Дискретно-переменные обводы «Валеева-Морозова». Продолжение

Начальник отдела государственных научно-технических программ АО «Концерн «Океанприбор» Хаджи-Мурат Валеев рассказывает о революционном изобретении.

(Вторая часть. Первую часть читайте здесь — Дискретно-переменные обводы «Валеева-Морозова»)

Выход за пределы двухмерного сознания
 

Предлагаю обратить внимание на схему классификации обводов глиссирующих судов из «Справочника по малотоннажному судостроению». («Судостроение», 1987г., Ленинград).

Отмечу. При всей сухости таблицы она не обычный классификатор – это история горечей разочарований и побед. История, написанная кровью. Буквально. За каждым типом обводов гигантский труд учёных и конструкторов. Столетие исследований. Великие имена.

Казалось бы, всё изучено и просчитано. Разложено по полочкам. Но остаётся ощущение недосказанности. Потому-что проблема осталась. Проблема реальной мореходности на большой скорости, собственно для чего и создаются суда с динамическим принципом поддержания.
Сегодня можно сказать – проблема решаема.

(Примечание: мы, в своей гордыне обнаружив свободную клеточку, заняли её обводами «Валеева-Морозова». «Natura abhorret vacuum» (Аристотель:  «природа не терпит пустоты»).)

Поэтому пора о предмете статьи. Об обводах «Валеева-Морозова», а значит о мореходности.
 
Мореходность
 
Вспомним. Под мореходностью понимается совокупность качеств, обеспечивающих безопасность и удобство эксплуатации судна (плавучесть, остойчивость, управляемость, ходкость и т.д.)
Более узко под понятие мореходность принимается поведение судна при движении на взволнованной воде, при этом основными критериями мореходности глиссирующих судов является устойчивость их движения на волнении и величина вертикальных ускорений при слеминге.



Сегодня.


По воде можно передвигаться разными способами: неспешно идти, скользить как «блинчик», протыкать волны, лететь (на воздушной подушке, подводных крыльях, используя эффект экрана либо интерцепторы…)

Отмечу, традиционно в России скоростные пассажирские перевозки осуществляются на судах с подводными крыльями иногда на воздушной подушке. Идиллию портит экономика эксплуатации и сервиса, обусловленная более частым обслуживанием, требованием высокой квалификации персонала и низкая энергетическая эффективность.

С другой стороны. Каждый из этих способов, обладая собственной красотой достаточно специфичен по применению. Но с гармонией водной стихии они дружат не в полной мере. Потому как возникли с целью преодоления недостатков глиссирующих катеров. Эти задачи, большей частью решались в отрыве от науки для «ходящих по воде», теории корабля и её подраздела – гидродинамики.

В моей защите эта наука не нуждается, но могу смело заявить, что только она, перегруженная громоздкими формулами и… не давшая ответа на многие вопросы, способна на действительно красивые решения на грани формул, экспериментов и ощущений. И потому её потенциал бесконечен. Вероятно в будущем, когда появятся интеллектуально совершенные компьютеры, мы, с их помощью, сможем получить большинство ответов на теоретические вопросы гидродинамики. Однако, зародившись в прошлом веке, гидродинамика как наука сегодня  проиграла – грех человеческой гордыни. 100-3000 лошадей и ты король. Зачем теория корабля, если идешь на «пятке»?

И. Переламывая через колено «горб сопротивления» несутся булыжники (блинчиком), притворяясь катерами.

За кормой мощный вихре-волновой след, волн больше чем от танкера с дедвейтом 15000 тонн. Дурные лошадиные силы превращают движитель в миксер, бессмысленно перемалывающий массы воды.

Академик Валентин Петрович Глушко, почти по такому же поводу как то сказал: «Если мой двигатель прицепить к забору, он и его выведет в космос...»

К месту будет вспомнить другое великое имя: «Я побеждаю своих врагов тем, что превращаю их в своих друзей» (А.Линкольн). Это я о гидродинамических факторах стоящих на пути к увеличению мореходности на волнении. Как их сделать своими партнёрами?

Как воду бетонной твёрдости при движении с большой скоростью по ней, превратить в нежный амортизатор.

Их, факторов, много, но выберем три, в разной степени стоящих на пути к цели и потому требующих своего решения. В первом приближении попробуем расставить приоритеты.

Утверждается, что «с увеличением скорости движения каждая из трех частей сопротивления возрастает, но не одинаково: сопротивление трения возрастает пропорционально скорости в степени несколько ниже второй; сопротивление формы — приблизительно пропорционально второй степени скорости; волновое сопротивление связано со скоростью сложной зависимостью, оно возрастает пропорционально примерно четвертой степени скорости» (tinref.ru).

Подчеркну – четвёртой степени!

Волновое!

Напомню. Сами попытки снижения сопротивления движению привели к появлению судов с динамическими принципами поддержания (СДПП), когда архимедову силу замещали подъёмной силой, создаваемой тем или иным способом.

И самое место порассуждать о теме волнового сопротивления и связанного с ним «демпфированием – это устранение (рассеивание) избытка энергии пульсации давления».

И здесь самое время обратить внимание на так называемую физику быстро протекающих процессов – к которой относится движение быстроходного катера на волнении.

Иными словами. Пора поговорить о физическом смысле процесса. «О королях и капусте…» О скорости и величине вертикального ускорения при слеминге. Справка: Слеминг (от англ. slam — хлопать) – явление удара днищевой части и форштевня о воду в процессе продольной качки судна при его движении на встречных волнах.



Но прежде о сути.

Наиболее остро отсутствие теории глиссирования на волнении проявилось в 1920 году. 
Это был пороговый, в споре между «плоскодонками» с ярко выраженным острым носом и килевыми катерами год.

Туполевские катера с реданами и плоским днищем в корме превосходили западные килевые в штилевую погоду, но уступали на волнении.

Однако, позже и Запад «упёрся» в угол несущей поверхности днищевых обводов – 30° и до настоящего времени пребывает там. Одним словом – «пиррова победа», где проиграли все.
Самое время назначить виновного.

Далеко ходить не придётся.

Это краеугольный камень гидродинамики – «несущая поверхность днищевых обводов».
Традиционно принято, что за демпфирование на воде «отвечает» не просто килеватость, а «килеватость несущей поверхности» днища катера. Намеренно выделил «несущей» – классический термин разработчиков глиссирующих судов. Повторюсь. По их определению килеватое днище может быть только несущим. Оно, классическое, действительно «несёт» но, кроме того в силу традиционно малой величины угла практически не в силах «устранить избыток энергии пульсации давления».

Иными словами, днищевые обводы могут быть любыми при условии, что они несущие. Почти по Генри Форду: «Вы можете получить «Форд-Т» любого цвета, при условии, что этот цвет будет черным». Именно из опасения потерять несущие качества конструкторы в большинстве случаев при использовании переменной килеватости стараются снижать угол вплоть до нулевого уровня в направлении от скулы к килю. Кстати, именно так родилась чудовищная гидролыжа.

Не подвергая сомнению, с молоком матери впитанную аксиому, хочу только добавить своё робкое – днище с углом килеватости 45° тоже «несёт» только менее эффектно чем, допустим, 16°. И у 80° тоже есть вертикальная составляющая вектора поддержания, просто она исчезающе мала.

К спорам об этом, как и о «водоизмещающем глиссировании» вернёмся ниже.

Скажу только, догматы нужны, но жить, следуя только им не разумно.

Для решения нашей задачи не грех и отступить от святого.

Пока же отстранившись на мгновение от функции «несущей поверхности», увидим, что килеватое днище имеет главную задачу, уменьшить ускорения, погасив энергию мгновенного удара, растянув её во времени. И вновь строго в качестве иллюстрации, классический пример, кочующий из справочника в справочник. Влияние угла килеватости днища на величину перегрузок можно оценить с помощью диаграммы.



На ней представлены результаты испытании схематизированных моделей глиссирующих катеров при их движении против волны, которая имеет длину, равную двум длинам катера.

Цифры 2-3g в нижнем сегменте диаграммы манят. Завораживают. И… пугают нас робких, потому что соответствуют углам (35-45⁰), которым свойственна потеря части несущей способности.

Следует отметить. Существующие, так называемые «глубокие V» с углами до 30° и вплоть до 40° на миделе позволяют достигать какого-то подобия мореходности, но… и это «но» дорого стоит.

Буквально.

Требует запредельной энерговооруженности из-за низкого гидродинамического качества. Для увеличения качества ввели продольные реданы и… остановились. А решение было за ближайшим поворотом.

Остался один крохотный шажок, простая идея, лежащая в основе любой технической революции.
Вспомним классический пример.

В 1814 году австрийский портной Йозев Мадерспергер просто перевернул обычную иглу для шитья вручную ушком вниз, заострив её.

И это была идея!

Та самая, которая побудила техническую мысль огромной армии изобретателей и конструкторов, без которой не было бы гигантской и эффективной швейной промышленности.

Простой симбиоз. Существуют конструкторы, технологи и отдельно те, кто переворачивают иголки. Ушко вниз, что может быть проще, но это была та архимедова точка, опираясь на которую инженеры совершили технологическую революцию в гигантской отрасли. И это сделал скромный портной Йозев Мадерспергер.

Наш случай по простоте ничем не отличается.

Новизна до нелепости элементарна – дискретно-переменная килеватость днища с увеличением угла от скулы к килю. Простое решение позволившее сложить достоинства малых и больших значений углов килеватости и уничтожить отрицательное, свойственное каждому в отдельности.



Грубо. Малые – энергетически эффективны, большие – мореходны.

Обозначим этот принцип термином – «New Concept HSC-3DD».

По-английский – «New Concept High Speed Craft - Three-Dimensional Deadrise».

По-русски – «Новая концепция высокоскоростных судов с трёхмерной килеватостью».

В порядке упрощения, физический смысл работы «New Concept HSC-3DD» представлю следующим образом:

- участок днища со сверхкритичным углом килеватости, первым встречаясь с волной, значительно снижает энергию удара;

- второй сегмент днища с меньшим углом килеватости, работающий в зоне с достаточной несущей способностью принимает волну с критично сниженной энергией слеминга. Одновременно происходит второе снижение энергии ударного воздействия;

- и далее (при наличии третьего сегмента) уже мягко включается в работу часть днища с минимальной возможностью компенсации ударных ускорений, но максимальной несущей способностью (энергетической эффективностью).

При этом, водозаборное устройство водомётного движителя интегрировано в нижний сегмент без гидролыжи.

И как итог – сэкономленная часть энергии, предназначенная на «устранение (рассеивание) избытка энергии пульсации давления» будет переведена в полезную работу, а это, при наличии высокого гидродинамического качества в целом,  обуславливает энергетическую эффективность.



Например, при 45° нижнего сегмента достаточно установленной мощности энергетического агрегата соответствующей днищу моногедрон с углом 18°.

Справка: Для разработки и внедрения энергосберегающих технологий двигателей и движителей нужны многомиллиардные инвестиции. В нашем случае мы добились того же эффекта незначительно изменив обводы днища практически без увеличения стоимости постройки.

Далее.

Наступил момент подведения итогов в конфликте мировоззрений «несущей поверхности днищевых обводов» и «водоизмещающего глиссирования».

Признаю, словосочетание спорное, утешает, что не я его придумал, но в данном случае вполне применимое. «Concept – 5.0», посмотрите на фото. Выход на режим глиссирования и сам процесс движения на скорости происходит при положении «ровный киль». Благодаря очень низкой полноте у форштевня  нос судна намеренно придавлен к воде. Без продольного дифферента, без «горба» сопротивления. Никаких «пяток». И это осознанно.

Известно – дьявол он в мелочах. Именно правильное использование терминологии отличает профессионала от любителя. С другой стороны, изначально введённое в оборот само понятие глиссирования внесло путаницу фундаментального уровня. Классический Хуан Баадер считал: «Глиссирование – это движение по воде, при котором предмет удерживается на её поверхности только за счёт скоростного напора воды…» Лукавое слово «только». И как улыбка Чеширского кота с нами остаётся вопрос – скоростной напор воды без Архимеда Сиракузского силы или вместе?

Мы-то понимаем, что даже у самого лёгкого с самым мощным мотором катера с плоским днищем летящего по зеркальной глади воды есть заглубление, а, следовательно, и вытесненный объём воды. А насколько притоплена корма реального катера, нет смысла и говорить. Одним словом, водоизмещение вместе со своей силой поддержания присутствует всегда. И вновь дьявольская мелочь – конкретное пропорциональное соотношение. Крайнее у плоских днищ – гидростатических сил около 10% и пополам у килеватых. При этом утверждение профессионалов о преобладании (70-80%) динамической силы вызывает очень большие сомнения.

Тенденция налицо. Больше килеватость – больше водоизмещающая часть, а значит не понятно, что с глиссированием. Поэтому введён новый термин, получающий всё большее распространение: «скоростной водоизмещающий режим». Правда, в нашем случае, мне нравится называть этот процесс водоизмещающим глиссированием – больше драйва, особенно учитывая наличие сегментов с малыми углами. Ещё не водоизмещающий ход корвета проекта 20385 но уже и не глиссирующий проект 03160 «Раптор».

Иными словами.

Комбинированные обводы дают комбинированный режим.

 Особняком стоит силуэт форштевня и носовая оконечность в целом. Именно в шторм проявляются заложенные в ней конструктивные особенности:

- практически вертикальный штевень;

- минимальная полнота носовой оконечности ниже ватерлинии;

- максимально возможная полнота носовой оконечности судна выше ватерлинии.

Когда-то, нечто подобное применяли кораблестроители Российского Императорского флота и А.Н. Туполев.

Стандартный глиссирующий катер с наклонённой и выдвинутой вперёд носовой оконечностью при встрече с волной отбрасывает её от себя и вверх. Затраченная на это энергия отнимается от той, которая движет судно вперёд со всеми вытекающими из этого последствиями – рывковый ход. В нашем случае торможение, при встрече с волной на полной скорости, сведено к минимально возможной величине. Вход и выход из волны плавный, с минимальными потерями при преодолении волн, что позволяет сохранить высокую равномерную скорость.  Выраженная полнота и подъём скулы верхнего пояса предотвращают попытки проваливания в волну. 

Отмеченные конструктивные особенности создают преимущественные эксплуатационные качества:

- топливная экономичность, за счёт оптимизации динамических параметров;

- снижение путевого времени благодаря поддержанию высокой скорости в условиях волнения;

- безопасность для грузовых перевозок, благодаря устойчивости хода.

Однако физику не обманешь. Выигрывая в одном – проигрываешь в другом. Резко увеличивается «выбег» судна и может возникнуть неприятная рыскливость по курсу. При этом на участки днища у форштевня начинает действовать сила, близкая по направлению к горизонтальной плоскости и способствующая дальнейшему уводу судна с курса. Не большая плата за мореходность, тем более что преодолимая.
 
Резюме.

Разумеется, в таком изложении всё достаточно условно.

Чтобы получить математические закономерности, необходимые и достаточные для практического применения в расчетах обводов реальных судов, и разработки технологии производства практических проектов необходимо проделать большой объём ОКР. 
Эта статья должна послужить обоснованием нового направления теоретических и экспериментальных исследований, необходимых для разработки технологии конструирования скоростных судов с трёхмерной дискретно-переменной килеватостью днищевых обводов. И они будут. Но «время не ждёт». Когда появляется новое, первым сливки снимает оперативно среагировавший. Это я о зарубежных конкурентах. Рынок, в котором мы живём, не прощает задумчивых.

Поэтому «В начале было Слово, и Слово было у Бога, и Слово было Бог».

В нашем случае Бог – это реальный сектор экономики, производство. А теория, как правило, ложится под эксперименты, наработанную практику. Во времена постройки первых судов теории корабля не существовало.

Поэтому о заявленных темах ОКР:

ОКР «Слеминг» (3 Рабочая группа ГП). В первом приближении работоспособность идеи дискретно-переменной килеватости подтверждена опытом эксплуатации катеров «New Concept HSC-3DD» и «Concept – 5.0» построенных в инициативном порядке.

И главное. При ходе на волнении около 4 баллов с предельной скоростью обусловленной дизелем 100 л.с. – 50км/час, величина вертикального ускорения не превышала 2g, катер не вылетал из воды и шёл на ровном киле!

Именно это даёт основание, без потери времени приступить к ОКР «Разработка технологии конструирования корпуса базового проекта многоцелевого, скоростного, аварийно-спасательного судна повышенной мореходности за счет дискретно-переменной килеватости днища». Шифр «Слеминг».

Заместитель Министра МЧС А.П. Чуприян, в своём письме за №43-5375-2 от 11 ноября 2015 года Заместителю Министра промышленности и торговли А.В. Потапову  поддержал предложение ОАО «ЦКБ «Нептун» о проведении ОКР «Слеминг». Начальник отдела НИОКР департамента судостроительной промышленности и морской техники Минпромторга России А.Н. Князев в своей резолюции от 11.12.15 г. к письму А.П. Чуприяна подчеркнул: «в дополнение к исх. б/н от 28.10.2015 г. МЧС России прошу считать потенциальным государственным заказчиком ГП «Развитие судостроения на 2013-2030 годы».

ОКР «Водомёт 0,45 МВт-Слеминг» (6 Рабочая группа ГП).

В настоящий момент на тех немногочисленных относительно отечественных судах современной постройки нет ни одного нашего водомётного движителя. Сплошь Wartsila, Rolls-Royce, KaMeWa, Castoldi, Alamarin и Hamilton Jet, за исключением производимых в Сибири и ООО «ДМ Технолоджи» (Москва) для маломерных судов рекреационного назначения.

Большой мощности отечественных водомётных движителей нет.

Поэтому считаю.

Очень своевременно вышел Приказ Министра промышленности и торговли  России за № 661 от 31.03.2015 года, которым «Водомётные движители мощностью до 40 МВт Hamilton (Новая Зеландия), Wartsila (Финляндия), Rolls-Royce (Великобритания)» включены в План мероприятий по импортозамещению в судостроительной отрасли Российской Федерации (№ п/п. 2.10, Шифр 09СП15, ОКПД 64 4600), что может рассматриваться, в дополнение к письму МЧС, как государственная поддержка предложенной ОКР «Разработка технологии конструирования водометного движителя мощностью 0,45 МВт для многоцелевого скоростного аварийно-спасательного судна повышенной мореходности» Шифр «Водомёт 0,45 МВт-Слеминг».
Озвучивая тему, прекрасно осознаю, что теория и технологии производства водомётных движителей предназначенных для работы в корпусах судов стандартной конфигурации, для обычных условий эксплуатации отработана достаточно полно. Хорошо известны работы российских КБ «Винт», ФГУП «Звездочка» и ФГУП «КГНЦ».

Но прошу обратить внимание на шифр темы – «Водомёт 0,45 Мвт-Слеминг». Иными словами водомёт для «New Concept HSC-3DD», а это значит работа в сложных погодных условиях, которые для будущего движителя должны быть нормальными. Не маловажный аргумент – этот агрегат, не смотря на заявленную экстремальность, должен быть не менее экономичен и удобен в эксплуатации, чем обычные водометы.

О какой экстремальности идёт речь?

Необходимо отметить, что обычные суда тоже ходят в условиях 4-5 бального и более шторма, никого этим не удивишь, но со скоростью значительно ниже максимальной, в лучшем случае – крейсерской.     

В свою очередь, «New Concept HSC-3DD» должен иметь возможность хода на максимальной мощности при 3-4 и более баллах, при этом движитель, испытывая сверхнормативные знакопеременные нагрузки высокой частоты, обусловленные высокой скоростью движения по волне в режиме «рикошетирования» обязан работать штатно. Это потребует разработки специальной конструкции водомётного движителя с рабочими характеристиками соответствующими заявленным режимам эксплуатации. Принципиальные изменения коснутся всех узлов и систем, начиная от водозаборного устройства заканчивая системами управления.



Определяются они сверхнормативными функциональными требованиями:

1. мгновенного самовсасывающего эффекта обусловленного работой в зоне  высокочастотного разрыва контакта водозаборного узла с забортной водой;

2. нахождением в зоне вероятности высокой кавитации из-за подсоса больших объёмов воздушно водяной смеси;

3. сохранения устойчивой тяги, максимального ускорения, высокой производительности, управляемости и нормативного срока службы при высокочастотном, импульсном характере изменения напора реактивной струи;

4. обеспечения маневренности на всех режимах, удержания курса и возможности работы в стеснённых условиях;

5. сохранение безопасности эксплуатации, надёжности узлов и агрегатов движителя.
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              
Такого водомётного движителя большой мощности нет, его необходимо создать.
Инициированный ОКР «Водомёт 0,45 МВт-Слеминг» послужить серьёзным заделом для будущих более мощных проектов. Опыт работы и уровень высочайшей компетенции таких предприятий как общество с ограниченной ответственностью «ДМ Технолоджи» позволяет не сомневаться в реальности поставленной задачи.

Перспективы внедрения «обводов Валеева-Морозова».
 
Однокорпусные и многокорпусные высокоскоростные морские и речные транспортные средства скоростного типа, классифицируемые как HSC (HighSpeedCraft), в том числе катера МЧС (RIB), лоцманские, служебно-разъездные, поплавки и корпуса гидросамолётов и экранопланов, малошумные экологически чистые НИС для рыбного флота, катера рыбнадзора, обеспечения нефтегазовых месторождений, геологии и пассажирские.
 
Ожидаемые эффекты от внедрения результатов ОКР «Слеминг».

Конечно.

На этом можно и остановиться, но ощущение  незавершённости не покидает…

Впереди у этой идеи будет много как сторонников, так и противников. Тернистый, но красивый и главное востребованный в народном хозяйстве путь.

Хаджи-Мурат Магзамович Валеев


Фото: Матвей Иванов | Sudostroenie.info

Фотографии в тексте предоставлены автором


Интервью с автором:

«Дискретное днище нашего катера решило проблему мореходности и энергоэффективности». Хаджи-Мурат Валеев — о революционном изобретении