Научно-техническое сопровождение создания кораблей и судов

ОТ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА

EDITORIAL

© В.С. Никитин © V.S. Nikitin

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ СОЗДАНИЯ КОРАБЛЕЙ И СУДОВ

R&D SUPPORT TO SHIP DESIGN AND CONSTRUCTION

УДК 629.5.001.7

Технический облик кораблей характеризует уровень развития страны - за этим правильным и гордым постулатом стоит колоссальный труд российских ученых. При этом подавляющее количество проектов отечественных кораблей проходило экспериментальную отработку и расчетно-теоретическое обоснование применяемых на них технических решений в лабораториях Крыловско-го государственного научного центра. Это значит, что в каждом корабле заложена значительная доля интеллектуальных усилий сотрудников нашего предприятия.

Процесс создания кораблей ВМФ достаточно жестко регламентирован директивными, правовыми и техническими документами. Среди них основным является «Положение о создании кораблей и судов», определяющее порядок создания кораблей и судов по Государственному оборонному заказу. В мае 2017 года Коллегия Военно-промышленной комиссии Российской Федерации утвердила его новую, актуализированную редакцию.

В этом документе определено, что ФГУП «Крыловский государственный научный центр» является базовым государственным научным центром (ГНЦ) судостроительной отрасли, осуществляющим мониторинг требуемых и координацию проводимых в отрасли научных и проектных работ для обеспечения оперативности и комплексности рассмотрения общеотраслевых и межотраслевых вопросов и проблем создания военно-морской техники. В этом же документе определено, что базовый ГНЦ отрасли выполняет научно-техническое сопровождение корабля и образцов их вооружения и технических средств на всех стадиях жизненного цикла.

Функции научно-технического сопровождения Крыловский ГНЦ реализует во взаимодействии

Б01: 10.24937/2542-2324-2018-1-383-5-12

с генеральными конструкторами по направлениям, научно-исследовательскими организациями промышленности в соответствии с их специализацией и с научно-исследовательскими организациями заказчика, осуществляющими военно-научное сопровождение.

Главной целью военно-научного и научно-технического сопровождения являются глубокая и всесторонняя разработка оперативно-тактических, военно-технических и военно-экономических требований к кораблям и образцам военной техники, оценка концептуальных и технических решений, закладываемых промышленностью в создаваемые корабли и образцы, выработка на этой основе рекомендаций, направленных на обеспечение высокой боевой эффективности.

Научно-техническое сопровождение корабля, образцов его вооружения и технических средств начинается с разработки объектно-ориентированного научно-технического задела (НТЗ) в целях создания этого корабля и заканчивается снятием его с вооружения и утилизацией. Объектно-ориентированный задел включает совокупность теоретических и экспериментальных исследовательских работ, имеющих целью обоснование путей создания конкретного корабля и его основных комплектующих изделий, оптимизацию сочетания их тактико-технических характеристик.

В настоящей статье в соответствии с ГОСТ Р 56135-2014 «Управление жизненным циклом продукции военного назначения. Общие положения» выделены отдельные стадии жизненного цикла корабля: создание НТЗ и формирование концепции корабля (аванпроект).

Следует указать, что НТЗ - это совокупность знаний в области науки и техники (новых идей, технических решений и перспективных технологий) в обеспечение разработки проектов новых

кораблей и образцов их вооружения и технических средств, отвечающих современным и перспективным требованиям.

Основными результатами работ по созданию НТЗ должны быть:

оценка применимости и возможности внедрения результатов фундаментальных, поисковых и прикладных исследований;

формирование новых идей, научно-технических, технологических решений, их экспериментальная отработка;

отработка критических технологий;

разработка требований к боевым свойствам, тактико-техническим и кораблестроительным характеристикам кораблей, образцам их вооружения и технических средств, материалам и технологическим процессам общего применения и путей их практической реализации, разработка новых конструкционных материалов;

совершенствование методологии и методов создания кораблей, образцов их вооружения

и технических средств, методов математического и масштабного моделирования;

совершенствование и развитие методов и средств испытаний (рис. 1).

Крыловский центр участвует в формировании планов создания НТЗ и должен выполнять фундаментальные, поисковые и прикладные НИОКР в области своих компетенций.

На основе разработанных в общем НТЗ принципов с учетом прогнозируемых условий применения создается объектно-ориентированный задел, включающий совокупность теоретических и экспериментальных исследовательских работ, имеющих целью обоснование путей создания конкретного корабля и его основных комплектующих изделий, оптимизацию сочетания их тактико-технических характеристик.

Основными результатами работ по формированию объектно-ориентированного НТЗ как этапа жизненного цикла корабля должны быть:

разработка вариантов технического облика перспективного корабля;

оценка применимости и возможности внедрения результатов фундаментальных, поисковых и прикладных исследований

Рис. 1. Научно-технический задел Fig. 1. Advanced R&D Solutions

Рис. 2. Объектно-ориентированный научно-технический задел Fig. 2. Object-oriented R&D solutions

оценка достижимых уровней боевых и эксплуатационных характеристик корабля и образцов его вооружения и технических средств на планируемый период времени;

оценка достижимых уровней тактико-технических и технико-экономических характеристик корабля и образцов его вооружения и технических средств на основе использования новых технических решений, материалов и элементной базы;

разработка базовых технологий в обеспечение заявленных ТТХ образцов корабельного вооружения и технических средств;

создание макетов (демонстраторов), подтверждающих реализуемость технологий;

разработка предложений по созданию и развитию научно-экспериментальной, производственной и испытательной баз (рис. 2).

НТЗ по особо сложным видам корабельной техники (энергетические установки, средства радиоэлектронного вооружения, оружие), как правило, должен формироваться заблаговременно для использования их результатов при проведении НИОКР по созданию современных образцов комплектующих изделий корабля.

Следующим этапом жизненного цикла корабля следует считать этап формирования концепции создания корабля и его технического облика. Концептуальные исследования на этой стадии проводятся Крыловским центром и проектно-конструкторскими бюро отрасли. Эти исследования выполняются на базе результатов объектно-ориентированного НТЗ, анализа военно-политического, научно-технического и производственно-технологического факторов, прогнозных оценок оперативно-стратегической и оперативно-тактической обстановки, целей и возможностей вероятных противников, анализа их научно-технических и технологических достижений. В результате этих исследований:

формируется концепция создания корабля и вырабатываются ключевые требования к его техническому облику;

закладываются концептуальные требования к инфраструктуре, техническим средствам, обеспечивающим базирование, техническое обслуживание и ремонт;

разрабатываются предложения в проект тактико-технического задания (ТТЗ) на разработку корабля, а для сложных кораблей - в проект ТТЗ на разработку аванпроекта корабля.

В процессе создания таких сложных систем вооружения, как боевой корабль, риск принятия ошибочных решений по основным параметрам его технического облика особенно высок. Подобные ошибки крайне сложно или невозможно исправить на всех последующих стадиях создания корабля.

Обезопасить себя от принятия стратегически ошибочных решений можно только одним способом - до принятия решения о переходе к полномасштабным проектным работам необходимо тщательно оценить имеющуюся информацию, выполнить все необходимые расчеты, оценки, эксперименты и проработки, сравнить альтернативные варианты, определить степень готовности применяемых в проекте технологий.

Методология исследовательского проектирования и его конечная стадия - аванпроект - предполагают многовариантный поиск технического облика перспективного корабля и объективное сопоставление альтернативных направлений его создания. Аванпроект позволяет определить наиболее приемлемые варианты облика корабля, которые могут быть рекомендованы для дальнейшей разработки проекта. Одним из важнейших документов аван-проекта является проект ТТЗ на корабль, предоставляемый государственному заказчику для дальнейшей работы над ним.

Основным исполнителем аванпроектов перспективных кораблей должен быть базовый ГНЦ отрасли - Крыловский государственный научный центр, имеющий опыт таких разработок, квалифицированные кадры, необходимый методологический задел и 85 % экспериментальной базы отрасли.

В том случае, если Крыловский государственный научный центр не является разработчиком аван-проекта, наша организация должна выполнять следующие функции научно-технического сопровождения:

участвовать в рассмотрении и согласовании проектов ТТЗ на аванпроекты кораблей;

участвовать в научно-технических советах головных исполнителей по рассмотрению аван-проектов кораблей и принятию по ним решений;

рассматривать материалы аванпроектов кораблей и готовить по ним технические заключения. По решению заказчика для научно-технического сопровождения могут привлекаться также НИИ и КБ промышленности по специализации.

Следующая стадия жизненного цикла - проектирование корабля. В рамках научно-технического сопровождения Крыловский центр должен рассматривать проект ТТЗ на корабль и составлять на него заключение.

В дальнейшем, после утверждения ТТЗ, проект-но-конструкторское бюро привлекает Крыловский центр по кругу наших компетенций к экспериментальным и теоретическим работам в рамках проекта: проектные исследования и обоснования, гидромеханика, прочность, конструкция и применяемые материалы, вопросы обеспечения создания энергетической установки, снижение уровней физических полей верхней и нижней полусфер, защита корабля, в т.ч. конструктивная, снижение помехи работе гидроакустических станций, электромагнитная совместимость, живучесть и безопасность, вопросы унификации, стандартизации и каталогизации, применение электротехнического оборудования.

Крыловский центр при осуществлении научно-технического сопровождения выполняет комплексную экспертизу эскизных и технических проектов.

На стадии строительства корабля наша организация в порядке ведения научно-технического сопровождения участвует в решении проблемных технических и организационных вопросов постройки, в проведении испытаний головных и серийных кораблей и анализе их результатов.

На стадиях эксплуатации и ремонта Крылов-ский центр выполняет исследования и привлекается к решению значительного числа важнейших вопросов организации технического и сервисного обслуживания и ремонта кораблей, должен согласовывать ТТЗ и давать заключения на проекты модернизации и переоборудования кораблей.

На стадии утилизации, как правило, сложных кораблей, в основном с атомными энергетическими установками, нашим центром выполняются поисковые работы по проведению утилизации в целом и по решению отдельных проблемных вопросов временного хранения, транспортировки и других, возникающих при утилизации надводных кораблей и подводных лодок (рис. 3).

Конечно, на уровне Государственного оборонного заказа научное сопровождение создания кораблей и судов выглядит задачей более чем масштабной. Но ее решение складывается из каждодневного труда ученых и специалистов. Перед большинством из них иногда встают очень узконаправленные задачи. Но именно они в конечном счете и являются двигателями прогресса. Все эти исследования, разработки и эксперименты находят отражение в сборнике Трудов Крыловского центра. Поэтому издание, которое вы держите в руках, следует рассматривать как объективный свод примеров работ в области научного сопровождения создания кораблей и судов, раскрывающий не только характер деятельности КГНЦ,

Создание HT3

Формирование концепции корабля, аванпроект

Проектирование

Постройка

Эксплуатация

Средний ремонт

Утилизация

• разработка вариантов технического облика перспективного корабля;

• оценка достижимых уровней тактико-технических и технико-экономических характеристик корабля, образцов его вооружения и технических средств на основе использования новых технических решений, материалов и элементной базы;

• разработка базовых технологий в обеспечение заявленных ТТХ образцов корабельного вооружения и технических средств;

• разработка предложений по созданию и развитию научно-экспериментальной, производственной и испытательной баз.

• концепция создания корабля и выработка ключевых требований к его техническому облику;

• концептуальные требования к инфраструктуре, техническим средствам, обеспечивающим базирование, техническое обслуживание и ремонт;

• аванпроект;

• предложения в проект тактико-технического задания (ТТЗ) на разработку корабля.

• заключение на проект ТТЗ;

• экспериментальные и расчетно-теоретические работы по кругу компетенций Крыловского центра;

• комплексная экспертиза эскизных и технических проектов кораблей.

• участие в решении проблемных технических и организационных вопросов постройки, в проведении испытаний головных и серийных кораблей и анализе их результатов.

• выполнение исследований и участие в решении проблемных вопросов организации технического и сервисного обслуживания и эксплуатации кораблей.

выполнение исследований и участие в решении проблемных вопросов ремонта кораблей; согласование ТТЗ на модернизацию и переоборудование кораблей; заключения на проекты модернизации и переоборудования.

• выполнение поисковых работ по проведению утилизации в целом и по решению отдельных проблемных вопросов временного хранения, транспортировки и других, возникающих при утилизации надводных кораблей и подводных лодок.

Рис. 3. Научно-техническое сопровождение жизненного цикла корабля ФГУП «Крыловский государственный научный центр»

Fig. 3. Research and engineering support over the ship life cycle, Krylov State Research Centre

но и ключевые особенности современного отечественного подхода к кораблестроению.

Отметим, что немалая часть опубликованных в сборнике исследований посвящена гражданскому судостроению. Это важный факт, подтверждающий, что по ряду позиций гражданский флот уже догнал флот военный, и если не обогнал его, то, как минимум, готов предложить собственные экономически обоснованные, коммерчески выгодные и высокотехнологические решения. Речь идет прежде всего о развитии технологий в таких областях, как автоматизация и надежность, пожаровзрывобезопасность, ремонтопригодность, экономия топлива, безопасность плавания, совершенствование движительных комплексов и т.п. Так, разработка движителей кораблей и судов является одной из ключевых компетенций КГНЦ. Уровень разработок Крыловского

центра в этой области соответствует мировому уровню. В первую очередь это относится к винтам фиксированного шага для судов и кораблей всех типов. Здесь следует отметить, что на протяжении уже более 20 лет КГНЦ является неизменным партнером компании ABB, в результате чего многие поставляемые на различные суда электрические колонки этой компании оснащены российскими гребными винтами, спроектированными в КГНЦ и изготовленными на АО «ЦС «Звездочка». О высоком качестве предоставляемых услуг говорит и тот факт, что по истечении длительного времени эксплуатации (около 10 лет) судовладельцы заказывают переоснащение своих судов новыми ГВ, разрабатываемыми также КГНЦ, но имеющими уже улучшенные характеристики. Совершенствование методов проектирования позволяет КГНЦ выполнить эту задачу.

Успехи КГНЦ в области водометных движителей значимы, но менее известны. ВМФ России имеет в своем составе водометные движители, изготовленные на основании оригинальных разработок КГНЦ. Например, малые ракетные корабли проекта «Буян» оборудованы малогабаритными водометными движителями, запатентованными КГНЦ. Аналогичные движители предусмотрены к использованию в новых проектах надводных и подводных кораблей (рис. 4).

В данном сборнике также представлены статьи, посвященные ряду актуальных вопросов из области проектирования движителей и сопротивления воды движению судов. Решена проблема учета влияния подторможенности потока стойкой винто-рулевой колонки с целью совершенствования проектирования гребных винтов ледовых колонок, работающих в существенно-неоднородном потоке.

Рассмотрены особенности применения искусственной шероховатости лопастей моделей гребных винтов при гидродинамических испытаниях. Показано, что этот способ должен быть использован избирательно с учетом нагрузки гребных винтов, в частности, при больших нагрузках его применение нецелесообразно.

Установлен предел возможности снижения частоты вращения гребных винтов при фиксированном диаметре, упоре и скорости натекающего потока при сохранении приемлемых пропульсивных характеристик винта.

В раздел сборника «Теория корабля и строительная механика» также вошла обзорная статья, в которой обобщены данные об отечественных и мировых достижениях в области разработки

конструкций, выбора материалов и методов расчета напряженно-деформированного состояния, прочности и диссипативных характеристик композитных упругих муфт, а также обозначены дальнейшие пути развития методологии создания и прогнозирования характеристик данных устройств и области их рационального применения. Показана необходимость использования методов математического моделирования диссипативно-жесткостных характеристик и прочности при разработке конструкций композитных упругих муфт. Как наиболее проблемный при выборе рациональных составов и структур армирования упругих муфт обозначен вопрос получения достоверной экспериментальной информации о влиянии температуры и влажности окружающей среды, циклического деформирования на упруго-диссипативные и прочностные свойства материалов. При этом существуют все предпосылки для появления новых вариантов конструктивного исполнения композитных упругих муфт: постоянно расширяется номенклатура связующих и армирующих материалов, активно развиваются универсальные программные комплексы, растет интерес к внедрению полимерных композиционных материалов даже в тех областях техники, где они ранее не использовались. Следует ожидать появления и более углубленной методологии прогнозирования характеристик виброизоляторов такой конструкции.

Разработаны новые интегральные критерии хрупкого и вязкого разрушения, предназначенные для оценки предельной прочности конструкций морской техники, эксплуатируемой при низких температурах. Доказано, что использование новых интегральных критериев предельной прочности обеспе-

Рис. 4. Движители, изготовленные на основании разработок Крыловского центра Fig. 4. Propulsive units based on R&D solutions of Krylov Centre

чивает повышение точности расчетов и создание необходимых условий для правильного выбора материалов, технологий изготовления и рационального конструирования морской техники. На основе разработанных новых критериев хрупкого и вязкого разрушения конструкций создан новый подход к расчету предельной прочности морской техники на основе прямых вычислений. Такой подход является важным элементом системы обеспечения безотказности, эксплуатационной безопасности и технологии создания конструкций арктических судов и океанотехники.

Использование гидрофобных покрытий связано с эффектом смачиваемости и рассматривается специалистами в качестве возможного способа снижения сопротивления корпусов кораблей и судов. Однако результаты экспериментальных исследований весьма противоречивы и существенно различаются по полученному эффекту (от 5 до 50 % по сравнению с традиционным покрытием). Для изучения данного вопроса в глубоководном бассейне Кры-ловского центра проведен комплекс сопоставительных экспериментальных исследований традиционных и водоотталкивающих покрытий. Установлено, что изменение сил трения на дисках при различных видах покрытий связано исключительно с изменением высоты элементов шероховатости на исследуемой поверхности. В результате есть все основания утверждать, что свойство гидрофобности покрытия корпуса кораблей и судов не приведет к снижению их сопротивления трения (рис. 5).

Второй раздел сборника посвящен вопросам проектирования судов и их систем. Проведенные теоретические исследования позволили разработать корректную математическую модель динамики геологоразведочной антенны, имеющей в своем составе

совокупность кондепов. С опорой на модель был создан алгоритм согласованного управления всеми кондепами. Предложенный в статье вариант алгоритма управления совокупностью кондепов предполагает, что система автоматического управления должна находиться на судне-буксировщике в единственном числе для всей косы антенны, удобна для практической реализации и не требует для своей работы формирования сложного, многофакторного управляющего сигнала (рис. 6).

Важнейшие разработки включены в третий раздел сборника - «Судовые энергетические установки». Результаты многолетних работ по проектированию и созданию отдельных элементов электро-

Рис. 5. Исследование эффекта гидрофобности покрытия

Fig. 5. Research studies on hydrophobic-effect coatings

Рис. 6. Компоновочная схема косы гидроакустической антенны Fig. 6. Sonar steamer configuration

энергетической системы судна обеспечили КГНЦ выход на новый уровень. Наше предприятие самостоятельно производит отдельные элементы оборудования судов, что ускоряет инновационный процесс внедрения новых научных разработок в практику судостроения. Это находит отражение в статьях раздела. Приводится информация о компьютерной модели гребного электропривода, входящего в состав системы электродвижения ледокола проекта 22220. Модель позволяет уже на ранних стадиях технического проектирования производить исследование и анализ электромеханических процессов, протекающих в реальном электроприводе при различных режимах его работы. Дается подробное описание субсистем и блоков, образующих модель, представлены диаграммы стационарных и переходных режимов, полученные в результате компьютерного моделирования и характеризующие электромеханические процессы, которые протекают в гребном электроприводе (рис. 7).

Рассмотрены основные требования к теплооб-менным поверхностям двигателей, работающих по циклу Стирлинга, даны схемы и обозначены проблемы, связанные с теплофизическими процессами. Предложены рекомендации по повышению эффективности теплообмена во внешнем нагревательном контуре двигателя.

В главе «Физические поля корабля» приведено исследование влияния резонирующих полосовых

вибропоглотителей на вибрации трубчатой конструкции. Установка вибропоглотителей приводит к уменьшению уровней низшего резонансного максимума в спектре вибрации конструкции. Результаты работы могут быть использованы при разработке мероприятий по снижению вибраций и шума на кораблях и подводных лодках.

Кроме того, созданы методические положения организации обмена информацией с автономным необитаемым подводным аппаратом с целью повышения боевой эффективности их носителей.

Завершает сборник статья, описывающая процесс поиска оптимального технологического решения проблемы осушки баллонов. Для этой цели был изготовлен стенд, состоящий из модели баллона, расходомера, манометра, регулирующего клапана и соединительных трубопроводов. Часть корпуса модели баллона была изготовлена из стеклянной трубы для визуализации процесса осушки, имитированного на стенде. Внутри модели баллона устанавливалась стальная трубка, к которой крепили «завихрители» и маячки из тонких шерстяных нитей. В ходе выполнения экспериментов было установлено, что для достижения наибольшей интенсификации процессов тепломассообмена был определен оптимальный вариант расположения «завихрителей» в воздушной магистрали. Применение закрученных потоков воздуха позволяет исключить операцию вращения баллонов на заводском стенде в процессе осушки их внутренних поверхностей, что снижает экономические затраты на выполнение ремонта баллонов. Новую эффективную схему осушки с применением «завихрителей» предполагается внедрить на судоремонтных предприятиях.

Наука, учитывающая потребности производства, легко доказывает свою эффективность. Но для обеспечения обороноспособности и высокого мирового престижа державы этого недостаточно -важно уметь предвосхищать события. Именно этой цели служит научно-техническое сопровождение кораблей и судов, начиная с разработки оперативно-тактических, экономических и прочих базовых требований к кораблям и заканчивая решением конкретных частных задач. Все это входит в компетенции Крыловского центра, находит свое отражение в исследованиях его сотрудников и оперативно публикуется на страницах Трудов предприятия, первый сборник которых за 2018 год мы и предлагаем вашему вниманию.

Рис. 7. Схема побортного размещения оборудования системы электродвижения Fig. 7. Arrangement of electric propulsion system components at each side of ship