Подводное электрическое судно

Изобретение относится к области судостроения, в частности к транспортным судам подводного плавания. Подводное транспортное судно содержит корпус, емкости для изменения плавучести судна путем заполнения их забортной водой, воздухом или каким-либо грузом. Для полного погружения в воду в нижнем горизонтально изолированном отсеке используется не забортная вода, а более тяжелый металлический балласт совместно с аккумуляторными батареями, закрепленными на подвижных платформах. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик подводного транспортного судна. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к способу уменьшения плавучести транспортного подводного судна, предназначенного для перевозки грузов, средняя плотность которых меньше плотности забортной воды и уменьшения силы сопротивления трением при его движении за счет специальных покрытий.

Прототипом любого подводного судна может служить обычная подводная лодка (Российская Энциклопедия), которая использовалась и продолжает использоваться, в основном, для военных целей. Но рано или поздно грузовые и пассажирские перевозки с помощью подводных судов, движущихся в верхнем слое водного пространства, будут постепенно вытеснять надводные.

Это связано прежде всего с тем, что плавание под водой имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с плаванием по поверхности водного пространства: это и отсутствие волнового сопротивления, которое у быстроходных судов достигает 70% полного сопротивления движению, и независимость от погодных условий, и самое главное - возможность длительного подледного плавания. При этом можно использовать уже хорошо разработанную для военных подводных лодок систему подводного ориентирования с помощью современных методов гидролокации.

Итак, если судно движется без груза, то полное погружение легко достигается заполнением большей части его изолированных отсеков забортной водой. Но, если, например, подводный танкер везет нефть, то некоторая часть внутреннего объема судна должна быть заполнена более тяжелым, чем вода, балластом.

Оценим, какую часть внутреннего объема судна, предназначенного для перевозки нефти, необходимо заполнить более тяжелым, чем вода, балластом, чтобы полностью погрузить его в воду. Если в первом приближении не учитывать вес самого корпуса судна, то легко получить следующую зависимость:

$$V_{б}=V\frac{{\rho }_{в}-{\rho }_{н}}{{\rho }_{б}-{\rho }_{н}}\text{ (1)}$$

где V_б - объем балластного заполнения, V - полный объем судна, ρ_в - плотность морской воды, ρ_н - плотность нефти, ρ_б - плотность материала балласта.

Отсюда получаем, что если в качестве балласта будет использован свинец (ρ_св=11330 кг/м³), то V_бсв.=0,017 V, а если в качестве балласта использовать стальные блоки (ρ_ст.=7850 кг/м³), то V_бст.=0,025 V.

Чтобы нагляднее продемонстрировать полученные результаты, рассмотрим подводный нефтяной танкер среднего водоизмещения, например 60000 т. Его можно представить в виде цилиндрической цистерны диаметром 20 м и длиной около 200 м. Для того чтобы эту заполненную нефтью цистерну полностью погрузить под воду, необходимо согласно (1) использовать в качестве балласта 1030 куб.м свинца или 1536 куб. м стальных блоков. Если распределить этот балласт равномерно вдоль оси судна, то на один погонный метр судна придется примерно 5 куб. м свинца или 7,5 куб. м стальных блоков.

Но может быть вес самого корпуса судна, которым мы пренебрегли, поможет обойтись без балласта? Оценим объем корпуса нашей конкретной подводной цистерны при толщине ее стенок 0,03 м. Он равен примерно 200 куб. м, т.е. в 7.5 раза меньше требуемого балласта.

Если же подводное судно везет груз в контейнерах, то балласта может потребоваться еще больше, т.к. средняя плотность загруженного контейнера по существующим нормам загрузки даже меньше плотности нефти.

Таким образом, наличие более тяжелого, чем морская вода, балластного заполнителя для подводного транспортного судна является практически обязательным.

Но, с другой стороны, это не так уж и плохо. Если расположить балласт равномерно по дну судна в изолированный горизонтальный отсек, то это обеспечит повышенную устойчивость судна к боковым отклонениям. А если при этом расположить его отдельными элементами на подвижных платформах, то передвижением этих платформ можно легко регулировать горизонтальный осевой наклон судна как в состоянии покоя, так и при его движении. Более того, можно даже предусмотреть возможность сброса части балласта для быстрого всплытия при возникновении аварийной ситуации.

Теперь если заменить часть инертного балласта аккумуляторными батареями, то мы получаем экологически чистое подводное судно на электрической тяге. Подзарядка аккумуляторных батарей может осуществляться в отдельных стационарных пунктах, расположенных вдоль основных трасс, по пути следования судна.

В настоящее время удельный запас энергии самого емкого литий-ионного аккумулятора равен 720 кДж/кг, в то время,

как обычное дизельное топливо при сгорании выделяет 44800 кДж/кг. Поэтому пока двигатель внутреннего сгорания остается вне конкуренции.

Но в случае рассматриваемого подводного судна можно пойти и другим наиболее перспективным путем: уменьшением коэффициента трения между корпусом судна и водной средой практически до нуля. Недавно в Гарвардской школе инженерных и прикладных наук получена одна из самых скользких из всех известных науке поверхностей на основе покрытия «SLIPS» (РБК daily №193). Это покрытие представляет собой губчатый слой тефлона, на который наносится жидкость 3М Fluorinert FC-70. Материал сохраняет свои свойства даже в условиях экстремальных температур и давлений. Поэтому если покрыть корпус подводного судна таким или аналогичным ему материалом, то сила сопротивления движению трением будет практически отсутствовать и судно будет затрачивать энергию своих двигательных установок только на участках разгона, торможения и преодоления избыточного давления воды перед носовой частью судна. Величина этого избыточного давления существенно зависит от скорости судна и профиля его носовой части, но в любом случае его тормозящая роль значительно меньше той, что осуществлялась бы силой трения всей боковой поверхности судна при отсутствии такого покрытия. Этот эффект может привести к существенному увеличению скорости движения судна и обеспечит возможность даже с помощью современных аккумуляторных батарей преодолевать любые межконтинентальные расстояния.

Увеличить же значительно скорость надводных судов с таким покрытием вряд ли удастся из-за резкого возрастания волнового сопротивления и захлестывания судна возникающими волнами.

Появление таких судов приведет к уменьшению загрязнения окружающей среды и решит проблемы круглогодичного использования Северного морского пути с заходом в замерзающие порты загрузки и выгрузки товара, а также транспортировки нефтепродуктов, добываемых на Арктическом шельфе в любую точку мира. Кроме того, существенно сократятся как транспортные расходы, так и время доставки товара, что является одним из основных показателей эффективности любой транспортной системы.

1. Подводное судно, содержащее корпус, емкости для изменения плавучести судна
путем заполнения их забортной водой, воздухом или каким-либо грузом, отличающееся тем, что для полного погружения в воду в нижнем горизонтально изолированном отсеке используется не забортная вода, а более тяжелый металлический балласт совместно с аккумуляторными батареями, закрепленными на подвижных платформах.

2. Подводное судно по п.1, отличающееся тем, что для уменьшения силы сопротивления движению судна предлагается покрывать корпус судна сверхскользким покрытием.