АСВП баллонетного типа для Арктики, Сибири и Дальнего Востока

Арктика является предметом исследований на протяжении столетий, и интерес к ней не ослабевает. В настоящее время это подтверждается существованием и открытием новых государственных, общественных, коммерческих организаций, программ, рабочих групп, которые занимаются проблемами Арктики. Для решения ряда транспортных задач в Арктике предлагаются амфибийные суда на воздушной подушке (АСВП). Эти суда способны работать над водой, льдом, сушей, что открывает возможность их эффективного применения в качестве универсальных транспортных средств различного назначения. АСВП имеют существенные преимущества по сравнению с другими видами транспорта, важнейшие из которых:

• Способность работать как на воде, так и над ледовыми и заснеженными поверхностями в районах обширных приливно-отливных зон и в условиях мелководья (рис.1);

• Отсутствие потребности в дорогостоящих портовых сооружениях и дноуглубительных работах (рис.2);

• Расширенный до 9-10 месяцев период навигации в Арктических районах (рис.3);

• Пригодность для перевозки крупногабаритных и тяжеловесных грузов (рис.4).

Положительный опыт применения АСВП в условиях северных широт имеется как у зарубежных, так и у отечественных компаний. Еще в 80-х годах прошлого столетия АСВП активно применялись при перевозке авиапассажиров через пролив Зунд в зимние периоды между копенгагенским аэропортом Каструп (Дания) и морским портом в г. Мальме (Швеция). В сложных метеорологических и путевых условиях на севере Канады АСВП успешно осуществляли рейсы по замене экипажей буровых платформ в море Бофорта, выполняли ряд грузовых перевозок между морскими платформами и береговыми базами, а также между портами на реке Макензи. В настоящее время отечественные АСВП успешно применяются на регулярных пассажирских линиях в Игарке, Анадыре, Якутске и Благовещенске. Конструкция гибкого ограждения (ГО) воздушной подушки (ВП) у АСВП является ключевой при рассмотрении вопросов применения АСВП в Арктике. Отработка ГО, как правило, осуществляется не только по результатам расчетов и модельных испытаний, но и в ходе практической эксплуатации натурных образцов в различных природноклиматических условиях[1]. Из большого многообразия известных конструктивных и аэродинамических схем ГО на АСВП применяются три вида:

• С гибким ресивером двухъярусное со съемными элементами, секционированное по схеме «крест» (классический тип);
• Камерные, двухъярусные, со съемными навесными элементами;
• Камерные, со скегами баллонетного типа с носовыми и кормовыми ГО.

У первых двух видов ГО ВП представляет собой тканевую оболочку, стремящуюся под воздействием внутреннего избыточного давления принять и сохранить устойчивую равновесную форму. В момент контакта с препятствием в деформирующемся участке ГО возникают перемещения, приводящие к податливости ГО, что существенно сказывается при ходе АСВП на волнении и по пересеченной местности. Взаимодействие с водной поверхностью у данных видов ГО играет немаловажную роль не только в курсовой устойчивости АСВП, но и снижении скорости хода на волнении, а также риска потери устойчивости движения вследствие затягивания и подлома ГО[2]. У третьего вида ГО внутри баллона сохраняется масса предварительно закаченного в баллон воздуха. Баллоны на АСВП формируются как скег и, одновременно с функцией собственно поддержания повышенного давления в воздушной подушке, обеспечивают плавучесть и остойчивость судна. При движении на ВП по воде и по пересеченной местности возникает необходимость поиска приемлемого компромисса между устойчивостью формы баллона и его податливостью. Такое состояние достигается путем изменения внутреннего давления в баллоне. Идея использования ГО баллонентного типа для высокоскоростных амфибийных судов принадлежит Р.Е.Алексееву. Под его руководством с 1976г. по 1980г. были разработаны и построены первые амфибийные суда с ГО баллонетного типа: СМ-9, СМ-10 «Волжанка» и «Волга-2». В последние годы особую популярность среди всего многообразия АСВП получили АСВП именно с ГО – баллонетного типа. Первые серийные АСВП с ГО баллонетного типа были созданы в Нижнем Новгороде в 1990-х годах. К настоящему времени в эксплуатации находятся около двух тысяч АСВП этого типа (рис.5). Интересно, что в настоящее время объемы производства и продаж АСВП с ГО баллонетного типа на порядок превосходят объемы АСВП с ГО классического типа

Причинами, обеспечивающими интенсивное развитие АСВП с ГО баллонетного типа, являются:

• Высокие ходовые и мореходные качества, амфибийные качества и характеристики устойчивости движения и управляемости;
• Повышенная безопасность на ходовых режимах;
• Высокий ресурс элементов ГО;
• Ремонтопригодность ГО, простота в обслуживании.

Для обеспечения создания флота АСВП с ГО баллонетного типа способного круглогодично выполнять транспортные задачи в Арктике компанией «Аэроход» целенаправленно ведутся системные НИОКР:

1. Аэрогидродинамика – созданы, верифицированы и используются в исследовательских и проектных работах «Цифровая аэродинамическая труба»[3] и «цифровой опытовый бассейн» [4].
2. Аэрогидроупругость — выполняется численное моделирование взаимодействия баллонетов с водной поверхностью в т.ч. в условиях морского волнения и с твердой поверхностью при движении по неровностям [5].
3. Динамика движения – созданы математические модели пространственного движения АСВП во всем диапазоне скоростей хода. Проводится моделирование динамики движения АСВП в условиях трехмерного нерегулярного морского волнения и приповерхностного турбулентного слоя атмосферы [6].
4. Прочность – отработаны численные методики определения внешних нагрузок на всех режимах движения АСВП [7] и проведения расчетов общей и местной прочности для оптимизации конструкции металлического корпуса, баллонетов и узлов их крепления к корпусу.

Научные результаты в этом направлении только за последние три года выразились в ряде статей, диссертаций [8], [9], патентов на изобретения [10], [11] и промышленные образцы [12] с последующей их проверкой в ходе специально проводимых экспериментальных работ и ходовых испытаний (рис.6), в том числе и в условиях Арктики [13].

Проведены сравнения результатов вычислительных экспериментов с результатами продувок моделей в аэродинамических трубах с полным моделированием в вычислительных экспериментах всех условий физического аэротрубного эксперимента. Результаты вычислительных и физических аэротрубных экспериментов хорошо согласуются. Важнейшим для практической околоэкранной аэродинамики результатом является выявление искажающих аэродинамические характеристики эффектов аэродинамической трубы, причем не только по числам Рейнольдса. Эти эффекты должны в обязательном порядке учитываться в прогнозировании аэродинамических характеристик на натуру и вычислительный аэродинамический эксперимент дает такие возможности. В целом применение разработанных суперкомпьютерных технологий в проектных работах позволило резко снизить временные и финансовые затраты на отработку аэрогидродинамической компоновки и конструктивно-силовой схемы. По практике выполнения НИОКР время отработки сокращается не менее чем в два раза, а финансовые затраты на отработку — в три и более раз. Крайне важно, что вычислительный эксперимент дает более точный прогноз на натуру, чем традиционный модельный физический эксперимент и в гораздо меньшей степени подвержен влиянию субъективных факторов, столь часто имеющих место в модельных испытаниях. Использование суперкомпьютерных технологий позволило выйти на качественно новый уровень в поиске технических решений для повышения ходовых, амфибийных, мореходных, ресурсных качеств АСВП.

Из полученного опыта и решаемых в настоящее время задач у компании «Аэроход» сложилась следующая проектная концепция по АСВП для Арктики:

1. Применение оригинальной геометрии и аэрогидродинамической схемы двухъярусного ГО баллонетного типа.
2. Использование в конструкции ГО специально созданных полиуретанотканевых материалов.
3. Формирование силовой установки на базе серийно выпускаемых дизельных двигателей и трансмиссии с плоскозубчатыми ремнями.
4. Использование оптимизированных в составе АСВП движительных и подъемных комплексов.

Данная концепция послужила основой при разработке ряда проектов АСВП грузоподъемностью от 1,5 до 60 тонн. АСВП этих проектов имеют высокую экономическую эффективность (за счет предельного уменьшения строительной стоимости и расходов на эксплуатацию) и способны органично вписаться в действующую транспортную систему Севера и Севера-Востока России.

Технико-экономические исследования пассажирских перевозок на Севере и в Сибири показывают целесообразность создания нового типа АСВП – АСВП с аэродинамической разгрузкой (АР). Это двухрежимное скоростное амфибийное судно для всесезонных пассажирских перевозок на магистральных сибирских и дальневосточных реках.

Судно имеет возможность крейсерского движения как на скоростях движения 50-90 км/час (первый основной режим), так и, за счет аэродинамической разгрузки и трансформации гибкого ограждения, на скоростях 200-300 км/час (второй основной режим). Такое судно будет способно решать скоростную транспортную задачу на плечах порядка 2000 км на реках Сибири и Дальнего Востока (рис.7). Технический уровень поставленных задач требует ведения комплексной работы как на уровне исследований, так и на уровне проектных разработок, включающих в себя принципиальные вопросы амфибийного скоростного судостроения – вопросы выбора и разработки аэрогидродинамической компоновки, схемы, материалов и конструкции гибкого ограждения, конструктивно-силовой схемы корпуса, силовой установки и трансмиссии.

В настоящее время реализуется комплексный проект по созданию АСВП для районов Крайнего Севера. Главными целями проекта является:

1. Создание и отработка «прорывных» технических решений при проектировании АСВП с ГО баллонетного типа;
2. Создание головных образцов и организация серийного строительства АСВП;
   Рис. 7. Проект АСВП с АР для внутренних водных
   путей и морских прибрежных перевозок.
3. Подготовка персонала специализированных судоходных компаний и органи-зация сервисного обслуживания в обеспечение эксплуатации АСВП в регионах Севера, Сибири и Дальнего Востока.

Создание головных образцов, организация серийного строительства АСВП и сервисного обслуживания рассматривается как комплексная задача для группы предприятий. Судостроительные компании, имеющие специализированные производственные мощности, являются основой в реализации создания и серийного строительства АСВП. Это действующие судостроительные предприятия как в центральной части России так и предприятия, входящие в состав производственных мощностей гражданского судостроения в Дальневосточном федеральном округе. Правильно выстроенная межпроизводственная кооперация между предприятиями позволит существенно сократить сроки начала экс-плуатации АСВП в районах Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока.

В настоящее время в России в области высокоскоростных амфибийных судов есть перспективные разработки, передовые технологии и производственные возможности, позволяющие в короткие сроки выйти на эффективные решения транспортных задач в Арктике, Сибири и на Дальнем Востоке.

Литература

1. Тютин Д.В. Челюскину и не снилось!, журнал «Полный привод 4х4», сен-тябрь 2013г.
2. Короткин И.М. Аварии судов на воздушной подушке и подводных крыльях. — Л.: Судостроение, 1981г.
3. Кальясов П.С., Шабаров В.В. Применение методов вычислительного эксперимента для исследования аэрогидродинамики несущего комплекса амфибийных судов на воздушной подушке баллонетного типа // Сборник докладов IX международной научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон-2012». — 2012. — Сентябрь 7-8 Часть I.- С.223-228.
4. Кальясов П.С., Февральских А.В., Шабаров В.В. Математическое моделирование аэрогидродинамики амфибийного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой на режиме хода на воздушной подушке // Межвузовский сборник «Проблемы прочности и пластичности». — №76(3).
5. Туманин А.В., Кальясов П.С., Шабаров В.В. Моделирование аэрогидроупругого взаимодействия гибкого ограждения судна на воздушной подушке с водными и воздушными потоками // Сборник докладов IX международной научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон-2012». — 2012. — Сентябрь 7-8 Часть I.- С.229-235.
6. Туманин А.В., Шабаров В.В. Численное исследование динамики движения амфибийного судна на воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа на водной поверхности // Межвузовский сборник «Проблемы прочности и пластичности». — №76(3).
7. Кудин М.В., Туманин А.В. Проблемы нормирования внешних нагрузок, действующих на амфибийных судах на воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа // Труды 15-го международного научно-промышленного форума «Великие реки- 2013».- Нижний Новгород, Из-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2013.
8. Кальясов П.С. Применение методов вычислительного эксперимента для исследования аэрогидродинамики компоновки амфибийных судов на воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа: Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук / Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. Нижний Новгород, 2011.
9. Туманин А.В. Моделирование статики и динамики гибкого ограждения баллонетного типа амфибийного судна на воздушной подушке: Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук / Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. Нижний Новгород, 2012.
10. Патент РФ на изобретение №2066644. Летательный аппарат на воздушной подушке / Дербенев С.Г. Заявка № 93053065.
11. Патент РФ на изобретение №2097231. Судно на воздушной подушке / Дер-бенев, С.Г., Якимов К.А. Заявка № 96109574.
12. Патент РФ на промышленный образец №85477. Судно амфибийное на воздушной подушке / Дербенев С.Г. Заявка № 2011503516.
13. Шабаров В.В. Протоколы испытаний самоходной модели по программам мореходных, амфибийных и ресурсных испытаний в различных эксплуатационных усло-виях // Отчет по НИР «Разработка проектных технологий гидроаэродинамики в обеспечение создания СВП с ГО баллонетного типа», этап 4, Шифр «Амфибия-Б», ООО СК «Аэроход», 2013г.