КОРПУС ВОДОИЗМЕЩАЮЩЕГО СУДНА-ПОЛУКАТАМАРАНА
HULL OF SEMI-CATAMARAN

Изобретение относится к судостроению и касается конструирования обводов корпусов водоизмещающих судов, сочетающих элементы, характерные для обводов однокорпусных судов и катамаранов.
Известно техническое решение по патенту США US5038696 под названием "Ship's hull having monohull forebody and catamaran afterbody" («Корпус судна, имеющий однокорпусную носовую оконечность и катамаранную кормовую оконечность»), опубликованное 13.08.1991 г., в котором, в соответствии с описанием изобретения, с целью объединения преимуществ и исключения недостатков традиционных однокорпусных судов и катамаранов предложена форма корпуса, сочетающая элементы форм корпусов указанных судов. При этом к преимуществам однокорпусных судов отнесена возможность обеспечения высокой стабильности в условиях значительного морского волнения, к преимуществам катамаранов - меньшее сопротивление движению в воде и возможность достижения более высоких скоростей. К недостаткам однокорпусных судов отнесено относительно большее сопротивление на высоких скоростях хода, к недостаткам катамаранов - зарывание носовых оконечностей в волну и меньшая стабильность на взволнованном море.
Конкретно в изобретении по указанному патенту, рассматриваемому далее в качестве прототипа, предложена форма корпуса судна, включающая близкие по протяженности однокорпусную носовую и катамаранную кормовую оконечности. Объединение указанных оконечностей в единый корпус обеспечено за счет плавного сочетания их внешних бортов, присоединения внутренних бортов катамаранных корпусов (поплавков) кормовой оконечности, разделенных туннелем, к концевой переборке (транцу) однокорпусной оконечности и устройства палубы над туннелем между катамаранными поплавками. Граница перехода обводов между носовой и кормовой оконечностями расположена около середины длины корпуса судна, при этом в днищевой части плавного перехода обводов нет - задняя часть однокорпусной носовой оконечности ограничена переборкой, за которой начинается туннель между поплавками катамаранной кормовой оконечности. В нижней части этой переборки, в существенной части погруженной в воду до достижения судном определенной скорости, расположены выходы каналов вентиляционного устройства, через которые при разгоне судна подается воздух для снижения сопротивления движению в воде. По мнению заявителя указанного патента, использование такого корпуса позволяет улучшить характеристики судов при всех состояниях морского волнения, в частности, в отношении достижимых скоростей хода по сравнению с однокорпусными судами.
Несмотря на то, что в описании изобретения по патенту US 5038696 указывается на частный случай его представления, из этого описания, рисунков и заявленной формулы, в том числе из ее пункта 1, следует, что предложенная форма корпуса рассчитана на высокоскоростные суда, прежде всего на катера, основным расчетным режимом движения которых является режим глиссирования. Именно этот эффект используется в предлагаемом в патенте US 5038696 корпусе, однокорпусной носовой оконечности которого в соответствии с заявленной формулой для обеспечения подъема из воды за счет сил динамического поддержания при определенной скорости придана V-образная в поперечном сечении форма шпангоутов, имеющая ряд сломов (скул) и уступов (продольных реданов) и характерная для глиссирующих катеров. Однокорпусная носовая оконечность с ограничивающей ее поперечной переборкой, в существенной части погруженной в воду при разгоне судна до перехода к режиму глиссирования, движется в водоизмещающем режиме, имея неоптимальные для этого режима обводы. В этом скоростном режиме носовая оконечность корпуса, имеет сопротивление, не позволяющее судну с предлагаемым корпусом иметь какие-либо преимущества по сравнению с традиционными однокорпусными судами. Для облегчения подъема однокорпусной носовой оконечности из воды и выхода корпуса на глиссирование, кроме придания ему катерных обводов, в пункте 1 формулы изобретения по патенту US 5038696 также указано, что:
- катамаранная кормовая оконечность корпуса предназначена для несения основной части груза судна;
- в туннеле между катамаранными корпусами размещено вентиляционное устройство, исключающее возникновение разрежения за ограничивающей однокорпусную носовую оконечность переборкой, погруженной в воду перед разгоном судна и обеспечивающее поддержание условий атмосферного давления.
Без указанного вентиляционного устройства необходимый разгон судна практически невозможен или существенно затруднен. В описании патента указывается, что после разгона судна до скорости, обеспечивающей необходимый подъем однокорпусной носовой части из воды, сопротивление движению судна существенно снижается, и оно может развивать скорости, недостижимые для сопоставимых по характеристикам обычных однокорпусных судов. При этом ссылок на результаты каких-либо испытаний не приводится.
Недостатками формы корпуса по патенту US 5038696 являются:
- непригодность применения предложенной формы корпуса для водоизмещающих судов вследствие высокого сопротивления движению в водоизмещающем режиме скоростей, используемом поэтому лишь в процессе разгона судна;
- обеспечение оптимальных по сопротивлению скоростей движения лишь в режиме динамического поддержания с необходимым подъемом однокорпусной носовой оконечности из воды;
- существенное ограничение мореходности, характерное для корпусов с глиссирующими обводами, носовая часть которых на высоких скоростях хода в условиях развитого морского волнения подвергается значительным ударам и сотрясениям, вынуждая снизить скорость;
- возможность применения предложенной формы корпуса для судов весьма ограниченных размеров - в соответствии с заявленной формулой, главным образом, для глиссирующих катеров водоизмещением до 300-400 т.
Целью настоящего изобретения является разработка корпуса, включающего однокорпусную носовую и катамаранную кормовую оконечности, форма которого обеспечивает исключение перечисленных недостатков формы корпуса прототипа и предназначена для движения в водоизмещающем режиме скоростей. Более общей целью настоящего изобретения является предложение формы корпуса судов, которая позволяет в максимальной степени использовать преимущества и исключить недостатки архитектуры водоизмещающих однокорпусных судов и судов-катамаранов. В частности, задачами предлагаемого изобретения являются:
- исключение ограничений по мореходности, присущих судам с формой корпуса прототипа и катамаранам;
- обеспечение преимуществ в части общего расположения оборудования и помещений засчет возможности некоторого увеличения главных размерений при равном объеме корпуса с традиционными однокорпусными судами;
- обеспечение возможности создания водоизмещающих судов с предлагаемой формой корпуса без ограничений по их размерам;
- снижение остаточного сопротивления корпусов с предлагаемой формой при движении в водоизмещающем режиме скоростей по сравнению с традиционными однокорпусными судами;
- обеспечение возможности различного функционального использования туннеля между поплавками катамаранной кормовой оконечности корпуса.
Соответствующие поставленным целям и задачам технические результаты достигаются тем, что предлагаемый корпус судна выполнен с (фиг.1):
- характерной для однокорпусных водоизмещающих судов носовой оконечностью с плавными в поперечном сечении обводами, оптимальными для водоизмещающего режима движения;
- характерной для водоизмещающих катамаранов кормовой оконечностью;
- зоной плавного перехода от обводов носовой оконечности к обводам кормовой оконечности, включающей не только плавное сочетание их внешних бортов и палубы (палуб), но и плавное сочетание остальных элементов корпуса, в частности, днищевой части носовой оконечности и туннеля между поплавками катамаранной кормовой оконечности.
Таким образом, общей с прототипом архитектурной характеристикой в настоящем изобретении является использование носовой оконечности корпуса с обводами, характерными для однокорпусных судов, и кормовой оконечности с обводами, характерными для катамаранов. Однако предлагаемые обводы этих частей и формы перехода от одних обводов к другим существенно отличаются, обеспечивая движение судна в водоизмещающем режиме скоростей.
Как известно, по сравнению с водоизмещающими однокорпусными судами катамаранная архитектура корпуса при несколько большей массе обеспечивает повышенные ходкость и остойчивость при движении судна в определенном диапазоне состояний морского волнения, а также большие площади палуб, что необходимо, например, для таких судов, как автомобильно-пассажирские паромы. Имеющие большое удлинение боковые корпуса (поплавки) катамаранов (типичное удлинение 15÷18) обусловливают сравнительно малую потерю скорости хода на волнении. Однако при увеличении волнения наступает состояние, при котором носовые оконечности поплавков катамарана начинают зарываться в воду и возникают удары волн в мост между корпусами катамарана, что заставляет значительно снижать скорость и ограничивать маневрирование катамарана для обеспечения его безопасности по условиям прочности корпуса и величины ускорений. Отрицательным свойством катамаранов является также резкая бортовая и килевая качка. В результате мореходность катамаранов имеет достаточно жесткие ограничения. Повышенная начальная поперечная остойчивость катамаранов при их относительно узких поплавках обеспечивается за счет сравнительно большой общей ширины всего корпуса и соответственно момента инерции действующей ватерлинии. Существенное увеличение высоты моста для обеспечения большего клиренса по отношению к поверхности воды, как правило, приводит к потере преимуществ катамарана в части его остойчивости, возникновению проблем с обеспечением прочности корпуса при скручивающих моментах на волнении, существенному увеличению массы корпуса и соответствующему уменьшению полезной нагрузки, уменьшению скорости хода при большем водоизмещении и к другим отрицательным последствиям.
Водоизмещающие однокорпусные суда не имеют столь резких ограничений по мореходности на развитом морском волнении, они лучше переносят удары крупных волн в носовую оконечность. Практически все суда, не имеющие ограничений по условиям плавания, являются водоизмещающими однокорпусными. Вместе с тем, для обеспечения высокой мореходности они должны иметь достаточную поперечную остойчивость, обеспечиваемую соответствующим увеличением ширины корпуса в ущерб оптимальному в отношении сопротивления движению его удлинению, а также должны иметь относительно высокий надводный борт, особенно в носовой оконечности. Таким образом, на обеспечение необходимой мореходности однокорпусных судов затрачивается существенная часть их водоизмещения.
Объединение в одном корпусе элементов водоизмещающих однокорпусных судов и катамаранов, конкретно - однокорпусной носовой оконечности и катамаранной кормовой оконечности позволяет:
- обеспечить взаимодействие носовой оконечности судна с морскими волнами и в целом его качку, характерные для однокорпусных судов и более благоприятные при развитом волнении, чем для катамаранов;
- при одинаковых соотношениях главных размерений улучшить ходкость такого судна по сравнению с однокорпусным судном за счет более благоприятного обтекания катамаранной кормовой оконечности;
- использовать более эффективную в отношении обеспечения поперечной остойчивости форму действующей ватерлинии, момент инерции площади которой незначительно уменьшается за счет потери этой площади в туннеле между поплавками катамаранной кормовой оконечности и достаточно легко может быть увеличен за счет весьма малого увеличения ширины корпуса;
- увеличить главные размерения и площади палуб по сравнению с однокорпусным судном с одинаковым составом оборудования засчет существенно меньших коэффициентов общей полноты корпуса предлагаемой формы, что позволяет более эффективно разместить это оборудование и в ряде случаев компенсировать некоторое увеличение водоизмещения, связанное со спецификой предлагаемой формы корпуса.
В результате предлагаемая форма корпуса обеспечивает максимальное использование преимуществ водоизмещающих однокорпусных судов и катамаранов и исключение присущих им недостатков, а также исключение недостатков формы корпуса прототипа.
В отличие от формы корпуса прототипа, предлагаемые обводы корпуса судна не рассчитаны на изменение его посадки в воде (подъем) при движении, а зона плавного перехода обводов между носовой и кормовой оконечностями, кроме плавно сочетающихся внешних бортов и палубы, включает плавный подъем средней днищевой части от однокорпусной носовой оконечности к действующей ватерлинии в туннеле между поплавками катамаранной кормовой оконечности.
Существенный положительный эффект при достижении сформулированных выше целей обеспечивается при длине катамаранной части корпуса не менее 20% от длины действующей ватерлинии и аналогичной длине зоны плавного перехода от однокорпусных обводов носовой оконечности к обводам катамаранной кормовой оконечности корпуса. При этом в типичном случае расстояние между поплавками катамарана соразмерно их ширине и составляет 0,30÷0,55 максимальной ширины действующей ватерлинии корпуса.
Предлагаемая в настоящем изобретении форма корпуса водоизмещающих судов, названа полукатамаранной, а имеющие такую архитектуру суда названы полукатамаранами. Фактически полукатамаранная форма корпуса водоизмещающих судов является новым типом их архитектуры, обеспечивающей в ряде случаев достижение эффективных компоновочных и эксплуатационных характеристик.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематически изображены:
- на фиг.1 - вид на корпус судна-полукатамарана сбоку;
- на фиг.2 - продольный разрез корпуса по диаметральной плоскости;
- на фиг.3 - план по верхней палубе с открытым сверху туннелем между поплавками катамаранной кормовой оконечности;
- на фиг.4 - план кормовой оконечности по верхней палубе с частичным закрытием туннеля между катамаранными поплавками;
- на фиг.5 - план кормовой оконечности по верхней палубе с люковым закрытием над туннелем между катамаранными поплавками;
- на фиг.6 - продольный разрез по диаметральной плоскости с бульбом в носовой оконечности;
- на фиг.7÷10 - принципиальные поперечные сечения корпуса полу катамарана в характерных зонах по линиям А-А, В-В, С-С и D-D (без соблюдения масштаба с предшествующими фигурами);
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>C</mi><mo>¯</mo></mover><mi>R</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>R</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>R</mi><mn>1</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>R</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>R</mi><mn>1</mn></msubsup></mrow>
- на фиг.11 по результатам буксировочных модельных испытаний на частном примере показано преимущество предлагаемой полукатамаранной формы корпуса в части снижения остаточного сопротивления в виде отношения
, где
и
- коэффициенты остаточного сопротивления полукатамарана и сопоставляемого традиционного однокорпусного судна соответственно.
Корпус судна-полукатамарана 1 по настоящему изобретению включает по длине три зоны (фиг.1-3, 6):
- носовую оконечность 2 с обводами, характерными для традиционных однокорпусных водоизмещающих судов;
- кормовую оконечность 4 с обводами, характерными для традиционных водоизмещающих катамаранов, с поплавками 5 и туннелем между ними 6;
- зону плавного перехода 3 от однокорпусных обводов носовой оконечности 2 к катамаранным обводам кормовой оконечности 4 за счет непрерывности внешнего борта 7 и палубы 8 судна и подъема средней днищевой части корпуса от носовой оконечности 2 до уровня действующей ватерлинии 9 в районе полного перехода к поплавкам катамарана 5 и туннелю 6 между ними с образованием подзора 10 и внутреннего транца 11.
Существенные положительные отличия полукатамаранов от традиционных водоизмещающих однокорпусных судов и катамаранов в части мореходности, общего расположения оборудования и помещений, остойчивости и ходкости обеспечиваются при длинах указанных кормовой оконечности корпуса 4 и зоны плавного перехода 3 не менее 20% от длины действующей ватерлинии 9 для каждой. При этом ширина туннеля 6, образованного внутренними бортами 12 поплавков 5 катамаранной части корпуса в районе внутреннего транца 11, составляет не менее 30% от максимальной ширины действующей ватерлинии.
Представленные на фиг.7-10 схемы поперечных сечений характеризуют изменение принципиальных форм обводов по длине корпуса 1 полукатамарана, соответствующих зонам 2-4, и относятся к представленному на фиг.1 судну с одной палубой 8 (верхней) в кормовой катамаранной оконечности 4, имеющей открытый вырез над туннелем 6 между поплавками 5. Необходимость использовать туннель 6 для различного функционального назначения может потребовать обеспечения разной к нему доступности. Поэтому на фиг.4 представлен также вариант с частичным закрытием туннеля 6 между катамаранными поплавками 5 палубой 8, обеспечивающим несколько повышенную прочность кормовой оконечности 4, а на фиг.5 - вариант с люковым закрытием 13. При отсутствии необходимости использовать туннель 6 по какому-либо функциональному назначению палуба 8 в катамаранной кормовой оконечности 4 над туннелем 6 может быть сплошной (вариант не показан).
Представленные на фиг.1-10 схемы, принципиально характеризующие форму корпуса полукатамарана, для упрощения отнесены к судну, имеющему в кормовой оконечности одну палубу 8, однако реально в этом районе корпуса может быть не одна палуба (на схемах не отражены), соответственно разная степень доступности к туннелю 6 может быть обеспечена через все палубы. Однокорпусная носовая оконечность может иметь бульб 14, широко используемый на традиционных однокорпусных судах (см. фиг.6).
Взаимодействие носовой оконечности водоизмещающих судов-полукатамаранов с волнами аналогично традиционным водоизмещающим однокорпусным судам, а обтекание водой кормовой оконечности аналогично обтеканию элементов корпуса катамарана - его поплавков, имеющих большое удлинение. При этом использование в кормовой оконечности катамаранной формы при соответствующих геометрических характеристиках и разносе поплавков по ширине может обеспечить судну характерные для катамаранов повышенную остойчивость и благоприятные гидродинамические характеристики. Характер возмущающих сил, возникающих на корпусе судна-полукатамарана, обеспечивает более благоприятные, чем у катамаранов, периоды и амплитуды бортовой и килевой качек, более близкие к таковым у однокорпусных судов.
1
п/к
Особенностью полукатамаранной формы обводов корпуса является их существенно меньший коэффициент общей полноты, что позволяет обеспечить судам-полукатамаранам ряд конструктивных преимуществ. Например, для среднескоростных и быстроходных традиционных водоизмещающих однокорпусных судов коэффициенты общей полноты δ обычно находятся в пределах 0,54÷0,47, а для полукатамаранов с длиной катамаранной части корпуса 25÷30%, такой же переходной частью и расстоянием между поплавками катамаранной части, сопоставимым по размерам с их шириной, коэффициенты общей полноты δ находятся в пределах 0,38÷0,32 соответственно. При этом при сравнительно малом увеличении водоизмещения полукатамаранов засчет особенностей их обводов существенно возрастают главные размерения их корпусов, особенно увеличивается площадь верхней (верхних) палубы (палуб), что, как правило, является положительным конструктивным моментом для большинства судов в отношении размещения их оборудования, жилых помещений, постов управления и других помещений. Возможность увеличения осадки при меньшем коэффициенте общей полноты является положительным моментом для судов с подкильными гидроакустическими средствами подводного поиска, при необходимости размещения движителей увеличенного диаметра и в некоторых других случаях.
Для оценки влияния полукатамаранной формы корпуса на изменение главных размерений по сравнению с традиционными водоизмещающими однокорпусными судами примем, что для обеспечения размещения одинакового состава всех элементов оборудования и полезной нагрузки объемы корпусов сопоставляемых судов должны быть равны. При этом в нагрузке масс полукатамарана учитывается некоторое увеличение массы его корпуса с учетом специфики его обводов, которое для указанных выше относительных размеров характерных зон корпуса составляет 15-18%, что с учетом доли массы корпуса в общем весовом водоизмещении большинства судов приводит к увеличению водоизмещения не более чем на 7-9%:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,07</mn><mo>÷</mo><mn>1,09</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>B</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub><mo>×</mo><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>×</mo><msub><mi>B</mi><mn>1</mn></msub><mo>×</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,07</mn><mo>÷</mo><mn>1,09</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
или
,
где
п/к
V - объемное водоизмещение судна-полукатамарана;
1
V - объемное водоизмещение судна с однокорпусной формой обводов;
п/к
L - длина корпуса полукатамарана;
п/к
B - ширина корпуса полукатамарана;
п/к
T - осадка корпуса полукатамарана;
1
L - длина корпуса судна с однокорпусной формой обводов;
1
В - ширина корпуса судна с однокорпусной формой обводов;
1
T - осадка корпуса судна с однокорпусной формой обводов;
п/к
δ - коэффициент общей полноты корпуса полукатамарана;
1
δ - коэффициент общей полноты корпуса судна с однокорпусной формой обводов.
При сохранении равенства соотношений главных размерений корпуса судна с однокорпусной формой обводов и корпуса полукатамарана:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>B</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>B</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>M</mi></mrow>
, где M - масштаб преобразования главных размерений полукатамарана по сравнению с судном, имеющим однокорпусную форму обводов. Тогда для формулы (1) получим выражение:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><msup><mi>M</mi><mn>3</mn></msup><mo>=</mo><mn>1,07</mn><mo>÷</mo><mn>1,09</mn></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mroot><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1,07</mn><mo>÷</mo><mn>1,09</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mn>3</mn></mroot><mo>≈</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1,02</mn><mo>÷</mo><mn>1,03</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mroot><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>п</mi><mo>,</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mn>3</mn></mroot></mrow>
;
С учетом приведенных выше диапазонов коэффициентов общей полноты сопоставляемых среднескоростных и быстроходных водоизмещающих судов получим масштаб увеличения главных размерений полукатамарана:
<mrow><mi>M</mi><mo>≈</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1,02</mn><mo>÷</mo><mn>1,03</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mroot><mrow><mfrac><mrow><mn>0,54</mn><mo>÷</mo><mn>0,47</mn></mrow><mrow><mn>0,38</mn><mo>÷</mo><mn>0,32</mn></mrow></mfrac></mrow><mn>3</mn></mroot><mo>≈</mo><mn>1,15</mn><mo>÷</mo><mn>1,17</mn></mrow>
2
Таким образом, главные размерения полукатамарана с объемом корпуса и соотношением главных размерений, равными таковым для водоизмещающего однокорпусного судна, должны быть больше на 15÷17%. При этом площадь верхней палубы (палуб) полукатамарана для размещения оборудования и помещений увеличивается существенно (пропорционально квадрату масштаба M) - на 32÷37%, а возможность заглубления гидроакустической станции увеличивается на 15÷17%. В результате на судне-полукатамаране улучшаются возможности для размещения оборудования, что в ряде случаев может компенсировать сравнительно небольшое увеличение его водоизмещения в связи со спецификой обводов.
c
g
Оценку влияния полукатамаранной формы корпуса на остойчивость судна выполним при тех же условиях в части равенства объемов и соотношения главных размерений корпуса. Как показывают выполненные расчеты, при этом расстояние по вертикали между центром величины погруженного объема с аппликатой z и центром тяжести корпуса с аппликатой z для полукатамарана по сравнению с однокорпусным судном изменится достаточно мало, поэтому поперечная остойчивость сопоставляемых судов в основном будет определяться соотношением поперечных метацентрических радиусов r. Известно, что поперечный метацентрический радиус может быть представлен выражением (см. С.Н. Благовещенский, А.Н. Холодилин. Справочник по статике и динамике корабля. - Л., «Судостроение», 1975 г., с.59):
<mrow><mi>r</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>T</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>a</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>α</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>k</mi><mo>×</mo><mi>δ</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>r</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>α</mi><mn>2</mn></msup><mo>×</mo><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>k</mi><mo>×</mo><mi>δ</mi><mo>×</mo><mi>T</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где k = статистический коэффициент;
α - коэффициент полноты действующей ватерлинии;
δ - коэффициент общей полноты корпуса по действующую ватерлинию.
1
п/к
Обозначим поперечные метацентрические радиусы судна с однокорпусными обводами и полукатамарана соответственно r и r, тогда с учетом формулы (2) их соотношение можно оценить по формуле:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>α</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>×</mo><msubsup><mi>B</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>×</mo><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub><mo>×</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>α</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>×</mo><msubsup><mi>B</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>×</mo><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>×</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>B</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>B</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>×</mo><mfrac><mi>T</mi><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
1
r - поперечный метацентрический радиус однокорпусного судна;
п/к
r - поперечный метацентрический радиус полукатамарана;
1
I - момент инерции действующей ватерлинии однокорпусного судна;
к
I - момент инерции действующей ватерлинии полукатамарана;
1
α - коэффициент полноты действующей ватерлинии однокорпусного судна;
п/к
α - коэффициент полноты действующей ватерлинии полукатамарана.
Исходя из условия о равенстве соотношений главных размерений корпусов сопоставляемых судов составляющие формулы (3) можно выразить:
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>B</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>B</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msup><mi>M</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>M</mi></mfrac></mrow>
,
. Тогда для формулы (3) получим выражение:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>×</mo><mi>M</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
п/к
1
п/к
Известно, что для среднескоростных и быстроходных судов с однокорпусной формой обводов соответственно α=0,82÷0,75. Для близких по скоростным режимам полукатамаранов, при принятых для них выше относительных протяженностях характерных зон, в зависимости от принимаемой ширины кормовых поплавков и расстояния между ними, обеспечивается соответственно α=0,65÷0,58. С учетом приведенных выше диапазонов коэффициентов общей полноты δ=0,54÷0,47 и δ=0,38÷0,32 для выражения (4) получим:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>0,65</mn><mo>÷</mo><mn>0,58</mn></mrow><mrow><mn>0,82</mn><mo>÷</mo><mn>0,75</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>×</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1.15</mn><mo>÷</mo><mn>1,17</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>0,54</mn><mo>÷</mo><mn>0,47</mn></mrow><mrow><mn>0,38</mn><mo>÷</mo><mn>0,32</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,63</mn><mo>÷</mo><mn>0,60</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1.15</mn><mo>÷</mo><mn>1,17</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1,42</mn><mo>÷</mo><mn>1,47</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≈</mo><mn>1,03.</mn></mtd></mtr></mtable>
Таким образом, на данном примере показано, что при принятых условиях характеризующий поперечную остойчивость поперечный метацентрический радиус среднескоростных и быстроходных водоизмещающих полукатамаранов будет не меньше, чем у водоизмещающих однокорпусных судов, рассчитанных для тех же диапазонов скоростей. Подобная оценка для характеристик формы тихоходных однокорпусных судов и полукатамаранов также показывает существенное увеличение площади верхней палубы (палуб) полукатамаранов, осадки и некоторое повышение их поперечной остойчивости. При этом в связи с тем, что часть площади действующей ватерлинии, расположенная вблизи диаметральной плоскости корпуса судна, вносит в обеспечение его поперечной остойчивости незначительную долю, при характерной для полукатамарана форме ватерлинии существенное повышение его поперечной остойчивости, при необходимости, может быть обеспечено значительно меньшим увеличением ширины его корпуса по сравнению с обычным однокорпусным судном.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>B</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>B</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>7,5</mn><mo>÷</mo><mn>8</mn></mrow>
Из приведенных выше задач настоящего изобретения приоритетными являются задачи, решение которых по сравнению с прототипом обеспечивало судам с предлагаемой формой корпуса эффективное использование в водоизмещающем режиме скоростей без ограничения размерений судов и получение преимуществ в части мореходности, а по сравнению с традиционными водоизмещающими однокорпусными судами - получение преимуществ в части новых компоновочных возможностей и различного функционального использования туннеля между поплавками катамаранной кормовой оконечности корпуса. Возможность обеспечения для полукатамаранов преимуществ по ходкости по сравнению с традиционными однокорпусными судами в некоторых диапазонах относительных скоростей предполагалась, но эта задача не являлась приоритетной. Тем не менее, результаты буксировочных модельных испытаний показали, что при протяженности катамаранной части корпуса более 20% от общей длины по действующей ватерлинии, близкой к ней по протяженности переходной зоны и расстоянии между поплавками около 0,40-0,50 от максимальной ширины действующей ватерлинии для среднескоростного и быстроходного водоизмещающего режима движения сопоставляемых судов с удлинением корпуса около
коэффициент остаточного сопротивления (суммы волнового сопротивления и сопротивления формы) полукатамаранов существенно меньше во всем диапазоне скоростей при числах Фруда по длине Fn=0,15÷0,55, достигая максимального выигрыша более 30% по сравнению с известным одним из лучших однокорпусных судов с одинаковыми соотношениями главных размерений и водоизмещением. Снижение остаточного сопротивления соответствует увеличенному расчетному относительному удлинению полукатамарана при сохранении соотношения главных размерений сопоставляемых судов и водоизмещения:
<mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mroot><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mn>3</mn></mroot></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mroot><mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mn>3</mn></mroot></mrow></mfrac></mrow>
,
, где
п/к
l - относительное удлинение корпуса полукатамарана,
1
l - относительное удлинение однокорпусного судна.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mroot><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mn>3</mn></mroot></mrow>
. При равных объемах корпусов сопоставляемых судов с учетом выведенного выше соотношения объемных водоизмещении (1):
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>M</mi><mo>×</mo><mroot><mrow><mn>0,93</mn><mo>÷</mo><mn>0,92</mn></mrow><mn>3</mn></mroot><mo>≈</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1,15</mn><mo>÷</mo><mn>1,16</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,98</mn><mo>÷</mo><mn>0,97</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≈</mo><mn>1,13</mn></mrow>
.
Увеличение расчетного относительного удлинения на около 13% недостаточно для объяснения столь существенного снижения остаточного сопротивления полукатамарана, указанного выше. Физически дополнительное уменьшение остаточного сопротивления полукатамарана по сравнению с однокорпусным судном объясняется возможностью перетекания воды из зоны повышенного давления в носовой однокорпусной оконечности корпуса в зону с меньшим давлением между поплавками катамаранной кормовой оконечности корпуса. Этот эффект у полукатамарана проявляется на всех скоростях, при этом, как показали результаты модельных испытаний, для указанных выше соотношений его размерений и формы, несмотря на большую на 30÷40% смоченную поверхность корпуса, преимущество полукатамаранов по сравнению с сопоставляемыми однокорпусными судами на относительных скоростях при числах Фруда Fn>0,25÷0,27 имеет место и по общему сопротивлению, т.е. с учетом сопротивления трения и шероховатости обшивки корпуса.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>C</mi><mo>¯</mo></mover><mi>R</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>R</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>R</mi><mn>1</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
2/3
Пример преимуществ полу катамарана в части ходкости приведен на фиг.3, где на основании модельных испытаний приведена кривая относительного изменения коэффициентов его остаточного сопротивления
по сравнению с одним из лучших в этом отношении традиционным однокорпусным судном при близких водоизмещениях и соотношениях главных размерений и без выступающих частей сопоставляемых корпусов в диапазоне скоростей, соответствующих числам Фруда Fn от 0,10 до 0,55. В данном случае удлинение сопоставляемых корпусов равнялось 7,5, длины катамаранной кормовой оконечности 4 и зоны плавного перехода 3 составляли по 25% от длины корпуса по действующей ватерлинии 9 каждая, а расстояние между поплавками катамаранной части (ширина туннеля 6) равнялось 50% от максимальной ширины корпуса 1 по этой ватерлинии. С учетом существенной разницы в площади смоченной поверхности корпуса сопоставляемых архитектурных форм для корректности сопоставления коэффициенты их остаточного сопротивления вычислялись по известной формуле по отношению к объемному водоизмещению V:
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>R</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>R</mi><mi>R</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><mi>ρ</mi><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>R</mi><mn>1</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>R</mi><mi>R</mi><mn>1</mn></msubsup></mrow><mrow><mi>ρ</mi><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup><msubsup><mi>V</mi><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
,
где
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>R</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>к</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>R</mi><mn>1</mn></msubsup></mrow>
и
- остаточное сопротивление полукатамарана и традиционного однокорпусного судна соответственно;
п/к
1
V и V - объемное водоизмещение полукатамарана и традиционного однокорпусного судна соответственно по действующую ватерлинию.
Для представленного на фиг.3 частного случая в диапазоне относительных скоростей при числах Фруда до Fn=0,25, соответствующих сравнительно тихоходному режиму движения, остаточное сопротивление полукатамарана отличается от остаточного сопротивления сопоставляемого однокорпусного судна с тем же водоизмещением относительно немного - при Fn=0,18-0,21 снижение достигает ~15%. При увеличении относительных скоростей более Fn=0,27 остаточное сопротивление полукатамарана во всем диапазоне полученных на испытаниях значений до Fn=0,55 становится существенно меньшим остаточного сопротивления сопоставляемого с ним однокорпусного судна, при этом в диапазоне чисел Фруда Fn=0,30÷0,38, соответствующем среднескоростному режиму движения, преимущество полу катамарана достигает 35-37%, а в диапазоне чисел Фруда Fn=0,45÷0,55, соответствующем быстроходному режиму движения, - 22-30%.
Учет сопротивления трения и шероховатости корпуса показывает, что полное сопротивление данного полукатамарана движению в воде с относительными скоростями до Fn=0,25, соответствующими тихоходному режиму движения, незначительно превосходит полное сопротивление сопоставляемого с ним однокорпусного судна. На относительных скоростях до Fn=0,35, соответствущих средне-скоростному режиму движения, полное сопротивление полукатамарана практически равно сопротивлению сопоставляемого с ним однокорпусного судна. А на относительных скоростях до Fn=0,55, соответствущих быстроходному режиму движения, полное сопротивление полукатамарана меньше полного сопротивления сопоставляемого с ним однокорпусного судна на 10-15%.
Указанные существенные преимущества полукатамарана в части снижения сопротивления движению в воде относятся к указанным конкретным характеристикам его формы, однако они показывают, что имеется область соотношений этих характеристик и диапазонов относительных скоростей хода, при которых предлагаемая форма обводов корпуса судов также будет иметь преимущества по сопротивлению движению по отношению к традиционным обводам соответствующих однокорпусных судов.
Модельные исследования мореходности полукатамаранов подтвердили, что амплитуды и периоды их качки и взаимодействие их носовой оконечности со встречными волнами соответствуют аналогичным характеристикам однокорпусных судов, что определяет преимущества полукатамаранов в этой части по сравнению с катамаранами и принятым прототипом.
Таким образом, полукатамаранная форма корпуса обеспечивает достижение поставленных целей в части мореходности, ходкости на развитом волнении, остойчивости судна и размещения оборудования и помещений. Кроме того, при необходимости эта форма корпуса может оказаться целесообразной по отдельным эксплуатационным условиям, например, для обеспечения спуска на воду каких-либо забортных частей оборудования, подводных аппаратов различного назначения и других средств через защищенный от прямого воздействия волн туннель между поплавками катамаранной части корпуса, которая при этом находится в зоне минимальных перемещений и ускорений, возникающих при качке.
В отличие от формы корпуса, предложенной в принятом в качестве прототипа патенте US 5038696 и пригодной лишь для быстроходных глиссирующих судов ограниченных размерений, предлагаемая в настоящем изобретении полукатамаранная форма может быть использована для судов любых размерений с водоизмещающим режимом движения, обеспечивая эффективность их эксплуатации за счет изложенных преимуществ.