История корабельной гидродинамики в опытовом бассейне

Эсминец «Выдержанный».

Возникшая тысячелетия назад корабельная гидродинамика трудами многочисленных ученых превратилась в эффективный теоретический аппарат, позволяющий успешно прогнозировать характеристики корабля. Однако к концу XIX столетия теоретические методы оказались недостаточно эффективными и потребовалось привлечение данных экспериментальных исследований для уточнения результатов, полученных расчетом. Именно поэтому, следуя идеям отца и сына Фруда (Англия), Давида Тейлора (США) и Эмиля Бертена (Франция), во многих странах начали создаваться опытовые бассейны. Главная задача, которая ставилась перед этими экспериментальными установками, – определение сопротивления движению корпуса судна. Эти бассейны стали основой для последующего создания научно-исследовательских центров в различных странах.

Долгая предыстория

Базой для создания такого научно-исследовательского центра в России, ЦНИИ им. А.Н. Крылова, послужил опытовый бассейн, построенный в Санкт-Петербурге. Его ввели в строй в 1895 году. Этот бассейн, длиной 122 м, стал третьим в Европе и пятым в мире. В связи с общим подъемом судостроения в России, начавшимся в 1908–1912 годы, и утверждением большой судостроительной программы, оборудование бассейна непрерывно модернизировалось. Директором бассейна был назначен Иван Григорьевич Бубнов. Тем не менее в связи с увеличением скоростей хода строящихся кораблей возможности бассейна оставались недостаточными.

Именно поэтому в 1916–1917 годах началось проектирование более крупного бассейна, который должен был стать основой для создания предполагаемого комплексного научно-исследовательского института. В середине 1917 года проект лабораторной базы был закончен и одобрен как выдающимися русскими корабельными инженерами и учеными А.Н. Крыловым и И.Г. Бубновым, так и Военным министерством. Строительство намечалось на Марсовом поле.

Однако произошедшие революционные события и последующая Гражданская война отложили проведение этих работ на неопределенный срок. К созданию большого научно-исследовательского института в нашей стране появилась возможность обратиться лишь через много лет в связи с развертыванием советского судостроения.

В конце 1928 года профессором В.Л. Поздюниным были разработаны задания на проектирование опытового бассейна для ведения работ в интересах коммерческого судостроения. В 1930 году А.В. Алякринский, после возвращения его из командировки в Германию, отметил необходимость выбора элементов бассейна, позволяющих проведение испытаний, необходимых для обеспечения нужд военного кораблестроения. Командировка Алякринского в Германию дала еще один результат – была заказана кавитационная труба, которая вскоре была установлена вблизи действующего опытового бассейна. В 1933 году было создано специальное управление строительства бассейнов во главе с К.В. Камешковым.

В 1934 году были начаты подготовительные работы на участке в районе Средней Рогатки. Тем не менее в начале 1935 года запиской заместителя председателя ВСНХ Пятакова строительство было законсервировано, а выбранная площадка заброшена. Однако в результате настойчивых представлений в правительство 27 марта 1936 года было принято решение о возобновлении строительства. К началу 1941 года был выполнен большой объем работ по строительству бассейнов, так что на конец года намечалось начало пусконаладочных работ.

Но начавшаяся Великая Отечественная война привела не только к консервации строительства, но и повреждению построенного и к утрате приобретенного оборудования. Сотрудники института и персонал бассейна были эвакуированы в Казань. Опытовый бассейн в Ленинграде практически прекратил работу.

На пути к «Большому ЦНИИ»

В 1945 году, после победы, ЦНИИ им. А.Н. Крылова был реэвакуирован в Ленинград и вновь разместился на площадке, окружающей опытовый бассейн. При этом был сразу поставлен вопрос о необходимости возобновления нового строительства. Руководителями строительства 

Военный корабль 56-го проекта.

Г.В. Артюхиным и Н.В. Кривцовым с участием ведущих специалистов были пересмотрены основные характеристики и оснащение бассейнов. В результате были уточнены размеры двух строящихся бассейнов – глубоководного и мелководного – и продолжено их строительство. С учетом этих обстоятельств были развернуты строительные работы и изготовлено оборудование лабораторий.

В этот период на основе подразделений гидромеханики, расположенных на старой площадке, было сформировано три отдела – ходкости (И.В. Гирс), мореходности (Г.А. Фирсов) и движителей. Восстановительные и строительные работы на Средней Рогатке продвигались, и в конце 1950 года бассейны были в значительной мере подготовлены для наладочных работ. Именно поэтому в 1951 году подразделения гидродинамики в основном перебазировались на новую площадку, где был создан специальный отдел во главе с Ю.Н. Прищемихиным для наладки бассейнов.

В это же время произошло важное организационное событие. Институт был разделен на три самостоятельных института – Гидромеханики и прочности, Механический и Электротехнический.

Глубоководный и мелководный бассейны вошли в строй в 1952 году. Глубоководный имел длину 672 м, ширину – 15 м и глубину 7 м. Мелководный бассейн: длина – 218 м, ширина – 16 м; глубина регулировалась от нулевой до максимальной, которая определялась высотой бортов. Максимальные скорости буксировки составляли: 10 м/сек. в глубоководном бассейне и 6 м/сек. для мелководного. Вскоре после пуска новых бассейнов со старой площадки на Среднюю Рогатку была перебазирована кавитационная труба.

К моменту пуска основных опытовых бассейнов – глубоководного и мелководного – приступили к проектированию «Большого ЦНИИ», включающего, в частности, ряд гидродинамических лабораторий. Новые границы территории института планировались таким образом, что ее площадь возрастала примерно в шесть раз.

Переезд на Среднюю Рогатку совпал с развертыванием работ по созданию нового поколения кораблей ВМФ, в котором гидромеханики института приняли активное участие. В частности, в обеспечение отработки и расчетов ходкости тяжелого крейсера (проект 82) и эскадренного миноносца (проект 41) были построены катера-модели, которые прошли всесторонние испытания в Севастопольской бухте.

Быстрый ход

Для уточнения эксплуатационных характеристик быстроходных кораблей на Севере В.И. Першиным были проведены мореходные испытания в условиях волнения эскадренного миноносца старой постройки (проект 30), которые дали ценный материал для выбора обводов кораблей последующих лет постройки.

В процессе создания быстроходных кораблей возникли серьезные трудности в части обеспечения заданной скорости хода. Дело в том, что на основе существующей кавитационной трубы нельзя было исследовать кавитационное взаимодействие движителей с корпусом корабля. Решение этого круга проблем осуществлялось коллективом в составе И.Я. Миниовича, А.Е. Рузанова и А.А. Русецкого, причем были созданы методы, позволившие надежно прогнозировать характеристики кораблей последующих лет постройки. В частности, эти проблемы привели к созданию в составе института трех новых установок: средней и большой кавитационных труб, а также кавитационного бассейна.

В составе флота предполагалось участие быстроходных судов с динамическими принципами поддержания. Первоначально для выполнения работ по этому направлению был создан во главе с профессорами И.Т. Егоровым и Ю.М. Садовниковым отдел ходкости скоростных катеров. Во второй половине 60-х годов развернулись работы по созданию кораблей с динамическими принципами поддержания (корабли на подводных крыльях, суда на воздушной подушке, экранопланы). А.В. Вознесенский, который к этому времени стал директором института, создал специализированное отделение гидродинамики во главе с А.А. Русецким, в котором ведущую роль играли А.Ш. Афремов, В.Н. Трещевский, Л.Д. Волков и М.А. Мавлюдов. Это подразделение сыграло решающую роль в создании экранопланов различных типов, обеспечило проектирование самых больших в мире и самых быстроходных кораблей на подводных крыльях.

Для обеспечения этих исследований в институте были введены в строй аэродинамическая труба, мореходный бассейн и высокоскоростной циркуляционный бассейн. Наряду с участием в отработке надводных кораблей ВМФ проводились обширные исследования в области гидродинамики подводных лодок, включая разработку методов проектирования малошумных движителей. Проведение этих исследований дало возможность создания эффективных подлодок (ПЛ), и в первую очередь атомных подводных лодок с низким уровнем подводной шумности.

Загрузка гидромеханических подразделений института в этот период была обусловлена главным образом интересами Военно-морского флота. Работы по обеспечению проектирования транспортных судов носили эпизодический характер.

Тише воды

После распада СССР произошло резкое сокращение объемов госзаказов в области гидромеханики как боевых кораблей, так и гражданских судов. Это привело к резкому падению объема исследований как в практическом проектировании, так и направленных на решение общенаучных задач. Ситуация усугублялась тем, что за рубежом в эти годы бурно развивалась компьютерная гидродинамика, требующая исследователей со специальной подготовкой, привлечение которых в условиях мизерных объемов финансирования было практически невозможно.

Гидродинамика всех военных кораблей, включая подводные лодки, отрабатывалась в опытовом бассейне Крыловского центра. Фото из архива автора

В этот период основной упор был сделан на обобщение результатов ранее проведенных опытов и материалов натурных испытаний подводных лодок. В результате были оформлены экспериментально-теоретические методы прогнозирования различных видов шумов, обусловленных работой движителей, и выявлено влияние геометрических элементов движителей и их расположения на корпусе. Были также созданы методы проектирования движителей, обеспечивающих минимальный уровень шумности. В итоге удалось создать методы прогнозирования пропульсивных (ходовых) качеств ПЛ на ранних стадиях проектирования. Создана физико-математическая модель комплекса «корпус–ПЛ–движитель». При этом ПЛ являлись практически единственным классом боевых кораблей, которые проектировались и строились и для которых проводились эксперименты, причем потребовалось совершенствование экспериментальной базы. Вообще надо заметить, что только проектов подводных лодок различного назначения через стенды и бассейны Крыловского центра прошло около 300.

Из числа новых работ, выполненных в этот период, следует отметить изучение характеристик транспортных подводных лодок. По некоторым оценкам, потребность в таких транспортных средствах существует для северных районов России.

Необходимо также отметить проведение исследований водометных движителей для ПЛ. Применительно к надводным кораблям и судам транспортного флота были проведены исследования угловых движительных колонок, что позволило организовать их производство в нашей стране.

Малый объем финансирования вынудил институт выполнять работы для иностранных заказчиков. Среди выдающихся работ этого направления следует отметить создание и испытание большой кавитационной трубы для Индии.

Преобразование ЦНИИ им. Академика А.Н. Крылова в Крыловский государственный научный центр осенью 2014 года и последующая смена руководства привели к коренному изменению планирования и организации выполнения всех категорий исследовательских работ. Прежде всего эти изменения коснулись системы планирования стоящих перед центром задач с включением в них работ, охватывающих все типы кораблей и судов.

Основной целью проектирования гражданских судов является обеспечение безопасности человеческой жизни при эксплуатации как транспортных судов, так и судов, осуществляющих добычу полезных ископаемых. При этом должны быть обеспечены экологическая безопасность (снижены выбросы в атмосферу СО2, NO6 и SO5) и высокий уровень экономичности при эксплуатации. Одновременно следует снизить шумовое воздействие судна на окружающую среду. В долгосрочной перспективе, наряду с отмеченными выше работами, должна быть выполнена корректировка технологий повышения ходовых характеристик. Это прежде всего касается рыболовных судов.

Объем программ исследований в интересах военного кораблестроения включает как требования, обеспечивающие создание совершенных подводных лодок и надводных кораблей, так и повышение эффективности установленных на них орудий и средств защиты от оружия. Применительно к подводным лодкам основной целью всех этапов работ является снижение уровня генерируемого ими подводного шума. Для достижения этой цели предполагается получение информации о физической природе шумоизлучения движителей, направленности их излучения, а также шумах подводной лодки в процессе маневрирования. Все эти вопросы связаны с работами движителей как полного, так и малого хода.

Поскольку одним из основных источников шума является кавитация корпуса и движителей, исследование кавитации – один из основных пунктов планируемых работ. Наряду с кавитацией все составляющие акустического излучения подвержены масштабному эффекту, который также подлежит изучению.

Значительное внимание наряду со снижением шумности должно уделяться повышению эффективности средств противолодочной обороны не только за счет снижения собственной шумности лодки, но и за счет применения активных средств противоторпедной обороны.

В целом реализация перспективного плана работ Крыловского центра – эффективное средство повышения обороноспособности государства и его экономических показателей. Таким образом, формирование этого принципиально нового плана является важной заслугой действующего руководства центра, а его выполнение – важнейшей задачей.