Стабилизация движения скоростного судна на волнении

Возможно некоторым читателям покажется неправомерным обращение к опыту применения средств стабилизации движения на относительно крупных скоростных судах. В этой связи в очередной раз напомним: нет резкой границы между судостроением "большим" и "малым" (мелким, малотонажным). Законы теории корабля, как и прочих фундаментальных наук, едины и для охотничьего челнока и для 300-метрового лайнера. С другой стороны, внедрение ряда новинок на сравнительно крупных объектах гораздо более оправдано экономически.

Малое судостроение, борьба за скорость и водно-моторный спорт остаются своеобразным полигоном для испытания и изучения многих новинок. Самый яркий пример — катамаранные обводы. Сначала они доказали свою перспективность победами в океанских гонках катеров, а теперь все более широко применяются при создании выходящих в океан значительно более крупных быстроходных паромов, движущихся в том же переходном к глиссированию режиме. Да и на однокорпусных паромах мы видим "катерные" обводы, соответствующие этому режиму и разительно отличающиеся от форм корпуса, традиционных для "большого" судостроения. Из малого флота пришли сюда и водометные движители, и газовые турбины, и те же средства стабилизации, о которых идет речь ниже.

Растет количество скоростных судов-паромов. Только за период с 1989 по 1998 г. было построено 628 таких судов, причем 65% этого числа составили катамараны. Можно отметить и рост размерений строящихся паромов, поскольку на линиях с обеспеченной загрузкой эксплуатация одного крупного судна оказывается намного рентабельнее, чем нескольких мелких с той же суммарной вместимостью и при той же рейсовой скорости.

Дальнейший рост скоростей паромов ограничивается уже не возможностями техники, а необходимостью обеспечить пассажирам достаточно комфортабельные условия пребывания на борту. Этим и объясняется актуальность затронутой темы. Рассматривая ее, наш постоянный автор, один из ведущих конструкторов ЦМКБ "Алмаз" Вячеслав Васильевич Зубрицкий отмечает интересные особенности применения современных средств стабилизации движения скоростных судов на волнении. Он подчеркивает, что в принципе уже известные и испытанные на катерах подводные крылья, транцевые плиты, интерцепторы все чаще используются на крупных судах в комплексе и управляются единой автоматической системой. Изменяется и само назначение этих средств. Те же управляемые подводные крылья служат на паромах не столько для повышения скорости — за счет подъема корпуса из воды и снижения сопротивления, сколько (и в основном) для стабилизации движения. Интерцепторы используются теперь и как эффективное средство уменьшения затрат мощности на тонкое управление судном — удержание его на курсе без включения рулевой машины или поворота струи, выбрасываемой водометом.

---

Последнее десятилетие ХХ в. ознаменовалось бурным развитием высокоскоростного коммерческого флота, занятого на коротких паромных линиях. Однокорпусные суда, катамараны и тримараны, суда с волнопронизывающими корпусами, развивающие рейсовые скорости от 30 до 45 уз, бороздят воды Средиземного, Северного и Балтийского морей, связывают острова между собой и с материками в бассейне Тихого океана (Юго-Восточная Азия, Австралия), курсируют у Восточного побережья США, в заливе Ла-Плата и на других акваториях Мирового океана.

Непрерывно совершенствуются обводы этих судов, внедряются новые материалы и технологии, растет эффективность применяемых движительных комплексов, повышается комфортабельность пассажирских салонов.

К числу важнейших показателей комфортабельности скоростных судов, перевозящих пассажиров, относится максимально возможное снижение вредного воздействия ускорений качки на самочувствие и здоровье людей¹.

Перевозя на борту от 150 до 1800 пассажиров и от 10 до 450 легковых автомобилей, а зачастую одновременно и груз в трейлерах, скоростные паромы пребывают в море на ходу от получаса до пяти часов. Паромное сообщение требует строгого соблюдения графика движения, поэтому чрезвычайно важно, чтобы он соблюдался независимо от погодных условий. Естественно, что периодически (или в определенные сезоны) погодные условия из-за ураганных ветров, тяжелого волнения или ледовой обстановки ужесточаются, поэтому рейсы паромов на какое-то время отменяются. Для возможности коммерчески оправданной эксплуатации скоростных паромов уже при их проектировании внимательнейшим образом изучается статистика ветро-волновых условий в районе трассы и предусматриваются конструктивные меры для снижения вредного воздействия волнения на пассажиров и перевозимые грузы.


К таким конструктивным мерам, безусловно, в первую очередь относится выбор формы обводов. Использование обводов ката-маранного типа с малой площадью действующих ватерлиний или с волнопронизывающими корпусами, а также обводов тримаранного типа с узким средним корпусом и острыми аутригерами позволяет уменьшить воздействие волнения на стабильность движения судна.

Репутацией хороших "мореходов" по-прежнему продолжают пользоваться и однокорпусные суда с грамотно спроектированными обводами: "острые" корпуса с малой полнотой при любом курсе к направлению бега волн подвергаются их воздействию в минимальной степени. Поэтому наиболее крупные скоростные паромы пассажировместимостью до 1800 человек, построенные французской фирмой "Alstom Leroux Naval", испанской фирмой "Bazan" и итальянскими фирмами "Fincantieri" и "Rodriques" (спроектированные для эксплуатации в Средиземном море или в восточной части Атлантического океана), выполнены однокорпусными.

А вот австралийские и норвежские создатели скоростных паромов предпочитают использовать катамаранные формы. В частности, хорошо известны многочисленные катамараны длиной от 40 до 100 м австралийской фирмы "Austal" и паромы фирмы "Incat Tasmania" с волнопронизывающими боковыми и коротким средним корпусом, входящим в соприкосновение с волной только при ее значительной высоте.

Более радикальным способом обеспечения стабильного хода судна на взволнованном море, безусловно, является использование различных систем активного умерения бортовой и килевой качки и минимизации рыскания (так называемые — ride control systems).

Значительная скорость пассажирских паромов, характеризуемая величинами числа Фруда (по длине) от 0.50 до 1.10 и позволяющая многим из них идти в полуглиссирующем ("переходном") режиме, предоставляет возможность эффективного использования управляемых конструктивных элементов с поверхностями, обладающими значительным гидродинамическим качеством. Создаваемые ими подъемные силы могут обеспечить эффективное регулирование крена и дифферента судна, снижая воздействие волнения на стабильность движения.


К современным конструктивным стабилизирующим устройствам относятся:

• управляемые скуловые рули;
• размещаемые в оконечностях судна крыльевые системы в форме перевернутых букв "Т" или "П" с регулируемой величиной подъемной силы;
• управляемые транцевые плиты;
• управляемые интерцепторы.

Использование отдельных типов перечисленных устройств или определенной их комбинации позволяет значительно улучшить мореходные качества скоростных судов (рис. 1, б).

Управляемые скуловые рули

Устанавливаемые на обоих бортах в наиболее широкой части корпуса судна рули симметричного профиля (рис. 2) благодаря повороту на противоположные по знаку углы атаки создают стабилизирующий момент, противодействующий кренящему моменту, инициируемому волнением.

Приводы скуловых рулей электрогидравлические, система управления углами атаки автоматизированная, базирующаяся на сигналах встроенного в нее гироскопического устройства. Чаще всего скуловые рули на скоростных судах рассматриваемого типа устанавливают в корму от ЦТ судна, приближая к кормовой оконечности на остроскулых корпусах; это позволяет использовать их подъемную силу и для регулирования дифферента.

На судах значительной длины с целью уменьшения площади каждого из рулей устанавливаются по две пары рулей в корму и в нос от ЦТ судна. Поскольку на скоростных паромах скуловые рули используются для успокоения бортовой качки и регулирования ходового дифферента, они, как правило, не убираются в корпус.

Крыльевые стабилизирующие устройства

Наибольшее распространение на скоростных паромах (как с одним корпусом, так и на двухкорпусных) получили устанавливаемые только в носовой оконечности Т-образные крылья, у которых регулируется угол атаки либо всего крыла, либо только закрылка (рис. 3 и 4,а). Крылья такого типа способны создавать момент, умеряющий килевую качку судна, или поддерживать желаемый ходовой дифферент. Недостаток этого устройства — существенное увеличение осадки судна (в 1.5-2.0 раза), что затрудняет маневрирование в мелководных гаванях. Для ликвидации этого недостатка приходится предусматривать устройства для подъема крыла — втягивания в корпус поддерживающей его вертикальной стойки или поворота ее вокруг горизонтальной оси с целью укрытия в нише либо за средним корпусом (на тримаранах).

На некоторых судах, где крыло установлено в районе с большой килеватостью, длину вертикальной стойки сводят к минимуму, и крыло (вернее два его бортовых участка) поворачивается у линии киля. Приводы поворота и уборки крыльев — гидравлические.


На катамаранах вместо Т-образного крыла иногда используют системы (только в носу или в носу и в корме) с крыльями, раскрепленными между корпусами (рис. 4, в). Такие крылья позволяют не только стабилизировать предельную качку за счет управления углами атаки их закрылков и демпфирования, но и приподнимать судно из воды, снижая сопротивление корпусов. Такие системы сложны, дорогостоящи и используются на судах небольшого водоизмещения.

Аналогичную роль могут выполнять устанавливаемые в кормовой оконечности однокорпусных судов и катамаранов крылья в виде перевернутой буквы "П" (рис. 4, б). Такие крыльевые системы предназначаются главным образом для регулирования ходового дифферента за счет управления углом атаки закрылков, но могут быть также использованы для умерения килевой и бортовой качки, если судно снабжено автоматизированной системой управления с гироскопическими датчиками.

Приводы, управляющие углами атаки закрылков и уборкой крыла (в случае Т-образных систем), как правило, гидравлические.

Управляемые транцевые плиты

Это хорошо известное устройство, широко используемое на скоростных катерах и судах несколько больших размерений для регулирования ходового дифферента на стадии разгона (например, при выходе на глиссирование) или для обеспечения оптимальной посадки при изменяющейся загрузке судна по длине (рис. 6). Транцевыми плитами возможно создавать противокрен при крутых поворотах судна, опуская транцевую плиту на нужном борту.

Плиты, представляющие собой в нерабочем состоянии как бы продолжение поверхности днища, располагаются либо непосредственно за транцем, либо частично или полностью утапливаются в предусмотренные для этого ниши в притранцевых участках днища. Для поворота транцевых плит на высоких скоростях движения требуются значительные усилия, которые создаются гидравлическими приводами (гидроцилиндрами), управляемыми вручную или посредством автоматизированной системы.


В системах стабилизации качки транцевые плиты на большинстве крупных скоростных паромов используются в комбинации с одним или двумя (катамараны) носовыми Т-образными крыльями. Максимально разнесенные по длине эти устройства создают регулируемые по величине подъемные силы, способствующие эффективному снижению ускорений и амплитуд килевой качки.

Управляемые интерцепторы

Способ создания значительных усилий, направленных перпендикулярно траектории движения объекта, благодаря незначительному внедрению острокромочного тела поперек обтекающего корпус с большой скоростью потока хорошо известен разработчикам проектов сверхскоростных самолетов и ракет.

Использование этого принципа для создания подъемных сил на корпусах высокоскоростных глиссирующих катеров было обосновано теоретически и экспериментально российскими учеными и инженерами еще в 70-е гг. минувшего столетия. Сегодня на ряде скоростных катеров, строящихся на отечественных верфях, с успехом внедряются системы регулирования дифферента и стабилизации движения с использованием дистанционно управляемых интерцепторов — острых пластин, выдвигаемых поперек обтекающего днища потока за транцем и (или) за поперечным реданом (см. "КиЯ" №170).

В практику строительства скоростных паромов интерцепторы (рис. 5) стали внедрять с начала 90-х гг. ХХ в., и сегодня они представляют серьезную конкуренцию таким испытанным десятилетиями системам стабилизации движения, как транцевые плиты и управляемые крылья. Гидродинамическое качество интерцепторов (отношение создаваемой или подъемной силы к сопротивлению), как правило, существенно выше, чем у упомянутых устройств благодаря лишь очень малому сопротивлению, создаваемому слегка выдвинутой за транец острой кромкой пластины интерцептора. Вследствие этого для управления интерцептором, имеющим равный с транцевой плитой размах, требуется намного меньшая затрата энергии. Гидравлические или электрические приводы интерцепторов работают от сигналов, подаваемых автоматизированными или ручными системами управления.

Примеры использования систем стабилизации движения

В зависимости от размеров и формы корпуса судна, его скорости и принятых характеристик волнения конструкторы используют различные системы стабилизации качки.

Среди разработчиков систем, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации, следует в первую очередь назвать следующие компании:

• "Maritime Dynamics Inc." — "MDI" (США), установившую за период с 1990 г свои системы с использованием управляемых скуловых рулей, транцевых плит, Т-образных крыльев и интерцепторов более чем на 100 скоростных пассажирских судах;
• "Vosper Thornycroft" (Великобритания), разработавшую конструкцию эффективно работающих скуловых рулей и Т-образных крыльев;
• "Seastate" (Австралия), установившую с 1992 г системы с использованием транцевых плит, Т-образных крыльев и интерцепторов более чем на 40 скоростных паромах, главным образом с катамаранными корпусами;
• "Kvaerner Fiellstrand" (Норвегия), разработавшую оригинальные конструкции Т-образных крыльев для паромов-катамаранов и экспериментирующую с заменой транцевых плит интерцепторами;
• "LA.Mesrl" (Италия/Швеция), интенсивно внедряющую системы с использованием так называемых интерцепторов Хэмфри для стабилизации движения как по бортовой и килевой качке, так и по курсу.

Рассмотрим несколько конкретных примеров.

Построенные в 1998 г на верфи "Fincantieri" крупнейшие на сегодня в мире итальянские паромы типа "MDV 3000" ("Taurus", "Aries") на 1800 пассажиров и 460 автомобилей, имеющие длину 145.6 м и скорость хода 40 уз, оснащены двумя парами управляемых скуловых рулей фирм "MDI/ Vosper" с системой автоматизированного управления.

Итальянская фирма "Rodriques", известная своими достижениями в скоростном паромостроении и применявшая на судах крыльевые системы с середины 50-х гг. прошлого века, на крупнейшем из построенных ею паромов типа "TMV 115" "Federico Garcia Lorca" (2001 г., 900 пассажиров, 220 автомобилей, длина 115.25 м, рейсовая скорость 38 уз — см. рис. 7) применила систему стабилизации движения, включающую две пары разнесенных по длине скуловых рулей, два Т-образных крыла с управляемыми закрылками в корме и одно Т-образное крыло в носовой оконечности. Систему стабилизации движения разработала фирма "MDI".

На головном из паромов типа "TMV 114" ("Aquastrada", 1998 г., 928 пассажиров, 220 автомобилей, длина 113.45 м, скорость 35 уз) предусматривалась разработанная фирмой стабилизирующая система, включавшая носовое Т-образное крыло площадью 7.44 м² и кормовое П-образное крыло площадью 9.24 м², а также две транцевые плиты. Вертикальные стойки кормового крыла были снабжены закрылками, обеспечивающими поддержание курса без активации дефлекторов водометов. Система контроля углов атаки стабилизирующих крыльев обеспечивала скорость их поворота до 20 град/с. На других паромах типа "TMV 114" были предусмотрены две транцевые плиты и управляемые скуловые рули.

Фирма "Kvaerner Fjellstrand" применяла на своих паромах-катамаранах систему, включающую транцевые плиты и Т-образные крылья в носовых оконечностях. В частности, на пароме "Nordic Jet" (1998 г., 428 пассажиров, 52 автомобиля, длина 60.0 м, скорость 36 уз) были установлены полностью поворотные Т-образные крылья на коротких стойках и транцевые плиты с подрезом для уменьшения воздействия струй водометов при их реверсировании (рис. 8). Система стабилизации, получившая обозначение "MDS" (Motion Dampening System — англ.), полностью автоматизирована и работает от датчиков, контролирующих углы качки.

Система "MDS" на катамаранах серии "Jumbo Cat" обеспечивает снижение ускорений килевой качки в носовой оконечности на 30-35° при ходе катамарана на волнении с высотой волн ок. 2.0 м.

Фирмой была также разработана конструкция носового крыла без выступающей вертикальной стойки и поворачивающегося вокруг горизонтальной оси, расположенной вблизи килевой линии корпуса.

Фирма "Incat Tasmania" использовала на своем пароме "Lynx" (2000 г., 900 пассажиров, 267 автомобилей, длина 97.22 м, скорость 42 уз) систему стабилизации, включающую (рис. 9) транцевые плиты на бортовых корпусах и Т-образное крыло, закрепленное у кормовой оконечности короткого среднего корпуса; это крыло убирается из рабочего положения (при отсутствии волнения или во избежание ударов о плавающие предметы) поворотом в корму вокруг горизонтальной оси. Система разработана фирмой-строителем совместно с "MDI".

На крупнейшем из построенных французской компанией "Leroux Alstom Naval" пароме типа "Corsaire 14 000" "Aelos Kenteris" (2001 г, 1742 пассажира, 443 автомобиля, длина 140.0 м, скорость 40 уз) применена система стабилизации фирмы "MDI", включающая (рис. 10) транцевые плиты площадью ок. 17 м² каждая, две пары скуловых рулей площадью более 3.5 м² каждое и носовое Т-образное крыло площадью 13.0 м². Все эти устройства управляются единой автоматизированной системой.

Интересную систему регулирования дифферента скоростного судна предложила норвежская консультативная компания "Paradis Nautica". Названная "SMS" (Ship Motion Control) система позволяет существенно увеличить подъемную силу транцевых плит, применив "удлинение" их в бортовом направлении дополнительными крыльями. Управляя углами атаки таких плит, можно не только регулировать ходовой дифферент, но и, в случае установки на катамаране, умерять бортовую качку (рис. 11).

В последние годы все разработчики систем стабилизации движения, основанных на использовании гидродинамических принципов, активно работают над внедрением на скоростных паромах управляемых интерцепторов.


Так, австралийская фирма "Seastate", начиная с середины 90-х гг., оборудовала ряд скоростных катамаранов системой транцевых интерцепторов. Комплексные натурные испытания были проведены фирмой на 79-метровом пароме-катамаране, обладавшем рейсовой скоростью свыше 30 уз и ранее оснащенном транцевыми плитами. Замена плит интерцепторами (рис. 12) обеспечила снижение ускорений продольной качки на 50% при уменьшении затрачиваемой на это мощности в 10 раз (со 110 до 11 кВт!). Новая система намного легче, практически не занимает места внутри корпусов и намного проще в управлении и в обслуживании.

Фирма "MDI" провела сравнительные модельные испытания эффективности транцевых плит и транцевых интерцепторов. В 2000 г. фирма установила разработанную ею систему стабилизации с носовым Т-образным крылом и интерцепторами за транцем на крупном пароме-катамаране. На волнении с высотой волны 2.0 м момент, вызывающий килевую качку, снижался системой на 30%, а момент, вызывающий бортовую качку, на 60%. Продолжая разрабатывать стабилизирующие системы с использованием интерцепторов для строящихся скоростных паромов, фирма, тем не менее, считает, что использование их не всегда целесообразно.

Благодаря значительной массе транцевые плиты в ходе их динамического поворота вовлекают значительные присоединенные массы воды. Вследствие этого создаваемые плитами вертикальные усилия не уменьшаются пропорционально снижению величины квадрата скорости, что делает их более эффективными, чем интерцепторы, на пониженных скоростях. С помощью транцевых плит можно раскачать судно даже "на стопе". При одинаковом размахе плит и интерцепторов большую подъемную силу на транце можно создать при помощи плит. Сравнительные характеристики эффективности транцевых плит и интерцепторов можно видеть на рис. 13.

По мнению специалистов "MDI", несмотря на такие неоспоримые достоинства интерцепторов, как малая масса, меньшие затраты энергии на работу, меньшую стоимость, простоту монтажа и обслуживания, их имеет смысл применять в системах стабилизации лишь при следующих условиях:

• когда не требуется создание максимальной подъемной силы в кормовой оконечности;
• когда имеются ограничения, не позволяющие разместить транцевые плиты оптимального размера;
• когда увеличение массы судна порожнем становится критическим или когда недопустимо дальнейшее смещение его ЦТ в корму;
• когда форма корпуса и размещение сопла водомета не предотвращают опасное воздействие струй реверсируемого водомета на конструкцию плиты и ее подвески.

Интерцепторы Хэмфри

Фирма "LAMT.srl" запатентовала устройство для стабилизации движения с использованием размещаемых на транце "интерцепторов Хэмфри" (Humphree Interceptors). Оригинальность предложенной схемы состоит в том, что, помимо выдвигаемых за днищевую кромку транца пластин, создающих подъемную силу для регулировки угла дифферента судна, на корпусах судов, бортовые участки транцев которых на ходу погружены в воду, устанавливаются подвижные пластины, выдвигаемые на борт и способные создавать поворотный момент, влияющий на курсовой угол судна (рис. 14).

Пионером в использовании таких "рулевых" интерцепторов выступила фирма "Rodriques", установившая их в 1999 г. на трех паромах типа "Aquastrada TMV 103" компании "Corsica Ferries" (рис. 15). Благодаря значительному углу развала нижней части бортов, создаваемые интерцепторами усилия не только позволяли управлять курсом судна, но и влияли на уменьшение ходового дифферента, что способствовало повышению скорости хода. Так, при дедвейте около 1050 т при симметрично включенных интерцепторах было зарегистрировано увеличение скорости с 38 до 40 уз. Удержание судов "TMV 103" на прямом курсе теперь осуществляется только системой "рулевых" интерцепторов, потребляющих намного меньше мощности, чем дефлекторы водометов. Поворот на 180° только с помощью интерцепторов такого судна (входящего в поворот со скоростью 40 уз) осуществляется за 2 мин 35 с при радиусе поворотной полуокружности 1007 м. Скорость судна на выходе из поворота — 36 уз.

Установленные в 2001 г. на крупнейшем пароме-катамаране "Stena Discovery" (1500 пассажиров) "рулевые" интерцепторы Хэмфри (рис. 16) позволили снизить затраты мощности энергетической установки для достижения рейсовой скорости 40 уз на 3000 кВт; затраты мощности на изменение курса судна при работе только интерцепторного рулевого устройства в 30 раз меньше, чем при использовании дефлекторов водомета (мощность уменьшилась со 120 до 4 кВт). Система управления интерцепторами полностью интегрирована в систему рулевого устройства катамарана, включая управление авторулевым. Когда создаваемого интерцепторами поворотного момента недостаточно для быстрого и значительного изменения курса судна, автоматически подключаются приводы рулевых дефлекторов четырех водометов.

В заключение следует подчеркнуть, что выбор той или иной комбинации стабилизирующих устройств зависит от многих факторов эксплуатационного и конструктивного характера, которые необходимо учесть при проектировании судна для определенного района плавания.

Примечания

1. Для оценки степени комфортности движения на пассажирских судах используется регламентируемый стандартом ISO 2631/3 от 1985 г. показатель MSI (Motion Sickness incidence) — число случаев проявления морской болезни у пассажиров, отнесенное к их общему количеству на борту судна (%) за фиксированные промежутки времени и в зависимости от частотного спектра морского волнения. Приемлемыми значениями MSI считаются 210% за время до двух часов (см. рис. 1).