Развитие транспорта в России

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................... 3

1 ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ................................................................. 3

2 РАЗВИТИЕ ИНЖЕНЕРНОГО ДЕЛА НА АВТОТРАНСПОРТЕ............................................... 6

3 ТЕХНИКО-ИСТОРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МОРЕХОДНОСТИ.................................................. 8

3.1 Древние инженерные решения по мореходности судна..................................................... 11

3.2 Средневековое кораблестроение............................................................................................ 16

3.3 Совершенствование методов проектирования кораблей и обоснование проектных решений................................................................................................................................................................... 18

4 РАЗВИТИЕ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА В РОССИИ.......................................... 23

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................................................... 30

ВВЕДЕНИЕ

В 60 - 80-х годах XVIII века сначала в Англии, а затем и в других странах начался промышленный подъем. Вместо ручного труда появилось машинное производство, вместо ремесленных мастерских и мануфактур - крупные промышленные предприятия.

 В 1763 г. русский инженер И. И. Ползунов представил проект парового двигателя для подачи воздуха в плавильные печи. Машина Ползунова имела удивительную по тем временам мощность - 40 лошадиных сил.

Настоящую революцию в промышленности произвела паровая машина, созданная инженером Джеймсом Уаттом в 1784 г. Говорят, что идея паровой машины зародилась у Уатта еще в детстве, когда он наблюдал за прыгающей крышкой кипящего горшка. Может быть, это исторический анекдот. Во всяком случае, это было одно из величайших изобретений, благодаря которому стало возможно мощное развитие всех областей техники. Универсальность паровой машины Уатта позволяла применять ее на любом производстве и на транспорте.

Паровой двигатель дал мощный толчок развитию транспорта. В 1769 г. французский артиллерийский офицер Жозеф Кюньо изобрел первую паровую повозку для передвижения тяжелых орудий. Правда, она оказалась настолько громоздкой и неуклюжей, что во время испытаний на улицах Парижа пробила стену дома. Эта повозка нашла свое место в Парижском музее искусств и ремесел.

Уильям Мердок решил поставить на колеса двигатель Уатта. Говорят, что сам Уатт был против этого. Мердок изготовил модель паровой повозки, но дальше модели не пошел. В 1802 г. английский конструктор Ричард Тревитик сделал паровой автомобиль. Экипаж двигался с грохотом и чадом, пугая пешеходов. Его скорость достигла 10 км/ч. Чтобы получить такую скорость движения, Тревитик сделал огромные ведущие колеса, которые были хорошим подспорьем на плохих дорогах. Дороги по-прежнему были в плачевном состоянии, а успех автомобиля зависел от качества дорог.

1 ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

В Древнем Египте, Греции и Риме существовали колейные дороги, предназначавшиеся для перевозки по ним тяжелых грузов. Устроены они были следующим образом: по выложенной камнем дороге проходили две параллельные глубокие борозды, по которым катились колеса повозок. В средневековых рудниках существовали дороги, состоящие из деревянных рельсов, по которым передвигали деревянные вагоны. Есть версия, что отсюда пошло название "трамвай", т. е. "бревенчатая дорога".

Примерно в 1738 г. быстро изнашивавшиеся деревянные рудничные дороги были заменены металлическими. Вначале они состояли из чугунных плит с желобами для колес, что было непрактично и дорого. И вот в 1767 г. Ричард Рейнольдс уложил на подъездных путях к шахтам и рудникам Колбрукдэйла стальные рельсы. Конечно, они отличались от современных: в сечении они имели форму латинской буквы U, ширина рельса была 11 см, длина 150 см. Рельсы пришивались к деревянному брусу желобом кверху. С переходом на чугунные рельсы стали делать и колеса у телег чугунными. Для передвижения вагонеток по рельсам использовалась мускульная сила человека или лошади.

Постепенно рельсовые пути выходили за пределы рудничного двора. Их стали прокладывать до реки или канала, где груз перекладывался на суда и дальше перемещался водным путем. Решалась проблема предотвращения схода колес с рельсов. Использовали угловое железо (сплав), но это увеличивало трение колес. Затем стали применять закраины (реборды) у колес одновременно с грибовидной формой рельса в разрезе. Сходы с рельсов прекратились.

В 1803 г. Тревитик решил использовать свой автомобиль для замены конной тяги на рельсовых путях. Но конструкцию машины Тревитик изменил - он сделал паровоз. На двухосной раме с четырьмя колесами находился паровой котел с одной паровой трубой внутри. В котле над паровой трубой горизонтально размещался рабочий цилиндр. Шток поршня далеко выдавался вперед и поддерживался кронштейном. Движение поршня передавалось колесам при помощи кривошипа и зубчатых колес. Имелось и маховое колесо. Этот паровоз короткое время работал на одной из рудничных дорог. Чугунные рельсы быстро выходили из строя под тяжестью паровоза. Вместо того чтобы заменить слабые рельсы более прочными, отказались от паровоза. Уже после Тревитика, забыв о его изобретении, многие пытались создать паровоз. Его делали с зубчатыми колесами, с толкачами в виде ног, протягивали вдоль пути цепь, которая навивалась на шкив, укрепленный на паровозе, и т. д.

Человеком, который сумел проанализировать, обобщить и учесть весь предшествующий опыт в паровозостроении, был Джордж Стефенсон. Известны три типа паровоза Стефенсона. Первый, названный им "Блюхер", был построен в 1814 г. Локомотив мог передвигать восемь повозок массой 30 т со скоростью 6 км/ч. Паровоз имел два цилиндра, зубчато-колесную передачу. Пар из цилиндров вырывался наружу. Затем Стефенсон создал устройство, которое было этапным в паровозостроении - конус. Отработавший пар стал отводиться в дымовую трубу.
Второй паровоз был создан в 1815 г. Стефенсон заменил зубчатую передачу непосредственным соединением кривошипным механизмом поршней цилиндров с движущимися осями и спарил колеса с помощью жестких дышел. Стефенсон был первым паровозостроителем, который обратил внимание на путь и на взаимодействие локомотива и пути. Он изменил соединение рельсов, смягчив толчки, снабдил паровоз подвесными рессорами.

Стефенсон пришел к выводу, что путь должен быть по возможности горизонтальным и что, несмотря на дороговизну путевых работ, необходимо устройство насыпей и выемок при постройке железной дороги. На первой в мире железнодорожной линии Стоктон - Дарлингтон предполагалось в качестве тяги использовать лошадей как наиболее надежное средство. В 1823 г. Стефенсон стал работать на строительстве этой линии, и в том же году он основал первый в мире локомотиво- строительный завод в Ньюкастле. Первый вышедший из этого завода паровоз назывался "Локомашен No I". Он мало отличался от предыдущих и перевозил грузы со скоростью 18-25 км/ч. Для передвижения пассажирских вагонов на линии Стоктон - Дарлингтон использовались лошади. На наиболее крутых участках составы передвигались с помощью канатов. Были уложены и чугунные, и стальные рельсы.

Первая паровая железная дорога Ливерпуль - Манчестер была открыта в 1830 г. С этого времени началось быстрое развитие железнодорожного транспорта. В том же 1830 г. первая железная дорога была построена в Америке между Чарльстоном и Огеста протяжением 64 км. Паровозы сюда были доставлены из Англии. Затем железнодорожное строительство начали одна за другой европейские страны: 1832-1833 гг.- Франция, Сен-Этьен-Лион, 58 км; 1835 г.- Германия, Фюрт - Нюрнберг, 7 км; 1835 г.- Бельгия, Брюссель-Мехельн, 21 км; 1837 г.- Россия, Санкт-Петербург-Царское Село, 6,7 км.

Здесь необходимо заметить, что еще в 1834 г. в Нижнем Тагиле была сооружена чугунная дорога протяжением 854 м с паровой тягой. Паровоз был построен отцом и сыном Черепановыми. Первый их "сухопутный пароход" (так в России в то время называли паровозы) провозил 3,3 т руды со скоростью 13-15 км/ч. Кроме груза, паровоз мог везти до 40 пассажиров. Вскоре Черепановы сделали второй, более мощный паровоз, который водил составы массой до 16 т. Но эту дорогу не считают первой железной дорогой в России, так как она вскоре прекратила свое существование - хозяева предпочли гужевой транспорт.

Железные дороги, зародившись в Англии, распространились по всему миру. Всего до 1860 г. было построено примерно 100 тыс. км железных дорог, из них почти 50 тыс. в США, 16,8 тыс. - в Великобритании, 11,6 тыс. - в Германии и 9,5 тыс. км - во Франции. Из других стран, где в этот период разворачивалось железнодорожное строительство, следует отметить Бельгию, где до 1860 г. было построено 1,8 тыс. км железных дорог, Испанию - 1,9 тыс., Италию - 1,8 тыс., Австро-Венгрию - 4,5 тыс. км. В России в 1851 г. было завершено строительство важной для страны линии Ст.-Петербург - Москва длиной 650 км.

В 60-х годах XIX века после отмены крепостного права значительно возросли объемы железнодорожного строительства в России - в десятилетие с 1890 по 1870 г. она заняла второе место после США по вводу новых линий. В России интенсивный рост сети продолжался и далее, и лишь русско-турецкая война (1877 - 1879 гг.) несколько затормозила этот процесс. Но уже с 1892 г. строительство железных дорог возобновилось. Их протяженность за 10 лет увеличилась более, чем на 20 тыс. км.

В 70 - 80-е годы XIX века объемы железнодорожного строительства продолжали возрастать. В 1880 г. наибольшую протяженность железных дорог в Европе имела Германия - 33 838 км, за ней шла Великобритания - 28 854, затем Франция - 26 189, европейская часть России (с Финляндией) - 23 429 и Австро-Венгрия - 19 512 км. В десятилетие - с 1890 по 1900 г. темп прироста мировой сети снизился до 172,7 тыс. км, но в следующее десятилетие он снова возрос до 239,8 тыс. км. В 1908 году протяженность железных дорог Земного шара превысила 1 млн км. В период 1910 - 1916 гг. железнодорожная сеть Европы возросла на 24 764 км, в том числе Италия увеличила свою рельсовую сеть на 7,6%, Голландия - на 6,4% Германия - на 6,3%, Австро-Венгрия - на 4,1%, Франция - на 4,1%, Бельгия - на 3,6%, Англия - на 2,8%, Испания - на 2,4%. Между тем Россия увеличила свою сеть на 22,6%, а США на 7,9%.

Период между первой и второй мировыми войнами имеет ряд характерных особенностей. В ряде стран Европы наблюдается фактическая остановка развития железнодорожной сети. В Великобритании строительство новых железных дорог практически не велось. То же самое можно сказать о Чехословакии, Румынии и некоторых других странах. Однако это не относится ко всем странам Европы. В этот период сеть железных дорог Германии увеличилась примерно на 10 тыс. км. Почти на столько же возросла длина сети во Франции. В СССР сеть увеличилась почти на 30 тыс. км. В Бельгии длина сети возросла на 1,5 тыс., в Швеции - почти на 3 тыс., в Испании - на 2 тыс. км. В Европе с 1913 по 1939 г. протяженность сети возросла на 89 тыс. км.

К началу второй мировой войны примерно половина мировой железнодорожной сети приходилась на семь государств - США, СССР, Великобританию, Францию, Германию, Италию, Японию. В этих странах (кроме СССР и Италии) была достигнута очень высокая густота сети, во много раз превосходящая густоту сети стран Африки или Азии. В Европе наибольшую густоту железнодорожной сети имели Великобритания, Франция, Бельгия, Голландия, Дания, Германия, Чехословакия, Австрия, Швейцария. Менее развитая сеть была в СССР, Италии, Польше, Венгрии, Румынии, балканских и скандинавских странах. Железнодорожные линии сосредоточивались в промышленных районах.

Железнодорожная сеть СССР на 1 января 1938 г. по протяженности занимала второе место в мире и составляла 85,1 тыс. км. Основные железнодорожные линии меридионального направления связали Донбасс, Кавказ и Нижнее Поволжье с Москвой, Ленинградом и северными районами страны. В широтном направлении важная роль принадлежала железнодорожным линиям, идущим из Москвы, Ленинграда и Донбасса на Урал и в Среднюю Азию. Большое значение имела Транссибирская магистраль, связавшая районы Урала, Сибири и Дальнего Востока. Турксиб обеспечил кратчайший путь из Средней Азии в Сибирь и на Дальний Восток. Но густота сети СССР была невелика. После второй мировой войны железнодорожная сеть СССР стала восстанавливаться, а затем и возрастать. На 1989 г. ее общая длина составила 1234,9 тыс км.

2 РАЗВИТИЕ ИНЖЕНЕРНОГО ДЕЛА НА АВТОТРАНСПОРТЕ

Мечты о самодвижущихся средствах передвижения издавна были присущи человеческому сознанию. Уже в эпоху средневековья появились транспортные средства, управляемые спрятанными внутри людьми. В 1490 году Леонардо да Винчи сконструировал повозку с ручным управлением. Независимо от Джеймса Уатта, создавшего в 1769 году первую паровую машину, появились паровые автомобили француза Киньо (1769-1770), почтовая карета Тревитика (1801), легковой паровой автомобиль Ханкока (1822), французский паровой омнибус (1873).

В 1806 году в одном из швейцарских кантонов, мастерской Исаака де Ривазо было создано транспортное средство, которое могло продвинуться на несколько метров за счет двигателя внутреннего сгорания. Французу Ленуару пришла мысль соединить пары бензина с воздухом и использовать эту смесь как движущую силу. Такой примитивный двигатель дал возможность машине, на которую он был поставлен, преодолеть расстояние от Парижа до Жуэнвиля - Ле - Пон.

В Кельне Рейне Николаус Отто устроил небольшую мастерскую, в которой работал над усовершенствованием газолинового двигателя Ленуара. Во время одного из экспериментов родилась идея, которая оказалась решающей для дальнейшего развития двигателя - сжатие газовоздушной смеси в камере внутреннего сгорания и четырехтактный рабочий цикл. Отто запатентовал свое изобретение в 1876 году, не зная, что французский инженер Бo де Роща еще в 1862 году теоретически обосновал принцип четырехтактного двигателя. Поэтому после жалобы, поданной наследниками Роща, имперский суд отменил в феврале 1886 года патент Отто. С этих пор каждый, у кого было желание и возможности, мог заняться изготовлением четырехтактных двигателей.

Следующим после создателя газолинового двигателя Отто следует упомянуть Готлиба Даймлера, который поставил себе целью разработать легкий бензиновый двигатель, пригодный для экипажа. В результате был создан скоростной одноцилиндровый мотор объемом 460 куб.см. Он делал 700 оборотов в минуту и достигал мощности в 1.1 кВт (1.5 л.с.). Этот двигатель был снабжен системой зажигания испарительным карбюратором. Затем Карл Бенц в Мангейме сконструировал в 1885 году моторизованный трехколесный экипаж, а Даймлер создал первый на свете мотоцикл, у которого были деревянные окованные колеса и деревянная рама. Его масса составляла 90 кг, а максимальная скорость - 12 км/ч. Двигатель охлаждался вентилятором и крепился на раме на сайлентблоках из специальной резины. Осенью 1886 года Даймлер поразил своих соотечественников конструкцией первого скоростного четырехколесного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Автомобиль развивал скорость до 18 км/ч. После всемирной выставки 1889-ого года успех машин Бенца и Даймлера не заставил себя ждать. В последующие годы мощность двигателя возрастала на 15, 20, даже на 45 кВт (20, 30, 60 л.с.). Ременная передача не получила дальнейшего применения. Был разработан автомобиль современного типа: спереди - двигатель, затем сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал с распределителем и жесткая задняя ось. Укрепила свои позиции четырехступенчатая коробка передач с зубчатыми колесами и кулисным механизмом. Конструкторы уже принимали в расчет соотношение между диаметром и ходом цилиндров, проблему наполнения цилиндров и многие другие проблемы, существенные для конструирования более мощных и в то же время экономичных двигателей. На рубеже столетий появилось зажигание от магнето системы Боша.

За годы, прошедшие после начала воздушных перевозок, не появилось каких-то принципиально новых видов автомобильного транспорта. Для удобства переработки грузов все транспортные компании начали широко пользоваться контейнерами («ящиками» стандартной формы, которые можно складировать и перевозить на автомобилях). Груженые контейнеры можно перевозить на железнодорожных платформах или судах и даже на самолетах. Выпускаются специальные контейнеры для перевозки замороженных продуктов, овощей и других скоропортящихся продуктов, для перевозки жидкостей, одежды и других грузов, требующих особого обращения.

В СССР/России проводились эксперименты с контейнерным пневматическим транспортом; в таком транспорте контейнеры перемещаются по трубопроводам под действием энергии сжатого воздуха. В случае коммерческого успеха этот вид транспортировки на небольшие расстояния может конкурировать с автомобильным транспортом. Трубопроводы для угольной пульпы, по которым уголь, смешанный с водой, подается «на гора», возможно, будут конкурировать с откаткой угля вагонетками в США.

3 ТЕХНИКО-ИСТОРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МОРЕХОДНОСТИ

История мореплавания, насчитывающая, по оценкам ученых, подтвержденным археологическими находками, свыше 6 тысяч лет, начиналась с сооружения плотов, долбленых челноков, лодок, сшитых из шкур и собраных из досок. Затем перешли к постройке крупных судов, пересекающих океаны. Каждое новое судно воплощало в себе опыт и мастерство судостроителей, которые еще в начале нашего летоисчисления начали задумываться над общими принципами судостроения, пользоваться результатами экспериментов, выводами науки. Постепенно, методом проб и ошибок, устанавливались основные технические и теоретические требования к каждому строящемуся судну.

На протяжении тысячелетней истории мореплавания, размеры парусных судов неизменно росли. Совершенствовалось, изменялось применительно к существующим условиям их парусное вооружение.
C XVI века в течение последующих трехсот лет на всех морских торговых путях, бравших начало в портах Балтийского и Северного морей, безраздельно господствовал когг ≈ типичное транспортное судно Ганзы. Он был не хуже, но и не лучше нефа. В начале XV века стали строить двухмачтовые когги. Дальнейшее развитие мирового судостроения ознаменовалось переходом в середине XV века к трехмачтовым судам. Впервые такой тип судна появился на севере Европы в 1475 году. Его фок- и бизань- мачты позаимствованы у средиземноморских венецианских судов. Первым трехмачтовым судном, зашедшим в Балтийское море, был французский корабль "Ля Рошель". Обшивка этого корабля, имевшего длину 43 м и ширину 12 м, набрана не внакрой, подобно черепице на крыше дома, как это делали раньше, а вгладь: одна доска вплотную к другой. И хотя такой способ обшивки знали и прежде, тем не менее заслугу его изобретения приписывают корабелу из Бретани по имени Жюлиан, который назвал этот способ "карвель", или "кравеель". Название обшивки позже перешло в наименование типа судов ≈ каравелла. Каравеллы были изящнее коггов и имели лучшее парусное вооружение, поэтому не случайно средневековые первооткрыватели избирали для заморских походов эти прочные, ходкие и вместительные корабли. Характерные особенности каравелл ≈ высокие борта, глубокая седловатость палубы в средней части судна и смешанное парусное вооружение. Только фок-мачта несла четырехугольный прямой парус. Латинские паруса на косых реях грот- и бизань-мачты позволяли судам ходить круто к ветру.

В первой половине XV века крупнейшим грузовым судном (возможно, до 2000 т.) была трех - мачтовая двухпалубная каракка, вероятно, португальского происхождения. В XV≈XVI веках на парусных судах появились составные мачты, которые несли сразу несколько парусов. Площадь марселей и крюйселей (верхних парусов) была увеличена, что облегчило управление и маневрирование судном. Отношение длины корпуса к ширине составляло от 2:1 до 2,5:1. В результате мореходные качества этих, так называемых "круглых" судов улучшились, что позволило совершать более безопасные дальние плавания в Америку и Индию и даже вокруг света. Четкого различия между парусными торговыми и военными судами в то время не существовало; типичным военным судном в течение ряда веков была лишь гребная галера. Галеры строились одно- и двух- мачтовые и несли латинские паруса. Значительно большими кораблями, чем галеры, были галеасы: они имели три мачты с латинскими парусами, в корме два больших рулевых весла, две палубы (нижняя для гребцов, верхняя для солдат и пушек), в носовой части надводный таран. Эти военные суда оказались долговечными: еще в XVIII веке почти все морские державы продолжали пополнять свои флоты галерами и галеасами.

В середине XVI века термин "каракка" выходит из употребления. Большое парусное судно с тремя или четырьмя мачтами стали называть просто судном. В конце XVI века в Голландии начали строить суда нового типа ≈ флейты. Соотношение длины судна к ширине 4:1 и более. Флейты имели добротное парусное вооружение, небольшую осадку и хорошие мореходные качества. Они считались наиболее экономичными судами своего времени.

На севере Европы в начале XVII века появляется новый тип судна, похожий на флейт ≈ трехмачтовый пинасс (пинасса). К этому же типу судов относится и появившийся в середине XVI века галион ≈ военное судно португальского происхождения, которое в дальнейшем стало основой флотов испанцев и англичан. На галионе впервые орудия были установлены и над и под главной палубой, что привело к строительству батарейных палуб; орудия стояли по бортам и стреляли через порты. Водоизмещение крупнейших испанских галионов 1580-1590 годов равнялось 1000 т., а соотношение длины корпуса к ширине 4:1. Отсутствие высоких надстроек и длинный корпус позволяли этим кораблям ходить быстрее и круче к ветру, чем "круглым" судам. Для повышения скорости были увеличены количество и площадь парусов, появились добавочные паруса ≈ лисели и ундерлисели. В то время символом богатства и силы считались украшения ≈ все государственные и королевские суда были роскошно отделаны. Различие между военными и торговыми кораблями стало более отчетливым. В середине XVII века в Англии начали строить фрегаты, имевшие до 60 орудий на двух палубах, и меньшие боевые суда, такие, как корвет, шлюп, бомбарда и другие.

В XVIII веке значительно совершенствуются деревянные судовые конструкции. Стала обычной постройка судов водоизмещением до 2000 т.
С середины столетия отказываются от блинда-стеньги. Вместо этого на бушприте устанавливают утлегарь для крепления среднего кливера, кливера и бом-кливера. На английских судах кливера появились еще в 1702 году. С 1705 года в употребление входит штурвал, при помощи которого можно было перекладывать руль, находясь на квартердеке (приподнятая на 0,8-1 м кормовая часть верхней палубы). Во второй половине XVIII века корпуса судов стали значительно прочнее, так как увеличилось количество шпангоутов, при этом каждый второй шпангоут имел двойную толщину. На больших судах мачты и некоторый другой рангоут изготовляли из отдельных элементов, скрепляемых железными обручами ≈ бугелями. С 1761 года в Англии, чтобы предохранить корпус судна от древоточцев, на его подводную часть стали накладывать медные листы на медных гвоздях. Вскоре такая практика распространилась повсеместно.

В начале XVIII века основой военных флотов становятся линейные корабли, названные так в связи с возникновением линейной тактики морского боя: суда выстраивались один за другим в линию так, чтобы было возможным вести огонь из всех пушек одного борта, что наносило противнику наибольший урон. Водоизмещение трехдечных линейных 100-пушечных кораблей 1-го ранга достигало 5000 т., а 40 - 50-пушечных двухдечных кораблей 3-го ранга ≈ 1000 т. Вследствие увеличения стоимости постройки, а также в целях улучшения управления судном носовые скульптурные фигуры и богатое украшение кормы постепенно исчезают. В конце XVIII века борта судов красят в черный и желтый цвета (черные полосы ≈ по батарейным палубам, желтые ≈ между ними), внутренние стороны пушечных портов еще со времен галер ≈ в красный цвет. Позже желтые полосы заменяют белыми.

 Известно, что древние корабли строились самими же мореплавателями, и проектирование нового корабля всегда делалось с учетом будущего режима и района плавания. Можно сделать предположение, что если определенные проектные решения по форме корпуса и корабельной архитектуре сохранялись веками и тиражировались одновременно в нескольких странах, то соответствующие корабли можно считать вполне мореходными или же оптимальными по условиям плавания и хорошей морской практики.
Древним корабелам-мореплавателям приходилось уделять существенно большее внимание безопасности штормового плавания, так как гребные весла не пригодны в качестве движителей даже при умеренном волнении, а сильный шквальный ветер превращает парусное вооружение в источник серьезной опасности. Современное же судно, при условии поддержания работоспособности главного двигателя и рулевого устройства, в состоянии противопоставить морской стихии мощность своих машин, тем самым снижая требования к штормовой мореходности, обеспечиваемой формой корпуса и надстроек.

Историческая эволюция корабельной архитектуры объясняется изменениями в принципах приведения корабля в движение и лишь отчасти состоянием технологии кораблестроения. Последний тезис удобно применять для анализа мореходности судового корпуса с древнейших времен и до начала ХХ века. В архитектуре же современных судов одинакового назначения можно найти существенные отличия в их форме корпуса и надстроек, поэтому становится интересным проведение сравнительного анализа мореходных качеств, обусловленных обводами корпуса и архитектурой надстроек. Актуальность такого вопроса связана также с тем, что в последние десятилетия очень быстро меняется представление о наилучшей форме корпуса, но за этот период не произошло каких-либо изменений в принципах обеспечения мореходности или в способе поддержания движения.

Mожно предположить, что связная история развития представлений о наиболее мореходном корабле определялась практическим опытом мореплавания, который формализовался в систему эвристических и, по-видимому, неписаных правил. Эти правила потеряли свое определяющее значение с приходом к практическому проектированию поколения профессиональных инженеров - не знакомых с практическим судовождением. Этот рубеж отмечается во времени появлением и триумфом проекта эсминца типа "Новик". То есть, когда стремление к максимальному насыщению корабля оружием возобладало над свойственной мореплавателям заботой о хорошей мореходности.

По выражению Томаса Джилмера [Джилмер Томас С., 1984]: "Проектирование кораблей часто считают искусством...", он продолжает: "... Значение его как искусства недооценивается лишь теми конструкторами, воображение и творческая мысль которых ограничены... ". Думается, что при проектировании судовых обводов, последнее будет актуально вплоть до появления методов вычислительной оптимизации, учитывающей не только ходкость корабля на спокойной воде, но и весь комплекс вопросов штормового плавания на взволнованной поверхности моря. В настоящее же время неизвестно удовлетворительных оптимизационных решений как в задаче о ходкости, так и в задаче о мореходности. Нет таких решений и для поверочных расчетов по заданной форме корпуса, и не только в случае плавания на волнении, но даже и на спокойной воде.

3.1 Древние инженерные решения по мореходности судна

Известно, что Фараон Нэхо (612-576гг. до н.э.), для организации внешней торговли и мореплавания, обращался к услугам финикийцев, государство которых находилось на богатой лесом территории современного Ливана и Сирии. Расцвет кораблестроения и морской славы Финикии приходится на 1200-700гг. до н.э.

Рисунок 1 – Египетское папирусное судно

Корпус судна хорошо приспособлен для речного плавания с частыми подходами к необорудованному пологому берегу.

Это были крупные торговые суда с палубами, по форме корпуса и мореходным качествам похожие на ладьи викингов, а также военные корабли с тараном и даже, двумя рядами весел. Как о великих мореплавателях можно судить потому, что финикийцы имели колонии по всему побережью Средиземного моря, о них знали далеко за пределами Гибралтарского пролива, в том числе на английских островах и даже за мысом Доброй Надежды. [Курти О., 1977].

Рисунок 2 – Финикийское морское торговое судно.

Подобно судам викингов, такое судно в состоянии удерживаться лагом к штормовой волне. В этом режиме плавания килевая качка демпфируется развалом шпангоутов в оконечностях, а большая поперечная остойчивость корпуса позволяет отслеживать поверхности волны, чем обеспечивается незаливаемость.

Mорская слава Финикийцев говорит о хорошей мореходности их торговых судов. Принципы проектирования формы корпуса таких судов дольше всего сохранялись в ладьях Викингов. Для анализа опыта штормового плавания можно обратится к практике использования самодельных деревянных лодок, которые уверенно ходят по взволнованной поверхности Волжских водохранилищ, держа курс "лагом к волне". Kорпус этих судов является наиболее ярким примером приспособляемости к свойствам ветрового волнения. Здесь корабелы преследуют цель минимизации силового взаимодействия корпуса с волнением, ставя условием обеспечение незаливаемости палубы

Штормовое плавание лагом к волне

Oсновными особенностями обводов корпуса, которые обеспечивали штормовую незаливаемость верхней палубы, можно выделить следующие:

- Низкий надводный борт, не воспринимающий кренящее давление ветра, и широкий корпус, обеспечивающий хорошую поперечную остойчивость;

- Округлая форма мидель-шпангоута обеспечивает крутые ветви диаграммы статической устойчивости, что в совокупности с низким центром тяжести позволяет корпусу легко удерживаться на наклонной поверхности волны. Это необходимо для обеспечения незаливаемости;

- Зауженные и высокие V-образные шпангоуты в носу и в корме способствуют демпфированию килевой качки. При килевой качке эти шпангоуты расталкивают воду, создавая динамические условия незаливаемости в оконечностях;

- Судно делается симметричным относительно носа и кормы, что является главным условием непротивления стихии. Для удержания курса лагом к волне (т.е. вдоль волновых фронтов - когда корпус не пересекают волновые хребты), оказываются достаточными усилия гребцов на веслах, а при усилении волнения и потере хода, эта задача может быть решена с помощью только одного рулевого весла.

Tакая форма корпуса хорошо использует свойства ветрового волнения при малой длине разгона свободных волн. (Длительный шторм в океане порождает волнение в форме суперпозиции волн зыби и активных молодых волн, что с позиций рулевого, делает непредсказуемым подход волны к корпусу и затрудняет маневрирование с целью уклонения от волны). Групповой характер ветрового волнения обуславливает появление крупных "девятых валов", которые всегда имеют четко выраженную продольную вытянутость, а по динамическим свойствам эти валы подобны стоячим волнам, то есть вершина вала не несет на корпус судна обрушающегося потока. Кормчему необходимо следить, чтобы корпус судна удерживался лагом к волне, далее судно свободно кренится, удерживая палубу параллельно волновой поверхности. Незаливаемость в этом режиме плавания обеспечивается, даже если высота "девятого вала" в несколько раз превышает высоту корпуса судна (или речной лодки). Захватывающее и красивое плавание, когда со стороны видно как судно полностью погружается в пучину, затем на мгновение появляется на вершине волны в полной сохранности!

Hо мореходность такого судна не безгранична, и в случае нарушения характера качки за счет неуправляемого поворота судна, или при усилении шторма, первая губительная волна попадает в корпус в районе скулы или кормовой раковины.

Активное штормование с ходом по волне

Образец корпуса, допускающего активное
маневрирование в штормовом море, что необходимо для ухода в укрытие от реальной штормовой опасности. При этом обводы корпуса учитывают особенности
штормового плавания по волне, под управлением штормовых парусов и навесного руля.

Рисунок 3 – Рыболовное судно русских поморов.

Hовый, дерзкий метод штормового плавания пришел на флот с введением парусного вооружения. Это штормовой ход по волне, который может использоваться современными спортивными яхтами. Древними аналогами таких парусников можно назвать: арабские парусники, китайские джонки и рыболовные суда русских поморов. Причем, для русских поморов такие режимы плавания обосновываются тем, что при усилении северного ветра в Баренцевом море, к примеру, рыбакам необходимо двигаться к берегу и укрываться в прибрежных шхерах. Это необходимо еще и потому [Бадигин К.С., 1956], что их суда приспособлены к лову рыбы и плаванию во льдах, но не могут выдержать реальных северных штормов, и не имеют достаточной автономности для длительного плавания в ледяных полях в северной части Баренцева моря..

- Судно должно иметь полные кормовые обводы, с глубоко посаженным пером руля. При этом надводная часть кормы не должна нависать над водой, что необходимо для исключения захвата корпуса быстро движущимся гребнем попутной волны. Руль желательно иметь заглубленным настолько, чтобы его основная площадь находилась на уровне подошвы волны, так как поток воды в гребне движется в попутном направлении и быстрее самого судна.

- Штормовой парус должен обеспечивать перемещение центра парусности в нос, что в совокупности с полной кормой и обтекаемыми носовыми обводами сделает возможным удержание курса по волне и по ветру. Здесь, носовая оконечность не должна иметь заостренного и килеватого форштевня, так как последнее будет перемещать центр динамического бокового сопротивления в нос и тем самым нарушать устойчивость на штормовом курсе.

- В отличие от финикийского судна, такой корпус требует непрерывного и активного управления движением с помощью кормового руля. В случае, если корпус все же захватывается и ставится лагом к волне, то вывести судно на исходный курс можно только с помощью управления парусом, так как судно сразу же теряет ход.

Kонечно заливаемость при таком режиме плавания не исключена, но разрушительная сила попутной волны ослаблена ходом судна вперед и поэтому вода на палубе не представляет серьезных трудностей по управлению рулем и парусом.

Pассмотренные выше два типа корпуса представляют собой два проекта, в которых: первое судно является наилучшим для плавания на веслах, второе для плавания под парусами. Оба корпуса сохранились до наших дней: первый используется при изготовлении спасательных шлюпок и буксиров; второй - при изготовлении спортивных яхт и опять - буксиров спасателей - если брать во внимание архитектуру надстроек. Это хорошие малые суда, которые способны сохранять активность (ход и управляемость) при движении в условиях усиливающегося штормового волнения. Но это режимы плавания, в которых корпус судна подвергается большим перегрузкам, обусловленным штормовой качкой, поэтому обводы таких корпусов не могут быть использованы при проектировании крупных судов, по двум причинам:

- Ограниченная безопасность штормового плавания - так как при усилении волнения, непредсказуемость появления волн и зыби вблизи корпуса превзойдут опыт и искусство рулевого, или же энергия волн и ветра превзойдут возможности экипажа по управлению парусным вооружением;

- Естественно, что такое судно, при необходимости поддержания хода и управляемости, будет предполагать интенсивный обмен энергией между корпусом и волнением. Это недопустимо для крупного судна, потому, что пропорциональное увеличение прочности корпуса нереализуемо, также, и по техниче