ПЛАВУЧИЙ АЭРОДРОМ НА ЭКРАНЕ
Далеко от морей и океанов, в центре континента, ведутся
исследования плавучих аэродромов и искусственных островов. Этим
занимается лаборатория гидроаэроупругости Института гидродинамики
СО РАН.
По просьбе "НВС" доктор физико-математических наук
Александр КОРОБКИН рассказывает о фантастичных, на первый взгляд,
инженерных проектах и оригинальных теоретических результатах
лаборатории гидроаэроупругости, которой он руководит.
Никакого интереса для Новосибирской области эта тематика не
представляет. У нас достаточно места для строительства аэродрома
любого размера, была бы в нем необходимость. Тематика была
занесена в Институт гидродинамики шесть лет назад японским
профессором М.Окушу, который в апреле 1996 года прочитал лекцию о
национальном японском супер-проекте "МЕГА-ФЛОТ". Лекция произвела
большое впечатление. Трудно представить себе плавучую платформу
размером пять на один километр и толщиной около пяти метров, над
которой работали в то время японские ученые и инженеры. И не
только японские. Гигантскими плавучими объектами уже не первый
десяток лет занимаются во многих странах. Первая публикация в
научном журнале появилась почти тридцать лет назад. В ней
давалось описание предварительного проекта плавучего
искусственного города.
 |
|
Сама идея многоцелевого плавучего объекта представляется
фантастической, и проще всего от нее отмахнуться как от
несвоевременной. К счастью, этого не произошло. Весной 1996 года
сама идея захватила всех нас. Она показала уровень современной
инженерной мысли. Научные исследования явно отставали. Частные
компании уже видели возможность создания плавучих конструкций
гигантских размеров, так называемых VLFS (Very Large Floating
Structures), и понимали их необходимость. Однако никто не мог и
не может до сих пор предсказать, как такая конструкция будет
вести себя в открытом море. Имеется в виду, — что не может
предсказать с той степенью убедительности, которая бы
удовлетворила возможного производителя такой конструкции.
Необычность ситуации подчеркивает то обстоятельство, что
лабораторный эксперимент для огромных плавучих платформ
чрезвычайно трудно провести, а натурные исследования невозможны.
Практически отсутствует прототип таких плавучих конструкций и
основные надежды возлагаются на теоретические и численные
исследования, а также тщательное моделирование того, чего никто
не видел. На первый взгляд, моделирование представляется
тривиальным: платформа — при анализе ее поведения на волнах или
при посадке на нее самолета — заменяется плавающей, тонкой
упругой пластиной, а действие жидкости на нее описывается так же,
как для корабля. Обе задачи — динамика тонкой упругой пластины и
гидродинамика плавающего тела — хорошо изучены. Но проблема
заключается в том, что эти две задачи требуется решить
одновременно. Правильное их сопряжение составляет предмет
гидроупругости, которой наша лаборатория и занимается.
Не было необходимости проводить сложные расчеты для плавучих
платформ реальных размеров и форм в реальных условиях. Такие
расчеты с меньшими усилиями делают исследователи Японии и
Америки. Однако было полезно продемонстрировать, что результаты
расчетов очень чувствительны к алгоритму решения задачи. Именно
на этом направлении были сконцентрированы наши усилия, и они
принесли плоды. Мы построили целый ряд точных решений и
разработали способы тестирования численных алгоритмов на их
применимость к исследованию задач гидроупругости. Оригинальные
результаты получили признание и неоднократно докладывались на
международных конференциях.
Мы начали с расчетов поведения плавающих тонких пластин
стандартными методами. Наше преимущество было в том, что одной
проблемой занималось сразу несколько человек. Это
непозволительная роскошь для мировых научных центров. Достаточно
скоро выяснилось, что подходы и методы, разработанные и хорошо
зарекомендовавшие себя в гидродинамике и в теории упругих
пластин, могут приводить к странным результатам, если соединять
их механически и использовать в задачах гидроупругости. Первые
попытки прояснить причину этого явления были предприняты главным
научным сотрудником И.Стуровой и старшим научным сотрудником
лаборатории Л.Ткачевой. На первых порах сама постановка вопроса
была не ясна. Страшно даже предположить, что десятки
исследователей и их студенты, ведущие во многих университетах
дорогостоящие расчеты плавучих платформ, получают результаты,
зависящие от используемого алгоритма. А набор алгоритмов не такой
уж и большой. Необходимо было разработать новые подходы, отличные
от стандартных, фактически, для проверки последних. На этом пути
чрезвычайно преуспели старшие научные сотрудники Л.Ткачева и
Т.Хабахпашева.
Новый метод расчета плавающих пластин, разработанный Л.Ткачевой,
является лучшим в мире на сегодняшний день. Как часто это бывает,
хороший результат легко освоить, что и было уже сделано в
Делфтском университете (Голландия). Этот метод очень
перспективный, он использует специфические особенности задачи и
может стать основным методом расчета плавучих конструкций. Метод
опирается на точное решение задачи о полубесконечной плавающей
пластине. Другой подход к построению точных решений обратным
методом разрабатывает Т.Хабахпашева. В этом методе задаваемые
функции — например, внешняя нагрузка на пластину — и искомые
величины — прогиб пластины, гидродинамическое давление на нее —
меняются местами, что позволяет конструировать точные решения и
использовать их для тестирования численных алгоритмов.
Разработанные подходы к исследованию поведения плавучих платформ
на волнах позволили подойти к решению проблемы защиты платформ от
действия волн, что имеет большое практическое значение. Основной
способ защиты, разрабатываемый за рубежом, состоит в ограждении
платформы волноломом, что имеет свои отрицательные стороны с
точки зрения экологии. Предлагаемые нами способы защиты не
требуют дорогостоящих заградительных сооружений и основаны на
активном контроле характеристик системы закрепления платформы.
Это направление успешно развивает Т.Хабахпашева.
Профессор Окушу посетил нашу лабораторию во второй раз в августе
этого года. По его мнению за шесть лет лаборатория выросла в
научный центр мирового значения по исследованию упругих плавучих
конструкций.
Гигантские морские платформы могут быть использованы не только
как плавучие аэродромы, которые не очень актуальны для нашей
страны, но и как стартовые площадки для запуска искусственных
спутников Земли из района экватора (стоимость запуска при этом
значительно меньше, чем с территории России) — этой проблемой
занимался в нашей лаборатории студент НГУ Игорь Тен, как плавучие
фабрики для сбора и предварительной переработки минералов со дна
океана и нефти из его глубин. Нельзя забывать также о проблеме
освоения Мирового океана, которая всегда была важной для России.
Вполне возможно, что первая гигантская плавучая платформа будет
построена именно у нас, если для этого будет создана необходимая
научная и инженерная база, а ее проект будет детально проработан.
История показывает, что в нашей стране возможно всё.
стр. 10
|
