Судомоделизм

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).