CC BY-NC
55
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-95-102 УДК 629.58.001.2
Г.П. Кузнецов, И.Н. Булдаков
АО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева», Нижний Новгород, Россия
ОСОБЕННОСТИ РАЗМЕЩЕНИЯ НА СУДНЕ ШАХТЫ ДЛЯ СПУСКА ПОДВОДНОГО АППАРАТА
Объект И цель научной работы. Исследуются особенности технологии проектирования крупнотоннажных морских научно-исследовательских судов, оборудованных вертолетом постоянного базирования и глубоководным аппаратом, который спускается через вертикальную шахту, расположенную внутри корпуса и надстройки. Цель работы - обеспечить постоянное базирование спасательного глубоководного аппарата на научно-исследовательском судне и спуск/подъем подводного аппарата через вертикальную шахту в условиях открытого моря.
Материалы И методы. Поиск решения удифферентовки судна на ровный киль при наличии болынеразмерных шахт в носовой части корпуса, используемых для спуска/подъема глубоководного оборудования больших размеров. Разработка методики спуска/подъема глубоководного аппарата через вертикальную шахту, расположенную внутри носовой части корпуса и надстройки судна.
Основные результаты. Получено оригинальное технологическое решение удифферентовки судна на ровный киль при наличии болынеразмерной шахты в носовой части корпуса. Разработана оригинальная технология спуска/подъема глубоководного аппарата типа «Бестер-1» с использованием вертикальной шахты, расположенной внутри корпуса и надстройки судна.
Заключение. Благодаря найденному решению по удифферентовке судна на ровный киль удалось избежать ухудшения ходовых качеств судна. Разработанная технология спуска/подъема глубоководного аппарата типа «Бестер-1» с использованием шахты позволит значительно расширить круг задач, решаемых научно-исследовательским судном, в том числе в ледовых условиях Арктики и Антарктики.
Ключевые слова: научно-исследовательское судно, шахта, днищевое водонепроницаемое закрытие, балластируемая емкость, спускаемый глубоководный аппарат, система позиционирования. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-95-102 UDC 629.58.001.2
G. Kuznetsov, I. Buldakov
JSC Alexeev's Hydrofoil Design Bureau, Nizhny Novgorod, Russia
UUV LAUNCH/RECOVERY MOONPOOL ABOARD SHIPS: ARRANGEMENT PECULIARITIES
Object and purpose of research. This paper studies design technologies for large sea-going research vessel with onboard helicopter and deepwater submersible vehicle (DSV) launched/recovered via the moonpool passing through hull and superstructure. The purpose of this study is to ensure permanent helicopter base aboard research vessel, as well as DSV launch/recovery via the moonpool in the open sea.
Materials and methods. The study was intended to find an optimal even-keel trimming solution for a ship with spacious forward moonpool for large deepwater submersibles, as well as to develop an optimal procedure of DSV launching/recovery.
Main results. The study yielded an original technological solution for even-keel trimming of ship with large forward moonpool, as well as an original technology forBester-1 DSV launch/recovery.
Для цитирования: Кузнецов Г.П., Булдаков И.Н. Особенности размещения на судне шахты для спуска подводного аппарата. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 3(389): 95-102.
For citations: Kuznetsov G., Buldakov I. UUV launch/recovery moonpool aboard ships: arrangement peculiarities. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 3(389): 95-102 (in Russian).
Conclusion. The solution suggested in this paper enabled even-keel trimming of ship without prejudice to her propulsion performance. The newly developed technology of Bester-1 DSV launch/recovery via the moonpool will considerably expand the spectrum of tasks handled by the research ship, including the operations in polar waters.
Keywords: research ship, moonpool, watertight bottom closing, ballasted reservoir, deepwater submersible vehicle, positioning system.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
В настоящее время отсутствует достаточная практика проектирования судов с болынеразмерными шахтами внутри корпусов научно-исследова-тельских судов.
Наличие шахты больших размеров уменьшает вместимость судна и значительно изменяет посадку судна на воде, приводя к значительному дифференту на нос, что в свою очередь ухудшает гидродинамические характеристики корпуса научно-исследовательского судна (НИС), которым предъявляются высокие требования в части гидродинамического шума и вибрации.
В данном проекте предложено решение удиф-ферентовки судна, не имеющее аналогов и подлежащее защите как интеллектуальная собственность проектанта [2, 3]. Также разработана оригинальная технология спуска/подъема глубоководного аппарата типа «Бестер-1» через шахту больших размеров, расположенную внутри корпуса и надстройки судна.
Приведены различные способы спуска/подъема глубоководного аппарата с учетом особенностей поведения воды в вертикальной шахте при нахождении судна в условиях волнения моря. Эти особенности выявлены при выполнении буксировочных испытаний масштабных моделей судна в ледовом и мореходном бассейнах ФГУП «Крыловский государственный научный центр» и масштабной модели с открытой и закрытой шахтой в корпусе модели при волнении в условиях опытового бассейна АО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева».
Особенности проектирования судов с шахтами больших размеров, размещенными в корпусе и надстройке
Design peculiarities of ships with spacious moonpools in hull and superstructure
Техническим заданием, утвержденным Федеральным агентством по рыболовству, предусматривалось проектирование крупнотоннажного морского
НИС с надстройкой в носовой части судна, которое оборудовано:
■ вертолетом (авиационным комплексом);
■ обитаемым глубоководным аппаратом типа «Бестер-1» (глубоководным и водолазным комплексом);
■ необитаемым телеуправляемым подводным аппаратом (ТНПА);
■ беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) постоянного базирования.
В соответствии с классом судна PC -KM ® Arc4 [1] AUT1-ICS OMBO DYNPOS-1 (REF) ЕРР ECO BWM(T) SDS MS HELIDECK-H Special purpose ship - предполагается плавание в ледовых условиях при температуре окружающего воздуха до -40 °С (согласно ТЗ).
Наличие вертолета постоянного базирования и глубоководного аппарата предполагает, в соответствии с ТЗ, возможность их использования в условиях отрицательных температур. Для выполнения этого требования спуск глубоководного аппарата типа «Бестер-1» в проекте выполняется через шахту, расположенную в диаметральной плоскости судна внутри надстройки; для вертолета предусмотрен закрытый отапливаемый ангар, также в надстройке.
При разработке чертежа общего расположения судна пр. 23460 с учетом изложенных требований (большая численность персонала, находящегося в надстройке, размещение рыбопромыслового комплекса в кормовой части судна, а крупногабаритного научного оборудования (вертолета и глубоководного аппарата) - в надстройке в носовой части) была обеспечена посадка судна с небольшим дифферентом на нос около 0,3° при условии отсутствия воды в шахте и около 3° при наличии воды в шахте.
Болынеразмерная шахта в носовой части судна, заполненная водой, стала причиной потери водоизмещения на -570 т, а дифферент на нос до 3° отрицательно повлиял на ходовые качества судна. Для уменьшения дифферента выполнили проработку нагрузки масс путем перенесения части оборудования в кормовую часть надстройки с целью смещения центра масс в корму, однако ожидаемого эффекта добиться не удалось.
Единственным путем постановки судна на ровный киль является установка днищевого сплошного водонепроницаемого закрытия размером 14.7- 6.0 м. Данные о подобном днищевом водонепроницаемом закрытии такого размера нам не известны. На спасательных судах имеются шахты для спуска/подъема водолазного колокола, но такая шахта не оборудована водонепроницаемым закрытием вследствие небольших размеров, так же как и шахта выдвижных килей на проектируемом НИС. Поэтому была разработана конструкция сплошного водонепроницаемого закрытия, не имеющего аналогов в мире, и подана заявка на изобретение (per. № 200018145524 от 21 декабря 2018 г.).
Суть конструкции днищевого сплошного водонепроницаемого закрытия состоит в использовании сил плавучести для плотного прилегания крышки шахты к комингсу, а сама крышка представляет собой объемную балластируемую емкость в момент открытия шахты и продуваемую воздухом в момент закрытия для придания ей положительной плавучести. Крышка шахты по длинной стороне прикреплена к комингсу шахты с помощью шарнира в виде дверной петли, чем обеспечивается ее однозначное прилегание к комингсу по периметру шахты.
На время спуска и подъема глубоководного аппарата крышка поворачивается на 180° в противоположную сторону от комингса шахты и плотно прилегает к обшивке днища. Для однозначного направления поворота крышки в сторону днища или комингса шахты в шарнире установлен дистанционно управляемый цилиндр-амортизатор, дающий первоначальный импульс в соответствующую сторону к открытию и закрытию шахты.
Также цилиндр-амортизатор уменьшает амплитуду вращательных колебаний забалластированной крышки, висящей на шарнире в вертикальном положении в переходный момент из открытого положения шахты к положению прилегания крышки к днищу судна в противоположной стороне от комингса шахты. Вращательные колебания крышки возникают из-за вертикального перемещения воды в шахте при нахождении судна в условиях волнения. Высота перемещения воды в шахте достигает величины, равной высоте волны, в соответствии с результатами испытаний масштабной модели судна в опытовом бассейне АО «ЦКБ по СПК им. P.E. Алексеева» (рис. 1, высота подъема воды в шахте указана относительно KB Л). Перемещения воды вверх-вниз захватывают и крышку, что вызывает ее вращательные колебания вокруг оси шарнира. Для демпфирования этих колебаний установлен
Высота подъема воды в шахте Нтах, м
<(— 1
;
;
Линия КВЛ
Г..... * 1
0 45 90 135 град.
—•— высота волны /гвз% = 3,5 м (полные 5 баллов)
с открытыми створками —О— высота волны &вз% = 6,0 м с закрытыми створками
Рис. 1. График высоты подъема воды в шахте в зависимости от курсового угла при открытых и закрытых створках шахты
Fig. 1. Water level in the moonpool versus heading angle of ship with open/closed moonpool doors
цилиндр-амортизатор, а для придания крышке в условиях колебаний соответствующего направления на закрытие или открытие шахты цилиндр-амортизатор имеет дистанционное управление.
Использование водонепроницаемой конструкции крышки обеспечивает посадку судна на ровный киль после осушения шахты.
Наличие днищевого закрытия необходимо также при движении судна в ледовых условиях. Как показали буксировочные испытания масштабной модели судна в ледовом бассейне ФГУП «Крылов-ский государственный научный центр», битый лед от носовой части судна погружается в воду до днища судна и движется вдоль днища. При отсутствии днищевого закрытия шахта будет забиваться битым льдом, поэтому погружение глубоководного аппарата будет невозможно.
Приведенные особенности технологии проектирования крупнотоннажного НИС с крупногабаритным научным оборудованием и технические решения, принятые в проекте, не имеют аналогов и являются интеллектуальной собственностью (ноу-хау).
Ноу-хау представляет также технология проведения спуска/подъема спасательного глубоководного аппарата (СГА) типа «Бестер-1» через шахту в днище НИС пр. 23460. Опыт выгрузки/подъема СГА пр. 18271 «Бестер-1» с главной палубы через борт с/на судно пр. 21300С «Игорь Белоусов» пока-
зал, что при значительном увеличении ветра (волнение 5 баллов) возникают проблемы, связанные с «раскачкой» СГА пр. 18271 в воздухе - в дальнейшем это приводит к невозможности его выгрузки/подъема.
Быстрое изменение погодных условий на море во время выполнения задач СГА может приводить к невозможности выполнения погрузки аппарата на судно-носитель. В арктических морях с ледовой обстановкой также невозможно оперативно выполнить погрузку/выгрузку СГА через борт.
Учитывая вышеперечисленные факторы, на НИС пр. 23460 применена уникальная технология погрузки/выгрузки СГА с судна-носителя с возможностью погружения/всплытия через шахту, расположенную в днище судна, что представляется весьма эффективным и целесообразным в морях со сложной климатической, особенно ледовой, обстановкой. При этом спецперсонал защищен от непогоды и выполняет работы в более благоприятных условиях.
Существующая в настоящее время обобщенная модель использования СГА на судне-носителе включает следующие этапы:
1. Базирование СГА на судне-носителе (подготовка СГА к решению задач по прямому назначению).
2. Выгрузка СГА через бортовой лацпорт с главной палубы на поверхность воды.
3. Отход СГА от судна-носителя, проведение удифферентовки.
4. Погружение и решение задач по прямому назначению.
5. Всплытие СГА на поверхность воды, подход к судну-носителю.
6. Подъем СГА на главную палубу.
7. Установка и раскрепление СГА на штатном месте.
При обеспечении погружения/всплытия СГА через шахту в днище судна-носителя этапы 3 и 5 отличаются. Они осуществляются в шахте, заполненной водой в надводном положении, или в подводном положении при выходе из шахты. Общая модель использования СГА через шахту в днище должна включать следующие этапы:
1. Базирование СГА на судне-носителе в отсеке-эллинге.
2. Обеспечение спуска СГА на воду внутри шахты.
3. Выполнение удифферентовки при нахождении на плаву в шахте и спуск через шахту в днище с последующим отходом от судна-носителя в окружающее водное пространство.
4. Решение задач по прямому назначению.
5. Возврат СГА к шахте судна-носителя.
6. Обеспечение всплытия СГА внутри шахты суд-на-носителя.
7. Подъем с воды СГА внутри шахты, установка и раскрепление на штатном месте. Возможны два способа спуска СГА через шахту
в днище НИС:
■ спуск СГА под воду по шахте (за пределы корпуса НИС) техническими средствами судна-носителя с удифферентовкой СГА (путем балластировки) еще при нахождении в шахте;
■ удифферентовка СГА (путем балластировки) производится в шахте НИС, затем он самостоятельно, за счет вертикальных движителей, выходит через шахту в окружающее водное пространство.
При использовании первого способа в спуско-подъемном устройстве (СПУ) предусматривается каретка с захватами (рис. 2, 3), которая опускается вдоль шахты по специальным направляющим и предотвращает контакты СГА со стенками шахты.
Для спуска с использованием второго способа при самостоятельном выходе СГА с применением вертикальных движителей требуется увеличение размеров шахты для предотвращения контактов СГА со стенками шахты в условиях волнения моря. При значительном волнении выполнение этой операции становится невозможным из-за изменения уровня воды в шахте, достигающего высоты волны.
Поэтому предпочтительно выполнять спуск СГА по первому способу. При выполнении СГА пр. 18271 задач по прямому назначению в навигационном комплексе «Зенит-УМ» каждый час возникает погрешность около 190 м по местоположению. В условиях ледовой обстановки или неблагоприятных метеоусловий СГА пр. 18271 не может выполнить всплытие на поверхность по спутниковой системе СР8/Глонасс для обсервации местоположения. С учетом этого возврат СГА к шахте НИС после выполнения миссии может быть реализован в два этапа:
■ совместная работа установленных на СГА навигационного комплекса «Зенит-УМ», станции гидроакустической связи и пеленгования «СГСвП «Структура - СВП.1» и системы управления движением и техническими средствами «Флюорит - АСУ» при удалении СГА от НИС до 5 км;
■ при подходе СГА к НИС на расстояние до 300 м должна быть реализована автоматическая
Рис. 2. Общий вид спуско-подъемного устройства с положениями спасательного глубоководного аппарата в процессе спуска/подъема
Fig. 2. General view of DSV handling gear with DSV positions during launch/recovery
2770
Положение при заходе в шахту
система позиционирования для обеспечения выхода СГА под шахту НИС (с отстоянием от нижней кромки 5-10 м).
Реализация второго этапа может быть достигнута с дооборудованием СГА пр. 18271 и НИС высокоточной системой гидроакустических средств в обеспечение позиционирования. Кроме этого, для более точного позиционирования при подходе СГА к шахте предусматривается установка на аппарате видеокамер наружного наблюдения в верхнем секторе обзора, а в нижней части шахты размещаются светильники на бортовых и носовой стенках.
Возможны два способа обеспечения погрузки
СГА на судно-носитель через вертикальную шахту:
■ с помощью технических средств НИС. При этом СГА всплывает под каретку, синхронно отслеживающую вертикальные перемещения судна относительно СГА и имеющую 4 отбойника-ограничителя, которые центруют аппарат в процессе подъема СГА вдоль шахты до уровня свободной поверхности воды за счет продувания цистерны главного балласта (ЦГБ).
■ СГА самостоятельно, за счет автоматического управления, позиционируется и производит
Комплекс лебедок Лебедка подъема каретки
Комплекс лебедок
Уробень боды
_ll___
LJ
-
.....--да
.-'.-'.. .'fe*. - Г.. l'Jl". j . .I-
ii ¡I
L.j
Г ii
L.i
k
.....
Рис. 3. Спуско-подъемное устройство с положениями спасательного глубоководного аппарата в процессе спуска/подъема (вид сбоку)
Fig. 3. Handling gear with DSV positions during launch/recovery (side view)
подъем до уровня свободной поверхности воды в шахте с помощью вертикальных движителей с последующим продуванием ЦГБ. Уникальная технология спуска/подъема СГА через шахту в корпусе судна пр. 23460 осуществляется с использованием СПУ с направляющей кареткой, оснащенной отбойниками-ограничителями и системой синхронизации вертикальных перемещений относительно СГА. Общий вид СПУ с положениями СГА в процессе спуска/подъема в шахте НИС показан на рис. 2 и 3.
Операция спуска по этой технологии производится следующим образом:
■ тележка, на которой установлен СГА, перемещается из положения «по-походному» на затвор палубного закрытия над шахтой;
■ к штоковым устройствам СГА присоединяются канаты-проводники комплекса спуско-подъемных лебедок;
■ по канатам-проводникам опускаются захваты и состыковываются со штоковыми устройствами СГА;
Рис. 4. Положение сплошного герметичного закрытия при закрытой и открытой шахте
Fig. 4. Position of continuous watertight closing with closed/open moonpool
■ каретка опускается на СГА;
■ комплексом лебедок СГА с кареткой поднимается на высоту, обеспечивающую перемещение тележки в исходное положение;
■ ставится леерное ограждение и открываются палубное и днищевое водонепроницаемые закрытия шахты, приоткрываются днищевые створки, шахта заполняется водой, днищевые створки закрываются для снижения величины колебания уровня воды в шахте до минимума (рис. 1);
■ СГА с кареткой опускаются на воду в шахте до образования слабины в силовых канатах комплекса лебедок;
■ от штоковых устройств СГА отсоединяются захваты и канаты-проводники;
■ лебедка подъема каретки переводится в режим постоянного натяжения, производится удиффе-рентование (балластирование) СГА;
■ полностью открываются створки днищевого закрытия;
Кран мастобои падбесной
1380
Лебедка каната-лрободника ЦМЛИ. 18.039.200.00
■ производится погружение СГА до установки каретки на упоры, при этом отбойники-ограни-чители каретки удерживают СГА от поперечных перемещений в шахте во время погружения;
■ после отделения СГА от каретки она поднимается в верхнее положение, а СГА уходит в окружающее водное пространство для выполнения задач.
Особенность приема и спуска СГА по вертикальной шахте в условиях волнения моря состоит в том, что шахта имеет двойное закрытие (рис. 4). Сплошное закрытие шахты гарантирует герметичность шахты, а второе закрытие (две створки) обеспечивает демпфирование колебаний уровня воды в шахте практически до спокойной воды. Этим обеспечивается безопасная подготовка СГА к спуску под воду или подъему из шахты с поверхности воды на главную палубу.
Операция подъема СГА по этой технологии происходит в основном в обратном порядке, но есть особенности при подходе СГА к шахте судна-носителя. При этом используются вышеописанные средства позиционирования, имеющиеся на СГА и НИС. Каретка находится в нижнем положении. Окончательная пристыковка СГА к каретке происходит с использованием видеокамер верхнего обзора, расположенных на СГА. При этом отбойники-ограничители каретки, имеющие расширение в нижней части, обеспечивают центрирование СГА относительно проема шахты. После захода СГА в зону действия отбойников-ограничителей начинается этап всплытия внутри шахты. Для этого лебедка автономного подъема каретки переключается в режим постоянного натяжения, и СГА за счет продувания ЦГБ всплывает вместе с кареткой. Затем закрываются створки днищевого закрытия, и дальнейшие операции по подъему СГА проходят почти на спокойной воде.
Заключение
Conclusion
Предложенное в проекте техническое решение по удифферентовке НИС на ровный киль за счет установки сплошного водонепроницаемого болынераз-мерного закрытия (заявка на изобретение per. №200018145524 от 21 декабря 2018 г.) позволило решить задачу удифферентовки и может быть использовано в подобных случаях, а также в случае установки шахты больших размеров на построенном судне такого типа.
Оригинальная технология спуска/подъема подводных аппаратов больших размеров через шахту, разработанная в проекте, позволит расширить круг решаемых научно-исследовательским судном задач, в том числе в ледовых условиях Арктики и Антарктики.
Библиографический список
1. Левашов Д.Е., Тишкова Т.В., Буланова Н.П. Морские суда для рыбопромысловых исследований 2010-
2015 гг. М.: ФГУП «ВНИРО», 2016.
2. Днищевое закрытие шахты судна. Авторское свидетельство № 1705177. Опубл. 15.01.1992. Бюл. №2.
3. Днищевое закрытие шахты судна. Заявка на изобретение. Per. № 200018145524 от 21 декабря 2018 г.
References
1. D. Levashov, Т. Tishkova, N. Bulanova. Sea-going ships for fishing researches 2010-2015. Moscow: VNIRO,
2016 (in Russian).
2. Bottom closing of ship moonpool. Author's Certificate No. 1705177. Published on January 15, 1992. Bulletin No. 2 (in Russian).
3. Bottom closing of ship moonpool. Application for an invention. Registration No. 200018145524 dt. December 21,2018 (in Russian).
Сведения об авторах
Кузнецов Григорий Павлович, главный специалист АО «ЦКБ по СПК им. Р.Е.Алексеева». Адрес: 603003, Россия, Нижний Новгород, ул. Свободы, 51. Тел.: 8 (831) 229-14-90. E-mail: [email protected]. Булдаков Иван Николаевич, главный специалист АО «ЦКБ по СПК им. Р.Е.Алексеева». Адрес: 603003, Россия, Нижний Новгород, ул. Свободы, 51. Тел.: 8 (831)229-14-90. E-mail: [email protected].
About the authors
Grigory P. Kuznetsov, Chief Expert, JSC Alexeev's Hydrofoil Design Bureau. Address: 51, Svobody st., Nizhny Novgorod, Russia, post code 603003. Tel.: 8 (831)229-14-90. E-mail: [email protected].
Ivan N. Buldakov, Chief Expert, JSC Alexeev's Hydrofoil Design Bureau. Address: 51, Svobody st., Nizhny Novgorod, Russia, post code 603003. Tel.: 8 (831) 229-14-90. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 13.06.19 Принята в печать / Accepted: 24.07.19 © Кузнецов Г.П., Булдаков И.Н., 2019
