Научные основы судостроения и эксплуатации речного транспорта

В связи с широким развитием в нашей стране во второй половине XIX в. речного судоходства усилилась научно-исследовательская деятельность в области проектирования и строительства гидротехнических сооружений, стало уделяться большое внимание вопросам методики и техники исследования руслового потока и его гидродинамических свойств.

В этот период были написаны крупные научные работы по внутренним водным путям сообщения и портовым сооружениям [63,64]. Важное значение имели работы профессора Института путей сообщения Н. А. Богуславского "О реке Волге в гидрографическом и экономическом отношении" и "О судоходных условиях в устьях р. Волги". Классическим трудом по речному транспорту был "Курс внутренних водяных сообщений" профессора Ф. Г. Зброжека, включавшийся в число рекомендуемых учебных пособий в течение 30 лет после его выхода в свет и служивший настольной книгой для русских гидротехников [65].

Зброжек Федор Григорьевич (1849-1902) Гидротехник. С 1887 г. профессор Петербургского института инженеров путей сообщения. Читал курс внутренних водных сообщений. Автор известного учебника по внутренним водным путям, который долгое время был одной из настольных книг русских гидротехников. Руководил постройкой порта в Новороссийске, принимал участие в работах по регулированию Днепра, Днестра, Немана, Вислы и других рек. Выступал за сочетание выправителъных работ с землечерпанием. Основные труды посвящены вопросам речного стока и методике расчета его максимальных расходов.

Огромный вклад в учение о речных руслах и внутренней структуре течений речного потока, а также в усовершенствование методики и техники русловых исследований внесли наши отечественные ученые, среди которых выделяются В. М. Лохтин, Н. С. Лелявский, Н. И. Максимович и В. Г. Клейбер.

Работами В. М. Лохтина в 1899-1919 гг. были заложены основы современной теории руслового потока. В своих работах [66, 67] он осветил два важнейших вопроса: об устойчивости речного русла и о влиянии смены расходов воды и уровней на формирование плесов и перекатов.

Другой выдающийся исследователь - Н. С. Лелявский разработал методику рационального расположения струенаправляющих дамб и расчета отклонения струй без сужения потока [68, 69].

Испробовав в 70-х годах на Припяти и других притоках Днепра систему водостеснительного регулирования - метод французского инженера Фарга, широко практиковавшийся за рубежом, Н. С. Лелявский убедился, что для транзитных глубин этот метод не пригоден, так как исходит из геометрических сооотношений русла, не связывая их с работой потока.

В противоположность зарубежным ученым Н. С. Лелявский придавал первостепенное значение наблюдению в натуре и опыту. "Гидродинамика, подобно физике, - писал он, - есть наука опытная, и она в основу своих выводов должна класть не произвольные допущения, а данные, добытые обобщением результатов наблюдений и опытов" [68].

Такой метод работы - наблюдения в натуре и опыт - Н. С. Лелявский применял при всех своих изысканиях на реках Припяти, Днепре и Десне. Он вносил постепенные изменения в схему выправительных сооружений и, наблюдая за происходящими изменениями потока и русла, неразрывно сочетал данные непосредственных наблюдений с теоретическими решениями, что позволило ему улучшить инженерные методы воздействия на поток для достижения максимального эффекта.

В результате Н. С. Лелявский разработал принципиально новую систему выправления фарватера, основанную на отклонении струй без сужения потока. Эта оригинальная система дала блестящие результаты на Чернобыльской мели - самом тяжелом для судоходства участке в нижнем течении р. Припяти, и 20 лет спустя Пятый съезд русских деятелей по водным путям, упоминая об этих работах, мог констатировать, что "подобной мели не было нигде на Днепровском бассейне, а теперь нет нигде столь правильного русла". Выполненными Н. С. Лелявским работами удалось "преобразовать реку, изменить ее до неузнаваемости, из самого плохого места сделать чуть ли не идеальный участок, не испортивши ни выше, ни ниже лежащего плеса" [69].

В итоге своих многолетних работ по выправлению русел рек Н. С. Лелявский создал теорию руслового процесса. Крупнейший авторитет того времени, уже упоминавшийся французский инженер Фарг охарактеризовал теорию Н. С. Лелявского как "революцию в области гидротехники" (Уместно указать, что при регулировании Миссисипи американские инженеры придерживаются правил, разработанных Н. С. Лелявским, например о постепенном увеличении кривизны прижимного берега вниз по течению.).

Проблема углубления отдельных перекатов и изыскание эффективных методов быстрого выполнения дноуглубления продолжали занимать умы отечественных гидротехников в течение всего XIX в. Весьма ценным методом дноуглубления, опробованным впервые на Днепре в 50-60-х годах XIX в. при работах на лиманах и на транзите, был метод, предложенный М. М. Вересковым и заключающийся в применении для расчистки русла взрывов с помощью электричества. М. М. Вересков разработал научные основы этого способа и изложил их в статье "Об углублении взрывами фарватеров рек и лиманов". Эта работа была премирована военным ведомством как выдающийся оригинальный труд в мировой практике дноуглубления.

В 1862 г. взрывным способом был успешно углублен тяжелый участок Днепра у г. Орши, считавшийся до того непроходимым для пароходов.

По методу Берескова производили дноуглубление и на некоторых других реках нашей страны, а также за рубежом. Однако, несмотря на явные преимущества, электровзрывное дноуглубление не получило широкого распространения в дореволюционной России (После Великого Октября, в годы первых пятилеток, при увеличении протяженности судоходных путей способ М. М. Берескова стал широко применяться во всех речных бассейнах. Важно отметить, что формулы Берескова для расчета зарядов и некоторые типы электровоспламенителей не утратили своего значения и ими пользуются подрывники всего мира и в настоящее время.).

Разработанные В. М. Лохтиным и Н. С. Лелявским теория движения речного потока и методы регулирования рек были развиты в трудах других русских инженеров. В 1896 г. появился труд инженера В. Г. Клейбера "О дноуглубительных работах на перекатах" [70] - первое исследование в области улучшения судоходных условий рек углублением русла. Предложенная автором организация дноуглубительных работ с заблаговременной (до наступления мелководья) разработкой перекатов землечерпательными снарядами по материалам русловых изысканий позволила резко увеличить транзитные глубины на Волге, а в дальнейшем на Северной Двине и других реках. Здесь впервые был применен принцип выравнивания глубин, заключающийся в последовательном углублении наиболее затруднительных для судоходства перекатов.

Выдающаяся заслуга в широком распространении на водных путях землечерпательных работ в соответствии с принципиальными положениями русских ученых и инженеров принадлежит В. Е. Тимонову, организовавшему в 1889 г. землесосные работы в Либавском порту и написавшему многочисленные пособия.

Кандиба Борис Николаевич (1865-1929) Профессор Петербургского института инженеров путей сообщения с 1903 г. В 1891-1894 гг. участвовал в расширении Либавского порта. С 1898 г. возглавлял работы по реконструкций Архангельского, Петербургского, Николаевского, Мариупольского и других портов. В 1901-1929 гг. руководил кафедрами водных путей, портовых и гидротехнических сооружений в высших учебных заведениях Петербурга (Ленинграда) и Одессы. Видный советский гидротехник, принимавший участие в проектировании и сооружении ряда крупных гидроэнергетических комплексов - Волховстроя, Свирьстроя, Днепростроя. Основные труды посвящены строительству портов, гидрологии рек, их регулированию и др.

Важные научные исследования в области водных путей принадлежат профессору Б. Н. Кандибе. В 1902 г. вышла в свет его книга "Курс гидротехнических сооружений", повторно изданная в 1905 и 1909 гг.; в 1912 г, опубликован труд "Речные наводнения, причины наводнений и способы предохранения от них местности", в 1914 г. - "Курс внутренних водных сообщений", в 1916 г. - "Курс портовых сооружений" и ряд других работ.

Большой вклад в развитие гидротехнических дисциплин был сделан профессором Н. П. Пузыревским. Свою научную деятельность он начал с исследования режима русских рек и издания ряда монографий по описанию Дона, Днестра, Оки, Сырдарьи и др. Широкое знакомство с водными путями сообщения позволило Н. П. Пузыревскому опубликовать крупные научные работы: "Мысли об устройстве водных путей в России" (1913), "Движение речного насоса" (1904), "Исследование вопроса о вращении шлюзных ворот", "Устройство водных путей при невыгодных условиях местности и питания" (1907) и многие другие. Н. П. Пузыревский разработал, в частности, оригинальную систему подвижной плотины, ряд типов шлюзных ворот и впервые - различные системы судоподъемников.

Пузыревский Нестор Платонович (1861-1934) По окончании Петербургского института инженеров путей сообщения (1885) проводил изыскания и исследования водных путей и рек Днестра, Дона, Сев, Донца, Оки, Московски-Нижегородского водного пути и др. Дал описание этих водных путей и составил проекты их улучшения и шлюзования. С 1904 г. начал педагогическую деятельность в Институте инженеров путей сообщения (с 1914 г. - профессор). Научные труды посвящены вопросам гидротехники, гидравлики, теории грунтов, оснований и фундаментов, а также экономики водных сообщений.

В области речного судостроения нельзя не отметить плодотворную деятельность наших ученых и инженеров: Д. И. Менделеева, В. Г. Шухова, А. Н. Крылова, И. Г. Бубнова, К. П. Боклевского, Р. А. Корейво, Г. В. Тринклера, Т. А. Бормана и др. Ими проводились первые работы по проверочным испытаниям индикаторной мощности флота, по изучению ее связи с работой движителя и сопротивлением корпусов, по проверке производительности землечерпательных снарядов и другие мероприятия по совершенствованию технической эксплуатации флота.

Труд Д. И. Менделеева "О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании", по мнению Н. Е. Жуковского, явился капитальной работой по сопротивлению жидкостей и может служить руководством для лиц, занимающихся кораблестроением, воздухоплаванием или баллистикой.

Д. И. Менделеев подверг резкой критике применение закона механического подобия в расчетах сопротивления воды при движении судна. Отвергнув предложенные английским ученым В. Фрудом формулы и методы исчисления сопротивления трению натурных кораблей (Предложенные Фрудом формулы и методы исчислений, несмотря на получаемые по ним неудовлетворительные результаты (как это доказал Д. И. Менделеев), господствовали более 50 лет в кораблестроительной науке.), Менделеев дал взамен свою формулу сопротивления среды движению твердых тел (Следует отметить, что эта формула Д. И. Менделеева через 45 лет появилась в слегка измененном виде под названием формулы немецкого ученого Кемпфа.). Вместе с тем Менделеев считал необходимым продолжать работу по изучению сопротивления воды движению судов, придавая при этом большое значение для развития науки опытовым бассейнам. По его инициативе такой опытовый бассейн длиной 134 м был построен в 1894 г. В постройке бассейна и постановке испытаний в нем моделей судов и движителей принимали участие А. Н. Крылов и И. Г. Бубнов.

На глубокой научной основе задачу постройки наливных железных барж для Волги и морских шхун для Каспийского моря решил В. Г. Шухов; он разработал также и способы их буксировки во время штормов. Построенные в конце прошлого века по проектам Шухова железные наливные баржи длиной от 50 до 130 м и высотой борта около 2 м оказались подлинным чудом судостроительной техники того времени. Первые баржи и морские шхуны, которые конструировал Шухов в последние десятилетия XIX в., явились прототипом современных танкеров.

Отечественная наука о прочности корпуса судна - строительная механика корабля - основа современного судостроения; благодаря работам И. Г. Бубнова и А. Н. Крылова она заняла ведущее место в мире. И. Г. Бубнов, создав капитальный труд "Строительная механика корабля", положил начало методике расчетного проектирования конструкций судового корпуса.

А. Н. Крылов впервые в мире создал теорию вибрации корабля, имеющую большое значение и на речном флоте при внедрении быстроходных двигателей внутреннего сгорания. Им же создана классическая общая теория качки корабля на волнении.

В области гидродинамической теории качки работал и Н. Е.Жуковский. Вместе с широко известной работой в области вихревой теории гребного винта его гидродинамическая теория качки послужила научной основой для последующих решений труднейших вопросов гидродинамики.

В 1904 г., на заре развития двигателей, русский инженер Г. Б. Тринклер впервые разработал и испытал бескомпрессорный двигатель с самовоспламенением.

Наряду с ростом количества теплоходов росла мощность силовых установок и повышались технико-экономические показатели двигателей внутреннего сгорания. Огромную роль в повышении экономических показателей и отработке конструкции двигателей сыграли русские инженеры и ученые. Еще в 1907 г. профессор Московского технического училища В. И. Гриневецкий впервые разработал теорию теплового расчета двигателя внутреннего сгорания, получившую всеобщее признание.

Не раз ставился в дореволюционной России вопрос о применении на водном транспорте водометных движителей разного устройства. В 1907 г. на Каме, в Перми было построено судно с водометным движителем, спроектированным инженером А. И. Пермяковым в соответствии с его теоретическими соображениями, но этот опыт оказался неудачным из-за ошибки автора, отождествившего водометный движитель с ракетным.

Создателем научной теории судов, приводимых в движение силой реакции вытекающей воды, является Н. Е. Жуковский, первые две работы которого были опубликованы в 1882 и 1886 гг. Затем в 1908 г. он изложил теорию судна с водометным движителем в труде "К теории судов, приводимых в движение силой реакции вытекающей воды". Практическое применение эта теория получила позднее.