Скорость рассчитывают на берегу: кто создаёт суда на «подводных крыльях»

Фото: Shutterstock

На речном причале судно на подводных крыльях выглядит вполне обычно: корпус держится на воде, пассажиры занимают места, экипаж готовится к отправлению. Перемена происходит после разгона. Под водой крылья начинают создавать подъёмную силу, корпус приподнимается, и теплоход идёт по реке, касаясь её уже не всей подводной частью. За этим движением стоят расчёты гидродинамиков, работа конструкторов и судостроителей, а затем — испытания на настоящем маршруте.

В Нижегородской области суда «Валдай 45Р» и «Метеор 120Р» проектирует и строит Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях имени Р. Е. Алексеева. Как инженеры научились поднимать пассажирский теплоход над водой, почему крылу важно не только разогнать судно, но и удержать его на нужной высоте и какие специалисты нужны для такой работы, рассказываем в рамках проекта «Как это работает?».

Скорость начинается под корпусом

У стоящего теплохода вес уравновешивает выталкивающая сила воды. При движении обычный корпус продолжает вытеснять воду, а двигателю приходится преодолевать сопротивление и тратить энергию на образование волн. На судне с подводными крыльями первые минуты рейса проходят похоже: пока скорость мала, корпус остаётся в воде. Затем поток начинает обтекать крылья под корпусом. Возникает гидродинамическая подъёмная сила, и при достаточной скорости она поднимает значительную часть судна над поверхностью.

Крыло теплохода работает в более плотной среде, чем крыло самолёта. Его форма направляет поток воды так, что на поверхности крыла возникает разница давлений и вместе с ней — подъёмная сила. По мере выхода корпуса из воды уменьшается его погружённая площадь и меняется характер сопротивления движению. Сам теплоход при этом не «летит»: крылья, их стойки и движители остаются под водой. Именно через них судно взаимодействует с рекой и получает возможность идти быстро.

Размер и положение крыла нельзя выбирать отдельно от всего остального судна. Ему предстоит поднимать корпус, пассажиров, экипаж, топливо и оборудование, причём масса во время рейса может меняться. Слишком маленькая несущая поверхность не обеспечит нужной подъёмной силы, а избыточная увеличит сопротивление и нагрузки на конструкцию. Инженеры рассчитывают не только установившийся быстрый ход, но и разгон, повороты, движение по волне, замедление перед причалом. На каждом из этих этапов вода действует на судно по-разному.

Крылья способны дать выигрыш на маршруте, где судно достаточно долго идёт с расчётной скоростью. Разгон тоже требует энергии, поэтому на короткой линии с частыми остановками эффект будет иным, чем на протяжённом участке реки. Задачи, с которыми сталкиваются проектировщики, хорошо видны даже в университетских курсах по подводным крыльям: там изучают подъёмную силу, меняющееся обтекание, кавитацию и компьютерный расчёт формы крыла. За внешне простым «подняться над водой» скрывается работа сразу в нескольких режимах движения.

Как рекорд превратился в речной рейс

Опыты с подводными крыльями начались задолго до появления современных пассажирских судов. Одним из известных ранних проектов стало экспериментальное HD-4, созданное при участии Александра Грэма Белла и инженера Фредерика «Кейси» Болдуина. В 1919 году оно установило мировой рекорд скорости на воде. Испытание показало возможности новой схемы, но рекордному аппарату достаточно пройти дистанцию один раз. Пассажирскому судну предстояло делать это регулярно, с людьми на борту и при меняющейся погоде.

Чтобы идея стала транспортом, конструкторам пришлось решать задачи, которых не видно на рекордной фотографии. Крылья должны были выдерживать нагрузки, сохранять устойчивость и допускать осмотр и ремонт. Судну требовалось подходить к причалам, перевозить людей с приемлемым комфортом и работать не только в идеальных условиях. Важными стали стоимость постройки, надёжность двигателей и подготовка экипажа. Инженерная победа теперь измерялась не одним удачным разгоном, а числом выполненных рейсов.

В Советском Союзе над этой задачей работал конструктор Ростислав Алексеев со своей командой. В 1957 году пассажирская «Ракета» вышла на речную линию; позже появились «Метеоры» и другие суда на подводных крыльях. Инженеры развивали не только форму корпуса, но и крыльевую систему, пригодную для движения по рекам. Приходилось учитывать мелководные участки, волнение и необходимость управлять судном на разных скоростях. Так вокруг идеи быстрого хода сложилась целая школа проектирования.

Названия «Ракета» и «Метеор» остались знакомыми нескольким поколениям пассажиров, а требования к новым судам продолжили меняться. От них ждут удобного салона, надёжного оборудования, предсказуемого поведения на маршруте и возможности обслуживать машину в течение многих навигаций. Современные «Валдай 45Р» и «Метеор 120Р» продолжают эту историю с другими расчётными инструментами и производственными технологиями. Разница между опытом начала XX века и сегодняшним рейсом особенно заметна там, где судно встречает волну: мало однажды выйти на крыло, нужно удержаться на нём с пассажирами на борту.

Крыло должно держать высоту

Река не бывает совершенно ровной. При встрече с волной меняется положение корпуса относительно поверхности воды, а вместе с ним — условия работы крыла. Если подъёмная сила начнёт резко возрастать и падать, пассажиры почувствуют толчки, стойки и крепления получат дополнительные нагрузки. Гидродинамик поэтому изучает поведение крыла на разных скоростях и при разной глубине погружения. Ему важно знать, как судно отреагирует на изменение условий, а не только какую высоту оно наберёт в спокойной воде.

В школе Алексеева получили развитие малопогружённые крылья, работающие близко к границе воды и воздуха. Когда судно поднимается, эффективно погружённая часть такой крыльевой системы может уменьшаться, а подъёмная сила — ослабевать. При опускании происходит обратное: вода снова воздействует на большую часть крыла. Этот отклик помогает судну сохранять высоту. Но на его поведение влияют также форма крыльев, скорость, распределение массы и волны, поэтому каждую конструкцию рассчитывают и испытывают.

Для пассажира особенно заметен переход между двумя режимами — когда корпус уже разогнался, но ещё не полностью вышел из воды. В интервью «Корабел.ру» бывший генеральный директор бюро Сергей Итальянцев рассказывал о доработке крыльевой конструкции «Валдая 45Р»: после неё судно стало плавнее выходить на крыло и лучше проходить волнение. Такая работа затрагивает и комфорт поездки, и нагрузки на конструкцию. Крылья приходится настраивать с учётом всего пути: от первых метров после отхода от причала до быстрого хода и последующего замедления.

При расчёте профиля инженеры учитывают и кавитацию. Если давление в отдельных областях потока сильно падает, в воде могут возникать полости, заполненные паром; затем они схлопываются. Кавитация способна ухудшить работу крыла и со временем повредить его поверхность. Поэтому удачная форма — это баланс подъёмной силы, сопротивления и поведения при разных скоростях. Профиль, показавший отличный результат в одном режиме, ещё нужно проверить во всех условиях, предусмотренных для судна.

Фото: Shutterstock

У каждого маршрута свои условия

Настоящий рейс начинается у причала, где судно движется медленно и ещё не опирается на крылья. Затем оно выходит на участок, позволяющий разогнаться, переходит в быстрый режим и перед следующей остановкой вновь снижает скорость. На каждом этапе меняются положение корпуса, нагрузки и ощущения пассажиров. Конструктор должен предусмотреть все переходы, а экипаж — управлять ими в пределах установленных для судна условий. Возможность быстро идти посередине реки сама по себе не решает задачу подхода к берегу.

Поднятый корпус также не освобождает судно от ограничений по глубине. Крылья, стойки и элементы движительного комплекса находятся ниже поверхности воды, поэтому им нужен безопасный запас над дном. На маршруте учитывают глубины фарватера, состояние подходов к причалам и навигационную обстановку. Капитан выбирает скорость в соответствии с условиями движения, а перевозчик при планировании линии смотрит, где судно сможет идти на крыльях и сколько времени займут участки малого хода.

Погода добавляет к этим расчётам ещё одно измерение. На небольшой волне поднятый корпус может идти мягче, поскольку меньше соприкасается с поверхностью воды. При более сильном волнении меняется обтекание крыльев и растут нагрузки на конструкцию. Для каждого проекта устанавливают допустимые условия эксплуатации. Поэтому скорость, указанная в характеристиках теплохода, и фактическое время поездки — разные величины: на второе влияют волна, остановки, ограничения на маршруте и работа причалов.

Для «Валдая 45Р» и более вместительного «Метеора 120Р» подходят разные транспортные задачи. Минтранс России, рассказывая о новых «Метеорах», отмечал их предназначение для межрегиональных линий и возможность работы там, где привычной причальной инфраструктуры недостаточно. Но даже в таком случае для посадки людей необходимо оценить конкретное место: глубину, подход, оборудование и безопасность швартовки. Быстрый рейс получается, когда свойства судна согласованы с рекой и всей организацией перевозки.

От расчёта крыла до испытаний

Первым форму крыльев и поведение судна исследует гидродинамик. Он определяет, какая подъёмная сила нужна при заданной массе и скорости, как будет меняться сопротивление и что произойдёт при встрече с волной. Затем конструкторы связывают результаты с корпусом: стойки передают ему усилия от крыльев, а внутри нужно разместить двигатели, запас топлива, оборудование и пассажирский салон. Снижать массу полезно, потому что крыльям будет легче поднять судно, но каждая облегчённая деталь должна сохранять необходимую прочность.

Нагрузки действуют на теплоход снова и снова. За одну навигацию судно многократно разгоняется, выходит на крыло, замедляется и встречает волны. Поэтому конструкторы думают о прочности при повторяющихся воздействиях и о том, смогут ли специалисты осматривать важные узлы во время обслуживания. Технолог переводит чертёж в последовательность производственных операций: определяет, как изготовить детали, собрать корпус и удержать его геометрию. Если в собранной конструкции возникнут деформации, рассчитанное крыло окажется связано с корпусом, форма которого отличается от проектной.

Близость конструкторского бюро и верфи помогает быстро возвращать производственный опыт в проект. Итальянцев рассказывал, что после постройки первого «Валдая 45Р» предприятие доработало технологию сборки и уменьшило деформации корпуса на стапеле. Этот пример показывает, зачем проектировщикам нужны сведения из цеха: чертёж должен воплотиться в детали с заданной формой и размерами. Позже информация приходит и с испытаний. Инженеры сопоставляют расчётное поведение судна с тем, как оно действительно разгоняется, идёт по волне и выполняет манёвры.

Работа продолжается и после начала эксплуатации. Осмотр деталей, сообщения экипажа, результаты обслуживания помогают заметить особенности, которые трудно полностью предсказать заранее. Итальянцев приводил пример морской «Кометы»: после опыта работы головного судна бюро меняло отдельные решения. «Комета» и речной «Валдай» — разные проекты, но путь инженерной информации у них похож: от расчёта к изготовлению, испытаниям, рейсам и следующим изменениям конструкции.

Вода на экране конструктора

Ростислав Алексеев и его коллеги создавали скоростные суда с помощью расчётов, моделей и натурных испытаний. Сегодня инженер может построить цифровую модель корпуса и крыла, задать скорость и условия движения, а затем сравнить несколько вариантов формы до изготовления детали. На экране становятся видны области больших нагрузок и особенности обтекания. Это позволяет раньше заметить проблему и вернуться к геометрии конструкции, пока изменения ещё можно внести в проект.

Главный конструктор скоростных судов бюро Михаил Гаранов, рассказывая о работе молодых специалистов, сравнивал прежние расчёты на бумаге с нынешним созданием цифровых моделей крыльев и корпусов. За этой переменой стоит новая часть инженерной профессии: нужно уметь поставить задачу для программы, задать свойства материала и условия движения, затем разобраться в результате. Модель может подробно показывать движение воды или деформацию детали, но её выводы сверяют с физикой процесса, испытаниями и опытом эксплуатации.

Цифровые инструменты полезны не только гидродинамику. Конструктор проверяет нагрузки на стойки и корпус, технолог сопоставляет проектную форму с возможностями изготовления, специалисты по двигателям и движителям изучают работу своих систем. Если один из них меняет решение, это отражается на работе остальных: дополнительная масса оборудования влияет на крыло, а новая форма корпуса — на сопротивление. Скоростное судно рождается в совместной работе специалистов, каждый из которых видит свой участок задачи и понимает, как он связан с целым.

Профессии у скоростной реки

Интерес к таким судам может начаться со школьной физики. Достаточно понаблюдать за небольшой моделью в воде, чтобы заметить, как меняется её движение при увеличении скорости и почему положение несущей поверхности влияет на устойчивость. Дальше за наблюдением появляются вопросы о силах, давлении, сопротивлении и свойствах материалов. Для будущего инженера особенно полезны математика, физика и умение проверять объяснение опытом: именно на них опираются расчёты крыла и корпуса.

В Нижнем Новгороде получить образование по направлениям, связанным с созданием судов, можно во Волжском государственном университете водного транспорта. В его Институте кораблестроения и инфраструктуры водного транспорта изучают в том числе проектирование и постройку судов. Будущему специалисту пригодятся гидромеханика, сопротивление материалов, устройство двигателей, проектирование конструкций и математическое моделирование. Инженер не обязан в одиночку освоить все разделы судостроения, но должен понимать, как его расчёт повлияет на работу коллег.

На верфи и в эксплуатации нужны другие, столь же важные специалисты. Технолог продумывает изготовление деталей и сборку корпуса, рабочие судостроительных специальностей выполняют эти операции, специалисты контроля проверяют геометрию и качество. После передачи судна экипаж ведёт его по маршруту, а сервисные инженеры следят за состоянием систем и помогают устранять неисправности. Итальянцев рассказывал, что бюро обучает молодых сотрудников и работает с капитанами-наставниками, которые участвуют в подготовке экипажей. Так сведения о поведении судна проходят путь от проектировщика до человека за штурвалом и возвращаются обратно.

Прийти в эту область можно и из смежной специальности — машиностроения, металлообработки, систем управления или компьютерного моделирования. Понадобится дополнить прежние знания устройством судна и требованиями к конкретной работе. Университет водного транспорта предлагает специалистам транспортной отрасли программы дополнительного образования; подходящую программу выбирают в зависимости от уже полученной квалификации и будущих задач. Гидродинамик, конструктор, технолог, судоводитель и специалист сервиса работают на разных этапах одного рейса. Когда теплоход плавно выходит на крыло и приходит к причалу по расписанию, в этом результате есть труд каждого из них.

Фото: Shutterstock

Фото: Спуск одного из двух «Метеоров 120Р». Источник: Минтранс России / Максим Герасимов / Наталья Коновалова.