Что такое опытовый бассейн?
1. На пенопластовой модели отработаны обводы новой «дюральки» «Воронеж», призванной заменить широко известную заслуженную «Казанку»: лодка стала относительно шире (отношение L/B=3 вместо 3,8), скула поднята, увеличена килеватость носовых шпангоутов.
2. Удалось добиться повышения мореходных качеств катера типа «Амур-М» («-2», «-3») по сравнению с предыдущей моделью «Амур»: увеличена килеватость днища, приподнята скула в носу — ход на волнении стал значительно мягче.
3. Построены и напечатаны в сборнике «Катера и яхты» кривые буксировочного сопротивления всех серийных подвесных моторов (при различном заглублении винта) и серийных лодок («МКМ», «Крым», «Казанка-5», «Прогресс-4» и т. д.). Эти данные необходимы для проектирования оптимальных гребных винтов и возможности выполнения надежных расчетов скорости; даны рекомендации по наиболее выгодной центровке лодок, применению винтов-мультипитчей и т. п.
4. Обводы мотолодки «Днепр» откорректированы специально с целью облегчения выхода ее на глиссирование: на «горбе» сопротивления его величину удалось снизить на 10— 12%.
Читатели сборника легко могут и сами продолжить перечень подобных работ по совершенствованию прогулочно-туристских лодок, . подвесных моторов и гребных винтов для них, которые выполнены по результатам буксировочных испытаний в опытовом бассейне. Подчеркнем: речь идет о серийных лодках, серийных моторах и винтах, выпускаемых ежегодно десятками тысяч. Тут мелочей нет! Каждый выигранный километр скорости или сэкономленная лошадиная сила мощности при эксплуатации всего 3 000 000-го парка «моторок» в нашей огромной стране оборачивается сотнями тонн сбереженного топлива! Так что помощь ученых очень важна и ценна даже при проектировании, казалось бы, таких простых «традиционных» лодок.
И уж совершенно необходимы буксировочные испытания, когда речь идет не о классической «однокорпусной» прогулочно-туристской моторке, а об оригинальных высокоскоростных судах с какими-то новыми обводами. Опять-таки внимательные читатели могут припомнить целый ряд статей, написанных по результатам экспериментально-исследовательских работ, выполненных в бассейнах. Это, например, такие статьи, как: «Гидродинамика морских саней» (№23), «Воздушная смазка днища» (№32), «Исследования двухрежимных обводов» (№58), «Гидродинамические характеристики глиссирующих катамаранов» (№59, №70), «О гидродинамике саней Фокса» (№63). По результатам буксировочных испытаний построены диаграммы, приведенные в статьях «Сопротивление глиссирующих мотолодок в переходном режиме» (№33), «Расчет управляемых транцевых плит» (№40), «Сопротивление мотолодок при ходе на волнении» (№68) и т. п.
Давая это перечисление, мы злоупотребили вниманием читателей с единственной целью — показать, что практически весь круг вопросов гидродинамики малого моторного судна так или иначе связан с проведением буксировочных испытаний.
Непосредственной целью подобных испытаний является серия точных замеров сопротивления воды движению модели (или натурного судна) при заданном изменений скорости, а также интересующем исследователя изменении обводов, нагрузки, дифферента — угла атаки и других факторов. Давайте теперь познакомимся с тем, как и где это делается.
Начнем с истории.
Наверное, еще строители судов древности, далекие от понимания законов теории корабля, берясь за инструмент, прикидывали — каким же будет построенное ими судно. Однако, если иметь в виду именно ходовые качества, то можно предположить, что тут неожиданностей не было и быть не могло: при одинаковом числе гребцов новое судно шло примерно так же, как и предыдущее, ибо копировало его формы и размерения. В эпоху весельных флотов, да и на ранней стадии развития парусного судостроения, конструкция и обводы судна совершенствовались очень медленно — постепенно, по мере накопления опыта, который и передавался из поколения в поколение в виде каких-то сугубо эмпирических правил.
Вряд ли могло прийти в голову рассчитывать скорость хода парусника при его «проектировании». Да и по окончании постройки скорость, естественно, на мерной миле ие замеряли, как сейчас, а оценивали лишь косвенно — по затраченному на плавание времени. Парусные суда всецело зависели от ветра, так что их путевая скорость была обусловлена не только и не столько искусством судостроителей, сколько опытом капитана, а главное — зависела от везения, от направления и силы ветра. В XVII—XVIII веках Ньютон, Эйлер, Бернулли и другие ученые уже занимались экспериментальным изучением сопротивления среды движению в ней тел, однако полученными результатами судостроители не пользовались, поскольку никакой потребности в том не возникало.
Применение паровой машины в корне изменило самый подход к проектированию судна. Опыт парусного прошлого уже не помогал, судно становилось действительно инженерным сооружением. Надо было учиться проектировать его и проектировать так, чтобы построенный пароход мог поддерживать в течение рейса скорость, обусловленную заказчиком-судовладельцем. Это еще не все. «Слабым местом» пароходов XIX столетия было то, что их котлы потребляли поистине фантастическое количество довольно дорогого угля, тогда как парусники использовали даровую энергию ветра. Чтобы пароход был конкурентоспособным, требовалось еще при составлении его чертежей обеспечить максимальную экономичность машины. Следовало точно угадать потребную мощность: слишком слабая машина не давала нужной скорости, а делать машину заведомо более мощной было нельзя. Ведь излишний запас мощности не только представлял собою бесполезный «мертвый вес», перевозимый судном в течение всей его жизни, но и приводил к еще большему увеличению расхода топлива. И получалось, что выходящие в море пароходы везли не столько груз, сколько запас угля для своей машины.
Было очевидно, что мощность двигателя затрачивается на преодоление корпусом сопротивления воды движению судна, и это сопротивление тем больше, чем скорость выше и чем менее совершенны обводы. Ученые связали определенной зависимостью расчетную скорость, потребную мощность и сопротивление воды. И убедились в том, что проектировать пароход и машину, не зная сопротивление воды движению судна, нельзя.
Чтобы надежно рассчитывать скорость и мощность, чтобы добиваться снижения затрат мощности путем выбора оптимальных — наивыгоднейших размерений и обводов корпуса, потребовалось точное определение сопротивления воды движению судна на стадии его проектирования. В 1859 г. английский ученый Вильям Фруд предложил делать это на моделях, буксируемых в специально оборудованных крытых бассейнах. Может возникнуть вопрос: почему именно в крытых бассейнах, а не в открытом канале или, скажем, в тихом заливе? Разве не дешевле буксировать модель под открытым небом? Безусловно, дешевле. Собственно, так и делалось до постройки первых бассейнов, а в ряде случаев делается и сейчас. Однако обеспечить при этом требуемую высокую точность и чистоту модельного эксперимента оказывается гораздо сложнее, а то и невозможно. Ведь играют роль не только ветер и течения, но даже температура и чистота воды. (Так, чтобы в ней не развивались микроорганизмы, приходится защищать ее от солнечных лучей: стены зданий бассейнов делают, как правило, без окон).
Тот же Фруд десятью годами позже разработал применяемую в основных чертах и поныне методику испытания масштабных моделей. Он открыл закон подобия, который позволил результаты замеров сопротивления модели с достаточной точностью экстраполировать — пересчитывать на натуру; тем самым он поставил модельные испытания на солидную научную основу. В частности, Фруд дал ясное представление о законах моделирования, относящихся к двум подобным волновым системам; он отметил, что все явления, происходящие с геометрически подобными судном и его моделью, должны иметь подобное развитие.
В основу своего приближенного метода Фруд положил разделение полного буксировочного сопротивления на две отдельные составляющие — сопротивление трения и остаточное сопротивление, величина которого в первую очередь определяется так называемым волновым сопротивлением. Сопротивление трения модели подсчитывается по результатам специально проведенных Фрудом испытаний пластин разной шероховатости и длины (Фруд вывел для этого экспериментальную зависимость), а затем вычитается из замеренного при буксировке полного сопротивления модели. Определенное таким образом остаточное сопротивление модели пересчитывается (по кубу масштаба) на натурное судно, суммируется с сопротивлением трения судна, вычисленным по формуле Фруда, и получается полное сопротивление натурного судна.
Таким образом еще до постройки первого опытового бассейна была теоретически обоснована возможность исследования ходовых качеств судов при помощи испытаний — замеров буксировочного сопротивления их масштабных моделей. В дальнейшем предложенная Фрудом методика была сразу же проверена: корвет «Грейхауид» водоизмещением 1180 т буксировали за кормой мощного парового корабля, а затем сравнили замеренное при этой буксировке фактическое сопротивление с сопротивлением, полученным Фрудом при испытаниях модели, изготовленной в масштабе 1:16 (длина 3,35 м). Расхождение оказалось минимальным.
В 1871 г. в Торки (Англия) В. Фрудом был построен первый опытовый бассейн, который послужил образцом для многих подобных сооружений в других странах мира. Модель судна буксировалась в нем тележкой, приводимой в движение при помощи троса и паровой лебедки. Размеры бассейна (длина — 85 м, ширина — 11 м, глубина — 4 м) были выбраны с учетом размеров моделей, которые придется испытывать, и скорости их движения.
Результаты первых же выполненных Фрудом работ убедили скептиков в целесообразности постройки бассейнов и к 1900 г. существовало и работало «на полную мощность» уже около десяти таких сооружений. Первый отечественный бассейн1 был построен по инициативе Д. И. Менделеева в Петербурге в 1898 г. А на сегодня известно около 150 действующих бассейнов, причем это, как правило, крупные научно-исследовательские центры, использующие сложнейшее оборудование и вычислительную технику. В наши дни опытовые бассейны имеются и в ведущих учебных заведениях — без знакомства с ними невозможно подготовить грамотного инженера, и в крупнейших конструкторских бюро.
Характерной особенностью подавляющего большинства современных бассейнов является универсальность — возможность комплексного изучения в них и ходкости, и мореходности судна. В то же время постоянное усложнение исследуемых гидродинамических задач привело к появлению специализированных бассейнов, которые наилучшим образом приспособлены для изучения каких-то определенных качеств судна или моделей судов определенного типа и назначения (быстроходных глиссирующих судов, судов внутреннего плавания и т. п.). Так, можно перечислить 14 зарубежных бассейнов, специализированных на исследованиях по управляемости судов, 5 — на изучении мореходных качеств, 11 — на исследованиях при помощи испытаний автономных самоходных моделей и т. д.
Может возникнуть вопрос: так ли уж нужны в наше время опытовые бассейны? За сто лет их существования уже испытано такое количество разнообразных моделей, что, казалось бы, самый взыскательный конструктор может подобрать из их числа нужную форму корпуса. Да, моделей, действительно, испытано много, и тем не менее все новые и новые серии испытаний приходится проводить. Даже на примере «малого судостроения» мы можем видеть, как формы корпуса постоянно изменяются с учетом повышения мощностей и возрастанием скоростей. Вспомните «события» последнего двадцатилетия: подводные крылья, обводы «глубокое V» и продольные реданы, бурное развитие самых различных катамаранов, саней и тримаранов, появление катеров на гидролыжах, «морских ножей», «дротиков» и т. д. и т. п. Внедрение новых обводов в практику без проведения исследований на моделях в опытовом бассейне просто невозможно!
Советский ученый И. А. Титов утверждает, что даже при проектировании судов традиционного типа, когда в распоряжении конструктора есть альбомы диаграмм, построенных по данным систематических испытаний большого числа моделей, отказ от исследований конкретного судна приводит к потере 0,3—0,5 уз его скорости. Много это или мало? Оказывается, что при постройке серии из 8—10 однотипных судов водоизмещением 50 тыс. т и обычном 15—20-летнем сроке их эксплуатации даже такой незначительный выигрыш в скорости полностью окупает строительство и оснащение опытового бассейна длиной 150 м! Как считают видные зарубежные специалисты, участие опытовых бассейнов в исследовании вопросов ходкости проектируемых кораблей позволяет в среднем на 8—10% снизить мощность их энергетических установок.
Приведем пример из упомянутой выше книги И. В. Гирса. Когда проектировались линейные корабли типа «Петропавловск» (в дальнейшем — хорошо известные «Марат», «Октябрьская революция» и «Севастополь»), модельные испытания позволили так видоизменить первоначально принятые за основу обводы, что потребная для обеспечения заданной скорости 21,75 уз мощность могла быть уменьшена с 45 000 л. с. до 32 000 л. с. Ясно, что подобное уменьшение мощности, а следовательно, и веса турбин, котлов и запаса топлива позволило соответственно усилить вооружение и броневую защиту.
Думается, сказанного достаточно, чтобы стала ясной роль опытовых бассейнов в развитии судостроения.
Особенно большой объем исследовательских работ приходится выполнять при проектировании быстроходных кораблей. И. В. Гире вспоминает о первой работе старейшего отечественного бассейна в советское время: было испытано свыше 20 моделей сторожевого корабля. Лучшую из них в 1928 г. и приняли за основу при разработке проекта для серийной постройки. Корабли этого типа — первенцы советского кораблестроения — активно участвовали в Великой Отечественной войне и, как отмечает автор, оказались довольно удачными с точки зрения ходкости и мореходных качеств. Кстати сказать, 20 вариантов одного корпуса — далеко не предел. Тот же И. В. Гире упоминает случай, когда при проектировании быстроходного корабля пришлось изготовить и «прогонять» в бассейне. свыше 100 моделей.
Впрочем, бывают и случаи, когда при помощи модельных испытаний отрабатывают соотношения размерений и обводы судов, которые никак нельзя назвать быстроходными. Так, в начале войны ленинградские ученые-исследователи по заказу командования фронта за два дня изготовили модель и за один день отработали обводы самоходного десантного бота-плашкоута: особая сложность задачи состояла в том, что надо было получить максимально возможную скорость при крайне ограниченной мощности (двигатель грузовика) и упрощенных обводах. Откорректированный теоретический чертеж послужил затем основой при срочной постройке в блокированном Ленинграде 118 тендеров, прославившихся на Дороге жизни и при наступлении наших войск (см. сборник №82).
Вот коротенькая справка: только за одно предвоенное десятилетие в нашем опытовом бассейне были проведены буксировочные испытания 1600 моделей! Кроме того испытывалось около 80 самоходных моделей кораблей и около 750 моделей гребных винтов. Приходилось также испытывать и модели не судна в целом, а отдельных его частей. Так, в конце 20-х годов проводилось изыскание наивыгоднейшей формы ограждения рубки для первых советских подводных лодок. Было испытано 17 вариантов; из них выбрали тот, который обеспечивал наименьшее сопротивление воды движению.
Рассмотрим теперь устройство типичного бассейна. Конструктивно — это здание с заполненным водой каналом и уложенными вдоль его стенок рельсовыми путями, по которым движется самоходная буксировочная тележка с аппаратурой.
Основные размеры бассейна выбираются так, чтобы полностью исключалось влияние ширины и глубины чаши на результаты измерений. Длина канала зависит в первую очередь от максимальной скорости испытываемых моделей и определяется как сумма участков, на которых происходят их разгон, движение с установившейся скоростью (как раз в это время и производятся измерения) и торможение. Обычно длина канала для испытаний интересующих нас глиссирующих судов не превышает 180—200 м, однако бывают и каналы километровой длины и даже «бесконечные» — кольцевые каналы. Можно напомнить, что в таком кольцевом бассейне (что-то вроде воднолыжной карусели), принадлежащем ВМФ Франции испытывалась модель самой большой яхты для одиночных трансокеанских плаваний —- «Клуба Медитерраннэ» (см. сборник №66).
Чтобы снизить затраты на строительство, длину канала стараются делать минимальной. Для этого существуют два пути. Первый — применение аппаратуры, которая позволяла бы сократить время, необходимое для выполнения измерений, до 2,5—3 с. Второй путь — сокращение времени разгона и торможения за счет увеличения ускорений, однако наиболее распространенные «обитаемые» буксировочные тележки не могут разгоняться и тормозиться с ускорениями более 0,2 g (2 м/с 2 ), так как колеса их начинают проскальзывать, идут «юзом» и т. п.
Точность измерений определяется не только качеством аппаратуры, но и постоянством скорости движения тележки, а также отсутствием ее вибраций, что во многом зависит от качества рельсовых путей (достаточно, пожалуй, упомянуть, что отклонение их рабочей поверхности от горизонтали не должно превышать 1 0,10 мм!).
Корпус тележки представляет собой ферменную конструкцию, обтянутую плотной тканью для улучшения обтекания потоком встречного воздуха и защиты от него испытателей. Чаще всего при испытании моделей морских судов достаточна скорость движения тележки до 20—30 км/ч. Естественно, при испытаниях крупных моделей особо быстроходных судов (и тем более — натурных корпусов глиссирующих мотолодок и катеров) скорости буксировки соответственно возрастают. В комплекс аппаратуры обычно входят: прибор для точной фиксации скорости движения тележки, буксировочный динамометр, приборы для контроля посадки модели, кино- и фотоаппаратура и регистрирующие приборы, в качестве которых обыкновенно используются частотомеры, а при испытаниях на волнении — различного типа осциллографы.
Модель, закрепленная на динамометре, последовательно — проход за проходом — буксируется на скоростях, изменяющихся от. самых малых до соответствующих максимально возможной (или несколько большей) скорости судна. (Скорости движения натурного судна Vн и модели Vм связаны зависимостью Vн=Vм·√ M , где М — знаменатель масштаба.) В результате получают данные об изменении буксировочного сопротивления судна на различных скоростях, а также и при различных вариациях иных условии испытаний. Такие данные обычно приводятся в виде графиков.
Для оценки мореходных качеств судна в бассейне создается искусственное волнение с заданными высотой и длиной волны (при соблюдении все того же масштаба). Наибольшее распространение получили волнопродукторы с «качающейся» стенкой или профилированным телом, совершающим движения в вертикальной плоскости, а также пневматические волнопродукторы. Так как каналы имеют ограниченную длину, то волна, идущая от волиопродуктора, за несколько минут доходит до противоположного конца бассейна и отражается от него, наложение же двух систем воли приводит к образованию «толчеи» — неправильного волнения. Чтобы предотвратить образование отраженных воли, приходится в торце канала устанавливать волногаситель.
Испытания моделей на волнении позволяют оценивать не только снижение скорости хода судна при движении на волне, по сравнению со скоростью на тихой воде, но н его «поведение» — размахи килевой и вертикальной качки, ударные перегрузки (особенно опасные для малых быстроходных судов), заливаемость палубы, характер брызгообразования и т. п. Нередко работникам бассейнов приходится выполнять различные исследования по конкретным заявкам моряков с целью улучшения мореходных качеств кораблей. Вот пример из истории петербургского бассейна. Во время ходовых испытаний линкоров типа «Андрей Первозванный» обнаружилось, что на полном ходу даже при небольшом волнении (3 балла) под форштевнем поднимается такой мощный бурун, что брызги мешают действию носовых орудий. На моделях были отработаны необходимые изменения форм носовой части, соответствующие работы выполнили на кораблях — брызгообразование существенно уменьшилось.
Теперь несколько слов о моделях, длина которых может доходить до 8—10 м. Важнейшее условие модельных испытаний — высокая точность соответствия модели теоретическому чертежу судна. Современная модельная мастерская — это, по сути дела, большой и светлый цех, оснащенный сложнейшим оборудованием, в частности, копировально-фрезерными станками с программным управлением. Когда-то модели отливали из парафина; сейчас применяют различные легкообрабатываемые синтетические материалы.
Понятно, что когда опытовому бассейну поручают замерить сопротивление выпускаемой серийно 4,7-метровой мотолодки «Прогресс» или серийного подвесного мотора «Вихрь-М», модель делать незачем: буксируют саму лодку или сам мотор. А вот когда потребуется, скажем, проверить на том же «Прогрессе» эффект изменения килеватости днища или ширины на транце, будет гораздо удобнее иметь дело с пенопластовыми масштабными моделями: не переделывать же каждый раз дюралевую клепаную лодку!
Остается добавить, что провести буксировочные испытания моделей или даже натурных судов можно и своими силами. О том как это сделать — не раз говорилось в сборнике, начиная с самого первого его выпуска (см. также №58 и др.). Буксировать модель или лодку проще всего при помощи автомашины. Сопротивление удобнее всего измерять пружинным динамометром (типа ручных весов), угол дифферента — пузырьковым уровнем.
Естественно, при испытании непосредственно натурной лодки отпадает надобность в пересчете полученных результатов; эффективность исследуемых вариантов (установка реданов, транцевых плит, изменение посадки, нагрузки и т. д.) можно оценивать путем прямого сравнения сопротивлений. В тех случаях, когда нет возможности изготовить мощное буксировочное устройство, или речь идет об изменении размерений и обводов корпуса, приходится изготовлять и испытывать модели. Следует иметь в виду, что ширина транца модели глиссирующего катера должна быть не менее 300 мм; исходя из этого и надо выбирать масштаб.
Пересчет полученных результатов на натурный катер выполняется по правилам, изложенным, например, в «Справочнике по теории корабля», Л., 1960.
Источник