Летящие над волной

Опубликовано: 27 июня 2010
Просмотров: 132288

 

В основу метода пересчета испытаний модели на корабль было положено разделение полного сопротивления модели и корабля на составляющие: сопротивление трения Rf и остаточное сопротивление Rr, в котором были обьединены сопротивление формы и волновое сопротивление. Пересчет осуществлялся в такой последовательности. Из замеренного полного сопротивления модели вычиталось ее сопротивление трения, рассчитанное по формуле, предложенной Фрудом. Полученное таким образом остаточное сопротивление модели пересчитывалось по кубу масштаба модели на корабль, в результате чего определялось остаточное сопротивление корабля. Чтобы получить полное сопротивление корабля, нужно было к его остаточному сопротивлению прибавить вычисленное по формуле сопротивление трения.

В подтверждении своего метода Фруд в 1871 г, провел классический опыт сравнительных испытании корвета "Greyhound"(«Грейхоунд») и его модели. Буксировка корвета осуществлялась крейсером. Расхождение сопротивления корвета при пересчете с модели (около 30 % при 4 уз и около 10 % при 12,5 уз) Фруд объяснил влиянием неустранимых явлений при проведении испытаний: действием волн и встречного потока воды, создаваемых буксировщиком, а главное, состоянием обшивки подводной части корпуса корвета, которая была намного более загрязненной, чем поверхность модели. Этим, в частности, объяснялось неодинаковое расхождение при 4 и 12,5 уз: ведь, как мы уже знаем, с увеличением скорости составляющая сопротивления трения в полном сопротивлении, по сравнению с составляющей волнового сопротивления, резко уменьшается.

Полученные Фрудом результаты были высоко оценены кораблестроителями. На дискуссии по испытаниям "Greyhound" Россел сказал:

...и если удастся каждую модель сравнивать с построенным и испытанным на мерной миле кораблем, то это сделает науку военного кораблестроения самой совершенной и абсолютной наукой, а также одним из самых удивительных и изящных из существующих искусств.

В честь ученого отношение v/\/gL являющееся одной из основных характеристик ходкости, назвали числом Фруда и обозначают Fr.

Характер зависимости волнового сопротивления от скорости корабля.

Что означают выпуклости и впадины на графике роста волнового сопротивления корабля? Ведь корабль набирает скорость довольно плавно. Дело в том, что между скоростью корабля, его размерами и волновым сопротивлением существует зависимость. С увеличением скорости носовые и кормовые поперечные волны постепенно смещаются друг относительно друга, и когда гребень носовой волны накрывает гребень кормовой, высоты обеих волн складываются и волновое сопротивление резко возрастает. Когда же гребни носовых волн накладываются на впадины кормовых и волны практически исчезают, волновое сопротивление уменьшается. Выпуклые участки на кривой соответствуют неблагоприятным скоростям, а вогнутые — благоприятным. С учетом этого иногда целесообразно длину корабля увеличить на длину носовой полуволны, соответствующую благоприятной скорости, и тем самым снизить волновое сопротивление. Странная по форме кривая лишний раз подтверждает сложность явления волнового сопротивления.

Метод Фруда быстро получил признание в странах с развитым кораблестроением. Одними из первых его оценили русские ученые и кораблестроители. В 1880 г. Д. И. Менделеев писал:

Оказалось, что корабли строят и до сих пор ощупью, пользуясь многоразличною практикою, а не расчетом, основанным на теории или опытах сопротивления.

В 1882 г. русские кораблестроители подняли вопрос о необходимости параллельно с исследованиями кораблей по программе натурных испытаний проводить испытания моделей в опытовом бассейне. Однако Морское министерство в течение нескольких лет, используя различные предлоги, затягивало постройку бассейна. Неизвестно, когда бы вообще его построили, если бы не английский броненосец, обогнавший в 1888 г. русский броненосец с находящимся на борту великим князем генерал-адмиралом Алексеем Александровичем. Разгневанный князь топал ногами и поносил моряков, пока ему не доложили, что происшедшее закономерно, так как броненосцы отечественной постройки развивают не более 15—16 уз, в то время как английские — около 18 уз, и это в немалой степени объясняется тем, что проектируются они с учетом испытаний моделей в опытовом бассейне. Обидный для престижа русского флота эпизод, обеспечивший «высокое» вмешательство, сдвинул дело с мертвой точки, и в 1894 г. в Петербурге начал функционировать русский опытовый бассейн. Уже первые испытания в бассейне показали, как велико значение этой лаборатории кораблестроения. Первыми были испытаны модели ранее упомянутого полуброненосного крейсера «Герцог Эдинбургский». Испытания проводились с целью проверки возможности увеличить скорость полного хода корабля с 15,3 до 18 уз. Выяснилось, что для этого мощность машин крейсера нужно увеличить почти в три раза. Проектировщики были обескуражены, так как, по их расчетам, достаточно было увеличить мощность примерно на 40 %. В результате испытаний моделей намеченных к постройке броненосцев «Пересвет» и «Ослябя» удалось значительно уменьшить мощность машин по сравнению с проектом, разработанным до испытаний. В январе 1900 г. руководство опытовым бассейном было поручено тогда еще молодому ученому А. Н. Крылову (1863-1945)(кораблестроитель, специалист в области механики, математик, академик АН СССР ( член-корреспондент 1914), Герой Социалистического Труда (1943)). В течение девяти лет Крылов блестяще руководил деятельностью опытового бассейна, что нашло непосредственное отражение в высоком качестве кораблей, создаваемых в России в те годы.

Крылов Алексей Николаевич (1863-1945)

Научная деятельность Крылова, которой он посвятил шестьдесят лет своей жизни, охватывала математику, астрономию, баллистику, теорию стрельбы, геодезию и другие отрасли науки и техники. Однако центральное место в исследованиях ученого занимали его работы по теории корабля, завоевавшие ему мировую известность. Кораблестроители справедливо считают Крылова отцом современного кораблестроения, преобразованию которого «из искусства в строгую науку» он посвятил всю жизнь.

Чаша современного опытового бассейна представляет собой канал длиной около 1000 м, шириной 16—18 м и глубиной до 12 м. Вдоль канала уложены рельсы, но которым наподобие мостового крана движется самоходная буксировочная тележка. На тележке размешены электродвигатель и измерительная аппаратура: там же находятся исследователи. В средней части пола тележки сделан вырез, над которым установлен динамометр с рычагом, спускающимся к воде. К концу рычага крепится буксирный тросик, соединенный с моделью, находящейся на воде под вырезом в полу тележки. Когда тележка, а за ней и модель движутся вдаль канала, динамометр показывает горизонтальную силу, с которой модель тянет рычаг назад. Это и есть полное сопротивление, которое встречает модель при буксировке.

Опытовый бассейн СПбГУВК

Модель изготовляют в полном соответствии с теоретическим чертежом корабля. Она должна быть геометрически подобна натуре. Это значит, что все внешние линейные размеры модели и деталей, расположенных на корпусе по длине, ширине и высоте, должны быть меньше, чем у предполагаемого к постройке корабля, в одно и то же число раз, называемое линейным масштабом. Для определения сопротивления модели изготовляют без палуб, надстроек и мачт. Корпус модели выполняют из парафина с добавлением 4—6 % воска, а набор — из дерева. Парафин удобен тем, что очень легко обрабатывается и позволяет в процессе поиска оптимальных формообразований корпуса наплавлять и обстругивать его поверхности.

Крепление модели под тележкой бассейна СПбГУВК

Для определения сопротивления выступающих частей широко используется экспериментальный метод. На модели устанавливают изготовленные в том же линейном масштабе выступающие части, и результаты буксировочных испытаний модели с выступающими частями сравнивают с результатами испытаний модели гладкого корпуса.

Фруд создал метод, с помощью которого уже на стадии проектирования можно было с достаточной точностью и сравнительно просто определять сопротивление корабля, выбирать оптимальную форму и размеры его корпуса, чтобы обеспечить заданную скорость при наименьшей мощности энергетической установки. Борьба за скорость могла быть продолжена.