Каботажное пассажирское судно
COASTING PASSENGER VESSEL

Изобретение относится к области судостроения и судоходства в сложных, штормовых и ледовых условиях океанского мореходства на каботажных линиях Сахалина и Курильских островов, на других маршрутах дальневосточных морей России.
Назначение
Настоящим изобретением определяется перспективный проект каботажного пассажирского судна среднего водоизмещения (4200 т), с минимальной автономностью для активного всесезонного и всепогодного мореплавания на местных линиях до 500 морских миль, соединяющих портопункты Сахалина и Курильских островов в ледовитых и штормовых акваториях северо-западной части Тихого океана, Охотского и Японского морей.
Двухвинтовая схема движителей и мощная силовая установка позволяют судну самостоятельно преодолевать навигационные трудности и уверенно проходить ворота необустроенных портопунктов, где предусматривается ускоренное выполнение погрузо-разгрузочных операций у стационарных причалов, с безусловной возможностью последующего возвращения на плановые каботажные маршруты в любых погодных условиях.
Уровень техники
Каботажное пассажирское судно построено по двухостровной схеме палубных надстроек (фиг. 1) с ограниченной автономностью и ориентацией на грузообработку стационарными портовыми средствами. Форма корпуса и общекорабельная архитектура оптимизированы по результатам опытовых и вычислительных экспериментов [1] для достижения ходкости произвольным курсом относительно штормового ветра при минимальной качке в гидродинамических условиях скомпенсированного силового воздействия штормовых волн.
Прототип обводов корпуса выбран из патентованных технических решений для «Корабля без бортовой качки» [2] и «Корабля, остойчивого в штормовом плавании» [3]. Близким по мореходности историческим прототипом является средневековый испанский галеон [4] с высокой кормовой надстройкой и заниженным баком, не обладающим всхожестью на волну и не противостоящим заливаемости носовой оконечности корабля.
Основные инженерно-технические решения создавались при участии авторитетных дальневосточных капитанов и судоводителей, в дискуссиях на ходовом мостике в тихоокеанских походах, что определило концепцию построений непротиворечивого проектирования судна, согласованного с реальной морской практикой в заданных общегеографических условиях, с конкретными навигационными особенностями дальневосточных морских коммуникаций России. Проектные особенности каботажного судна проистекают из согласования эксплуатационных аспектов в соответствии с наставлениями и техническими требованиями судоводителей и судовладельцев, несущих реальную ответственность за поддержание эффективной, всесезонной и всепогодной навигации на каботажных путях в океанских, шельфовых и мелководных акваториях Дальнего Востока и полярных регионов России.
Осуществление изобретения
Проектом каботажного судна рассматривается комфортное размещение пассажиров в средней и кормовой секциях корпуса с размещением экипажа в носовой части судна, подверженной интенсивной качке и рысканию в случае активного хода судна в условиях интенсивного волнения. На судне отсутствуют громоздкие судовые устройства для выполнения рейдовых или морских работ. Грузовым планом предусматривается минимум попутных грузов, судовых запасов и топлива, которые по необходимости могут своевременно пополняться в попутных портопунктах Сахалинской области.
Форма корпуса и общекорабельная архитектура настроены на уверенное поддержание заданной и высокой скорости хода произвольными курсами относительно интенсивного волнения и штормового ветра, при этом минимизация всех видов качки достигается при удержании курса носом на волну, в том числе обеспечиваемое без хода в режиме флюгера, что особо востребуется для экономичного и безопасного штормования в открытом море в ожидании благоприятной погоды при отсутствии портов-убежищ.
Проектно-технические особенности формы корпуса каботажного судна:
Конструктивная осадка составляет 5 м, что в 3,2 раза меньше ширины корпуса, что способствует усилению бортовой качки на курсах лагом к волне, однако ассиметричная относительно миделя парусность надстроек обеспечивает естественное и быстрое приведение судна навстречу штормовому ветру. Такое автоматическое приведение к ветру особо актуально в случае аварийной остановки главных машин, чем достигается устойчивый режим пассивного штормования судна и безусловная безопасность экипажа и пассажиров в непредвиденных ситуациях на оживленных судоходных каботажных маршрутах Сахалинской области.
Для достижения ходкости и маневренности судна при минимальной качке в условиях штормового волнения, обводы корпуса и общекорабельная архитектура обладают следующими конструктивными и гидродинамическими особенностями:
- в средней части корпуса устраивается весьма заметный завал надводного борта, что требуется для естественного гидродинамического продавливания гребней штормовых волн под днище корпуса, при котором заливание потоков воды на верхнюю палубу служит компенсации кренящих моментов от ветра и волн с наветренного борта судна;
- высота вертикального форштевня снижается для достижения ходкости и маневренности судна в режиме прорезания волн с высокой заливаемостью бака гребнями встречных штормовых волн, предотвращающих усиление килевой качки и возникновения опасно глубокого заныривания носовой палубы под крупные гребни встречных волн, что на высокой скорости хода может привести к опасному превышению ускорения свободного падения по критериям допустимой вертикальной качки в носовой оконечности корпуса;
- вдоль всего борта судна имеется открытый проход с фальшбортом, который в штормовых условиях может заливаться потоками из гребней штормовых волн, с последующим удержанием массы воды в шпигатах под фальшбортами на время не более полупериода штормовой волны;
- каюты экипажа, служебные помещения, ходовая вахта и главное машинное отделение с ходовыми электрогенераторами располагаются в носовых секциях судна, наиболее подверженных вертикальной качке и рысканию под косыми ударами волн в штормовом плавании;
- каюты пассажиров, кают-компания и салоны для отдыха располагаются в средней и расширенной кормовой секциях главного корпуса, в широкой многоярусной кормовой надстройке, где на ходу судна складываются благоприятные условия обитаемости по критериям качки на интенсивном волнении;
- два ходовых электродвигателя обеспечивают высокую маневренность судна за счет быстрой и точной установки режимов движения судна, в то же время малый объем отсеков для гребных валов оставляет свободными широкие помещения под жилой палубой в интересах пассажиров и для размещения попутных грузов, в том числе нуждающихся в постоянном доступе для досмотра и путевого обслуживания;
- вертикальный заостренный бульбовый форштевень и низкая ходовая рубка, в сочетании с развитой и высокой кормовой надстройкой над плоским подзором в расширенной кормовой части корпуса, служат автоматическому приведению судна на курс носом на волну в случае аварийной остановки главных машин, что требуется для достижения безусловной безопасности штормования пассажирского судна.
На большой скорости хода основные волновые нагрузки будут приходиться на носовую часть корпуса, а плоский кормовой подзор окажется в возмущенном и частично сбалансированном потоке, что важно как для стабильной работы винторулевого комплекса, так и для обеспечения комфортных условий обитания в высокой кормовой надстройке.
Несмотря на большую ширину и относительно малую осадку, кривые элементов теоретического чертежа и плечи остойчивости формы (фиг. 2) подтверждают удовлетворение основных требований к форме корпуса, достигаемые устройством завала надводного борта и значительным уменьшением полноты корпуса судна в оконечностях:
- вертикальный форштевень и носовой бульб служат началом винтовой поверхности на уровнях переменных ватерлиний, что служит стабилизации ходового дифферента и стабилизации килевой качки в условиях интенсивного волнения (фиг. 3, верхние графики);
- при увеличении осадки площадь действующей ватерлинии не увеличивается, а ее продольный момент инерции уменьшается (фиг. 2), что является одним из признаков возникновения гидродинамической пассивности корпуса при свободном плавании на взволнованной поверхности моря;
- на конструктивной осадке диаграмма остойчивости имеет выраженную S-образность, особенно заметную на посадках в моменты погружения корпуса в фазах вертикальной качки, что в целом позволяет безопасно снижать начальную остойчивость для увеличения периода бортовой качки и повышения комфортности обитания в штормовом плавании;
- в случае малой начальной остойчивости появляется опасность больших углов крена при малых кренящих моментах, например под воздействием бортового ветра или кренящих моментов от рулей на быстрой циркуляции, что также свидетельствует о реальной возможности эффективной работы активных крыльевых успокоителей качки [5] в случае их установки в ускоренном и стабилизированном по направлению потоке непосредственно за гребными винтами.
Расчеты волнообразования и условий силового воздействия на корпус судна внешних штормовых волн выполнялись с использованием функций излучения трохоидальных волн и обобщенных интегралов Мичелла [6, Michell J.Н. 1898]. На расчетных диаграммах [7] (фиг. 3) в функции от относительной скорости хода по Фруду (Fn), показаны коэффициенты Cw и силы волнового сопротивления относительно водоизмещения R/D. В верхней части рисунка приведены графики интенсивности излучения корабельных волн по длине корпуса, где иллюстрируется затягивание корабельной волны под носовую скулу на скоростях порядка Fn=0,3÷0,4 (18÷24 узл.).
Это означает, что по результатам расчетов на ходу судна происходит безударное поглощение всех штормовых волн с длиной, достигающей или немного превышающей длину корпуса судна. Это означает, что по волновому климату Охотского и японского морей, пассажирское судно будет подвергаться плавной качке существенно ослабленной интенсивности. На тихоокеанских маршрутах вдоль Курильских островов волны зыби превышают стометровую длину, размах всех видов качки может значительно усилиться, однако заостренные обводы хорошо обтекаемого корпуса и малый объем надводного борта судна будут предотвращать ударные нагрузки на корпус со стороны морского волнения, в том числе допуская поддержание высокой скорости хода.
Из графика волнового сопротивления также следует, что форма корпуса хорошо оптимизирована для скоростей хода до скоростей хода порядка Fn=0,33, что соответствует 20 узлам. Однако из морской практики следует выбор оптимальной скорости штормового хода порядка 9÷11 узлов (Fn=0,16), что вполне достигается при наличии запаса мощности главных двигателей по тихой воде до 18÷20 узлов.
Важно обратить внимание на особенности конструкции каботажного судна, у которого в штормовом плавании палуба бака регулярно захлестывается интенсивными потоками воды из высокоскоростных гребней встречных штормовых волн. Для ускорения сброса воды за борт, и с целью увеличения прочности корпусного набора может быть увеличена погибь палубных бимсов, с устройством портиков и разрезов увеличенной площади под фальшбортами для удержания потоков воды на носовой палубе на время, соизмеримое с полупериодом штормовой волны (в другом полупериоде палуба бака заливается потоками воды для последующего удержания корпуса от возникновения резкой килевой и вертикальной качки).
При объявлении штормового режима плавания доступ экипажа и пассажиров на палубу бака должен запрещаться.
В режиме пассивного штормования обычно происходит сильное рыскание на курсе, что повышает опасность бортовой качки при сваливании судна на курс лагом к гребням особо крупных волн. В то же время, высокая парусность кормовой надстройки приведет к появлению ветрового и волнового дрейфа судна со скоростью, вполне достаточной для поддержания курса носом на волну с помощью двух кормовых рулей, и, что весьма важно, управление рулями выполняется с учетом обратного движения кормой вперед с потоками воды в штормовых гребнях с видимой скоростью навстречу ветру в сторону гребней штормовых волн.
В целом настоящим изобретением формируется комплекс оптимизированных инженерно-технических решений для минимизации внешнего силового воздействия на каботажное пассажирское судно со стороны ураганных ветров и девятых валов штормового волнения, способствующих достижению минимальности всех видов качки и безусловному поддержанию заданной скорости хода на любых курсах относительно штормового ветра и интенсивного волнения в открытом глубоком море (кноидальные гребни одиночных волн на мелководье в настоящих технических разработках не рассматривались, из чего следует необходимость предупредительных наставлений судоводителям об особой опасности штормового плавания в условиях прибрежного мелководья или на мелководных банках в открытом море).
Технический результат настоящего изобретения представляется достижением возможности эффективного всесезонного и всепогодного мореходства на каботажных линиях Сахалина и Курильских островов, также как и на других морских маршрутах дальневосточных морей России.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Проект каботажного пассажирского судна с прорисовкой общего расположения. Форма корпуса и надстроек выбраны с учетом необходимости снижения силового взаимодействия со штормовым волнением с возможностью пассивного штормования на курсе носом на волну при остановленных главных двигателях.
Фиг. 2. Справа вверху приведены кривые элементов теоретического чертежа и слева - плечи остойчивости на различных осадках при фиксированной аппликате центра тяжести (Zg=6 м). На конструктивной осадке метацентрическая высота h=6 м.
Фиг. 3. В верхней части рисунка приведены графики интенсивности излучения корабельных волн по длине корпуса, где иллюстрируется затягивание корабельной волны под носовую скулу на скоростях порядка Fn=0,3÷0,4 (18÷24 узл.). На левых нижних графиках показаны расчеты коэффициентов Cw и сил волнового сопротивления R/D относительно водоизмещения.
Список источников информации
1. Храмушин В.Н. Поисковые исследования штормовой мореходности корабля. Владивосток: Дальнаука, 2003. 172 с. (shipdesign.ni/Khram/Ship_00.html).
2. Храмушин В.Н. «Корабль без бортовой качки», патент России №2360827 от 10.07.2009, бюл. №19 (shipdesign.ru/Invent/01.html).
3. Храмушин В.Н. Корабль, остойчивый в штормовом плавании. Патент России №2487043 от 2013.07.10, Бюл. №19 (shipdesign.ru/Invent/06.html).
4. Храмушин В. И. Поисковые исследования штормовой мореходности корабля (История эволюционного развития инженерно-технических решений об обводах и архитектуре корабля, о единении морских наук и хорошей морской практики). LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. Germany, 2011. 288 C. (shipdesign.ru/Khram/History-II.pdf).
5. «Активный стабилизатор килевой и бортовой качки корабля - штормовой аварийный движитель», патент России №2384457, бюл. №8 от 20.03.2010 (shipdesign.ru/Invent/04.html).
6. Mr. J.Н. Michell on the Wave-Resistance of a Ship. Philosophical Magazine, 1898, vol. 45, Ser. 5, pp. 106-123 (shipdesign.ru/JHM-rus.html).
7. «Hull» - Построение аналитической формы корпуса корабля, расчеты волнового сопротивления, кривых элементов теоретического чертежа и диаграмм остойчивости морских судов. Программа для ЭВМ, Роспатент №2010615849 от 8.09.2010 г. (shipdesign.ru/SoftWare/2010615849.html).