ВОЛНОСТОЙКИЙ САМОХОДНЫЙ КАТАМАРАННЫЙ КОМПЛЕКС
SELF-PROPELLED TWIN-HULL WAVE-RESISTANT COMPLEX

Изобретение относится к волностойким самоходным плавучим техническим средствам производства водолазных, подводно-технических работ, а также выполнения других функций на волнении до 5-6 баллов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является полупогружная морская платформа (ПМП) повышенной волностойкости по патенту РФ №2191132 (бюл. №29 от 20.10.02 г) - прототип. Известное техническое решение содержит:
- верхнюю рабочую платформу (ВРП), определяющую основное назначение ПМП;
к
к
- два ряда колонн сечением S и высотой Н, опирающихся на 2 основных плавучих корпуса (ОПК) в виде понтонов, которые могут погружаться и всплывать;
п
п
- два понтона корабельной формы полным водоизмещением в погруженном состоянии V и высотой Н, внутри которых размещаются энергетическая установка, балластные цистерны, заполняя которые ПМП переходит в полупогруженное положение, устойчивое к воздействию волн заданной балльности;
- две горизонтальные перемычки крыльевого профиля, выполняющие роль дополнительных прочных связей между понтонами и создающие на ходу против волны дополнительную тягу;
- математические условия на определение высоты и общей площади колонн и их расстояния вдоль понтонов, расстояния между понтонами, их водоизмещения и высоты, объема балластных цистерн и допустимого возвышения центра масс ПМП по высоте по заданной полезной нагрузке, расчетной длине и высоте волны, запасу плавучести, а также метацентрической высоте для крейсерского и рабочего положений.
Недостатком прототипа является то, он имеет понтоны обычной корабельной формы, которая не обеспечивает при наличии морского волнения умерения качки ПМП в крейсерском положении. В нем не оговорена возможность снижения сопротивления при движении в надводном положении, тип энергетической установки и движителей. Нуждается в уточнении условие распределения масс между ВРП и плавучими понтонами, а также положений по высоте их центров масс.
к
к
п
п
опк
опк
опк
опк
Цель изобретения - расширение возможностей и повышение эффективности плавучей морской платформы. Указанные цели достигаются тем, что у известного технического решения, содержащего верхнюю рабочую платформу, на и внутри которой располагаются механизмы и оборудование, определяющие ее назначение, два ряда колонн сечением S и высотой Н, поддерживающих рабочую платформу и опирающиеся на основные плавучие корпусы-понтоны, полным водоизмещением в погруженном состоянии V и высотой Н, внутри которых размещаются энергетическая установка, балластные цистерны, заполняя которые ПМП переходит в полупогруженное рабочее положение, устойчивое к воздействию волн заданной балльности, две горизонтальные перемычки крыльевого профиля, выполняющие роль дополнительных прочных связей между основными плавучими корпусами-понтонами и создающие на ходу против волны дополнительную тягу, математические условия на определение высоты и общей площади колонн и их расстояния вдоль понтонов, расстояния между понтонами, их водоизмещения и высоты, объема балластных цистерн и допустимого возвышения центра масс ПМП по высоте по заданной полезной нагрузке, расчетной длине и высоте волны, запасу плавучести, а также метацентрической высоте для крейсерского и рабочего положений, основные плавучие корпуса-понтоны (ОПК) выполнены архитектурной формой, близкой к подводным лодкам, для которых главным являлся надводный ход, в виде специфического овального в поперечном сечении корпуса с отношением высоты к ширине Н/В≥1,2, длины к ширине L/B≥10, цилиндрической вставкой в средней части корпуса не менее его полудлины, с заостренными носовой и кормовой оконечностями, с развалом верхней части носовой оконечности, запасом плавучести 20-30%, с возможностью регулирования их осадки в зависимости от состояния моря, крыльевые перемычки снабжены закрылками, выполняющими роль горизонтальных рулей, а внутри каждого ОПК размещаются цистерны главного балласта, оборудованные кингстонами и клапанами вентиляции, системой их полного или частичного продувания и заполнения, а также уравнительные цистерны, оборудованные системами заполнения их из-за борта и осушения и соединенные между собой через перемычки системой перекачки водного балласта между ОПК.
Внешний вид ВСКК и его составные конструктивные элементы показаны на фиг.1 и 2.
Предлагаемый комплекс включает:
- верхнюю рабочую платформу (ВРП) 1, располагающуюся над поверхностью спокойной воды на высоте, которая определяется расчетной балльностью волнения и вертикальным размером основного плавучего корпуса, внутри и на верхней палубе ВРП располагаются жилые помещения, крановое и другое оборудование, определяющее назначение ВСКК;
опк
опк
- два основных плавучих корпуса 2 овального в вертикальном направлении сечения с отношением общей высоты к ширине Н/В≥1,2, имеющие в средней части не менее чем на половине длины постоянную ширину и заостренные носовую и кормовую оконечности, при этом ОПК состоят из внутреннего корпуса повышенной прочности 3 и наружного 4, между ними располагаются цистерны главного балласта, оборудованные кингстонами и клапанами вентиляции, системой их полного или частичного продувания и заполнения, уравнительные и дифферентные цистерны, цистерны топливные и смазочного масла (не показаны);
- внутри каждого прочного корпуса размещается дизель-электрическая энергетическая установка 5, состоящая из 1 или 2 агрегатов, уравнительные и дифферентные цистерны и системы их заполнения из-за борта и осушения, а также перекачки воды между ОПК, цистерны пресной воды и провизии, вспомогательные механизмы и посты управления и др. (не показаны);
- не менее трех водоизмещающих вертикальных колонн 6 овальной формы на каждом ОПК, вытянутых вдоль корпусов, опирающихся на них и удерживающих ВРП;
- горизонтальные овальные пластины 7, выполняющие роль наружных шпангоутов на колоннах и дополнительных демпферов - нейтрализаторов волновых сил;
- верхние соединительные перемычки 8 между ОПК крыльевого профиля, придающие жесткость катамарану и служащие переходным мостом между корпусами в надводном положении ВСКК;
- нижние крыловидные перемычки 9 между ОПК, придающие дополнительную жесткость соединению корпусов, улучшающие ходкость и мореходность катамарана и служащие для прокладки внутри них различных трубопроводов, кабелей и др.;
- закрылки на задних кромках нижних крыловидных перемычек 10, выполняющие роль горизонтальных рулей;
- движительно-рулевые колонки 11 по 2 на каждом ОПК;
- измерительные элементы длины, частоты и амплитуды волны 12;
- оптимизатор параметров посадки ВСКК 13, определяющий оптимальную для измеренных параметров волнения посадку ВСКК, обеспечивающую минимум его качки в надводном и полупогруженном положениях.
Существенным отличием предлагаемого технического решения от прототипа является использование в качестве ОПК принципиально нового для катамаранных платформ архитектурного типа корпуса - корпуса быстроходной в крейсерском положении подводной лодки с небольшим (20-30%) по сравнению с надводным кораблем запасом плавучести. Особенность силового воздействия морской волны на корпус типа фиг.2 в том, что на него в волновом поле
0
c
где k=2π/λ - волновое число, ω=2π/τ - круговая частота волны, τ - период волны, A - амплитуда волны на поверхности, у - удаление центра плавучести корпуса от невозмущенной поверхности, действуют 3 главные по значимости силы:
нб
w
1. Квазистатическая волновая сила , обусловленная изменением в волновом поле водоизмещающего объема ОПК при прохождении волны. В отличие от надводного судна с расширяющимися с ростом осадки обводами и большим запасом плавучести, корпус ПЛ выше ватерлинии имеет сужающиеся обводы и запас плавучести не более 30%. Если у надводного корабля высота надводного борта Н составляет 1,0-1,5 осадки Т, то у ПЛ - не более 0,25 Т. Сила  действует в фазе с волной и, какова бы ни была амплитуда волны, она при y≥0 не может быть больше ,
зп
где V - водонепроницаемый объем выше действующей ватерлинии (запаса плавучести). Что касается  в фазе, то для нее таких ограничений нет.
с
с
с
2. Инерционно-волновая сила F, действующая на погруженную часть ОПК V(Т) Она включает инерционную силу по гипотезе акад. А.Н.Крылова и инерционную часть дифракционной силы, дополнительно предложенную проф. М.Д.Хаскиндом. Она пропорциональна ускорению в волне на уровне у удаления от поверхности центра плавучести ОПК у, которое связано с осадкой выражением Т - у,
и массе ρ V(T) и всегда имеет знак, обратный перемещению волны.
22
где k≈0,80-0,90 - коэффициент присоединенной массы ОПК.
3. Силу присоса ОПК к поверхности. Эта сила возникает из-за разрежения давления в волновом поле по сравнению с гидростатическим, которое интенсивно убывает по мере удаления от взволнованной поверхности. В результате этого появляется дополнительная по отношению к силе Архимеда сила, направленная вверх, причем в любую фазу волны.
Таким образом, в фазе 0 мы имеем:
а в фазе π:
орt
opt
Поскольку все члены в (5) и (6) зависят от осадки T, причем с ростом Т  уменьшается, a  по модулю увеличивается, существует осадка T, при которой  для действующего в данный момент волнения будет минимальной. Поэтому, если с помощью блока 12 измерения параметров волнения определить среднюю длину, амплитуду и частоту волны, с помощью оптимизатора посадки 13 вычислить T, а с помощью системы дозированного заполнения ЦГБ погрузить ОПК по эту осадку, то можно обеспечить высокую волностойкость и остойчивость ВСКК и в надводном положении в широком диапазоне волнения. В этом существенная новизна и преимущество предлагаемого технического решения по сравнению с известным.
Как показано в описании прототипа, оптимальные геометрические характеристики катамаранной ПМП и распределения ее масс по высоте должны удовлетворять следующим условиям:
- плавучести и остойчивости в крейсерском и рабочем полупогруженном положении, а для предлагаемого варианта еще дополнительно в любом промежуточном положении;
к
р
- расстояние между диаметральными плоскостями ОПК и колонн b должно назначаться в интервале (0,4-0,6) расчетной длины волны λ, что нейтрализует силу волнового дрейфа и существенно уменьшает мощность, потребную на обеспечение позиционирования ВСКК над местом выполнения спасательных и подводно-технических работ;
p
- высота колонн над верхней палубой ОПК из условия ее неоголения на расчетной волне и не достижения волной ВРП должна лежать в интервале (1,35-1,5)h расчетной высоты волны, а осадка ВСКК в рабочем положении должна проходить посередине высоты колонн;
- площадь сечения колонн при уже назначенной высоте и полный погруженный объем ОПК должны определяться из условий взаимной нейтрализации двух главных компонентов вертикальных волновых возмущающих сил в расчетном диапазоне волнения.
p
р
p
р
k
p
к
p
Между параметрами морских волн существуют статистические соотношения. Высоты волн 3% обеспеченности, например, на 5 баллах лежат в пределах h=2-3,5 м, а длины - в пределах λ=35-55 м. Для 6 баллов h=3,5-6 м, и λ=55-85 м. Поэтому в качестве расчетных можно взять средние значения для 5 баллов h=2,75 м, λ=45 м, а для 6 баллов h=4,75 м, λ=70 м. Задаваясь запасом 1,35-1,50, можно для заданной балльности назначить общую высоту колонн h=(1,35-1,50)h и осадку колонн Т=(0,65-0,75) h от верхней палубы ОПК до расчетной рабочей ватерлинии.
Условие нейтрализации двух главных составляющих волновых возмущающих сил в рабочем положении ВСКК: квазистатических  и инерционно-волновых
где
0
p
A и k - расчетные амплитуда волны и волновое число,
к
ΣS - суммарная площадь горизонтального сечения колонн одного ОПК,
- коэффициент присоединенной массы колонн с пластинами 7,
- коэффициент присоединенной массы ОПК,
опк
V - полное объемное водоизмещение одного ОПК.
к
опк
Условие  дает связь между ΣS и V, обеспечивающую взаимную нейтрализацию этих двух главных компонентов:
Условие плавучести ВСКК в крейсерском положении:
кр
oпк
зп
-1
где V=V(1+k) - крейсерское водоизмещение ВСКК,
зп
k≈(0,20-0,30) - запас плавучести ОПК в крейсерском положении,
нг
m - масса заданных или априори назначенных грузов,
зг
m - масса зависимых от размеров ВСКК грузов: корпуса, систем, запасов топлива и т.п.
Водоизмещение ВСКК в рабочем положении
Объем цистерн главного балласта в одном ОПК
Поперечная остойчивость ВСКК в надводном положении определяется выражением:
к
где  - метацентрическая высота одного ОПК в надводном положении, b - расстояние между диаметральными плоскостями ОПК.
m
опк
c
опк
опк
В (11) член  dV/dT характеризует остойчивость переносного момента инерции от изменения водоизмещающих объемов ОПК при наклонении. В крейсерском положении он является главным, но по мере погружения ОПК dV/dT стремится к нулю, и остойчивость определяется только собственной остойчивостью ОПК. Как показали выполненные нами исследования, для овального корпуса типа фиг.2 метацентр Z≈0,5Н, и по мере увеличения осадки он остается неизменным (центр плавучести увеличивается, а метацентрический радиус уменьшается). При полном погружении ОПК его Z=0,5 Н. Поэтому для овальных корпусов желательно, чтобы центр масс ОПК располагался ниже 0,5Н.
cpп
Возвышение центра плавучести всего ВСКК в рабочем положении Z может быть определено из уравнения:
gpп
Максимально допустимое возвышение центра масс всего ВСКК в рабочем положении Z может быть определено из уравнения:
pп
где h - значение поперечной метацентрической высоты ВСКК в рабочем положении, которое должно быть задано или определено из условий, например, ограничения угла крена при подъеме краном большого груза. Уравнение (13) определит требования к размещению элементов целевой и обеспечивающей нагрузки по высоте в ВРП и внутри ОПК.
Совокупность уравнений (7)-(13) позволяет по заданной целевой нагрузке, расчетной балльности моря, требованиям к запасу плавучести и остойчивости ВСКК в крейсерском и рабочем положениях, скорости и дальности плавания известными методами последовательных приближений найти все геометрические элементы ВСКК и его водоизмещение.
Предложенные технические решения по ВСКК обладают целым рядом существенных преимуществ по отношению к прототипу.
опк
опк
oпк
oпк
1. Применение в качестве ОПК специфического овального в поперечном сечении корпуса с отношением высоты к ширине Н/В≥1,2, длины к ширине L/B≥10, цилиндрической вставкой в средней части корпуса не менее его полудлины, развалом носовой оконечности в верхней ее части, стабилизированной кормой и запасом плавучести 20-30% позволяет:
- уменьшить сопротивление ВСКК в крейсерском положении на тихой воде и на волнении,
- улучшить всхожесть ВСКК на волну,
- обеспечить хорошую устойчивость движения на курсе,
- понизить центр масс ОПК и всего ВСКК, обеспечив ему необходимую остойчивость при любой осадке,
- обеспечить дополнительную волностойкость ВСКК и снижение качки в надводном положении.
2. Применение вместо традиционных гребных винтов двух движительно-рулевых колонок (ДРК) на каждом ОПК, расположенных под днищем в носовой и кормовой его частях:
- увеличивает пропульсивный коэффициент движителей, т.к. они будут работать в мало возмущенном корпусом потоке, что позволит существенно повысить скорость ВСКК, которая важна для его быстрого прибытия к месту аварии на море,
- позволяет дизель-генераторы разместить в носовой и кормовой частях корпуса, что облегчит удифферентование ОПК,
- обеспечит устойчивое позиционирование ВСКК над местом проведения водолазных, подводно-технических, спасательных и других работ.
3. Наличие на комплексе блока измерения параметров волнения, блока оптимизации осадки, кингстонов на цистернах главного балласта и системы их дозированного заполнения из-за борта и продувания, а также системы перекачки воды между ЦГБ левого и правого борта позволят:
- обеспечить ВСКК оптимальный режим функционирования как в надводном, так и в полупогруженном положениях за счет изменения осадки;
- исключить перетекание воды между ЦГБ левого и правого ОПК, уменьшающее поперечную остойчивость и увеличивающее крен при проведении крановых операций;
- уменьшить крен при подъеме-опускании краном больших грузов за счет контрперекачки воды.
4. Наличие на двух нижних горизонтальных перемычках закрылков позволит использовать их в качестве горизонтальных рулей при движении в рабочем и надводном положениях при большой осадке.
Патентный поиск не выявил применения в полупогружных катамаранных платформах предложенных технических решений. Поэтому предложенное техническое решение удовлетворяет критерию патентной новизны.
Предложение удовлетворяет также критерию технической реализуемости, т.к. ВСКК состоит из известных конструктивных элементов. Предложенная авторами система алгебраических уравнений (7)-(13) позволяет известными методами последовательных приближений определить оптимальные главные размерения, водоизмещение, расчетную осадку и др. элементы ВСКК по заданной нагрузке, балльности волнения и другим требованиям. Авторами опробован алгоритм определения оптимальных геометрических характеристик ВСКК по заданной нагрузке, балльности волнения и другим требованиям.