Действительно, как рекорд новое достижение производит глубокое впечатление. В самом деле, средняя скорость перехода через океан увеличена с 37.5 до 53.09 узлов, т.е. сразу в 1.42 раза! Но вот в отношении прямого использования этого результата при постройке скоростных судов для открытого моря есть очень большие сомнения.
Отметим, что предыдущим рекордным судном был "рассекающий волны-катамаран — автомобильно-пассажирский паром, т.е. судно, пригодное для реального коммерческого использования. Новое рекордное судно, судя по его внешнему виду, может "нести" только себя и огромный запас топлива. Если прошлое рекордное судно — катамаран — принимало запас топлива, равный 30% водоизмещения, то "Дестриеро" принимал 70%. т.е. практически представлял собой "скоростной танкер"...
Представляется, что некорректно сравнивать судно, по существу созданное для рекордного достижения, и судно, пригодное для коммерческого использования. Может быть, имеет смысл "разделить" Голубую ленту на две: одну, присуждаемую за абсолютный рекорд, и вторую — за рекорд для транспортного судна?
Но главное препятствие для прямого использования проекта нового рекордного судна в качестве прототипа — совершенно не приемлемая для практики мореходность его на больших скоростях. Сообщается, что на волнении 4 балла при скоростях около 50 узлов вертикальные ускорения качки на расстоянии около 30% длины от транца, т.е. в наиболее благоприятной зоне, достигали 1.0 g. Если считать что речь идет о так называемых "существенных" значениях, то это значит, что в носовой части ускорения 3%-ной обеспеченности были около 2 g, а средние — около 1.0 g. При таких ускорениях не привязанный к креслу гипотетический пассажир скоростного парома с вероятностью около 50%. т.е. на каждой второй (!) встречной волне, вылетал бы из кресла! А незакрепленный боезапас гипотетического носового орудия, если мы будем говорить о боевом корабле, наверняка оказался бы за бортом.
И не имеет смысла сравнивать полученные величины ускорений с нормой, принятой для 4-часовой вахты на малых боевых кораблях США. Во-первых, совершенно ясно, что сама эта норма устанавливалась не потому, что она приемлема для человека, а потому, что на обычных малых кораблях в определенном диапазоне скоростей невозможно обеспечить существенно меньшие ускорения. В этом смысле норма показывает не реальную потребность, а достижимый уровень. Во-вторых, профессиональные военные моряки и обычные пассажиры — контингент очень разный... И в-третьих, после 4 часов вахты на судне с такой мореходностью человеку все равно отдохнуть не удастся; значит, скорость придется снижать. А ведь судно когда-нибудь попадет и на более интенсивное волнение, чем 4 балла!
Таким образом, достигнутые рекордные скорости нереализуемы при практическом использовании судна, в первую очередь, — из-за ограничений, определяемых мореходностью. Этот вывод подтверждается практикой эксплуатации скоростного однокорпусного парома "Аквастрада", имеющего близкое к "Дестриеро" водоизмещение и скорость полного хода около 45 узлов. На волнении 4 балла это судно уже не может обеспечивать устойчивое функционирование паромной линии.
Существуют также ограничения скорости, связанные с прочностью обычного корпуса заданного веса. Если корпус имеет небольшое удлинение и движется в режиме глиссирования, то на волнении под угрозой оказывается местная прочность. Если же корпус имеет большое удлинение, то при ходе по волне резко увеличивается интенсивность продольного динамического изгибающего момента; чтобы прочность такого корпуса на больших скоростях обеспечить, придется увеличивать его вес и снижать полезную нагрузку, в том числе — запас топлива.
О связанных с прочностью ограничениях скорости нового рекордного судна, к сожалению, никаких сведений нет.
В то же время уже достаточно давно известен тип судов, имеющих высокую мореходность при больших скоростях хода: это суда с малой площадью ватерлинии.
СМПВ отличается от других водоизмешающих судов тем, что его основной водоизмещающий объем сосредоточен в одной или (чаще) двух либо трех гондолах, погруженных под поверхность воды. Свободную поверхность воды пересекают только тонкие стойки, соединяющие гондолы с надводной платформой, поднятой над поверхностью. Такое решение обеспечивает малость объемов в районе ватерлинии и, следовательно, малую площадь ватерлинии, что и определяет особенности технико-эксплуатационных качеств подобных судов.
Сегодня можно считать доказанным, что правильно спроектированные СМПВ имеют очень высокие мореходные качества.
В начале 70-х годов в США был выполнен натурный эксперимент, ставший уже классическим. Одновременно и в одном районе, почти "борт о борт", проводились мореходные испытания трех судов: однокорпусного фрегата береговой охраны (водоизмещением около 3 тыс. т), катера береговой охраны (100 т) и СМПВ (215 т).
Результаты измерений амплитуд — размахов — килевой и бортовой качки, а также ускорений на волнении 5 баллов при переменных курсовых углах и скорости 16-18 узлов показаны на рисунке. Оказалось, что амплитуды и ускорения качки "маленького" СМПВ даже несколько меньше, чем однокорпусного судна, имевшего в 15 раз большее водоизмещение! Совместная работа с вертолетом и неавтономным подводным аппаратом показала, что СМПВ обеспечивает более благоприятные условия, чем фрегат. Во всяком случае, вертолет садился на палубу этого 27-метрового суденышка при высоте волны 2.5 м.
Неоднократно выполнялись также и расчетные сопоставления мореходных качеств СМПВ и традиционных судов близкого водоизмещения. И всегда оказывалось, что правильно спроектированное СМПВ имеет преимущества.
Не удивительно, что в виде самоходах СМПВ стали строить в первую очередь пассажирские, прогулочно-туристские и научно-исследовательские суда, практика их эксплуатации полностью подтвердила расчеты ученых. Так, известно, что на японском пассажирском пароме — СМПВ водоизмещением 350 т страдали морской болезнью не более 1% пассажиров из всех перевезенных в течение года, т.е. гораздо меньше, чем на однокорпусных паромах, работающих на тех же линиях. Простои этого СМПВ из-за неблагоприятных метеоусловий составили всего около 0.6% времени в течение года, т.е. этот паром выходил в море и перевозил пассажиров даже тогда, когда однокорпусные паромы вынуждены были оставаться в портах.
Чем же можно объяснить высокую мореходность СМПВ?
Во-первых, малая площадь ватерлинии означает малые возмущающие воздействия волн, вызывающие качку на волнении.
Во-вторых, СМПВ имеют примерно вдвое большие, чем у однокорпусных судов, собственные периоды всех трех видов качки.
Рассмотрим этот вопрос подробнее. Периоды килевой, вертикальной и бортовой качки СМПВ оказываются велики по разным причинам.
Известно, что собственный период качки отражает соотношение инерционных и восстанавливающих сил. Этот период тем больше, чем меньше остойчивость судна и больше момент инерции его массы и вовлекаемой им массы окружающей воды.
Говоря о бортовой качке, отметим, что начальная поперечная метацентрическая высота СМПВ примерно равна или несколько больше той же характеристики однокорпусного судна равного водоизмещения, а момент инерции массы существенно (в 2-3 раза) выше благодаря большей габаритной ширине СМПВ1.
С килевой качкой — все наоборот, но с тем же результатом. Продольная метацентрическая высота СМПВ обычно в 3-5 раз меньше, чем у однокорпусного судна. А момент инерции массы относительно поперечной оси близок к моменту инерции однокорпусного судна. Аналогичная ситуация с вертикальной качкой: в 2-4 раза меньшая площадь ватерлинии при одинаковом с однокорпусным судном водоизмещении обеспечивает в 1.5-2 раза больший собственный период качки.
Имеет место и благоприятное взаимовлияние корпусов; особенно это касается вертикальной качки. Обнаружены зоны частот, где возмущающие силы полностью компенсированы инерционными, так что амплитудно-частотный график вертикальной качки имеет область с практически нулевыми амплитудами. Это особенно характерно для полупогружных буровых платформ, также обычно являющихся объектами с малой площадью ватерлинии.
Если сравнить собственные периоды качки СМПВ и средние периоды морского волнения при различной его интенсивности, станет очевидно, что для СМПВ зона их совпадения смещена в сторону меньших водоизмещений судна, чем д ля однокорпусных судов.
Таким образом, СМПВ большого водоизмещения при малых или нулевых скоростях движения практически не могут попасть в резонанс, когда качка бывает наиболее интенсивна, с волнением любой реальной интенсивности. Именно это и характерно для полупогружных платформ.
При малом водоизмещении и больших скоростях хода СМПВ могут попасть в условия, близкие к резонансу, но при этом становятся очень эффективными хорошо известные успокоители качки (об этом чуть ниже).
Именно большие собственные периоды качки СМПВ в основном и определяют благоприятные и неблагоприятные условия их плавания на волнении, совершенно не совпадающие с этими условиями для однокорпусных судов. Обычно для СМПВ благоприятно движение на встречном волнении. При этом кажущиеся периоды волны тем меньше, чем больше скорость хода; а чем меньше кажущиеся периоды, тем дальше режим качки от резонансного и тем меньше амплитуды качки. При достаточно большом водоизмещении СМПВ легко штормуют даже лагом к волне — и тем легче, чем больше скорость хода, увеличивающая "гашение" бортовой качки.
Неблагоприятны для СМПВ попутное волнение и курсовые углы кормовых четвертей. при которых кажущиеся периоды качки велики, а сама она близка к резонансным. т.е. наиболее неблагоприятным режимам.
В резонансных режимах (в весьма узких областях частот) сказывается основной недостаток СМПВ; уменьшенная величина "гашения" качки. В узкой зоне частот вблизи резонансных режимов — амплитуды не умеряемой качки СМПВ больше, чем сравнимых однокорпусных судов.
Однако основная особенность СМПВ — малая площадь ватерлинии и потому малые значения возмущающих сил и моментов — обеспечивает высокую эффективность успокоителей качки всех видов. Силы и моменты от действия успокоителей становятся сопоставимыми по величине с возмущающими силами и моментами именно благодаря малости последних. Это позволяет эффективно умерять не только бортовую, но и килевую, и даже вертикальную качку СМПВ.
Известны результаты испытаний отечественного полунатурного макета СМПВ (водоизмещением около 7 т). имеющего систему успокоителей в виде горизонтальных автоматически управляемых рулей. На нерегулярном волнении высотой около 0.7 м макет целенаправленно ставился в условия резонанса по килевой или бортовой качке — при неработающей и работающей системе успокоения. Испытания подтвердили предположения ученых о высокой эффективности успокоителей.
Ускорения качки СМПВ до 8-12 раз меньше, чем сравнимого традиционного судна. На приводимой диаграмме сопоставлены данные об ускорениях качки судов различных типов и нормы ускорений, установленные Международной организацией стандартов. Видно, что СМПВ сравнимы по ускорениям с судами на глубокопогруженных подводных крыльях.
Потери скорости судов на волнении определяются гидроаэродинамическими и эксплуатационными причинами.
Ветровое сопротивление СМПВ, как правило, несколько больше, чем традиционного судна, из-за большей высоты борта и обычно более развитой надводной части. Дополнительное сопротивление воды, возникающее при движении на волнении, обычно разделяют на связанное с качкой и с отражением волн от корпуса. Благодаря меньшей качке и малой ширине стоек обе эти составляющие у СМПВ в 5-8 раз меньше, чем у традиционного судна.
Эксплуатационные причины потерь среднерейсовой скорости на волнении — это снижение скорости хода или вынужденное изменение курса для уменьшения качки, слеминга, заливания, внешних нагрузок. Однако, как отмечено выше, для СМПВ обычно бывает целесообразно наоборот — повышение скорости для снижения качки (особенно — с учетом увеличения эффективности горизонтальных рулей — стабилизаторов качки). С ростом скорости падают и продольный, и поперечный волновые моменты, изгибающие корпус СМПВ.
Поэтому в целом потери скорости быстроходных СМПВ на волнении обычно существенно меньше, чем сравнимых однокорпусных судов.
Это обстоятельство позволяет при проектировании быстроходного СМПВ назначать расчетную скорость полного хода на 2-3 узла ниже, чем сравнимого однокорпусного судна (что обеспечивает снижение потребной мощности двигателей. веса энергетической установки, расхода топлива и т.п.), притом, что средняя эксплуатационная скорость их будет одинакова.
Если знать зависимости всех характеристик мореходности (углов и ускорений качки, частоты слеминга и заливаемости) от режимов движения, т.е. от скорости и курсового угла, а также иметь нормы этих характеристик, можно построить круговые диаграммы мореходности для каждой интенсивности волнения. На каждой из этих диаграмм соотношение площадей, соответствующих допустимым и всем возможным режимам движения, представляет собой вероятность обеспечения данным судном принятых норм мореходности при данной интенсивности волнения; это же соотношение можно приближенно интерпретировать как относительно достижимую скорость на данном волнении.
Учтя повторяемость волнения каждой интенсивности для заданной акватории, можно охарактеризовать мореходность данного судна, эксплуатируемого в данном районе, одним числом. Это число будет определять среднегодовую вероятность обеспечения заданных норм мореходности этим судном и является комплексным показателем его мореходности на данной акватории.
Вычисления показывают, что СМПВ имеют показатель мореходности в 2-4 раза выше, чем сравнимые однокорпусные суда, причем это преимущество тем больше, чем выше требования к мореходности и меньше водоизмещение сравниваемых судов.
В настоящее время в мире работает около 200 полупогружных платформ и около 25 СМПВ водоизмещением от 50 т до 12 тыс. т. Ведется проектирование или исследования характеристик около 40 СМПВ различного водоизмещения.
Расчеты и натурные данные показывают, что правильно спроектированное СМПВ может двигаться в переходном режиме без ограничений скорости и курсового угла и при выполнении всех требований к комфорту пассажиров на волнении с высотой волны (3%-ной обеспеченности) до 0.5 D1/3, где D — водоизмещение судна. Для однокорпусного судна при тех же числах Фруда допустимая по тем же условиям высота волны — до 0.1-0.2 D, т.е. его нормальная эксплуатация возможна лишь на волнении существенно меньшей интенсивности.
Уже разработаны формы обводов СМПВ, обеспечивающие (до чисел Фруда по водоизмещению одного корпуса FrD=3.0) снижение необходимой удельной мощности двигателей почти до такой же величины, что и у рекордного однокорпусного судна.
Таким образом, нисколько не умаляя значения рекорда нового обладателя Голубой ленты Атлантики, отметим, что при выборе типа судна для конкретной линии не следует заранее ориентироваться на какой-то один определенный тип судна, а надо рассматривать и сравнивать особенности судов различных типов с учетом требований к их мореходности. Для некоторых задач эти требования могут оказаться определяющими.
От редакции
Судам с малой площадью ватерлинии (сокращенно — СМПВ) в свое время была посвящена статья А. Кузьменко "СМПВ — без формул и графиков" — см. №128 за 1987 г. Говорилось о том. что СМПВ. даже имея значительно большую площадь смоченной поверхности, благодаря снижению потерь мощности на волнообразование обладают несколько более высокими скоростными качествами (при достаточно высоких скоростях), чем сравнимые однокорпусные водоизмещающие суда и "традиционные" катамараны. Однако оставался нерассмотренным вопрос о сравнении их мореходности, хотя именно выигрыш в мореходности является главным преимуществом СМПВ.
Сразу же подчеркнем, что. говоря "мореходность", мы имеем в виду способность судна при плавании на волнении сохранять свои мореходные качества и возможность эффективного выполнения судном его функций (формулировка по "Морскому энциклопедическому словарю", т. 2). Это понятие имеет более узкий смысл, чем термин "мореходные качества", и объединяет только те свойства судна, которые оказываются наиболее существенными во время плавания при ветре и на волнении. Именно об этих свойствах и характеристиках мореходности, дающих прямое представление о том. как будет переноситься выход в открытое море людьми, рассказывается ниже применительно к СМПВ.
Попутно ответим читателю Ю. Краснову (Москва), который пишет: "Из публикаций на тему остойчивости следует, что СМПВ всегда будут недостаточно остойчивы! В отличие от катамарана, площади и формы ватерлиний СМПВ при крене практически не изменяются, в воду дополнительно входит лишь крайне незначительный объем стойки. Значит, и восстанавливающий момент будет мал. Почему же говорят о высокой остойчивости СМПВ? И почему за рубежом СМПВ называют "полупогруженными катамаранами?"
Все характеристики и начальной поперечной и продольной остойчивости, и поведение судна на волнении — при качке, поддаются расчету и, следовательно, при получении отрицательных оценок типа "мало" могут быть приняты какие-то конструктивные меры. Действительно, объемы стоек СМПВ малы, но зато велико расстояние между ними, а это расстояние входит в формулу для расчета момента инерции площади ватерлинии в квадрате... Но важно отметить и другое. Говорят, как правило, не о высокой остойчивости СМПВ, а о том. что качка СМПВ имеет более благоприятные характеристики, т.е. переносится людьми легче, чем на сравнимом катамаране. Давно известно, что при чрезмерной остойчивости любого судна слишком "большой" восстанавливающий момент восстанавливает — спрямляет судно излишне "быстро", качка получается "резкой", а такая качка переносится очень плохо. А вот размахи качки СМПВ, в силу правильно отмеченной Ю. Красновым особенности, получаются растянутыми во времени (период качки возрастает), качка становится более плавной, переносится лучше.
Термин "полупогруженные катамараны" в отечественной литературе не применяется хотя бы потому, что СМПВ могут быть и одно, и трехкорпусными судами, и судами со стойками — аутригерами. которые в силу малого их водоизмещения тем более не стоит называть "корпусами". Да и сам термин "полупогруженные" неточен и не отражает главного отличи я СМПВ от катамарана. Кроме того, корпус любого судна на половину или даже несколько больше погружен в воду.
Примечания
1. Обычно СМПВ имеет отношение габаритной ширины к длине в пределах 0.3-1.0, тогда как у однокорпусных судов эта характеристика не превышает 0.3.