Суда на воздушной каверне принцип работы

Обновлено: 18.04.2024

Специалисты провели испытания модели корабля с воздушной каверной и объяснили рост скорости судна при применении этой технологии.

При испытательном заплыве модели судна на воздушной каверне «Дюгонь» программе «Военная приемка» удалось запечатлеть момент появления воздушной каверны - воздушного пузыря, который смягчает сопротивление воды о судно и позволяет увеличить скорость даже самых массивных кораблей. По словам инженера-конструктора отдела гидро- и аэродинамических исследований ЦКБ им. Алексеева Александра Панова, эта технология позволяет снизить сопротивление воды до 25%.

«В ходе испытаний мы считываем такие параметры, как гидродинамическое сопротивление, дифферент и всплытие модели. В модели стоит двигатель, который нагнетает воздух непосредственно в свод каверны. В начале движения этот пузырек небольшой. Но в процессе движения он растягивается и заполняет весь свод. Тем самым мы снимаем гидродинамическое сопротивление до 25%», - пояснил конструктор.

Ученые из исследовательского центра в области кораблестроения объяснили, что при кажущейся простоте технологии каверны, на самом деле это сложная технология. При строительстве подобных судов должна учитываться волновая картина, габариты корабля, под которые должна быть подстроена форма каверны на днище. Именно точный расчет еще при проектировании обеспечит даже тяжелым судам огромную скорость, заявил начальник сектора лаборатории Крыловского центра Андрей Сверчков.

«Это так кажется, что достаточно просто сделать какую-то нишу, ее заполнить воздухом и дальше все - поехали, снизили сопротивление. Но, чтобы понять сложность, достаточно представить волновую картину, которая формируется за транцем обычного глиссирующего катера. Когда катер начинает разгоняться, эта ниша становится все длиннее, увеличиваясь до тех пор, пока катер не достигнет своей максимальной скорости. На разных скоростях каверна будет себя вести совершенно по-разному, поэтому для каждого конкретного катера, для каждой конкретной скорости нужно подбирать свою геометрию вот этой ниши, которая будет формировать каверну», - объяснил ученый.

Судостроители всегда стремились создать быстроходный корабль с как можно более экономичным ходом, потребляя при этом намного меньше топлива, чем типичное судно. Суда на воздушной каверне, скользящие на воздушной смазке, как раз и есть тем экономичным плавсредством, чем суда на воздушной подушке.

Активное развитие быстроходных судов на воздушной каверне началось всего лишь 10 лет назад, но идея использования поддува воздуха под корпус транспортного средства для создания подъемной силы возникла очень давно, более двух с половиной веков назад. Впервые предложение о «воздушной смазке» судов в 1882 году запатентовал шведский инженер Лаваль, построивший в 1885 году судно с поддувом воздуха под корпус через трубы с большим количеством мелких отверстий. Положительных результатов инженер не добился, так как при ограниченной подаче воздуха ему было сложно получить под днищем равномерно распределенный слой воздуха, и как следствие, низкое сопротивление трения судна. Однако подобные эксперименты по уменьшению гидродинамического сопротивления за счет «воздушной смазки» проводились и в более позднее время.

Систематические исследования в области технологии воздушной смазки было начато в Советском Союзе в 1960 году. Наиболее значительный вклад в этой области был сделан инженером Анатолием Акимовичем Бутузовым. Именно он установил, что досадное кавитационное явление может быть полезным для определения основных гидродинамических характеристик судов.

Однако, разработанная под контролем академика Логвиновича уникальная ракето-торпеда М-5 комплекса «Шквал» в 1977 году привела к выдающемуся техническому достижению. С помощью специального гидрореагирующего топлива, способного создавать более эффективную тягу реактивному двигателю, а также благодаря газовой каверне, образовавшейся в результате распада продуктов химической реакции топлива, торпеда способна двигаться под водой со скоростью около 200 км в час, что делает устройство самым смертоносным оружием морского боя. Уникальный результат исследований подводной ракето-торпеды подтолкнул советских кораблестроителей к применению технологии воздушной каверны на обычных водоизмещающихся судах. Успешные испытания в лабораторных условиях постепенно реализовались в концепцию воздушной каверны на полномасштабном речном судне и несамоходной барже.

В конце 70-х годов по лесам Дальнего Востока прошла волна масштабных пожаров, от которых пострадали сотни людей, проживающих в районе произошедших трагедий. В июне 1979 года председатель Совета министров СССР собрал экстренное заседание, на котором был поднят вопрос о состоянии дел по борьбе с лесными пожарами. Итогом совещания стало создание технических средств предупреждения пожаров, одним из которых стало задание на проектирование патрульного катера проекта 14081 шифр «Сайгак». Особенностью данного судна стал абсолютно новый принцип движения катера - газовая каверна, у которого для формирования смазки вместо воздушного компрессора, использовались выхлопные газы от двигателя.

Эта технология с 2010 года защищена патентом ОКБ имени Р.Е. Алексеева. Её применяют для теплоходов и десантных катеров. Скоро она послужит не только для перевозки пассажиров и доставки военной техники. В чём же достоинства технологии и с какой целью разрабатывают новое судно на воздушной каверне?

Немного о технологии судов на воздушной каверне

Каверна в переводе с английского означает «полость». В днище у таких судов действительно есть пространство с воздухом.

Тот же принцип в основе кораблей со схожим названием. Не перепутайте!

В отличие от судов на воздушной подушке , газы в этих судах попадают просто за счёт движения, а не нагнетаются с помощью вентиляторов.

Технология кораблей на такой прослойке зародилась в XIX веке. В 1885-м шведский инженер Густав де Лаваль построил судно с поддувом. Эксперимент вышел неудачным: воздух распределялся неравномерно, трение было высоким.

1977-й стал прорывным для развития технологии. В СССР тогда создали ракету-торпеду М-7 комплекса «Шквал». Она мчится под водой на реактивной тяге со скоростью 200 км/ч. Топливо используется гидрореагирующее. Благодаря ему в результате реакции образуется газ. Он и заполняет каверну.

Тот же принцип применили для водоизмещающих судов. Первым серийным плавсредством по этой технологии стал теплоход проекта «Линда».

Какие есть плавсредства на воздушной каверне и в чём их преимущества

Суда на воздушной каверне скоростные. Они будто скользят по воде без всяких препятствий.

Плюс ко всему они как минимум на 15% экономичнее судов на воздушной подушке. Догадываетесь почему? Топливо не тратится на нагнетание воздуха.

Эти суда отличаются повышенной проходимостью. Они запросто передвигаются по мелководью, совершают посадку/высадку людей на необорудованный берег. Им не страшны ледоставы.

Неудивительно, что технологию применили для перевозки пассажиров по малым рекам и доставки военной (колёсной и гусеничной) техники.

Что же это за суда? Пока есть 3 типа проектов:

теплоход проекта «Линда»;
десантный катер проекта «Серна»;
десантный катер проекта «Дюгонь».

Десантный катер, кроме техники, доставляет членов команды.

А что вы знаете об амбициозном отечественном IT-проекте SFERA? Его релиз уже скоро. Чтобы узнать больше, перейдите по ссылке .

Новое судно на воздушной каверне

Вернемся к технологии. Чтобы оперативно доставлять крупногабаритную спецтехнику для тушения пожаров, создаётся судно на воздушной каверне.

Вообще, ОКБ имени Р.Е. Алексеева специализируется на экранопланах. На этот раз там взялись за большой проект по созданию техники для спасательных операций. В числе прочего разрабатывают и это судно.

Характеристики у него впечатляющие. Можно будет легко погрузить пожарную машину на шасси «Камаз с командой». Скорость судна составит 50 км/ч. Грузоподъёмность — 45 тонн.

К слову, технология как-то уже пригодилась для борьбы с пожарами. В 70-х на Дальнем Востоке полыхали леса. И в 79-м экстренно решили создать патрульный катер. Это плавсредство проекта «Сайгак». Оно предшествовало теплоходу проекта «Линда», запущенному в серийное производство.

С тех пор прошло много лет. Технология развивается. И совершенно точно, что у судов на воздушной каверне большое будущее. Учитывая все плюсы, применять систему выгодно и для контейнеровозов, и для танкеров.

Так что наша страна по праву может гордиться технологией. Будем следить за судьбой нового плавсредства на воздушной каверне!

Вода для корабля – родная стихия. Но слишком вязкая. Суда могут иметь почти неограниченную грузоподъемность, несравнимую ни с каким другим видом транспорта, но точно так же по скорости они практически всем видам уступают. Чтобы заставить судно двигаться быстрее, надо тратить много энергии, делать более прочный корпус или. слегка оторвать корабль от воды.

Когда позволили технологии, рядом с водоизмещающими судами появился транспорт на подводных крыльях, на воздушной подушке, на экранном эффекте. Смысл этих решений заключался в том, чтобы полностью или частично вытащить корпус судна на поверхность, избавив его от трения о воду. Но есть еще один вариант, который стали разрабатывать еще в XIX веке, но который остается весьма перспективным и в наши дни. Речь идет о технологии, позволяющей уменьшить сопротивление движению судна за счет подвода газа к его корпусу.
Плотность воздуха примерно в 800 раз меньше плотности воды. Когда часть смоченной поверхности корпуса изолируется воздухом от контакта с водой (и возникают так называемые воздушные каверны), то в этом месте сопротивление трения уменьшается в 800 раз. Соответственно, чем больше изолируемая площадь и чем больше составляющая трения в общем балансе силы буксировочного сопротивления, тем выше эффект от применения каверн.

Практика без теории

Первый патент на использование воздушных прослоек был выдан в США в 1848 году, однако эта идея опередила уровень развития техники на многие десятилетия. В 1883 году шведский инженер и изобретатель Густаф де Лаваль запатентовал устройство для подачи пузырьков воздуха в районе форштевня судна. Спустя некоторое время швед предпринял попытку экспериментально проверить эффективность придуманного им устройства. К глубокому разочарованию автора изобретения попытка оказалась неудачной.

В 1887 году русский инженер-механик С. Тимохович сделал заявку на выдачу ему привилегии на «способ уменьшения трения судов о воду и прилипания ее к их поверхности». Его идея заключалась в подаче на подводную часть корпуса воздуха или водомасляной эмульсии через специально устроенные трубы.

На быстроходных катерах первую по времени работу в области практического использования подачи воздуха под днище (аэрации днища) выполнил Д. М. фон Томамюль. В 1916 году он построил для австрийского флота торпедный катер – первый глиссер с «воздушной смазкой». Воздух под днище нагнетался центробежным вентилятором. Область воздушной прослойки ограждалась бортовыми стенками – снегами и поперечным реданом (ступенькой на днище). При мощности двигателей 480 л. с. катер показал скорость 40 узлов, однако дальнейшего развития эта удачно начатая работа не получила.

В мировом судостроении в наши дни экспериментируют как собственно с воздушными кавернами (создавая в днище судна полости, в которых с помощью насосов поддерживается давление газа, изолирующего судно от воды), так и с пузырьковой смазкой. В последнем случае под гладкое днище через специальные каналы выводится плотная пелена пузырьков. На схеме показан пример такого решения.

В последующие годы идея использовать воздух для снижения сопротивления являлась предметом многочисленных исследований и изобретений как в нашей стране, так и за рубежом. Предлагались различного рода конструкции для образования газовых прослоек на днище судна, которые, однако, не только не находили практического применения, но даже не подвергались серьезной экспериментальной проверке. Исключение составляют работы Л. М. Лапшина и К. К. Федяевского.

Почему неудачи?

В СССР в 1924 году на реке Ливенке Лапшин начал эксперименты с грубой моделью мелкосидящего плоскодонного речного судна размерами 2,5 х 0,22 х 0,02 м для проверки эффективности подачи воздуха под днище, а в дальнейшем впервые выполнил натурную проверку в 1938 и 1957 годах. Воздух нагнетался специальной воздуходувкой под носовую часть днища с помощью трубопроводов, выходные отверстия которых были установлены заподлицо с днищем.

В 1938 году для натурной проверки была переоборудована деревянная баржа длиной 25 м, шириной 7,7 м, осадкой 2 м. В результате ее испытаний был получен незначительный положительный эффект. Для его подтверждения в 1957 году была переоборудована более крупная стальная сухогрузная баржа серийной постройки длиной 75 м, шириной 13 м, осадкой 3,2 м. Однако в процессе испытаний даже этот незначительный эффект не подтвердился. Неудача опытов Лапшина объяснялась тем, что при выбранном способе подачи воздуха не формировалась устойчивая газовая прослойка, которая отделяла бы воду от обшивки корпуса. Пузыри воздуха уносились потоком из носовой оконечности днища по направлению к корме.

Испытания быстроходного судна, проведенные под руководством Федяевского в 1943 году, также не показали значительного снижения сопротивления.

Решение найдено

Ситуация сложилась парадоксальная: теоретические работы показывали возможность серьезного снижения сопротивления воды, но на практике достичь успеха не удавалось. Это очевидное несоответствие стимулировало выполнение более детальных исследований физических закономерностей развития газовых прослоек, образованных на днище судна.

Работы были начаты в ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова (ныне ФГУП «Крыловский государственный научный центр») в конце 1950-х инженером А. Н. Ивановым. На основании гипотезы об аналогии тонких газовых слоев и искусственных каверн он предложил использовать для определения формы и размеров воздушных прослоек аппарат теории развитой кавитации. Это позволило изучить влияние геометрии смоченной части днища и скорости движения судна на параметры воздушных прослоек – искусственных каверн. Были также получены интересные экспериментальные факты, которые стимулировали дальнейшее изучение искусственной кавитации и ее использование для снижения гидродинамического сопротивления. Наступило время испытать технологию на практике.

Применение каверны на транспортных судах и на глиссирующих катерах (у этих судов сила трения составляет примерно половину полного сопротивления) позволяет уменьшить буксировочное сопротивление на 17–30% при энергетических затратах на подачу воздуха, не превышающих 2–3%. На небольших (до 40 т) глиссирующих катерах для создания каверны можно использовать выхлопные газы главных дизелей. Искусственные каверны можно применять либо для снижения мощности при сохранении скорости судна – это более актуально для водоизмещающих судов, либо для увеличения скорости полного хода при сохранении мощности главных двигателей, что наиболее целесообразно для глиссирующих. За счет применения каверны скорость катера может возрасти примерно на 10%, например с 50 до 55 узлов. В этом случае можно, во-первых, повысить конкурентоспособность судна и, во-вторых, увеличить дальность плавания, ограниченную временными рамками.

Все решает автоматика

Одной из последних разработок Крыловского центра является автоматизированная система создания каверн на днище транспортного судна. В предлагаемой версии устройства для создания воздушных каверн выступающие части (продольные и бортовые кили, поперечные козырьки) выполняются подвижными. В рабочем состоянии они выступают за основную плоскость днища и служат для образования и поддержания каверн, а в необходимых случаях (прохождения судном участков предельного мелководья, шлюзования, движения в условиях сильного волнения, движения задним ходом и т. п.) эти элементы устройства автоматически поднимаются и практически не выступают за основную плоскость днища. Для восполнения воздуха в каверне и поддержания ее устойчивости используется воздушная система, состоящая из вентилятора и трубопровода. Другой новой разработкой является устройство для защиты от попадания воздуха из каверны на гребной винт, предотвращающее его износ. Еще одна полезная функция воздушной каверны позволяет транспортным судам ледового класса освобождаться из ледового плена.

Крыловским центром разработан концептуальный проект танкера дедвейтом 180–200 тыс. т с ограниченной осадкой и энергосберегающей каверной. Разработана технология высвобождения от заклинивания во льду морского транспортного судна с воздушной каверной на днище.

За последнее десятилетие при активном участии Крыловского центра разработаны четыре проекта транспортных судов с кавернами. Это сухогруз «река – море» дедвейтом 8000 т, универсальный навалочник-контейнеровоз дедвейтом 70 000 т, «Балтик-макс-танкер» ледового класса Arc4 дедвейтом 200 000 т и контейнеровоз Post-Panamax грузовместимостью 9500 TEU. На судостроительных заводах России продолжается строительство нескольких проектов катеров с каверной, спроектированных ЦКБ по СПК им Р. Е. Алексеева. На сегодняшний день искусственные каверны позволяют получить эффект по снижению сопротивления, недостижимый ни одной из известных энергосберегающих технологий.

Редакция «ПМ» благодарит ФГУП «Крыловский государственный научный центр» за помощь в подготовке статьи.

Главными героями программы станут корабли, которые используют эффект каверны. Они способны развивать невероятную скорость, уйти от них практически невозможно.

50 морских узлов или 92,6 километра в час - это скорость самых необычных кораблей российского флота и береговой охраны пограничной службы ФСБ России, передвигающихся на воздушной каверне. Корабли береговой охраны, таможенные катера, десантные корабли Министерства обороны - они могут отличаться размерами и формой корпуса, но объединяет их то, что они буквально летают по воде. Съемочная группа «Военной приемки» отправилась в Азовское море и к Тихому океану, чтобы разобраться, за счет чего достигается такой эффект, что из себя представляет воздушная каверна и как она выглядит.