Морская инженерия — это проектирование лодок , кораблей, подводных лодок и любых других морских судов . Сюда также принято включать разработку других океанских систем и сооружений, называемую в определенных академических и профессиональных кругах «океанской инженерией».
Морская инженерия применяет ряд инженерных наук, включая машиностроение , электротехнику , электронную инженерию и информатику , для разработки, проектирования, эксплуатации и обслуживания двигательных установок плавсредств и океанских систем. [1] Сюда входят, помимо прочего, энергетические и двигательные установки, оборудование, трубопроводы, системы автоматизации и управления для морских транспортных средств любого типа, а также береговые и морские сооружения.
Архимед традиционно считается первым морским инженером, разработавшим в древности ряд морских инженерных систем. Современная морская техника восходит к началу промышленной революции (начало 1700-х годов).
В 1807 году Роберт Фултон успешно использовал паровой двигатель , чтобы привести судно в движение по воде. Корабль Фултона использовал двигатель для приведения в действие небольшого деревянного гребного колеса в качестве морской двигательной установки. Интеграция парового двигателя в плавсредство для создания морского парового двигателя положила начало профессии морского инженера. Всего через двенадцать лет после того, как «Клермон» Фултона совершил свое первое путешествие, « Саванна» ознаменовала первое морское путешествие из Америки в Европу. Примерно 50 лет спустя гребные колеса с паровым приводом достигли пика с созданием « Great Eastern» , который был размером с одно из современных грузовых судов, длиной 700 футов и весом 22 000 тонн. Колёсные пароходы станут лидерами пароходства на следующие тридцать лет, пока не появится следующий тип силовой установки. [2]
Есть много способов стать морским инженером , но все они включают получение степени университета или колледжа. В первую очередь обучение включает в себя степень бакалавра инженерных наук (B.Eng. или BE), бакалавра наук (B.Sc. или BS), бакалавра технологий (B.Tech.) или бакалавра прикладных наук (BASc.) в области морской инженерии. . В зависимости от страны и юрисдикции получить лицензию морского инженера, степень магистра ; Может потребоваться магистр инженерных наук (M.Eng.), магистр наук (M.Sc или MS) или магистр прикладных наук (MASc.). Есть также морские инженеры, которые пришли из других дисциплин, например, из таких инженерных областей, как машиностроение , гражданское строительство , электротехника , геоматика , экологическая инженерия или из таких областей науки, как геология , геофизика , физика , геоматика , науки о Земле , математика , Однако этот путь требует получения ученой степени, такой как M.Eng, MS, M.Sc. или MASc. получил степень бакалавра в области морской инженерии после окончания другой количественной программы бакалавриата и получил квалификацию морского инженера.
Фундаментальные предметы изучения морской инженерии обычно включают:
При проектировании морских судов военно-морская архитектура занимается общей конструкцией корабля и его движением по воде, а морская инженерия обеспечивает функционирование корабельных систем в соответствии с проектом. [3] Хотя у них разные дисциплины, военно-морские архитекторы и морские инженеры часто работают бок о бок.
Океанская инженерия занимается другими структурами и системами в океане или рядом с ним, включая морские платформы , прибрежные сооружения, такие как пирсы и гавани , а также другие океанские системы, такие как преобразование энергии океанских волн и подводные системы жизнеобеспечения . [4] Фактически это делает океанскую инженерию отдельной областью от морской инженерии, которая конкретно занимается проектированием и применением корабельных систем. [5] Однако из-за схожей номенклатуры и множества перекрывающихся основных дисциплин (например, гидродинамики , гидромеханики и материаловедения ), «океанская инженерия» иногда действует под общим термином «морская инженерия», особенно в промышленности и научных кругах за пределами США Та же комбинация была применена и к остальной части этой статьи .
Океанография — это научная область, занимающаяся сбором и анализом данных для характеристики океана. Несмотря на то, что морская инженерия и океанография являются отдельными дисциплинами, они тесно переплетены: морские инженеры часто используют данные , собранные океанографами, для обоснования своих проектов и исследований, а океанографы используют инструменты, разработанные морскими инженерами (точнее, инженерами-океанографами), чтобы углубить свое понимание и исследование морской среды. океан. [6]
Морское машиностроение включает в себя многие аспекты машиностроения. Одним из проявлений этой взаимосвязи является конструкция судовых двигательных установок. Инженеры-механики проектируют главную двигательную установку, аспекты энергоснабжения и механизации функций корабля, такие как рулевое управление, якорь , погрузочно- разгрузочные работы, отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, внутренняя и внешняя связь, а также другие соответствующие требования. Системы производства и распределения электроэнергии обычно разрабатываются их поставщиками; Единственной обязанностью морской техники при проектировании является установка.
Кроме того, понимание таких тем машиностроения , как гидродинамика , механика жидкости , теория линейных волн , сопротивление материалов , строительная механика и структурная динамика, имеет важное значение для набора навыков морского инженера. Эти и другие предметы машиностроения являются неотъемлемым компонентом учебной программы по морскому машиностроению. [7]
Концепции гражданского строительства играют важную роль во многих морских инженерных проектах, таких как проектирование и строительство океанских сооружений, океанских мостов и туннелей , а также проектирование портов/гаваней.
Морская инженерия часто занимается электротехникой и робототехникой , особенно в приложениях, связанных с использованием глубоководных кабелей и подводных аппаратов.
Ряд трансокеанских оптоволоконных кабелей отвечает за соединение большей части мировых коммуникаций через Интернет , по которым передается до 99 процентов общего глобального интернет-трафика и трафика сигналов. Эти кабели должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать глубоководные условия, которые являются отдаленными и часто неумолимыми, с экстремальными давлениями и температурами, а также с потенциальными помехами со стороны рыболовства , траления и морской жизни .
Использование беспилотных подводных аппаратов (НПА) выиграет от использования автономных алгоритмов и сетей. Морские инженеры стремятся узнать, как достижения в области автономности и сетевых технологий могут быть использованы для улучшения существующих технологий UUV и облегчения разработки более эффективных подводных аппаратов.
Знания морской техники оказываются полезными в области нефтяного машиностроения, поскольку гидродинамика и интеграция морского дна служат ключевыми элементами при проектировании и обслуживании морских нефтяных платформ .
Морское строительство — это процесс строительства сооружений на больших водоемах, обычно в море, или рядом с ними. Эти структуры могут быть построены для различных целей, включая транспорт, производство энергии и отдых. Морское строительство может включать использование различных строительных материалов, преимущественно 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, чтобы выдерживать ветровые нагрузки на здания и мосты, морские инженеры проектируют, чтобы выдержать корабль или подводную лодку, которые миллионы раз подвергались ударам волн в течение срока службы судна. Эти условия нагрузки также встречаются в морском строительстве и береговой инженерии.
Любое морское судно постоянно нуждается в гидростатической устойчивости. Морской архитектор , как и конструктор самолетов, заботится об устойчивости . Уникальность работы корабельного архитектора заключается в том, что корабль работает одновременно в двух средах: воде и воздухе. Даже после того, как судно было спроектировано и выведено в море, морские инженеры сталкиваются с проблемой балансировки груза, поскольку вертикальное штабелирование контейнеров увеличивает массу корабля и смещает центр тяжести выше. Вес топлива также представляет проблему, поскольку наклон корабля может вызвать смещение жидкости, что приведет к дисбалансу. На некоторых судах этому смещению можно противодействовать путем хранения воды в балластных цистернах большего размера. Морские инженеры отвечают за балансировку и отслеживание топлива и балластной воды корабля. Плавучие морские сооружения имеют аналогичные ограничения.
Морская среда, в которой находятся морские суда, делает их очень восприимчивыми к коррозии. В каждом проекте морские инженеры заботятся о защите поверхности и предотвращении гальванической коррозии . Коррозию можно замедлить с помощью катодной защиты путем введения кусочков металла (например, цинка ), которые будут служить «жертвенным анодом» в реакции коррозии. Это приводит к коррозии металла, а не корпуса корабля. Другой способ предотвратить коррозию — подавать контролируемое количество слабого постоянного тока через корпус корабля, тем самым изменяя электрический заряд корпуса и задерживая начало электрохимической коррозии. Аналогичные проблемы встречаются в прибрежных и морских сооружениях.
Противообрастание — это процесс устранения мешающих организмов из основных компонентов систем морской воды. В зависимости от характера и места произрастания морских организмов этот процесс осуществляется различными способами:
Сжигание судового топлива приводит к выбросу вредных загрязняющих веществ в атмосферу. Суда сжигают судовое дизельное топливо в дополнение к мазуту . Тяжелый мазут, будучи самым тяжелым из очищенных масел , при сжигании выделяет диоксид серы . Выбросы диоксида серы могут повысить кислотность атмосферы и океана , нанося вред морской жизни. Однако из-за загрязнения мазут можно сжигать только в международных водах . Это коммерчески выгодно из-за экономической эффективности по сравнению с другими судовыми видами топлива. Ожидается, что к 2020 году мазут будет выведен из коммерческого использования (Смит, 2018). [10]
Вода, масло и другие вещества собираются на дне корабля в так называемом трюме. Трюмная вода откачивается за борт, но для сброса она должна пройти испытание на порог загрязнения в 15 частей на миллион (частей на миллион). Вода проверяется и либо сливается, если она чистая, либо рециркулируется в сборный резервуар для отделения перед повторным испытанием. Резервуар, в который он отправляется обратно, сепаратор нефтесодержащей воды, использует силу тяжести для разделения жидкостей из-за их вязкости. Суда валовой вместимостью более 400 тонн должны иметь на борту оборудование для отделения нефти от льяльных вод. Кроме того, согласно требованиям МАРПОЛ, все суда валовой вместимостью более 400 тонн и все нефтяные танкеры валовой вместимостью более 150 тонн должны регистрировать все перевозки нефти в журнале учета нефти (EPA, 2011). [11]
Кавитация — это процесс образования пузырьков воздуха в жидкости вследствие испарения этой жидкости в области низкого давления. Эта область низкого давления снижает температуру кипения жидкости, позволяя ей испаряться в газ. В насосах может возникнуть кавитация, которая может привести к повреждению рабочего колеса, перемещающего жидкости по системе. Кавитация также наблюдается при движении. Карманы низкого давления образуются на поверхности лопастей гребного винта по мере увеличения его оборотов в минуту (IIMS, 2015). [12] Кавитация на гребном винте вызывает небольшой, но сильный взрыв, который может деформировать лопасть гребного винта. Чтобы решить эту проблему, необходимо увеличить количество лопастей, обеспечивающих ту же движущую силу, но при более низкой частоте оборотов. Это крайне важно для подводных лодок, поскольку гребной винт должен обеспечивать относительную тишину судна, чтобы оставаться скрытым. Имея большее количество лопастей гребного винта, судно может развивать такую же тяговую силу при более низких оборотах вала.
Следующие категории представляют собой ряд направлений, в которых морские инженеры направляют свои усилия.
При проектировании систем, работающих в Арктике (особенно научного оборудования, такого как метеорологические приборы и океанографические буи ), морским инженерам приходится преодолевать целый ряд проектных проблем. Оборудование должно быть способным работать при экстремальных температурах в течение длительных периодов времени, часто практически без технического обслуживания. Это создает потребность в исключительно термостойких материалах и долговечных прецизионных электронных компонентах. [ нужна цитата ]
Прибрежная инженерия сочетает в себе гражданское строительство и другие дисциплины для создания прибрежных решений для территорий вдоль океана или вблизи него. При защите береговой линии от волновых сил, эрозии и повышения уровня моря морские инженеры должны учитывать, будут ли они использовать «серое» инфраструктурное решение, такое как волнолом, водопропускная труба или морская дамба из камней и бетона, или «зеленое» решение. инфраструктурное решение, включающее водные растения, мангровые заросли и/или болотные экосистемы. [13] Было обнаружено, что строительство и обслуживание серой инфраструктуры обходится дороже, но она может обеспечить лучшую защиту от океанских сил в условиях волн высокой энергии. [14] Зеленое решение, как правило, дешевле и лучше интегрируется с местной растительностью, но может быть подвержено эрозии или повреждению при неправильном исполнении. [15] Во многих случаях инженеры выбирают гибридный подход, сочетающий 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 детальных знаний о сосудах под давлением, физиологии дайвинга и термодинамике.
Морские инженеры могут проектировать или часто использовать беспилотные подводные аппараты , которые работают под водой без человека на борту. БПЛА часто выполняют работу в местах, к которым в противном случае был бы невозможен или труден доступ для людей из-за ряда факторов окружающей среды (например, глубины, удаленности и/или температуры). UUV могут управляться людьми дистанционно, как и в случае с дистанционно управляемыми транспортными средствами , полуавтономными или автономными .
Развитие океанографических наук , подводной техники и возможностей обнаружения, отслеживания и уничтожения подводных лодок ( противолодочная война ) потребовало параллельной разработки множества морских научных приборов и датчиков . Видимый свет не передается глубоко под воду, поэтому среда передачи данных в основном акустическая . Высокочастотный звук используется для измерения глубины океана, определения характера морского дна и обнаружения затопленных объектов. Чем выше частота, тем выше четкость возвращаемых данных. Звуковая навигация и дальнометрия или SONAR были разработаны во время Первой мировой войны для обнаружения подводных лодок и значительно усовершенствованы по сей день. Подводные лодки аналогичным образом используют гидроакустическое оборудование для обнаружения и нацеливания на другие подводные лодки и надводные корабли, а также для обнаружения подводных препятствий, таких как подводные горы , которые создают навигационные препятствия. Простые эхолоты направлены прямо вниз и могут дать точные показания глубины океана (или посмотреть на нижнюю часть морского льда). Более совершенные эхолоты используют веерообразный луч или звук или несколько лучей для получения очень детальных изображений дна океана. Системы высокой мощности могут проникать в почву и породы морского дна, чтобы предоставить информацию о геологии морского дна, и широко используются в геофизике для открытия углеводородов или для инженерных изысканий. Для подводной связи ближнего действия возможна оптическая передача, в основном с использованием синих лазеров . Они имеют более широкую полосу пропускания по сравнению с акустическими системами, но дальность действия обычно составляет всего несколько десятков метров, и в идеале в ночное время. Помимо акустической связи и навигации, были разработаны датчики для измерения параметров океана, таких как температура, соленость , уровень кислорода и других свойств, включая уровни нитратов, уровни микроэлементов и ДНК окружающей среды . В отрасли наблюдается тенденция к созданию меньших по размеру, более точных и более доступных систем, чтобы их могли приобретать и использовать университетские факультеты и небольшие компании, а также крупные корпорации, исследовательские организации и правительства. Датчики и инструменты устанавливаются на автономные и дистанционно управляемые системы, а также на корабли и позволяют этим системам выполнять задачи, которые до сих пор требовали дорогостоящей платформы с человеческим экипажем. Производство морских датчиков и приборов в основном осуществляется в Азии, Европе и Северной Америке. Продукция рекламируется в специализированных журналах и на выставках .такие как Oceanology International и Ocean Business, которые помогают повысить осведомленность о продуктах.
В каждом прибрежном и морском проекте экологическая устойчивость является важным фактором сохранения океанских экосистем и природных ресурсов . Примеры, в которых морские инженеры извлекают выгоду из знаний в области экологической инженерии, включают создание рыбных хозяйств , очистку разливов нефти и создание прибрежных решений . [17]
Ряд систем, полностью или частично разработанных морскими инженерами, используются на море - вдали от береговой линии.
Проектирование морских нефтяных платформ сопряжено с рядом морских инженерных задач. Платформы должны быть способны противостоять океанским течениям , волновым силам и коррозии в морской воде , оставаясь при этом структурно целостными и полностью закрепленными на морском дне . Кроме того, компоненты бурения должны быть спроектированы так, чтобы справляться с теми же задачами с высоким коэффициентом безопасности, чтобы предотвратить попадание утечек и разливов нефти в океан.
Морские ветряные электростанции сталкиваются со многими проблемами морской инженерии, аналогичными нефтяным платформам. Они обеспечивают источник возобновляемой энергии с более высоким выходом, чем ветряные электростанции на суше, встречая при этом меньшее сопротивление со стороны широкой общественности ( см. NIMBY ). [18]
Морские инженеры продолжают исследовать возможность использования энергии океанских волн в качестве жизнеспособного источника энергии для распределенных или сетевых приложений. Было предложено множество проектов и построено множество прототипов, но проблема экономически эффективного использования энергии волн остается в значительной степени нерешенной. [19]
Морской инженер также может заниматься планированием, созданием, расширением и модификацией проектов портов и гаваней . Гавани могут быть естественными или искусственными и защищают стоящие на якоре суда от ветра, волн и течений. [20] Порты можно определить как город, поселок или место, где пришвартовываются, загружаются или разгружаются корабли. Порты обычно расположены внутри гавани и состоят из одного или нескольких отдельных терминалов, которые обрабатывают определенный груз, включая пассажиров, навалочные грузы или контейнерные грузы . [21] Морские инженеры планируют и проектируют различные типы морских терминалов и сооружений, находящихся в портах, и они должны понимать нагрузки, воздействующие на эти конструкции в течение их срока службы.
Методы спасения на море постоянно модифицируются и совершенствуются для восстановления затонувших кораблей. Морские инженеры используют свои навыки, чтобы помочь на некоторых этапах этого процесса.
Имея разнообразный инженерный опыт, морские инженеры работают на различных должностях во всех областях математики, науки, технологий и техники. Некоторые компании, такие как Oceaneering International и Van Oord, специализируются на морской инженерии, в то время как другие компании консультируют морских инженеров по конкретным проектам. Подобные консультации обычно проводятся в нефтяной отрасли: такие компании, как ExxonMobil и BP, нанимают морских инженеров для управления аспектами своих проектов морского бурения.
Морская техника подходит для ряда военных применений, в основном связанных с военно-морским флотом . Морские пехотинцы ВМС США , Корпус инженеров-строителей и дежурные инженеры часто выполняют работу, связанную с морской инженерией. Военные подрядчики (особенно на верфях военно-морского флота) и инженерный корпус армии также играют роль в некоторых проектах морской инженерии.
В 2012 году средний годовой заработок морских инженеров в США составлял 96 140 долларов США, а средний почасовой заработок — 46,22 доллара США. [22] Прогнозируется, что в период с 2016 по 2026 год морская инженерия вырастет примерно на 12%. В настоящее время в ней занято около 8200 морских архитекторов и морских инженеров, однако ожидается, что к 2026 году это число увеличится до 9200 (BLS, 2017). ). [23] Это связано, по крайней мере частично, с решающей ролью судоходной отрасли в цепочке поставок глобального рынка; 80% мировой торговли по объему осуществляется за рубежом почти 50 000 судов, и всем из них требуются морские инженеры на борту и на берегу (ICS, 2017). [24] Кроме того, морская энергетика продолжает расти, и из-за повышения уровня моря возрастает потребность в прибрежных решениях .
Морские университеты предназначены для обучения и подготовки студентов по морским профессиям. Морские инженеры обычно имеют степень бакалавра в области морской техники, морских инженерных технологий или разработки морских систем. Практическая подготовка ценится работодателями наряду со степенью бакалавра.
Ряд учреждений, в том числе Массачусетский технологический институт , [26] Калифорнийский университет в Беркли , [27] Военно-морская академия США , [28] и Техасский университет A&M [29] — предлагают четырехлетнюю степень бакалавра наук специально в области океанской инженерии. Аккредитованные программы включают в себя основные предметы бакалавриата по математике и естественным наукам, такие как исчисление , статистика , химия и физика ; фундаментальные инженерные предметы, такие как статика , динамика , электротехника и термодинамика ; и более специализированные предметы, такие как структурный анализ океана , гидромеханика и управление прибрежными районами .
Аспиранты в области океанотехники посещают занятия по более сложным и углубленным предметам, одновременно проводя исследования для завершения дипломной работы. Массачусетский технологический институт предлагает степени магистра и доктора наук в области океанической инженерии. [30] Кроме того, Массачусетский технологический институт совместно с Океанографическим институтом Вудс-Хоул проводит совместную программу для студентов, изучающих океанскую инженерию и другие темы, связанные с океаном, на уровне выпускников. [31] [32]
Журналы, посвященные океанской инженерии, включают «Океанскую инженерию » , [33] « Журнал океанической инженерии IEEE» [34] и «Журнал водного, портового, прибрежного и океанического строительства» . [35]
Конференции в области морской инженерии включают конференцию и выставку OCEANS Общества океанической инженерии IEEE [36] и Европейскую конференцию по энергии волн и приливов (EWTEC). [37]