Технология воздушной каверны

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.

Справка — «каверна» в переводе с английского языка означает «полость».

патрульный катер на газовой каверне проекта «Сайгак»

патрульный катер на воздушной каверне проекта «Сокжой»

Повторюсь, что в основу принципа движения судна на газовой каверне проекта 14081 легла технология создания под днищем патрульного катера искусственной воздушной прослойки, которая изолирует большую часть корпуса от контакта с водной поверхностью, чем достигается существенное уменьшение сопротивления и обеспечиваются высокие скоростные характеристики. Благодаря такой конструкции судно на воздушной каверне получило прекрасную проходимость по мелководью, и как следствие возможностью посадки (высадки) людей на необорудованном берегу.

судно на воздушной каверне для малых рек проекта «Линда»

Первым серийным судном на воздушной каверне стал быстроходный пассажирский теплоход для малых рек проекта «Линда». Строительство экономичных, за счет уникального динамического принципа поддержания, речных судов началось в 1993 году. Обладая низкой осадкой всего 95 см, и малым уровнем вибрации и шума, катера прекрасно зарекомендовали себя на многочисленных реках России. Пассажирское судно на воздушной каверне «Линда» имело полное водоизмещение 25 тонн при посадке 70 пассажиров, длину корпуса 24 м, ширину 4 м и развивало скорость хода до 60 км в час, благодаря силовой установке мощностью 1000 л.с.

десантный катер на воздушной каверне проекта 11770 «Серна»

С 2004 года в ЦКБ по судам на подводных крыльях имени Р. Е. Алексеева началась разработка проекта десантного катера для военно-морского флота Российской Федерации. Вскоре в феврале 2006 года был заложен первый серийный десантный катер на воздушной каверне проекта 11770 шифр «Серна».

Основным предназначением катера является доставка на не оборудованное побережье, а также снятие с него военной гусеничной, колесной и другой техники общей массой до 45 тонн. Кроме того военное судно способно перевозить передовые подразделения десанта с полной экипировкой численностью 92 человека, либо 50 тонн различных грузов.

Катер на воздушной каверне проекта 11770 «Серна» обладает полным водоизмещением 99,7 тонн, имеет длину корпуса 25,6 м, ширину 5,8 м и осадку 1,5 м. Силовая установка в составе двух дизелей типа М-503А-3 мощностью по 3300 л.с. позволяет развивать скорость хода до 30 узлов. Еще одной особенностью катера на воздушной каверне проекта «Серна» является оригинальный движитель. Вместо типичных гребных винтов десантный катер оборудован новым типом водометного движителя, лопасти рабочего колеса которого, способны работать при непрерывном поступлении воздуха в гидравлическое сечение движителя. Данная система получила название «вентилируемый водометный движитель». В отличие от обычного водомета данное устройство не имеет спрямляющего аппарата и сопла, формирующего струю.

малый десантный корабль на воздушной каверне проекта 21820 «Дюгонь»

Развитием десантного катера проекта «Серна» можно считать малый десантный корабль на воздушной каверне проекта 21820 шифр «Дюгонь», который также разработан Нижегородским ЦКБ. Из обозначенного названия видно, что данное судно имеет иные тактико-технические характеристики, чем его предшественник, хотя и предназначен для выполнения тех же функций.

Малый десантный корабль на воздушной каверне проекта «Дюгонь» имеет полное водоизмещение 230 тонн, длину корпуса 45 м, ширину 7,6 м, и осадку 2,2 метра. Оснащенный газотурбинным двигателем типа М-70 ФРУ мощностью 18 тысяч л.с. десантный корабль способен транспортировать три танка или пять бронетранспортеров или 140 тонн грузов со скоростью до 50 узлов.

Как уже было неоднократно сказано, технология воздушной каверны позволяет не только увеличить скорость судна, но и снизить расход топлива как минимум на 15 процентов. Кроме того, научно доказано, что данная система применима практически для любого типа судна — от контейнеровоза до танкера. Конечно же, внимательный читатель спросит, а возможно ли создать такой объем избыточного давления под днищем тяжелого грузового судна? Однако он будет приятно удивлен, обнаружив, что дело вовсе не в количестве сжатого воздуха. Наоборот, для больших кораблей, имеющих большую площадь корпуса, потребность в количестве воздуха для поддержания воздушной смазки небольшая, или другими словами прямо пропорциональна. Чтобы понять это давайте рассмотрим как достигается тот самый эффект воздушной каверны.

Для создания явления воздушной каверны, необходима определенная геометрия днища, выполненная в виде небольшого углубления. Благодаря потоку воздуха, который подается через отверстия, в углублении создается воздушный карман, который в свою очередь и играет роль воздушной смазки, уменьшая гидродинамическое сопротивление. Однако у этого способа движения имеется один значительный недостаток. Суда на воздушной каверне обладают невысокой мореходностью, по причине имеющейся тенденции к «смыванию» образовавшегося воздушного слоя. В то же время важным преимуществом перед судами на воздушной подушке является то, что нет необходимости в непрерывной подаче сжатого воздуха для эффективной работы системы.

Таким образом, потребность в воздухе, необходимого для поддержания воздушной смазки судна на воздушной каверне примерно в 10 раз меньше, чем на кораблях на воздушной подушке. Выходит, данные суда являются более экономичными плавсредствами.

прототипная модель судна «Stena Airmax»

В перспективе идея уменьшения сопротивления способом применения воздушной каверны была бы особенно полезна для тихоходных грузовых судов и нефтеналивных танкеров. Именно поэтому известная шведская судоходная компания «Stena Bulk» инициировала вложение 50 миллионов шведских крон в 2005 году на разработку концепции грузового судна на воздушной каверне проекта «Stena E-MAXair» в надежде на радикальное сокращение расхода топлива на своих судах на 20-30 процентов. Однако прежде чем запустить в работу полномасштабный проект судна дочерняя фирма «Stena Teknik» в сотрудничестве с Технологическим университетом Чалмерса в Гетеборге в 2010 году на западном побережье Швеции провела испытания прототипной модели судна «Stena Airmax», выполненной в масштабе 1:12. Получив успешные результаты тестов на 15-метровой модели судна, шведские судостроители уже в ближайшее время должны приступить к строительству полноразмерного судна «Stena Prospect» весом 65 тысяч тонн и длиной корпуса 182 метра. Единственное, что пока замедляет процесс реализации проекта, это возникающее явление, которое усложняет положительный эффект движения судна. Он включает в себя внутреннее формирование волн в воздушной полости днища корпуса. Однако выходом в данной ситуации является сбалансированная подача воздуха для оптимизации давления.

грузовое судно на воздушной каверне «Stena Prospect», проект