автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Выбор гидродинамической схемы судна на подводных крыльях и её аналитическая оценка на ранних стадиях проектирования

На правах рукописи

УДК 629.124.9:533.693(204.1)

Мухина Милена Львовна

ВЫБОР И АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СУДНА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ НА РАННИХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.08.03 - Проектирование и конструкция судов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4856543

О 3 [,;др

Нижний Новгород - 2011

4856543

Работа выполнена на кафедре «Кораблестроение и авиационная техника» ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (Hl ТУ им. P.E. Алексеева)

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Зуев Валерий Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Панченков Анатолий Николаевич

кандидат технических наук, доцент Шабаров Василий Владимирович

Ведущая организация:

ФГОУ ВПО

«Волжская государственная академия водного транспорта» (ВГАВТ)

Защита состоится «17» марта 2011 года в 12 часов в ауд. 1258 Hl ТУ им. P.E. Алексеева на заседании диссертационного совета Д212.165.08 по специальности 05.08.03 - Проектирование и конструкция судов.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять на имя Ученого секретаря диссертационного совета Д212.165.08 по адресу: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24. Факс: (8312) 436-9475.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ им. P.E. Алексеева.

Автореферат разослан » 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.165.08,

доктор технических наук,

Е.М. Грамузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. К началу 90-х годов прошлого века отечественный скоростной пассажирский флот по своей численности и масштабам перевозок не имел аналогов в мире. В подавляющем большинстве этот флот был представлен судами, разработанными ЦКБ по СПК им. P.E. Алексеева. В эксплуатации находилось свыше 440 единиц пассажирских судов на подводных крыльях (СПК) различных типов. Регулярным скоростным сообщением они связывали более полусотни крупных речных и морских портов. Осуществлялись регулярные поставки теплоходов за рубеж.

Смена в государстве экономического уклада стала одной из определяющих причин начавшейся в то время ликвидации стабильно и успешно функционирующей транспортной системы. До 2003г. пассажирские перевозки на СПК продолжали дотироваться из госбюджета, затем началось массовое закрытие скоростных линий. Оказалось, что в условиях рыночной экономики, в первую очередь, стихийного роста цен на топливо, СПК не выдерживают конкуренции с междугородными автобусами. Заложенные на «генетическом» уровне более высокие, чем у автобусов приведенные расходы топлива у СПК стали поводом для пересудов об их техническом совершенстве. Поэтому автор диссертации посчитала необходимым, наряду с результатами исследования по основной теме диссертации представить в ней материалы аналитического обоснования тезиса, согласно которому СПК P.E. Алексеева были и продолжают оставаться высокотехнологичными машинами, имеющими свою нишу в транспортной системе государства. Их сравнение с автобусами изначально является некорректным. Линии эксплуатации СПК не должны дублировать автобусные маршруты. В России имеется достаточное число мест, где водный транспорт остается в летнее время безальтернативным. Остались нереализованными возможности использования СПК для доставки рабочих бригад, работающих вахтовым методом в прилегающих к рекам районах Сибири и Дальнего Востока, обслуживания морских буровых установок. Имеются примеры успешного применения СПК в качестве экскурсионных судов, сохраняются до сих пор гарантированные возможности поставки на экспорт, прекращение которых идет вразрез со стремлением государства к уменьшению сырьевой доли экспорта. Растет востребованность изучения возможностей применения СПК для несения патрульно-пограничной службы, органов Рыбнадзора и МЧС. Нельзя не учитывать также, что утрата алгоритмов проектирования СПК и специфических технологий их постройки неминуемо означает отставание страны в области военно-морских технологий, ибо функция общественной полезности СПК не ограничивается только пассажирскими перевозками.

Цель работы. Разработка методологии проектирования гидродинамического комплекса СПК, позволяющей с наименьшими затратами времени и средств восстановить проектирование и строительство новых судов этого типа.

Задачи исследования: • Сравнительный анализ эффективности использования топлива пассажирскими транспортными машинами принципиально различных типов (СПК, автобусы, самолеты, и др.).

• Поиск и анализ материалов в подтверждение тезиса о приоритетной роли задачи построения схемы гидродинамической компоновки (гидродинамической схемы) СПК в начальной стадии проектирования объекта.

• Анализ и разработка методического обеспечения для решения проектных задач, посвященных реализации двух важнейших функций гидродинамического комплекса СПК: - разгона судна с обеспечением его «выхода на крылья» и - устойчивости движения объекта в расчетном режиме.

• В процессе ретроспективного обзора, посвященного диалектике изобретения и развития гидродинамической схемы «тандем», обосновать безальтернативность применения этой схемы в предстоящей модернизации СПК; при этом приоритеты должны быть отданы схемам с самостабилизацией движения, основанной на использовании «эффекта Алексеева».

• Разработка алгоритмического строя (блок-схемы) аналитического изучения устойчивости при проектировании СПК; разработка математического обеспечения для оценки устойчивости продольного возмущенного движения (устойчивости «в малом»).

• Обоснование и разработка необходимой базы данных для проектирования гидродинамических комплексов СПК методом «гидродинамического копирования», основанного на постулатах теории динамического подобия; выполнение наиболее важных фрагментов практического применения предлагаемого метода.

Объект исследования. Гидродинамические комплексы отечественных СПК конструкции ЦКБ по СПК им. P.E. Алексеева, выполненные по схеме «тандем», обладающие гидродинамической самостабилизацией. Носовое крыло - сложной пространственной формы. Кормовое крыло - практически плоское малопогруженное. Пропульсивные передачи - наклонные валопроводы. Суперкавитирующие гребные винты. Гидродинамические рули.

Предмет исследования. Методология аналитического подхода к структуризации и построению схемы гидродинамического комплекса СПК на базе аналогичного комплекса уже построенного и успешно себя зарекомендовавшего СПК, разработанного в свое время в ЦКБ по СПК им. Р."Е. Алексеева. Такое судно фигурирует в данной работе под термином «гидродинамический прототип». Теоретической базой методологии является теория динамического подобия.

Научная новизна. Признаки научной новизны имеют следующие результаты:

• разработка методики расчета и построения диаграммы для сравнительной оценки эффективности использования запаса топлива транспортными машинами принципиально разных конструктивных типов;

• логико-аналитическое заключение о приоритетной роли задачи выбора и построения гидродинамической схемы СПК в начальной стадии проектирования судов этого типа;

• выводы, сделанные по результатам проведенного в диссертации изучения механики движения СПК, а именно:

- определение физического смысла гидродинамического феномена, названного в диссертации «естественной гидродинамической устойчивостью» («гидродинамической самостабилизацией» по А.Н. Панченкову). Присущая исключительно СПК с несущей системой «тандем», эта особенность делает данную схему оптимальной для практического применения;

- при изучении проблем разгона - выхода судна на крылья («ходкость» СПК) и устойчивости его движения следует придерживаться общего подхода к определению указанных мореходных качеств, основанного на анализе общей системы уравнений или постановке единого эксперимента;

- развитием последнего тезиса является сформулированное в диссертации предложение о классификации «Расчета продольной посадки СПК» как проектного документа, представляющего не ходкость, а устойчивость движения СПК;

- разработанная автором практическая методика оценки устойчивости свободного возмущенного движения СПК является достаточно надежным инструментом аналитического проектирования гидродинамического комплекса СПК; наиболее эффективен этот способ при использовании предлагаемого в диссертации метода проектирования, названного автором «гидродинамическим копированием»;

• статистическая диаграмма, устанавливающая зависимость между пассажировме-сгимостыо СПК и водоизмещением, и свидетельствующая о том, что СПК, разработан-

ые ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева, обладают наиболее высокими гидродинамически-и характеристиками.

Положения, выносимые на защиту:

• СПК продолжают оставаться высокотехнологичными транспортными машинами, меющими свою нишу в транспортной системе государства; их сравнение по расходам оплива с междугородными автобусами изначально является некорректным: СПК не олжны дублировать транспортные линии, обслуживаемые автобусами;

• при формировании теории проектирования СПК как инженерной дисциплины еобходимо исходить из следующих положений, объективность которых подтверждает-я материалами диссертации:

- приоритетным объектом внимания конструкторов СПК в начальной стадии про-ктирования является не корпус судна, а его гидродинамический комплекс, обеспечива-щий успешную реализацию принципа движения по воде;

- наиболее целесообразно проводить не отдельное, как это принято в классической теории проектирования судов, а комплексное изучение названных выше наиболее важных «мореходных качеств» СПК в формате одного раздела, который будет фигурировать под названием, например, «Механика движения СПК»;

• определение естественной гидродинамической устойчивости движения СПК как «способности гидродинамического комплекса судна самостоятельно, без вмешательства судоводителя или автоматики, сохранять режим хода на крыльях при воздействии как случайных, так и стационарных возмущений, имеющих спецификационный характер»;

• утверждение о том, что применение методологии гидродинамического копирования является наиболее прагматичным подходом к решению проблемы возобновления проектирования и строительства новых СПК в современных условиях.

Практическая значимость работы. Как показывает практика проектирования СПК, разработка гидродинамического комплекса нового судна - достаточно трудоемкий процесс, который по опыту ЦКБ по СПК продолжается несколько месяцев и даже лет. Успех дела при этом обеспечивается специалистами-гидродинамиками и мастерами рабочих профессий, владеющими специфическими технологиями проведения испытаний на открытых аква-полигонах. Разработанный в диссертации метод проектирования гидродинамического комплекса СПК как динамически-подобной модели гидродинамического комплекса некоторого СПК-прототипа сокращая практически на нет затраты времени и средств на проведение модельных испытаний, может оказаться и единственным способом экспресс-восстановления в стране строительства новых СПК.

Достоверность полученных результатов. Разработка методики проектирования гидродинамической схемы СПК на базе схемы уже известного СПК, основанной на методе гидродинамического подобия. Метод позволяет принципиально обойтись без проведения модельных испытаний, он наиболее эффективен для достижения цели восстановления и строительства в стране скоростного флота.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: III научно-технической конференции «Алферьевские чтения», Н. Новгород, 1990г.; на XI научной конференции «Проектирование СД1111», Н. Новгород, 1995г.; на III Международной конференции по экранопланам, Н. Новгород, 1996г.; на VI Международной конференции по компьютерной графике «КОГРАФ-96», Н. Новгород, 1996г.; на научно-технической конференции «XXVII Российская школа по проблемам науки и технологий», посвященная 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию «КБ им. акад. В.П. Макеева», Миасс, Челябинская обл., 2007г.; на научно-технических конференциях и семинарах НГТУ им. P.E. Алексеева.

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 13 научных работ, в том числе 2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

б

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 73 наименований, приложения. Диссертация содержит 122 страниц основного машинописного текста, включая 30 рисунков, 2 таблицы и 10 страниц приложения с 10 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, определены его цель, положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В шоковом состоянии оказались в начале 90-х годов пароходства, имеющие СПК. Возникла необходимость перестройки транспортной системы для. хотя бы рентабельной . аботы флота в условиях рыночной экономики. Это сделать не удалось, и с 2003г. паро-одства, ставшие акционерными обществами, начали активно избавляться от СПК. В кой обстановке сформировалось не имевшее подробного и всестороннего экономиче-кого обоснования представление о фатальной убыточности пассажирских перевозок на ПК, не выдерживающих конкуренции с автобусами. При поверхностном подходе этот ывод порождает сомнения в техническом совершенстве СПК. С целью опровержения того мнения в первой главе диссертации были рассмотрены и проанализированы не-оторые аспекты обсуждаемой проблемы:

• По известным объективным причинам СПК заметно уступают автобусам по приеденным («руб./пасс.км») расходам на топливо. Из-за разницы в режимах эксплуатации асчет этого параметра по рейсовым и годовым (навигационным) показателям заведомо ает негативные для СПК результаты. В диссертации анализируется, как наиболее кор-ектный, вариант сравнительной оценки по показателям, рассчитанным за весь период жизненного цикла» (~10 лет у автобусов; -40 лет у СПК).

• Вместо параметра «руб./пасс.км» при сравнительной оценке транспортной эффектности СПК и автобусов (и др. транспортных средств) по расходу топлива в диссерта-ии предложено использовать известные авиационные критерии - часовой и километ-овый расходы топлива:

«« = при этом = ^

де Ые, [кВт]- мощность главного двигателя транспортной машины; Се, [кг/кВт ч] - его дельный расход топлива; т, [кг] - масса (водоизмещение масс); К црг - пропульсивное ачество рассматриваемого транспортного объекта.

• Проблема сравнительного анализа расходов топлива и сравнительной оценки тех-ического совершенства разнотипных транспортных машин наиболее успешно решается использованием расчетного параметра, названного в диссертации коэффициентом эф-ективности использования запаса топлива

^ ФтОПЛ.

где Ар, [Дж]- полезная работа, выполненная для перевозки некоторого числа пассажиров на расстояние Ь в течение времени /, [сек]; <2, [Дж]- энергия, образующаяся при сгорании некоторого заданного количества топлива с известной теплотворной способностью. Величины Ар и рассчитываются по известным формулам механики и теплотехники. Значения коэффициента Эр были рассчитаны для более сотни видов транспортных средств, относящихся к наземному, водному и воздушному видам транспорта. Подробная номенклатура объектов и соответствующие значения коэффициента Эр приводятся на Рисунке 1. Полученные результаты подтвердили наши ожидания: у пассажирских СПК есть своя ниша в существующей системе транспорта.

Эр

щ

26 2U 22 20 18 16 К 12 10

'Международные автобусы:

ичз-зин ашз-т н.негсЫч-вепгозогсн-

ÍÍÍMJ??3, МАЗ-Allí пштапм ЗЛАЗ-52Ж w KlrQ¡1 д„гШ AJ2

11. К*»» l»* ТАМ 222

12. (Carosa AfesISM

7. НСФАЗ 5гИ-И " """" ™

i./МЗ 525625 S. Волжанин 52702 i HAP3 5264

—a-av-бОкм/ч

-л--------*V=70KM/4

--*-V=80KM/4

PTS1S0

Спутник

Комета Ракета

Memgop-2 , .PT-2Ú

Колхида,\Альоатрос-><, J\асточка. к.Дельфин

¡¿Восход!

Вихрь

■т "I •Мет- —

Метеор-

г'

о

Полесы 1 2

Чайка Бе юра

тс i

'Беларусь-В

Ми-8 •

Hu-Í

Вертолеты 'Ка-18

• Ко-26

Mu-3Í

Як-24А

• Ми-6А

ИЛ-Н

Самолеты с бездушными

бинтами "Trislander" ~DashJ-, "Convairtbtí

L -1*10

*Суда на воздушной подушке: Амфибийные СВП: Скегобые СВП:

1. "УТ-1 ¿'Зарница"

3 ¡«1-6 8. -Др.

4. Сорноооч

5.ТорькоОчанин"

°Суда с воздушной каверной:

1. "Линда" 2."Веста" 3."Серна"

•Глиссеры:

ГНКЛ-27" 2"Айтодор" 3 "Экспресс" 4. "Заря"

° Речные СПК *Морские СПК

18

20

22

2U

26 28

Fr,

D

Рисунок 1. Теплотехнический к.п.д. некоторых транспортных машин Эр = /(Рг0).

Расчетная дистанция 100 км.

Начало второй главы посвящено анализу методологических особенностей проектирования СПК. Суда этого типа имеют специфический, значительно более развитый по сравнению с водоизмещающими судами, гидродинамический комплекс. Входящие в

его состав подводные крылья, стабилизирующие и рулевые поверхности, пропульсив-ные передачи, участки корпуса, эпизодически включающиеся в работу, должны обеспечивать: 1) «выход» судна на режим хода на крыльях; 2) устойчивое движение в этом режиме, как на «тихой воде», так и в условиях спецификационного волнения.

Главным, структурообразующим элементом гидродинамического комплекса СПК является несущая система, состоящая из двух (носового и кормового) крыльевых устройств. Конструктивный тип несущей системы оказывает самое существенное влияние на общее проектирование СПК. Достаточно одного визуального анализа внешних форм корпусов и габаритных параметров несущих систем СПК, выполненных по одной из трех классических схем (Рисунок 2), чтобы сделать следующий вывод: тип несущей системы определяет не только главные размерения корпуса судна, но и его внешнюю архитектуру и внутреннею компоновку. Этот вывод говорит о том, что в начальной стадии проектирования разработка схемы гидродинамической компоновки («гидродинамической схемы») СПК должна предшествовать традиционным для классической теории проектирования судов работам по общему проектированию корпуса судна.

Рисунок 2. Примеры связи мемоду архитектурными формами корпуса и типом несущей системы СПК: а) т/х «Чайка» - гидродинамическая схема «тандем», малопогруженные подводные крылья; б) т/х «РТ-20» - схема «тандем», У-образные крылья, пересекающие поверхность воды; в) т/х «Денисон» - схема «самолетная», два бортовых наклонных носовых крыла, пересекающих свободную поверхность воды и полностью погруженное кормовое крыло; г) т/х «Джетфоил» - схема «утка», глубокопогруженные подводные крылья, система автоматизированного управления подъемными силами

Возможности аналитического проектирования несущих систем СПК первого поколения ограничивалось оценкой равновесного состояния судна при его движении с расчетной скоростью. Информация по гидродинамическим силам получалась на основании результатов испытаний изолированных подводных крыльях, проведенных гидродина-

Вид сбоку

мической лабораторией ЦАГИ и выполненных P.E. Алексеевым лично. Такая постановка задачи не учитывала нестационарности обтекания крыльев, их взаимной гидродинамической интерференции, кавитации, деформации свободной поверхности. Изучение этих явлений началось несколько позднее с работ И.Т. Егорова, А.Б. Лукашевича, В.Т. Соколова, А.Н. Панченкова, JI.A. Эпштейна и др. Но, до сих пор остаются непреодолимыми трудности математического описания явлений брызгообразования и аэрации крыльев.

Как известно, P.E. Алексеев успешно решил все перечисленные проблемы, внедрив в практику проектирования гидродинамические испытания динамически-подобных моделей СПК в опытовых бассейнах и на открытой воде. Заложенные P.E. Алексеевым методические основы таких испытаний, их техника и технологии стали основой для создания при ЦКБ по СПК крупного гидродинамического исследовательского центра. Работая вместе с P.E. Алексеевым, специалисты ЦКБ: С.Н. Айзен, С.Г. Аладьин, С.Д. Богатырев, А.Д. Болотин, В.В. Волков, И.И. Ерлыкин, Б.Л. Зобнин, М.М. Короткое, Г.Н. Красотский, В.Я. Максимов, В.А. Марков, А.И. Маскалик, Э.И. Привалов и др. обеспечили уровень получения информации, обеспечивающий работу предприятия по принципу: «от буксируемой модели - к натурному судну». Такому же «авиационному» подходу к проблеме следовали соратники и ученики P.E. Алексеева - ведущие и главные конструктора проектов СПК, составивших ядро скоростного флота: Ю.А. Таранов, И.И. Ерлыкин, В.П. Ефремов, И.Е. Малеханов, В.Я. Максимов, Б.Ф. Орлов, И.М. Шапкин и др.

Основоположником теории проектирования СПК, как прикладной инженерной науки, также является P.E. Алексеев. В своих, к сожалению, немногочисленных статьях и выступлениях он подчеркивал концептуальное значение гидродинамической составляющей в начальной стадии проектирования скоростных судов. В теории проектирования СПК, этот тезис принял характер постулата после выхода в свет монографии В.В. Иконникова и А.И. Маскалика (1987г.) и докладов В.Г. Дементьева и Б.А. Царева на двенадцатой конференции по проектированию скоростных судов (1997г.).

Концепция, предусматривающая приоритетную роль гидродинамического комплекса СПК в начальной стадии проектирования судна, легла в основу дальнейших исследований, непосредственно отвечающих теме диссертации.

Методология общего проектирования СПК достаточно подробно изложена в трудах P.E. Алексеева, A.M. Ваганова, В.А. Дементьева, И.И. Ерлыкина, H.A. Зайцева, В.В. Иконникова, Б.А. Колызаева, А.И. Косорукова, А.И. Маскалика, В.М. Пашина, Г.И. Попова, Б.А. Царева и др. Поэтому дальнейшее содержание второй главы было посвящено синтезу и обобщенной модели гидродинамического комплекса отечественных СПК и анализу его двух, указанных выше, важнейших гидродинамических функций, определяющих жизнеспособность судна. Первоначально при создании СПК первых поколений, эти функции гидродинамического комплекса СПК рассматривались в категории море-

ходных качеств и фигурировали под традиционными для классической теории корабля терминами» ходкость» и «остойчивость». В настоящее время применение термина «ходкость» в гидродинамике больших скоростей ограничивается работами, связанными с проектированием движителей и определением ходовых характеристик СПК и других СДПП. Теория и методология расчета суперкавитирующих гребных винтов, разработанные учеными ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова и внедренные в практику проектирования специалистами-гидродинамиками ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева, стали наиболее глубоко аналитически проработанным разделом механики движения СПК, обеспечившим их успешное развитие.

Анализу второй функции гидродинамического комплекса СПК была посвящена целиком вся третья глава диссертации. Причиной такого предпочтения стала особая, доминантная роль задачи обеспечения устойчивости движения в выборе схемы и дальнейшем проектировании гидродинамического комплекса СПК. В начале третьей главы обсуждается корректность трансформации термина «остойчивость», применяемого по отношению к СПК в середине прошлого века, в термин «устойчивость», который утвердился в гидродинамике СПК в конце 80-х. Отмечается диалектический характер такого перехода, открывающего широкие возможности использовать при анализе движения СПК математический аппарат устойчивости движения. Так анализировали динамику СПК JI.B. Андрианов, А.Ш. Афремов, В.Н. Буров, В.А. Вальдман, Е.Н. Графов, Е.Г. Извольский, Э.А. Конов, А.Д. Красницкий, М.Г. Кулаев, А.Б. Лукашевич, И.И. Матвеев, Н.Б. Плисов, А.Ю. Панов, А.Н. Панченков, Э.И. Привалов, К.В. Рождественский, А.В. Скафтымов, Г.В. Соболев, В.Г. Суржик, JI.A. Эпштейн, Е.Б. Юдин.

Заметим, что зарубежные авторы, занимавшиеся этой темой, изначально оперировали термином «устойчивость» («stability»). В их числе К. Biiller, F. Ogilivie, V. Kostilainen, P. Pressia, К. Matveev.

Генетические связи между гидродинамической схемой СПК и устойчивостью его движения устанавливаются в диссертации в ходе ретроспективного обзора, посвященного истории изобретения и развития схемы «тандем» (Э. Форланини, А. Крокко, Р.Е. Алексеев). Анализируется гидродинамический феномен, присущий этой схеме, который в диссертации называется естественной гидродинамической устойчивостью СПК, или по А.Н. Панченкову - гидродинамической самостабилизацией СПК. Отмечается, что такой способности нет даже у вполне устойчивых с точки зрения динамики полета самолетов, которые, для возвращения к сугубо исходному режиму полета, должны обладать еще одним летным качеством - управляемостью (в авиационном толковании этого понятия).

Заложенные Р.Е. Алексеевым принципы эмпирического подхода к решению проблем ходкости и устойчивости движения СПК стали основой наиболее эффективной методологии проектирования СПК. Оптимальная по затратам времени программа «От бук-

сируемой модели к натурному судну» стала одним из факторов, определивших в свое время темпы развития отечественного скоростного флота. Предпочтения, отдаваемые эмпирическим методам, в значительной степени были вызваны объективными причинами. Во-первых - это трудности математического описания сложных гидродинамических явлений, происходящих на границе раздела двух сред. Второй причиной был недостаточно высокий уровень развития информационных технологий того времени.

В настоящее время стало очевидным, что при работе над гидродинамической схемой судна можно уменьшать долю физического эксперимента с динамически-подобными моделями СПК, увеличивая, соответственно, аналитическую составляющую. Для этой цели были разработаны математическое обеспечение, алгоритмы и программы для исследования динамики СПК на ЭВМ (A.A. Болотин, A.B. Жульев, А.Б. Лукашевич, А.Ю. Панов, Г.А. Радовицкий, К.В. Скафтымов, В.В. Шабаров и др.). С этой же целью предлагается включить в традиционно сложившуюся блок-схему алгоритма проектирования гидродинамического комплекса СПК (опыт ЦКБ по СПК им. P.E. Алексеева) дополнительный информационный блок «Устойчивость», который включает пять расчетных модулей (Рисунок 3).

Рисунок 3. Блок-схема алгоритма проектирования гидродинамического комплекса СПК

В начальной стадии проектирования СПК, когда речь идет о структуризации гидродинамического комплекса судна, оказывается достаточным получения позитивных результатов в формате инженерных исследований, предусмотренных двумя первыми модулями. Более того, опыт показывает, что при разработке принципиальной гидродинамической схемы судна, интересы конструкторов в первую очередь связаны с решени-

ем проблем устойчивости продольного движения объекта. При этом последовательно выполняются инженерные исследования по темам: 1) «Устойчивость (равновесие) установившегося продольного движения судна и его продольная посадка»; 2) «Оценка устойчивости его свободного возмущенного движения».

Эти исследования базируются на анализе системы уравнений неустановившегося продольного движения СПК с гидродинамической схемой «тандем». Принципы построения системы, ее упрощения с анализом применяемых при этом допущений достаточно подробно изложены в литературе по гидродинамике СПК, в том числе в работах автора диссертации (см. библиографический список).

Первую задачу устойчивости продольного движения СПК можно рассматривать как частное решение базовой системы уравнений. При условии, что скорость V = const, эта система, включающая нелинейные дифференциальные уравнения, трансформируется в систему из двух алгебраических уравнений. Первая из них описывает изолированное продольное движение СПК, вторая - боковое движение Их анализ, фигурирующий в гидродинамике СПК как решение задачи о продольной посадке СПК, достаточно подробно изложено в литературе и в диссертации не анализируется. Отмечается только, что «Расчет продольной посадки СПК» изначально входил в число проектных работ по теме «Сопротивление движению и ходкость СПК». Предлагаемая в диссертации разработка этого документа в формате блока «Устойчивость» более соответствует современным представлениям об алгоритмическом строе изучения этого мореходного качества СПК.

Далее в третьей главе содержится описание методики расчетной оценки устойчивости свободного возмущенного продольного движения СПК в варианте «да» или «нет». Этой информации вполне достаточно на самых начальных стадиях структуризации гидродинамической схемы СПК. Рассматривается исходный режим движения объекта -установившийся ход на крыльях с расчетной скоростью К (Рисунок 4).

Продольная посадка характеризуется возвышением Я. ЦТ над уровнем свободной невозмущенной поверхности воды (СНПВ) и углом дифферента i?„ который определяется как угол между осью Ох' связанной с судном системы осей координат Ox'y'z' и СНПВ. Угол атаки судна А,- угод между осями Ох' и Ох. Присваивая носовому крыльевому устройству индекс «н», а кормовому - «к», отметим погружения подводных крыльев /г„_, /г,, и их эффективные углы атаки: а„, = + 9., = + Э,. На Рисунке 4

показаны также и внешние силы, действующие на СПК.

В настоящее время нет достаточно надежных методов расчета или экспериментального определения силовых и моментных характеристик гидродинамического комплекса СПК в целом с учетом работающего движителя. Нужно иметь в виду и еще одно обстоятельство: задача определения гидродинамических характеристик несущих систем

СГЖ, обтекаемых неустановившимися криволинейным или вертикальным потоками жидкости, не находится даже в стадии постановки. А именно эти характеристики определяют гидродинамическое демпфирование несущей системы, лежащее в основе гидродинамического феномена, определенного в диссертации как естественная гидродинамическая устойчивость («гидродинамическая самостабилизация») движения СПК с несущей системой «тандем». Решение задачи можно упростить, если исключив влияние гребного винта, рассматривать гидродинамический комплекс СПК как совокупность двух, не оказывающих друг на друга взаимного влияния, гидродинамических блоков (носового и кормового крыльевых устройств), на которых формируются силы лобового гидродинамического сопротивления Хн и Хк и подъемные силы ?и и ?к.

Рисунок 4. Невозмущенное (а) и возмущенное (б) движение СПК: Ох'у'г' - связанная система координат; Одгул-скоростная система координат, бкхвукги и бк5кукгк-носовая и кормовая крыльевые системы осей координат; 9, - угол дифферента; в - угол наклона траектории; А - угол атаки судна; б - сила тяжести судна; и <? - сила упора и поперечная сила движителя; АМВИ - внешний дифферен-тующий момент; Хн и Хк - силы лобового гидродинамического сопротивления; ?и и Ук- подъемные силы; «*»- принадлежность к исходному режиму невозмущенного движения; «'»- принадлежность к связанной системе осей координат; « ~ »— принадлежность к крыльевым системам

Определение позиционных гидродинамических характеристик отдельно взятых крыльевых устройств СПК в настоящее время является вполне доступной для решения инженерной задачей. Но, надо иметь в виду, что информация об указанных силах будет представлена в некоторых локальных, связанных с конкретным крыльевым устройством системах осей координат. С целью необходимого обобщения можно исходить из того, что начала обеих «крыльевых» систем бн и бк (см. Рисунок 4) располагаются в ДП судна, а в расположении осей каждая из них воспроизводит скоростную систему.

б;

а,

Имея информацию по позиционным гидродинамическим характеристикам носового и кормового 1фыльев СПК можно рассчитать и нестационарные характеристики, гидродинамические силы и моменты, возникающие при возмущенном движении судна. В диссертации предлагается исходить из следующей структуры продольного возмущенного движения СПК: основным движением продолжает оставаться исходное поступательное движение объекта с расчетной скоростью. На него накладываются два дополнительных движения: повороты корпуса вокруг поперечной оси О г' и его одновременные перемещения в вертикальной плоскости. Результаты испытаний натурных СПК показывают, что при малых возмущениях, не приводящих к полному выходу крыльев из воды, дополнительные виды движения СПК протекают сравнительно медленно, без ускорений, с небольшими амплитудами. Искомые приращения гидродинамических сил и моментов можно определить через соответствующие приращения эффективных углов атаки крыльев, обусловленных поворотами судна с угловой скоростью со'. и его вертикаль-

<*н « г . (чн\ .п ными перемещениями со скоростью —: --Да( ^ = Д0.

Для аналитической оценки продольной устойчивости СПК при выборе и структуризации гидродинамической схемы понадобится линеаризованная система уравнений свободного возмущенного движения объекта. Методика ее построения, анализ допущений и приемы линеаризации достаточно хорошо известны, в том числе по публикациям, принадлежащим автору диссертации. В процессе линеаризации целесообразно выполнить переход от размерных гидродинамических сил и моментов к их безразмерным аналогам - гидродинамическим коэффициентам. Переход ведется по традиционным формулам аэро-гидродинамики:

В рамках теории малых возмущений, на базе которых проводится линеаризация уравнений движения, можно допустить, что падение скорости судна, вызванное внешним возмущением незначительно (ДУ и 0), плечо ¿„ « х'0и, а плечо 1„ ~ х'0к, где абсцисса начала б1 в системе координат Ох'у г'; / = н, к. В результате получаем систему линейных однородных дифференциальных уравнений в «вариациях» или «приращениях»:

р; = ?1 = с, х1 = сч где/=«, к.

ч>

1) ^ 5ш[(а. + Да) + Р,.]+С° Да, + С" Да, + С* ДА„ + С* ДА,};

ш 2 т "* "' "

2)—1 = +с;^да. +с£ х'&К + ДА,);

с!Аа>2

л

= А<о'г\ 4)—~ = УМ; 5)ДА, =-(дН + х'0 да); 6)ДА, =-(дЯ + х; А$); Ж ш " '

-Ад; 9)&а = Д5-Ав.

Примечание: в системе уравнений (1) символ «Д» обозначает приращение кинематического параметра.

Далее вводим следующие безразмерные величины: относительное время - ?; «масштаб времени» - т; относительную плотность объекта - ц; безразмерный момент инерции - 12>; относительную угловую скорость - шг<\ относительное возвышение ЦТ - И; относительные погружения подводных крыльев - Я„, Я, относительные плечи -Хц'УшХк,ук,Хп,уР. Названные величины рассчитываются по формулам: £ = -, т =

Т Р^н^н

1.1 _ й)г|Ь, — н Г Л» г _ Л* - _ х„ _ _ у„ _ _ ХК - _ У к тЪ; V. Ь„ Ь„ Ь„ Ъ„ Ьн Ьн Ь„

хо = —, Хр — где - соответствующее размерное время; ¿„-гидродинамическая хорда

К Ьн Ьн

носового крыла. Выполнив алгебраические преобразования можно из системы (1) получить систему из двух уравнений с двумя неизвестными Н и д:

ЛгШ ¿ЬН ш , АЗ . .. . + аи — + а,2 АЯ + 6,, — + Ь,, Д5 = О

, <{&9 ... </ДЯ а1Г . + Ь21 — + &22 Д 9 + о2, + а22 АН = О

(2), в которой принято:

«2, ь» =-(с° *„г„ г.?,);

'2' 'г* * *

'г 1г * * '

(3)

|г.

Характеристическим уравнением системы (2) является уравнение вида:

54 4- р+ р2$2 + р35 + р4 = О (4).

В начальной стадии проектирования имеет значение только принципиальный ответ на вопрос об устойчивости движения объекта («да» или «нет»). Теория устойчивости по первому приближению дает возможность получить такой ответ без решения характеристического уравнения. Достаточно проверки по одному из общих условий, сформулированных в теории устойчивости, например, известному критерию Рауса. Согласно этому критерию корни полинома четвертой степени вида (4) будут иметь отрицательные вещественные части, если выполняются следующие условия:

Р\ >0, р2 >0, р3 >0, p^ >01 Р\РгРг-р*р1-р\>Ъ 1.

В четвертой главе диссертации разрабатывается методология проектирования гидродинамических комплексов СПК, ориентированная на оптимальное по затратим времени и средств, необходимых на восстановление проектирования и производства СПК, в первую очередь, в Нижегородском промрегионе.

Проведенный в этом ключе ретроспективный обзор становления и развития гидродинамических схем СПК, принадлежащих к «отечественной», «европейской» и «американской» школам проектирования, позволил сделать выводы, оказывающим влияние на успешное решение поставленной задачи. Во-первых. В обозримом будущем в нашей стране останется безальтернативным, как и ранее, применение для СПК схемы «тандем». Обладая способностью самостабилизации, СПК этого типа имеют более простую, рациональную конструкцию, относительно меньшую массу, более просты и удобны в эксплуатации, чем СПК, имеющие схему «самолетная» или «утка». Во-вторых. Как известно, СПК с системой «тандем» берут свое начало от судов Г. ф. Шертеля («европейская школа») и от судов P.E. Алексеева. Автор диссертации собрала необходимую информацию об основных технико-эксплуатационных характеристиках практически всех пассажирских СПК, построенных в СССР, а также зарубежных СПК серий «РТ» и «RHS». В подавляющем большинстве это реальные суда, выполнявшие ранее или выполняющие в настоящее время линейные пассажирские перевозки. На основе полученных данных были построены достаточно характерные графики, устанавливающие статистические зависимости между пассажировместимостью и массовым водоизмещением

Анализ полученных материалов показывает, что суда P.E. Алексеева и его учеников располагаются на общей линии, являющейся верхней границей гидродинамического совершенства СПК, разработанных по технологиям второй половины двадцатого века. Максимально достигнутые на них значения пропульсивного гидродинамического качества (Ktjp=6,6^7,8) обеспечивают этим судам максимальные значения коэффициента утилизации водоизмещения по полезной нагрузке и оптимальные расходы топлива.

СПК с несущей системой «тандем» (Рисунок 5).

80 100 120 НО 160 170 Полное водоизмещение 0, 1т1

Рисунок 5. Статистические зависимости пассажировместимости от полного водоизмещения отечественных и европейских СПК

Таким образом, схема «тандем», обладающая способностью самостабилизации движения, основанной на использовании «эффекта Алексеева», является оптимальным и, практически безальтернативным вариантом гидродинамической компоновки СПК в ожидаемом процессе восстановления их проектирования и строительства. Однако возобновление производства СПК по старым чертежам, разработанным, в лучшем случае, более четверти века тому назад вряд ли будет признано удачным решением. В то же время разработка нового проекта, включающего в себя экспериментальный поиск новой, устойчиво «ходящей» схемы судна, потребует нескольких лет работы специалистов-гидродинамиков и капитальных затрат, направленных на восстановление специфической инфраструктуры для проведения испытаний моделей на открытой воде.

В диссертации была проанализирована и принята концепция иного, более рационального подхода к решению проблемы. Были обоснованы принципиальные положения, разработан алгоритмический строй и подготовлены необходимые исходные материалы для практического проектирования СПК методом, названным в диссертации гидродинамическим копированием. Суть метода заключается в разработке проекта нового СПК на базе гидродинамического комплекса судна, в свое время разработанного ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева и фигурирующего в диссертации в качестве «гидродинамического прототипа». Предлагаемый метод базируется на общеинженерной теории динамического подобия и предполагает жесткое соблюдение ее критериев при разработке гидродинамического комплекса судна-проекта. В то же время относительная свобода в принятии решений представляется инженерам и дизайнерам, занимающимся проектированием корпуса. Отмечается, что применение метода дает положительный эффект при условии, что СПК-проект будет более крупным объектом, чем СПК-прототип.

В пятой главе диссертации приводятся наиболее ответственные фрагменты практического применения метода гидродинамического копирования. В качестве объекта рассматривалось 80-ти местное пассажирское СПК разряда «Ф Р 0/1,2» Российского Речного Регистра. Гидродинамическим прототипом послужило СПК пр.352 «Восход».

Предусмотренные техническим заданием или техническим предложением пасса-жировместимость и мореходность СПК-проекта дают возможность по разработанному в диссертации статистическому графику (см. Рисунок 5) выбрать СПК-прототип. После определения величины масштабного модуля строится чертеж «Схема гидродинамической компоновки» СПК-проекта. Этот чертеж - схема является базой для формирования корпуса судна, его внешней архитектуры и общего расположения. Начинается процесс общего проектирования объекта. Структура этого процесса достаточно хорошо известна. Основным фактором, определяющим успех дела, является соблюдение критериев динамического подобия «по Фруду» при пересчете характеристик с одного судна на другое.

В дальнейшем проверяются некоторые из массово-инерционных характеристик СПК-проекта, полученные пересчетом с СПК-прототипа по критериям динамического подобия и оказывающие непосредственное влияние на динамические качества СПК как механической системы, совершающей пространственное движение. В первую очередь речь идет об их влиянии на устойчивость движения СПК. После этого рассматриваются возможности сравнительной оценки их негативного влияния на динамику возмущенного движения СПК-проекта и его устойчивость. Для этого предлагается прибегнуть к аналитическим исследованиям, предусмотренным информационным блоком «Устойчивость». Наиболее важные узловые фрагменты методики проектирования СПК «по гидродинамическому прототипу» были проверены в ходе разработки упомянутого выше практического примера. На Рисунке 6 представлены схемы общего расположения СПК-прототипа и СПК-проекга, демонстрирующие возможности успешного практического применения метода гидродинамического копирования.

Общее расположение СПК пр.352 «Восход»: Число пассажиров - 71 чел. Водоизмещение - 28,4 т. Эксплуатационная мощность дизеля «М401А-1» N,=625 кВт Скорость У=60,0 км/ч.

Общее расположение СПК-проект (I вариант): Число пассажиров - 84 чел. Водоизмещение - 20,4 т. Эксплуатационная мощность дизеля «ТВ0620У8» N,.=907 кВт Скорость К=62,0 км/ч.

Общее расположение СПК-проект (II вариант): Число пассажиров - 90 чел. Водоизмещение - 20,4 т. Эксплуатационная мощность дизеля «ТВ0620У8» Ме =907 кВт Скорость У=62,0 км/ч.

Рисунок 6. Схемы общего расположения СПК-прототипа 1« СПК-проекта

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• Проведенный в диссертации сравнительный анализ транспортной эффективности пассажирских С ПК, позволяет утверждать, СПК конструкции P.E. Алексеева продолжают оставаться высокотехнологичными транспортными машинами, располагающими своей нишей в транспортной системе государства.

• Результаты анализа творчества P.E. Алексеева и опыта практического проектирования ЦКБ по СПК позволяют сделать вывод: в отличии от классической теории проектирования водоизмещающих судов, приоритетным объектом внимания конструкторов в начальной стадии работы над проектом является не корпус СПК, а его гидродинамический комплекс. Схема его компоновки является тем документом, с которого начинается общее проектирование объекта в формате технического проекта.

• «Авиационный» подход к началу проектирования СПК, предусмотренный в п.2, вносит еще одну смену приоритетов: первоочередное внимание должно быть уделено двум важнейшим функциям гидродинамического комплекса СПК, определяющих его жизнеспособность, это: 1) обеспечение необходимого разгона судна и его «выход на крылья»; 2) устойчивость движения в режиме хода на крыльях.

• В диссертации, впервые в теории движения СПК, обосновывается необходимость и целесообразность совместного изучения ходкости и устойчивости движения СПК в рамках одного раздела, например, «Механика движения СПК».

• Особое внимание в диссертации было уделено проблеме устойчивости движения СПК, структуризации построения схемы гидродинамического комплекса СПК. В ходе анализа были сделаны следующие выводы:

- Изучение проблемы с позиций общетехнической теории устойчивости движения является наиболее корректным способом получения информации, как при аналитическом, так и при эмпирическом методе познания явления.

«Принцип обеспечения устойчивости движения определяет конструктивный тип несущей системы СПК» - этот тезис находит обоснование в ходе ретроспективного обзора, посвященного диалектике изобретения и дальнейшего развития гидродинамической схемы «тандем».

- Система «тандем» наиболее оптимальным образом отвечает требованиям к конструктивной реализации гидродинамического феномена, эксклюзивно принадлежащего СПК, построенных по указанной схеме. Речь идет о естественной гидродинамической устойчивости движения СПК в расчетном режиме. Такой способности нет даже у вполне устойчивых самолетов.

Испытания динамически-подобных моделей как наиболее точный способ изучения устойчивости сохраняет свое значение в будущем. Но, прибегать к нему следует только на завершающем этапе работ по проектированию гидродинамической схемы судна. Оценку устойчивости предварительных вариантов можно осуществлять аналити-

ческими методами. Для этого, в диссертации разработано соответствующее математическое обеспечение.

• Наиболее значительным результатом исследования, имеющим сугубо практическое значение, является разработка методики проектирования гидродинамической схемы СПК на базе схемы уже известного СПК. Метод, основанный на теории динамического подобия, позволяет принципиально обойтись без проведения модельных испытаний.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

а) в изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК РФ:

1. «Эффект Алексеева» - его толкование и роль в развитии речного скоростного флота. К 90-летию со д. р. P.E. Алексеева /М.Л. Мухина, В.А. Мухин //Центральный печатный орган отрасли речного транспорта «Речной транспорт (XXI век)», Москва, №4 2007.-С. 28-31 (автор-80%)

2. Денонсация оценок, или ниша для крылатых судов /МЛ. Мухина, В.А. Мухин //«Мир транспорта», учредитель Московский государственный университет путей сообщения, журнал зарегистрирован в Министерстве РФ по делам печати, телерадиовещания и средствам массовых коммуникаций, Москва, №1,2008.-С. 66-73 31 (автор-80%)

б) в других изданиях:

3. К построению математической модели бокового возмущенного неуправляемого движения СПК /Л.В. Андрианов, М.Л. Мухина //Сб. «Гидродинамика несущих комплексов скоростных судов», 4.5, ГПИ. Деп. в ВНТИЦентре. № Госрег. 0.1860025836. Инв. №02.89.0.036267, Горький, 1988.-С.31-36 (автор-65%)

4. К построению математической модели бокового возмущенного неуправляемого движения СПК с крыльями сложной геометрии / Л.В. Андрианов, М.Л. Мухина //Сб. «Материалы НТК по проектированию скоростных судов, 1986г., 1988г., НТО им. акад. А.Н. Крылова, Горький, 1990.-С.42-44 (автор-50%)

5. Кинематический анализ движения объекта при построении математической модели пространственного движения СПК /Л.В. Андрианов, И.И. Матвеев, Д.В. Семенов, МЛ. Мухина //Тез. док. III НТК «Алферьевские чтения», Н. Новгород, 1990.-С. 82-83 (автор -50%)

6. Построение математической модели продольного установившегося движения СПК /М.Л. Мухина //Тез. док. VI м/н конференции по компьютерной геометрии и графике «Кограф-96», Н. Новгород, 1996.-С.22-23

7. Постановка задачи по исследованию естественной устойчивости движения СПК с подводными крыльями сложной геометрии /М.Л. Мухина //Сб. док. Всероссийской НТК «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве», Н. Новгород, 2002.-С.555-562

8. Гидродинамические характеристики СПК с подводными крыльями сложной геометрии /М.Л. Мухина //Сб. док. IV м/н молодежной НТК «Будущее технической науки», Н. Новгород, 2005.-С.155

9. Ретроспективный обзор развития и некоторые современные проблемы теории устойчивости СПК с естественной гидродинамической стабилизацией хода на крыльях /Л.В. Андрианов, В.А. Мухин, М.Л. Мухина //Труды НГТУ, том 46, «Современные проблемы кораблестроения», Н. Новгород, 2005.-С.105-117 (автор-70%)

10. Сравнительный анализ транспортной эффективности пассажирских СПК и проблемы их дальнейшего развития в современных экономических условиях /МЛ. Мухина //Сб. док. материалов V юбилейной м/н молодежной НТК. «Будущее технической науки», Н. Новгород, 2006.-С.160

11. Транспортная эффективность и проблемы развития пассажирских СПК в современных экономических условиях / В.А. Мухин, МЛ. Мухина //Сб. док. НТК, посвященной памяти выпускников НГТУ д.т.н. Р.Е. Алексеева и проф. И.И. Африкантова, Н. Новгород, 2006.-С.240-250 (автор-80%)

12. Сравнительный анализ транспортной эффективности пассажирских СПК и перспективы их развития в современных экономических условиях /М.Л. Мухина, В.А. Мухин //Сб. тез. док. НТК «XXVII Российская школа по проблемам науки и технологий», посвященная 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию'«КБ им. акад. В.П. Макеева», Миасс, Челябинская обл., 2007.-С.35-38 (автор-80%)

13. Выбор гидродинамической схемы и проектирование гидродинамического комплекса СПК на современном этапе их развития /МЛ. Мухина //Сб. док. материалов конференции «Современные технологии морской и авиационной техники в образовании, науке и производстве», Н. Новгород, 2009.-С.108-112

Мухина Милена Львовна

ВЫБОР И АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СУДНА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ НА РАННИХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата наук

Подписано в печать 04.02.2011. Формат 60 х 84 Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 103.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.

Типография НГТУ. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

о 1

Стр. ^ Список основных условных сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ТРАНСПОРТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПАССАЖИРСКИХ СУДОВ НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ В СОВРЕМЕННЫХ ЭКОНОМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.

2 РАЗРАБОТКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СПК -- ПРИОРИТЕТНАЯ ЗАДАЧА НАЧАЛЬНОГО ЭТАПА

ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУДНА.

2.1 Методологические подходы в теории и практике проектирования СПК.

2.2 Гидродинамический комплекс СПК: основные определения и 29 функции.

3 УСТОЙЧИВОСТЬ ДВИЖЕНИЯ НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ, КАК ДОМИНАНТА ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СПК.

3.1 Исторические аспекты постановки задачи об устойчивости СПК.

3.2 Устойчивость хода на крыльях и гидродинамические схемы СПК - анализ генетических связей.

3.21 Синтез схемы «тандем» - выдающееся достижение изобретателей СПК.

3.22 «Эффект Алексеева» и отечественная школа проектирования

3.3 Теория устойчивости движения и практическая методология проектирования гидродинамического комплекса СПК.

3.31 Испытания моделей СПК методом свободной буксировки как основной способ практического изучения устойчивости движения проектируемого объекта (опыт ЦКБ по СПК).

3.32 Разработка методики аналитической оценки устойчивости движения в начальной стадии проектирования СПК.

3.32.1 Устойчивость (равновесие) установившегося движения.

3.32.2 Построение и анализ системы уравнений продольного свободного * возмущенного движения СПК системы «тандем».

4 ФОРМИРОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ПОДХОДА

К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА И ПОСТРОЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СПК НА НОВОМ ЭТАПЕ ИХ РАЗВИТИЯ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Методология гидродинамического копирования СПК.

Понятие о гидродинамическом прототипе.

4.3 Систематизация статистических материалов с целью создания базы данных по СПК-гидродинамическим прототипам.

5 ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ

СХЕМЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПОНОВКИ» СПК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО КОПИРОВАНИЯ.

5.1 Технико-экономическое обоснование проекта.

5.2 Выбор гидродинамического прототипа.

5.3 Определение водоизмещения СПК-проекта и значения масштабного модуля.

5.4 Определение мощности СЭУ и выбор двигателя (-ей) для СПК-проекга. Расчетная скорость хода на крыльях в первом приближении.

5.5 Структура и построение «Схемы гидродинамической компоновки» СПК-проекта.

5.6 Фрагменты общего проектирования объекта по выбору его гидродинамической схемы (второе приближение).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Указатель литературы.

Актуальность работы. В сентябре 1957г. рейсом теплохода «Ракета» на линии* Горький-Казань в СССР было открыто регулярное пассажирское сообщение наСПК. Полтора месяца спустя; в стране был запущен-первый в мире искусственный спутник Земли. В обстановке общенационального^ подъема и эйфории, вызванной этим событием, тогдашние СМИ не обошли вниманием и феномен нового вида движения по воде, которое часто сравнивали с «полетом над водой».

Уже через 10-15 лет после первого рейса «Ракеты» в стране удалось создать скоростной флот, по своей численности и масштабам перевозок, не имеющий аналогов в мире. В подтверждение этого факта приведем цитату из известной книги Р. Макливи [38], которая вышла в Великобритании в 1976г.: «На сегодняшний день во всем мире находится в эксплуатации более тысячи СПК, из них порядка 80% - в Советском Союзе».

В подавляющем большинстве скоростной флот был представлен СПК конструкции ЦКБ по СПК им. P.E. Алексеева. Начиная с 60-х годов и вплоть до 1990г, отечественное скоростное судостроение занимало в мире лидирующие позиции. В рассматриваемый период времени на судостроительных заводах страны были построены более 1100 различных типов пассажирских СПК. Наглядное представление об объемах и номенклатуре этого строительства дает диаграмма на Рисунке 1.

О масштабах распространения СПК можно судить по схематической карте (Рисунок 2). Регулярное сообщение на СПК связывало между собой более полусотни крупных речных и морских портов бывшего государства. В основу этих иллюстраций были положены аналогичные диаграмма и схема, относящиеся к середине 60-х годов, приведенные А.И. Маскаликом в [23]. Мы дополнили их информационным материалом, охватывающим более поздний период времени, вплоть до начала перестройки.

О о-——— ие/шруиь ^• " 1\и/1лиии

1957 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 1991

Рисунок 1. Динамика строительства судов на подводных крыльях (1957-91 годы) I

Рисунок 2. Географическая схема районов эксплуатации СПК в СССР

В условиях плановой экономики, когда «погоня за прибылью» официально не поощрялась, а главным было «выполнение плана перевозок при обеспечении максимальной заботы об удобствах пассажиров», выбор коммерчески выгодных линий эксплуатации СПК не слишком озадачивал руководителей пароходств, занимающихся пассажирскими перевозками. Принимались весьма простые решения - линии, обслуживаемые СПК, в основном 6

МО' дублировали наземные автобусные линии. Загрузка судов, как правило, была полной, а в выходные и праздничные дни устраивались дополнительные рейсы. В условиях, когда транспортные тарифы устанавливались государством, публика предпочитала поездку на СГЖ поездке в часто переполненном автобусе. Сложилась система, при которой летом, в период массового выезда горожан за город пассажирские СПК заметно разгружали автобусные пассажиропотоки. У автора данной работы была возможность в течение более двадцати лет наблюдать за составом пассажиров «Ракет» и «Метеоров». Имеются основания утверждать, что по классификации современных социологов эта публика не дотягивала до «среднего класса». Это были «безлошадные» дачники, рыбаки-туристы, едущие на рыбалку в выходные или в отпуск, сельские жители, которые имели возможность за один день побывать в городе и вернутся обратно. В небольшом числе, но стабильно был представлен «деловой» пассажир, главным образом профессиональные речники.

В 2006 году в статье журнала «Classic Fast Ferries» [http//www. classic fast ferries, com], посвященной пятидесятилетию эксплуатации т/х «Freccia del Sole», (первого СГЖ, построенного судоверфью «Rodrigues-Cantieri navali» [http//www. Rodriguez, it] — ведущего европейского предприятия' по строительству СГЖ), автор с ностальгией отмечает, что 60-70 годы были периодом наивысшего подъема интереса к СГЖ. Но, уже в конце 70-х в строительстве и эксплуатации пассажирских СПК за рубежом впервые появились кризисные явления. Они совершенно не затронули скоростное судостроение в СССР, где заводы продолжали работать не только на внутренний, но и зарубежный рынок.

Экономический коллапс 90-х годов не только поставил отечественный скоростной флот на грань исчезновения, но и вызвал сомнения в самой целесообразности существования СГЖ, как транспортного средства, в их дальнейшем развитии. Оказалось, что в условиях рыночной экономики, с ее непредсказуемым взлетом цен на топливо, СПК не выдерживают конкуренции с пригородными и междугородными автобусами. Так, в навигацию 2007г., стоимость билета до пристани «Макарьево» на Волге на т/х «Ракета» была I

185 руб., а проезд в мягком автобусе марки «ПАЗ» до г. Лысково - 111 руб. Отметим, что расстояния до-обоих пунктов и время в пути каждого из упомянутых транспортных средств практически одинаково, поэтому сравнение стоимости проезда на них имеет высокую степень корректности. Заметим также, что речь идет о сравнении СПК и автобусов междугородного сообщения, при эксплуатации которых соблюдается правило: «число пассажиров не более числа мест для сидения». На пригородных линиях протяженностью менее 100км, это правило не выполняется на вполне легальных основаниях: автобус «ЛиАЗ», имея 35 мест для сидения, по сертификационным нормам может набирать до 87 пассажиров, 52 из которых едут стоя. Этой возможностью автотранспортники пользуются при каждой благоприятной ситуации. «В тесноте, да не в обиде» - эта поговорка, которой в России издавна оправдывалось зачастую убогое состояние дела пассажирских перевозок. В случае с СПК эта народная мудрость принципиально не срабатывает. Перегруженное судно просто не выходит на крылья. Не отсюда ли берет свое происхождение тезис о нерентабельности пассажирских перевозок на СПК, грозящий их забвением?

До 2003г. пассажирские перевозки на СПК продолжали дотироваться из госбюджета. Но постепенно эта практика сошла «на нет» и, как свидетельствует В.И. Любимов, «.в 1995г. из-за падения уровня платежеспособности населения и ограничения в средствах финансовой поддержки из федерального и местного бюджетов были закрыты сразу 23 скоростных линии и более 50 скоростных судов были поставлены на отстой. Тенденция сокращения пассажирских перевозок сохраняется и в наше время.» [«Волго-Невский проспект» №15(33) от 28.07.2006г.]. Критическое состояние, в котором оказались пассажирские СПК, не может не волновать специалистов, принимавших участие в создании скоростного флота. Им хорошо известно, что СПК продолжают оставаться высокотехнологичными транспортными машинами. Гидродинамическое и пропульсивное качество СПК - величины, влияющие на расходы топлива, у судов P.E. Алексеева имеют максимальные* среди СПК значения, которые вряд ли будут превзойдены в обозримом будущем. До сих пор архитектурные формы СПК P.E. Алексеева' не являются архаичными.

Целью диссертационной работы является построение практической методологии проектирования гидродинамического комплекса СПК, обеспечивающей оптимальное по затратам времени и трудоемкости восстановление их проектирования и строительства.

Положения, выносимые на защиту:

• СПК продолжают оставаться высокотехнологичными транспортными машинами, имеющими свою нишу в транспортной системе государства; их сравнение по расходам топлива с междугородными автобусами изначально является некорректным; СПК не должны дублировать транспортные линии, обслуживаемые автобусами;

• при формировании «Теории проектирования СПК», как науки, необходимо отметить, что:

1) приоритетным объектом внимания конструкторов СПК в начальной стадии проектирования является не корпус судна, а его гидродинамический* комплекс (ГДК), обеспечивающий успешную реализацию эксклюзивно присущего СПК принципа движения по воде;

2) изучение и разработку расчетных и эмпирических методов определения ходовых характеристик, характеристик управляемости и маневренности можно проводить лишь после того, как будет уверенность, что рассматриваемый вид движения является устойчивым;

3) резюме: наиболее целесообразно проводить не автономное, как это принято в классической теории проектирования судов, а комплексное изучение указанных «мореходных качеств» СПК в формате одной-темы, которая будет фигурировать под названием, например, как «Механика движения СПК».

• определение естественной гидродинамической устойчивости движения СПК (феномена «гидродинамической самостабилизации») как «способности гидродинамического комплекса судна самостоятельно, без вмешательства судоводителя или автоматики, сохранять режим хода на крыльях при воздействии как случайных, так и стационарных возмущений, имеющих специ-фикационный характер»;

• применение методологии гидродинамического копирования является наиболее прагматичным подходом к решению проблемы возобновления проектирования и строительства новых СПК в современных условиях.

Признаки научной новизны имеют следующие результаты работы:

• разработана методика, проведены масштабные расчеты и построена диаграмма для сравнительной оценки эффективности использования запаса^ топлива транспортными машинами принципиально разных конструктивных типов;

• обоснование вывода о приоритетной роли построения гидродинамической схемы СПК в начальной стадии проектирования;

• в диссертации обоснованно ставится вопрос о необходимости,изменения в традиционном принципе автономного изучения ходовых качеств («ходкости») судна, когда речь идет о проектировании СПК; ходовые качества этих судов в переходном и основном режимах движения должны рассматриваться только вкупе с анализом устойчивости движения объектов;

• выполненный в диссертации в ретроспективном ключе обзор диалектики изобретения и развития схемы «тандем» (Э. Форланини, А. Крокко, P.E. Алексеев) убедительно свидетельствует в пользу тезиса о доминантной роли устойчивости движения объекта при синтезе гидродинамической схемы СПК;

• разработано математическое обеспечение для аналитического определения важнейшего показателя устойчивости, а именно свободного возмущенного движения СПК;

• теоретически обоснованным и практически апробированным является применение методологии гидродинамического копирования (термин является

1 аналогом термина, применяемого в проектировании самолетов), представляющего возможности для разработки проектов новых СПК;

• разработка и анализ статистической диаграммы, устанавливающей зависимость между пассажировместимостью СПК и его водоизмещением масс, используемых в методологии гидродинамического копирования.

Практическая значимость работы. Как показывает практика проектирования СПК, разработка гидродинамического комплекса нового судна — достаточно трудоемкий процесс, который по опыту ЦКБ по СПК продолжается несколько месяцев и даже лет. Успех дела при этом обеспечивается специалистами-гидродинамиками и мастерами рабочих профессий, владеющих специфическими технологиями проведения испытаний на открытых аква-полигонах. С этой точки зрения разработанный в диссертации метод проектирования гидродинамического комплекса СПК как динамически-подобной модели гидродинамического комплекса некоторого СПК-прототипа, сокращая практически на нет затраты времени и средств на проведение модельных испытаний, может оказаться и единственным способом восстановления в стране строительства новых СПК.

1. АНАЛИЗ'ТРАНСПОРТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАССАЖИРСКИХ СУДОВ НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ В СОВРЕМЕННЫХ ЭКОНОМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Проблемы успешной коммерческой эксплуатации СПК особенно обострились в конце ХХ-го века в связи с непрекращающимся ростом мировых цен на топливо. В России этот период совпал по времени со сменой в стране экономического уклада. Успешно до того развивавшаяся отрасль промышленности и транспорта, не имея опыта работы в условиях рыночной экономики, быстро деградировала, оказавшись у последней черты.

Причины кризисного состояния, в котором находится сегодня скоростной флот, представленный СПК, на первый взгляд очевидны. Во-первых, обычно озвучивается тезис об более высоких по сравнению с автобусами расходах на топливо в расчете на один рейс. Во-вторых, невозможность круглогодичной эксплуатации.

Выполненные в диссертации расчеты показали, что приведенные расходы на топливо Сепасс.'-км [руб./пасс.-км] у СПК заметно выше, чем у автобусов (см. Рисунок 1,1).Эти уступки заложены на «генетическом» уровне, так как в их основе лежат различия физических принципов движения рассматриваемых транспортных машин. У СПК по объективным причинам, приведенные массы и энерговооруженность выше, чем у автобусов (см. Рисунок 1.2 и 1.3).

Но, могут ли более высокие расходы топлива быть достаточным основанием для выводов о каком-либо техническом несовершенстве СПК?

Начнем с того, что экономика транспорта, как наука, относит рейсовую себестоимость одного пасс.-км к числу частных показателей эффективности транспортных машин, не учитывающих разнообразия расходов, связанных с организацией системных перевозок. Статистика показывает, что расходы на топливо составляют (30-40%) от общих расходов на эксплуатацию транспортных машин. ьВпасс-к» /тс .,„/ 2,2

Длина расчетной дистанции 1=100 км

Рисунок 1.1. Себестоимость одного пасс.-км по расходу топлива для СПК и автобусов

РТ5-150"

250 Число 300 пассажиров п

Рисунок 1.2. Массовые характеристики СПК и автобусов

Рисунок 1.3. Приведенные (в расчете на одного пассажира) мощности

СПК и автобусов

Необходимо найти критерий, более точно и объективно определяющий связи между расходом топлива и техническим совершенством транспортного объекта. Он должен учитывать функциональные зависимости между массой машины, мощностью ее энергетической установки (ЭУ), пропульсивным к.п.д. и их влияние на расход топлива при некоторой заданной скорости движения (хода). Поиск такого критерия начнем с анализа известного уравнения технической механики, которое определяет «полезную» мощность машины («винтовая» мощность судна, «мощность тяг» автобусов, «потребная» мощность самолетов и др.):

Np = (1-1), где Ре — полезная тяга (упор) движителя транспортной машины; v — расчетная скорость, отвечающая режиму установившегося движения (эксплуатационная скорость); г| - к.п.д. движителя.

При установившемся движении объекта полезная тяга Ре равна силе сопротивления R, которую можно представить отношением

R~ К' где тд — сила тяжести машины; К — известный в теории проектирования самолетов и СДПП параметр, называемый аэродинамическим или гидродинамическим качеством объекта.

Мы не нашли оснований против его использования при изучении динамики колесных видов транспорта и уравнение (1-1) предлагаем записать в виде

1-2).

С другой стороны, мощность Np, подводимую к движителю, можно связать с эффективной мощностью движителя Ne уравнением:

Np = Neiipr (1-3), где Т]рГ — к.п.д. пропульсивной передачи (валопровод + движитель) СПК, то есть

Лpr ~ Лр Леал.э где цвал - механический к.п.д. валопровода. (В автомобильном деле аналогом Г|рг является к.п.д. трансмиссии

Приравнивая правые части (1-2) и (1-3), можно получить

Произведение Кг\рг — это пропулъсивное качество, характеризующее техническое совершенство (наименьшее сопротивление + эффективный движитель) транспортных средств, у которых на расчетных скоростях движения (хода) в категории внешних сил действующих на объект, превалируют силы, имеющие динамическую природу. Но необходимо еще раз отметить, что речь идет о сравнении транспортных машин только по расходу топлива. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, покажем, как пропульсивное качество, являясь мерой технического совершенства машины, напрямую определяет ее расход топлива. С этой целью введем в анализ традиционно используемые в проектировании и эксплуатации самолетов понятия часового и километрового расходов топлива. Применению этих понятий в проектировании СПК положили начало работы В.М. Пашина [54].

Итак, часовой расход

Яч = СеМе [кг/ч] (1-5), где Се— удельный расход топлива главным двигателем ЭУ объекта [кг/кВт ч];

ЛГе— суммарная эффективная мощность ЭУ [кВт].

Километровый расход топлива

Чкм = ^ = 7 [кг/км] (1-6), где V — скорость движения транспортного объекта [км/ч].

Подставляя в (1-6) значение Ие и Ыр из (1-3), получим

Ч™ = ^ (1-7). к Лрг

Из (1-7) можно получить еще одно выражение для коэффициента про-пульсивного качества транспортной машины, устанавливающее искомую связь между ее техническим совершенством К г\рг и километровым расходом топлива

Сетд

Пропульсивное качество Kr\pr является искомым универсальным параметром, позволяющим не только оценивать инженерное совершенство отдельно взятых транспортных машин, но и сравнивать между собой машины, относящиеся к одной и той, же группе.

В диссертации приводятся материалы, которые позволяют сделать вывод о том, что СПК конструкции P.E. Алексеева имеют наивысшее значение этого параметра среди всех видов СДПП, представляющих водные виды транспорта. Но, по известным причинам, у СПК пропульсивное качество меньше, чем у автобусов и самолетов. Не нужно с ними конкурировать, СПК не должны вторгаться в транспортную нишу, занимаемую этими машинами.

Невозможность круглогодичной эксплуатации СПК в первом приближении намного (~вдвое) уменьшает годовые эксплуатационно-экономические показатели пассажирских СПК. Но, если от годовых (навигационных) величин перейти к их аналогам, рассчитанным за весь период жизненного цикла сравниваемых объектов. В работе авторов [47, 48] обосновывается гипотеза, согласно которой из-за того, что период жизненного цикла СПК в четыре раза превышает аналогичный период времени эксплуатации автобуса дальнего следования, показатели транспортной эффективности нивелируются. Но, для доказательства этой гипотезы понадобится многолетний период коммерческой эксплуатации СПК в условиях рыночной экономики. Такая отдаленность получения результатов заставила нас подойти к сравнению эффективности использования запасов топлива транспортными машинами разного типа с других, с более общих позиций. Такой подход основывался на классических понятиях механики и теплотехники. Он более абстрагирован, не требуя подробной информации об аэрогидродинамических и пропульсивных характеристиках объекта. Данное обстоятельство позволил привлечь к анализу помимо СПК и автобусов, транспортные средства, реализующие другие принципы поддержания и движения: самолеты, вертолеты, СВП амфибийного и скегового типа, глиссирующие катера, а также транспортные средства; имеющие пока статус экспериментальных.

Итак, на перемещение транспортной1 машины, на расстояние L (протяженность рейса) с постоянной скоростью v нужно затратить работу, определяемую по известной формуле механики

Av=PeL или Ар = R L, [Дж] (Г-8).

Определение винтовой мощности существующих СПЕС не вызывает каких-либо затруднений, например, [23]. Аналогичными материалами по мощ-ностным балансам автобусов поделились с нами сотрудники кафедры «Автомобили и тракторы» Нижегородского технического университета им. P.E. Алексеева (НГТУ им. P.E. Алексеева). Поэтому при определении полезной работы применительно к этим объектам достаточно формулы (8).

Но когда дело касается самолетов, вертолетов и прочих образцов транспортной техники, получение информации о названных выше характеристиках становится проблемной задачей, поскольку эти проектные материалы традиционно имеют ту или иную степень закрытости. Выход из ситуации — возможность представить полезную работу Ар через мощностные показатели транспортной машины. Используя еще одно известное соотношение теоретической механики между полезной работой и полезной мощностью Ре, можно получить

Av=Net Г|рг, [Дж], где t — время прохождения расчетной дистанции.

На выполнение полезной работы Ар расходуется энергия, образующаяся при сгорании топлива массой штот- и теплотворной способностью q [кДж/кг]. Эта энергия подсчитывается по формуле теплотехники

Ч,тепл. ЯТ^-топл. [Дж].

Отношение эр = V2- (ь9)

•¿тепл. назовем коэффициентом эффективности использования запаса топлива или теплотехническим к. п. д. транспортной машины. Можно утверждать, что этот коэффициент наиболее объективно характеризует ее инженерный уровень.

По формуле (1-9) были выполнены расчеты коэффициента теплотехнического к.п.д. для ряда транспортных средств, относящихся к наземному, водному и воздушному видам транспорта. Подробная номенклатура объектов и соответствующие значения коэффициента Эр приводятся на диаграмме Рисунке 1.4.

Представляя результаты расчетов на графике, мы в качестве характерного параметра принимали не скорость движения объекта, как это свойственно диаграммам типа Кармана-Габриелли [10], заложившим методические начала межвидового сравнения эффективности транспортных средств, допуская, например, сравнение СПК по величине К Г]рг с автомобилями, самолетами, вертолетами и другими видами наземного, водного и воздушного транспорта, а число, известное в судостроении как «число Фруда» где V — скорость движения объекта, [м/с]; I) — его масса, [т].

В ходе библиографического поиска не удалось найти примеров применения этого числа или его аналогов в теории движения автомобилей. Тем не менее, автор диссертации полагает, что нет причин против его использования в качестве параметра, характеризующего относительную скорость сравниваемых объектов, исходя из предположения £ = тапот-.

По материалам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. У пассажирских СПК есть своя ниша в существующей системе транспорта. СПК, касающиеся себестоимости пассажирских перевозок по расходам топлива, могут быть денонсированы, если:

2. СПК заметно уступают междугородным автобусам по эффективности использования топлива. Но, негативные сравнительные оценки могут быть в значительной степени денонсированы с учетом замечаний:

2.1. Современная система тарифов на транспорте, когда цена билетов на автобус или СПК определяется рыночными условиями, а высокоскоростV ная магистраль считается «общенародным достоянием», обрекает СПК на значительные уступки автобусам по расходам топлива.

2.2. В экономических расчетах по организации пассажирских перевозок на СПК, нужно воздержаться от сравнительных оценок рейсовой или годовой (навигационной) себестоимостям перевозок, а рассматривать итоги работы за гораздо более длительный период (в идеале равный продолжительности «жизненного цикла» сравниваемых транспортных средств);

3. Организация нового транспортного предприятия, использующего СПК, должна строиться на новых принципах их коммерческой эксплуатации. Большинство скоростных линий на водных путях в бывшем СССР дублировали наземные, чаще всего автобусные линии. Особенно заметно это в Европейской части России, где высокую конкуренцию СПК составляет автобусное сообщение. Вместе с тем на реках Сибири, дальнего Востока и Крайнего Севера, переправы через крупные озера, через морские проливы, на каботажных морских линиях пассажирские СПК до сих пор являются единственным и надежным средством сообщения. Преимущества такого использования СПК с точки зрения их транспортной эффективности очевидны. В последнее время в стране наметилась перспективная тенденция использовать небольшое число «уцелевших» СПК в качестве экскурсионных.

4. Новые подходы к организации менеджмента в коммерческой эксплуатации СПК должны сопровождаться технической модернизацией последних. Большинство существующих в настоящее время СПК морально и физически устарели. В первую очередь это касается их двигателей.

Обсуждая экономически неубедительную для кого-то судьбу СПК, нельзя не учитывать, что эти суда представляют собой высокотехнологичные изделия с гарантированными возможностями поставки на экспорт. Утеря наработанных алгоритмов проектирования и специфических приемов в технологии их постройки — очевидное ослабление стратегических планов государства в его стремлении уменьшать долю сырьевого экспорта. Это неминуемо означает также отставание страны в области новейших области новей

19 ших военно-морских технологий, ибо функция общественной полезности СПК не ограничивается только пассажирскими перевозками.

С удовлетворением отмечаем, что наши прогнозы относительно дальнейшей судьбы пассажирских СПК, опубликованные ранее [44, 45, 46, 47]. Они получившие развитие в диссертационной работе и оказались созвучными с мнением ученых и специалистов в области скоростных пассажирских перевозок на водном транспорте [36].

Эр

28г

26

2 4

22

20 та«

Ж6: I

1 I : 1 № т ттшр

4Т6ь2 I

Метеор-2

РТБ150

Спутник

Комета Ракета

РТ-21 Колхида,

ЛМеждународные автобусы:

1.ГАЭ-32213 8.МАЗ-101 И.Мегсе(1е$-Вем0302СМ-8

2.ПАЗ-32053 9./1АЗ-АИ1 15 УоЫо ВЮМ

11аз11111З ™ МАМ А72

7. НЕФАЗ 5299-01

-&у=60км/ч Л Окм/ч

----а----а у^80км/ч

Альбатрос расточка, к.Дельфин [^Восход |

Ми-8

Ми-4

Вертолеты • Ка-18

•Ка-26

Ми-34

Як-2ЬА

• ми-6А

ИЛ-Н

Самолеты с Воздушными динтами ■ТгЫзпбег" «0э5/,7«.

Солуз/Г440

-410

Суда на воздушной подушке: Амфибийные СВП: Скегобые СВП:

1. "УТ-Г 6."Зарница"

3 '5Ш- 6" ^

4. Сормаоич

5.Т орькойчанин"

Суда с воздушной каверной:

1. "Линда" 2."Веста" З.'Серна"

Глиссеры:

1."НК/1-27" 2."Автадар" 3."Экспресс" 4. "Заря" о Речные СПК *Морские СПК

8 10 12 74 16 18 20 22 24 26 28 И

Рисунок 1.4. Теплотехнический к.п.д. некоторых транспортных машин Эр = /С^Гд).

Расчетная дистанция 100 км.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный в диссертации сравнительный анализ транспортной эффективности пассажирских СПК, позволяет утверждать, что СПК конструкции P.E. Алексеева продолжают оставаться транспортными машинами с наиболее высокими для этого типа судов технико-эксплуатационными характеристиками. Сравнивать эти показатели с их аналогами у междугородных автобусов изначально некорректно. Конкуренции между этими видами транспорта быть не должно. В диссертации обосновано, что у пассажирских СПК имеется своя ниша в транспортной системе государства.

2. Результаты анализа творчества P.E. Алексеева и опыта практического проектирования ЦКБ по СПК в сопоставлении с обзором библиографии, посвященной этой теме, позволяют сделать вывод, который представляет методологический интерес для теории проектирования СПК как прикладной науки, формирование которой еще далеко не завершено. В отличии от классической теории проектирования водоизмещающих судов, приоритетным объектом внимания конструкторов в начальной стадии работы над проектом является не корпус СПК, а его гидродинамический комплекс. Схема его компоновки является тем документом, с которого начинается общее проектирование объекта в формате технического проекта.

3. «Авиационный» подход к началу проектирования СПК, предусмотренный в п.2, вносит еще одну смену приоритетов: первоочередное внимание должно быть уделено двум важнейшим функциям ГДК СПК, определяющих его жизнеспособность, это:

1) обеспечение необходимого разгона судна и его «выхода на крылья»;

2) устойчивость движения в режиме хода на крыльях.

4. Традиционно в теории корабля к изучению ходкости водоизмещающих судов подходили, рассматривая- его изолированно, вне связи с другими мореходными качествами объекта. Такой подход сохранился и по отношению к СПК. В диссертации, впервые в теории движения СПК, обосно

112 вывается необходимость и целесообразность совместного изучения ходкости и устойчивости движения СПК в рамках одной темы с условным названием, например, «Механика движения СПК».

5. Особое внимание в диссертации было уделено проблеме устойчивости движения СПК, как доминанте проблемы выбора, структуризации и построения схемы гидродинамического комплекса СПК. В ходе анализа были сделаны следующие выводы:

5.1. Изучение проблемы с позиций общетехнической теории устойчивости движения является наиболее корректным способом получения информации, как при аналитическом, так и при эмпирическом методе познания явления.

5.2. «Принцип обеспечения устойчивости движения определяет конструктивный тип несущей системы СПК» — этот тезис находит обоснование входе ретроспективного обзора, посвященного диалектике изобретения и дальнейшего развития гидродинамической схемы «тандем», являющейся выдающимся достижением ХХ-го века.

5.3. Система «тандем» наиболее оптимальным образом отвечает требованиям к конструктивной реализации гидродинамического феномена, эксклюзивно принадлежащего СПК, построенных по указанной схеме. Речь идет о естественной гидродинамической устойчивости (самостабилизации) движения СПК в расчетном режиме. Такой способности нет даже у вполне устойчивых самолетов.

5.4. Испытания динамически-подобных моделей как наиболее точный способ изучения устойчивости сохраняет свое значение в будущем. Но, прибегать к нему следует только на завершающем этапе работ по проектированию гидродинамической схемы судна. Оценку устойчивости предварительных вариантов можно осуществлять аналитическими методами. Для этого, в диссертации разработано соответствующее математическое обеспечение.

6. Наиболее значительным результатом исследования, имеющим сугубо практическое значение, является разработка методики проектирова

113 ния гидродинамической схемы СПК на базе схемы уже известного СПК. Метод, основанный на теории динамического подобия, позволяет принципиально обойтись без проведения модельных испытаний.

7. В материалах диссертации приводится достаточно материалов, подтверждающих вывод о том, что приоритеты при выборе СПК--гидродинамических прототипов должны быть отданы исключительно судам, разработанным в ЦКБ по СПК.

1. Алексеев P.E. Опыт проектирования, строительства и эксплуатации судов на подводных крыльях и их перспективы развития. Сб. трудов НТО им. акад. А.Н. Крылова. Горький, 1961

2. Алексеев P.E. Опыт эксплуатации теплохода «Ракета». — Л.: Судостроение, 1958

3. Алексеев P.E. Основные направления развития транспортного скоростного судостроения. Доклад на VI НТК по проектированию скоростных судов, посвященный 20-летию с момента создания первого скоростного судна «Ракета». Горький, 1976

4. Алексеев P.E. Итоги эксплуатации первого речного теплохода на подводных крыльях. Сб. Проектирование и строительство речных судов. -М.: Речной транспорт, 1960, с. 15-21

5. Андрианов Л.В. Исследование и«разработка расчета бокового движения судов на малопогруженных подводных крыльях Автореферат диссертации к.т.н. Горький, 1973

6. Бадягин A.A. и др. Проектирование самолетов, с. 16 — М.: Машиностроение, 1972

7. Басин A.M. Ходкость и управляемость судов. М.:.Транспорт, 1968.

8. Басин A.M., Анфимов В.Н. Гидродинамика судна. Л.: Речной транспорт, 1961

9. Белавин Н.И. Экранопланы. Л.: Судостроение, 1968'

10. Белецкая С.Б. Оптимизация« конструктивных параметров несущих гидродинамических комплексов скоростных судов. Автореферат диссертации к.т.н. Нижний Новгород, 1999

11. Богатырев С.Д. Опытовый бассейн для СПК. Сб. трудов НТО СП. Вып. 128, 1969

12. Бочкарев А.Ф. и др. Аэромеханика самолета, с. 127 М.: Машиностроение, 1985

13. Ваганов A.M. Проектирование скоростных судов, с. 179. Л.: Судостроение, 1978.

14. Справочник по теории корабля. В трех томах. Под редакцией Войткун-ского Я.И. Том 3. Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания. Л.: Судостроение. 1985

15. Дементьев В.А. Определение массы пассажирских СПК. В сб. «Вопросы судостроения». Труды ГИИВТ'а. Вып.125. Горький, 1972

16. Дементьев В.А. Вклад P.E. Алексеева в методологию создания скоростных судов. Материалы НТК по проектированию скоростных судов 1986г., 1988г. НТО СП, Волжско-камское межобластное правление. -Горький, 1990

17. Дементьев В.А. P.E. Алексеев — основоположник отечественного скоростного судостроения. Тезисы докладов XII НТК по проектированию скоростных судов. ЦКБ по СПК. ВНТО СП, Волжско-камское межобластное правление. Н. Новгород, 1997

18. Дементьев В.А. Создание СДПП как отражение научно-технического скачка в судостроении. Материалы НТК «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве». МО РФ, НГТУ, ОАО «Завод «Красное Сормово», НТО СП. -Н. Новгород, 2002

19. Егоров И.Т., Соколов В.Т. Гидродинамика быстроходных судов, с. 61 -Л.: Судостроение, 1965. С.61.I

20. Жульев A.B. Машинное моделирование поведения судов с динамическими принципами поддержания. Сб. тезисов докладов XII НТК по проектированию скоростных судов ЦКБ по СПК им. Р.Е.Алексеева. ВНТО им. акад. А.Н.Крылова. Н. Новгород, 1997

21. Зайцев H.A., Маскалик А.И. Отечественные суда на подводных крыльях. Изд. 2-е. Л.: Судостроение, 1964

22. Злобин Г.П., Смигельский С.П. Суда на подводных крыльях и воздушной подушке. Л.: Судостроение, 1981

23. Иванцов Н.М. Влияние величины водоизмещения на относительную массу корпуса. В сб. «Вопросы судостроения». Труды ГИИВТ'а. Вып. 125. Горький, 1972

24. Извольский Е.Г. Дифференциальные уравнения продольного движениям СПК как объекта регулирования. М.: Труды МАИ им. С.Орджоникидзе. Вып. 139, 1959

25. Иконников В.В., Маскалик А.И. Особенности проектирования и конструкции судов на подводных крыльях, с. 50; 191-208; 305-349; 16 Л.: Судостроение, 1987

26. Колызаев Б.А., Косоруков А.И., Литвиненко В.А. Справочник по проектированию с динамическим принципом поддержания, с. 39; 305; 41 — Л.: Судостроение, 1980

27. Короткин И.М. Аварии судов на воздушной подушке и подводных крыльях. Л.: Судостроение, 1981

28. Косоуров К.Ф. Гидросамолеты их мореходность и расчет. Л., М.: ОНТИ НКТП СССР. Главная редакция авиационной литературы, 1935

29. Крыловъ AlH. Учебникъ теорш корабля. СПб.: Ю.Н.Эрлихъ, 1913

30. Лотов А.Б. Исследования ЦАГИ по подводным крыльям. Проблемы движения на подводных крыльях, с.22-42: Сб. трудов НТО СП им. акад. А.Н.Крылова. Вып. 15. Горький, 1961

31. Лукашевич А.Б., Скафтымов A.B. Численные решения задачи о продольном движении СПК на регулярном волнении с учетом ударов корпуса о воду. Л.: Труды НТО Судпром. Вып.242, 1976

32. Лукашевский В.А. Движение судов на автоматически управляемых подводных крыльях. Л.: Сб. трудов НТО СП. Вып.49,1963

33. Лукомский Ю.А., Чугунов B.C. Системы управления морскйми подвижными объектами. Л.: Судостроение, 1988

34. Любимов В.И., Гаккель A.A., Барышев В.И. «Мы не плаваем, мы летаем!» девиз компании «Элиен». - Н. Новгород: Поволжье, 2007

35. Мавлюдов М.А., Русецкий A.A. и др. Движители быстроходых судов. -Л.: Судостроение, 1973

36. Макливи Р. Суда на подводных крыльях и воздушной подушке, с.24; 39 -Л.: Судостроение, 1981

37. Мартынов А.И. Глиссеры. М.: Речиздат, 1940

38. Матвеев И.И. Об устойчивости продольного движения СПК. Сб. тезисов докладов ХХ-ой НТК по теории корабля НТО СП. Вып.156. Л;: 1971

39. Меркин. Д.Р. Введение в теорию устойчивости движения. — М.: Наука, 1971

40. Мухина М.Л. Построение математической модели продольного установившегося движения СПК. Сборник тезисы докладов на VI м/н конференции по компьютерной геометрии и графике «Кограф-96», Н.Новгород, 1996

41. Мухина М.Л., Мухин В.А. Денонсация оценок или ниша для крылатых судов. «Мир транспорта». М.: Типография МКЖТ МПС РФ, 2008

42. Мхитарян А.М. Аэродинамика, с. 419, п. 65 М.: Машиностроение, 1976

43. Ногид Л.М. Теория проектирования судов. — Л.: Судпромгиз, 1955

44. Остославский И.В., Стражева И.В. Динамика полета. Устойчивость и управляемость летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1965

45. Панов А.Ю. Исследование динамики пространственного движения быстроходных судов. Вычислительная гидродинамика. Межвузовский сборник ГПИ им. A.A. Жданова, Горький, 1980

46. Панов А.Ю., Печникова Т.Ф. Численный эксперимент на ЭВМ при исследовании продольного движения быстроходного судна. Гидродинамика и оптимальное проектирование транспортных средств, Горький, 1985

47. Панов А.Ю. и др. Исследование на ЭВМ продольного движения быстроходного судна сор сложной геометрией несущих поверхностей. Гидродинамика и оптимальное проектирование транспортных средств, Горький, 1986.

48. Панченков А.Н. Оптимальная аэродинамическая стабилизация экрано-планов. В кн. «Прикладные проблемы и пластичности». М.: Товарищество научных изданий КМК, с. 163-171, 1997

49. Панченков А.Н. Проблема аэродинамической стабилизации экранопла-нов. В кн. «Восточно-Сибирский авиационный сборник». Иркутск: ИГУ, вып. 2, с.111-121, 2003

50. Пашин В.М. Расчеты запасов топлива и дальности плавания быстроходных судов на подводных крыльях. Сб. «Судостроение», №10, 1965

51. Плисов Н.Б., Рождественский К.В., Трешков В.К. Аэрогидродинамика судов с динамическими принципами поддержания, с. 160. — JL: Судостроение, 1991

52. Разуваев В;Н., Царев Б.А. Логико-математическое моделирование оптимизации СПК. Тезисы докладов XII НТК по проектированию скоростных судов. ЦКБ по СПК. ВНТО СП, Волжско-камское межобластное правление. Н. Новгород, 1997

53. Российский Морской Регистр Судоходства. Правила классификации и постройки. СПб.: Морской Регистр. Электронный аналог печатных изданий www.morkniga.ru/r202167-l. html. Министерство транспорта России, 2005

54. Российский Речной Регистр. Правила классификации и постройки речных судов. М.: По Волге, 2008

55. Садовский Б.В. Оценка весового водоизмещения пассажирского СПК в начальной стадии проектирования. Л.: Сб. трудов НТО СП им. акад. А.Н. Крылова. Теория и проектирование судов. Вып.211. Судостроение, 1974i

56. Смрчек A.B. Исследования ЦАГИ по подводным крыльям. Электрическое моделирование при исследовании динамики скоростных судов на подводных крыльях. Горький: Сб. трудов НТО СП им. акад. А.Н.Крылова. Вып. 15,1961

57. Соболев Г.В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения. -Л.: Судостроение, 1976

58. Соколов В.Т. Гидродинамические характеристики подводного крыла, работающего в системе тандем. — Л.: Труды ЦНИ, Вып. 169, 1961

59. Справочник авиаконструктора. Том II. Гидромеханика гидросамолета. -М.: ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, 1938

60. Фанъ деръ Флить А., проф. Теор1я корабля. Часть III. Лекцш, читанныя студентамъ Кораблестроительного Отдълешя Петроградскаго Политех-ническаго Института Императора Петра Великаго въ 1915-1916 учеб-номъ году. -Петроградъ: Печатный Трудъ, 1916

61. Фомин H.A. Проектирование самолетов. М.: Оборонгиз, 1961

62. Царев Б.А. Доминантный подход при оптимизации проектных характеристик высокоскоростных судов. Н. Новгород: Тезисы докладов XII НТК по проектированию скоростных судов. ЦКБ по СПК. ВНТО СП. Волжско-камское межобластное правление, 1997

63. Эпштейн JI.A. Устойчивость глиссирования гидросамолетов и- глиссеров. М.: Труды ЦАГИ. Вып.500, 1941

64. Эпштейн Л.А. Продольная устойчивость движения судов, поддерживаемых элементами, использующими гидродинамическую подъемную силу. Л.: Сб. трудов НТО СП. Вып.39, 1962

65. Matveev K.I. Tandem hydrofoil system. Océan Engineering № 28. — USA, California Institute of Technology, 2000

66. Motoren und Turbinen Union. M.A.N. Maybach Mercedes-Benz