Мечты о самодвижущихся средствах передвижения издавна были присущи человеческому сознанию. Уже в эпоху средневековья появились транспортные средства, управляемые спрятанными внутри людьми. В 1490 году Леонардо да Винчи сконструировал повозку с ручным управлением. Независимо от Джеймса Уатта, создавшего в 1769 году первую паровую машину, появились паровые автомобили француза Киньо (1769-1770), почтовая карета Тревитика (1801), легковой паровой автомобиль Ханкока (1822), французский паровой омнибус (1873).

В 1806 году в одном из швейцарских кантонов, мастерской Исаака де Ривазо было создано транспортное средство, которое могло продвинуться на несколько метров за счет двигателя внутреннего сгорания. Французу Ленуару пришла мысль соединить пары бензина с воздухом и использовать эту смесь как движущую силу. Такой примитивный двигатель дал возможность машине, на которую он был поставлен, преодолеть расстояние от Парижа до Жуэнвиля - Ле - Пон.

В Кельне Рейне Николаус Отто устроил небольшую мастерскую, в которой работал над усовершенствованием газолинового двигателя Ленуара. Во время одного из экспериментов родилась идея, которая оказалась решающей для дальнейшего развития двигателя - сжатие газовоздушной смеси в камере внутреннего сгорания и четырехтактный рабочий цикл. Отто запатентовал свое изобретение в 1876 году, не зная, что французский инженер Бo де Роща еще в 1862 году теоретически обосновал принцип четырехтактного двигателя. Поэтому после жалобы, поданной наследниками Роща, имперский суд отменил в феврале 1886 года патент Отто. С этих пор каждый, у кого было желание и возможности, мог заняться изготовлением четырехтактных двигателей.

Следующим после создателя газолинового двигателя Отто следует упомянуть Готлиба Даймлера, который поставил себе целью разработать легкий бензиновый двигатель, пригодный для экипажа. В результате был создан скоростной одноцилиндровый мотор объемом 460 куб.см. Он делал 700 оборотов в минуту и достигал мощности в 1.1 кВт (1.5 л.с.). Этот двигатель был снабжен системой зажигания испарительным карбюратором. Затем Карл Бенц в Мангейме сконструировал в 1885 году моторизованный трехколесный экипаж, а Даймлер создал первый на свете мотоцикл, у которого были деревянные окованные колеса и деревянная рама. Его масса составляла 90 кг, а максимальная скорость - 12 км/ч. Двигатель охлаждался вентилятором и крепился на раме на сайлентблоках из специальной резины. Осенью 1886 года Даймлер поразил своих соотечественников конструкцией первого скоростного четырехколесного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Автомобиль развивал скорость до 18 км/ч. После всемирной выставки 1889-ого года успех машин Бенца и Даймлера не заставил себя ждать. В последующие годы мощность двигателя возрастала на 15, 20, даже на 45 кВт (20, 30, 60 л.с.). Ременная передача не получила дальнейшего применения. Был разработан автомобиль современного типа: спереди - двигатель, затем сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал с распределителем и жесткая задняя ось. Укрепила свои позиции четырехступенчатая коробка передач с зубчатыми колесами и кулисным механизмом. Конструкторы уже принимали в расчет соотношение между диаметром и ходом цилиндров, проблему наполнения цилиндров и многие другие проблемы, существенные для конструирования более мощных и в то же время экономичных двигателей. На рубеже столетий появилось зажигание от магнето системы Боша.

За годы, прошедшие после начала воздушных перевозок, не появилось каких-то принципиально новых видов автомобильного транспорта. Для удобства переработки грузов все транспортные компании начали широко пользоваться контейнерами («ящиками» стандартной формы, которые можно складировать и перевозить на автомобилях). Груженые контейнеры можно перевозить на железнодорожных платформах или судах и даже на самолетах. Выпускаются специальные контейнеры для перевозки замороженных продуктов, овощей и других скоропортящихся продуктов, для перевозки жидкостей, одежды и других грузов, требующих особого обращения.

В СССР/России проводились эксперименты с контейнерным пневматическим транспортом; в таком транспорте контейнеры перемещаются по трубопроводам под действием энергии сжатого воздуха. В случае коммерческого успеха этот вид транспортировки на небольшие расстояния может конкурировать с автомобильным транспортом. Трубопроводы для угольной пульпы, по которым уголь, смешанный с водой, подается «на гора», возможно, будут конкурировать с откаткой угля вагонетками в США.

3 ТЕХНИКО-ИСТОРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МОРЕХОДНОСТИ

И стория мореплавания, насчитывающая, по оценкам ученых, подтвержденным археологическими находками, свыше 6 тысяч лет, начиналась с сооружения плотов, долбленых челноков, лодок, сшитых из шкур и собраных из досок. Затем перешли к постройке крупных судов, пересекающих океаны. Каждое новое судно воплощало в себе опыт и мастерство судостроителей, которые еще в начале нашего летоисчисления начали задумываться над общими принципами судостроения, пользоваться результатами экспериментов, выводами науки. Постепенно, методом проб и ошибок, устанавливались основные технические и теоретические требования к каждому строящемуся судну.

Н а протяжении тысячелетней истории мореплавания, размеры парусных судов неизменно росли. Совершенствовалось, изменялось применительно к существующим условиям их парусное вооружение.
C XVI века в течение последующих трехсот лет на всех морских торговых путях, бравших начало в портах Балтийского и Северного морей, безраздельно господствовал когг ≈ типичное транспортное судно Ганзы. Он был не хуже, но и не лучше нефа. В начале XV века стали строить двухмачтовые когги. Дальнейшее развитие мирового судостроения ознаменовалось переходом в середине XV века к трехмачтовым судам. Впервые такой тип судна появился на севере Европы в 1475 году. Его фок- и бизань- мачты позаимствованы у средиземноморских венецианских судов. Первым трехмачтовым судном, зашедшим в Балтийское море, был французский корабль "Ля Рошель". Обшивка этого корабля, имевшего длину 43 м и ширину 12 м, набрана не внакрой, подобно черепице на крыше дома, как это делали раньше, а вгладь: одна доска вплотную к другой. И хотя такой способ обшивки знали и прежде, тем не менее заслугу его изобретения приписывают корабелу из Бретани по имени Жюлиан, который назвал этот способ "карвель" , или "кравеель" . Название обшивки позже перешло в наименование типа судов ≈ каравелла. Каравеллы были изящнее коггов и имели лучшее парусное вооружение, поэтому не случайно средневековые первооткрыватели избирали для заморских походов эти прочные, ходкие и вместительные корабли. Характерные особенности каравелл ≈ высокие борта, глубокая седловатость палубы в средней части судна и смешанное парусное вооружение. Только фок-мачта несла четырехугольный прямой парус. Латинские паруса на косых реях грот- и бизань-мачты позволяли судам ходить круто к ветру.

В первой половине XV века крупнейшим грузовым судном (возможно, до 2000 т.) была трех - мачтовая двухпалубная каракка, вероятно, португальского происхождения. В XV≈XVI веках на парусных судах появились составные мачты, которые несли сразу несколько парусов. Площадь марселей и крюйселей (верхних парусов) была увеличена, что облегчило управление и маневрирование судном. Отношение длины корпуса к ширине составляло от 2:1 до 2,5:1. В результате мореходные качества этих, так называемых "круглых" судов улучшились, что позволило совершать более безопасные дальние плавания в Америку и Индию и даже вокруг света. Четкого различия между парусными торговыми и военными судами в то время не существовало; типичным военным судном в течение ряда веков была лишь гребная галера. Галеры строились одно- и двух- мачтовые и несли латинские паруса. Значительно большими кораблями, чем галеры, были галеасы: они имели три мачты с латинскими парусами, в корме два больших рулевых весла, две палубы (нижняя для гребцов, верхняя для солдат и пушек), в носовой части надводный таран. Эти военные суда оказались долговечными: еще в XVIII веке почти все морские державы продолжали пополнять свои флоты галерами и галеасами.

В середине XVI века термин "каракка" выходит из употребления. Большое парусное судно с тремя или четырьмя мачтами стали называть просто судном . В конце XVI века в Голландии начали строить суда нового типа ≈ флейты. Соотношение длины судна к ширине 4:1 и более. Флейты имели добротное парусное вооружение, небольшую осадку и хорошие мореходные качества. Они считались наиболее экономичными судами своего времени.

Н а севере Европы в начале XVII века появляется новый тип судна, похожий на флейт ≈ трехмачтовый пинасс (пинасса). К этому же типу судов относится и появившийся в середине XVI века галион ≈ военное судно португальского происхождения, которое в дальнейшем стало основой флотов испанцев и англичан. На галионе впервые орудия были установлены и над и под главной палубой, что привело к строительству батарейных палуб; орудия стояли по бортам и стреляли через порты. Водоизмещение крупнейших испанских галионов 1580-1590 годов равнялось 1000 т., а соотношение длины корпуса к ширине 4:1. Отсутствие высоких надстроек и длинный корпус позволяли этим кораблям ходить быстрее и круче к ветру, чем "круглым" судам. Для повышения скорости были увеличены количество и площадь парусов, появились добавочные паруса ≈ лисели и ундерлисели . В то время символом богатства и силы считались украшения ≈ все государственные и королевские суда были роскошно отделаны. Различие между военными и торговыми кораблями стало более отчетливым. В середине XVII века в Англии начали строить фрегаты, имевшие до 60 орудий на двух палубах, и меньшие боевые суда, такие, как корвет , шлюп , бомбарда и другие.

В XVIII веке значительно совершенствуются деревянные судовые конструкции. Стала обычной постройка судов водоизмещением до 2000 т.
С середины столетия отказываются от блинда-стеньги . Вместо этого на бушприте устанавливают утлегарь для крепления среднего кливера , кливера и бом-кливера . На английских судах кливера появились еще в 1702 году. С 1705 года в употребление входит штурвал, при помощи которого можно было перекладывать руль, находясь на квартердеке (приподнятая на 0,8-1 м кормовая часть верхней палубы). Во второй половине XVIII века корпуса судов стали значительно прочнее, так как увеличилось количество шпангоутов, при этом каждый второй шпангоут имел двойную толщину. На больших судах мачты и некоторый другой рангоут изготовляли из отдельных элементов, скрепляемых железными обручами ≈ бугелями . С 1761 года в Англии, чтобы предохранить корпус судна от древоточцев, на его подводную часть стали накладывать медные листы на медных гвоздях. Вскоре такая практика распространилась повсеместно.

В начале XVIII века основой военных флотов становятся линейные корабли , названные так в связи с возникновением линейной тактики морского боя: суда выстраивались один за другим в линию так, чтобы было возможным вести огонь из всех пушек одного борта, что наносило противнику наибольший урон. Водоизмещение трехдечных линейных 100-пушечных кораблей 1-го ранга достигало 5000 т., а 40 - 50-пушечных двухдечных кораблей 3-го ранга ≈ 1000 т. Вследствие увеличения стоимости постройки, а также в целях улучшения управления судном носовые скульптурные фигуры и богатое украшение кормы постепенно исчезают. В конце XVIII века борта судов красят в черный и желтый цвета (черные полосы ≈ по батарейным палубам, желтые ≈ между ними), внутренние стороны пушечных портов еще со времен галер ≈ в красный цвет. Позже желтые полосы заменяют белыми.

И звестно, что древние корабли строились самими же мореплавателями, и проектирование нового корабля всегда делалось с учетом будущего режима и района плавания. Можно сделать предположение, что если определенные проектные решения по форме корпуса и корабельной архитектуре сохранялись веками и тиражировались одновременно в нескольких странах, то соответствующие корабли можно считать вполне мореходными или же оптимальными по условиям плавания и хорошей морской практики.
Д ревним корабелам-мореплавателям приходилось уделять существенно большее внимание безопасности штормового плавания, так как гребные весла не пригодны в качестве движителей даже при умеренном волнении, а сильный шквальный ветер превращает парусное вооружение в источник серьезной опасности. Современное же судно, при условии поддержания работоспособности главного двигателя и рулевого устройства, в состоянии противопоставить морской стихии мощность своих машин, тем самым снижая требования к штормовой мореходности, обеспечиваемой формой корпуса и надстроек.

И сторическая эволюция корабельной архитектуры объясняется изменениями в принципах приведения корабля в движение и лишь отчасти состоянием технологии кораблестроения. Последний тезис удобно применять для анализа мореходности судового корпуса с древнейших времен и до начала ХХ века. В архитектуре же современных судов одинакового назначения можно найти существенные отличия в их форме корпуса и надстроек, поэтому становится интересным проведение сравнительного анализа мореходных качеств, обусловленных обводами корпуса и архитектурой надстроек. Актуальность такого вопроса связана также с тем, что в последние десятилетия очень быстро меняется представление о наилучшей форме корпуса, но за этот период не произошло каких-либо изменений в принципах обеспечения мореходности или в способе поддержания движения.

M ожно предположить, что связная история развития представлений о наиболее мореходном корабле определялась практическим опытом мореплавания, который формализовался в систему эвристических и, по-видимому, неписаных правил. Эти правила потеряли свое определяющее значение с приходом к практическому проектированию поколения профессиональных инженеров - не знакомых с практическим судовождением. Этот рубеж отмечается во времени появлением и триумфом проекта эсминца типа "Новик". То есть, когда стремление к максимальному насыщению корабля оружием возобладало над свойственной мореплавателям заботой о хорошей мореходности.

П о выражению Томаса Джилмера [Джилмер Томас С., 1984]: "Проектирование кораблей часто считают искусством...", он продолжает: "... Значение его как искусства недооценивается лишь теми конструкторами, воображение и творческая мысль которых ограничены... ". Думается, что при проектировании судовых обводов, последнее будет актуально вплоть до появления методов вычислительной оптимизации, учитывающей не только ходкость корабля на спокойной воде, но и весь комплекс вопросов штормового плавания на взволнованной поверхности моря. В настоящее же время неизвестно удовлетворительных оптимизационных решений как в задаче о ходкости, так и в задаче о мореходности. Нет таких решений и для поверочных расчетов по заданной форме корпуса, и не только в случае плавания на волнении, но даже и на спокойной воде.

3.1 Древние инженерные решения по мореходности судна

И звестно, что Фараон Нэхо (612-576гг. до н.э.), для организации внешней торговли и мореплавания, обращался к услугам финикийцев, государство которых находилось на богатой лесом территории современного Ливана и Сирии. Расцвет кораблестроения и морской славы Финикии приходится на 1200-700гг. до н.э.

Рисунок 1 – Египетское папирусное судно

Корпус судна хорошо приспособлен для речного плавания с частыми подходами к необорудованному пологому берегу.

Э то были крупные торговые суда с палубами, по форме корпуса и мореходным качествам похожие на ладьи викингов, а также военные корабли с тараном и даже, двумя рядами весел. Как о великих мореплавателях можно судить потому, что финикийцы имели колонии по всему побережью Средиземного моря, о них знали далеко за пределами Гибралтарского пролива, в том числе на английских островах и даже за мысом Доброй Надежды. [Курти О., 1977].

Рисунок 2 – Финикийское морское торговое судно.

Подобно судам викингов, такое судно в состоянии удерживаться лагом к штормовой волне. В этом режиме плавания килевая качка демпфируется развалом шпангоутов в оконечностях, а большая поперечная остойчивость корпуса позволяет отслеживать поверхности волны, чем обеспечивается незаливаемость.

M орская слава Финикийцев говорит о хорошей мореходности их торговых судов. Принципы проектирования формы корпуса таких судов дольше всего сохранялись в ладьях Викингов. Для анализа опыта штормового плавания можно обратится к практике использования самодельных деревянных лодок, которые уверенно ходят по взволнованной поверхности Волжских водохранилищ, держа курс "лагом к волне". Kорпус этих судов является наиболее ярким примером приспособляемости к свойствам ветрового волнения. Здесь корабелы преследуют цель минимизации силового взаимодействия корпуса с волнением, ставя условием обеспечение незаливаемости палубы

Штормовое плавание лагом к волне

O сновными особенностями обводов корпуса, которые обеспечивали штормовую незаливаемость верхней палубы, можно выделить следующие:

- Низкий надводный борт, не воспринимающий кренящее давление ветра, и широкий корпус, обеспечивающий хорошую поперечную остойчивость;

- Округлая форма мидель-шпангоута обеспечивает крутые ветви диаграммы статической устойчивости, что в совокупности с низким центром тяжести позволяет корпусу легко удерживаться на наклонной поверхности волны. Это необходимо для обеспечения незаливаемости;

- Зауженные и высокие V-образные шпангоуты в носу и в корме способствуют демпфированию килевой качки. При килевой качке эти шпангоуты расталкивают воду, создавая динамические условия незаливаемости в оконечностях;

- Судно делается симметричным относительно носа и кормы, что является главным условием непротивления стихии. Для удержания курса лагом к волне (т.е. вдоль волновых фронтов - когда корпус не пересекают волновые хребты), оказываются достаточными усилия гребцов на веслах, а при усилении волнения и потере хода, эта задача может быть решена с помощью только одного рулевого весла.