Стабилизированный корпус однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна
STABILIZED HOUSING OF THE SINGLE-HULL KEELED WIND DRIVEN/POWER SAIL SHIP

Область применения.
Изобретение относится к судостроению и может быть использовано при постройке и модернизации морских быстроходных однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов с большой парусной энерговооруженностью, где используется единственный водоизмещающий узкий волнопронизывающий корпус.
Описание уровня техники.
Отношение длины водоизмещающего корпуса по ватерлинии к его ширине по ватерлинии (относительное удлинение ватерлинии L/W WL) характеризует ходкость судна (чем больше L/W WL, тем легче на ходу, быстроходнее судно) и остойчивость (чем меньше L/W WL, тем остойчивее судно).
Узкий водоизмещающий корпус обладает рядом преимуществ по сравнению с более широкими корпусами. Прежде всего это малое волновое/гидродинамическое сопротивление на ходу, позволяющее развить большие скорости без перехода в глиссирующий режим. Вторым преимуществом является высокая мореходность и стабильность хода - острый передний обвод и узкое тело "пронизывают" волну, создавая минимальные нагрузки на конструкцию судна и минимальную килевую качку. Корпусы с L/W WL в 7 раз и более называют "волнопронизывающими".
Главный недостаток узкого корпуса его малая остойчивость - длинный узкий корпус легко заваливается на борт под воздействием волн и/или парусного крена. Дополнительным недостатком является повышенные требования к качеству погруженной поверхности - при его сравнительно большой смоченной поверхности и при ощутимой таким образом силе трения.
2
Однокорпусные парусные/парусно-моторные суда постройки начала 20-го века, например барки «Седов» и «Крузенштерн», имеют L/W WL около 7 раз (т.е. узкие корпусы) и развивают скорость под парусами до 18 узлов. При этом относительно малая парусная энерговооруженность (0.6-0.7 м на тонну водоизмещения), большая абсолютная ширина корпуса (около 14 м при длине 100 м) и наличие трюмного балласта позволяют стабилизировать узкий корпус в условиях бортовой качки и парусного крена.
2
Современные однокорпусные килевые парусные/парусно-моторные суда (далее по тексту "однокорпусные килевые суда") стали меньшего размера (большинство менее 24 метров в длину), их корпусы относительно шире (с L/W WL менее 5 раз) - что необходимо для обеспечения обитаемости и остойчивости при сравнительно небольших абсолютных размерах, при этом для достижения своих расчетных скоростей однокорпусные килевые суда несут большую парусную энерговооруженность в 7-10 м и более на тонну водоизмещения (т.е. превышая в 10 раз и более этот показатель для парусников начала 20-го века), таким образом возникает необходимость эффективного противодействия парусному крену.
Способность однокорпусного килевого судна противодействовать парусному крену зависит от массы балласта, расположенного в тяжелой бульбе в нижней части киля, и от ширины корпуса парусного судна. Чем больше балласт и чем шире корпус (и, соответственно, больше плечо приложения силы тяжести бульбы по сравнению с центром водоизмещения при крене), тем остойчивее однокорпусное килевое судно и тем большую парусную энерговооруженность такое судно может нести без заваливания на подветренный борт. Увеличение ширины корпуса имеет как негативные, так и позитивные последствия.
2
Позитивные - однокорпусное килевое судно способно нести большую парусную энерговооруженность (7-10 м и более на тонну водоизмещения), внутренние объемы судна велики и могут быть использованы для комфортного размещения экипажа и оборудования при длительных путешествиях. При определенных условиях (и при наличии опытного экипажа) широкий корпус способен глиссировать - таким образом развивая большие скорости под парусом, что актуально для гоночных спортивных парусных судов.
Негативные - широкий короткий корпус создает большое волновое сопротивление в водоизмещающем режиме, и расчетные скорости современных круизных однокорпусных килевых судов не превышают 8-9 узлов, при дальнейшем увеличении скорости корпус движется в переходном режиме, создавая большое волновое сопротивление. Широкие корпусы подвержены ударам волн с кормы и с бортов, а их носовые острые обводы стремятся "зарыться" в волну при наличии парусного крена. При достаточном смещении центра водоизмещения в сторону борта (при дальнейшем увеличении ширины корпуса) широкий корпус утрачивает способность встать самостоятельно на ровный киль из положения "паруса на воде".
Для моторных судов, использующих узкие водоизмещающие корпусы, при отсутствии парусного крена, реализованы множественные конструкции стабилизации, для расположенных как традиционно, так и для полностью погруженных ("Small Waterline Area") узких корпусов.
Для многокорпусных парусных/парусно-моторных судов эффективная система стабилизации узкого корпуса была реализована через катамаранные (два равнозначных широко разнесенных узких корпуса) и тримаранные (один узкий корпус и два широко разнесенных поплавка) схемы. Такие суда способны нести большую парусную энерговооруженность, обладают большими скоростями в водоизмещающем режиме и отличной мореходностью. Основным недостатком, ограничивающим использование многокорпусных парусных/парусно-моторных судов, является их неспособность встать на ровный киль самостоятельно из положения "паруса на воде" - таким образом, выживаемость таких судов в условиях открытого Моря сомнительна. Вторым существенным недостатком является некомфортное пребывание экипажа в длительных плаваниях на борту - жилые отсеки размещены в узких корпусах крайне малой ширины.
Известно судно по патенту РФ №2437797 на основании заявки PCT WO 2008/00083820080103, относящееся к высокоскоростным судам с высокими мореходными качествами, позволяющими осуществлять их эксплуатацию в условиях сильного волнения. Изобретение позволяет обеспечивать более устойчивый поток воды вдоль носа корпуса судна, что улучшает устойчивость курса движения судна при малых угловых амплитудах рыскания. Судно для использования при высоких скоростях и сильных волнениях содержит единый длинный и узкий корпус с узкой шириной и более или менее вертикальным носом и введением неподвижных вертикальных стабилизаторов или горизонтальных стабилизаторов на корме судна. Кормовые стабилизаторы являются единственным дополнительным элементом, обеспечивающим стабильность от завала длинного и узкого корпуса на борт. Данная конструкция не предоставляет остойчивости, необходимой для компенсации парусного крена, действующего на скоростях от нуля до максимальной.
Известно по патенту РФ №2562086 устройство стабилизации движения надводного однокорпусного водоизмещающего быстроходного судна (опубл. 10.09.2015). В патенте раскрыто устройство стабилизации движения надводного однокорпусного водоизмещающего быстроходного судна с узким корпусом и острым клиновидным носом, выполненное в виде кормового подводного крыла и оборудованное дополнительными опорами в виде бортовых профилированных стоек. Кормовое крыло является единственным дополнительным элементом, обеспечивающим стабильность от завала длинного и узкого корпуса на борт. Данная конструкция не предоставляет остойчивости, необходимой для компенсации парусного крена, действующего на скоростях от нуля до максимальной.
Известно усовершенствованное судно по патенту США US 4981099 (опубл. 01.01.1991), состоящее из надводной части, протяженного жесткого подводного отсека или отсеков, которые частично берут на себя компенсацию водоизмещения судна, влияя на скорость, волновое сопротивление, грузоподъемность и т.д.
Действительно существенную часть водоизмещения такого судна берет на себя погруженная подводная часть/части корпуса, и, таким образом, части корпуса, находящиеся на границе двух сред (и создающие, таким образом, волновое сопротивление), могут быть сделаны минимального сечения - для минимизации именно волнового сопротивления. Эта концепция также известна как "Small Waterline Area" корпус и получила широкое развитие, например в работах компании Navatek Ltd. (Honolulu). Основным недостатком этого решения является расположение центра водоизмещения гораздо ниже центра тяжести судна, глубоко под ватерлинией. Таким образом, конструкция имеет изначально негативную остойчивость и стремится вернуть свое остойчивое положение (т.е. вверх килем), что приводит на практике к бортовой и килевой качке на ходу. Современные разработки данных корпусов в основном направлены на создание "искусственной остойчивости" судна на ходу путем применения стабилизаторов/подводных крыльев и их компьютерного управления. Данная конструкция не предоставляет остойчивости, необходимой для компенсации парусного крена, действующего на скоростях от нуля до максимальной.
В соответствии с заявкой США US 20130340666 (опубл. 26.12.2013) известно расширение корпуса судна путем установленных вдоль бортов скул спонсонов. При этом расширение корпуса может помочь стабилизировать судно и/или минимизировать смоченную поверхность. Эта концепция является вариантом стандартного неводоизмещающего спонсона, который является единственным дополнительным элементом, обеспечивающим стабильность от завала длинного и узкого корпуса на борт. Данная конструкция не предоставляет остойчивости, необходимой для компенсации парусного крена, действующего на скоростях от нуля до максимальной.
При рассмотрении решения европейской заявки EP 2769909 (опубл. 26.02.2014) следует отметить, что несмотря на схожесть некоторых конструктивных элементов данное решение сконструировано на основе других принципов, без использования основных преимуществ узкого корпуса - не обеспечивая волнопронизывания и мореходности, также здесь не реализованы элементы, улучшающие остойчивость при наличии парусного крена.
Боковины корпуса являются водоизмещающими и участвуют в поддержании основного веса судна своим коротким упором волнообразной формы (не компенсируя, таким образом, килевую качку), горизонтальные части, соединяющие корпус и боковины, находятся на границе сред ниже ватерлинии - т.е. в волнообразовании принимает участие нижняя горизонтальная поверхность корпуса вместе с его боковинами, создавая волновое сопротивление и не позволяя пронизывание волны - напротив, как заявляет автор, центральная часть корпуса сконструирована специально с тем расчетом, чтобы волна "била в нее в точке сосредоточения масс", тем самым "поднимая равномерно" нос и корму судна. Мореходность такой конструкции по крайней мере сомнительна. Форма подводного корпуса предполагается в виде "профиля, обладающего подъемной силой", в том числе для уменьшения килевой качки, для чего также предполагается использование подводных стабилизаторов. Эти элементы не смогут функционировать при сравнительно низких скоростях парусного хода. Водоизмещающие боковины не вынесены на максимальную ширину судна и не обеспечивают, таким образом, эффективный упор, противодействующий парусному крену.
В совокупности данное решение (несмотря на наличие киля с тяжелой бульбой) скорее пригодно для моторных судов с большой скоростью передвижения.
Раскрытие изобретения.
Заявленное решение, по мнению заявителя, неизвестное из уровня техники, позволяет использовать единственный водоизмещающий узкий волнопронизывающий корпус в конструкции однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов с большой парусной энерговооруженностью, обеспечивая достижение технического результата, заключающегося в:
- стабильном управляемом движении однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна в режиме волнопронизывания, т.е. в водоизмещающем режиме малого волнового/гидродинамического сопротивления, как при наличии, так и при отсутствии парусного крена, при этом обеспечивая эффективное гашение энергии разбитой волны;
- обеспечении существенного упора и большого плеча его приложения, создающего пропорциональную силу противодействия парусному крену и раскачке корпуса;
- минимизации инерционных моментов, действующих на корпус;
- при критическом крене (положение "паруса на воде"), обеспечении самостоятельного восстановления судна на ровный киль.
2
В результате чего заявленный стабилизированный корпус, примененный на морском быстроходном однокорпусном килевом парусном/парусно-моторном судне с большой парусной энерговооруженностью (в 7-10 м и более на тонну водоизмещения), обеспечивает, по сравнению с современным уровнем техники (однокорпусными килевыми парусными/парусно-моторными судами):
- существенное увеличение быстроходности в 2 и более раз в водоизмещающем режиме, или (что аналогично) уменьшение в 2 и более раз энергозатрат (парус либо мотор), необходимых для перемещения судна из точки А в точку Б;
- существенное увеличение мореходности и стабильности хода;
- более эффективное противодействие парусному крену и отсутствие раскачки корпуса на всех парусных курсах;
- аналогичную способность восстановиться на ровный киль самостоятельно из положения "паруса на воде";
- аналогичные объем и удобство обитаемых отсеков и отличную управляемость.
Поставленная задача достигается тем, что стабилизированный корпус однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна характеризуется тем, что корпус с общей шириной не более 50% его длины, который в своей нижней части
- выполнен с продольно расположенной, симметричной относительно диаметральной плоскости судна и соизмеримой с его длиной, вертикально ориентированной узкой секцией малого волнового/гидродинамического сопротивления, с водоизмещающим сегментом, включающим киль с тяжелой бульбой,
- при этом отношение длины ватерлинии к ширине ватерлинии сегмента не менее 7-ми раз, с водоизмещением сегмента, соответствующим полной снаряженной массе судна,
- при этом узкая секция выполнена с волнопронизывающими обводами, высоким волнопронизывающим форштевнем, обтекаемыми задними обводами и обтекаемым объемным утолщением в своей передней верхней части,
- также включает два продольно ориентированных симметричных относительно диаметральной плоскости судна спонсона, расположенных выше ватерлинии по нижней поверхности корпуса на максимальной ширине корпуса, по отношению к длине корпуса расположение спонсонов может быть как ближе к кормовой, так и к средней, либо к носовой частям корпуса,
- при этом отношение длины спонсона к его ширине не менее 7-ми раз, с собственным объемом, достаточным для парирования парусного крена при погружении подветренного спонсона, но не достаточным для поддержания судна на плаву,
- при этом спонсоны имеют обтекаемую веретенообразную форму с волнопронизывающими передними, обтекаемыми задними и глиссирующими средними обводами,
- формирующих выше ватерлинии две тоннельные полости между узкой секцией и каждым из спонсонов, размера, достаточного для гашения энергии разбитой форштевнем и спонсонами волны.
Краткое описание чертежей.
Заявленная конструкция стабилизированного корпуса поясняется приложенными графическими иллюстрациями.
На Фиг. 1 показан общий вид корпуса однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна 1 (мотор на чертежах не показан), где затемнением 2 отмечена его смоченная поверхность при отсутствии парусного крена - например, на ходу при полных парусных курсах или под мотором. Основными элементами являются верхняя часть корпуса 3, узкая секция 4 с волнопронизывающим водоизмещающим сегментом 5, правый 6 и левый 7 спонсоны, киль 8 с тяжелой бульбой, перо руля 9, две тоннельные полости 10, передний высокий волнопронизывающий форштевень 11.
Узкая секция 4 стабилизирована килем 8 с тяжелой бульбой и пером руля 9, обеспечивающим управляемость судна. Тяжелое оборудование судна и запасы воды и топлива (при их необходимости) размещены в нижней части узкой секции 4 - таким образом, минимизируя инерционные моменты своего веса при эволюциях корпуса. Водоизмещение сегмента 5 соответствует (в диапазоне 80-100%) массе полностью снаряженного готового к плаванию судна - включая экипаж, киль с тяжелой бульбой, оборудование, запасы воды и топлива (при их необходимости), и т.д. - таким образом, спонсоны 6 и 7 не участвуют в поддержании судна на плаву.
Симметричные правый 6 и левый 7 спонсоны расположены на одинаковом расстоянии от диаметральной плоскости судна на максимальной ширине корпуса и выше ватерлинии. Расположение спонсонов на максимальной ширине корпуса обеспечивает большое плечо упора водоизмещения спонсона, противодействующего парусному крену и раскачке корпуса.
На Фиг. 1 показано расположение спонсонов по отношению к длине корпуса ближе к кормовой его части, также возможно расположение спонсонов ближе к средней, или к передней частям корпуса.
Спонсоны имеют установочный угол относительно диаметральной плоскости судна (на Фиг. 1 показан угол в 10 градусов), необходимый для обеспечения симметричности обтекания при погружении подветренного спонсона.
Узкая секция 4 (Фиг. 2) выполнена длинной, узкой, с высокими обводами малого волнового/гидродинамического сопротивления, с относительным удлинением ватерлинии L/W WL не менее 7-ми раз – обеспечивая, таким образом, водоизмещающий режим волнопронизывания, а также ламинарность обтекающего потока на всем пути обтекания, обеспечивая разрезание и прохождение волны вдоль узкой секции с минимальным влиянием на скорость судна. Высокий волнопронизывающий форштевень 11 позволяет рассекать волну с минимальной потерей скорости. В передней верхней части узкая секция 4 имеет обтекаемое объемное утолщение 12, обеспечивающее уменьшение амплитуды килевой качки.
На Фиг. 3 показана детализация спонсонов, где симметричные правый 6 и левый 7 спонсоны выполнены узкими, длинными, с высокими обводами малого волнового/гидродинамического сопротивления, с относительным удлинением формы (отношение своей длины к ширине) не менее 7 раз - обеспечивая тем самым волнопронизывание и ламинарность обтекающего потока на всем пути обтекания подветренного спонсона при его погружении под воздействием парусного крена.
Спонсон имеет три типа обводов в своей конструкции - волнопронизывающий 13 в передней части, глиссирующий ("глубокое V") 14 в средней части и обтекаемый 15 в задней части. Тело спонсона обтекаемой веретенообразной формы, с объемом, достаточным для парирования парусного крена силой своего водоизмещения при погружении подветренного спонсона, а также для парирования раскачки судна на всех парусных курсах. Объем спонсона при этом выполнен не достаточным для поддержания судна на плаву - таким образом, при критическом крене и при завале судна на борт (положение "паруса на воде") подветренный спонсон полностью погружается в воду - тем самым предотвращая "перекувыркивание" корпуса в устойчивое лежачее положение через водоизмещающее тело, как это происходит, например, у катамаранов и тримаранов.
Отсутствие веса судна на спонсонах и их расположение на максимальной ширине корпуса судна на большом удалении от диаметральной плоскости судна и выше ватерлинии являются наиважнейшими условиями в функционировании заявленного стабилизированного корпуса - так как только при единовременном соблюдении этих условий:
- для эффективного противодействия парусному крену, подветренный спонсон может быть сделан малого объема, узкой обтекаемой формы с отношением своей длины к ширине не менее 7-ми раз – и, таким образом, иметь волнопронизывающую форму, тем самым оказывая малое влияние на скорость судна при своем погружении под воздействием парусного крена;
- узкая форма спонсонов и их широкое расположение позволяют сформировать две тоннельные полости 10 между узкой частью 4 и спонсонами 6 и 7, где полости 10 обеспечивают минимизацию смоченной поверхности на границе сред и где в полостях 10 происходит гашение энергии разбитой форштевнем и передними обводами спонсонов волны;
- при отсутствии парусного крена (например, на полных парусных курсах или под мотором) средние обводы таких ненагруженных спонсонов, расположенных выше ватерлинии эффективно глиссируют – оказывая, таким образом, минимальное волновое сопротивление движению;
- при критическом крене "паруса на воде" подветренный спонсон малого объема не способен нести на себе вес судна и погружается - тем самым избегая "завала корпуса через спонсон", и восстановление на ровный киль происходит самостоятельно - как и у современных однокорпусных килевых судов.
Заявленный стабилизированный корпус может быть выполнен, например, из стеклопластика, других композитных материалов, дерева, металла, полиэтилена и их комбинаций, и/или других материалов, принятых в судостроении.
На Фиг. 4 (вид спереди) проиллюстрирован принцип действия заявленного стабилизированного корпуса (4.1, 4.2 и 4.3) и его сравнение с корпусом современного однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна (4.4, 4.5 и 4.6), на различных режимах, где показаны действия сил:
4.1 и 4.4 - при ходе без парусного крена (на полных парусных курсах или под мотором),
4.2 и 4.5 - при парусном крене на левый борт 20 градусов,
4.3 и 4.6 - в положении критического крена "паруса на воде",
где:
Ст - сила тяжести киля с тяжелой бульбой,
Свс - сила водоизмещения спонсона,
Свб - сила водоизмещения боковины,
Свк - сила водоизмещения корпуса,
Пу - плечо упора.
При этом размер стрелок, отражающих силы, не пропорционален их величине.
На 4.1 и 4.2. спонсоны, расположенные на максимальной ширине корпуса, обеспечивают большое плечо упора (Пу) приложения восстанавливающего момента силы водоизмещения спонсона (Свс) - тем самым корпус эффективно противодействует парусному крену и раскачке. Свс пропорциональна крену - чем больше крен, тем более погружен подветренный спонсон. Волна пронзается форштевнем и передними обводами спонсонов, энергия волны гасится в тоннельных полостях, без ударов о горизонтальные элементы корпуса. Узкая часть и погруженный узкий подветренный спонсон движутся в водоизмещающем режиме волнопронизывания, с малым волновым/гидродинамическим сопротивлением - не ограничивая скорость судна. При отсутствии парусного крена спонсоны глиссируют на своих средних обводах - предотвращая зарывание в волну. При увеличении скорости глиссирующие обводы создают дополнительную подъемную силу, противодействующую крену.
На 4.4 и 4.5. для современного однокорпусного килевого судна плечо упора (Пу) приложения восстанавливающего момента силы водоизмещения боковины (Свб) мало - не более половины ширины подветренной половины корпуса, тем самым восстанавливающий момент также мал - корпус раскачивается на волне и сильно кренится под воздействием парусного крена. Волна раздвигается форштевнем и далее в стороны широким корпусом - создавая большое волновое сопротивление в водоизмещающем режиме и ограничивая, таким образом, скорость судна.
При прочих равных условиях, проиллюстрированный парусный крен в 20 градусов будет достигнут при меньшей силе ветра для корпуса, приведенного на 4.5, чем для корпуса на 4.2.
На 4.3. в положении "паруса на воде", при критическом крене, водоизмещения подветренного спонсона недостаточно для поддержания судна на плаву, и он полностью затапливается - тем самым смещая центр водоизмещения ближе к диаметральной плоскости судна. Сила водоизмещения корпуса (Свк), таким образом, приложена в той же точке, что и на 4.6 - обеспечивая в обоих случаях самостоятельное восстановление корпуса на ровный киль.
2
Для однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов заявленный стабилизированный корпус обеспечивает комбинацию применения узкой секции с единственным волнопронизывающим водоизмещающим сегментом с величиной относительного удлинения ватерлинии L/W WL в 7 и более раз (и, соответственно, использование преимуществ малого волнового/гидродинамического сопротивления, высокой мореходности и стабильности хода), и в тоже время (при высокой парусной энерговооруженности судна в 7-10 м и более на тонну водоизмещения) эффективной системы стабилизации (а именно противодействия парусному крену и раскачке) для обеспечения статической и динамической остойчивости корпуса на уровне лучше, чем у современных однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов.
Что ведет к увеличению расчетной скорости в водоизмещающем режиме в 2 и более раз, или (что аналогично) снижению в 2 и более раз энергозатрат (энергия ветра или мотора), необходимых для перехода однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна из точки А в точку Б.
При этом обеспечивая следующие характеристики на уровне современных однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов: объем и удобство обитаемых отсеков и отличную управляемость.