О многокорпусных – более детально

Введение

Вторая половина ХХ века в кораблестроении ознаменовалась бурным развитием морского вооружения, совершенствованием главных энергетических установок и применяемых материалов. Ранее являвшаяся главным оружием кораблей артиллерия уступила эту роль ракетам самого различного назначения. После создания ПЛ с ядерными ЭУ и баллистическими ракетами открылись совершенно новые возможности подводного флота, и существенно усложнилась противолодочная оборона. Линейные корабли как основная ударная сила надводных флотов уступили место авианосцам. Кроме того, вертолёты стали неотъемлемой частью вооружения надводных кораблей (НК) среднего и большого водоизмещения. Сегодня на повестке дня – широкое применение беспилотных летательных аппаратов на НК для расширения боевых возможностей последних. Паротурбинные ГЭУ кораблей уступили место газотурбинным, гораздо более компактным и лёгким. Это открыло новые перспективы повышения скоростей НК.

Все эти процессы в некоторой мере оттеснили на второй план задачи совершенствования корпуса НК как платформы для несения вооружения. В частности, практически перестали расти скорости полного хода НК. С другой стороны, многолетний опыт постройки и использования традиционных однокорпусных НК привёл к практически полной исчерпанности резервов их существенного совершенствования. Например, главные размерения фрегатов сегодня можно выбирать практически по статистическим данным, извлекая некоторый резерв повышения тактико-технических характеристик только при отработке формы обводов на поздних стадиях проектирования. Такие усовершенствования отражаются уже на величине второго, а то и третьего знака оптимизируемых характеристик…

C начала 1990-х годов ситуация начала меняться. В частности, были сделаны выводы из ограниченности радиуса действия многих типов морских ракет: оказалось, что для нанесения удара на пределе дальности нужна высокая скорость, как и для уклонения от ответного удара. Это было доказано опытом использования ракетных катеров в локальных конфликтах. Кроме того, было осознано, что высокая скорость снижает вероятность подрыва неконтактными минами. Флоты и кораблестроители разных стран снова обратили внимание на необходимость повышения скоростей полного хода катеров, мало- и среднетоннажных кораблей. Возможности такого повышения обеспечены совершенствованием ГЭУ. Так что уже около 20 лет рассматриваемые перспективные НК развитых стран имеют скорости не ниже 40 узлов – при господствовавшей ранее скорости около 30 узлов.

При этом более заметно проявляется зависимость скорости от мореходности.

Что касается скоростных катеров, все поиски новых конструктивных решений за последние десятилетия в значительной мере были связаны с принципиальной невозможностью обеспечения приемлемой мореходности достаточно давно используемых глиссирующих и полуглиссирующих катеров.

С другой стороны, с середины прошлого века начались и постоянно росли по объёму исследования характеристик многокорпусных судов, в основном – катамаранов. Эти исследования реализуются в последние 30-40 лет в постоянно расширяющемся применении скоростных катамаранов в качестве пассажирских и автомобильно-пассажирских паромов. Не считая, вероятно, тысяч малотоннажных спортивных, рыболовных, туристских катамаранов, к сегодняшнему дню около 70% скоростных пассажирских паромов – катамараны. Причём автомобильно-пассажирские паромы водоизмещением около 800 – 1000 тонн уже преодолели рубеж скорости полного хода 40 узлов, имеются суда со скоростями 50-55 узлов. Надо отметить, что доля скорости полного хода линейного парома во времени его использования весьма высока – в отличие от скорости полного хода НК, обычно не превышающей 10 – 15% времени службы. Это требует большого моторесурса ГЭУ и высокой её надёжности.

Кроме того, необходимость освоения шельфа океанов привела к созданию и широкому применению сотен полупогружных буровых платформ, которые фактически являются судами с малой площадью ватерлинии. Эти объекты достаточно большого водоизмещения и габаритов рассчитаны на предельные волнения в местах использования интенсивности и в целом обеспечивают необходимый уровень безопасности эксплуатации.

Собственно суда с малой площадью ватерлинии, в основном – двухкорпусные, также изучаются и строятся в мире. К сегодняшнему дню их было построено около 70 – разного водоизмещения и назначения, включая скоростные пассажирские паромы и океанское круизное судно.

Построены также несколько судов и кораблей с аутригерами, называемых за рубежом тримаранами.

После длительных исследований и практического освоения многокорпусных судов в транспортном судоходстве начинается их внедрение и на ВМФ: построен экспериментальный 1000- тонный корабль с аутригерами, корвет водоизмещением 1400 тонн со скоростью 50 узлов, первый из возможной серии "литоральных кораблей" с аутригерами, заказан второй такой корабль, а также 10 скоростных катамаранов для быстрой переброски войск на небольшие расстояния.

Часто пытаются заранее выбирать тип корабля на основе сравнения отдельных характеристик кораблей различных типов, например, веса корпуса, площади смоченной поверхности и т.п. Однако такие сравнения бессмысленны, поскольку для каждого назначения и района плавания каждый тип корабля имеет собственные преимущества и недостатки, их значимость различна, и сравнить их баланс можно, только выполнив ранние этапы проектирования рассматриваемых кораблей с примерно равной точностью, а затем сопоставив их по критерию "стоимость-эффективность". Но для такого сравнения надо иметь материалы, обеспечивающие ранние стадии проектирования. А рассмотрение отдельных качеств кораблей сравниваемых типов при определённых условиях, чаще всего – при одинаковом водоизмещении или длине, полезно для того, чтобы заранее видеть их преимущества и недостатки для определённых назначений, наиболее полно использовать преимущества и максимально компенсировать недостатки. Краткий сравнительный обзор характеристик многокорпусных кораблей приведён ниже.

Габаритные размерения и площадь палуб

Один корпус катамарана обычно имеет относительную длину (отношение длины по ватерлинии к кубическому корню из объёмного водоизмещения), примерно равную этой же длине однокорпусного корабля того же водоизмещения, или несколько большую. При этом примерное подобие размерений корпусов означает уменьшение длины одного корпуса катамарана на 20%. Коэффициенты полноты корпусов могут считаться такими же, как и у сравнимого однокорпусного корабля.

Необходимость уменьшения гидродинамического взаимодействия корпусов, которая будет обсуждаться ниже, заставляет разносить корпуса не менее чем на ширину одного из них. При этом относительно небольшое влияние расстояния между корпусами на прочность, о котором также будем говорить ниже, позволяет разносить корпуса достаточно далеко, если это необходимо (см. рисунок 1).

А практическое отсутствие ограничений по поперечной остойчивости позволяет увеличивать высоту борта, то есть количество палуб внутри соединяющей корпуса платформы и внутри корпусов.

Поскольку полнота подводных объёмов КМПВ, иногда называемых гондолами, обычно больше сравнимых однокорпусных НК или катамаранов, а ширина и высота лимитированы тем, что должны обеспечивать размещение ГЭУ, длина корпусов первых обычно меньше аналогичных размерений традиционных НК и катамаранов.

Похожие оценки позволяют оценить соотношения габаритных размерений всех типов многокорпусных объектов по отношению к "эталонному" однокорпусному, а также относительную площадь ВП. Ниже будет показано, что с точки зрения веса соединяющих корпуса конструкций необходима объёмная конструкция, соединяющая корпуса, "надводная платформа" или "мост". Потому на многокорпусных объектах достаточного водоизмещения платформа состоит как минимум из двух палуб, причём вторая палуба практически равна верхней по площади.

Краткие результаты сравнительных оценок относительной величины ВП показаны в таблице 1.

(Здесь тримараном названо судно из трёх одинаковых корпусов традиционной формы, трикором – то же, с корпусами с малой площадью ватерлинии.

Таблица показывает, что площадь ВП каждого многокорпусного судна в той или иной мере больше сравнимого однокорпусного прототипа. Конечно, эти оценки весьма приближёны, в частности, так как размеры платформы могут быть и больше, чем габариты системы корпусов, однако дают некоторую общую картину соотношения площадей.

Однако известно, что на размерения современных НК сильно влияет необходимость обеспечения существенных площадей палуб: около 7 – 10 квадратных метров на тонну водоизмещения, а для авианесущих НК – и более. Поэтому с точки зрения обеспечения нужной площади палуб для размещения современных – тем более перспективных – систем оружия многокорпусные корабли очевидно перспективны.

В среднем соотношения размерений многокорпусных объектов значительно отличаются от аналогичных соотношений однокорпусных, например:

• большее отношение габаритной ширины к такой же длине (0,3 – 1,0 вместо 0,1 – 0,2),
• большая относительная высота борта (0,1 – 0,2 вместо 0,07 – 0,1),
• меньшей шириной одного корпуса по отношению к осадке (0,3 – 2,5 вместо 2 – 4 для однокорпусных морских объектов),
• большим удлинением одного корпуса (до 25-30 вместо 3 – 10).

Прочность и вес корпусных конструкций

Обычно именно возможность обеспечения прочности вызывает наибольшее количество вопросов и сомнений. Кроме того, необходимость обеспечения минимального веса соединяющей корпуса конструкции определяет оптимальную её схему, что влияет на все характеристики объекта. Поэтому, вопреки обычным канонам изложения, рассмотрим прежде всего проблемы прочности многокорпусных объектов.

Сегодня можно считать доказанным, что общие поперечные нагрузки вызываются горизонтальными скоростями при стоянке лагом к волнам. Схема внешних нагрузок на конструкцию многокорпусного судна показана на рисунке 2.

Обычно до 80 – 85% изгибающего поперечную конструкцию момента составляет момент от горизонтальной силы, а последняя приближённо считается равной водоизмещению бокового корпуса. И только 15 – 20% момента определяется нагрузкой на платформе и её собственным весом.

Определяющая роль горизонтальных сил в поперечной нагрузке имеет важное следствие: увеличение расстояния между корпусами не приводит к росту нагрузки на соединяющую корпуса платформу, увеличивается только нагрузка (относительно небольшая) от собственного веса и полезного груза в платформе. Это позволяет достаточно свободно выбирать расстояние между корпусами по соображениям, не связанным с весом платформы.

Определяющая роль водоизмещения бортового корпуса обеспечивает объектам с аутригерами наименьшие поперечные изгибающие моменты, поскольку водоизмещение аутригеров обычно невелико, а потому – и наименьший вес конструкций, обеспечивающих поперечную прочность.

Для обеспечения минимального веса соединяющая корпуса конструкция (иногда называемая "мостом") должна иметь достаточную высоту. Это можно показать на простом примере.

Рассмотрим поперечную балку, соединяющую корпуса высотой 1 метр с полками шириной 1 метр и с толщиной 10 миллиметров. Она может воспринять определённый изгибающий момент при заданном уровне напряжений в связях. Теперь увеличим высоту балки в два раза, оставив те же полки и ту же толщину. Тогда вес балки – при постоянной длине – вырастет в 1,33 раза. А момент сопротивления, то есть и воспринимаемый момент, увеличится в 4,5 раза. Понятно, что это – уже не балка, а переборка, а её полки – это присоединённые пояски соответствующих палуб.

Учёт необходимости обеспечения устойчивости формы изгиба и местных нагрузок несколько снижает указанный выигрыш, но общий итог сохраняется: лучше всего платформа объёмная. Надо отметить, что поперечные переборки в платформе должны опираться на переборки в корпусах, причём последние не обязательно должны быть непроницаемыми, только ослабление вырезами должно быть максимально компенсировано, а расположение вырезов и проходов во всех переборках также регламентируется соображениями прочности.

Понятно, что ширина стоек КМПВ обычно меньше высоты платформ, так что стойки являются наиболее напряжёнными частями конструкции и для обеспечения их минимального веса необходимо обеспечить возможно более полное включение обшивок бортов стоек в общий поперечный изгиб. А для этого нужно определённое количество поперечных переборок в корпусах – на всю их высоту (от днища до ВП). Если это условие выполнено, то расчётная толщина обшивок, например дуплуса, оказывается несколько меньше, чем минимальные толщины по Морскому Регистру РФ.

Лучше, если платформа распространена почти на всю длину многокорпусного объекта, хотя с точки зрения слеминга днища платформы её лучше делать короче. Если по какой-либо причине не нужен весь внутренний объём платформы, то связывающие корпуса поперечные переборки (и отдельные части платформы между ними) должны быть расположены только в оконечностях: для лучшего противодействия крутящим моментам. В среднем носовые переборки надводных платформ катамаранов удалены от носовых перпендикуляров на 10 – 15 % длины корпусов. Кормовые переборки могут находиться в плоскости транцев корпусов.

Второй специфической проблемой многокорпусных объектов является возможный слеминг днища платформы. Его вероятность (при постоянных амплитудах качки) зависит от экспоненты расстояния от расчётной ватерлинии до днища платформы, то есть относительно небольшое увеличения этого расстояния, "вертикального клиренса", приводит к заметному снижению частоты и интенсивности ударов. Например, увеличение на 20% при прочих равных условиях приводит к снижению вероятности слеминга в 3 раза. Кроме того, имеются и конструктивные меры для снижения интенсивности ударов при неизменном клиренсе. Тем не менее выбор вертикального клиренса при проектировании – достаточно сложная задача, хотя в этом плане и имеется уже некоторая статистика.

Если выполнить условие равенства вероятностей слеминга днища катамарана и заливания палубы сравнимого традиционного НК, то днище платформы должно быть размещено на высоте, равной высоте надводного борта НК. Допустим, что высота платформы составляет два яруса, то есть внутри неё имеется одна промежуточная палуба. Обычно надстройка традиционного НК среднего и больше среднего водоизмещения также имеет не меньше двух ярусов различной протяжённости. Тогда ВП катамарана будет на высоте палубы второго яруса надстройки традиционного НК. Поскольку все помещения, размещаемые в надстройке традиционного НК, нужно размещать в платформе сравнимого катамарана, то на ВП последнего будет только минимальная ходовая рубка. Если учесть, что обычно катамаран короче традиционного НК, то боковой силуэт первого будет несколько меньше или таким же, как и второго. Попутно отметим, что единая платформа даёт возможность оптимального завала бортов для снижения отражающей способности корабля.

Вертикальный клиренс КМПВ обычно примерно в полтора раза больше, чем катамарана. В сумме со сниженной качкой это даёт меньшую примерно на порядок вероятность слеминга днища КМПВ.

Продольный изгибающий момент, например, катамарана, несколько меньше, чем у сравнимого обычного НК – благодаря меньшей длине. Также включение в общий продольный изгиб платформы повышает момент сопротивления конструкций продольному изгибу. Что касается двухкорпусных КМПВ, то они тоже короче, чем сравнимые обычные НК и катамараны. Но главное – продольный момент пропорционален площади ватерлинии и снижается с ростом скорости на встречном волнении благодаря особенностям качки, см. ниже. Поэтому продольный изгибающий момент играет второстепенную роль в обеспечении прочности двухкорпусных КМПВ.

Для трёхкорпусных объектов, которые относительно длиннее, продольный изгибающий момент играет относительно большую роль, чем для двухкорпусных, и в конструкции платформ первых должны быть продольные переборки, обеспечивающие восприятие этого момента. Понятно, что чем больше продольный выдвиг центрального корпуса, его водоизмещение и площадь ватерлинии, тем больше и продольный изгибающий момент. Однако все эти особенности достаточно просто прогнозируются на ранних стадиях проектирования и измеряются на моделях на более поздних стадиях.

Как известно, вес конструкций голого корпуса корабля на две трети определяется весом обшивок палуб и переборок. Более точный учёт этого веса важен для многокорпусников, поэтому методика прогнозирования веса корпуса этих объектов основана на предварительном определении площади палуб, бортов и переборок.

Остойчивость и непотопляемость

Отмеченная выше большая относительная ширина многокорпусных объектов, несмотря на несколько сниженную длину, всё же приводит к тому, что и абсолютная ширина многокорпусников обычно больше сравнимых однокорпусных объектов. Момент инерции ватерлинии относительно продольной оси, определяющий поперечный метацентрический радиус, у многокорпусного объекта состоит из двух частей: суммы собственного момента площади ватерлиний всех корпусов и переносных моментов, который определяется квадратом расстояния от ДП каждого корпуса до общей ДП объекта. Если ширина корпусов на уровне ватерлинии мала, как у объектов с малой площадью ватерлинии, то второе слагаемое преобладает по величине.

Надо отметить, что метацентрическая высота является малой разностью больших величин. Поэтому даже небольшое увеличение метацентрического радиуса обычно является существенным увеличением метацентрической высоты. А увеличивать метацентрический радиус проще всего за счёт увеличения расстояния между корпусами, обычно небольшого.

Все типы многокорпусных объектов сильно различаются по величине начальной остойчивости. Например, поперечная остойчивость катамарана может быть даже равной продольной или несколько превышать её. Так что совершенно рационально использование катамаранов, например, в качестве крановых судов, несущих на палубах тяжёлые конструкции большого веса и перегружающих их собственными кранами большой грузоподъёмности. И если вдруг оказывается, что катамаран не удовлетворяет какому-то из требований к начальной остойчивости, скорее всего, он просто плохо спроектирован.

Все трёхкорпусные объекты при равном водоизмещении, площади ватерлинии и при близкой габаритной ширине имеют меньшую поперечную остойчивость, поскольку ватерлиния центрального корпуса даёт маленький вклад в величину момента инерции ватерлинии. И наоборот, при равном водоизмещении и площади ватерлинии для обеспечения равной поперечной остойчивости трёхкорпусный объект должен иметь заметно большую ширину.

Наименьшую начальную остойчивость имеет трисек, поскольку у него обычно наименьшая площадь ватерлинии.

Понятно, что изменение ширины корпусов и расстояния между ними позволяют менять остойчивость многокорпусных объектов в очень широких пределах. Практически можно сказать, что для многокорпусников не существует ограничений, диктуемых проектировщику однокорпусных объектов необходимостью обеспечивать заданную начальную остойчивость.

Остойчивость судов и кораблей регулируется нормами и правилами, соответствующими назначению и району плавания. Обычно для многокорпусников с традиционными обводами выполнение этих норм не составляет труда. Но при проектировании СМПВ и КМПВ нормы остойчивости начинают влиять на размерения с первых шагов проектирования. На ранних стадиях проектирования очень удобны нормы, принятые ВМС США: корабль должен иметь крен не более 10 градусов при стоянке лагом к ветру со скоростью 10 узлов для неограниченного района плавания, 50 узлов – для ограниченного района.

Продольная метацентрическая высота КМПВ обычно существенно меньше, чем у сравнимого традиционного НК, как по причине меньшей длины, так и малости площади ватерлинии. Потому представляется рациональным нормировать продольную остойчивость КМПВ, хотя бы с учётом соотношения длины и ширины: чтобы максимальное продольное перемещение заданного груза вызывало бы такой же дифферент, как крен от максимального поперечного перемещения.

Особенности непотопляемости и аварийной остойчивости многокорпусных НК определяются как значительным и высоко расположенным объёмом платформы, обычно в разы превышающим водоизмещающий объём, так и их увеличенной шириной. Наиболее рационально выполнять объём между днищем платформы и внутренней палубой разделёнными непроницаемыми переборками, а продольные проходы иметь на внутренней палубе. При одноярусной платформе её следует также делить на непроницаемые отсеки, обеспечивая продольный проход в рубке на ВП. Не прикрытые надстройками вырезы и отверстия на ВП платформы надо максимально сдвигать к ДП и к миделю, что также повысит непотопляемость.

Учитывая то, что основные жилые и служебные помещения на многокорпусниках размещаются в платформе, необходимо выполнить хотя бы одну непроницаемую палубу или платформу в корпусах или стойках. Это также сильно повысит непотопляемость.

Практика показала высокую непотопляемость хорошо спроектированных катамаранов. Так, скоростной паром, севший на рифы, имел затопленным один корпус целиком и более половины второго корпуса. Тем не менее остался на плаву, никто не пострадал, и судно было отбуксировано на ремонт. Какое однокорпусное судно осталось бы на плаву при таких повреждениях?

Особенности общего расположения

Описанные выше особенности многокорпусных НК (обычно объёмная платформа и отсутствие ограничений по остойчивости) позволяют отметить рациональные особенности использования и общего расположения таких объектов.

Прежде всего, многокорпусники наиболее рациональны для размещения объёмной полезной нагрузки или, что идентично – требующей больших площадей внутренних палуб. Очевидно, что такую нагрузку, а также жилые, служебные и вспомогательные помещения, требующие частого пребывания людей, рационально размещать в надводной платформе и надводной части корпусов. В корпусах желательно размещать тяжёлые или редко посещаемые системы, такие как ГЭУ, электростанция, запасы топлива и воды и т.д. Надо отметить, что многокорпусные варианты открывают существенные новые перспективы, например, для таких НК, как тральщики. Поскольку мощность ЭУ у них обычно не так велика, так как невысока требуемая скорость, всю энергетическую установку можно разместить в надводной платформе, а свободные от запасов отсеки корпусов заполнить негорючим плавучим материалом, что существенно повысит живучесть таких кораблей.

Гибкость распределения подводных объёмов, оборудования и систем открывает также новые перспективы снижения подводного шума противолодочных НК: применение тянущих низкооборотных малошумных винтов. Судя по имевшимся ранее методикам прогнозирования шума винтов, такие винты должны иметь как сниженный уровень низкочастотного шума, который обычно демаскирует НК на больших расстояниях от него, так и низкий уровень высокочастотного шума, что означает существенное снижение помех в работе собственных акустических станций НК. Тянущие винты должны быть размещены в невозмущённом потоке, то есть на носовых оконечностях аутригеров возможно меньшего водоизмещения. Один их потенциальных вариантов ПЛО КМПВ был разработан когда-то Северным ПКБ, рисунок 3.

Необходимые для снижения шума низкие обороты тянущих винтов означают большие диаметры, что обеспечивает также высокий собственный КПД винтов. Однако то, что генерируемый тянущими винтами поток обтекает аутригеры, определяет большой коэффициент засасывания при очень низком попутном потоке, то есть коэффициент влияния корпуса для тянущих винтов всегда меньше единицы. С точки зрения пропульсивных качеств тянущие винты при равном диаметре менее эффективны, чем толкающие, а также не могут быть рекомендованы в том случае, когда не требуется минимальный уровень подводного шума.

Следует отметить, что при использовании тянущих винтов ГЭУ лучше размещать в надводной платформе, что также снизит уровень подводного шума. Передачу мощности к винтам следует выбирать также с учётом требования к пониженной шумности.

Однако обычно ГЭУ всё же лучше размещать в корпусах. Если это КМПВ, то такое размещение потребует определённой ширины стоек – хотя бы в районе МО, потому что эта ширина должна обеспечивать возможность монтажа/демонтажа агрегатов при их ремонте и замене. Понятно, что для погрузки/выгрузки нужны существенно меньшие зазоры между агрегатом и корпусными конструкциями, чем проходы для обслуживания агрегата на штатном месте.

Живучесть и скрытность

Рассмотренные особенности конструкции, общего расположения, остойчивости и непотопляемости можно свести в некоторый обзор особенностей скрытности и живучести многокорпусных НК.

1. Разделение подводного объёма на несколько частей, удалённых друг от друга, позволяет разделять энергетическую установку и/или корабельную электростанцию на несколько автономных частей, а также дублировать наиболее важные посты управления.
2. Увеличенная внутренняя вместимость и площадь палуб на тонну водоизмещения позволяет без ущерба для размещения помещений увеличить количество поперечных переборок и изолирующих отсеки коффердамов. Кроме того, часть внутренних объёмов может быть заполнена негорючими блоками из вспененных материалов с малым удельным весом.
3. Значительный объём соединяющей корпуса надводной платформы означает большой запас плавучести. Одновременно это обстоятельство позволяет ликвидировать надстройки и уменьшить объём рубок для снижения радиолокационной заметности, а также придать надводной части оптимальную с этой точки зрения форму.
4. Значительный объём надводной платформы и сниженное влияние требований к остойчивости позволяет размещать энергетику в надводной части, защищая ЭУ от поражения из-под воды и снижая уровень подводного шума.
5. Начальная поперечная метацентрическая высота многокорпусного корабля может быть такой же, как у однокорпусного, или превосходить последнюю в10 раз и более в зависимости от типа корабля. Кроме того, применение водяного балласта в надводной части позволяет даже – до определённого предела – увеличивать аварийную остойчивость по сравнению со случаем неповреждённого корабля.
6. Размещение газовыхлопа между корпусами позволяет снизить заметность в инфракрасном диапазоне, а также достаточно просто применить дополнительные меры, например, орошение забортной водой, для снижения температуры отходящих газов.
7. Применение тянущих гребных винтов на корабле с аутригерами позволяет резко снизить генерируемый движителями подводный шум и акустическую заметность корабля.
8. Использование кораблей с малой площадью ватерлинии (КМПВ), отличающихся повышенной мореходностью, может обеспечить снижение вероятности гибели повреждённого корабля на волнении.
9. Бортовые корпуса (аутригеры) могут обеспечить защиту основного корпуса от надводного и от подводного взрыва.

Следует отметить, что оптимальная степень реализации всех этих мер, их эффективность, а также связанные с этими мерами изменения других характеристик должны быть рассмотрены в ходе проектирования корабля каждого назначения.

Ходкость

1. Водоизмещающие НК

Особенности буксировочного сопротивления многокорпусных НК, по сравнению с однокорпусными и друг с другом, определяются противоборством двух тенденций. С одной стороны, разделение подводных объёмов всегда приводит к росту удельной смоченной поверхности (отнесённой к объёмному водоизмещению в степени две трети). Кроме того, отсутствие ограничений со стороны остойчивости позволяет использовать корпуса достаточно большого удлинения, что также увеличивает удельную смоченную поверхность.

С другой стороны, указанный рост удлинения корпусов приводит к уменьшению волнового сопротивления. Кроме того, широко применяемая сегодня методика пересчёта результатов испытания модели на натуру показывает уменьшение коэффициента остаточного сопротивления (основной частью которого является волновое) при увеличении абсолютного значения смоченной поверхности, даже если реально волновое сопротивление совсем не падает. С учётом этих обстоятельств представляется бессмысленным прямо сравнивать смоченные поверхности кораблей разных типов даже при каком-то определённом условии, скажем, при одинаковом водоизмещении. Сравнивать можно только уже спроектированные на заданные условия корабли.

Что касается смоченной поверхности одного корпуса, то она увеличивается при росте его относительной ширины и удлинения, а также при переходе к обводам с малой площадью ватерлинии, см. рисунок 4.

При этом надо отметить, что обычно корпуса МПВ имеют заметно меньшую относительную длину, так что рисунок должен рассматриваться с учётом этого обстоятельства. Пример этого – сравнение сечений a и b: первое соответствует наиболее распространённому значению для традиционных НК, а второе – наиболее близкое к среднему для вероятных КМПВ.

Сравнение коэффициентов остаточного сопротивления в зависимости от относительной длины и типа обводов приведено на рисунке 5.

Прежде всего, надо отметить, что остаточное сопротивление сильно падает с ростом относительной длины от минимальных величин до значений около 10, а дальнейший рост удлинения влияет намного меньше. Также очевидно, что корпуса с МПВ имеют меньшее остаточное сопротивление.

Поскольку многокорпусные объекты обычно имеют большую смоченную поверхность, они имеют и большее удельное сопротивление на невысоких относительных скоростях – числах Фруда. А при высоких скоростях, когда начинает сказываться положительное влияние большого удлинения корпусов, многокорпусные объекты могут иметь преимущество по сравнению с однокорпусными того же назначения. В частности, как правило, многокорпусные НК будут иметь повышенное сопротивление на экономических скоростях, то есть для обеспечения заданной дальности нужен будет больший запас топлива.

Всё отмеченное относится к буксировочному сопротивлению на тихой воде. Однако на волнении ситуация меняется в сторону улучшения сравнительных характеристик многокорпусных объектов, прежде всего – КМПВ, за счёт лучшей мореходности и меньшему дополнительному сопротивлению на волнении.

Кроме особенностей сопротивления каждого корпуса, заметную роль в сопротивлении многокорпусных объектов играет взаимодействие генерируемых корпусами волновых систем, отражающееся в величине волнового сопротивления.

Взаимодействие корпусов катамарана в большинстве случаев приводит к повышению сопротивления и только в узком диапазоне чисел Фруда по длине – около 0,35 – может быть благоприятным. Напротив, взаимодействие трёх корпусов может быть благоприятным и существенным в нескольких – и достаточно широких – диапазонах чисел Фруда.

Увеличенное удлинение корпусов как резерв снижения сопротивления характерно в основном для катамаранов объектов и центральных корпусов объектов с аутригерами. Для тримаранов и трикоров главный резерв улучшения ходовых качеств – именно благоприятное взаимодействие волновых систем, генерируемых корпусами (рисунок 6). Трикор имеет преимущество в диапазоне чисел Фруда от 0,4 до 0,7 – при максимуме этого преимущества на числе Фруда 0,5.

Очевидно, что это сравнение – при постоянном водоизмещении – не является окончательным, поскольку в реальном проектировании начнёт играть роль увеличенный вес корпусов более удлинённого варианта. Однако такое сравнение показывает возможные направления совершенствования ходовых качеств. Для КМПВ характерно также влияние взаимодействия волновых систем гондол и стоек, что нужно учитывать уже при выборе типа объекта. Например, дуплус всегда хуже сравнимого трисека в районе чисел Фруда около 0,5, но лучше – при более низких относительных скоростях.

Что касается движителей, то обычно на многокорпусниках применяются те же, что и на традиционных в соответствии с диапазоном скоростей рассматриваемого объекта. Отдельно надо отметить, что обычно располагаемые в ДП корпусов движители могут иметь больший диаметр, а потому и больший собственный КПД, а также всегда – больший попутный поток и меньшее засасывание, то есть увеличенный коэффициент влияния корпуса по сравнению с бортовыми движителями традиционных НК.

Обычно многокорпусные НК с МПВ плохо приспособлены для относительных скоростей переходного режима, поскольку имеют большой ходовой дифферент, резко увеличивающий буксировочное сопротивление. Однако предложенные новые обводы КМПВ в сумме с автоматически оптимизирующими дифферент и посадку подводными крыльями позволяют повысить достижимую скорость КМПВ до границы начала глиссирования ценой небольшого снижения мореходности. Ранее был показан возможный внешний вид фрегата с МПВ водоизмещением около 3 – 3,5 тыс. тонн со скоростью 60 – 65 узлов. (

Модельные испытания и проектные исследования показали, что при обычных для современных НК удельных мощностях до 35- 40 л.с. на тонну скорость полного хода мало- и среднетоннажных многокорпусных НК МПВ может быть увеличена до уровня 50 - 65 узлов при некотором повышении мореходности по сравнению с однокорпусными.

2. Скоростные катера

Основные особенности многокорпусных катеров таковы же, глиссирующие катамараны в отношении ходкости отличаются близостью ходового дифферента к оптимальным значениям, хотя относительное увеличение смоченной поверхности также налицо. Ранее были выполнены некоторые сравнения катеров различных типов. Было показано, что лучшими по ходовым качествам на тихой воде являются скоростные катера, КВП – далеко не лучшие на волнении.

Сегодня оптимальным сочетанием относительно небольшой стоимости постройки, хороших ходовых качеств и повышенной мореходности являются так называемые "рассекающие волны" катамараны (РВК), которые уже вышли на рациональный предел достижимых скоростей. Дело в том, что корпуса большого удлинения рациональны для переходного режима скоростей, когда число Фруда по водоизмещению не более 3, а для глиссирующих катеров нужны корпуса малого удлинения. Сегодня самые быстроходные РВК имеют относительную скорость полного хода около 2,7 – 2,9, то есть дальнейший рост скорости уже требует меньшего удлинения корпусов. Простой переход к более коротким корпусам не решает таких проектных проблем, как продольная остойчивость и необходимая площадь палуб. Для существенного повышения достижимых скоростей был предложен и запатентован новый тип катера: "рассекающий волны" тримаран (РВТ). Модельные испытания показали, что такой тип катера рационален при числах Фруда по водоизмещению одного корпуса около 6 и более, то есть примерно вдвое большем, чем в настоящее время у РВК. При этом необходимо обеспечить минимальное воздушное сопротивление надводной платформы и можно рационально использовать воздушную подъёмную силу на крыловидной платформе для аэродинамической "разгрузки" корпусов. Разработка концепт-проектов на основе испытаний в бассейне и аэродинамической трубе показала возможность повышения достижимых скоростей примерно в два раза по сравнению с достигнутым на сегодня уровнем. Ранее был показан пример патрульного РВТ водоизмещением около 150 тонн со скоростью до 75 – 85 узлов.

При таком конструктивном решении отодвигается граница начала "дельфинирования" глиссирующих корпусов, а также сохраняется преимущество "рассекающих волны" катамаранов в части мореходности.

Качественное сравнение РВТ со скоростными катерами других типов показано в таблице 2. Здесь показаны сравнительные "места" типов катеров в отношении различных качеств и характеристик, лучшим вариантом является получивший наименьшее количество баллов.

Таблица показывает, что предложенный тип скоростного катера может быть интересен для "москитного флота".

Мореходность

Особенности мореходности многокорпусных объектов определяются, прежде всего, отличием их собственных периодов качки. Как известно, собственный период качки определяется соотношением инерционных и восстанавливающих сил и моментов. Первые определяются массой (вертикальная качка) или моментам инерции (килевая и бортовая качка), а восстанавливающие силы и моменты – площадью ватерлинии и остойчивостью.

Поскольку продольная остойчивость катамарана приблизительно равна той же остойчивости традиционного объекта той же длины, и мало отличаются площади ватерлинии и моменты инерции относительно миделя, то и собственные периоды килевой и вертикальной качки близки по значениям. Обычно близки также силы и моменты демпфирования продольной качки, потому обычно близки и амплитуды продольной качки.

Совсем иначе дело обстоит с бортовой качкой. Хотя момент инерции относительно продольной оси при переходе от однокорпусного объекта к катамарану несколько увеличивается, поперечная остойчивость растёт намного больше. Поэтому и периоды бортовой качки снижаются примерно вдвое. Это значит, что катамараны попадают в резонансные условия качки на более коротких волнах, имеющих меньшую высоту. На достаточно интенсивном волнении катамараны качаются уже в зарезонансном режиме, то есть амплитуды качки меньше, чем в условиях резонанса.

У тримаранов демпфирование продольной качки больше, чем у катамаранов, поэтому и амплитуды качки несколько меньше.

Иные соотношения инерции и остойчивости КМПВ во многом определяют особенности их качки. Поскольку момент инерции относительно миделя у дуплуса и трисека несколько меньше, чем у сравнимого обычного НК, а продольная остойчивость значительно меньше, собственные периоды качки КМПВ примерно вдвое больше, чем у традиционных однокорпусников. Что касается бортовой качки, то остойчивость дуплуса и трисека близка к остойчивости однокорпусного НК, а момент инерции относительно продольной оси значительно больше. Результат тот же: собственный период бортовой качки КМПВ примерно вдвое больше, чем у обычного НК. Очевидно, что снижение площади ватерлинии при данном водоизмещении также приводит к росту собственного периода вертикальной качки.

В целом это означает, что объекты с малой площадью ватерлинии обычно могут попасть в условия резонансной качки не на встречном, как сравнимые однокорпусники, а на попутном или близком к нему волнении, что и наблюдается на практике.

Ещё большее влияние имеет малая площадь ватерлинии. Практически можно считать, что возмущающие силы и моменты КМПВ уменьшаются прямо пропорционально соотношению площадей ватерлинии с обычным НК.

По данным модельных и натурных испытаний, объект МПВ имеет примерно такую же качку, что однокорпусный в 5 – 15 раз большего водоизмещения: в зависимости от достигнутой удельной площади ватерлинии.

На рисунке 7 показаны результаты одновременных натурных испытаний однокорпусного 3000-тонного фрегата, 100-тонного катера береговой охраны и 200-тонного КМПВ “Kaimalino” в том же районе моря и при близких скоростях.

Испытанное СМПВ имело наименьшую из достигнутых площадь ватерлинии и относительно большую площадь рулей-успокоителей. Так что показанные результаты можно рассматривать только как предельно благоприятные.

С ростом скорости на встречном волнении КМПВ попадают во всё более удалённые от резонанса условия продольной качки, так что её амплитуды при этом падают. В тех же условиях ускорения растут, но гораздо медленнее, чем у сравнимых однокорпусников. Если учесть, что дополнительное сопротивление на встречном волнении пропорционально ширине на уровне ватерлинии, то представляется очевидным, что лучшая тактика штормования КМПВ – встречные или близкие к ним углы относительно фронта волн. Так что в этом случае имеющийся запас мощности будет эффективно применён для повышения мореходности с ростом скорости.

Снижение возмущающих сил и моментов делает их величины сравнимыми с силами и моментами, генерируемыми успокоителями качки различных типов. Понятно, что увеличение скорости повышает эффективность рулей-успокоителей качки. Небольшой объём стоек КМПВ в районе ватерлинии позволяет компенсировать различные перемещения на малых ходах и на стоянке за счёт небольшого количества балласта.

Например, носовые пассивные крылья между корпусами катамарана площадью около 10 % площади ватерлинии снижают амплитуды килевой качки на 25 – 30. Успокоители качки КМПВ намного более эффективны, они могут снижать качку в 2 – 8 раз – в зависимости от скорости хода, характеристик рулей и приводов и систем управления.

Сравнительные расчёты мореходности показали, что КМПВ может быть "всепогодным" НК при водоизмещении около 5 – 6 тысяч тонн, если считать всепогодным корабль, могущий использовать всё вооружение, включая авиацию, и иметь полную скорость хода на волнении 6 баллов, поскольку более интенсивное волнение имеет повторяемость менее 1 % даже в наиболее суровых морях.

Немного об управляемости

Все многокорпусные объекты имеют повышенную устойчивость на курсе, а потому – сниженную поворотливость по сравнению с традиционными НК. При этом надо иметь в виду – чем выше скорость, тем обычно хуже поворотливость всех плавучих объектов.

Наиболее своеобразна управляемость объектов МПВ: она очень сильно зависит от ходовой посадки. Интересно, что построено относительно тихоходное КМПВ, совсем не имеющее вертикальных рулей и меняющее курс при определённом изменении крена и дифферента. Так что применительно к КМПВ проблема управляемости несколько шире, чем для всех объектов с традиционной формой обводов.

Исследования и практика показали, что особенности управляемости многокорпусных объектов не являются препятствием для их использования.

Немного о проектировании

Общей особенностью проектирования многокорпусных объектов является отсутствие приемлемых (или достаточно близких) прототипов, поэтому проектировать приходится вариантным методом с прямыми оценками влияния геометрических параметров на тактико-технические характеристики. Это требует предварительной разработки методов такой оценки, что и было в основном завершено за последние 20 – 25 лет.

Эффективность использования многокорпусных объектов в качестве носителей объёмных полезных нагрузок определяет специфику алгоритма выбора размерений и их варьирования. Одним из основных исходных требований должна быть необходимая площадь палуб или внутренний объём. Такой подход обеспечивает гораздо более быструю сходимость процесса, чем обычно задаваемое сегодня предварительно водоизмещение.

Площадь палуб и возможные ограничения позволяют перейти к варьируемым габаритным размерениям, затем – прямо к площадям обшивок и весу корпусных конструкций. Последующая оценка полного водоизмещения, требуемой мощности ЭУ и запаса топлива обеспечивает оценку начальной остойчивости и отсев вариантов, не удовлетворяющих требования по этой характеристике. Затем цикл приближений повторяется для оставшихся вариантов, пока разница значений водоизмещения в последовательных приближениях не достигнет заданной величины (достаточно малой). Затем оценивается мореходность и при необходимости выбираются меры для её повышения.

Эффективный алгоритм выбора размерений позволяет избежать постоянного недостатка проектировавшихся прежде вариантов: избыточной площади палуб, а потому – веса корпуса и стоимости постройки.

Конечно, на реальном корабле наличие избыточных площадей означает улучшение условий работы и отдыха экипажа. Но проблема в том, что повышение расходов при этом оценивается достаточно точно, а получаемый рост эффективности оценить невозможно. В результате "избыточный" вариант всегда проигрывал однокорпусному по многим показателям…

Необходимо отметить, что пока влияние мореходности не включено в оценку "стоимость – эффективность", вряд ли с полной очевидностью удастся доказать необходимость любого совершенствования мореходности, включая применение новых типов объектов.

В настоящее время разработка проектов многокорпусных объектов на ранних стадиях обеспечена необходимыми исходными материалами.