Анализ проблемы

До настоящего времени подавляющую часть мирового надводного флота составляют суда водоизмещающего типа с движителями, расположенными в кормовой части. Но, как говорилось выше, за многие десятилетия своего существования скорость судов подобного типа существенно не изменилась и в настоящее время составляет несколько десятков километров в час, несмотря на совершенствование формы корпуса и двигательные установки в сотни тысяч лошадиных сил.

Но именно размещение движителей в кормовой части судна создает условия для возникновения сил сопротивления движению. Так, при работе движителей, в кормовой части суда создается зона пониженного давления, а на его носовую часть действуют соответствующие силы лобового давления. Преодолевая его и раздвигая массу воды, корпус судна создает систему волн, приводящую к появлению волнового сопротивления, принципиально ограничивающего скорость движения судна известным соотношением Фруда. При движении судна на его корпус действуют силы трения, также противодействующие движению. Сумма этих основных сил и создает мощное сопротивление движению судов.

Вполне логично в связи с этим выглядели попытки размещения движителей на носовой части судна. "Передний привод" должен был снизить лобовое давление и привести к появлению сил кормового давления, действующих в направлении движения. Однако положительный эффект у известных конструкций судов с "передним приводом" практически полностью ликвидируется возрастанием сил трения за счет "прилипания" упорных струй к корпусу и перераспределения сил давления по корпусу судна.

Как известно, пропульсивные качества судна определяются не только сопротивлением движению корпуса и КПД двигателя, но существенно зависят от величины коэффициента засасывания t и коэффициента попутного потока W. При традиционных обводах корпуса и расположении движителя в корме  t = 0,06-0,08, W= 0,02-0,05, а коэффициент влияния корпуса nk =(1-t) / (1-W) = 0,94-0,98, т.е. достаточно близок к пределу.

При носовом же расположении движителей у известных конструкций судов t = 0,2, W= 0, а коэффициент влияния корпуса nk = 0,8, т.е. пропульсивные качества судна в этом случае ухудшаются почти на 20%.. Это одна из причин, по которой "передний привод" до настоящего времени не нашел практического применения в судостроении.

Если проанализировать формулу коэффициента nk с точки зрения традиционной гидромеханики, то будет видно, что надводные суда традиционного типа имеют практически очень малый (на несколько процентов) резерв для улучшения своих технико-экономических показателей. Выход из данной ситуации возможен только путем перехода к качественно иной технической системе, идею которой несколько лет назад предложили Т.Ф.Савельев и М.Я.Масленков.

Постановка задачи

Из той же формулы nk можно видеть, что обеспечить его существенное увеличение может только коэффициент попутного потока W. При его увеличении до единицы коэффициент nk стремится к бесконечности. Следует отметить, что попутному потоку в судостроении уделяется явно недостаточное внимание, хотя его влияние на движение судна известно и пассивно используется (см., например, Т.К. Гилмер. Проектирование современного корабля. Л., Судостроение, 1984, с.153; Х. Баадер. Разъездные, туристские и спортивные катера. Л., Судостроение, 1977, с.274). В последней из указанных книг говорится: "Гребной винт всегда стремятся расположить как можно выгоднее в поле попутного потока, влияние которого увеличивает упор винта, не требуя для этого увеличения мощности. Чем сильнее попутный поток, тем меньшая мощность требуется от движителя".

Однако до настоящего времени создать попутный поток, способный оказать заметное влияние на пропульсивные качества судов, не удавалось, хотя в явном виде такая задача в литературе по судостроению не встречалась. В то же время в природных условиях такие потоки можно наблюдать довольно часто, например, за резкими выступами или изгибами берегов рек. Это мощные и достаточно протяженные потоки, направленные против течения реки. В литературе по судовождению они носят название аномальных течений и весьма неприятны для малых судов. На сибирских реках в них попадают и не могут из них выйти даже вековые деревья. Таким образом, если повторить это природное явление техническими средствами и создать вдоль корпуса судна достаточно мощный попутный поток, то появится возможность значительно снизить энергозатраты судна или повысить скорость его движения при той же мощности двигательной установки.

Оценим количественно возможное улучшение пропульсивных качеств судна по данному техническому решению. Приняв для носового расположения движителей t=0,2, которым мы оперировали ранее, и учитывая, что в данном случае попутным потоком может быть охвачена практически вся подводная часть корпуса за миделевым сечением, т.е. W = 0,8-0,9, получим:  nk = (1-0,2) / (1- 0,8-0,9) = 4-8!!!

Отсюда видно, что данное техническое решение позволит повысить пропульсивные качества судна в несколько раз, а не на несколько процентов, которые есть еще в резерве у судов традиционной конструкции. Скорости движения порядка ста и более километров в час при этом могут стать вполне реальными, что позволит вывести водный транспорт на качественно иной уровень. При этом поле деятельности здесь практически безгранично - от скоростных спортивных и разъездных катеров до гигантских транспортных судов и танкеров.

Сущность предлагаемой разработки.

Положительный эффект в предлагаемом техническом решении обеспечивается комплексным использованием целого ряда физических эффектов, которые образуются или целенаправленно создаются техническими средствами у новой конструкции судна. В этот комплекс физических эффектов и технических мер входят:

снижение лобового давления и образование сил кормового давления, действующих в направлении движения;

ликвидация волнообразования и вызванного им принципиального ограничения скорости движения судна;

создание попутного потока вдоль корпуса судна и появление сил трения в направлении движения и способствующих ему и некоторых других.

Правильность исходных предпосылок и работоспособность идеи были проверены авторами на маломерных моделях с гребными винтами. Конструктивно движители располагались в носовой части корпуса под острым углом к диаметральной и основной плоскостям судна, несколько изменена была и традиционная форма корпуса.

Модельные испытания показали, что:

- перед носовой частью судна создается прогиб водной поверхности и зона пониженного давления, что приводит к  появлению сил кормового давления, направленных в сторону движения;

- упорные струи от винтов не прижимаются к корпусу и за ними образуется попутный поток; за счет эжекции в упорные струи попутный поток приобретает скорость большую, чем скорость судна, что приводит к появлению сил трения, но направленных уже в сторону движения и способствующих ему;

- забор воды в носовой части и попутный поток вдоль корпуса в направлении движения ликвидируют волнообразование и судно движется в спокойной воде, при этом снимается принципиальное ограничение скорости, обусловленное волновым сопротивлением;

- судно приобретает высокую курсовую устойчивость и высокую маневренность, при этом развороты можно производить практически на месте;

- при неработающих движителях в условиях внешнего волнения судно разворачивается носом к волнам и движется навстречу им, что способствует повышению его живучести и непотопляемости.

Таким образом, в данном техническом решении движители, создаваемые ими упорные струи и корпус судна взаимодействуют как единое целое, значительно ослабляя силы сопротивления движению или же вообще меняя их направление и помогая движению. В этом случае уже можно говорить о едином комплексе движитель - корпус судна, в отличие от судов традиционного типа, где движителю приходится преодолевать силы сопротивления, создаваемые им самим и корпусом судна.

Однако, по мнению специалистов, провести чисто теоретические обоснования описанных выше физических эффектов весьма сложно. Необходимо проведение корректно поставленного эксперимента на полномасштабных моделях и/или натурные испытания маломерного судна, которые или подтвердят справедливость изложенной выше идеи и дадут жизнь новому направлению в судостроении, либо покажут ее несостоятельность.

Сравнение характеристик судов известных конструкций с размещением движителей в кормовой и носовой частях и судов по предлагаемому техническому решению приведено в таблице.

Как видно из таблицы, у судов по настоящему техническому решению существенно могут быть улучшены практически все характеристики. А как знают специалисты, у судов традиционной конструкции улучшения одних характеристик приходится добиваться компромиссным ухудшением других. И это, пожалуй, самое большое достоинство данного технического решения.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано при проектировании и построении скоростных водоизмещающих судов практически всех существующих типов - от маломерных катеров до гигантских грузовых судов и танкеров, а также боевых кораблей различного класса. Недостижимые же ранее технические характеристики позволят создавать суда нового назначения.

Суда по предлагаемому техническому решению будут обладать и такими конкурентными преимуществами как:

1. Упрощение обводов подводной части корпуса, повышение технологичности и снижение трудоемкости их изготовления.

2. Существенное увеличение внутренних объемов корпуса, расширение возможностей компоновки судов, возможность применения дополнительных мер безопасности.

3. Существенное увеличение палубных площадей, что в принципе важно для судов всех типов, а особенно для военных кораблей.

4. Полнота носовых обводов заметно не ухудшит мореходных качеств судна, что позволит строить скоростные крупнотоннажные грузовые и пассажирские суда и суда новой конструкции и назначения, в том числе и военного.

5. Существенное улучшение управляемости и маневренности судов, повышение безопасности плавания.

6. Обрастание корпуса не повлияет на ходовые качества судна, что позволит существенно снизить эксплуатационные расходы.

7. Повышение скорости движения в несколько раз должно существенно повысить роль водного транспорта в мировой транспортной системе и приведет к удешевлению и существенному росту перевозок водным транспортом.

8. Последствия для экологии будут самые благоприятные. Повысится надежность и маневренность судов, что позволит избежать многих возможных аварийных ситуаций и существенно уменьшит экологические последствия от них.  Меньшая мощность судовых энергоустановок потребует меньшего расхода топлива и позволит уменьшить вредные выбросы в воздушную и водную среды. Больший полезный внутренний объем позволит выделить больше места для сбора вредных отходов внутри корабля и не выбрасывать их в воду или же разместить дополнительное оборудование для их переработки или регенерации.

9. Массу преимуществ будут иметь и военные корабли новой конструкции. Это и существенно большая скорость и маневренность, высокая экономичность. Отличные мореходные характеристики, большая площадь палуб, возможность «размазать» корабль по поверхности  и снизить его заметность и обеспечить высокую непотопляемость. Большие внутренние объемы  позволят разместить больше вооружения, живой силы и техники, принять дополнительные меры для повышения безопасности корабля, увеличения автономности плавания  и др.

Остается только убедиться, что вышеизложенное техническое решение  не только обещает светлое будущее  отечественному и мировому судостроению, но и практически реализуемо и с достаточно малыми материальными и временными затратами.

Учитывая, что предлагаемое техническое решение весьма серьезно затрагивает устои традиционного судостроения и гидромеханики, его реализация в обычном порядке потребует огромных интеллектуальных, материальных и временных затрат, а также преодоления консервативного научного и чиновничьего барьеров. Поэтому более целесообразно построить по рекомендациям авторов экспериментальный образец маломерного катера и провести его ходовые испытания.

Результаты испытаний экспериментального образца должны подтвердить правильность идей, заложенных в предлагаемое техническое решение. Эта уверенность основывается на том, что предлагаемое техническое решение базируется не на умозрительных предположениях авторов, а на реально существующих в природе и частично описанных в научно-технической литературе физических эффектах, которые комплексно и целенаправленно предлагается повторить техническими средствами. По высказываниям некоторых специалистов по гидромеханике, с которыми обсуждалось данное техническое решение, если оно позволит повысить скорость движения судов не в несколько раз, а хотя бы на 30-50%, то и это будет большой скачок в судостроении.

После практической проверки предлагаемого технического решения и подтверждения описанных в нем эффектов можно будет развернуть серию полномасштабных НИОКР по различным наиболее востребованным типам судов. Их успешная реализация позволит говорить о возможности занятия Россией достойного места на рынке сложного и высоконаучного судостроения, транспортного, пассажирского и военного судостроения. При этом суда по данному техническому решению, обладая существенно более высокими ходовыми и эксплуатационными характеристиками, будут иметь более простую конструкцию, меньшую потребность в сложном технологическом и специализированном оборудовании, большую универсальность и др.

Данное техническое решение подавалось в несколько инвестиционных фондов и принимало участие в нескольких конкурсах. В 2004 году оно получило высокую оценку на конкурсе русских инноваций – вышло в финал, но, к сожалению, финансирования все равно не получило. Не получается пока найти и инвесторов для финансирования изготовления и испытания экспериментального образца. Не приходиться  рассчитывать и на государственную поддержку, которая, как показывает практика, обычно заканчивается пустопорожними разговорами о необходимости инновационного пути развития России или разработкой очередной программы или концепции развития (в том числе и отечественного судостроения), чаще всего не подкрепленных финансовыми средствами.

Так что заниматься практической реализацией своей идеи приходится самостоятельно и за счет небольших свободных средств авторов. А это естественно сильно сказывается и на сроках проведения работ и на их качестве. И, как показали изготовленные таким образом два макетных образца, из того что удается достать или на что хватает денег не всегда получается желаемый конечный результат. Но работы, хоть и медленно, идут, есть и отдельные положительные результаты. Появляются также и заинтересованные любители-водномоторники и есть надежда, что в ближайшие 1-2 года будет сделан «правильный» образец, испытания которого подтвердят описанные выше физические эффекты и дадут жизнь новому направлению в судостроении.

М.Я.Масленков, изобретатель

micmas@mail.ru

Если Вам нравится эта рассылка, не забудьте отослать этот выпуск Вашим друзьям и посоветовать им подписаться. Всем авторам рассылок, предлагаю обменяться формами подписки на рассылки.

Обязательно пишите, что Вам нравится или не нравится в рассылке, что бы Вы хотели увидеть. Присылайте любые вопросы, критику и пожелания.