ВЫБОР ВАРИАНТОВ: ВСЕ ПО-ДРУГОМУ. КАК ВЫЙТИ ИЗ КРИЗИСА СУДОСТРОЕНИЯ.
Военно-промышленный курьер. 02.03.2005. Михаил МАСЛЕНКОВ, изобретатель
Санкт-Петербург
"ВПК" регулярно как в аналитических, так и в дискуссионных материалах освещает проблемы Вооруженных Сил РФ и связанных с ними отраслей науки и промышленности. Так, в статьях, опубликованных в №26 и 46 за 2004 г. В. Заборский и В. Дубровский затронули тему проектирования и применения многокорпусных судов. В. Заборского, например, волнует проблема конкретной и, на его взгляд, перспективной конструкции тримарана. В. Дубровский расширил тематику до проблем проведения аналогичных работ в ведущей научной организации - ЦНИИ им. А.Н.Крылова и внедрения новых разработок и научных взаимоотношений в судостроительной отрасли. На мой взгляд, она имеет более глубокие корни: налицо кризис как общего мирового судостроения, так и российского в современных экономических условиях. Попробую обосновать свою точку зрения и предложить возможный вариант решения назревших проблем.
ПРОБЛЕМА
В настоящее время судостроение называют в числе лидеров отечественной экономики. Эксперты считают, что в ближайшие годы оно вместе со смежными отраслями внесет несколько миллиардов долларов в российский ВВП и сотни миллионов долларов в государственную казну. И эти деньги уже реально поступают. Однако проблема в том, что данные объемы заказов и рост производства достигнуты за счет выполнения экспортных контрактов по линии военно-технического сотрудничества с зарубежными странами. И вполне резонно поставить вопрос о перспективах отрасли после того, как будут выполнены контракты для Индии и Китая.
А перспективы далеко не радужные. Во-первых, рассчитывать на значительные объемы заказов от собственного ВМФ, морского и речного флотов грузовых и пассажирских перевозок не приходится из-за отсутствия у них реального финансирования на изготовление или покупку необходимых судов.
Во-вторых, последние десять-пятнадцать, если не больше, лет предприятия отрасли практически не занимались реконструкцией и модернизацией производств, что привело большинство из них к значительному отставанию от ведущих судостроительных фирм Европы, да и всего мира. На многих предприятиях в значительной мере утеряны и квалифицированные кадры. Таким образом, даже при наличии достаточных объемов экспортных заказов остро встанет проблема их выполнения.
В-третьих, не следует упускать из виду и то, что за последние годы отечественное судостроение (особенно малотоннажное) все более отчетливо приобретает "порочные черты". Постройка "российского" катера сводится к тому, что изготавливается его корпус, в него монтируются силовая установка и оборудование зарубежного производства.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕЛ
Развитие транспортных средств характеризуется неуклонным увеличением их скоростей: быстрыми темпами растут скорости самолетов, электропоездов, ускоряют свой бег автомобили. И лишь скорости транспортных судов, несмотря на наиболее длительный период их развития по сравнению с другими видами транспорта, остаются намного ниже. Причина сравнительной тихоходности судов кроется в том, что, двигаясь на грани двух сред (воды и воздуха), оно вынуждено производить сложные возмущения больших масс тяжелой и вязкой жидкости, требующие значительных затрат энергии для достижения сколько-нибудь значительной скорости. Поэтому реальные скорости транспортных судов более-менее приличного водоизмещения обычно не превышают 15-20 узлов.
Разработка принципов движения судов с использованием подводных крыльев и воздушной подушки позволила в 60-х гг. создать пассажирские суда со скоростями хода, в два-три раза превышающими скорости судов традиционного типа. Флот скоростных судов стал быстро расти. В 80-е гг. к скоростным судам на подводных крыльях (СПК) и воздушной подушке (СВП) присоединились скоростные катамараны. Выигрыш в сопротивлении воды движению у катамаранов по сравнению с обычными судами достигается при больших удлинениях корпусов и больших относительных скоростях (числа Фруда более 0,5).
Катамараны постепенно вытесняют СПК из состава мирового флота, их доля постоянно уменьшается. Сокращается количество и СВП в составе скоростного флота. Такое падение интереса к СПК и СВП связано с очень высокими энергозатратами и повышенными расходами на эксплуатацию этих судов. Кроме того, водоизмещение большинства СПК и СВП ограничено сверху величиной порядка 400-500 т, что весьма сужает область их использования.
Проблемы же взаимоотношений катамаранов и тримаранов и различных типов последних между собой являются более тонкими, и даже специалисты по этим судам не имеют общего мнения (что видно и из статей указанных выше авторов). Но это вопросы частного порядка, и их разрешение заметно не повлияет на состояние мирового судостроения в целом.
Как известно, эволюция всех технических систем происходит по S-образной кривой. После появления системы происходят медленный рост технических параметров и постепенное завоевание признания у потребителей. Затем наступает период достаточно быстрого ее развития, улучшения технических параметров, роста числа модификаций и широкой популярности у потребителей. Но приходит время, когда, несмотря на все технические совершенствования, рост технических параметров системы прекращается и развитие переходит на пологую ветвь S-образной кривой. В зависимости от крутизны этой ветви можно говорить о моральном или физическом старении системы. Учитывая, что уже многие десятилетия у мирового судостроения нет существенных успехов в части ускорения перевозок, можно говорить об общесистемном кризисе мирового судостроения и необходимости перехода к новым техническим решениям, позволяющим обеспечить количественный и качественный скачок технических характеристик судов новой конструкции. К сожалению, СПК, СВП, катамараны и многокорпусные суда, экранопланы и прочая "экзотика" решают или слишком мелкие, или сугубо частные проблемы судостроения.
Поэтому дальнейший путь эволюционной модернизации судов традиционной конструкции заведомо проигрышный и даже тупиковый, т. к. нет возможности резкого улучшения технических, мореходных и эксплуатационных их характеристик. И единственным путем, который может достаточно быстро и с относительно малыми финансовыми затратами вывести отечественное и мировое судостроение из общесистемного кризиса, является разработка и постройка водных транспортных средств, основанных на новых принципах, которые позволили бы скачкообразно - на десятки процентов или в несколько раз - улучшить их характеристики.
АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ
До настоящего времени подавляющую часть мирового надводного флота составляют суда водоизмещающего типа с движителями, расположенными в кормовой части. Но за многие десятилетия своего существования скорость судов подобного типа существенно не изменилась и в настоящее время составляет несколько десятков километров в час, несмотря на совершенствование формы корпуса и двигательные установки в сотни тысяч лошадиных сил. Объясняется это тем, что сопротивление движению таких судов с ростом скорости растет резко нелинейно и требует для его преодоления больших энергетических затрат.
Но именно размещение движителей в кормовой части судна создает условия для возникновения сил сопротивления движению. Так, при работе движителей в кормовой части создается зона пониженного давления, а на носовую часть действуют соответствующие силы лобового давления. Преодолевая его и раздвигая массу воды, корпус судна создает систему волн, приводящую к появлению волнового сопротивления, принципиально ограничивающего скорость движения судна известным соотношением Фруда. При движении судна на его корпус действуют силы трения, также противодействующие движению. Сумма этих основных сил и создает мощное сопротивление движению судов.
Вполне логично в связи с этим выглядели попытки размещения движителей на носовой части судна. "Передний привод" должен был снизить лобовое давление и привести к появлению сил кормового давления, действующих в направлении движения. Однако положительный эффект у известных конструкций судов с "передним приводом" практически полностью ликвидируется возрастанием сил трения за счет "прилипания" упорных струй к корпусу и перераспределения сил давления по корпусу судна.
Как известно, пропульсивные качества судна определяются не только сопротивлением движению корпуса и КПД двигателя, но существенно зависят от величины коэффициента засасывания t и коэффициента попутного потока W. При традиционных обводах корпуса и расположении движителя в корме t = 0,06-0,08, W= 0,02-0,05, а коэффициент влияния корпуса nk =(1-t) / (1-W) = 0,94-0,98, т. е. достаточно близок к пределу.
При носовом же расположении движителей у известных конструкций судов t = 0,2, W= 0, а коэффициент влияния корпуса nk = 0,8, т. е. пропульсивные качества судна в этом случае ухудшаются почти на 20%. Это одна из причин, по которой "передний привод" до настоящего времени не нашел практического применения в судостроении.
Если проанализировать формулу коэффициента nk с точки зрения традиционной гидромеханики, то будет видно, что надводные суда традиционного типа имеют практически очень малый (на несколько процентов) резерв для улучшения своих технико-экономических показателей. Выход из данной ситуации возможен только путем перехода к качественно иной технической системе, идею которой несколько лет назад предложили Т.Ф. Савельев и М.Я. Масленков.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Из той же формулы nk можно видеть, что обеспечить его существенное увеличение может только коэффициент попутного потока W. При его увеличении до единицы коэффициент nk стремится к бесконечности. Следует отметить, что попутному потоку в судостроении уделяется явно недостаточное внимание, хотя его влияние на движение судна известно и пассивно используется (см., например, Т.К. Гилмер. Проектирование современного корабля. Л., Судостроение, 1984, с.153; Х. Баадер. Разъездные, туристские и спортивные катера. Л., Судостроение, 1977, с.274). В последней из указанных книг говорится: "Гребной винт всегда стремятся расположить как можно выгоднее в поле попутного потока, влияние которого увеличивает упор винта, не требуя для этого увеличения мощности. Чем сильнее попутный поток, тем меньшая мощность требуется от движителя".
Однако до настоящего времени создать попутный поток, способный оказать заметное влияние на пропульсивные качества судов, не удавалось, хотя в явном виде такая задача в литературе по судостроению не встречалась. В то же время в природных условиях такие потоки можно наблюдать довольно часто, например, за резкими выступами или изгибами берегов рек. Это мощные и достаточно протяженные потоки, направленные против течения реки. В литературе по судовождению они носят название аномальных течений и весьма неприятны для малых судов. На сибирских реках в них попадают и не могут "выбраться" даже вековые деревья. Таким образом, если повторить это природное явление техническими средствами и создать вдоль корпуса судна достаточно мощный попутный поток, то появится возможность значительно снизить энергозатраты судна или повысить скорость его движения при той же мощности двигательной установки.
Оценим количественно возможное улучшение пропульсивных качеств судна по данному техническому решению. Приняв для носового расположения движителей t=0,2, которым мы оперировали ранее, и, учитывая, что в данном случае попутным потоком может быть охвачена практически вся подводная часть корпуса за миделевым сечением, т. е. W = 0,8-0,9, получим: nk = (1-0,2) / (1- 0,8-0,9) = 4-8!!!
Отсюда видно, что данное техническое решение позволит повысить пропульсивные качества судна в несколько раз, а не на несколько процентов, которые есть еще в резерве у судов традиционной конструкции. Скорости движения порядка ста и более километров в час при этом могут стать вполне реальными, что позволит вывести водный транспорт на качественно иной уровень. При этом поле деятельности здесь практически безгранично - от скоростных спортивных и разъездных катеров до гигантских транспортных судов и танкеров.
СУЩНОСТЬ ПРЕДЛАГАЕМОЙ РАЗРАБОТКИ
Положительный эффект в предлагаемом Т. Савельевым и М. Масленковым техническом решении обеспечивается не только попутным потоком, а комплексным использованием целого ряда физических эффектов, которые образуются или целенаправленно создаются техническими средствами у новой конструкции судна. В этот комплекс физических эффектов и технических мер входят: снижение лобового давления и образование сил кормового давления, действующих в направлении движения; ликвидация волнообразования и вызванного им принципиального ограничения скорости движения судна; создание попутного потока вдоль корпуса судна и появление сил трения в направлении движения и способствующих ему и некоторых других.
Правильность исходных предпосылок и работоспособность идеи были проверены авторами на маломерных моделях с гребными винтами. Конструктивно движители располагались в носовой части корпуса под острым углом к диаметральной и основной плоскостям судна, несколько изменена была и традиционная форма корпуса.
Модельные испытания показали, что:
- перед носовой частью судна создаются прогиб водной поверхности и зона пониженного давления, что приводит к появлению сил кормового давления, направленных в сторону движения;
- упорные струи от винтов не прижимаются к корпусу и за ними образуется попутный поток; за счет эжекции в упорные струи попутный поток приобретает скорость большую, чем скорость судна, что приводит к появлению сил трения, но направленных уже в сторону движения и способствующих ему;
- забор воды в носовой части и попутный поток вдоль корпуса в направлении движения ликвидируют волнообразование, и судно движется в спокойной воде, при этом снимается принципиальное ограничение скорости, обусловленное волновым сопротивлением;
- судно приобретает высокую курсовую устойчивость и высокую маневренность, при этом развороты можно производить практически на месте;
- при неработающих движителях в условиях внешнего волнения судно разворачивается носом к волнам и движется навстречу им, что способствует повышению его живучести и непотопляемости.
Таким образом, в данном техническом решении движители, создаваемые ими упорные струи и корпус судна взаимодействуют как единое целое, значительно ослабляя силы сопротивления движению или же вообще меняя их направление и помогая движению. В этом случае уже можно говорить о едином комплексе движитель - корпус судна, в отличие от судов традиционного типа, где движителю приходится преодолевать силы сопротивления, создаваемые им самим и корпусом судна.
Однако, по мнению специалистов, провести чисто теоретические обоснования описанных выше физических эффектов весьма сложно. Необходимо провести корректно поставленный эксперимент на полномасштабных моделях и (или) натурные испытания маломерного судна, которые или подтвердят справедливость изложенной выше идеи и дадут жизнь новому направлению в судостроении, или покажут ее несостоятельность.
Сравнение характеристик судов известных конструкций с движителями в кормовой и носовой частях и судов по предлагаемому техническому решению приведено в таблице.
Как видно из таблицы, у судов по настоящему техническому решению существенно могут быть улучшены практически все характеристики. И это, пожалуй, самое большое достоинство данного технического решения. Специалисты знают, что у судов традиционной конструкции улучшения одних характеристик приходится добиваться компромиссным ухудшением других.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано при проектировании и построении скоростных водоизмещающих судов практически всех существующих типов - от маломерных катеров до гигантских грузовых судов и танкеров, а также боевых кораблей различного класса. Недостижимые же ранее технические характеристики позволят создавать суда нового назначения.
Суда по предлагаемому техническому решению будут обладать и такими конкурентными преимуществами, как:
1. Упрощение обводов подводной части корпуса, повышение технологичности и снижение трудоемкости их изготовления.
2. Существенное увеличение внутренних объемов корпуса, расширение возможностей компоновки судов, возможность применения дополнительных мер безопасности.
3. Существенное увеличение палубных площадей, что в принципе важно для судов всех типов, а особенно для военных кораблей.
4. Полнота носовых обводов заметно не ухудшит мореходных качеств судна, что позволит строить скоростные крупнотоннажные грузовые и пассажирские суда и суда новой конструкции и назначения, в том числе и военного.
5. Существенное улучшение управляемости и маневренности судов, повышение безопасности плавания.
6. Обрастание корпуса не повлияет на ходовые качества судна, что позволит существенно снизить эксплуатационные расходы.
7. Повышение скорости движения в несколько раз должно существенно повысить роль водного транспорта в мировой транспортной системе и приведет к удешевлению и существенному росту перевозок водным транспортом.
8. Последствия для экологии будут самые благоприятные. Повысятся надежность и маневренность судов, что позволит избежать многих возможных аварийных ситуаций и существенно снизит экологические последствия от них. Меньшая мощность судовых энергоустановок потребует и уменьшения расхода топлива и позволит сократить количество вредных выбросов в воздушную и водную среды. А увеличенный полезный внутренний объем позволит выделить больше места для сбора вредных отходов внутри корабля и не выбрасывать их в воду или же разместить дополнительное оборудование для их переработки или регенерации.
9. Массу преимуществ будут иметь и военные корабли новой конструкции. Это и существенно увеличенные скорость и маневренность, высокая экономичность. Отличные мореходные характеристики, большая площадь палуб, возможность "размазать" корабль по поверхности, снизить его заметность и обеспечить высокую непотопляемость. Большие внутренние объемы позволят разместить больше вооружения, живой силы и техники, принять дополнительные меры для повышения безопасности корабля, увеличения автономности плавания и др.
Остается только убедиться, что вышеизложенное техническое решение не только обещает светлое будущее отечественному и мировому судостроению, но и практически реализуемо с достаточно малыми материальными и временными затратами.
ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ
Предлагаемое техническое решение весьма серьезно затрагивает устои традиционного судостроения и гидромеханики, его реализация в обычном порядке потребует огромных интеллектуальных, материальных и временных затрат, а также преодоления консервативных научного и чиновничьего барьеров. Об этом в своей статье писал В. Дубровский, да и нам с Т.Ф. Савельевым пришлось столкнуться с этим по полной программе. Поэтому более целесообразно построить по рекомендациям авторов экспериментальный образец маломерного катера и провести его ходовые испытания. На это потребуется 10-20 тыс. долл. и несколько месяцев работы.
Результаты испытаний экспериментального образца должны подтвердить правильность идей, заложенных в предлагаемое техническое решение. Эта уверенность основывается на том, что предлагаемое техническое решение базируется не на умозрительных предположениях авторов, а на реально существующих в природе и частично описанных в научно-технической литературе физических эффектах, которые комплексно и целенаправленно предлагается повторить техническими средствами. По высказываниям некоторых специалистов по гидромеханике, с которыми обсуждалось данное техническое решение, если оно позволит повысить скорость движения судов не в несколько раз, а хотя бы на 30-50%, то и это будет большой скачок в судостроении.
После практической проверки предлагаемого технического решения и подтверждения описанных в нем эффектов можно будет развернуть серию полномасштабных НИОКР по различным наиболее востребованным типам судов. Их успешная реализация позволит говорить о возможности занятия Россией достойного места на рынке сложного и высоконаучного судостроения, транспортного, пассажирского и военного. При этом суда по данному техническому решению, обладая в несколько раз более высокими ходовыми и эксплуатационными характеристиками, будут иметь более простую конструкцию, меньшую потребность в сложном технологическом и специализированном оборудовании, большую универсальность и др.
Сошлюсь опять на В. Дубровского. Он пишет, что в современных условиях множества альтернативных вариантов ни в коем случае нельзя внедрять какой-либо один новый тип корабля путем административного нажима. Нужны реальная конкуренция нескольких типов кораблей на стадии эскизного проекта, доведение нескольких альтернативных вариантов до технического проекта - только при такой организации появится возможность реализации новых технических решений. Но при реальной конкуренции порядочных и эрудированных специалистов, а не при соревновании лоббистов у ног начальства.
При нормальном подходе к проектированию и серийному освоению судов традиционной конструкции с этим трудно не согласиться. Только так и должно быть, и в значительной мере так и решаются эти вопросы в судостроительном зарубежье. Но, к сожалению для авторов этих альтернативных решений, предлагаемое техническое решение при его практическом подтверждении все перевернет. Ведь суда по предлагаемому техническому решению, обладая уникальным набором технико-экономических, ходовых и эксплуатационных характеристик, сделают практически ненужными подавляющую часть этих вариантов. И я убежден, что конкурировать с ним не смогут ни многокорпусные корветы и фрегаты, ни суда на подводных крыльях и на воздушной подушке. Вот тогда и можно будет давать расширенную оценку военно-экономической эффективности судов новой конструкции с широким привлечением специалистов, имеющих знания и опыт, нужные для получения положительных результатов. И вести для этого несколько параллельных проектов не будет никакой необходимости.
Несмотря на малую потребность в материальных и временных затратах, не все обстоит просто и с точки зрения экономики. Многолетняя практика показала полное отсутствие интереса у ведущих отечественных проектных и судостроительных организаций и предприятий к данному техническому решению. На множество писем в их адреса и адреса высоких петербургских региональных и федеральных чиновников не пришло даже ни одного ответа, не говоря уже о желании принять участие в создании экспериментального образца. А ведь и нужно было всего - корпус маломерного катера, пара моторов и два-три месяца работы нескольких конструкторов и механиков по их доработке. И при этом предприятие практически даром получило бы права на продукцию с уникальными техническими характеристиками, не достижимыми никем в мире. По-видимому, "экономика должна быть экономной" не на этих предприятиях, и мало вероятно, что когда данное решение получит практическое подтверждение, у этих руководителей найдутся реальные деньги на лицензии по нему. Но ничего не поделаешь, знать судьба у них такая - учиться на своих ошибках и пожинать их горькие плоды. Не сомневаюсь, что позднее они в полной мере и на своем предприятии получат урок жесткой конкуренции на рынке. И чтобы иметь свое место на нем, нужно "не хлопать ушами" и "ждать манны небесной", а и со своей стороны предпринимать максимум возможных действий. К сожалению, многие отечественные руководители до сих пор не понимают или не умеют делать этого.
Данное техническое решение подавалось в несколько инвестиционных фондов и принимало участие в нескольких конкурсах. В 2004 г. оно получило высокую оценку на конкурсе русских инноваций - вышло в финал, но, к сожалению, финансирования все равно не получило. Не получается пока найти и инвесторов для финансирования изготовления и испытания экспериментального образца. Не приходится рассчитывать и на государственную поддержку, которая, как показывает практика, обычно заканчивается пустопорожними разговорами о необходимости инновационного пути развития России или разработкой очередной программы либо концепции развития (в том числе и отечественного судостроения), чаще всего не подкрепленных финансовыми средствами.
Так что заниматься практической реализацией своей идеи приходится самостоятельно и за счет небольших свободных средств авторов.
