Развитие кораблестроения

Кораблестроение – самая передовая отрасль техники в XIX веке. На развитие военно-морского флота огромное влияние оказала Крымская война 1853‑1857 гг. После нее парусные корабли, не имевшие машин, были исключены из списков военных флотов. В 1859 г. во Франции был введен в строй первый броненосный корабль «Ла Глуар» водоизмещением 5 600 т, вооруженный 30 162-мм гладкоствольными орудиями, располагавшимися в забронированной батарее. На самом деле это был не новый корабль, а переделанный по проекту инженера Дюпюи де Лома винтовой линейный корабль типа «Наполеон», на котором была срезана одна палуба для компенсации веса брони. Первым броненосцем, построенным из железа, стал английский «Уорриор» (1860 г.). Применение для конструкции корпуса железа позволило увеличить длину корпуса корабля до 116 м, вследствие чего водоизмещение выросло до 9 360 т. «Уорриор» был вооружен 38 68-фунтовыми (203 мм), располагавшимися в каземате, защищенном 112-мм броней. Схема бронирования «Уорриора» и его орудие представлены на рис. 1. Отсутствие брони в оконечностях корабля компенсировалось установкой водонепроницаемых переборок. В настоящее время первый в мире броненосец сохраняется в качестве плавучего музея.

Появление броненосцев свело на нет все военные флоты мира, что и послужило причиной спешного строительства новых кораблей. С 1864 г. вместо гладкоствольных орудий вводятся нарезные. Если для прикрытия корабля от огня гладкоствольных орудий было достаточно тонкой железной брони, появление нарезных орудий заставило увеличивать ее толщину. Это, в свою очередь, привело к повышению калибра орудий. Первые нарезные пушки имели калибр 203 мм, весили 7 т, а масса снаряда составляла 68 кг. Совершенствование броневой защиты вынудило увеличивать калибр орудий, в результате чего вместо многочисленной артиллерии корабли стали воору­жать несколькими орудиями крупного калибра, располагавшимися в барбет­ных или башенных установках. Уже в 1873 г. английская фирма Армстронг построила 406-мм орудия. Четырьмя такими орудиями (в двух башнях) был вооружен английский броненосец «Инфлексибль», вступивший в строй в 1878 г.

Рис. 1 Рис. 2

Еще более мощные 450-мм орудия массой 100 т были изготовлены английской фирмой «Элсвик» для итальянских броненосцев «Дуилио» и «Дандоло» водоизмещением 12 000 т, вступивших в строй также в 1878 г. На рис. 2 показан процесс заряжания орудий броненосца «Дуилио». В результате соревнования между броней и артиллерией не только вырос калибр орудий, но и толщина брони достигла 600 мм. Пушки «Уорриора» располагались еще на колесных лафетах и стреляли почти горизонтально, а энергия выстрела погашалась просто откатом орудия по палубе (см. рис. 1). Для дальнобойных нарезных орудий были созданы поворачивающиеся на платформе лафеты, а для погашения сильнейшей отдачи стали использовать гидротормоза. Дульная энергия башенных орудий броненосцев «Инфлексибль» и «Дуилио» превы­шает энергию старых гладкоствольных орудий в 60 раз.

В 1864 г. французский артиллерист Пьер Мартен разработал способ получения литой стали в плазменной регенеративной печи. Полученные в мартеновских печах болванки прокатывались затем в листы и профильные полосы. Этот способ обеспечил верфи недорогим строительным материалом, более прочным, чем железо. С переходом на железные, а затем и на стальные суда с паровыми машинами и винтовыми движителями кораблестроение начало бурно развиваться. За каких-нибудь два-три десятка лет в военном флоте произошел переход от парусных деревянных кораблей, водоизмещение которых не превышало 5 000 т к стальным гигантам, водоизмещением 15 000 т. Для управления движением и вооружением этих кораблей исполь­зовалось множество механизмов. То же явление наблюдалось и в коммер­ческом судостроении. Так, уже в 1858 г. в Англии был построен гигантский пароход «Грейт Истерн» водоизмещением 32 700 т и длиной 210,4 м. Пароход предназначался для грузопассажирских перевозок и наряду с двумя паровыми машинами, одна из которых работала на винт, а вторая приводила в движение гребные колеса, имел еще и шесть мачт с парусами. Правда, эксплуатация этого гиганта оказалась экономически невыгодной, и его использовали для прокладки трансатлантического кабеля, а в 1890 г. разобрали на металлолом.

Рис. 3 Пароход «Грейт Истерн»

В результате из мастерства деревянной архитектуры кораблестроение превратилось в наиболее развитую отрасль промышленности, использу­ющую самые разнообразные специальности. Строительство гигантских бро­нированных кораблей потребовало разработки теоретических основ строи­тельной механики корабля, а также изучения законов остойчивости и качки. Развернувшаяся гонка вооружений заставила использовать при строи­тельстве военных кораблей новейшие достижения не только промышлен­ности, но и науки. В отличие от предыдущих лет, когда тип корабля не претерпевал существенных изменений на протяжении столетий, во второй половине XIX и начале XX веков корабль зачастую успевал устаревать еще до спуска на воду.

Начало исследования качки и остойчивости корабля положено еще Л. Эйлером в работе «Scientia Navalis» («Корабельная наука»), которая была издана в Петербурге в 1743 г. В этом сочинении заложены основы теории статической устойчивости и теории колебаний. Еще через 20 лет исследования Эйлера привели к конкретным рекомендациям для кораблестроителей.

На протяжении ста лет ученые разных стран продолжали исследования качки корабля. В 1869 г. главный кораблестроитель Британского флота Э. Рид ввел в практику судостроения диаграммы остойчивости, а английский ученый В. Фруд в 1870 г. разработал теорию боковой качки корабля, поперечные размеры которого предполагались малыми по сравнению с размерами прямого сечения волны. Модель такой качки представлена на рис. 3. В 1895 г. А. Н. Крылов разработал теорию килевой качки корабля. После выступления на ежегодном заседании английского общества корабельных инженеров (Institution of Naval Architects – INA) А. Н. Крылов рассмотрел также и общий вопрос о качке корабля при косвенном курсе относительно гребней волн. В 1898 г. за доклад «Общая теория колебаний корабля на волнении» он был удостоен редкого отличия – золотой медали INA.

Переход на новые строительные материалы, сопровождавшийся облегчением судовых конструкций, поставил перед судостроителями целый ряд новых проблем, в том числе и динамических, и потребовал проведения новых типов расчета, таких как исследование концентрации напряжений, колебания судовых корпусов и др. Основы строительной механики корабля заложил еще Л. Эйлер, который в 1770 г. получил премию Парижской Академии наук за мемуар «Исследование усилий, которые должны выносить все части корабля во время боковой и килевой качки». Им были разработаны правила нагрузки корабля, правила устройства связей и вырабо­тана рациональная система конструкции деревянных судов. Спустя 100 лет, в 1870 г. этот мемуар послужил главному кораблестроителю Британского флота Эдуарду Риду в разработке правил постройки железных судов.

Особые сложности возникли, когда размеры судна совпали с длиной океанской волны (свыше 130 м). Тогда корабль оказывается между гребнями двух волн (рис. 4, а) или повисает на гребне одной волны посередине (рис. 4, б). Первыми с этой проблемой столкнулись английские кораблестроители, и суда, у которых длина корпуса соизмерима с длиной волны, называются судами Рида. К тому же коррозионное воздействие морской воды может существенно снизить предел выносливости при циклических нагрузках. Ситуация, когда судно ломается в средней части, не выдержав нагрузки, довольно распространенный вид аварии.

Российские кораблестроители также столкнулись с проблемой про­дольной прочности кораблей при строительстве серии броненосных крей­серов, предназначенных для Тихого океана. По сравнению с крейсерами предыдущих типов новые корабли должны были иметь значительно бóльшую скорость и дальность плавания. В связи с этим выросли их водоизмещение и длина корпуса. На рис. 4 представлен «Рюрик» ‑ первый корабль из серии, вступивший в строй в 1892 г. Длина его корпуса составляла 132,6 м, а водоизмещение 11 650 т. Две паровых машины общей мощностью 13 250 л.с. позволяли крейсеру развивать скорость около 19 узлов, а для большей автономности плавания он сохранял еще полное парусное вооружение.

Рис. 3 Рис. 4

В военном кораблестроении потребности в динамических расчетах были еще выше, так как корпуса военных кораблей легче коммерческих, а машины у них более быстроходные. Кроме того, они должны рассчитываться на такие нагрузки как выстрелы из своих орудий, попадания вражеских снарядов и даже гидравлический удар при подводных взрывах.

Если первоначально паровая машина воспринималась моряками как вспомогательный двигатель, то со временем на военных кораблях от парусов вовсе отказались, обратив все внимание на совершенствование машин, мощ­ность которых в считанные годы выросла в десятки раз. Увеличение мощ­ности и скорости паровых машин при одновременном облегчении конструк­ции корпуса породило проблему колебаний последнего. Решение этой задачи сыграло большую роль в развитии теории колебаний континуальных систем, однако это тема отдельного исследования.

Еще одна проблема – крутильные колебания валов паровых машин также возникла впервые в судостроении. Дело в том, что пароходные паровые машины зачастую более мощные, чем стационарные, но при этом имеют меньший вес. Именно многочисленные аварии пароходных валов, происхо­дившие от наступления резонанса или усталостного разрушения при колеба­ниях, заставили инженеров обратить внимание на вибрационные процессы. Большой вклад в применение теории колебаний в практике кораблестроения сделал видный немецкий инженер Герман Фрам. Его работа, посвященная проблемам колебаний пароходных валов, вышедшая в 1902 г., положила осно­ву обширной теме исследования крутильных колебаний валопроводов.

Он также в 1909 г. первым применил антивибратор для гашения колебаний корпуса судна. На корме судна, где наблюдались наиболее интенсивные колебания, был поставлен прибор, подобный пал­лографу и снабженный катарактом (демпфером) (см. рис. 5). Антивибратор настраивается таким образом, чтобы его собственная частота совпала с частотой вынужденных колебаний корабля. В результате колебания палубы успокаиваются, а энергия благодаря катаракту рассеивается, превращаясь в теплоту. Фрам также создал тахометр для измерений частоты колебаний резо­нансным методом (рис. 6).

Рис. 5 Рис. 6 Рис. 7

В 1911 г. Фрам предложил цистерны для успокоения бортовой качки корабля. Цистерны представляют собой два резервуара, частично заполнен­ных водой и соединенных двумя трубами (см. рис. 7). Вода, переливающаяся из одного резервуара в другой, является поглотителем колебаний. При этом степень сопротивления регулируется воздушным клапаном, которым снабжена верхняя труба. Это устройство успешно применялось на больших пассажирских пароходах.

Именно в морском флоте были созданы и первые успешно работающие гироскопические системы. В 1880-е гг. австрийский инженер Л. Обри, работавший на заводе Уайтхеда в Фиуме, создал прибор для удержания торпеды на курсе (рис. 8). Система использовала свободный гироскоп в кардановом подвесе и работала в режиме автоколебаний. Перед запуском торпеды ротор гироскопа разгонялся специальным устройством, а затем прибор работал на выбеге. При отклонении торпеды от заданного курса внешнее кольцо карданового подвеса гироскопа переставляло золотник пневматического регулятора, который воздействовал на рули торпеды, возвращая ее на курс.

В начале XX в. были сделаны первые попытки использования гиро­скопов для угловой стабилизации. Первым успехом в этом деле был гиро­скопический успокоитель качки корабля, предложенный в 1904 г. О. Шликком. В этом устройстве массивный ротор приводится во вращение паровой турбиной (рис. 9). Ротор 1 расположен в камере 2, которая может качаться по отношению к корпусу судна вокруг перпендикулярной оси. Эти качания гасятся с помощью гидравлического или ленточного тормоза 3. Центр масс системы маховик – рама находится ниже оси подвеса, чтобы ось ротора при отсутствии возмущений располагалась вертикально. Данное устройство испытывалось на небольших судах водоизмещением 56 и 90 т и показало хорошие результаты – амплитуда качки не превышала 1‑2˚.

Рис. 8 Рис. 9

Успокоитель системы Шликка имел существенные недостатки и вскоре был вытеснен активными успокоителями, имевшими бόльшую эффектив­ность. Однако разработанная теория гироскопического успокоителя сыграла важную роль для создания гироскопического стабилизатора вооружения, гирокомпаса, автопилота, навигационных приборов ракет и др. Впоследствии теория гироскопических систем выделилась в самостоятельную область механики, имеющую особенно большое значение в оборонной и аэрокосмической отраслях.