Учёные университета разработали математическую модель устойчивости подъемного комплекса транспортного средства

Учёные Университета Лобачевского разработали математическую модель устойчивости подъемного комплекса судна на воздушной подушке (СВП). Принцип действия данного типа транспортного средства основан на том, что воздух из атмосферы нагнетается вентиляторами под днище судна, за счёт чего оно приподнимается над поверхностью воды и поэтому испытывает меньшее сопротивление движению по сравнению с традиционными водоизмещающими судами, достигая более высоких скоростей.

Коллектив учёных ННГУ, состоящий из сотрудников кафедры теоретической, компьютерной и экспериментальной механики Института информационных технологий, механики и математики Василия Шабарова (1957 - 2020), Федора Пеплина и Павла Кальясова, а также сотрудника ИПФ РАН Виталия Шапошникова в своей работе рассмотрели относительно новый тип судов на воздушной подушке – СВП с гибким ограждением баллонетного типа, или, по другой терминологии, СВП с гибкими скегами.

«Эти суда объединяют достоинства других типов СВП, такие, как амфибийность, мореходность, остойчивость и устойчивость на курсе, а также безопасность эксплуатации. До недавнего времени наиболее широкое распространение получили баллонетные СВП небольшого водоизмещения, до 2-3 тонн. Такие суда строились по прототипу и мало отличались друг от друга. В то же время в последние годы наблюдается рост интереса к баллонетным СВП с большим водоизмещением. В настоящее время различными организациями разрабатываются, испытываются и серийно строятся суда водоизмещением 20 – 200 тонн», – рассказали учёные.

По их словам, одной из задач, которые должны быть решены для скорейшего распространения столь нужного для нашей страны вида транспорта, является проблема обеспечения устойчивости системы «воздушная подушка ­­– гибкое ограждение». Колебания баллонетов практически не возникают на судах небольшого водоизмещения, однако с ростом массы аппарата становятся всё более опасным явлением. Частоты и амплитуды этих колебаний таковы, что их тяжело переносить экипажу и пассажирам, а также они могут стать причиной повреждений конструкций судна и вызвать аварию. Опыт эксплуатации показывает, что дальнейшее увеличение водоизмещения баллонетных СВП невозможно без решения задачи предотвращения колебаний гибкого ограждения.

Разработанная учёными ННГУ математическая модель основана на использовании комбинации аналитических методов и подходов вычислительной гидромеханики жидкости (CFD). Модель позволяет установить основные закономерности колебаний гибкого ограждения и наметить реалистичные пути их устранения. Так, было показано, что при проектировании судов путём масштабирования результатов мореходных испытаний уменьшенных моделей в опытном бассейне устойчивость системы «центр тяжести судна – воздушная подушка – гибкое ограждение» снижается по сравнению с прогнозными значениями. В частности, это означает, что при проектировании судна по прототипу более тяжелый аппарат будет менее устойчивым по сравнению с меньшим аналогом. Данное явление, называемое в гидромеханике масштабным эффектом, было продемонстрировано как численно, так и аналитически.

Также авторами продемонстрировано, как, путём варьирования конструктивных параметров судна можно добиться устойчивого функционирования подъёмного комплекса СВП.

К достоинствам математической модели можно отнести простоту её реализации и физическую прозрачность, что позволяет использовать её на самых ранних этапах проектирования, в том числе специалистами невысокой математической квалификации без доступа к высокопроизводительным вычислительным системам.

Авторы надеются, что полученные результаты будут способствовать расширению сферы применения СВП с гибким ограждением баллонетного типа. Есть множество транспортных задач, как в нашей стране, так и за ее пределами, наиболее рациональным способом решения которых могут быть суда такого типа.

Кроме того, разработанные методики могут быть применены для развития и других видов скоростного водного транспорта (СПК, СВК, экранопланов) в части повышения характеристик ходкости, мореходности, управляемости и комфорта пассажиров, а также для проектирования систем автоматического управления и пилотирования.

Фундаментальная значимость исследования состоит в анализе устойчивости системы, включающей в себя источник энергии для формирования области повышенного давления (нагнетатели), рабочую область повышенного давления (воздушную подушку), частично удерживаемую гибкими элементами (скегами). Гибкие элементы деформируются и отклоняются вследствие повышенного давления в рабочей области. Такие задачи носят выраженный междисциплинарный характер (аэродинамика, нелинейная теория упругости, методы аэроупругости и теории колебаний) и имеют место в различных разделах машиностроения, в частности, при создании амфибийных транспортных средств, а также в биомеханике: динамике различных артерий, вентиляции легких и т.д.

Результаты работы учёных опубликованы в престижном журнале Applied Ocean Research (Q1) и доступны по ссылке.