(c)98, В.Н. Храмушин, лаб. Вычислительной гидромеханики и океанографии,СКБ САМИ ДВО РАН, г. Южно-Сахалинск

По материалам доклада на Всесоюзной конференции Советского национального общества истории философии естествознания и техники (СНОИФЕТ), “Историческое развитие представлений о наилучшей форме корпуса”, представленного в феврале 1985 года.

Известно, что древние корабли строились самими же мореплавателями, и проектирование нового корабля всегда делалось с учетом будущего режима и района плавания. Можно сделать предположение, что если определенные проектные решения по форме корпуса и корабельной архитектуре сохранялись веками и тиражировались одновременно в нескольких странах, то соответствующие корабли можно считать вполне мореходными или же оптимальными по условиям плавания и хорошей морской практики.
Древним корабелам-мореплавателям приходилось уделять существенно большее внимание безопасности штормового плавания, так как гребные весла не пригодны в качестве движителей даже при умеренном волнении, а сильный шквальный ветер превращает парусное вооружение в источник серьезной опасности. Современное же судно, при условии поддержания работоспособности главного двигателя и рулевого устройства, в состоянии противопоставить морской стихии мощность своих машин, тем самым снижая требования к штормовой мореходности, обеспечиваемой формой корпуса и надстроек.
Историческая эволюция корабельной архитектуры объясняется изменениями в принципах приведения корабля в движение и лишь отчасти состоянием технологии кораблестроения. Последний тезис удобно применять для анализа мореходности судового корпуса с древнейших времен и до начала ХХ века. В архитектуре же современных судов одинакового назначения можно найти существенные отличия в их форме корпуса и надстроек, поэтому становится интересным проведение сравнительного анализа мореходных качеств, обусловленных обводами корпуса и архитектурой надстроек. Актуальность такого вопроса связана также с тем, что в последние десятилетия очень быстро меняется представление о наилучшей форме корпуса, но за этот период не произошло каких-либо изменений в принципах обеспечения мореходности или в способе поддержания движения.

* Чем вызвана современная эволюция формы корпуса судна?
* Лучше ли мореходные качества кораблей Второй Тихоокеанской эскадры адмирала Рожественского, в сравнении с современными кораблями такого же водоизмещения?
* Безопаснее и комфортнее ли океанское плавание на борту лайнера "United States", чем на лайнере "Константин Симонов" 1982г. постройки?

Mожно предположить, что связная история развития представлений о наиболее мореходном корабле определялась практическим опытом мореплавания, который формализовался в систему эвристических и, по-видимому, неписаных правил. Эти правила потеряли свое определяющее значение с приходом к практическому проектированию поколения профессиональных инженеров - не знакомых с практическим судовождением. Этот рубеж отмечается во времени появлением и триумфом проекта эсминца типа "Новик". То есть, когда стремление к максимальному насыщению корабля оружием возобладало над свойственной мореплавателям заботой о хорошей мореходности.
По выражению Томаса Джилмера [Джилмер Томас С., 1984]: "Проектирование кораблей часто считают искусством...", он продолжает: "... Значение его как искусства недооценивается лишь теми конструкторами, воображение и творческая мысль которых ограничены... ". Думается, что при проектировании судовых обводов, последнее будет актуально вплоть до появления методов вычислительной оптимизации, учитывающей не только ходкость корабля на спокойной воде, но и весь комплекс вопросов штормового плавания на взволнованной поверхности моря. В настоящее же время неизвестно удовлетворительных оптимизационных решений как в задаче о ходкости, так и в задаче о мореходности. Нет таких решений и для поверочных расчетов по заданной форме корпуса, и не только в случае плавания на волнении, но даже и на спокойной воде.

Известно, что Фараон Нэхо (612-576гг. до н.э.), для организации внешней торговли и мореплавания, обращался к услугам финикийцев, государство которых находилось на богатой лесом территории современного Ливана и Сирии. Расцвет кораблестроения и морской славы Финикии приходится на 1200-700гг. до н.э.
Это были крупные торговые суда с палубами, по форме корпуса и мореходным качествам похожие на ладьи викингов, а также военные корабли с тараном и даже, двумя рядами весел. Как о великих мореплавателях можно судить потому, что финикийцы имели колонии по всему побережью Средиземного моря, о них знали далеко за пределами Гибралтарского пролива, в том числе на английских островах и даже за мысом Доброй Надежды. [Курти О., 1977].
Рис.2 Финикийское морское торговое судно.
Подобно судам викингов, такое судно в состоянии удерживаться лагом к штормовой волне. В этом режиме плавания килевая качка демпфируется развалом шпангоутов в оконечностях, а большая поперечная остойчивость корпуса позволяет отслеживать поверхности волны, чем обеспечивается незаливаемость.

Mорская слава Финикийцев говорит о хорошей мореходности их торговых судов. Принципы проектирования формы корпуса таких судов дольше всего сохранялись в ладьях Викингов. Для анализа опыта штормового плавания можно обратится к практике использования самодельных деревянных лодок, которые уверенно ходят по взволнованной поверхности Волжских водохранилищ, держа курс "лагом к волне". Kорпус этих судов является наиболее ярким примером приспособляемости к свойствам ветрового волнения. Здесь корабелы преследуют цель минимизации силового взаимодействия корпуса с волнением, ставя условием обеспечение незаливаемости палубы.
Штормовое плавание лагом к волне

Oсновными особенностями обводов корпуса, которые обеспечивали штормовую незаливаемость верхней палубы, можно выделить следующие:
* Низкий надводный борт, не воспринимающий кренящее давление ветра, и широкий корпус, обеспечивающий хорошую поперечную остойчивость;
* Округлая форма мидель-шпангоута обеспечивает крутые ветви диаграммы статической устойчивости, что в совокупности с низким центром тяжести позволяет корпусу легко удерживаться на наклонной поверхности волны. Это необходимо для обеспечения незаливаемости;
* Зауженные и высокие V-образные шпангоуты в носу и в корме способствуют демпфированию килевой качки. При килевой качке эти шпангоуты расталкивают воду, создавая динамические условия незаливаемости в оконечностях;
* Судно делается симметричным относительно носа и кормы, что является главным условием непротивления стихии. Для удержания курса лагом к волне (т.е. вдоль волновых фронтов - когда корпус не пересекают волновые хребты), оказываются достаточными усилия гребцов на веслах, а при усилении волнения и потере хода, эта задача может быть решена с помощью только одного рулевого весла.

Tакая форма корпуса хорошо использует свойства ветрового волнения при малой длине разгона свободных волн. (Длительный шторм в океане порождает волнение в форме суперпозиции волн зыби и активных молодых волн, что с позиций рулевого, делает непредсказуемым подход волны к корпусу и затрудняет маневрирование с целью уклонения от волны). Групповой характер ветрового волнения обуславливает появление крупных "девятых валов", которые всегда имеют четко выраженную продольную вытянутость, а по динамическим свойствам эти валы подобны стоячим волнам, то есть вершина вала не несет на корпус судна обрушающегося потока. Кормчему необходимо следить, чтобы корпус судна удерживался лагом к волне, далее судно свободно кренится, удерживая палубу параллельно волновой поверхности. Незаливаемость в этом режиме плавания обеспечивается, даже если высота "девятого вала" в несколько раз превышает высоту корпуса судна (или речной лодки). Захватывающее и красивое плавание, когда со стороны видно как судно полностью погружается в пучину, затем на мгновение появляется на вершине волны в полной сохранности!
Hо мореходность такого судна не безгранична, и в случае нарушения характера качки за счет неуправляемого поворота судна, или при усилении шторма, первая губительная волна попадает в корпус в районе скулы или кормовой раковины.

Рис.3 Рыболовное судно Русских поморов.

Hовый, дерзкий метод штормового плавания пришел на флот с введением парусного вооружения. Это штормовой ход по волне, который может использоваться современными спортивными яхтами. Древними аналогами таких парусников можно назвать: арабские парусники, китайские джонки и рыболовные суда русских поморов. Причем, для русских поморов такие режимы плавания обосновываются тем, что при усилении северного ветра в Баренцевом море, к примеру, рыбакам необходимо двигаться к берегу и укрываться в прибрежных шхерах. Это необходимо еще и потому [Бадигин К.С., 1956], что их суда приспособлены к лову рыбы и плаванию во льдах, но не могут выдержать реальных северных штормов, и не имеют достаточной автономности для длительного плавания в ледяных полях в северной части Баренцева моря..
* Судно должно иметь полные кормовые обводы, с глубоко посаженным пером руля. При этом надводная часть кормы не должна нависать над водой, что необходимо для исключения захвата корпуса быстро движущимся гребнем попутной волны. Руль желательно иметь заглубленным настолько, чтобы его основная площадь находилась на уровне подошвы волны, так как поток воды в гребне движется в попутном направлении и быстрее самого судна.
* Штормовой парус должен обеспечивать перемещение центра парусности в нос, что в совокупности с полной кормой и обтекаемыми носовыми обводами сделает возможным удержание курса по волне и по ветру. Здесь, носовая оконечность не должна иметь заостренного и килеватого форштевня, так как последнее будет перемещать центр динамического бокового сопротивления в нос и тем самым нарушать устойчивость на штормовом курсе.
* В отличие от финикийского судна, такой корпус требует непрерывного и активного управления движением с помощью кормового руля. В случае, если корпус все же захватывается и ставится лагом к волне, то вывести судно на исходный курс можно только с помощью управления парусом, так как судно сразу же теряет ход.

Kонечно заливаемость при таком режиме плавания не исключена, но разрушительная сила попутной волны ослаблена ходом судна вперед и поэтому вода на палубе не представляет серьезных трудностей по управлению рулем и парусом.
Pассмотренные выше два типа корпуса представляют собой два проекта, в которых: первое судно является наилучшим для плавания на веслах, второе для плавания под парусами. Оба корпуса сохранились до наших дней: первый используется при изготовлении спасательных шлюпок и буксиров; второй - при изготовлении спортивных яхт и опять - буксиров спасателей - если брать во внимание архитектуру надстроек. Это хорошие малые суда, которые способны сохранять активность (ход и управляемость) при движении в условиях усиливающегося штормового волнения. Но это режимы плавания, в которых корпус судна подвергается большим перегрузкам, обусловленным штормовой качкой, поэтому обводы таких корпусов не могут быть использованы при проектировании крупных судов, по двум причинам:

* Ограниченная безопасность штормового плавания - так как при усилении волнения, непредсказуемость появления волн и зыби вблизи корпуса превзойдут опыт и искусство рулевого, или же энергия волн и ветра превзойдут возможности экипажа по управлению парусным вооружением;
* Естественно, что такое судно, при необходимости поддержания хода и управляемости, будет предполагать интенсивный обмен энергией между корпусом и волнением. Это недопустимо для крупного судна, потому, что пропорциональное увеличение прочности корпуса нереализуемо, также, и по техническим причинам.

Здесь же следует вспомнить что, оба проекта требуют большой начальной статической остойчивости, что достигается за счет существенного увеличения площади верхней палубы и как следствие ведет к разрушительному разгулу штормовых волн на этой палубе.
И снова, обращаясь к Финикии, мы находим третье решение - как прообраз будущего всепогодного корабля. Это древний военный корабль - галера.

Штормование носом на волну

B отличие от торговых судов, военные корабли финикийцев не были симметричны относительно мидельшпангоута. Существует однобокое мнение, что таран-бульб галеры выполняет роль только боевого тарана, при этом не берется в расчет, что такое устройство очень затрудняет маневрирование. Если речь вести о ходкости и уменьшении волнового сопротивления, то для скорости хода галеры он, скорее всего, окажет отрицательное влияние увеличением смоченной поверхности корпуса. Бульб также делает невозможным уверенное плавание под парусами, так как смещение центра бокового сопротивления корпуса в нос, делает корабль очень неустойчивым на курсе. Это устройство можно определить как революционное решение в судостроении, так как оно отменяло важнейшее свойство для судов прибрежного плавания - это возможность подхода к пологому берегу. Итак - финикийский военный флот строился для длинных морских вояжей, что соответствовало колониальной политике этой страны.
Bспомним, что на взволнованном море трудно управится с веслами маленькой шлюпки, и сделаем вывод, что галера должна быть приспособлена к безопасному штормовому плаванию без хода.
Пусть это будет штормовое плавание без хода и с удержанием курса носом на волну. Особенностями формы корпуса, обеспечивающими такой режим, являются:
* Нарушение симметрии корпуса относительно мидель-шпангоута со значительным смещением центра величины и центра бокового сопротивления в нос. Установленный с этой целью бульб благоприятно сказывается на устойчивости движения на волнении и стабилизации продольной качки. При этом динамический центр качки о рыскания оказывается вблизи форштевня;
* Плавный подъем днища в корме и нависание кормовой оконечности высоко над водой раскрепощают рыскание. Можно объяснить необходимость использования именно рулевого весла, которое может исполнять роль очень эффективного при маневрировании плавникового движителя и, пожалуй, единственного движителя в свежую погоду, направление приложения силы у такого движителя, к тому же, может быть произвольным.
* Смещение центра парусности за счет кормовой надстройки и объемных кормовых, фигур также служит хорошим средством для использования силы ветра при приведении корабля носом на волну. Здесь также уместно обратить внимание на низкий бак - это означает, что мореплаватели не боялись попадания воды на палубу через форштевень. Любопытными деталями корпуса являются, также, гальюн и княвдигед, которые способны разрушить монолитность фронта, падающей на носовую палубу волны.

Такие галеры существовали вплоть до нового летоисчисления, их строили греческие, затем римские кораблестроители.
Hа примере трех вышеприведенных проектов древних кораблей и судов, были показаны почти все известные в кораблестроении инженерные решения для обеспечения заданной мореходности корпуса.

Pимское кораблестроение достигло расцвета в 30-е годы до н.э. Несколько столетий Рим не имел соперников в Средиземном море.
Для защиты торговых судов от пиратов, саксонских на севере, и иллирийских на юге, были созданы легкие и быстроходные парусно-весельные корабли, - либурны. Считается, что либурн является прототипом средиземноморской галеры, просуществовавшей вплоть до XVIII века. Целью этого проекта ставилось достижение максимальной скорости хода, и как следствие, новые эксплуатационные требования заставляют серьезно пересматривать концепцию мореходности и безопасности плавания.
* На средиземноморской галере уже нет бульба, так как он, очевидно, не выдерживал испытания на ходкость и маневренность.
* В носовой части корпуса сохраняется большая полнота обводов, и делается более крупный гальюн, так как отсутствие бульба существенно снижает стабилизацию носовой оконечности на встречном волнении и приводит к увеличению заливаемости.
* Тем не менее, кораблестроители уменьшают высоту бака и существенно увеличивают парусность юта и кормовой надстройки. Таким образом, сохраняется возможность штормования носом на волну
* Дифферентовка корпуса на корму, установка ахтерштевня и малая полнота вогнутых ветвей кормовых шпангоутов, позволяют привести центр бокового сопротивления корпуса на одну вертикаль с центром парусности латинских парусов. Это необходимо для достижения устойчивости в движении под парусами, а также делает эффективной работу кормового навесного руля.

Идеальный корабль для океанского плавания. Штормовые режимы плавания обеспечиваются исключительно специальной формой корпуса. При усилении штормового ветра, экипаж убирает все паруса, и судно подобно флюгеру выходит носом на волну.

Mожет быть, для исторического анализа конкретного класса судов, применение троичного базиса выглядит несколько искусственным. Но эта матрица может объяснить разнообразие проектных решений, принимаемых корабелами различных стран, особенно если принять в рассмотрение основное предназначение (3) и условия плавания (2) флота конкретной страны.
Интересующий нас корабль строился в странах Европы, имеющих побережье Атлантического океана. Итак, принимая целью проектирования возможность неограниченно - длительного океанского плавания, формулируем новые тезисы:

* Развитая кормовая надстройка смещает центр парусности надводного борта в корму, а большая ширина и полнота носовых шпангоутов переносит центр тяжести и величины в носовую часть корпуса части. Таким образом, на ветру корпус ведет себя подобно "флюгеру", обеспечивая штормование носом на волну без хода;
* Оборудование ахтерштевня и малая полнота кормовых шпангоутов позволили привести центр бокового гидродинамического сопротивления на одну вертикаль с центром парусности. Это необходимо для достижения устойчивого движения под парусами, а также повышает эффективность работы кормового навесного руля;
* Для достижения остойчивости значительно уменьшается отношение длины корпуса к ширине (L/B - 3? 4). Тем не менее, для парусного корабля нет необходимости в широкой и непрерывной по длине палубе. Использование волноотталкивающего завала бортов и разделение палубы поднимающимися в корму надстройками, исключает попадание на палубу большого по массе количества воды, обеспечивая сохранение штормовой остойчивости. Этот же завал бортов уменьшает риск заливания палубы при ходе корабля под парусами и с большим креном, и уменьшает силы рыскания, так как корпус приобретает вертикальную симметрию относительно продольной оси, проходящей вдоль ватерлинии;
* Если при взгляде в кормовую часть, средневековый корабль парит над водой, позволяя ветру крутить ее без особых усилий, то носовая часть корпуса видится тяжелой и глубоко вдавленной в воду. В отличие от современных кораблей - бак древнего парусника очень низок - то есть корабелы тех времен совершенно не заботились о незаливаемости на встречном волнении. Единственная защита - это бушприт, княвдигед и гальюн, которые первыми воспринимают встречную волну и несколько деформируют ее фронт, не позволяя сконцентрировать удар на носовой палубе.