен на стоянке с помощью датчиков глубины осадки или другим известным способом.
Благодаря гидролыжам (5) и/или подводным крыльям (4) и поднимающимся выше уровня воды водоизмещающим корпусам (1, 2), судно способно двигаться во всем диапазоне скоростей присущих современным судам (без необходимости резкого увеличения мощности при переходе от тихоходного к глиссерному режиму/ режиму экраноплана), и лишено их недостатков, к которым относятся малая скорость и низкий уровень обитаемости при волнении водоизмещающих судов, невысокая мореходность и повышенные вибрации скоростных глиссирующих судов, избыточно большая осадка и низкая экономичность при движении в водоизмещающем режиме судов на подводных крыльях.