Конструкторы и дизайнеры
Джеффри Боулс — об особенностях проектирования скоростных яхт
Джеффри Боулс — директор конструкторского бюро Donald L. Blount and Associates
Конструкторы и дизайнеры

Джеффри Боулс — об особенностях проектирования скоростных яхт

Джеффри Боулс — директор конструкторского бюро Donald L. Blount and Associates
Следующая статья

Дайджест новостей 18-24 октября

Предыдущая статья

Multiplex: карбоновые "штучки" для яхт

Конструкторское бюро Donald L. Blount and Associates (DLBA, США) основано в 1988 году, а в 2015-м его приобрела компания Gibbs & Cox, которая проектирует крупные корабли для ВМС. Однако DLBA продолжает работать в своей привычной нише и специализируется на сравнительно небольших высокоскоростных судах и прогулочных яхтах, закрывая этот рынок для Gibbs & Cox. В перечень услуг DLBA входят инженерные изыскания, функциональное проектирование и консультации, но если речь идет о технически сложных случаях, то специалисты компании сопровождают процесс строительства, участвуют в ходовых испытаниях и оценке качеств готового судна.

Спроектированные DLBA лодки строятся преимущественно на американских верфях, но компания работает и за пределами США. Так, например, за экспертизой к ней обращались Horizon Yachts и Baglietto, а также частные клиенты, чьи лодки строились в Европе. О философии работы и необычных проектах DLBA нам рассказал директор бюро Джеффри Боулс.

Яхтенная индустрия взяла курс на экологию: снижение скорости, экономию топлива и уменьшение вредных выбросов, — а вы в это время проектируете лодку, способную развивать 100 узлов. Намеренно идете против течения?

Мы прежде всего — группа технических специалистов и фокусируемся на технических аспектах проекта, что позволяет нам прекрасно работать в составе Gibbs & Cox, ведь флот требует унификации. Подобная дисциплина, помноженная на наш инженерный опыт, позволяет переносить найденные решения на прогулочные суда, что мы и делаем.

Концепт «стоузловой» яхты мы разработали некоторое время назад в качестве обучающего инструмента для демонстрации наших знаний и возможностей, а также нашего взгляда на подобные лодки. Результатом этого проекта стали несколько научных публикаций о том, как определить оптимальные размерения судна и набор корпуса, как выбрать наиболее подходящую пропульсивную систему и как быстро подтвердить правильность расчетов. А чем можно привлечь внимание яхтенной индустрии к таким аспектам? Например, анонсировать яхту, способную разгоняться до 100 узлов, чтобы люди воскликнули: «Вот это да!».

Я согласен с тем, что в наше время строить такую лодку было бы не совсем правильно. Более того, может быть, ее вообще не нужно строить, но факт остается фактом: технологии и понятные методики проектирования таких судов существуют и описаны в серии наших научных работ.

Основные «ресурсы» скорости — мощность (больше) и вес (меньше). Можно ли говорить о конкретных их долях в среднем?

Я бы сказал, что для достижения высоких скоростей мощность важнее веса, хотя постоянно приходится снижать массу конструкции и загрузку лодки. Мы часто шутим, что если иметь достаточный запас лошадиных сил, то можно и кирпич заставить глиссировать на ста узлах: теоретически это реально, но не практично. Когда мы говорим о скоростях более 50 узлов, то понимаем, что на большинстве таких яхт будут стоять газовые турбины, способные выдать достаточную мощность без перетяжеления пропульсивной системы.

Вы упоминаете о том, что просчитывали эту лодку в разных материалах. Можно ли вычислить коэффициент, позволяющий быстро оценить разницу в требуемой мощности для судна с карбоновым, стеклопластиковым, легкосплавным и стальным корпусом?

Хороший вопрос… Сразу скажу, что про сталь можно забыть, так как вес корпуса будет слишком велик для достижения такой скорости, и сравнивать эти материалы в таком аспекте нельзя. Композиты в этом смысле гораздо ближе к алюминиевому сплаву, и, по самой общей оценке, я бы сказал, что переход от легкосплавной конструкции к полностью карбоновой позволит сэкономить 10−15% общего веса. Другой интересный факт заключается в том, что у быстроходных яхт на корпус и надстройку приходится порядка четверти от общего веса судна. То есть если у вас есть алюминиевое судно весом 100 т, то его корпус и надстройка весят 25 т, и если сделать их из карбона, экономия составит всего 2,5−3 т.

Концепт 45-метровой скоростной яхты-эксплорера

Когда мы смотрим на графики расчетных динамических характеристик, то можем составить на их основе матрицы мощности, скорости и веса, которые значительно облегчают взаимодействие с клиентами. Конечно, эти цифры довольно общие, зато понятные: если заказчик поставил задачу получить максимальную скорость 60 узлов, а потом захочет добавить, скажем, джакузи или поставить на корму тяжелый тендер, мы обращаемся к матрице и говорим, что, например, в его случае за каждые две дополнительные тонны придется заплатить одним узлом скорости.

Какими методами и инструментами вы пользуетесь, проектируя судно?

Мы всегда начинаем с наработанных методов и опираемся на существующие правила для быстроходных судов, которые есть, например, у регистров ABS и DNV GL. Естественно, мы проецируем на них собственный опыт и делаем поправку на технологические возможности верфи, где предполагается строить судно. Если мы работаем над новым уникальным проектом или пытаемся уменьшить вес судна, то задействуем инструменты анализа методом конечных элементов (FEA), где, как и в инструментах вычислительной гидродинамики (CFD), используется детальная математическая модель. С их помощью мы применяем различные нагрузки, чтобы оценить влияние последних на конструкцию. Инструменты CFD также очень помогают сравнивать разные варианты конструкции.

Когда мы проектируем корпус с нуля, то задействуем нашу базу данных с многочисленными результатами ходовых испытаний предыдущих проектов. Если требования к скорости очень жесткие, то проводим испытания масштабных моделей в опытовом бассейне в Швеции, Нидерландах или США. Там мы оцениваем характер брызгообразования, положение корпуса, килевую качку, влияние изменения положения центра тяжести на сопротивление. Масштабная модель — инструмент очень информативный, и мы всегда используем его для лодок 50+ узлов, а если судно достаточно крупное, то рекомендуем бассейн и для меньших скоростей.

Традиционное моделирование по Фруду позволяет аппроксимировать результаты для верхнего диапазона скоростей, которые не развить в бассейне, из-за того что тележка с моделью не может двигаться сколь угодно быстро. Когда мы работали над «стоузловой» лодкой, то поставили задачу определить размерения и вес судна, при которых на 100 узлах число Фруда (критерий подобия) равнялось бы 6.0, поскольку это позволило бы нам опереться на весь объем существующих данных для лодочных корпусов и гарантировать, что судно поедет так, как ожидается. Испытания модели при этом проходят на скорости порядка 10−15 м/с (19−29 узлов), после чего применяется экстраполяция.

Сильно ли, на ваш взгляд, различаются американская и европейская инженерные школы?

Я всегда увлекался маломерными судами и яхтами, но окончил Webb Institute в Нью-Йорке, где обучают конструкторов военных и коммерческих судов. Затем я поехал учиться в магистратуру в университет Ньюкасла, где провел целый год, поэтому могу сравнивать школы по обе стороны Атлантики. На моем курсе было 55 студентов: один из Англии, один из Норвегии, я из США, три иранца и 49 (!) греков, как будто я оказался в Афинах или на Миконосе! Было классно, хотя стиль преподавания и взаимодействия с профессорами отличался. Кроме того, британцы любят опираться на исследования своих институтов и публикации соотечественников, что нормально, так как в США мы тоже опираемся прежде всего на американских авторов. Но в итоге все приобретают примерно одинаковые навыки, хотя в работе могут пользоваться разными методиками.

Если допустить, что на сверхвысоких скоростях будет доминировать сопротивление выступающих частей, то остается уповать только на водометы. Это так?

Да, уже на скорости 40−50 узлов гребные валы и колонки начинают уступать водометам, и сравнительно крупному судну с обычными гребными винтами очень непросто преодолеть порог 50 узлов из-за кавитации винтов и выступающих частей. Другое дело — приводы Арнесона: они позволяют развивать 70 узлов. Еще одна проблема связана с диаметром винтов: винты не могут передавать мощность так же хорошо, как водометы. Если, например, вы хотите снять с двигателей 5000 кВт, то потребуются винты диаметром около 2 м (в какой-то момент они начнут выходить за габариты корпуса!), тогда как диаметр импеллера водомета для такой мощности будет в два раза меньше. Кроме того, на таких скоростях у корпуса без выступающих частей на собственную волну и брызги приходится меньшая часть в общем сопротивлении, тогда как основную составляет сопротивление трения корпуса о воду.

На эскизах лодки видно крыло, закрепленное на надстройке. Это элемент дизайна, или вы действительно используете аэродинамическую разгрузку?

В данном случае это лишь стилистический элемент. Лодка, в отличие от автомобиля и самолета, движется в двух средах и «живет» между двумя мирами. Но так как вода в 800 раз плотнее воздуха, именно она все и определяет. Преимущества подъемной силы крыла на воде можно использовать только у гидропланов и в какой-то степени у гоночных катамаранов с газовыми турбинами, где крылом выступает центральная часть корпуса, тогда как у обычных лодок, которые остаются в пределах 70 узлов, ею можно пренебречь. Тем не менее, чтобы убедиться в том, что открытые зоны на борту обитаемы на высоких скоростях, нужно обращать внимание на качество аэродинамического потока. Мы оцениваем его как путем компьютерного моделирования, так и с помощью испытаний в аэродинамической трубе.

Помимо прочности, для быстроходной лодки важны такие факторы, как, например, устойчивость движения. Как вы ее обеспечиваете?

Мы не используем поперечные реданы, так как на сравнительно крупных яхтах загрузка, а значит вес и центр тяжести, могут существенно изменяться, например, в связи с бункеровкой, и это сильно сказывается на таких корпусах. Поскольку у нас есть большая база данных модельных испытаний как на гладкой воде, так и с волной, мы можем довольно точно предсказывать характеристики мореходности. Важно помнить, что в совокупности действующих на днище сил присутствует существенная динамическая составляющая. Вспомните гоночные автомобили 1930-х годов: они были мощными и быстрыми, но динамической нагрузки у них было мало, тогда как у болидов «Формулы‑1» нашего времени спереди и сзади установлены крылья-спойлеры, призванные создавать аэродинамическую силу и прижимать автомобиль к дорожному полотну. На высоких скоростях она почти равна весу машины, то есть динамическая компонента составляет по меньшей мере половину общих сил. На высокоскоростной яхте при глиссировании действует гидродинамическая сила, поднимающая корпус из воды, и еще для контроля ходовой посадки используются такие устройства, как транцевые плиты, интерцепторы, плавниковые стабилизаторы и Т-образные подводные крылья. Мне очень нравятся современные интерцепторы: они легкие, эффективные и весьма отзывчивые.

Есть ли у DLBA корпуса с запатентованными обводами, как, например, DFHF у Van Oossanen Naval Architects?

Мы разработали быстрый корпус (30 м) водоизмещающего типа с очень низким сопротивлением на крейсерской скорости, но не стали его патентовать, так как я считаю, что в нашей индустрии эта игра не стоит свеч. Патент сложно получить и еще сложнее защищать: кто-то может взять ваш корпус, чуть изменить обводы и придумать другое название. Кроме того, любой корпус все равно необходимо оптимизировать под конкретный проект, поэтому вместо патентования мы предпочитаем использовать накопленные знания и опыт, чтобы создавать суда, максимально соответствующие требованиям заказчиков.

Возьмите в качестве примера яхту Heesen Octopussy: она оптимизирована для высоких скоростей, но на малых ходах обводы ее корпуса далеки от оптимальных, тогда как корпус стальной дальнобойной экспедиционной яхты, наоборот, оптимизирован под низкие скорости. Если нужно нечто среднее, то мы предлагаем гибридный корпус с острой скулой, меняющей свою форму на скругленную, что позволяет судну ходить в переходном режиме (быстрее, чем скорость корпуса) и не терять эффективность в водоизмещающем режиме на скорости корпуса.

Расскажите, пожалуйста, о проекте Dazzle. Почему вы предпочли стиль милитари, в то время как в индустрии суперяхт доминируют классические и спортивные формы?

Когда ищешь что-то, что может привлечь внимание людей, всегда нужно соблюдать баланс. Создавая свои концепты, мы предпочитаем не пользоваться трафаретами и стараемся не предлагать очередной эксплорер с шаблонным дизайном и рядовыми характеристиками. Проект Dazzle родился как своего рода воздаяние Gibbs & Cox. У них была программа проектирования прибрежного боевого корабля (Littoral combat ship, LCS) длиной 110 м со скоростью более 40 узлов. Помню, когда я только начинал работать в DLBA, они обратились к нам за консультацией по поводу его гидродинамики и выбора пропульсивной системы, и мы провели для них масштабные инженерные изыскания. В итоге LСS стал для меня очень особенным проектом, к которому я всегда питал слабость.

Таким образом, чтобы продемонстрировать широкие возможности DLBA, мы решили создать что-то нетривиальное. В очертаниях Dazzle проступает сила и мужественность, и когда угловатые поверхности надстройки сочетаются с камуфляжем dazzle, который применяли во время Второй мировой войны для защиты от подводных лодок, возникает устойчивая ассоциация с военными кораблями. В плане максимальной скорости у Dazzle широкие рамки: проект можно адаптировать и под 20 узлов, и под 40.

Концепт Dazzle завершен и готов к строительству?

Да, так и есть. Хотя наше конструкторское бюро не такое большое, как инженерные отделы Lürssen или Feadship (De Voogt Naval Architects), в США мы самая крупная группа из тех, кто работает с прогулочными яхтами и не связан с верфями, а Gibbs & Cox — крупнейшее независимое проектное бюро в стране. У нас достаточно ресурсов, чтобы оперативно доработать концепт до готового проекта с учетом требований заказчика и запустить его в производство. Если задано направление, то мы реагируем моментально и быстро доводим дело до конца. Взять хотя бы 67-метровую яхту Dеstriero с тремя газовыми турбинами, построенную на Fincantieri и до сих пор удерживающую рекорд по скоростному пересечению Атлантики на одной заправке: от начала проектирования до ходовых испытаний судна прошло всего около 18 месяцев, 10 из которых заняло строительство. В случае Dazzle мы намеренно не заводили проект слишком далеко, чтобы не тратить время впустую и дать возможность заказчику полностью реализовать свой замысел.

Есть ли у вас опыт проектирования яхт на альтернативных источниках энергии?

Мы понимаем, что живем в эпоху электрификации и мир движется в этом направлении. Появляется много дизель-электрических и гибридных проектов с электромоторами. Можно играть на этом поле, стараясь снизить потребление топлива: некоторые обещают до 30% экономии на крупных судах вроде круизных лайнеров, где потребление энергии на бытовые нужды очень высокое. Мы пока не работали с водородом, хотя я внимательно слежу за этой темой.

Все же наша специализация — скоростные яхты, а в этом сегменте пока нет технологий, способных заменить дизельный двигатель. Аккумуляторные батареи слишком тяжелые, с природным газом тоже сложно, так как требуемое количество энергии невозможно уместить в габаритах судна (по весу проходит, а по объему — нет). Та же проблема с водородом: он требует слишком много места на борту — в пять раз больше, чем солярка для такого же количества энергии. В общем, сложности есть, но работы в этом направлении не прекращаются, и с помощью водородных ячеек можно обеспечить, например, выработку энергии для бытовых нужд.

А пока я считаю, что нужно очень внимательно следить за оборудованием, которое постоянно работает и потребляет электричество, оптимизировать его и очищать выхлопные газы, смирившись с тем, что в пропульсивной системе используются ДВС. Ведь, с одной стороны, мы все договорились делать яхты экологичнее, чтобы уменьшить их негативное влияние на окружающую среду, но с другой — хотим наслаждаться жизнью и делать это так, как привыкли.

Дата:

22.10.2020

Текст

Антон Черкасов-Нисман

Фото

DLBA

Следующая статья

Дайджест новостей 18-24 октября

Предыдущая статья

Multiplex: карбоновые "штучки" для яхт

Новые материалы
Похожие статьи