Военно-морская архитектура , или военно-морская инженерия , является инженерной дисциплиной, включающей элементы механической, электрической, электронной, программной и инженерной безопасности применительно к процессу инженерного проектирования , судостроению , обслуживанию и эксплуатации морских судов и сооружений. [1] [2] Военно-морская архитектура включает в себя фундаментальные и прикладные исследования, проектирование, разработку, оценку проекта (классификацию) и расчеты на всех этапах жизни морского транспортного средства. Предварительное проектирование судна, его детальное проектирование, строительство , испытания , эксплуатация и обслуживание, спуск на воду и сухой док являются основными видами деятельности. Расчеты конструкции судна также требуются для судов, которые модифицируются (путем переоборудования, перестройки, модернизации или ремонта ). Военно-морская архитектура также включает в себя разработку правил безопасности и правил контроля за повреждениями, а также утверждение и сертификацию проектов судов для соответствия установленным и неустановленным требованиям.
Слово «судно» включает в себя все описания плавсредств , в основном кораблей и лодок , но также включая неводоизмещающие суда, экранопланы и гидросамолеты , используемые или могущие быть использованными в качестве средства передвижения по воде . [3] Основные элементы военно-морской архитектуры подробно описаны в следующих разделах. [4]
Гидростатика касается условий, которым подвергается судно, находясь в состоянии покоя в воде, и его способности оставаться на плаву. Это включает в себя расчет плавучести , водоизмещения и других гидростатических свойств, таких как дифферент (мера продольного наклона судна) и остойчивость (способность судна восстанавливать себя в вертикальном положении после наклона под действием ветра, моря или условий нагрузки). [5]
Находясь на поверхности жидкости, плавающее тело имеет 6 степеней свободы в своих движениях, которые подразделяются на поступательное и вращательное движение.
Продольная устойчивость при продольных наклонах, устойчивость зависит от расстояния между центром тяжести и продольным метацентром. Другими словами, основой, в которой судно сохраняет свой центр тяжести, является его расстояние, равноудаленное как от кормовой, так и от носовой части судна.
Пока тело плавает на поверхности жидкости, оно все еще сталкивается с силой тяжести, которая давит на него. Чтобы оставаться на плаву и не тонуть, на тело действует противоположная сила, известная как гидростатическое давление. Силы, действующие на тело, должны быть одинаковой величины и иметь одну и ту же линию движения, чтобы поддерживать тело в равновесии. Это описание равновесия присутствует только тогда, когда свободно плавающее тело находится в неподвижной воде, когда присутствуют другие условия, величина которых этих сил резко изменяется, создавая колебательное движение тела. [7]
Выталкивающая сила равна весу тела, другими словами, масса тела равна массе вытесненной телом воды. Это добавляет к телу подъемную силу на величину площади поверхности, умноженную на вытесненную площадь, чтобы создать равновесие между поверхностью тела и поверхностью воды.
Устойчивость судна в большинстве условий позволяет преодолеть любые ограничения или сопротивления, возникающие в бурных водах; однако, у судов возникают нежелательные характеристики качки, когда баланс колебаний при качке в два раза превышает баланс колебаний при вертикальной качке, что приводит к опрокидыванию судна. [8]
Конструкции включают выбор материала конструкции, структурный анализ глобальной и локальной прочности судна, вибрацию структурных компонентов и структурные реакции судна во время движения на море . В зависимости от типа судна, структура и дизайн будут различаться в том, какой материал использовать, а также в каком количестве. Некоторые суда сделаны из армированного стекловолокном пластика, но подавляющее большинство из них — стальные с возможным добавлением алюминия в надстройке. [7]
Полная структура корабля спроектирована с панелями прямоугольной формы, состоящими из стальной обшивки, поддерживаемой четырьмя краями. Объединенные на большой площади поверхности, решетки создают корпус корабля , палубу и переборки, при этом обеспечивая взаимную поддержку рам. Хотя структура корабля достаточно прочна, чтобы удерживать себя вместе, основная сила, которую он должен преодолеть, — это продольный изгиб, создающий напряжение против его корпуса, его структура должна быть спроектирована таким образом, чтобы материал был расположен как можно дальше вперед и назад. [7]
Основными продольными элементами являются палуба, обшивка, внутреннее дно, все из которых выполнены в виде решеток, и дополнительное продольное растяжение к ним. Размеры корабля рассчитаны на создание достаточного расстояния между ребрами жесткости для предотвращения прогиба. Военные корабли использовали продольную систему жесткости, которую приняли многие современные коммерческие суда. Эта система широко использовалась на ранних торговых судах, таких как SS Great Eastern , но позже перешла на поперечную каркасную структуру — еще одну концепцию в конструкции корпуса судна, которая оказалась более практичной. Эта система была позже реализована на современных судах, таких как танкеры, из-за ее популярности и затем была названа системой Ишервуда . [7]
Система Isherwood состоит из укрепления палубы как по бокам, так и снизу продольными элементами, они достаточно разнесены, чтобы иметь такое же расстояние между собой, как и между шпангоутами и балками. Эта система работает, раздвигая поперечные элементы, которые поддерживают продольные, примерно на 3 или 4 метра, с большим интервалом, который обеспечивает необходимую поперечную прочность путем смещения силы, которую обеспечивают переборки. [7]
Мероприятия включают в себя концептуальное проектирование , планировку и доступ, противопожарную защиту , распределение пространства, эргономику и вместимость .
.jpg/1280px-The_bow_of_'Naess_Crusader'_nears_completion_(24461836489).jpg)
Конструкция зависит от используемого материала. При использовании стали или алюминия это включает сварку пластин и профилей после прокатки , маркировки, резки и гибки в соответствии с чертежами или моделями структурного проектирования , за которыми следует монтаж и спуск на воду . Другие методы соединения используются для других материалов, таких как армированный волокном пластик и стеклопластик . Процесс строительства тщательно продуман с учетом всех факторов, таких как безопасность, прочность конструкции, гидродинамика и расположение судна. Каждый рассматриваемый фактор представляет собой новый вариант для материалов, которые следует учитывать, а также ориентацию судна. Когда рассматривается прочность конструкции, акты столкновения судов рассматриваются таким образом, что изменяется структура судна. Поэтому свойства материалов рассматриваются тщательно, поскольку примененный материал на ударяемом судне имеет упругие свойства, энергия, поглощенная ударяемым судном, затем отклоняется в противоположном направлении, поэтому оба судна проходят процесс отскока, чтобы предотвратить дальнейшие повреждения. [9]
Традиционно, морская архитектура была больше ремеслом, чем наукой. Пригодность формы судна оценивалась путем рассмотрения полумодели судна или прототипа. Неуклюжие формы или резкие переходы осуждались как недостатки. Это включало такелаж, палубные устройства и даже крепления. Субъективные дескрипторы, такие как неуклюжий , полный и прекрасный, использовались в качестве замены более точных терминов, используемых сегодня. Судно описывалось и до сих пор описывается как имеющее «справедливую» форму. Термин «справедливый» означает не только плавный переход от носа к корме, но и форму, которая была «правильной». Определение того, что является «правильным» в конкретной ситуации при отсутствии окончательного поддерживающего анализа, охватывает искусство морской архитектуры и по сей день.
Современные недорогие цифровые компьютеры и специализированное программное обеспечение в сочетании с обширными исследованиями по корреляции полномасштабных, буксировочных и вычислительных данных позволили военно-морским архитекторам точнее прогнозировать производительность морского транспортного средства. Эти инструменты используются для статической устойчивости (неповрежденных и поврежденных), динамической устойчивости, сопротивления, питания, разработки корпуса, структурного анализа , моделирования зеленой воды и анализа ударов. Данные регулярно предоставляются на международных конференциях, спонсируемых RINA , Обществом военно-морских архитекторов и морских инженеров (SNAME) и другими. Вычислительная гидродинамика применяется для прогнозирования реакции плавающего тела в случайном море.
Из-за сложности, связанной с работой в морской среде, морская архитектура является совместным усилием групп технически квалифицированных людей, которые являются специалистами в определенных областях, часто координируемыми ведущим морским архитектором. [10] Эта присущая сложность также означает, что доступные аналитические инструменты гораздо менее развиты, чем те, которые используются для проектирования самолетов, автомобилей и даже космических кораблей. Это обусловлено в первую очередь скудностью данных об окружающей среде, в которой должен работать морской транспорт, и сложностью взаимодействия волн и ветра на морской конструкции.
Корабельный архитектор — инженер , отвечающий за проектирование, классификацию, обследование, строительство и/или ремонт кораблей, лодок, других морских судов и морских сооружений, как коммерческих, так и военных, включая:
Некоторые из этих судов являются одними из самых больших (например, супертанкеры ), самых сложных (например, авианосцы ) и высоко ценимых подвижных конструкций, созданных человечеством. Они, как правило, являются наиболее эффективным способом транспортировки сырья и продуктов в мире. Современное проектирование в этом масштабе по сути является командной деятельностью, проводимой специалистами в своих соответствующих областях и дисциплинах. Военно-морские архитекторы интегрируют эти виды деятельности. Эта ответственная роль лидера требует управленческих качеств и способности объединять часто противоречивые требования различных ограничений дизайна для производства продукта, который подходит для этой цели. [11]
В дополнение к этой руководящей роли, морской архитектор также имеет функцию специалиста, гарантирующего создание безопасного, экономичного, экологически чистого и мореходного проекта. Чтобы выполнить все эти задачи, морской архитектор должен иметь понимание многих отраслей техники и быть в авангарде областей высоких технологий. Он или она должны уметь эффективно использовать услуги, предоставляемые учеными, юристами, бухгалтерами и бизнесменами разных видов.
Архитекторы-кораблестроители обычно работают на верфях , у судовладельцев, в проектных фирмах и консалтинговых компаниях, у производителей оборудования, в классификационных обществах , регулирующих органах ( закон Адмиралтейства ), в военно-морских силах и правительствах. Небольшое большинство архитекторов-кораблестроителей также работают в сфере образования, из которых только 5 университетов в Соединенных Штатах аккредитованы с программами по архитектуре и судостроению. Военно-морская академия США является домом для одного из самых знающих профессоров в области архитектуры кораблей; капитан Майкл Бито, USN.
