Морская инженерия — это инженерия лодок , кораблей, подводных лодок и любых других морских судов . Здесь это также подразумевает инженерию других морских систем и сооружений — именуемую в определенных академических и профессиональных кругах «океанической инженерией». После получения этой степени можно поступить на корабль в качестве офицера в машинном отделении и в конечном итоге дослужиться до звания старшего механика . Это звание является одним из высших на борту и равно званию капитана судна. Морская инженерия — это весьма предпочтительный курс для поступления на торговый флот в качестве офицера, поскольку он предоставляет широкие возможности как с точки зрения работы на борту, так и на берегу.
Морская инженерия применяет ряд инженерных наук, включая машиностроение , электротехнику , электронную инженерию и компьютерную инженерию , к разработке, проектированию, эксплуатации и обслуживанию судовых двигательных установок и океанических систем. [1] Она включает в себя, помимо прочего, энергетические и двигательные установки, машины, трубопроводы, системы автоматизации и управления для морских транспортных средств любого типа, а также прибрежные и морские сооружения.
Архимед традиционно считается первым морским инженером, разработавшим ряд морских инженерных систем в древности. Современная морская инженерия восходит к началу промышленной революции (начало 1700-х годов).
В 1807 году Роберт Фултон успешно использовал паровой двигатель для движения судна по воде. На судне Фултона двигатель использовался для приведения в действие небольшого деревянного гребного колеса в качестве морской двигательной установки. Интеграция парового двигателя в судно для создания морского парового двигателя стала началом профессии морского инженера. Всего через двенадцать лет после того, как «Клермонт» Фултона совершил свое первое плавание, « Саванна» ознаменовала первое морское путешествие из Америки в Европу. Примерно 50 лет спустя паровые гребные колеса достигли пика с созданием « Грейт Истерн» , который был таким же большим, как одно из современных грузовых судов, длиной 700 футов и весом 22 000 тонн. Колесные пароходы стали лидерами пароходной промышленности в течение следующих тридцати лет, пока не появился следующий тип движителя. [2]
Существует несколько образовательных путей, чтобы стать морским инженером, все из которых включают получение университетской или колледжской степени, например, бакалавра инженерии (B.Eng. или BE), бакалавра наук (B.Sc. или BS), бакалавра технологий (B.Tech.), бакалавра управления технологиями и морской инженерии (B.TecMan & MarEng) или бакалавра прикладных наук (BASc.) в области морской инженерии.
В зависимости от страны и юрисдикции для получения лицензии морского инженера может потребоваться степень магистра , например , магистр инженерных наук (M.Eng.), магистр наук (M.Sc или MS) или магистр прикладных наук (MASc.).
Некоторые морские инженеры присоединяются к профессии сбоку, приходя из других дисциплин, таких как машиностроение , гражданское строительство , электротехника , геоматика и экологическая инженерия , или из областей, основанных на науках, таких как геология , геофизика , физика , геоматика , науки о Земле и математика . Чтобы получить квалификацию морского инженера, эти меняющие профессии должны получить степень магистра морской инженерии, такую как M.Eng, MS, M.Sc. или MASc., после окончания другой количественной программы бакалавриата .
К основным предметам изучения морской инженерии обычно относятся:
В проектировании морских судов морская архитектура занимается общим проектированием корабля и его движением по воде, в то время как морская инженерия обеспечивает функционирование судовых систем в соответствии с проектом. [3] Несмотря на то, что у них есть различные дисциплины, морские архитекторы и морские инженеры часто работают бок о бок.
Океаническая инженерия занимается другими структурами и системами в океане или рядом с ним, включая морские платформы , прибрежные сооружения, такие как пирсы и гавани , и другие океанические системы, такие как преобразование энергии океанских волн и подводные системы жизнеобеспечения . [4] Это фактически делает океаническую инженерию отдельной областью от морской инженерии, которая занимается проектированием и применением конкретно судовых систем. [5] Однако из-за схожей номенклатуры и множества пересекающихся основных дисциплин (например, гидродинамика , гидромеханика и материаловедение ) «океанская инженерия» иногда работает под общим термином «морская инженерия», особенно в промышленности и академических кругах за пределами США. Та же комбинация была применена к остальной части этой статьи.
Океанография — это научная область, занимающаяся сбором и анализом данных для характеристики океана. Хотя морская инженерия и океанография являются отдельными дисциплинами, они тесно переплетены: морские инженеры часто используют данные , собранные океанографами, для информирования своих проектов и исследований, а океанографы используют инструменты, разработанные морскими инженерами (точнее, инженерами-океанографами), для углубления своего понимания и исследования океана. [6]
Морская инженерия включает в себя многие аспекты машиностроения. Одним из проявлений этой взаимосвязи является проектирование судовых пропульсивных систем. Инженеры-механики проектируют главную пропульсивную установку, аспекты питания и механизации функций судна, такие как рулевое управление, якорная стоянка , обработка грузов , отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, внутренняя и внешняя связь и другие связанные с этим требования. Системы генерации и распределения электроэнергии обычно проектируются их поставщиками; единственная обязанность проектирования морской инженерии — это установка.
Кроме того, понимание тем машиностроения, таких как гидродинамика , механика жидкости , линейная теория волн , прочность материалов , структурная механика и структурная динамика, имеет важное значение для репертуара навыков морского инженера. Эти и другие предметы машиностроения служат неотъемлемым компонентом учебной программы по морской инженерии. [7]
Концепции гражданского строительства играют важную роль во многих проектах морской инженерии, таких как проектирование и строительство морских сооружений, морских мостов и туннелей , а также проектирование портов/гаваней.
Морская инженерия часто имеет дело с областями электротехники и робототехники , особенно в приложениях, связанных с использованием глубоководных кабелей и подводных аппаратов (UUV).
Серия трансокеанских волоконно-оптических кабелей отвечает за соединение большей части мировой коммуникации через Интернет , передавая до 99 процентов всего мирового интернет-трафика и трафика сигналов. Эти кабели должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать глубоководные среды, которые являются удаленными и часто суровыми, с экстремальными давлениями и температурами, а также потенциальными помехами от рыболовства , траления и морской жизни .
Использование беспилотных подводных аппаратов (UUV) может выиграть от использования автономных алгоритмов и сетей. Морские инженеры стремятся узнать, как достижения в области автономии и сетей могут быть использованы для улучшения существующих технологий UUV и содействия разработке более эффективных подводных аппаратов.
Знание морской техники оказывается полезным в области нефтяной инженерии, поскольку гидродинамика и интеграция морского дна являются ключевыми элементами при проектировании и обслуживании морских нефтяных платформ .
Морское строительство — это процесс возведения сооружений в крупных водоемах, обычно в море, или рядом с ними. Эти сооружения могут быть построены для различных целей, включая транспортировку, производство энергии и отдых. Морское строительство может включать использование различных строительных материалов, в основном стали и бетона . Некоторые примеры морских сооружений включают корабли, морские платформы, причалы, трубопроводы, кабели, причалы, мосты, туннели, волнорезы и доки.
Точно так же, как инженеры-строители проектируют с учетом ветровых нагрузок на здания и мосты, морские инженеры проектируют с учетом того, что судно или подводная лодка будет подвергаться ударам волн миллионы раз в течение срока службы судна. Эти условия нагрузки также встречаются в морском строительстве и прибрежной инженерии
Любое морское судно постоянно нуждается в гидростатической устойчивости. Корабельный архитектор , как и конструктор самолетов, озабочен устойчивостью . Уникальность работы корабельного архитектора заключается в том, что судно одновременно работает в двух жидкостях: воде и воздухе. Даже после того, как судно спроектировано и спущено на воду, морские инженеры сталкиваются с проблемой балансировки груза, поскольку вертикальное штабелирование контейнеров увеличивает массу судна и смещает центр тяжести выше. Вес топлива также представляет собой проблему, поскольку крен судна может привести к смещению жидкости, что приведет к дисбалансу. На некоторых судах это смещение будет компенсировано хранением воды в более крупных балластных цистернах. Морские инженеры отвечают за задачу балансировки и отслеживания топлива и балластной воды судна. Плавучие морские сооружения имеют схожие ограничения.
Соленая среда, с которой сталкиваются морские суда, делает их очень восприимчивыми к коррозии. В каждом проекте морские инженеры озабочены защитой поверхности и предотвращением гальванической коррозии . Коррозию можно остановить с помощью катодной защиты , вводя куски металла (например, цинка ), которые будут служить «жертвенным анодом» в коррозионной реакции. Это заставляет корродировать металл вместо корпуса судна. Другой способ предотвращения коррозии — пропускать контролируемое количество слабого постоянного тока через корпус судна, тем самым изменяя электрический заряд корпуса и задерживая начало электрохимической коррозии. Аналогичные проблемы встречаются в прибрежных и морских сооружениях.
Противообрастающее действие — это процесс устранения препятствующих организмов из основных компонентов морских систем. В зависимости от характера и местоположения морского обрастания этот процесс выполняется несколькими способами:
Сжигание судового топлива приводит к выбросу в атмосферу вредных загрязняющих веществ. Суда сжигают судовое дизельное топливо в дополнение к тяжелому топливу . Тяжелое топливо, являясь самым тяжелым из очищенных масел , при сгорании выделяет диоксид серы . Выбросы диоксида серы могут повышать кислотность атмосферы и океана, нанося вред морской жизни. Однако тяжелое топливо можно сжигать только в международных водах из-за создаваемого загрязнения. Это коммерчески выгодно из-за его экономической эффективности по сравнению с другими видами судового топлива. Предполагается, что к 2020 году тяжелое топливо будет постепенно выведено из коммерческого использования (Смит, 2018). [10]
Вода, нефть и другие вещества собираются на дне судна в так называемом трюме. Трюмная вода откачивается за борт, но должна пройти пороговый тест загрязнения в 15 ppm (частей на миллион) нефти, чтобы быть сброшенной. Вода проверяется и либо сбрасывается, если она чистая, либо рециркулируется в сборный танк для отделения перед повторным тестированием. Танк, в который она отправляется обратно, сепаратор маслянистой воды, использует гравитацию для разделения жидкостей из-за их вязкости. Суда более 400 брутто-тонн должны иметь оборудование для отделения нефти от льяльной воды. Кроме того, в соответствии с требованиями MARPOL, все суда более 400 брутто-тонн и все нефтяные танкеры более 150 брутто-тонн обязаны регистрировать все передачи нефти в журнале нефтяных операций (EPA, 2011). [11]
Кавитация — это процесс образования пузырька воздуха в жидкости из-за испарения этой жидкости, вызванного областью низкого давления. Эта область низкого давления снижает температуру кипения жидкости, позволяя ей испаряться в газ. Кавитация может иметь место в насосах, что может привести к повреждению импеллера, который перемещает жидкости через систему. Кавитация также наблюдается в движителях. Карманы низкого давления образуются на поверхности лопастей винта по мере увеличения его оборотов в минуту (IIMS, 2015). [12] Кавитация на винте вызывает небольшую, но сильную имплозию, которая может деформировать лопасть винта. Чтобы решить эту проблему, большее количество лопастей обеспечивает ту же величину движущей силы, но с меньшей скоростью вращения. Это имеет решающее значение для подводных лодок, поскольку винт должен поддерживать судно относительно тихим, чтобы оставаться скрытым. С большим количеством лопастей винта судно может достичь той же величины движущей силы при меньших оборотах вала.
Следующие категории представляют собой ряд направлений, на которых морские инженеры направляют свои усилия.
При проектировании систем, работающих в Арктике (особенно научного оборудования, такого как метеорологические приборы и океанографические буи ), морские инженеры должны преодолеть ряд проблем проектирования. Оборудование должно быть способно работать при экстремальных температурах в течение длительных периодов времени, часто практически без обслуживания. Это создает потребность в исключительно термостойких материалах и прочных прецизионных электронных компонентах. [ необходима цитата ]
Прибрежная инженерия применяет смесь гражданского строительства и других дисциплин для создания прибрежных решений для территорий вдоль или около океана. При защите береговых линий от волновых воздействий, эрозии и повышения уровня моря морские инженеры должны рассмотреть, будут ли они использовать «серое» инфраструктурное решение — например, волнорез, водопропускную трубу или морскую стену из камней и бетона — или «зеленое» инфраструктурное решение, которое включает водные растения, мангровые заросли и/или болотные экосистемы. [13] Было обнаружено, что серая инфраструктура стоит дороже в строительстве и обслуживании, но она может обеспечить лучшую защиту от океанских сил в условиях высокоэнергетических волн. [14] Зеленое решение, как правило, менее затратно и более хорошо интегрируется с местной растительностью, но может быть подвержено эрозии или повреждению, если выполнено неправильно. [15] Во многих случаях инженеры выбирают гибридный подход, который сочетает в себе элементы как серых, так и зеленых решений. [16]
Проектирование подводных систем жизнеобеспечения, таких как подводные среды обитания, представляет собой уникальный набор задач, требующих глубоких знаний сосудов высокого давления, физиологии водолазов и термодинамики.
Морские инженеры могут проектировать или часто использовать беспилотные подводные аппараты , которые работают под водой без человека на борту. UUV часто выполняют работу в местах, которые в противном случае были бы невозможны или труднодоступны для людей из-за ряда факторов окружающей среды (например, глубина, удаленность и/или температура). UUV могут управляться людьми дистанционно, как в случае дистанционно управляемых аппаратов , полуавтономных или автономных .
Развитие океанографических наук , подводной инженерии и способности обнаруживать, отслеживать и уничтожать подводные лодки ( противолодочная война ) потребовало параллельной разработки множества морских научных приборов и датчиков . Видимый свет не передается далеко под водой, поэтому средством передачи данных в основном является акустика . Высокочастотный звук используется для измерения глубины океана, определения характера морского дна и обнаружения подводных объектов. Чем выше частота, тем выше четкость возвращаемых данных. Звуковая навигация и определение дальности или SONAR была разработана во время Первой мировой войны для обнаружения подводных лодок и была значительно усовершенствована до наших дней. Подводные лодки аналогичным образом используют гидролокационное оборудование для обнаружения и нацеливания на другие подводные лодки и надводные корабли, а также для обнаружения подводных препятствий, таких как подводные горы , которые представляют собой навигационное препятствие. Простые эхолоты направлены прямо вниз и могут давать точные показания глубины океана (или смотреть вверх на нижнюю сторону морского льда). Более продвинутые эхолоты используют веерообразный луч или звук, или несколько лучей для получения высокодетализированных изображений дна океана. Высокомощные системы могут проникать в почву и породы морского дна, чтобы предоставить информацию о геологии морского дна, и широко используются в геофизике для обнаружения углеводородов или для инженерных изысканий. Для подводной связи на близком расстоянии возможна оптическая передача, в основном с использованием синих лазеров . Они имеют большую пропускную способность по сравнению с акустическими системами, но диапазон обычно составляет всего несколько десятков метров, и в идеале ночью. Помимо акустической связи и навигации, были разработаны датчики для измерения параметров океана, таких как температура, соленость , уровень кислорода и другие свойства, включая уровни нитратов, уровни следовых химических веществ и ДНК окружающей среды . Отраслевая тенденция направлена на более мелкие, более точные и более доступные системы, чтобы их могли приобретать и использовать университетские факультеты и небольшие компании, а также крупные корпорации, исследовательские организации и правительства. Датчики и приборы устанавливаются на автономных и дистанционно управляемых системах, а также на судах, и позволяют этим системам выполнять задачи, которые до сих пор требовали дорогостоящей платформы с экипажем. Производство морских датчиков и приборов в основном осуществляется в Азии, Европе и Северной Америке. Продукция рекламируется в специализированных журналах и на торговых выставкахтакие как Oceanology International и Ocean Business, которые помогают повысить осведомленность о продукции.
В каждом прибрежном и оффшорном проекте экологическая устойчивость является важным фактором сохранения океанических экосистем и природных ресурсов . Примеры, в которых морские инженеры извлекают пользу из знаний в области экологической инженерии, включают создание рыбных хозяйств , очистку нефтяных разливов и создание прибрежных решений . [17]
Ряд систем, полностью или частично разработанных морскими инженерами, используются в открытом море — вдали от береговой линии.
Проектирование морских нефтяных платформ включает в себя ряд морских инженерных задач. Платформы должны быть способны выдерживать океанские течения , волновые силы и коррозию соленой воды , оставаясь при этом структурно целостными и полностью закрепленными на морском дне . Кроме того, буровые компоненты должны быть спроектированы для решения этих же задач с высоким коэффициентом безопасности, чтобы предотвратить утечки и разливы нефти, загрязняющие океан.
Ветряные электростанции на море сталкиваются со многими похожими проблемами морского инжиниринга, что и нефтяные платформы. Они обеспечивают источник возобновляемой энергии с более высокой производительностью, чем ветряные электростанции на суше, встречая при этом меньшее сопротивление со стороны общественности ( см. NIMBY ). [18]
Инженеры-судоводители продолжают исследовать возможность использования энергии океанских волн в качестве жизнеспособного источника энергии для распределенных или сетевых приложений. Было предложено много проектов и построено множество прототипов, но проблема использования энергии волн экономически эффективным способом остается в значительной степени нерешенной. [19]
Инженер-судостроитель также может заниматься планированием, созданием, расширением и модификацией проектов портов и гаваней . Гавани могут быть естественными или искусственными и защищать стоявшие на якоре суда от ветра, волн и течений. [20] Порты можно определить как город, поселок или место, где суда швартуются, загружаются или выгружаются. Порты обычно находятся в гавани и состоят из одного или нескольких отдельных терминалов, которые обрабатывают определенный груз, включая пассажиров, насыпные грузы или контейнерные грузы . [21] Инженеры-судостроители планируют и проектируют различные типы морских терминалов и сооружений, находящихся в портах, и они должны понимать нагрузки, налагаемые на эти сооружения в течение их срока службы.
Методы спасения на море постоянно совершенствуются и изменяются для извлечения затонувших кораблей. Морские инженеры используют свои навыки для оказания помощи на некоторых этапах этого процесса.
Имея разнообразный инженерный опыт, морские инженеры работают в различных отраслях промышленности в каждой области математики, науки, технологии и инженерии. Несколько компаний, таких как Oceaneering International и Van Oord, специализируются на морской инженерии, в то время как другие компании консультируют морских инженеров по конкретным проектам. Такое консультирование обычно происходит в нефтяной промышленности, и такие компании, как ExxonMobil и BP, нанимают морских инженеров для управления аспектами своих проектов морского бурения.
Морская инженерия пригодна для ряда военных приложений – в основном связанных с ВМФ . Морские пчелы , Корпус гражданских инженеров и Инженерные дежурные офицеры ВМС США часто выполняют работу, связанную с морской инженерией. Военные подрядчики (особенно на военно-морских верфях) и Корпус инженеров армии также играют роль в определенных морских инженерных проектах.
В 2012 году средний годовой доход морских инженеров в США составил 96 140 долларов США, а средний почасовой доход — 46,22 доллара США. [22] Прогнозируется, что морская инженерия как отрасль вырастет примерно на 12% с 2016 по 2026 год. В настоящее время в ней работают около 8 200 морских архитекторов и морских инженеров, однако ожидается, что к 2026 году их число увеличится до 9 200 человек (BLS, 2017). [23] Это связано, по крайней мере, отчасти с критической ролью судоходной отрасли в цепочке поставок на мировом рынке; 80% мировой торговли по объему осуществляется за рубежом примерно 50 000 судов, каждое из которых требует наличия морских инженеров на борту и на берегу (ICS, 2017). [24] Кроме того, офшорная энергетика продолжает расти, и из- за повышения уровня моря растет потребность в прибрежных решениях .
Морские университеты предназначены для обучения и подготовки студентов по морским специальностям. Морские инженеры обычно имеют степень бакалавра в области морского машиностроения, морских инженерных технологий или морского системного машиностроения. Практическая подготовка ценится работодателями наряду со степенью бакалавра.
Ряд учреждений, включая MIT , [26] Калифорнийский университет в Беркли , [27] Военно-морскую академию США , [28] и Техасский университет A&M [29] , предлагают четырехлетнюю степень бакалавра наук, в частности, в области океанической инженерии. Аккредитованные программы состоят из основных предметов бакалавриата по математике и естественным наукам, таких как исчисление , статистика , химия и физика ; фундаментальных инженерных предметов, таких как статика , динамика , электротехника и термодинамика ; и более специализированных предметов, таких как структурный анализ океана , гидромеханика и управление прибрежной зоной .
Аспиранты по специальности «Инженерия океана» посещают занятия по более продвинутым, углубленным предметам, одновременно проводя исследования для завершения диссертации на уровне выпускника. Массачусетский технологический институт предлагает степени магистра и доктора философии , в частности, по специальности «Инженерия океана». [30] Кроме того, MIT совместно с Океанографическим институтом Вудс-Хоул проводит совместную программу для студентов, изучающих инженерию океана и другие темы, связанные с океаном, на уровне выпускника. [31] [32]
Журналы по океанической инженерии включают Ocean Engineering [33] , IEEE Journal of Oceanic Engineering [34] и Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering [35] .
Конференции в области морской инженерии включают конференцию и выставку OCEANS Общества инженеров-океанологов IEEE [36] и Европейскую конференцию по волновой и приливной энергии (EWTEC). [37]