КОРПУС ВОДОИЗМЕЩАЮЩЕГО СУДНА-ПОЛУТРИМАРАНА
HULL OF DISPLACEMENT SHIP-HALF-TRIMARAN

Предлагаемое техническое решение относится к судостроению и касается конструирования обводов корпусов водоизмещающих судов, сочетающих элементы, характерные для обводов однокорпусных судов и тримаранов.
Известно весьма большое количество технических решений по совершенствованию обводов традиционных однокорпусных водоизмещающих судов. Однако во всем мире специалисты, интенсивно исследуя возможности улучшения основных технических характеристик водоизмещающих судов и кораблей, уже давно пришли к выводу, что их совершенствование при традиционной однокорпусной архитектуре в значительной степени исчерпано и осуществляется главным образом в области частичной оптимизации обводов для конкретных условий (например, патенты US 5129343 от 14.07.1992 г., US 5701835 от 30.12.1997 г., US 6311635 от 06.11.2001 г., RU 2129505 от 27.04.1999 г., RU 2155693 от 10.09.2000 г., RU 2169680 от 27.06.2001 г., RU 2249529 от 10.04.2005 г., RU 2302971 от 10.09.2006 г., RU 2443591 от 20.09.2010 г.), без достижения прорывных положительных результатов. В течение около трех последних десятилетий основные усилия специалистов сосредоточены на разработке альтернативных архитектурных форм корпусов, прежде всего многокорпусных - катамаранов, тримаранов, в том числе полупогруженных, с малой площадью ватерлинии, а также гибридных форм корпусов.
Известно также значительное количество технических решений по созданию таких сравнительно новых по архитектурной форме многокорпусных судов, как водоизмещающие тримараны (например, патенты SU 1631381 от 05.11.1978 г., U 895789 от 07.01.1982 г., SU 1221028 от 30.03.1986 г., RU 2300478 от 10.06 2007 г., US 6912965 от 05.07 2005 г., US 7237500 от 03.07.2007 г., DE 4127939 от 03.04.1993 г.). В настоящий период основная часть этих решений направлена на совершенствование ходкости, остойчивости, обеспечение стабильности эксплуатации в условиях развитого морского волнения и других характеристик таких судов. Уже построены и эксплуатируются достаточно большое количество экспериментальных и серийных тримаранов как гражданского, так и военного назначения (крупные автомобильно-пассажирские паромы австралийской постройки, опытовый корабль "Triton" английской постройки, американские боевые корабли типа "Independence" для действий в прибрежной зоне и др.).
Указанным архитектурным формам корпусов - традиционным однокорпусным и сравнительно новым тримаранным свойственны как положительные, так и отрицательные особенности. При этом к основным преимуществам однокорпусных судов относят возможность обеспечения минимизации массы корпуса, надежности, прочности и сравнительно высокой стабильности хода в условиях значительного морского волнения, к основным преимуществам тримаранов - меньшее сопротивление движению в воде на высоких относительных скоростях, возможность достижения более высоких скоростей хода при тех же мощностях энергетической установки, меньшую потерю скорости в условиях развитого морского волнения, однако до определенной его балльности. К основным недостаткам однокорпусных судов относят относительно большее сопротивление на высоких скоростях хода, к основным недостаткам тримаранов - возникновение при определенной балльности волнения слеминга на мостах, соединяющих основной и боковые корпуса, а также возможность зарывания острых носовых оконечностей в крутую волну.
Как известно, по сравнению с водоизмещающими однокорпусными судами тримаранная архитектура корпуса 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 или авианесущие корабли. Имеющие большое удлинение основной средний корпус (типично отношение длины к ширине корпуса по конструктивной ватерлинии - КВЛ равно 10÷14) и боковые корпуса - аутригеры (типично удлинение 15÷20) тримаранов обусловливают сравнительно малую потерю скорости хода на волнении. Однако при увеличении волнения наступает состояние, при котором возникают удары волн (слеминг) в мост между этими корпусами и их носовые оконечности начинают зарываться в воду, что заставляет значительно снижать скорость и ограничивать маневрирование тримарана для обеспечения его безопасности по условиям прочности корпуса судна и величины ускорений. К недостаткам тримаранов также относятся большая масса корпуса (на 15÷20%) и несколько большее сопротивление движению на сравнительно малых скоростях (как правило, до чисел Фруда по длине Fn=0,25) за счет увеличенной смоченной поверхности корпуса. Вследствие возникновения значительных скручивающих сил на развитом морском волнении на тримаранах сложнее, чем на однокорпусных судах, обеспечивается необходимая прочность корпуса - прежде всего за счет конструкции соединительного моста, связывающего корпуса тримарана. Повышенная начальная поперечная остойчивость тримаранов при их относительно узких основных корпусах и аутригеров обеспечивается за счет сравнительно большой общей ширины всего корпуса и соответственно момента инерции действующей ватерлинии. Существенное увеличение высоты мостов для обеспечения большего клиренса по отношению к поверхности воды и исключения слеминга, как правило, приводит к потере преимуществ тримарана 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.
Целью настоящего технического решения является разработка новой формы корпуса, позволяющей объединить преимущества и исключить недостатки традиционных однокорпусных судов и тримаранов. Для достижения этой цели решена задача по разработке корпуса, включающего однокорпусную носовую и тримаранную кормовую оконечности, геометрическая форма которого обеспечивает исключение перечисленных недостатков формы корпуса рассмотренных выше аналогов - водоизмещающих однокорпусных судов и судов-тримаранов при движении в водоизмещающем режиме скоростей. Произведенный обширный патентный поиск не позволил обнаружить прототипа, обладающего указанными основными отличительными признаками одновременно, поэтому сопоставление характеристик разработанной гибридной формы корпуса производится лишь с указанными аналогами - однокорпусными судами и тримаранами в целом как типами судовой архитектуры. Разработанной форме корпуса судов присвоено наименование «полутримаранной», соответственно судну с такой формой корпуса - «судно-полутримаран». Фактически полутримаранная форма корпуса водоизмещающих судов является новым типом их архитектуры, обеспечивающей в ряде случаев достижение эффективных компоновочных и эксплуатационных характеристик.
Конкретно в предлагаемом техническом решении предложена форма корпуса судна, включающая близкие по протяженности однокорпусную носовую и тримаранную кормовую оконечности. Последняя включает средний основной корпус и два побортно расположенных аутригера. Объединение указанных оконечностей в единый корпус обеспечено за счет образования между ними зоны плавного взаимного перехода их обводов. В целом корпус имеет плавные обводы, соответствующие водоизмещающему режиму движения.
К числу преимуществ разработанной полутримаранной формы корпуса по отношению к рассматриваемым аналогам относятся:
- исключение ограничений по мореходности, присущих тримаранам;
- обеспечение преимуществ в части общего расположения оборудования и помещений за счет возможности некоторого увеличения главных размерений и площади палуб при существенно меньшем коэффициенте общей полноты и равном объеме корпуса с традиционными однокорпусными судами;
- обеспечение возможности при необходимости распределить элементы энергетической установки и движители между основным средним корпусом и аутригерами кормовой оконечности, что снижает ограничение максимальной мощности энергетической установки при расположении ее в корпусе традиционного однокорпусного судна и увеличивает эффективность маневрирования;
- обеспечение возможности создания водоизмещающих судов с предлагаемой формой корпуса без ограничений по их размерам, связанным с обеспечением необходимой прочности соединительного моста, что характерно для тримаранов;
- снижение остаточного сопротивления корпусов с предлагаемой формой при движении в водоизмещающем режиме с относительно высокими скоростями (при числах Фруда по длине более Fn=0,25) по сравнению с традиционными однокорпусными судами;
- обеспечение при необходимости возможности различного функционального использования туннелей в тримаранной кормовой оконечности корпуса (по сравнению с однокорпусными судами).
Соответствующие поставленным целям и задачам технические результаты достигаются тем, что предлагаемый корпус судна (фиг. 1) выполнен с:
- характерной для однокорпусных водоизмещающих судов носовой оконечностью, имеющей в поперечном сечении плавные обводы, оптимальные для водоизмещающего режима движения;
- характерной для водоизмещающих тримаранов 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 туннелей между корпусами тримаранной кормовой оконечности.
Кроме отмеченных выше преимуществ разработанной формы корпуса необходимо также отметить, что объединение в одном корпусе элементов водоизмещающих однокорпусных судов и тримаранов, конкретно - однокорпусной носовой оконечности и тримаранной кормовой оконечности, также позволяет:
- обеспечить взаимодействие носовой оконечности судна с морскими волнами и в целом его качку и заливаемость, характерные для однокорпусных судов и более благоприятные при значительном волнении, чем для тримаранов;
- при одинаковых соотношениях главных размерений улучшить ходкость такого судна по сравнению с однокорпусным судном на скоростях, при которых основной вклад в сопротивление корпуса вносится волновым сопротивлением, за счет более благоприятного обтекания тримаранной кормовой оконечности;
- использовать по сравнению с однокорпусными судами более эффективную в отношении обеспечения поперечной остойчивости форму действующей ватерлинии, необходимый момент инерции площади которой достаточно легко может быть увеличен за счет некоторого увеличения площади действующей ватерлинии аутригеров или небольшого увеличения общей ширины корпуса судна с увеличением отстояния аутригеров от основного среднего корпуса;
- более эффективно по сравнению с однокорпусными судами разместить необходимое оборудование, характеризующееся сравнительно малым удельным показателем «масса/площадь палубы» (например, автомобили и помещения для пассажиров на паромах, летательные аппараты на авианесущих кораблях) на увеличенной площади палуб и в ряде случаев в существенной степени компенсировать некоторое увеличение водоизмещения, связанное со спецификой предлагаемой формы корпуса.
В результате предлагаемая полутримаранная форма корпуса обеспечивает максимальное использование преимуществ кораблей-аналогов - водоизмещающих однокорпусных судов и тримаранов и исключение присущих им недостатков. Применение предлагаемой формы корпуса предпочтительно для крупных и относительно широких водоизмещающих судов (удлинение по КВЛ - менее 7,5) с приоритетными скоростями хода при числах Фруда по длине Fn>0,25.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематически изображены:
- на фиг. 1 - принципиальный аксонометрический вид на корпус судна-полутримарана (вид снизу-сзади-сбоку), дающий общее представление об основных его элементах;
- на фиг. 2 - вид на корпус сбоку с продольным разрезом по диаметральной плоскости участка кормовой оконечности;
- на фиг. 3 - вид на корпус судна-полутримарана сверху с частично снятой палубой (палубами) на участке кормовой оконечности;
- на фиг. 4 - продольный разрез корпуса по диаметральной плоскости;
- на фиг. 5 - продольный разрез корпуса по средней части туннеля левого борта в тримаранной кормовой оконечности;
- на фиг. 6 - план корпуса по ватерлинии В-В - по верху туннеля;;
- на фиг. 7 - план корпуса по ватерлинии С-С;
- на фиг. 8 - план корпуса по ватерлинии D-D;
- на фиг. 9 - план корпуса по основной плоскости;
- на фиг. 10÷15 - принципиальные поперечные сечения корпуса судна-полутримарана в характерных зонах по плоскостям G-G, Н-Н, I-I, J-J, K-K, L-L;
- на фиг. 16 - вид на транец судна-полутримарана.
Корпус судна-полутримарана 1 по настоящему техническому решению включает по длине три зоны (фиг. 1, 2, 5):
- носовую оконечность 2 с плавными обводами, характерными для традиционных однокорпусных водоизмещающих судов;
- кормовую оконечность 4 с плавными обводами, характерными для водоизмещающих тримаранов, со средним основным тримаранным корпусом 5, двумя побортно расположенными аутригерами 6 и двумя туннелями 7 между этими корпусами;
- зону плавного перехода 3 от однокорпусных обводов носовой оконечности 2 к тримаранным обводам кормовой оконечности 4.
Плавный переход от однокорпусных обводов носовой оконечности 2 к тримаранным обводам кормовой оконечности 4 образован (фиг. 1-5) за счет непрерывности внешних бортов 8 и палубы (палуб) 9 судна, а также подъема двух симметрично расположенных относительно диаметральной плоскости судна боковых участков днищевой части зоны перехода обводов 3, образующих внутренние подзоры 10, от носовой оконечности 2 до уровня действующей ватерлинии 11 в каждом из туннелей 7. Внутренние подзоры 10 заканчиваются внутренними транцами 12 правого и левого бортов (фиг. 1, 2, 5).
Палуба (палубы) 9 судна в тримаранной кормовой оконечности 4 образует (образуют) соединительный мост 13 (фиг. 2, 4, 5, 15), конструктивно скрепляющий средний основной тримаранный корпус 5 и аутригеры 6. Туннели 7 тримаранной кормовой оконечности 4 (фиг. 1, 3, 6-8, 15) образованы внутренними бортами 14 аутригеров 6, бортами 15 среднего основного корпуса 5 и палубой (нижней из палуб) 9 судна. Внешние борта аутригеров 6 являются единой конструкцией с бортами 8 остальной части судна и плавным их продолжением, а килевые линии 16 аутригеров 6 плавно переходят в линии батоксов 17 в зоне перехода обводов 3, образованных пересечением вертикальной плоскости, проходящей через килевые линии 16 аутригеров 6, с обшивкой борта 8 (фиг. 2).
На представленной на фиг. 5 схеме продольного разреза корпуса судна 1 по средней части туннеля 7 левого борта в тримаранной кормовой оконечности 4 (по плоскости А-А на фиг. 3) показано, что сечение по внутреннему подзору 10 в зоне перехода обводов 3 на границе с однокорпусной носовой оконечностью 2 переходит в линию батокса 18 на обшивке борта 8 этой оконечности. На этой схеме также показано, что килевая линия 16 аутригера 6 плавно переходит в батокс 17 на обшивке борта 8 (изображен штрихпунктирной линией). В данном варианте судна заглубление аутригеров 6 ограничено - их килевая линия 16 расположена выше основной плоскости судна 19.
Представленные на фиг. 6-9 схемы сечений корпуса по ватерлиниям В-В, С-С, D-D и основной плоскости 19, на фиг. 10-15 схемы поперечных сечений G-G, Н-Н, I-I, J-J, K-K, и L-L и на фиг 16 вид на транец 20 корпуса 1 судна-полутримарана характеризуют изменение принципиальных форм обводов, соответствующих зонам 2-4, по его высоте и длине. Указанные поперечные сечения относятся к представленному на фиг. 2-5, 15 варианту судна с двумя палубами 9, образующими соединительный мост 13, конструктивно связывающий основной средний корпус 5 и аутригеры 6 тримаранной кормовой оконечности 4. Реально в кормовой оконечности 4 может быть другое количество палуб 9.
Как видно из схем на фиг. 6-8, в соответствии с наклоном подзоров 10 длина туннелей 7 в зоне плавного перехода обводов 3 по мере увеличения заглубления ватерлиний В-В и С-С увеличивается в носовом направлении; при этом, как видно из схем поперечных сечений корпуса 1 на фиг. 14-13, высота их в районе внутреннего подзора 10 в носовом направлении уменьшается, и туннели 7 заканчиваются в месте перехода килевых линий 16 аутригеров 6 в батокс 17 на внешних бортах 8 в зоне плавного перехода обводов 3 (фиг. 2, 5). При дальнейшем увеличении заглубления ватерлиний, например, по D-D (фиг. 8), они образуют уступ на внутренних подзорах 10, где последние имеют сравнительно малые углы наклона по отношению к основной плоскости судна 19; этот уступ уменьшается по ширине в связи с сужением корпуса в носовом направлении и увеличением килеватости по мере приближения к основной плоскости 19. В точке исчезновения уступа ватерлинии на границе однокорпусной носовой оконечности 2 и зоны плавного перехода обводов 3 внутренний подзор также пропадает (фиг. 2), и обводы среднего основного тримаранного корпуса 5 плавно сливаются с обводами однокорпусной носовой оконечности, т.е. проходящая через эту точку ватерлиния плавно переходит с борта 15 среднего основного тримаранного корпуса 5 на борт 8 однокорпусной носовой оконечности. На уровне основной плоскости 19 имеется плавная ватерлиния (фиг. 9), относящаяся к тем зонам корпуса, которые имеют опору на эту плоскость.
На фиг. 10-16 показан характер изменения принципиальных форм обводов полутримарана по длине его корпуса в поперечных сечениях. Как видно из схем поперечных сечений на фиг. 10-11 (по G-G и Н-Н) в пределах зоны 2 носовой оконечности, эти сечения соответствуют традиционным однокорпусным обводам. На фиг. 12, относящейся к началу зоны плавного перехода обводов 3 (сечение I-I), видны участки подзора 10 в той части, где туннели 7 еще не образовались, на фиг. 13 и 14 (сечения по J-J и K-K) показано постепенное образование туннелей 7 за счет появления участков аутригеров, а на фиг. 15 (сечение по L-L в зоне 4 тримаранной кормовой оконечности) туннели 7 образованы по высоте полностью. На фиг. 16 виден выход туннелей 7 на транец судна 20.
На фиг. 1-6, 16 представлен вариант тримаранной кормовой конечности 4 с единым транцем 20, расположенным в одной поперечной плоскости, однако средний основной корпус 5 и аутригеры 6 могут иметь разную протяженность и заканчиваться транцами, расположенными в разных поперечных плоскостях (этот вариант графически не представлен). В районе транца участки элементов тримаранной кормовой оконечности среднего основного корпуса 5 и аутригеров 6 имеют соответственно подзоры 21 и 22 для размещения движителей и обеспечения благоприятного схода с кормы потока воды.
Необходимость использовать туннели 7 для различного функционального назначения может потребовать обеспечения к ним доступа, что может быть реализовано с помощью соответствующих люковых закрытий в палубах 9 (на рисунках не показаны). При отсутствии необходимости использовать туннели 7 по какому-либо функциональному назначению палубы 9 в тримаранной кормовой оконечности 4 могут быть сплошными. Однокорпусная носовая оконечность 2 может иметь бульб 23, широко используемый на традиционных однокорпусных судах (на фиг. 2 и 4 показан условной штрихпунктирной линией).
Аутригеры 6, кроме отмеченной выше возможности размещения в них при необходимости движителей и их приводов, могут использоваться для размещения цистерн различного назначения (топливных, водяных).
Существенные положительные отличия полутримаранов от традиционных водоизмещающих однокорпусных судов и тримаранов при достижении сформулированных выше целей настоящего технического предложения в части мореходности, общего расположения оборудования и помещений, остойчивости и ходкости обеспечиваются при длине тримаранной части корпуса 4 не менее 25% от длины судна по КВЛ и не меньшей длине зоны плавного перехода 3. При этом в типичном случае ширина основного среднего корпуса 5 составляет 55-64% (но не менее 50%), аутригеров 6-10% (но не менее 5%), туннелей 7 - по 10-15% (но не менее 8%), каждый от ширины корпуса судна по КВЛ.
Взаимодействие носовой оконечности 2 водоизмещающих судов-полутримаранов с волнами аналогично традиционным водоизмещающим однокорпусным судам, а обтекание водой кормовой оконечности 4 в существенной степени приближается к обтеканию элементов корпуса тримарана, имеющих большое удлинение. При этом использование в кормовой оконечности тримаранной формы при соответствующих геометрических характеристиках и разносе аутригеров 6 по ширине может обеспечить судну характерные для тримаранов повышенную остойчивость и благоприятные гидродинамические характеристики. Характер возмущающих сил, возникающих на корпусе судов-полутримаранов, обеспечивает более благоприятные, чем у тримаранов, периоды и амплитуды бортовой и килевой качек, более близкие к таковым у однокорпусных судов. Отсутствует слеминг соединительных мостов 13 при развитом волнении, что облегчает обеспечение прочности корпуса.
Особенностью полутримаранной формы обводов корпуса является их сравнительно малый коэффициент общей полноты, что позволяет обеспечить судам-полутримаранам 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 полутримаранов с длиной тримаранной части корпуса 25÷30% от КВЛ, не меньшей по длине переходной частью и указанными выше типичными относительными ширинами тримаранных корпусов коэффициенты общей полноты находятся в пределах 0,38÷0,32 соответственно. При этом при относительно малом увеличении водоизмещения полутримаранов за счет особенностей их обводов существенно возрастают главные размерения их корпусов, особенно увеличивается площадь верхней и других палуб, что, как правило, является положительным конструктивным моментом для большинства судов и кораблей в отношении размещения их оборудования, перевозимых грузов, жилых помещений, постов управления и других помещений. Возможность увеличения осадки при меньшем коэффициенте общей полноты может явиться положительным моментом для судов с подкильными гидроакустическими средствами подводного поиска, при необходимости размещения движителей увеличенного диаметра и в некоторых других случаях.
Для оценки влияния полутримаранной формы корпуса на изменение главных размерений по сравнению с традиционными водоизмещающими однокорпусными судами-аналогами 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 полутримарана учитывается некоторое увеличение массы корпуса с учетом специфики его обводов, которое для указанных выше относительных размеров характерных зон и элементов 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%:
где
n/m
V - объемное водоизмещение судна-полутримарана;
1
V - объемное водоизмещение судна-аналога с однокорпусной формой обводов;
n/m
L - длина корпуса полутримарана;
n/m
B - ширина корпуса полутримарана;
n/m
T - осадка корпуса полутримарана;
1
L - длина корпуса судна-аналога с однокорпусной формой обводов;
1
В - ширина корпуса судна-аналога с однокорпусной формой обводов;
1
Т - осадка корпуса судна-аналога с однокорпусной формой обводов;
n/m
δ - коэффициент общей полноты корпуса полутримарана;
1
δ - коэффициент общей полноты корпуса судна-аналога с однокорпусной формой обводов.
При условном сохранении равенства соотношений главных размерений корпуса судна-аналога с однокорпусной формой обводов и корпуса полутримарана:
где М - масштаб преобразования главных размерений полутримарана по сравнению с судном-аналогом, имеющим однокорпусную форму обводов. Тогда для формулы (1) получим выражение:
С учетом приведенных выше диапазонов коэффициентов общей полноты сопоставляемых среднескоростных и быстроходных водоизмещающих судов получим масштаб увеличения главных размерений полутримарана:
2
Таким образом, главные размерения полутримарана с объемом корпуса и соотношением главных размерений, равными таковым для среднескоростных и быстроходных водоизмещающих однокорпусных судов-аналогов, должны быть больше на 15÷17%. При этом площадь верхней и других палуб полутримарана для размещения оборудования и помещений увеличивается существенно (пропорционально квадрату масштаба М) - на 32÷37%, а возможность заглубления гидроакустической станции увеличивается на 15÷17%. В результате на судне-полутримаране 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 полутримаранной формы корпуса на поперечную остойчивость судна выполним при тех же условиях в части равенства объемов и соотношения главных размерений корпуса с сопоставляемым однокорпусным судном-аналогом. 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 полутримарана 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):
где
k - статистический коэффициент, зависящий от типа кормы;
α - коэффициент полноты действующей ватерлинии;
δ - коэффициент общей полноты корпуса по действующую ватерлинию.
1
n/m
Обозначим поперечные метацентрические радиусы судна-аналога с однокорпусными обводами и полутримарана соответственно r и r, тогда с учетом формулы (2) и незначительного изменения коэффициентов k для сопоставляемых судов соотношение их метацентрических радиусов можно оценить по формуле:
где
1
r - поперечный метацентрический радиус однокорпусного судна-аналога;
n/m
r - поперечный метацентрический радиус полутримарана;
1
I - момент инерции действующей ватерлинии однокорпусного судна-аналога;
m
I - момент инерции действующей ватерлинии полутримарана;
1
α - коэффициент полноты действующей ватерлинии однокорпусного судна-аналога;
n/m
α - коэффициент полноты действующей ватерлинии полутриамарана.
Исходя из условия о равенстве соотношений главных размерений корпусов сопоставляемых судов составляющие формулы (3) можно выразить:
,
Тогда для формулы (3) получим выражение:
1
n/m
1
n/m
Известно, что для среднескоростных и быстроходных водоизмещающих судов-аналогов с однокорпусной формой обводов соответственно α=0,80÷0,74. Для близких по скоростным режимам полутримаранов, при принятых для них выше относительных протяженностях характерных зон, в зависимости от принимаемой ширины элементов тримаранных корпусов 5 и 6 кормовой оконечности 4 и расстояний 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:
Таким образом, на данном примере показано, что при принятых условиях характеризующий поперечную остойчивость поперечный метацентрический радиус среднескоростных и быстроходных водоизмещающих полутримаранов будет несколько больше, чем у сопоставимых водоизмещающих однокорпусных судов-аналогов, рассчитанных для тех же диапазонов скоростей. При этом в связи с ограниченными размерами, большим удлинением и отсутствием самостоятельной носовой оконечности аутригеров 6 тримаранной кормовой оконечности 4 воздействующие на них в условиях хода на волнении возмущающие силы также будут сравнительно невелики, так что бортовая качка полутримаранов будет близка по характеристикам к бортовой качке однокорпусных судов-аналогов. Меньшие коэффициенты полноты действующей ватерлинии полутримаранов и характер распределения ее площади по длине также подтверждают, что возмущающие силы и определяемая ими продольная качка таких судов будут несколько меньше и в целом близки к таковым для однокорпусных судов.
Оценки влияния полутримаранной формы корпуса на главные размерения и поперечную остойчивость, подобные выполненным выше, по сравнению с тихоходными водоизмещающими однокорпусными судами также показывают существенное увеличение площади верхней и других палуб, осадки и некоторое повышение поперечной остойчивости полутримаранов. 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 полутримарана форме ватерлинии существенное повышение его поперечной остойчивости, при необходимости, может быть обеспечено значительно меньшим увеличением ширины его корпуса 1 по сравнению с обычным однокорпусным судном или увеличением ширины только аутригеров 6 тримаранной кормовой оконечности 4.
Из приведенных выше задач настоящего технического решения приоритетными являются задачи, решение которых по сравнению с аналогами - традиционными водоизмещающими однокорпусными судами и тримаранами обеспечивает судам с предлагаемой формой корпуса получение указанных выше преимуществ в части мореходности, новых компоновочных возможностей и различного функционального использования туннелей 7 между тримаранными корпусами кормовой оконечности 4. Однако предполагается также возможность обеспечения для полутримаранов некоторых преимуществ по ходкости по сравнению с традиционными однокорпусными судами сопоставимого водоизмещения и удлинения при указанных выше типичных протяженностях характерных зон 2, 3 и 4 и соотношениях размеров тримаранных корпусов 5 и 6 кормовой оконечности 4 на относительных скоростях хода с числами Фруда более определенного значения - предположительно Fn>0,25. До указанного предполагаемого значения относительной скорости сопротивление движению корпусов полутримаранов будет несколько выше, чем у сопоставимых однокорпусных судов, из-за большего сопротивления трения в связи с большей на 25-30% смоченной поверхностью обшивки. По мере возрастания скорости хода сопротивление полутримаранов движению станет меньше, чем у сопоставимых однокорпусных судов, благодаря сравнительно более низкому остаточному сопротивлению, прежде всего за счет меньшего волнового сопротивления.
Указанное снижение остаточного сопротивления соответствует увеличенному расчетному относительному удлинению полутримаранов по сравнению с однокорпусными судами при сохранении соотношения главных размерений и водоизмещения сопоставляемых судов:
, , где
n/m
l - относительное удлинение корпуса полутримарана,
1
l - относительное удлинение однокорпусного судна.
. При равных объемах корпусов сопоставляемых судов с учетом выведенного выше соотношения объемных водоизмещении (1):
Увеличение расчетного относительного удлинения на около 13% позволяет ожидать снижение остаточного сопротивления полутримарана по сравнению с сопоставляемым однокорпусным судном на относительных скоростях при числах Фруда по длине корпуса Fn≈0,35-0,40 и более на 15-20%, что достаточно существенно. Кроме указанного сравнительного снижения остаточного сопротивления полутримарана за счет увеличения расчетного относительного удлинения корпуса, можно ожидать дополнительного уменьшения остаточного сопротивления за счет возможности перетекания воды из зоны повышенного давления в носовой однокорпусной оконечности 2 через зону плавного перехода обводов 3 в зону с меньшим давлением между тримаранными корпусами 5 и 6 по туннелям 7 кормовой оконечности 4. Положительный эффект от возможности перетекания воды из зоны с повышенным давлением в зону с пониженным давлением проявляется на всех скоростях, однако в связи с большей смоченной поверхностью корпуса полутримаранов их преимущество по отношению к сопоставимым однокорпусным судам по общему сопротивлению движению начинается с определенных скоростей лишь за счет сравнительно меньшего волнового сопротивления.
Таким образом, выполненные оценки характеристик судов-полутримаранов в части мореходности, ходкости на развитом волнении, остойчивости и размещения оборудования и помещений подтверждают потенциальные возможности достижения поставленных целей в части объединения преимуществ и исключения недостатков рассматриваемых аналогов - тримаранов и традиционных однокорпусных судов при использовании разработанной новой архитектуры корпуса. Кроме того, 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 защищенные от прямого воздействия волн туннели между тримаранными корпусами кормовой оконечности корпуса, которая при этом находится в зоне минимальных перемещений и ускорений, возникающих при качке.
Оценки потенциальных возможностей судов-полутримаранов в части мореходности и ходкости также показывают целесообразность определения экспериментальным путем области соотношений характеристик их формы, диапазонов относительных скоростей хода и параметров морского волнения, при которых разработанная форма обводов корпуса будет иметь преимущества по отношению к традиционным обводам соответствующих однокорпусных судов.