І.Г. Захаров, доктор технічних наук, професор, контр-адмірал; В. В. Ємельянов, кандидат технічних наук, капітан 1 рангу; В.П. Щеголіхін, доктор технічних наук, капітан 1 рангу; В.В. Чумаков, доктор медичних наук, професор, полковник медичної служби
Створення сучасного корабля грунтується на досягненнях багатьох наук, і, перш за все на науках, які вивчають морехідні характеристики корабля, архітектуру і міцність його корпусу, проблеми захисту від вражаючого дії зброї, питання вибухо-і пожежонебезпеки, скритності від засобів виявлення по фізичним параметрам, а також забезпечення населеності і багато інших якості корабля. Рекомендовані при проектуванні, будівництві кораблів технічні ідеї та конкретні рішення повинні відповідати рівню розвитку техніки не тільки поточного періоду, але і прогнозованого на наступні 10-20 років. Саме тому у всьому циклі створення кораблів особливо важлива і відповідальна роль відводиться вирішенню різних наукових проблем кораблебудування, спрямованих на поліпшення бойових і експлуатаційних якостей надводних кораблів і підводних човнів.
Непотоплюваність і остійність
Основи теорії і практики непотоплюваності кораблів були закладені на початку ХХ ст. чудовим російським флотоводцем і вченим віце-адміралом С. О. Макаровим, які потім розвинув академік А. Н. Крилов. Основоположником сучасної вітчизняної школи непотоплюваності кораблів по праву вважається видатний вчений-кораблебудівник контр-адмірал В. Г. Власов. У практику боротьби за непотоплюваність корабля внесли значний внесок Д. В. Дорогостайським та Г. Ю. Павленко.
В кінці 40-х - початку 60-х років постало питання про те, який з методів випрямлення корабля, який отримав пошкодження корпусу з затопленням частини відсіків і має значний крен і диферент, рекомендувати для впровадження на флоті. Проведена за ініціативою 1-го Центрального науково-дослідного інституту (1-гоЦНІІ) ВМФ у 1953р. наукова конференція з питань живучості кораблів прийняла рішення розпочати натурні випробування за спрямлення кораблів.
Спеціальна комісія, в якій брали участь видні флотські вчені 1-гоЦНІІМО, Військово-морської академії (ВМА) ім.А.Н.Крилова, Вищого військово-морського інженерного ордена Леніна училища (ВВМІОЛУ) ім.Ф.Е.Дзержинського і фахівці промисловості, провела унікальні дослідний навчання в Кронштадті по спрямлення крейсера "Максим Горький" і есмінця "Суворий". На кораблях піддавалися фактичному затоплення намічені відсіки. У результаті успішно проведених випробувань комісія одноголосно визнала найбільш доцільним спосіб випрямлення, запропонований В. Г. Власовим. Принциповою особливістю цього способу було визначення потрібного спрямляющего моменту і на цій основі підбору відсіків, використовуваних для випрямлення в умовах, коли немає достовірних відомостей про затоплених приміщеннях корабля. Такі умови в максимальному ступені відповідали умовам боротьби за живучість корабля в бойовій обстановці. У цьому відмінність від раніше запропонованого А. М. Криловим способу та його практична цінність. Наказом по флоту випробуваний спосіб випрямлення кораблів був введений в дію.
Натурні випробування на есмінці "Кмітливий", проведені в 1949р. з метою дослідження впливу вітрового крену на корабель, відкрили великий цикл експериментальних робіт з вивчення цієї проблеми, і до 1953р. була створена теорія динамічної остійності. Найбільш істотний внесок в цю роботу вніс співробітник ЦНДІ ім.А.Н.Крилова Г. А. Фірсов.
Результати досліджень в області остійності і непотоплюваності кораблів увійшли до вимоги ВМФ до проектування, видані вперше в 1952р. Нормування остійності корабля виходило з заданої інтенсивності вітру і качки, а непотоплюваності - по заданій кількості затоплених відсіків, параметрів посадки і остійності при цьому.
Стосовно до підводних човнів розрізняють надводну і підводну непотоплюваність. На першому етапі (до початку 60-х років) нормування надводної непотоплюваності здійснювалося тільки по куту аварійного статичного диференту, величина якого було призначено без особливих обгрунтувань (при єдиній вимозі: відсутності будь-яких серйозних наслідків для озброєння і технічних засобів підводного човна). Чисельні оцінки дифферента визначалися по діаграмах, запропонованим фахівцями ЦКБ-18 Д. Л. Гармашем А. В. Базилевичем.
Дослідження поздовжньої остійності кит згінні і шпігатних підводних човнів, виконані С. І. Криловим (спеціаліст 1-гоЦНІІМО), показали, що не диферент, а запас поздовжньої остійності є вирішальним чинником при оцінці безпеки положення аварійного підводного човна (ПЛ). Тому нормування було запропоновано проводити не тільки за величиною аварійного статичного диференту, але і по максимальному плечу діаграми поздовжньої статичної остійності. Вплив на непотоплюваність підводного човна морського хвилювання не розглядалося і не враховувалося Збільшені швидкості кораблів, збільшення глибини занурення ПЛ зажадали більш поглибленого аналізу вимог, що пред'являються до їх остійності і непотоплюваності. Були розроблені "Загальні правила відновлення остійності і випрямлення пошкодженого корабля" й макети корабельної документації по непотоплюваності для надводних кораблів і підводних човнів.
Дослідницькі роботи з вивчення вітрового крену дозволили в 1958р. створити методику розрахунку граничної швидкості вітру, що витримується кораблем при його русі на хвилюванні, що дало можливість перейти до нормування остійності корабля не по тиску вітру, а за його швидкості. В цей же час співробітниками ЦНДІ ім.А.Н.Крилова вирішувалося завдання про дію на корабель повітряної ударної хвилі від атомного вибуху, що дало можливість розробити методику розрахунку крену корабля в цих умовах.
Незважаючи на широкий комплекс теоретичних і експериментальних досліджень непотоплюваності підводних човнів, їх творці до початку 70-х років не звертали належної уваги на підвищену небезпеку поведінки бескінгстонних човнів при аваріях, пов'язаних з надходженням води в міцний корпус при хвилюванні моря. Спеціальних вимог у цьому випадку до проектувальників не висувалося. Пізніше були сформульовані вимоги до надводної непотоплюваності, які враховували як затоплення шпігатних ЦМЛ від впливу морського хвилювання, так і впливу хитавиці самої підводного човна.
При створенні підводних човнів з малим запасом плавучості виявилося, що вимоги щодо непотоплюваності до ПЛ двокорпусного типу не можуть бути в повному обсязі застосовані до ПЛ однокорпусному архітектури. Тому 1-й ЦНДІ МО в кінці 80-х років розробив нову концепцію забезпечення надводної та підводної непотоплюваності, яка враховувала їх взаємний вплив один на одного. Одночасно було висунуто вимогу до обов'язкового обладнання Кінгстон однокорпусних підводних човнів і кінцевих ЦМЛ на двокорпусних човнах.
Починаючи з 50-х років проводилися дослідження зі створення автоматизованих систем, що забезпечують роботу технічних засобів по боротьбі за живучість і непотоплюваність аварійної ПЛ. Такі системи були потім створені і впроваджені.
Особлива увага зверталася на конструктивне забезпечення запасів плавучості і остійності, автоматизацію розрахунків непотоплюваності. У рішенні останньої завдання активну участь взяли фахівці 1-гоЦНІІМО, ЦНДІ ім.А.Н.Крилова і НВО "Аврора". Фахівці 1-гоЦНІІМО були, як правило, не тільки ініціаторами, але й безпосередніми виконавцями більшої частини досліджень в області непотоплюваності кораблів і підводних човнів, розробниками ряду методичних матеріалів та монографій (академік М. С. Соломенко, С. І. Крилов, Ю. І. Кузнєцов та Л. Ю. Худяков).
Мореплавство
Досвід війни, підвищення вимог до перспективних проектів кораблів і аналіз можливості їх використання в різних погодних умовах ставили перед вітчизняними вченими проблему подальшого вдосконалення морехідних якостей кораблів.
Потрібні були більш сучасна теорія, належна експериментальна база, систематичні випробування моделей і натурні випробування, що дозволяють перевірити можливості корабля в море.
У ЦАГІ ім. Н.Є. Жуковського і ЦНДІ ім.академікаА.Н.Крилова були проведені випробування в басейні серії моделей есмінця з різними обводами на різних швидкостях і хвилюванні. Це дозволило створити один з кращих, з точки зору мореплавства, корабель в нашій країні - ескадрений міноносець проекту 56. Його корпус до цих пір служить прототипом для сучасних кораблів. Вершиною перевірки стали розширені морехідні випробування цього корабля в морі, які підтвердили правильність обраного шляху.
У ЦНДІ ім.академікаА.Н.Крилова приділялася серйозна увага розвитку експериментальних засобів вивчення мореплавства. Під керівництвом Г. А. Фірсова створено вітчизняний волнопродуктор в найстарішому дослідний басейні. Це дозволило приступити до експериментальних досліджень качки на хвилюванні і пов'язаних з нею явищ. Програма передбачала випробування великої серії моделей на предмет виявлення оптимальних коефіцієнтів і геометричних співвідношень елементів корпусу корабля з точки зору додаткового опору, заливаемости і оголення днища.
На початку 50-х років зусилля фахівців 1-гоЦНІІМО, ЦНДІ ім.академікаА.Н.Крилова, НВО "Аврора" (А. Н. Шмирьов, Г. А. Фірсов, Г. М. Хорошанскій, В. А. Мореншільд, В. Б. Терезова та інші) були зосереджені на дослідженнях, натурних перевірках заспокоювачем хитавиці корабля, їх впровадженні та вдосконаленні. Цими роботами визначалася ефективність різних систем заспокоювачем качки, законів управління ними, оцінена надійність конструкцій приводів і намітилося напрямок подальших робіт. Домігшись високих гідродинамічних якостей керованих бортових рулів, на бойових кораблях вдалося досягти суттєвого зниження бортовий качки при сильному хвилюванні моря.
Роботи Є. Б. Юдіна послужили основою для методики розрахунку стабілізуючого моменту, створюваного бортовими рулями, а також необхідної для їх перекладання потужності, що дозволило створити перший, який увійшов в серійне виробництво, вітчизняний заспокоювач качки з бортовими керованими рулями (встановлений на кораблях проекту 56) . У середині 60-х років в ЦНДІ ім.А.Н.Крилова проводилися дослідження заспокоювачем качки у вигляді розрізних бортових рулів, що сприяло значному поліпшенню їх морехідних якостей. Морехідні випробування увійшли в практику державних випробувань головних кораблів.
На базі теоретичних і експериментальних досліджень, численних натурних випробувань були розроблені вимоги до мореплавства кораблів різних типів. Вони були викладені у "Тимчасових загальних вимог до проектування бойових надводних кораблів" і знайшли відображення в "Методикою проведення морехідних випробувань кораблів ВМФ".
У сукупності з модельними випробуваннями в басейнах натурні морехідні випробування кораблів і суден дозволили більш глибоко вивчити поведінку їх на хвилюванні і забезпечити необхідну мореплавство при проектуванні. Запропонована на підставі цих досліджень статистична теорія хитавиці узагальнила і розширила висновки теорії качки на регулярному хвилюванні, розробленої академіком А. Н. Крилов, і відкрила нові шляхи для розвитку цього розділу науки про корабель роботами А. І. Вознесенського, А. В. Герасимова, М. Д. Хаскінда, І. Є. Бородая. Особливо значний внесок у теорію корабля і сучасного вчення про мореплавства Г. А. Фірсова. У зв'язку з необхідністю забезпечення використання ракетної зброї з підводного положення виникла проблема дослідження хитавиці підводного човна під водою. Таке дослідження було вперше виконано в 1-м ЦНІІМО Ю. І. Кузнєцовим. Надалі визначення параметрів хитавиці підводних човнів на перископной і стартовою глибині стало обов'язковим для всіх ракетних підводних човнів.
З появою авіанесучих кораблів стало актуальним питання безпеки зльоту-посадки літаків на палубу корабля в умовах хвилювання. Виникла необхідність вивчення мореплавства кораблів з динамічними принципами підтримки (КДПП) при їх русі в режимі плавання. З цим напрямком пов'язаний ряд робіт В. Г. Платонова і А. М. Янчевського. Помітне місце стали займати дослідження поведінки на хвилюванні глибоководних апаратів при плаванні в надводному положенні.
До початку 90-х років відносяться роботи по створенню швидкісних кораблів порівняно невеликого водотоннажності, виконані як у традиційному, так і в багатокорпусному варіантах. Розробляються методи розрахункового прогнозування хитавиці швидкохідних суден, які плавають в перехідному режимі, з урахуванням дії днищевого керованих інтерцептов, використовуваних як заспокоювачем (ЦНДІ ім.академікаА.Н.Крилова, 1-й ЦНДІ МО, МАІ).
У 1987р. І. К. Бородаєм сформульовані методи розрахунку качки в найбільш загальному випадку руху корабля на хвилюванні - при маневруванні з безперервно змінюються швидкістю і курсом по відношенню до хвилювання, був завершений цикл систематичних досліджень Н. Н. Рахманіна за динамікою аварійного корабля із затопленими відсіками різної категорії , що безпосередньо пов'язано з вирішенням проблем непотоплюваності корабля на хвилюванні.
Ходкості, керованість і рушії
У поняття "ходкості корабля", як відомо, вкладається здатність корабля здійснювати рух з максимальною швидкістю ходу при мінімальних енергетичних витратах. Стосовно до підводних човнів це поняття розширюється: їх рух не повинен супроводжуватися інтенсивним демаскуючих шумом, що призводить до втрати їх скритності. За останні 50 років в області ходкості ПЛ проводилися дослідження щодо забезпечення мінімально можливого їх опору в основному режимі ходу, досягнення найбільш високих пропульсівних характеристик ПЛ при її русі в цьому режимі, а також створення конструкцій гребних гвинтів, що володіють низьким рівнем шумовипромінювання. Інтенсивному розвитку дослідницьких робіт в області ходкості підводних човнів, починаючи з початку 50-х років, стало широке впровадження на них атомних енергетичних установок.
Досвід натурних випробувань першої вітчизняної атомної підводного човна переконливо показав, що старі підходи до вибору зовнішніх обводів човнів та їх зовнішньої архітектурі, розрахунками їх буксировочного опору при русі у воді, вивчення умов роботи гребних гвинтів за корпусом корабля потребували серйозного перегляду. Ці ж випробування продемонстрували перспективність застосування на підводних човнах спеціальних малошумних гребних гвинтів. Були розгорнуті комплексні цілеспрямовані дослідження, пов'язані з удосконаленням конструкції гвинтів. Завдання обесшумліванія гребних гвинтів вирішувалася не тільки шляхом акустичної оптимізації їх геометричних елементів, але і за рахунок реалізації інших ідей, що поліпшують умови роботи гвинтів за корпусом підводного човна. Завдяки тісній співпраці фахівців промисловості і ВМФ вдалося досягти помітних успіхів у розробці принципово нових теоретичних методів проектування гребних гвинтів, у створенні фізико-математичної моделі їх шумовипромінювання, що, по суті, відкрило новий розділ теорії корабля. Були детально і послідовно досліджено всі складові опору підводного човна при її русі у воді, здійснено пошук форм корпусу та визначено головні розміри, щоб забезпечити найкращі пропульсівних якості і найбільш сприятливі умови для роботи гребного гвинта за корпусом корабля.
Слід зазначити, що в ході виконання цих робіт запропонована ювелірна "операція вписування" лопатей малошумного гребного гвинта в ту неоднорідність потоку, яку формують корпус підводного човна і його виступаючі частини для додання йому повною мірою властивостей "малошумності". У корені видозмінилася сама концепція проектування гребних гвинтів для ПЛ. Корпуси підводних човнів придбали добре обтічну форму, з них були прибрані всі деталі, що збільшують опір при русі на глибині. Частка опору турбулентного тертя води об обшивку корпусу ПЛ різко зросла і склала 65-70% від повного опору, ставши визначальною.
В одержанні позитивних результатів досліджень в області ходкості підводних човнів велике значення мав розвиток гідродинамічної експериментальної бази ЦНДІ ім.академікаА.Н.Крилова, а також створення сучасних вимірювальних засобів, що дозволили різко розширити номенклатуру виконуваних модельних вимірювань, підвищити їх точність і надійність. У результаті досліджень були знайдені найбільш перспективні та реальні шляхи істотного зниження опору руху у воді. Теоретичні розрахунки були підтверджені серією випробувань великомасштабних моделей. Для перевірки методів зниження опору і для проведення гідродинамічних та інших досліджень в натурних умовах, з'ясовують ступінь впливу так званого масштабного ефекту, було прийнято рішення про будівництво спеціальної підводного човна-лабораторії. На цьому підводному човні в 80-х роках були проведені експерименти щодо вдосконалення гідродинамічних характеристик за рахунок застосування різних способів впливу на так званий прикордонний шар. У натурних умовах було досягнуто зниження опору тертя на 30%, що в загальному опорі становить близько 25%.
Значний внесок у дослідження прикладних аспектів проблеми зниження гідродинамічного опору і розробку конструкторських рішень внесли вчені Сибірського відділення Російської академії наук - співробітники Інституту теплофізики. Іркутського інституту органічної хімії (ІрІОХ), Інституту гідродинаміки.
Однією з найважливіших віх в розвитку досліджень в даній галузі теорії корабля стало створення на початку 70-х років швидкісної серійної атомного підводного човна, на якій в значній мірі були реалізовані всі заходи по гідродинамічному відпрацювання обводів корпусу і геометричних елементів гребних гвинтів. На цьому підводному човні (проект 661) була досягнута максимальна швидкість під водою (більше 40уз.), Яка до цих пір не перекрита за кордоном. Зафіксовані високі значення пропульсивного коефіцієнта (80%) і критичних швидкостей підводного човна (швидкостей, при яких шум гребного гвинта ще не проявляється) виявилися близькими до гранично досяжним і повністю збіглися з прогнозованими, що свідчило про обгрунтованість і надійності розроблених до того часу розрахункових методів.
Але вже тоді фахівцям в області ходкості підводних човнів стало зрозуміло, що в найближчі роки на укритті режимах руху їх гучність будуть визначати шуми гребних гвинтів некавітаціонной природи, які раніше маскувалися іншими джерелами. Створення конструкцій малошумних гребних гвинтів, що володіють низькими рівнями некавітаціонного шуму, при збереженні вже досягнутих пропульсівних і кавітаційних характеристик, стало наступним циклом досліджень в області ходкості підводних човнів і обесшумліванія гребних гвинтів. Ці дослідження продовжуються до цих пір. Досягнення в області ходкості підводних човнів стали можливими завдяки роботам Ю. В. Кривцова, якого заслужено називають батьком вітчизняного глибоководного басейну, А. Д. Перник - автора першої вітчизняної конструкції малошумних гребних гвинтів, а також І. А. Титова - першопрохідника в області ходкості підводних човнів в її сучасному розумінні і багатьох інших співробітників ЦНДІ ім.академікаА.Н.Крилова, 1-гоЦНІІМО і ВВМІОЛУ ім. Ф. Е. Дзержинського (В. Ф. Бавіп, Б. А. Самарін, А. С. Горшков, О. М. Гончаров, Б. А. Біскуп, С. В. Куликов, В. П. Ільїн, Б. Г. Тощев, І. А. Злодіїв, А. Н. Патрашев, В. Ф. дробленка, В. М. Герасимов, Ю. С. Шалін, І. І. Сизов).
Як відомо, традиційний гребний гвинт як тип рушія в більшості випадків застосовується на водоизмещающих надводних кораблях.
Основною вимогою, що пред'являються до гребних гвинтів надводних кораблів повоєнної будівлі, було забезпечення найкращих пропульсівних якостей, що дозволяють максимально підвищити їх швидкість і дальність плавання. Як правило, це були трилопатеві гребні гвинти.
Починаючи з середини 60-х років як рушіїв надводних кораблів стали застосовуватися так звані "малошумні" гребні гвинти, в конструкції яких реалізуються деякі ідеї, спрямовані на затримку моменту виникнення кавітації зі збільшенням частоти обертання. Гвинти були чотирьохлопастевими. Оскільки виникнення кавітації визначається не тільки конструкцією гребних гвинтів, але й умовами їхньої роботи, зокрема, неоднорідністю поля швидкостей натікало потоку, то одночасно реалізовувалися пропозиції щодо вирівнювання натікало потоку. Все це дозволило на 30-40% підвищити докавітаційному швидкості і відповідно знизити рівні шуму на закритичних ходах.
У 70-х роках тривало будівництво серійних кораблів з малогаласливими гребними гвинтами першого покоління. Однак в інтересах підвищення ефективності нових потужних гідроакустичних комплексів знадобився додатковий прогрес у обесшумліваніі корабельних рушіїв.
До кінця 70-х років був сформульований вигляд малошумних корабельних гвинтів другого покоління. Серійні надводні кораблі обладнуються переважно пятілопастним гребними гвинтами з помірною шаблевидної. У ряді проектів застосовуються підведення повітря до вхідних кромок лопатей і вирівнюючі пристрою.
Ці заходи дозволили збільшити докавітаційному швидкості на 35-45% при зниженні рівнів підводного шуму на закритичних ходах на 10-15дБ. Одночасно в 2-2,5 рази знизилися амплітуди періодичних сил, переданих гребними гвинтами корпусу.
Незважаючи на досягнутий прогрес у обесшумліваніі корабельних рушіїв, проблема подальшого поліпшення гідроакустичних якостей продовжує залишатися. Стало очевидним, що для її вирішення необхідно вдосконалення як теоретичних, так і експериментальних досліджень. До теперішнього часу практично всі резерви пропульсівних і гідроакустичних якостей кораблів в умовах застосування звичайних гребних гвинтів значною мірою вичерпані. Тому актуальним завданням стала розробка таких конструкцій гвинтів, які володіють підвищеними гідроакустичними якостями не тільки в ідеалізованих умовах здавальних випробувань кораблів, але і в реальних умовах експлуатації з урахуванням впливу хвилювання, погіршення стану поверхні обшивки корпусу, маневрування і т.д. Дана проблема може бути вирішена шляхом застосування гвинтів регульованого кроку. Передумови для цього на вітчизняних швидкохідних водоизмещающих надводних кораблях створені за рахунок розробки силових установок зі зниженою номінальною частотою обертання.
Для забезпечення нового прориву в поліпшенні пропульсівних і гідроакустичних якостей надводних кораблів переважно застосування рушіїв нових типів, наприклад, співвісних гребних гвинтів протилежного обертання. Великий внесок у створення сучасної теорії ходкості і рушіїв надводних кораблів, у будівництво сучасної експериментальної бази та проведення натурних випробувань внесли фахівці ЦНДІ ім.академікаА.Н.Крилова, 1-гоЦНІІМО, ЛКІ і проектних бюро: В. А. Мініовіч, А.М . Басін, І. А. Титов, С. В. Куликов, І. Д. Желтухіна, В. К. Турбал, В. К. Іванов, І. М. Сиркін, Л. С. Артюшков, А. Ш. Ачкінадзе , М. М. Саморуков, Ю. С. Шалін та інші.