CC BY
126
УДК 629.5.015.141:629.57
Ф. Ф. Тхань, А. М. Крыжанов, Е. М. Бремзен, Ю. А. Двойченко
НАЧАЛЬНАЯ ОСТОЙЧИВОСТЬ ЛЕГКИХ АМФИБИЙНЫХ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ С ГИБКИМ ОГРАЖДЕНИЕМ БАЛЛОНЕТНОГО ТИПА
Известные методы расчета остойчивости судов на воздушной подушке отличаются громоздкостью и недостаточной точностью, вследствие чего их применение для практических расчетов затруднительно. В предлагаемом методе расчета амфибийного судна на воздушной подушке (АСВП) с гибким ограждением (ГО) баллонетного типа используется классическая теория остойчивости, основанная на теории Эйлера о равнообъемных наклонениях. Выводы основаны на известном способе учета влияния свободной поверхности жидкости на остойчивость. Показано, что при превышении ширины конструктивной ватерлинии над шириной свободной поверхности во впадине под воздушной подушкой метацентрический радиус будет иметь положительное значение. Принят ряд допущений для расчетной схемы судна: баллоны ГО имеют круговую форму; не учитывается воздушный зазор между баллоном ГО и поверхностью воды при истечении воздуха. Рассматривается плоская задача, где длина судна в продольном направлении равна 1. Получены расчетные формулы для определения начального метацентрического радиуса. Поскольку непосредственный анализ полученных зависимостей весьма сложен, последние переведены в безразмерный вид. На основе результатов расчетов построен график зависимости начального метацентрического радиуса от относительного радиуса баллонов нижнего яруса и относительного расстояния между баллонами. Дан пример использования результатов для оценки начальной остойчивости реального АСВП с ГО баллонетного типа проекта «Галф» (разработка и производство компании ЗАО «Н Ситек»). Анализ показал, что центр тяжести судна может занимать достаточно высокое положение и располагается значительно ниже, что способствует противостоянию динамическому кренящему моменту.
Ключевые слова: амфибийное судно, баллонеты, воздушная подушка, гибкое ограждение, начальная остойчивость, метацентрическая высота, центр тяжести.
Введение
Остойчивость амфибийного судна в режиме парения на подушке является сложным процессом, а известные методы расчета остойчивости [1, 2] отличаются громоздкостью и плохо подходят для анализа. Методы расчета остойчивости скеговых судов на воздушной подушке (СВП) основаны на использовании грузового размера скега с вычислением восстанавливающего момента от сил плавучести на погружаемом скеге [2]. Такой подход вместе со сложностью расчета не учитывает изменение формы погружаемой части СВП и появление дополнительного восстанавливающего момента.
В целом сложилось мнение [3-5], что камерные амфибийные суда на воздушной подушке (АСВП) без ресивера и сопловой схемы не обладают остойчивостью. Применение таких судов в качестве ледоколов на ВП [4] показало наличие у них положительной остойчивости, однако метод расчета также был громоздким и недостаточно точным.
Теоретические основы оценки остойчивости камерных СВП
Прогресс в теоретических способах решения задачи остойчивости был основан на теории Эйлера о равнообъемных ватерлиниях с учетом свободной поверхности воды во впадине под ВП [6] (рис. 1).
На рис. 1 показаны ватерлинии на поверхности воды и под СВП при наличии развала гибкого ограждения (ГО) в соответствии с формулой Эйлера для метацентрического радиуса.
Л™ - Л
г =-
т
V
где Лх квл - момент инерции площади действующей ватерлинии (конструктивная ватерлиния (КВЛ) при парении на подушке) относительно оси Х, перпендикулярной плоскости чертежа; Лх вп -момент инерции площади свободной поверхности во впадине; V - водоизмещение судна.
Рис. 1. Схема камерного СВП в режиме парения на воде с пренебрежимо малым расходом воздуха из ВП: 1 - жесткий корпус; 2 - гибкое ограждение
Считая длину судна единичной
LKBR —вп 1; V [(ВКВЛ + ВВп)Йвп]/2;
3 = ВВл1- 3 =
и квл -; ° вп -5
12 12
получим
(В3 - В )
Г _ _У квл_вп /_
™1_ [(Вквл + ВвпЖп]6'
откуда следует, что метацентрический радиус в данном случае определяется разностью между шириной свободной поверхности под ВП и шириной действующей КВЛ. Таким образом, при превышении ширины КВЛ над шириной свободной поверхности во впадине под ВП метацентрический радиус будет иметь положительное значение.
Зависимости для определения начальной остойчивости АСВП баллонетного типа
Исходя из этих соображений, рассмотрим поперечное сечение АСВП с ГО баллонетного типа. Принят следующий ряд допущений для уменьшения громоздкости расчетов судна:
- баллоны имеют круговую форму (в действительности нижний ярус баллонов может терять эту форму при регулировании давления в баллоне);
- не учитывается воздушный зазор при истечении воздуха из ГО;
- рассматривается плоская задача, где длина судна в продольном направлении равна 1. Упрощенная форма поперечного сечения показана на рис. 2.
Нижний ярус баллонов-скегов АСВП погружен в воду на глубину (осадку) квп. Ширина свободной поверхности на дне воздушной впадины Ввп равна расстоянию между центрами ске-гов В]. Ширина КВЛ связана с радиусом баллона Rl, шириной В] и шириной сегмента [7]:
аСк = 2у]2кшЯ - ^
определяемым в зависимости от глубины квп:
Вквл _ В + Я - •
Водоизмещение впадины — = 1 определяется с помощью зависимости
V = hвп • ВХ + Яск,
где
£ «Я^(6к Я.+ к2)/3 -Л (2Я3 -5Я2квп + 4Я к2 -к3 )
ск 1 \ V вп 1 вп ' / \ вп V 1 1 вп 1 вп вп ^
площадь кругового сегмента [7] погруженной части скега (погрешность 3 %).
Рис. 2. Схема для оценки начальной остойчивости АСВП с ГО баллонетного типа
В соответствии с формулой (1), поперечный начальный метацентрический радиус будет иметь следующее выражение:
Б + )3 - Б?
12
B,hBn + R,V(6h,R + h2n)/3 - ^hBn(2Ri3 - 5R>Bn + 4^ -hB3n)
(2)
Непосредственный анализ этой зависимости затруднен ее громоздкостью, поэтому приведем ее к безразмерному виду, взяв за определяющий линейный параметр глубину впадины под СВП (осадка в режиме парения на подушке). Обозначая:
перепишем формулу (2):
Ri = RJ h-вп; Bi = б? / йвп; rm0 = rm0/hN
_(Bi + 2J2R1 -1)3 - Б13_
12ЦБ? + R1^(6R1 +1)/3^(2R?3 -5R2 + 4R1 -1)]
(3)
Очевидно, что начальный метацентрический радиус будет равен нулю при R1 = 0,5, а максимум будет соответствовать R1 = 1. Наиболее интересна связь между геометрическими параметрами, изображенными на рис. 2, и значением начальной поперечной метацентрической высоты
h0 = rm0 + zc - zg,
где zc - аппликата центра величины; zg - аппликата центра тяжести судна.
Положительное значение h0 будет обеспечиваться соотношением между rm0 и zg, поскольку величина zc на практике значительно меньше zg, поэтому приближенно можно считать, что закри-тическое (с позиций начальной остойчивости) положение центра тяжести судна определяется как
rm0 > zg .
Таким образом, выражение (3) связывает вместе необходимое положение центра тяжести zg, радиус баллона первого яруса R1, ширину судна Вквл и глубину впадины под ВП hm, численно равную давлению воздуха в ВП, м вод. ст. Эта связь для безразмерных аргументов Бш и R1 показана линиями уровня rm 0 = const (рис. 3).
Гт0
m0
Рис. 3. Зависимость безразмерного начального метацентрического радиуса гш0 от относительного радиуса баллона первого яруса R1 и относительного расстояния между баллонами Bш
В качестве примера была произведена оценка начальной остойчивости реального АСВП с ГО баллонетного типа проекта «Галф» (разработка и производство компании ЗАО «Н Ситек» [8]). Это судно имеет ширину В1 = 3,1 м, радиус баллона R1 = 0,12 м, давление в ВП - 0,98 кПа ^вп = 0,1 м вод. ст.). Относительные значения аргументов ^ = 31; Rl = 1,4, на пересечении этих значений на графике находим тпо = 30. Переводя в размерное значение, получим
Гш.0 = гш0 hвп = 30 • 0,1 м = 3,0 м.
Заключение
Таким образом, для АСВП, характеристики которого близки к реальным, центр тяжести судна может занимать достаточно высокое положение - zg < 3,0 м. Фактически центр тяжести этого судна находится на уровне zg ~ 1,4 м, начальная метацентрическая высота составит ^ ~ 1,4 м, что будет способствовать противостоянию динамическому кренящему моменту. Однако окончательное решение этого вопроса может быть получено при рассмотрении остойчивости на больших углах крена.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колызаев Б. А. Особенности проектирования судов с новыми принципами поддержания / Б. А. Колызаев, А. И. Косоруков, В. А. Литвиненко, Г. И. Попов. Л.: Судостроение, 1974. 324 с.
2. Смирнов С. А. Суда на воздушной подушке скегового типа / С. А. Смирнов. Л.: Судостроение, 1983. 216 с.
3. Ваганов А. М. Проектирование скоростных судов / А. М. Ваганов. Л.: Судостроение, 1978. 279 с.
4. Зуев В. А. Некоторые вопросы проектирования ледокольных приставок на воздушной подушке / В. А. Зуев, Ю. А. Двойченко, С. Г. Мохонько, Г. М. Перелыгина, А. В. Саватеев // Теория и прочность ледокольного корабля. Горьков. политехн. ин-т им. А. А. Жданова, 1982. С. 41-48.
5. Yun L. Theory and design air cushion craft / L.Yun, A. Bliault. London: Arnold Publ., 2000. 647 p.
6. Семенов-Тянь-Шанский В. В. Статика и динамика корабля / В. В. Семенов-Тянь-Шанский // Теория плавучести, остойчивости и спуска. Л.: Судпромгиз, 1960. 576 с.
7. Бронштейн И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. М.: Наука, 1980. 975 с.
8. URL: www.nsitek.ru (дата обращения: 10.07.2014).
Статья поступила в редакцию 11.12.2014, в окончательном варианте - 24.02.2015
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Фам Фу Тхань - Россия, 603950, Нижний Новгород; Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; аспирант кафедры «Кораблестроение и авиационная техника»; ship@nntu.nnov.ru.
Крыжанов Арсений Михайлович - Россия, 603003, Нижний Новгород; ООО «Судостроительная компания «Аэроход»; инженер-исследователь; AKbober@mail.ru.
Бремзен Евгений Михайлович - Россия, 603022, Нижний Новгород; ЗАО «Н Ситек», конструкторская группа; инженер-конструктор; alex@nsitek.ru.
Рройченко Юрий Александрович - Россия, 603950, Нижний Новгород; Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Кораблестроение и авиационная техника»; edbas@sandy.ru.
F. F. Than, A. M. Kryzhanov, E. M. Bremzen, Yu. A. Dvoichenko
INITIAL STABILITY OF LIGHT AMPHIBIOUS HOVERCRAFTS WITH FLEXIBLE BALLONET ENCLOSURE
Abstract. The known methods of calculation of stability of hovercrafts tend to be cumbersome and poorly accurate and due to this, their use for practical calculations is complicated. The proposed method of calculation of amphibious hovercraft with flexible ballonet enclosure assumes the use of the classical theory of stability, based on the Euler's hypothesis about coextensive inclinations. The results are based on the known method of accounting for the effect of free surface of liquid on stability. It is shown that with the excess of width of constructive waterline over the width of the free surface in the cavity under the air bubble the metacentric radius will have a positive value. There was adopted a number of assumptions in the calculation scheme of the vessel: the bal-lonet with flexible enclosure have a circular shape, an air gap between the ballonet with flexible enclosure and the surface of the water after the air outflow is not considered. The plane elastic problem, where the length of the vessel in the longitudinal direction equals to 1, is analyzed. The calculation formulas are derived to define the initial metacentric radius. Though the direct analysis of the obtained dependences is very complex, the latter were converted into dimensionless form. On the basis of the carried out calculations, the graph of the dependence of the initial metacentric radius on the relative radius of the ballonets of the lower tier and the relative distance between the ballonets is designed. An example of using the results to estimate the initial stability of the real amphibious hovercraft with a flexible ballonet enclosure "Gulf" (developed and produced in JSC "N Sitek") is presented. The analysis demonstrated that the center of gravity of the vessel may occupy a high position, but structurally it is usually much lower, which contributes to the confrontation of the dynamic inclining moment.
Key words: amphibious vessel, ballonet, air bubble, flexible enclosure, initial stability, metacentric height, center of gravity.
REFERENCES
1. Kolyzaev B. A., Kosorukov A. I., Litvinenko V. A., Popov G. I. Osobennosti proektirovaniia sudov s novymi printsipami podderzhaniia [Peculiarities of designing the vessels with new principles of support]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1974. 324 p.
2. Smirnov S. A. Suda na vozdushnoi podushke skegovogo tipa [Sidewall crafts]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1983. 216 p.
3. Vaganov A. M. Proektirovanie skorostnykh sudov [Designing of high speed vessels]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1978. 279 p.
4. Zuev V. A., Dvoichenko Iu. A., Mokhon'ko S. G., Perelygina G. M., Savateev A. V. Nekotorye voprosyproektirovaniia ledokol'nykh pristavok na vozdushnoi podushke [Some issues of designing ice-breaking hover-crafts]. Teoriia i prochnost' ledokol'nogo korablia. Gor'kovskii politekhnicheskii universitet im. A. A. Zhdanova, 1982. P. 41-48.
5. Yun L., Bliault A. Theory and design air cushion craft. London, Arnold Publ., 2000. 647 p.
6. Semenov-Tian'-Shanskii V. V. Statika i dinamika korablia [Static and dynamic of the vessel]. Teoriia pla-vuchesti, ostoichivosti i spuska. Leningrad, Sudpromgiz, 1960. 576 p.
7. Bronshtein I. N., Semendiaev K. A. Spravochnik po matematike dlia inzhenerov i uchashchikhsia vtuzov [Reference on mathematics for engineers and students of technical universities]. Moscow, Nauka Publ., 1980. 975 p.
8. Available at: www.nsitek.ru (accessed: 10.07.2014).
The article submitted to the editors 11.12.2014, in the final version - 24.02.2015
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Fam Fu Than - Russia, 603950, Nizhniy Novgorod; Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Aviation Technology"; ship@nntu.nnov.ru.
Kryzhanov Arseniy Mikhailovich - Russia, 603003, Nizhniy Novgorod; Ltd Shipbuilding Company "Aerohod"; Research Engineer; AKbober@mail.ru.
Bremzen Evgeniy Mikhailovich - Russia, 603022, Nizhniy Novgorod; Ltd "N Sitek", designing group; Design Engineer; alex@nsitek.ru.
Dvoichenko Yuriy Aleksandrovich - Russia, 603950, Nizhniy Novgorod; Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseeva; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Shipbuilding and Aviation Technology"; edbas@sandy.ru.
