Скорость морского судна
Погоня за рекордами не чужда и морскому торговому судоходству. Достаточно хотя бы вспомнить борьбу пассажирских судов, пересекавших Северную Атлантику, за «голубую ленту». Борьба была начата в 1840 г. судном «Британия», имевшим скорость 10,7 уз, и закончилась в 1952 г., когда пассажирское судно «Юнайтед Стэйтс», развив среднюю скорость 36 уз, оказалось вне конкуренции. Организованная судовладельцами из престижных соображений гонка пассажирских судов в Северной Атлантике потеряла всякий смысл после того, как пассажиры стали предпочитать теплоходу самолет. Рейс из Европы в Северную Америку на самолете занимает всего несколько часов, в то время как самому быстроходному судну, чтобы пересечь океан, требуется затратить три с половиной дня. Если говорить о транспортных судах сегодняшнего дня и ближайшего будущего, то они все еще двигаются намного медленнее, чем наиболее быстроходное пассажирское судно 25 лет назад. Лишь в 1973 г. торговое судно достигло рекордной скорости в 33 уз. Однако эта цифра и сегодня столь же мало характерна для среднего уровня достигнутых в морском торговом флоте скоростей, как и в предыдущие годы. Средние скорости судов намного ниже этого достигнутого единичными судами максимума, и для этого имеются основания. Повышение скорости, хотя и приводит к сокращению времени перевозки груза, материально обходится очень дорого. С увеличением скорости сильно возрастают расходы на постройку судна и его эксплуатацию. Целесообразность повышения скорости определяется и продолжительностью стоянок судов в портах. С точки зрения экономической эффективности повышение скорости будет оправдано только в случае, если одновременно будут проведены обеспечивающие сокращение стояночного времени усовершенствования технологии обработки судов в портах.
Так, начавшееся в 60-х годах стремление повысить эффективность сухогрузных судов за счет повышения их скорости не имело успеха. Качественно новые условия возникли лишь после внедрения контейнеров для перевозок генеральных грузов. В сочетании с созданием специальных комплектов для перегрузки контейнеров это привело к резкому сокращению простоев судов-контейнеровозов под грузовыми операциями и обеспечило необходимые предпосылки для повышения скорости транспортных судов. Быстроходные суда в любом случае очень дороги. Невзирая на это, скорость судов приобрела большое значение в конкурентной борьбе на мировом фрахтовом рынке, особенно для судов линейного плавания. Большая скорость считается признаком высокой конкурентной способности и служит соответствующей судоходной компании для завоевания или поддержания престижа; это присущее капиталистическим производственным отношениям явление способствует расточительству общественного труда. Сильно возрастающие с увеличением скорости эксплуатационные расходы накладываются на стоимость перевозимых грузов. Это оправдано только при перевозке ценных генеральных грузов, где высокие фрахтовые ставки могут окупиться за счет более быстрой доставки. Что же касается сухих и жидких массовых грузов, то они ввиду их меньшей стоимости не могут выдержать больших наценок на транспорт, иначе их дальнейшая переработка окажется экономически невыгодной. Поэтому среди быстроходных судов можно встретить только контейнеровозы, суда с горизонтальной погрузкой, рефрижераторные суда и лихтеровозы, т. е. главным образом суда, предназначенные для перевозки ценных штучных грузов, но отнюдь не танкеры и не суда для перевозки навалочных грузов. Отметим, что в последнее время в число быстроходных судов вошли также танкеры для перевозки сжиженных газов. Этот вид перевозок представляет собой особую проблему, которая будет рассмотрена позднее. Повышение скорости судов, однако, не является чисто экономической проблемой. Чем быстроходнее судно, тем более острые обводы оно должно иметь. Большие заострения корпуса, которые простираются от оконечностей судна почти к самому мидель-шпангоуту, приводят к очень неудобной форме судовых трюмов с точки зрения укладки грузов при погрузке либо к большим потерям кубатуры по сравнению с более тихоходными судами аналогичных размеров. В то же время именно контейнеры предъявляют очень высокие требования к кубатуре судовых трюмов.
А — водоизмещающее судно; В — судно на подводных крыльях; С — быстроходное, военное, водоизмещающее судно; D — полупогруженное судно; Е — подводное судно.
Необходимая для движения судна мощность энергетической установки растет примерно пропорционально третьей степени скорости судна. Современное 14000-тонное сухогрузное судно для достижения скорости 18 уз обходится установкой мощностью примерно 8100 кВт, а всего в три раза больший по грузоподъемности контейнеровоз для достижения скорости 30 уз требует уже 85 тыс. кВт. Наряду с необходимостью установки таких мощных двигателей на борту судна требуется предусмотреть также возможность размещения запасов топлива для них. Если остановиться на этом примере, то выяснится, что сухогрузному судну для одного рейса в Восточную Азию потребуется «только» 1300 т топлива, в то время как упомянутый контейнеровоз вынужден будет везти с собой почти 11 тыс. т топлива, если не будет пополнять его запасы в пути, а заходы в промежуточные порты связаны с неизбежными потерями времени. В связи с дальнейшим ростом требований к скорости транспортных судов можно полагать, что повышение скоростей будет сдерживаться не только ростом расходов на постройку и эксплуатацию судов, но и определенными техническими и физическими аспектами этой проблемы. Верхний теоретический предел скорости любого судна, очевидно, будет достигнут тогда, когда вся его полезная грузоподъемность будет израсходована на массу двигателей и запасов топлива. Но для торговых судов такой вариант неприемлем. В самом деле, зачем должно идти в рейс судно, если оно не будет нести никакой полезной нагрузки? Однако ничего другого не получится, если, например, поставить задачу спроектировать судно с полной грузоподъемностью 10 тыс. т для плавания на линии протяженностью 10 тыс. миль со скоростью 40 уз. Грузоподъемности такого судна хватит только на то, чтобы принять запасы топлива, необходимые для работы энергетической установки мощностью более 75 тыс. кВт. С пустыми трюмами и с 10 тыс. т топлива в двойном дне и других отсеках это судно начнет рейс как танкер, а придет к месту назначения с пустыми топливными цистернами. Практически, однако, до этого дело не дойдет уже хотя бы потому, что одновременно со скоростью растут размеры судов. Это благоприятно сказывается на верхнем пределе мощности энергетической установки, которую можно поставить на судне, но, с другой стороны, требует обеспечить постоянную подачу груза в количествах, достаточных для загрузки таких больших судов.
Помимо приведенных выше соображений массогабаритного характера имеется и другой, гидродинамический предел скорости транспортных судов, связанный с резким повышением волнового сопротивления. Это вытекает из того обстоятельства, что начиная с определенного значения скорости сопротивление воды движению судна растет так сильно, что любое дальнейшее повышение скорости связано с чрезмерным ростом сопротивления. Так например, при дальнейшем повышении скорости большого 40-узлового сухогрузного судна всего на 1 уз требуется значительное увеличение мощности энергетической установки — до 40%. Но такое повышение скорости обошлось бы слишком дорого. Отсюда появляется ограничение скорости для всех судов, плавающих на поверхности воды. Предельная скорость в соответствии с физическими закономерностями зависит от длины судна и имеет различное значение для судов с полными образованиями и с острыми обводами. Прогнозы наибольшей достижимой скорости сделаны, разумеется, только для водоизмещающих судов, которые в соответствии с законом Архимеда вытесняют столько воды, сколько весят они сами. К судам на подводных крыльях и на воздушной подушке, к глиссерам, а также к подводным судам эти прогнозы не относятся. Хотя скорости, закладываемые ныне в проекты быстроходных судов с острыми обводами, всегда оказываются ниже экстремальных значений, тем не менее вполне отчетливо прослеживается тенденция: быстроходные водоизмещающие суда одновременно должны быть большими по величине. Таким образом, прогнозы роста скорости должны учитывать также размеры судов. Удлинение судна с 300 до 400 м, например, хотя и повышает предельную скорость на 6 уз, но одновременно увеличивает грузоподъемность судна примерно с 40 тыс. т до 70 тыс. т. Такой контейнеровоз рассчитан на перевозку около 3000 20-футовых контейнеров. Все эти контейнеры должны быть в кратчайшие сроки поданы в порт для погрузки на судно и так же быстро вывезены из порта после разгрузки. Нельзя не отметить и трудности складирования такого большого количества ценных грузов.
В 1973 г. вступили в строй первые транспортные суда со скоростью 33 уз. В Японии проводятся исследования, связанные с постройкой 35-узлового контейнеровоза. Вполне возможно, что к концу столетия скорость контейнеровозов в отдельных случаях достигнет 40 уз. Однако, чтобы прийти к таким скоростям, нужны еще большие научно-технические достижения. Существенное противодействие росту скоростей судов оказывают резкие повышения цен на нефть и, как следствие, на топливо. С 1973 г. цены на топливо в международном судоходстве выросли в несколько раз. Поэтому теперь (да и в будущем) при выборе судов цены на топливо могут служить лишь для сугубо ориентировочных экономических оценок. В этой связи следует указать, что более быстроходные суда, как правило, не являются самыми экономичными. Примечательно, что самые быстроходные суда принадлежат судоходным компаниям, субсидируемым государством. Решающими при этом являются военные соображения, так как в рамках глобальной стратегии США быстроходным транспортным судам поручаются важные военные функции. Влияние этих обстоятельств на международное судоходства при проектировании контейнеровозов и судов с горизонтальной погрузкой исключает возможность выбора оптимальной с экономической точки зрения скорости. Конкуренция капиталистических судоходных компаний приводит к завышению скорости таких судов. В противовес этому отвечают научно-исследовательские работы, ведущие к достижению более высоких скоростей за счет снижения сопротивления воды и повышения коэффициента полезного действия судовых энергетических установок. Наиболее часто применяемым средством для снижения сопротивления воды является носовой бульб, который дает максимальный эффект при умеренно острых обводах: при очень острых обводах носовой бульб дает около 5% экономии мощности, при более полных до 10—15%.
Все более широкий ассортимент покрытий судового корпуса, предлагаемый лакокрасочной промышленностью, позволяет уменьшить коррозию и обрастание корпуса, что также ведет к некоторому, хотя и небольшому, уменьшению сопротивления трения. Значительно большего эффекта можно ожидать в будущем от вдувания воздуха и впрыска высокополимерных растворов (насколько это позволяют соображения охраны окружающей среды) в пограничный слой между корпусом и водой. Эффект наступит тогда, когда расходы на эти мероприятия будут окупаться пользой от них в виде экономии мощности и топлива. В настоящее время еще трудно сказать, когда это произойдет. Для уменьшения сопротивления большое значение имеет правильный выбор соотношения между длиной и шириной судна, особенно сейчас, когда наблюдается дальнейший рост скоростей и размеров судов. Все это служит одной цели — максимально возможному уменьшению мощности судовых энергетических установок. Для водоизмещающего судна обычного типа, передвигающегося на границе раздела двух сред — воды и воздуха, едва ли достижима скорость более 40—45 уз. Если же требуется большая скорость, необходимо использовать новые способы движения судов. Это не означает, однако, простого отхода от принятой ныне формы корпуса. Корпус судна должен покинуть границу раздела и двигаться только в одной среде. Для этого имеются два пути: вниз, под поверхность воды, или вверх, над нею. В обоих случаях волновое сопротивление должно исчезнуть. И действительно, над поверхностью воды или под нею судно может двигаться быстрее, ограничения скорости теряют силу!
Достижимые скорости для судов с различными способами движения и различной формой корпуса
А — катамаран; В — водоизмещающее судно; С — полупогруженное судно; О — судно типа «Трисек»; Е — подводное транспортное судно; Р — судно на подводных крыльях; С — судно на воздушной подушке; Н — большое судно на воздушной подушке; I — экраноплан
Ожидается, что переход от однокорпусных к многокорпусным судам также приведет к росту скоростей. В принципе, однако, любое повышение скорости судна сопряжено со значительным увеличением мощности. Интересно, что характер повышения мощности с ростом скорости весьма различен для судов разного типа. Превосходство одного типа корпуса над другим всегда связано с каким-то определенным диапазоном скоростей. Если вначале отвлечься от проблем, связанных с выбором главных двигателей, то на перспективу с точки зрения достижимых скоростей можно предложить следующую новую классификацию судов:
— водоизмещающие однокорпусные суда, передвигающиеся на поверхности воды, в полупогруженном состоянии и под поверхностью;
— водоизмещающие суда с двумя или большим числом корпусов, передвигающиеся на поверхности воды и в полупогруженном состоянии;
— суда с гидродинамическими силами поддержания: глиссирующие и на подводных крыльях;
— парящие суда: на воздушной подушке с аэростатической силой поддержания и экранопланы с аэродинамической силой поддержания.
У всех судов необычного типа, корпус которых либо вынесен над поверхностью воды либо опущен под воду, исчезает волновое сопротивление, которое является доминирующей частью полного сопротивления воды для обычных водоизмещающих судов. В действительности достигнуты (или предусмотрены в проектах) такие максимальные скорости. Подводные транспортные 50—60 уз. Полупогруженные многокорпусные 50—80 уз. На подводных крыльях 60—100 уз. На воздушной подушке 80—200 уз.
Эти скорости существенно выше, чем у обычных торговых судов. Диапазон скоростей движения между транспортной авиацией и морским торговым флотом будет заполнен, по крайней мере частично, судами на подводных крыльях и на воздушной подушке. Во всяком случае, представления о перспективах развития судов этих двух типов заходят весьма далеко. Хотя проекты тяжелых, массой во многие тысячи тонн, судов на подводных крыльях и на воздушной подушке скоростями порядка 150 уз и даже более 200 уз признаются технически осуществимыми, однако постройка их остается нереализованной, поскольку пока отсутствует общественно обусловленная необходимость этого. Можно предполагать, что для осуществления подобных проектов потребуются десятилетия, в течение которых неизбежны большие достижения и в других областях транспорта. В будущем к эффективности морского транспорта будут предъявлены высокие требования. Удастся ли, однако, с помощью известных доселе технических средств создать суда, которые смогут удовлетворить пожелания клиентуры морского транспорта? Возрастающий уровень специализации судов и увеличение их размеров создают предпосылки для морских перевозок грузов с минимальной затратой средств. Автоматизация судовых производственных процессов в сочетании с их высокой надежностью также будет способствовать повышению экономичности судов. Однако достаточно ли этого? Не возникнет ли перед морским флотом будущего проблема удовлетворения новых, сегодня еще не известных потребностей общества? По-видимому, так оно и будет. Нерешенным остается также вопрос о том, сможет ли морской флот в будущем удовлетворять требования высоких скоростей перевозок ценных грузов. Уже сейчас авиация представляет собой альтернативу трансокеанским перевозкам на судах. Достижение высоких скоростей является важнейшей перспективной задачей для всего международного судоходства. При этом имеются в виду не только перевозки ценных грузов, но и расширяющиеся паромные сообщения и туризм.
Но как может быть сокращено ходовое время, если возможности для повышения скорости паромов обычного типа уже практически исчерпаны? Будут ли эти транспортные задачи в дальнейшем возложены на вертолеты либо, скажем, на дирижабли, или -эксплуатация быстроходных судов на подводных крыльях и на воздушной подушке окажется более экономичной? Совершенно новые, необычные задачи встают перед морским судоходством в связи с более интенсивным использованием северных морских путей. Суда, прокладывающие свой путь через арктические льды с целью вовлечения и этой части Земли в сферу хозяйственной деятельности, являются предтечами судов будущего. Сегодня еще почти невозможно предвидеть, какие требования предъявит к судостроению и судоходству добыча морского сырья, значение которой будет все больше возрастать. С нашей сегодняшней точки зрения будущие инженерные сооружения, предназначенные для добычи морского сырья на поверхности моря, под его поверхностью или на морском дне, а также плавучие обогатительные фабрики, плавучие станции для сжижения природного газа и другие плавучие предприятия должны выглядеть в высшей степени необычно. Естественно, что в этом перспективном производственном процессе на море трудно будет провести четкую грань между судами и другими промышленными сооружениями. Однако этими и другими вопросами неизбежно придется заниматься, поскольку речь идет о судах завтрашнего дня. Новые задачи ведут к новым техническим и технологическим решениям. Наряду со все совершенствующимися судами обычного типа свой вклад в решение будущих транспортных проблем на море внесут и транспортные средства нового, нетрадиционного типа.
Источник