Особенности трехкорпусного корабля, предложенного С.А.Руденко

Терминология

Новизна тематики для многих специалистов заставляет обратить особое внимание на применяемую ниже терминологию – во избежание возможной путаницы в терминах.

Ниже используются следующие термины (например, Dubrovsky, V., Ships With Outriggers, 2004, Backbone Publishing Co., USA, 88 p.):

– "трехкорпусный объект" (корабль или судно) – состоящий из трех водоизмещающих объемов независимо от соотношений их размерений и формы обводов;
– "объект с аутригерами" – трехкорпусный, состоящий из большего центрального корпуса и двух меньших бортовых корпусов (аутригеров) независимо от формы обводов;
– "тримаран" – объект из трех одинаковых корпусов с традиционными обводами;
– "трикор" – объект из трех одинаковых корпусов с малой площадью ватерлинии.

Аутригеры и (центральный) корпус могут иметь одинаковые или различные обводы, традиционные или с малой площадью ватерлинии.

Предложение С.А.Руденко предусматривало корпус обычных обводов и аутригеры с малой площадью ватерлинии, рис. 1.

Общие особенности объектов с аутригерами

Очевидно, что добавление аутригеров освобождает удлинение центрального корпуса от ограничений, определяемых начальной поперечной остойчивостью. За счет аутригеров может быть достаточно просто обеспечена такая же, как у однокорпусного объекта, или даже большая остойчивость. Однако удлинение корпуса нужно выбирать с учетом квадратичной зависимости веса конструкций, обеспечивающих продольную прочность, от длины (при прочих равных условиях).

Далее появляется дополнительная площадь палуб при минимальном росте массы корпусных конструкций. При объемной конструкции, соединяющей аутригеры и корпус, увеличиваются надводные объемы и упрощается обеспечение аварийной остойчивости и непотопляемости.

Очевидно, что наличие соединяющей аутригеры и корпус конструкции ("надводной платформы" или "моста") означает возможность возникновения слеминга этой конструкции, что отражается на главных размерениях объектов с аутригерами.

В отношении общего расположения наличие аутригеров означает возможность более свободного размещения ЭУ и судовой электростанции, включая возможность их разделения между корпусом и аутригерами для повышения живучести энергетики.

Также на аутригерах могут быть размещены дополнительные движители и/или подруливающие устройства.

С точки зрения прочности объекты с аутригерами отличаются наименьшим увеличением массы корпусных конструкций по сравнению с одиночным корпусом, потому что поперечные нагрузки, доминирующие в обеспечении прочности многокорпусных объектов, прямо определяются водоизмещением боковых корпусов, а аутригеры обычно относительно малы.

Понятно, что добавление аутригеров означает появление их собственного буксировочного сопротивления, а также той или иной интенсивности взаимодействия волновых систем.

В смысле мореходности наличие аутригеров означает некоторое перераспределение масс, что отражается на собственных периодах качки. Это несколько меняет воздействие морского волнения на объект.

В смысле управляемости добавление аутригеров влияет неоднозначно, и это влияние сильно зависит от их относительного положения и размеров.

Особенности, прямо определяемые первоначальным назначением

Первоначально корабль, предложенный С.А.Руденко, рассматривался как противолодочный. Поэтому ключевым элементом концепции являлось применение тянущих низкооборотных винтов, размещенных в невозмущенном потоке перед гондолами аутригеров.

Как показывали расчеты по имевшимся тогда методикам, такие винты могли обеспечить резкое снижение низкочастотного шума, наиболее далеко распространяющегося и демаскирующего противолодочный корабль, задолго до начала акустического контакта ПЛ с активной ГАС НК. Кроме того, резко снижаются и высокочастотные составляющие шума винтов, создающие помехи собственной ГАС.

Необходимость размещения в невозмущенном потоке диктовала вынесение винтов на гондолах носовее расходящихся носовых волн корпуса. Это определило достаточно большую габаритную ширину: не менее 35% длины корпуса (при размещении аутригеров на миделе корпуса).

Также было понятно, что отбрасываемый винтами поток может вызывать как местную вибрацию обшивок аутригеров, так и их общую вибрацию, то есть быть причиной дополнительных акустических помех. Поэтому было принято, что диски винтов должны отстоять от форштевней стоек не менее чем на полтора – два диаметра винтов. Необходимо отметить, что названные дополнительные помехи зависят как от размеров частей аутригера, так и от жесткости его конструкции. Поэтому более или менее реальный уровень шума тянущих винтов может быть определен подробным расчетом вибрации (менее точно) или натурными испытаниями (более точно, но только для конкретного объекта). Таких исследований до сих пор не проводилось.

Кроме того, было понятно, что обтекание гондол и стоек ускоренным и закрученным потоком за винтами приведет к повышению собственного сопротивления стоек, то есть формально – к повышенному коэффициенту засасывания, хотя стойка аутригера частично раскрутит поток и снизит эту часть потери энергии. Для снижения нежелательного эффекта увеличения сопротивления в потоке от винта гондолы и стойки аутригеров должны иметь минимально возможные размерения. При этом "попутный поток подпора" также минимален.

Для дальнейшего снижения уровня подводного шума было принято размещение ГЭУ над аутригерами, а также предложена принципиально новая малошумная передача мощности на винты.

В результате освободились значительные объемы в центральном корпусе, обычно занятые ЭУ.

Некоторые результаты исходных технических решений

Очевидно, что при примерно равных диаметрах тянущие винты всегда будут иметь несколько меньший пропульсивный коэффициент, чем толкающие (из-за повышенного засасывания, невысокого попутного потока и невозможности возврата некоторой части энергии трения, характерного для толкающих винтов). Поэтому при отсутствии высоких требований к акустическим качествам тянущие винты нерациональны. Размещение винтов на кормовых оконечностях аутригеров обеспечивает им некоторое преимущество по сравнению с тянущими, поскольку снижается коэффициент засасывания.

Требуемые минимальные размеры аутригеров определяют относительно небольшую добавочную площадь палуб, получаемую за счет аутригеров с тянущими винтами. Поэтому для несения вертолета с достаточно большим диаметром винта, то есть достаточно тяжелого и хорошо вооруженного, на небольшом корабле по схеме С.А.Руденко придется размещать дополнительные откидные панели вдоль бортов (для обеспечения опоры воздушной подушке винта при взлете и посадке).

Первоначально автор идеи предполагал, что вынесение стоек обоих аутригеров за линии носовых расходящихся волн приведет к нулевому взаимодействию волновых систем корпуса и аутригера. Однако модельные испытания этого не подтвердили. На рис. 2 показаны экспериментальные данные о влиянии аутригеров на коэффициент остаточного сопротивления корпуса с обычными обводами [1].

Представляется очевидным, что взаимодействие приближается к нулевому только при достаточно высоких относительных скоростях. Кроме того, видно, что возможно и благоприятное влияние волновой системы аутригеров на остаточное сопротивление корпуса (в достаточно узких диапазонах относительной скорости Fn: около 0,23 и 0,35 для поперечного клиренса 0,37, близкого к обычно принимаемым значениям для схемы С.А.Руденко).

Это означает, что при отсутствии высоких требований к акустическим качествам, то есть при отказе от тянущих винтов, можно искать оптимальное положение аутригеров как по ширине, так и по длине – компромиссное для скорости полного хода и экономической скорости. Оптимальное положение аутригеров может повысить ходовые качества объекта с аутригерами.

Особенность рассматриваемой концепции определяет также особенность качки корабля.

При примерно равной с однокорпусным кораблем начальной остойчивости, увеличивается момент инерции относительно продольной оси, т.е. растет собственный период бортовой качки. При этом ее демпфирование также увеличивается, хотя и не так сильно, потому что предусмотренные аутригеры малы по размерам и достаточно обтекаемы при вертикально перемещении. В целом это приводит к снижению амплитуд качки на достаточно коротких волнах и некоторому повышению – на длинных, вблизи резонанса с бортовой качкой.

Концентрация существенной массы вблизи миделя приводит к заметному снижению момента инерции относительно поперечной оси, а продольная остойчивость остается практически такой же, как у одиночного центрального корпуса. Это означает уменьшение собственного периода килевой качки. В результате на встречном волнении килевая качка снижается при больших кажущихся периодах волнения, но увеличивается – при небольших. Более точно определить соответствующие зоны можно только для конкретного проекта.

Вертикальная качка практически остается такой же, как у одиночного центрального корпуса.

В связи с изложенным следует предостеречь против сильного снижения отношения ширины корпуса к его осадке B/d при снятии ограничений его соотношений размерений по остойчивости (для уменьшения удельной смоченной поверхности). Чем меньше это отношение, тем меньше и демпфирование килевой и вертикальной качки, а потому – больше их амплитуды.

Целесообразные области применения

Изложенное показывает, что рассмотренная концепция соответствует той цели, которая была поставлена при ее создании: обеспечение минимальной акустической активности в нижней полусфере. (Хотя в настоящее время можно предложить и метод усовершенствования концепции: применение центрального корпуса с малой площадью ватерлинии, что существенно снизит продольную качку и потери скорости на волнении).

Однако соответствующие названной цели ограничения могут препятствовать рациональному использованию схемы для других нужд. С другой стороны, множество типов многокорпусных объектов достаточно велико для выбора типа, максимально соответствующего назначению конкретного корабля.

В целом можно резюмировать информацию о концепции корабля, предложенной С.А.Руденко: она, вероятно, оптимальна при создании корабля ПЛО, особенно – с введением указанного выше усовершенствования. Однако применимость рассмотренной концепции для других целей должна быть доказана в каждом конкретном случае путем сравнения с возможностями других соотношений размерений аутригерного объекта и других типов многокорпусных объектов.