Для чего нужны масштабные модели судов

К модели судна пришли не сразу. Еще в середине 16 века английские судостроители пытались на моделях проверять качество строящихся парусных кораблей. Эти попытки были очень робкими, а их результаты в большинстве своем — неверными. Например, для испытания судна на ходу под парусами пользовались мехами, которые создавали «ветер». Теперь-то мы знаем, что испытания модели парусного судна производится в аэродинамических трубах.

В середине 18 века французские ученые проводили с моделями парусных кораблей опыты с более «научным» подходом. Это мероприятие проводилось на пруду, в одном месте которого была установлена мачта высотой около 23 м с одним роликом у топа и вторым на уровне воды. На противоположном конце озера ставили на воду модель парусного судна с прикрепленной к ней нитью, которую натягивали вдоль пруда и пропускали через оба ролика на мачте. На свободном конце нити прикреплялся груз, который, опускаясь, заставлял модель судна проходить путь длиной около 20 м. После того как модель судна опускалась на воду, она сначала двигалась с ускорением, а затем равномерно с установившейся скоростью. Судостроители рассуждали: если модель судна идет равномерно и при этом не тянет сила, равная весу груза, значит вода задерживает модель судна с силой, равной весу груза. Эту силу и назвали сопротивлением воды.

При таком способе испытаний, когда для всех моделей грузик оставался одним и тем же, сопротивление всех моделей судов было одинаковым: оно равнялось весу грузика а, значит, было известно заранее. Испытания же заключалось в том, что измеряли установившуюся после разгона скорость хода модели корабля. Понятно, что модель, обладающая обводами, имела наименьшее сопротивление, а значит и ее скорость тоже была наибольшей. Но как вычислить сопротивление и скорость корабля, зная сопротивление и скорость модели судна, как пересчитать сопротивление и скорость с модели в «натуру».

Этого еще никто не знал. Испытания моделей судов для сравнения между собой обводов и парусного вооружения производилось значительно позже, еще сто лет тому назад. В те годы в Англии конкурировали между собой несколько торговых компаний, ежегодно привозивших из Китая чай нового урожая. Чай доставлялся на специальных небольших, но достаточно быстроходных парусных кораблях — клиперах. Конечно, каждая компания хотела первой привезти свой чай, и клипер, пришедший из Китая первым, получал премию.

Каждая морская компания стремилась построить самое быстроходное судно, и каждая из них в секрете от других строила по различным проектам масштабные модели парусников и устраивала у морского побережья гонки небольших судов. Модель, показавшая лучшие результаты в скорости, считалась наилучшей, и по нему строилось парусное судно. Такие испытания помогали обнаруживать преимущества и недостатки различных обводов и парусного вооружения.

В конце 19 века уже много строилось и пароходов. При их проектировании требовалось знание мощности машины, которую было необходимо смонтировать на судно, чтобы оно могло преодолевать сопротивление воды и идти с заданной скоростью. Но для этого нужно было, прежде всего, знать сопротивление судна. Как определить сопротивление судна, даже если известно сопротивление модели судна, в то время этого еще никто не знал. Впервые такие расчеты произвел в 1870 году англичанин Вильям Фруд. Он нашел способ испытания моделей и пересчета их результатов с целью определения сопротивления корабля. Фруд предложил использовать для этого известный науке «закон механического подобия», который был выведен еще Ньютоном. Британское Адмиралтейство тщательно провело испытания модели и «натуры», и убедилось, что его метод дает достаточно точные результаты. С того времени судостроители получили мощное оружие — лаборатории, которые теперь называются опытовыми бассейнами. Сейчас во многих странах насчитывается около 1000 испытательных бассейнов.

Опытовый бассейн

Современные опытовые бассейны длиной от 20 до 1 200 м имеют очень точное и разнообразное оборудование, которое позволяет изучать на моделях все качества и поведение любого строящегося судна в различных условиях плавания. Теперь испытывают не только модели корпусов, но и модели гребных винтов, рулей, подводных крыльев. В бассейнах проверяют, как модель судна будет реагировать на качку под разными углами к волнам, измеряют гидродинамические силы на погруженных в телах и тому подобное. Но основными, самыми многочисленными испытаниями являются буксировочные испытания, определяющие величину сопротивления, с которым будет оказывать на будущее судно вода.

Хотя вопросами, связанными с изучением сопротивления судов, ученые занимаются уже много столетий, без испытания модели точно вычислить этот параметр невозможно. Это происходит потому, что сопротивление зависит от очень многих причин, учесть которые точно невозможно. Важнее всего учесть влияние на величину сопротивления формы корпуса (обводов).

Современный опытовый бассейн — это длинный, вырытый в земле бетонированный и заполненный водой котлован, закрытый стенами и крышей. Длина бассейна в 20-50 раз больше ширины, а глубина примерно вдвое меньше ширины. Вдоль каждого берега котлована прокладывается по одному рельсу. По этим двум рельсам над котлованом ходит большая, в несколько метров длиной, металлическая платформа на колесах, на которой во время испытания находятся исследователи. Эта платформа оборудована движущими ее электромоторами и измерительными приборами. В средней части пола этой платформы, называемой буксировочной тележкой, сделан вырез, над которым установлен динамометр (силомер) с рычагом, спускающимся к воде.

Испытательный бассейн Морского голландского исследовательского института ((Model basin Maritime Research Institute Netherlands)

Модель судна ставят на воду под вырез тележки и тросом прикрепляют к нижнему концу рычага. Когда буксировочная тележка с динамометром, а за ним и модель будет двигаться вдоль бассейна, динамометр покажет горизонтальную силу, с которой модель судна тянет его рычаг назад. Эта сила и есть сопротивление, которое встречает модель судна. Движению судна сопротивляется не только вода, но и воздух. Конечно, сопротивление воздуха гораздо меньше сопротивления воды (плотность воздуха в 800 раз меньше плотности воды). Оно имеет значение только при очень сильном встречном ветре или очень большой скорости хода судна.

Тестирование модели судна в испытательном бассейне

Буксировочная тележка может ходить с любой скоростью. На испытаниях измеряют сопротивление, начиная с самых малых скоростей и заканчивая самыми большими, какие только требуются. В результате буксировочного испытания получают диаграмму сопротивлении модели судна. Записав показания динамометра при всех скоростях, их откладывают на диаграмме кверху, против соответствующих делений горизонтальной шкалы скорости.

Бассейн для буксировочных испытаний (Towing tank )

Для буксировочных испытаний выполняют модель только корпуса, без палуб, надстроек b мачт. Но если требуется, то на днище корпуса ставят выступающие подводные части — гребные валы, поддерживающие их кронштейны, бортовые кили, а также рули. Модели корпусов делают из парафина с воском. Расплавленной смесью парафина с воском обливают грубо сделанный из дранок и фанеры каркас, помещенный вверх днищем в ящике; застывшую болванку с каркасом обрабатывают снаружи по лекалам.

Такие мореходные качества судна, как плавучесть, остойчивость и непотопляемость, в бассейнах почти никогда не определяют. Их очень точно вычисляют по теоретическому чертежу. При проектировании знаменитого ледокола «Ермак» для определения силы давления судна на лед и его дифферента пришлось сделать модель ледокола. Нос модели приподнимали над водой на небольшую высоту, измеряя прикладываемую для этого силу и создавшийся дифферент. Теперь такие испытания заменяют расчетами.

Масштабная модель судна с корпусом типа X-bow (Scale model)

Чтобы все измеренное и замеченное во время испытания масштабной модели можно было пересчитать на настоящее судно, надо модель корабля делать подобной «натуре». Все условия испытаний должны быть также подобными условиям плавания судна. Только тогда можно будет пользоваться законом механического подобия и по поведению модели судна с уверенностью сказать, как будет вести себя судно, какими будут его сопротивление, осадка, остойчивость, качка и все остальные качества. Если модель судна подобна «натуре», то она прежде всего подобна ей геометрически. А это значит, что все внешние линейные размеры ее корпуса по длине, ширине и высоте меньше, чем у судна, в одно и то же число раз. Если выбранное масштабное число равно, например 10 и, следовательно, масштаб модели равен 1:10, то все линейные размеры подобном модели судна должны быть в 10 раз меньше, чем у настоящего корабля.

Самый современный опытовый бассейн Ocean Basin at Haslar

Одним из самых современных испытательных полигонов является бассейн QinetiQ расположенный в городе Haslar имеет размеры 120 м на 60 м и глубину 5,5 м. Здесь проводят маневровые и сейсмологические испытания на масштабных моделях судов и морских сооружений. Опытовый полигон содержит 122 веслообразователя с электронным приводом, которые способны воссоздать любое состояние моря в модельном масштабе.

Воссоздание штормовых волн в испытательном бассейне для тестирования масштабной модели контейнеровоза

Все управление осуществляется дистанционно по беспроводной технологии. Встроенная авторизация данных позволяет регистрировать такие параметры, как качку, крен, угол направления руля и даже скорость на валу. Движения масштабной модели точно фиксируются благодаря системе Qualisys, состоящей из 19 камер инфракрасного излучения, которые предоставляют высококачественную информацию о характеристиках судна. Эта современная технология позволяет определять положения на 5 масштабных моделей судов одновременно с впечатляющей точностью 3 мм.