Современные двигатели и гребные винты способны развивать чудовищную мощность и заставить практически любое судно, даже в форме бревна, передвигаться быстро. На первый взгляд ситуация выглядит элементарно: чем больше лошадиных сил, тем быстрее будет двигаться судно. Чем двигатель скромнее — тем больше места на борту, выше дальность хода без заправки, меньше шума и выбросов в атмосферу. Однако не все так просто… Варьируя форму корпуса, можно оптимизировать необходимую для достижения заданной скорости мощность и извлечь из ее уменьшения вышеназванные выгоды: топливную эффективность, высокую дальность хода, простор и комфорт на борту.
Большинство современных моторных яхт длиной более 24 м рассчитаны на движение в так называемом водоизмещающем режиме, т.е. они не глиссируют. Это самый комфортный и экономичный режим плавания. На графике наглядно видно, как необходимая мощность зависит от режима движения водоизмещающего судна. На участке 1 графика небольшое увеличение мощности значительно прибавляет скорости. Но после точки А картина резко меняется — для движения с заданной скоростью требуется значительно бόльшая мощность двигателя. Здесь увеличение мощности вдвое приведет к росту скорости всего лишь на 4 км/ч.
Если продлить участок 1 графика, точка перехода А сдвинется вправо, что означает возможность движения на бόльшей скорости без значительного увеличения мощности. Достичь этой цели можно путем модификации формы подводной части судна. Также необходимы правильное соотношение его длины и ширины, заострение носовой части и поднятие кормы. Найденное гидродинамическое совершенство снизит сопротивление и сэкономит горючее. Видимым признаком высокого сопротивления является оставляемый на воде след: если есть буруны впереди и за кормой (красиво, однако!), значит, на преодоление сопротивления тратится приличная мощность. И вот тут, в разговоре о гидродинамическом совершенстве, возникает очень интересное переплетение с вопросом о комфорте.
Дело в том, что основное беспокойство на борту доставляют вибрация и шум, в том числе и структурный, передаваемый корпусом. С этим можно и нужно бороться. Передачу вибрации двигателя на корпус на 90% фильтруют современные амортизаторы. Передачу вибрации двигателя на гребной вал на 100% гасят эластичные муфты. Остается самый сложный вопрос — передающаяся на корпус пульсация струи от гребного винта, а она существенно увеличивается с ростом мощности.
Иными словами, чем меньше сопротивление, тем меньше вибрирует палуба и мешает шум в салоне. А это снова означает: спасение — в гидродинамическом совершенстве. Еще в 70-е годы в СССР была построена серия судов проекта ОМ-780. Легендарный Омик прославился своей топливной эффективностью за счет найденного оптимального соотношения между его характеристиками и формой корпуса.
Современные яхты аналогичного размера в 2–2,5 раза тяжелее Омика — это расплата за комфорт. Масса их стального корпуса за счет увеличения толщины обшивки больше в 2–3 раза. А мощность их энергетических установок выше в 5–8 раз. И вот, получив заказ на проектирование моторной яхты такой же длины, как у Омика (42 м), проектно-конструкторское бюро Еврояхтинг стало решать задачу создания судна с характеристиками лучше, чем у заслуженного ветерана, при этом, по желанию владельца не поступаясь современным уровнем комфорта: объемом помещений, полноценной их звуко- и виброизоляцией, стильным интерьером. Кстати, последнее для проектанта звучит как приговор: это означает широкий корпус и солидный вес отделки и мебели.
Последовательно приближаясь к совершенным обводам корпуса, Еврояхтнг справился с поставленной задачей — на крейсерской скорости в 12 узлов требуемую мощность энергетической установки удалось уменьшить почти в 2 раза! После численной оптимизации обводов была изготовлена трехметровая модель корпуса, которая прошла испытания в бассейнах тихой воды и мореходном ЦНИИ им акад. А.Н. Крылова.
Основным ограничением для сохранения высоких характеристик стала необходимость обеспечить заданное водоизмещение — 217 т, поскольку на требуемую мощность столь же сильно влияет и водоизмещение судна. Для этого была поставлена задача оптимизировать вес корпуса путем прямого расчета прочности. При этом дополнительно ставилось условие обеспечить жесткость обшивки при движении по волне. Дело в том, что на многих современных яхтах на глянце краски просвечивает почти весь скелет судна. Тому виной — недостаточная жесткость (сопротивление деформации) корпуса.
Итак, прочность судна. Для обоснования принимаемых для расчета нагрузок был проведен анализ трех регистров: Российского речного регистра (М-СП-3.5), Российского морского регистра судоходства (R3-RSN) и Det Norske Veritas. Графики нагрузок были сопоставлены и сверены с результатами испытаний в мореходном бассейне. Так был обоснован выбор внешних нагрузок и расчетных случаев. После этого в программе Ansys была создана объемная модель корпуса судна, где были проведены расчеты прочности методом конечных элементов и прогибы обшивки. Оптимизированный набор корпуса полностью удовлетворил заданным требованиям жесткости. Деформация обшивки не превышает 1,5 мм, что позволяет яхте сохранять гладкость обводов на многие годы.
В сочетании с выбранными материалами — легированной судостроительной сталью повышенной прочности и алюминиевым сплавом в ненагруженных местах — это дало возможность получить 42-метровый корпус массой всего 60 т! Это практически в 2 раза меньше, чем на голландских аналогах.
Подведем итоги… В принципе, научный подход к обводам судна и его конструктивно-силовой схеме вовсе необязателен. Заказчик сильно экономит на проекте, не озадачиваясь топливной эффективностью или внешним видом яхты. Но дальновидный владелец понимает: инновационность корпуса — это долголетие судна и его основной капитал.
