Введение. 
Теория и устройство корабля

Каждое судно должно обладать комплексом эксплуатационных и мореходных качеств.

К эксплуатационным качествам принято относить грузоподъемность и грузовместимость; маневренность, скорость, дальность плавания и автономность; обитаемость судна. Одним из важнейших эксплуатационных качеств является прочность, которая, наряду с мореходными качествами, обеспечивает безопасность плавания судна.

В середине XIX столетия танкеры имели водоизмещение около 500 т, перед Второй мировой войной основное ядро наливного флота составляли суда водоизмещением 10—15 тыс. т. Впервые наименование «супертанкер» было присвоено построенному в 1953 г. танкеру «Тина Онасис» водоизмещением 59 тыс. т. Однако размеры судов этого типа продолжали стремительно возрастать, абсолютный рекорд был зарегистрирован в 1980 г., когда японские судостроители, удлинив танкер «Оппама», довели его водоизмещение до 640 тыс. т. «Чемпион» получил новое имя «Сиуайз Джаэнт», а суда подобного класса стали называть сверхкрупнотоннажными танкерами. В связи со столь бурным ростом размеров судов пришлось по-новому решать проблему их прочности.

Немало проблем возникает и при внедрении новых материалов и технологий. Пример тому — знаменитые цельносварные суда типа «Либерти», строившиеся во время Второй мировой войны в США. Эта серия судов вошла в историю судостроения как самая крупная в мире — всего было построено 2580 ед. На изготовление первого судна потребовалось 250 дней; на изготовление одного из последующих — рекордно малое время — 7 суток 14 часов и 23 минуты; средняя продолжительность строительства одного судна составила 35 дней. Однако прославились суда типа «Либерти» тем, что в ходе эксплуатации некоторые из них переломились пополам и погибли. Подобная картина имела место и у некоторых танкеров типа Т-2. И «Либерти», и эти танкеры были судами массовой постройки, на них впервые практически полностью отказались от клепаных соединений; нарушение прочности корпуса этих судов произошло изза недостатка опыта применения сварки. В дальнейшем подобные аварии были практически сведены на нет.

Мореходные качества судна — плавучесть, остойчивость, непотопляемость, ходкость, плавность качки и управляемость — входят в компетенцию специальной науки — теории корабля.

Плавучестью называется способность судна плавать в заданном положении относительно поверхности воды.

Остойчивость — это способность судна, выведенного из равновесия, возвращаться в исходное положение после прекращения действия внешних сил.

Непотопляемость — способность судна оставаться на плаву и в ограниченной степени сохранять другие мореходные качества после затопления одного отсека или их группы. Непотопляемость определяется плавучестью и остойчивостью поврежденного судна.

Ходкостью называется способность судна двигаться с заданной скоростью при наименьшей возможной мощности главной механической установки.

Плавность и малые амплитуды качки — качества, необходимые для обеспечения мореходности судна в условиях морского волнения.

Управляемость — это способность судна выдерживать заданное направление движения.

Неполное удовлетворение требований, предъявляемых к судну каждым из перечисленных выше качеств, в лучшем случае существенно затруднит его эксплуатацию, а в худшем может послужить причиной его гибели. Интуитивно это было ясно судостроителям и мореходам всех времен и народов. Более двух тысяч лет назад известный римский мудрец Сенека (4−65 г. до н. э.) сформулировал требования к кораблю, который «хорошим именуется, когда он устойчив и непоколебим, послушен рулю, ходок и ветру уступчив».

До недавнего времени эти задачи судостроители решали опытным путем, эмпирически, методом проб и ошибок, за которые мореплаватели платили своими жизнями. Искусство кораблестроения совершенствовалось и передавалось от поколения к поколению. История сохранила нам сведения о наиболее удачных конструкциях своего времени. Абсолютным рекордсменом среди них, пожалуй, следует признать древнегреческую триеру (римская трирема), которая в течение почти тысячелетия являлась главным боевым кораблем военных флотов этих стран.

Основоположником теории корабля по праву считается один из величайших ученых древности Архимед. Открытый им в III в. до н. э. закон лежит в основе плавучести судна. Занимался Архимед и некоторыми вопросами остойчивости.

В практике судостроения закон Архимеда впервые применил английский инженер Энтони Дин — в 1666 г. он рассчитал осадку корабля «Руперт» и прорубил, к величайшему удивлению современников, пушечные порты в его бортах на стапеле, еще до спуска на воду.

Рождение теории корабля как науки о мореходных качествах судна обычно датируют серединой XVIII в., когда почти одновременно вышли труды члена Петербургской Академии наук Л. Эйлера и французского академика П. Бугера. В этих фундаментальных сочинениях излагалось учение о плавучести и остойчивости, развивались положения Ньютона о законах сопротивления среды движению тел, затрагивались некоторые вопросы мореходности судов. К середине следующего, XIX, века главные проблемы плавучести и остойчивости были решены, требования, предъявляемые к судам для обеспечения этих качеств, в основном сформулированы.

Недостаточная остойчивость грозит кораблю гибелью. Судостроителям это было известно испокон веков. Однако для некоторых закон был не писан.

В 1628 г. на испытаниях, произведя салют из всех пушек, опрокинулся и в течение минуты затонул только что построенный флагман шведского флота «Ваза», спроектированный в соответствии с указаниями короля Густава II Адольфа. Стремясь усилить вооружение корабля, сделать его более мощным, чем у противника, на нем установили 64 орудия, расположенные в три яруса на палубах каждого борта. Королевские инженеры пытались доказать, что при таком количестве пушек центр тяжести корабля поднимется слишком высоко и это губительно скажется на остойчивости, однако их доводы не были услышаны монархом.

Некомпетентность венценосца начата XVII в. объяснима. Гораздо труднее понять, как почти четверть тысячелетия спустя подобное могло произойти в просвещенной Англии. В 1870 г. по проекту Кольза был построен броненосец «Кептен». На первый взгляд он обладал рядом неоспоримых достоинств: сильной артиллерией во вращающихся башнях, толстой бортовой броней, низким надводным бортом, обеспечивающим малую площадь цели и полным парусным вооружением в дополнение к паровой машине: Главный кораблестроитель Великобритании Е. Рид отказался утвердить проект, но идея Кольза была поддержана лордами адмиралтейства, мнение которых перевесило доводы специалиста. Во время первого же пробного плавания в составе эскадры «Кептен» под действием шквала опрокинулся и почти мгновенно затонул, унеся жизни 530 человек команды, в том числе и автора злополучного проекта Кольза. Остальные суда эскадры перенесли шквал безболезненно.

По приговору английского суда в соборе Св. Павла в Лондоне на бронзовой доске выгравирован текст, повествующий о гибели «Кептена» и выражающий, по меткому замечанию академика А. Н. Крылова, «порицание невежественному упрямству тогдашних лордов адмиралтейства». Случай с «Кептеном» стал хрестоматийным примером, вошел во все руководства по кораблестроению. Но стремление к увеличению вооружения любой ценой уже в XX в. привело к очередной трагедии. В 1934 г. вскоре после спуска на воду во время шторма опрокинулся японский миноносец «Томодуру». Несколько дней спустя его обнаружили плавающим в перевернутом состоянии, из 113 человек команды погибло около 100. В то время Япония стремилась проектировать свои надводные корабли так, чтобы при минимальном водоизмещении разместить максимальное количество вооружения. Это привело к занижению остойчивости многих военных кораблей различных классов. Гибель «Томодуру» послужила толчком к ревизии проектов как построенных, так и строящихся кораблей флота и их переделке.

Было бы ошибкой полагать, что потеря остойчивости грозит только военным кораблям и что аварии подобного рода остались в прошлом. И сегодня ежегодные потери мирового флота, причем только среди достаточно крупных судов, составляют около 0,6% их общего количества. При этом приблизительно 20% случаев — наиболее тяжелые аварии от потери остойчивости. Так, например, в 1987 г. крупный современный английский автомобильно-пассажирский паром «Геральд оф фри Энтерпрайз», едва отойдя от пирса, опрокинулся в бельгийском порту Зеебрюгге — погибло более 190 человек. Причина аварии — неплотно закрытые водонепроницаемые ворота, через которые вода хлынула на грузовую палубу. Положение усугубили погруженные на паром, но не закрепленные автомашины, в том числе тяжелые грузовики — сместившись в сторону накрененного борта, они способствовали опрокидыванию судна.

Еще более страшная трагедия произошла на Балтике 28 сентября 1994 г. с другим автомобильно-пассажирским паромом «Эстония». Судно водоизмещением около 11 тыс. т сначала внезапно легло на борт, получив крен около 35°, а затем быстро опрокинулось и затонуло. Хотя это случилось всего в сотне километров от финского порта Турку и в спасательной операции принимало участие несколько судов, самолетов и вертолетов, авария сопровождалась очень крупными жертвами — погибло более 800 человек. Причина гибели судна так и осталась до конца не выясненной.

Совсем недавно, практически новое, построенное в 2001 г., норвежское грузовое судно «Рокнес» длиною 166 м в январе 2004 г.

потеряло остойчивость и опрокинулось всего за несколько минут в 100−200 м от берега рядом с базой ВМС Норвегии близ города Бергена. Спасти удалось 12 членов экипажа, 8 человек погибли.

Приоритет в создании науки о непотопляемости корабля принадлежит отечественным ученым. «Истинным основателем учения о непотопляемости судов» называл академик А. Н. Крылов адмирала С. О. Макарова, впервые сформулировавшего главные требования к обеспечению непотопляемости. Блестящее развитие идеи С. О. Макарова нашли в трудах А. Н. Крылова и И. Г. Бубнова — создателя современной строительной механики корабля.

Гибель в Порт-Артуре броненосца «Петропавловск» с адмиралом С. О. Макаровым на борту, трагедия Цусимы заставили командование русского военно-морского флота прислушаться к голосу ученых — с 1905 г. на всех кораблях были введены таблицы непотопляемости, разработанные А. Н. Крыловым. В иностранных флотах подобные таблицы нашли применение значительно позже. Трагедия, произошедшая в 1912 г., когда в первом же трансатлантическом рейсе «непотопляемый», как его рекламировали владельцы, пассажирский лайнер «Титаник» затонул, став могилой для полутора тысяч человек, окончательно убедила кораблестроителей в том, что для обеспечения непотопляемости судна недостаточно одной интуиции, а требуются строгие и обоснованные расчеты.

Практически во все книги по судостроению вошел хрестоматийный пример, когда в 1914 г. одна немецкая подводная лодка в течение короткого времени друг за другом потопила три английских крейсера «Худ», «Абукир» и «Кресси». Британские корабли шли кильватерным строем. Когда первый был торпедирован, следующий за ним остановился для оказания помощи — его постигла та же участь. Затем все повторилось и с последним крейсером, также остановившемся для спасения экипажей тонущих кораблей. Быстротечная гибель трех крейсеров, получивших всего по одной торпеде, в очередной раз показала необходимость обеспечения более высокой степени непотопляемости боевых кораблей.

Указанный эпизод имел и другие очень важные последствия: во многих военных флотах было введено правило, не оказывать помощи гибнущему кораблю, если торпедировавшая его подводная лодка не уничтожена или вообще имеет место опасность атаки подводных лодок.

Вопросами ходкости конструкторы вплотную занялись только в конце XIX столетия. В эпоху парусного флота скорость судна, а следовательно, и продолжительность рейса, в основном определились силой и направлением ветра, а также опытом судоводителя; форма корпуса играла второстепенную роль. Появление паровой машины, а затем и других механических двигателей в корне изменило отношение к ходкости. Хотя в отличие от остойчивости и непотопляемости низкие ходовые качества не приводили к немедленной гибели судна, неприятностей они тоже доставляли немало. Всего 180 лет назад парусник «Даймонд» из Европы в Америку шел сто дней. За время столь продолжительного рейса 17 пассажиров умерли от истощения.

Приблизительно в то же время первый пароход пересек Атлантику без помощи ветра — это был «Сириус» водоизмещением около 700 т. Выходя в рейс, он имел на борту 98 пассажиров и 450 т угля, отчего борта судна едва выступали из воды. В конце пути запасы угля иссякли, поэтому на подходе к Нью-Йорку были срублены мачты, за ними в топку пришлось отправить всю деревянную утварь. Трансатлантический переход удалось завершить за 18,2 суток, среднерейсовая скорость составила 8,5 уз — неплохой по тем временам результат. Рекордным оказался и расход топлива — около 5 т на одного пассажира. «Сириус» не был исключением: первые коммерческие пароходы 40-х гг. прошлого столетия имели удельную массу установки порядка 800 кг/л. с. и расход топлива около б кг/(л. с. • ч). У судна водоизмещением 1500 т с паровой машиной мощностью 450 л. с. масса главной механической установки и топлива составляла приблизительно 750 т. И это при скорости около 10 уз и запасах угля всего на 6 суток.

Стало очевидным, что дальнейший прогресс судоходства невозможен без совершенствования формы корпуса судов и движителей, без создания достоверных методов расчета ходовых качеств. Большой вклад в развитие учения о ходкости внес известный английский исследователь В. Фруд, разработавший первые научно обоснованные методы прогнозирования сопротивления воды движению судна. Широкое применение нашла предложенная в 1892 г. русским инженером В. И. Афанасьевым эмпирическая формула для определения мощности, необходимой для достижения судном заданной скорости. В 90-х гг. XIX в. в Петербурге был построен первый в России опытовый бассейн, предназначенный для исследования мореходных качеств судов на их моделях. Инициатива его создания принадлежала гениальному русскому ученому Д. И. Менделееву. Основоположником вихревой теории гребного винта, основного движителя сегодняшнего дня, является другой выдающийся ученый, «отец русской авиации» Н. Е. Жуковский.

Самыми «молодыми» дисциплинами теории корабля, пожалуй, следует признать качку и управляемость. Создателем классической общей теории качки корабля на волнении по праву считается академик А. Н. Крылов. Английское общество корабельных инженеров за этот труд присудило ему, первому из иностранцев, золотую медаль, что явилось признанием приоритета русской науки и принесло А. Н. Крылову мировую известность. Качка судна существенно затрудняет его эксплуатацию, а иногда может стать и причиной его гибели. В декабре 1944 г. третий флот США попал в район, расположенный близ центра тайфуна. Корабли испытывали сильную качку, у некоторых из них амплитуды достигали 70° и более. Три эсминца опрокинулись и затонули. Еще около 30 ед., от сторожевых кораблей до линкоров и авианосцев, получили значительные повреждения. Оценивая последствия тайфуна, командующий Тихоокеанским флотом США адмирал Нимиц отмечал, что потери оказались большими, чем этого можно было ожидать от любого сражения.

Невысокие маневренные качества судна, недостаточное знакомство судоводителей с законами управляемости могут повлечь за собой серьезные повреждения и даже гибель судов. Примеров тому несть числа, остановимся на тех, которые чреваты самыми тяжелыми последствиями, — на столкновениях судов. В мае 1914 г. канадский пассажирский лайнер «Эмпресс оф Айрленд» водоизмещением около 20 тыс. т в заливе Св. Лаврентия был протаранен норвежским пароходом «Сторстад». Удар пришелся в правый борт лайнера под углом 35°, прямой форштевень парохода вошел в его корпус на 5 м, произведя большие разрушения. Всего через 17 минут после удара «Эмпресс оф Айрленд» скрылся под водой, эта ошибка судовождения стоила жизни более чем 1000 человек.

Осенью 1942 г. огромный английский пассажирский лайнер «Куин Мэри» (водоизмещение около 84 тыс. т, длина 314 м) шел из США в Англию, имея на борту почти 11 тысяч американских солдат. Его сопровождал крейсер «Кюрасао» (водоизмещение 4300 т, длина 137 м). Корабли двигались почти параллельными курсами с высокой скоростью — 25 уз. Когда они сблизились, за две минуты до столкновения были предприняты попытки отвернуть, однако предотвратить катастрофу уже ие удалось. «Куин Мэри» врезался в левый борт крейсера и, подобно топору, разрубил его пополам. «Кюрасао» затонул, вместе с ним погибло более 300 членов экипажа. Капитан лайнера, опасаясь возможных атак немецких подводных лодок, не остановился для оказания помощи экипажу крейсера, он не имел права рисковать жизнями своих пассажиров. Позже, разбирая этот поступок, суд оправдал этого капитана лайнера. Позднее было высказано мнение, что столкновению способствовала сила взаимного присасывания, впервые обнаруженная еще в 1911 г. при столкновении лайнера «Олимпик» с крейсером «Хок». Эта авария была хорошо изучена, на основании ее сделаны выводы и соответствующие рекомендации. Однако, как показал пример с «Кюрасао», тридцати лет оказалось недостаточно для воплощения этих рекомендаций в жизнь. В 1970 г. в Ла-Манше в ясную погоду, при хорошей видимости столкнулись два крупнотоннажных либерийских танкера, шедших встречными курсами. За минуту до аварии, когда расстояние между судами уменьшилось до одного кабельтова, на обоих танкерах были переложены рули, но избежать столкновения не удалось — кормовые части судов ударились по касательной. В результате — пожар, загрязнение нефтью моря, гибель 14 человек.

Еще свежа в памяти трагедия, произошедшая в 1987 г. вблизи Новороссийска, когда балкер «Петр Васев» врезался в борт пассажирского лайнера «Адмирал Нахимов». Протараненное судно затонуло в течение считанных минут, унеся жизни нескольких сот пассажиров и членов экипажа.

С развитием судостроительных наук аварий, подобных описанным выше, к счастью, становится все меньше. Приведены же эти примеры в назидание будущим инженерам в целях иллюстрации важности вопросов, о которых будет идти речь ниже.