Технология судостроения изучает сущность производственных процессов постройки судна, взаимосвязь этих процессов и закономерности их развития. Она базируется на таких фундаментальных науках, как математика, механика, физика, химия и взаимодействует с широким кругом прикладных наук, связанных с созданием судна: проектированием судов, теорией корабля, прочностью корпуса судна, экономикой судостроительной промышленности и другими.
Под технологией судостроения длительные годы понимали совокупность производственных процессов постройки судов: получение и обработку материалов, сборку и сварку корпусных конструкций и корпуса в целом, монтаж механизмов и электрооборудования, изготовление и монтаж систем и устройств, оборудование и отделку судовых помещений, испытания и сдачу готового судна заказчику. Затем понятие технологии существенно расширилось и помимо производственных процессов вобрало в себя изучение и создание технических средств, изучение технических, сырьевых, информационных, финансовых и кадровых ресурсов, систем управления, социальной и природной среды, в рамках которых реализуют производственный процесс, включая его экологические последствия.
Судостроительное производство
В последние десятилетия XX века сложились следующие направления развития технологии судостроения:
- Совершенствование существующих и разработка новых методов постройки судов, в том числе основанных на модульном принципе, при котором возможна сборка судов из ограниченного количества унифицированных первичных элементов-модулей;
- Применение математических методов и вычислительной техники при технологической подготовке производства и управлении технологическими процессами;
- Механизация и автоматизация производственных процессов, в том числе с применением промышленных роботов, роботизированных технологических комплексов и т. п.;
- Разработка принципиально новых технологических процессов, использующих действие лазеров и плазмы, более технологичных материалов, высокопроизводительного оборудования, в том числе с числовым программным управлением, высокоточных средств измерения;
- Экономия материальных, энергетических, трудовых, финансовых и других ресурсов при создании судов;
- Создание безопасных условий труда и экологически чистых процессов постройки судов.
Производственный и технологический процессы в судостроении
Под производственным процессом понимают совокупность действий людей и орудий труда, необходимых на данном предприятии для изготовления или ремонта продукции. В ходе производственного процесса сырье, материалы, полуфабрикаты превращаются в продукцию, предназначенную для потребления. Производственный процесс образуется при наличии трех элементов: труда, т. е. целесообразной деятельности человека, предмета труда (на него направлены действия работника) и средств труда, с помощью которых осуществляют воздействие на предмет труда. Взаимодействие названных элементов, приводящее к созданию новой или улучшенной продукции, образует производство.
В судостроении производственный процесс представляет собой направленные действия работников, которые с помощью имеющихся в их распоряжении средств труда (производственных зданий, сооружений, орудий труда) изготавливают корабли, суда, морские технические установки или восстанавливают их способность к эксплуатации.
Составными частями производственного процесса являются основной и вспомогательный процессы. К основному относят процесс, непосредственно связанный с превращением предмета труда в готовую продукцию. Вспомогательный процесс способствует осуществлению основного процесса без прямого участия в нем. Элементами и основного, и вспомогательного процессов остаются труд, предмет и средства труда. Отличие состоит в том, что продукцию основного производственного процесса используют сторонние потребители, а продукция вспомогательного процесса его обслуживает. В судостроении все работы, связанные с изготовлением продукции, реализуемой покупателю, относят к основному производственному процессу. Вспомогательными процессами являются изготовление инструмента, ремонт производственных сооружений, транспортно-погрузочные услуги и т. п.
Основной производственный процесс называют технологическим процессом, под которым понимают часть производственного процесса, содержащую действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда. Под определением состояния предмета труда понимают контроль производства (контрольные действия, осуществляемые рабочим). В ходе технологического процесса в результате действий человека или машин происходит изменение внутренних свойств, формы, внешнего вида предмета труда. Например, в ходе резки и гибки изменяют размеры и форму деталей, а в результате сборки образуется задуманная конструкция.
Технологические процессы различают по назначению и универсальности применения. Назначение определяет вид конкретного технологического процесса, как части процесса строительства судна (технологические процессы сварки металла, окраски конструкций).
Постройка атомного ледокола «Сибирь» По универсальности применения технологические процессы разделяют на единичные, групповые и типовые. Единичным называют технологический процесс изготовления изделия одного наименования, типоразмера и исполнения. К групповым относят технологические процессы изготовления группы изделий с разными конструктивными, но общими технологическими признаками. Технологический процесс изготовления группы изделий с общими конструктивными и технологическими признаками называют типовым.
Каждый технологический процесс разделяют на операции. Операция — законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте неизменными исполнителями. Примерами технологических операций могут служить резка заготовки на детали, установка и закрепление на полотнище балок набора; гибка труб на трубогибочном станке. Операция — основная единица при планировании и учете производственных процессов, при разработке технологических процессов, а также при их изучении.
Технологическая операция, в свою очередь, включает технологические и вспомогательные переходы. Технологическим переходом называют часть операции, выполняемую одним и тем же инструментом при постоянном режиме работы человека или оборудования. Под вспомогательным переходом понимают часть операции, состоящую из действий, не изменяющих предметов труда, но необходимых для выполнения технологического перехода. Примерами вспомогательного перехода могут быть закрепление заготовки или смена инструмента. Кроме переходов в состав технологической операции могут входить установы - части операции, выполняемые при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки или собираемой сборочной единицы.
Количество операций в технологическом процессе зависит от конструктивного и количественного разнообразия предметов труда (их повторяемости и унификации), которое характеризует тип производства. Различают три типа производства: единичное, серийное и массовое.
Единичное производство характеризует малый объем выпуска одинаковых изделий, повторное изготовление которых, как правило, не предусматривают. При серийном производстве изделия изготавливают периодически и повторяющимися партиями. В зависимости от количества изделий в партии или серии различают мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное производства. Для массового производства характерен большой объем выпуска одинаковых изделий, непрерывно изготавливаемых продолжительное время.
Строительство атомного ледокола «Арктика» Тип производства оценивают коэффициентом закрепления операций К 3,0 (коэффициентом серийности), под которым понимают количество операций, выполняемых в среднем на одном рабочем месте за определенный период времени (месяц, год). При массовом производстве K 3,0 = 1. Для крупносерийного производства К 3,0 < 10, для среднесерийного 10<К 3,0 <20, для мелкосерийного 20< К 3,0 <40 Для единичного производства К 3,0 не регламентируют.
Серийное и массовое производства характеризуют показателем такта выпуска (тактом производственного процесса) τ , под которым понимают период времени между изготовлением единицы изделия:
τ = T/N
- T — календарный отрезок времени;
- N — количество изделий, выпускаемых за это время.
Величину, обратную такту выпуска, т. е. количество изделий (продукции), выпускаемых в единицу времени, называют ритмом выпуска. Показатели такта и ритма выпуска используют при планировании и организации производства для расчета численности рабочих, количества необходимых механизмов и машин, сменности работы, количества потребных технологических операций.
Для серийного и массового выпуска изделий свойственно поточное производство, определяемое расположением технологического оборудования и оснастки в последовательности выполнения операций технологического процесса.
В судостроении точных границ между типами производства не существует, так как его продукцией являются разнообразные суда от малых катеров и промысловых судов до крупнотоннажных морских судов и военных кораблей. В большей степени распространены единичное производство по строительству единичных экземпляров судов и кораблей или серийное производство. При этом отнесение производства к серийному зависит от величины строящихся судов. Массовое производство в судостроении встречается крайне редко.
Кораблестроение Для осуществления любого технологического процесса необходима та или иная совокупность орудий производства, которые называют средствами технологического оснащения (СТО). К ним относят технологическое оборудование, оснастку, приспособления и инструмент. Технологическое оборудование — средства технологического оснащения, в которых для выполнения определенной части технологического процесса размещают материалы или заготовки, а также средства воздействия на них. Примерами технологического оборудования служат гибочные прессы, машины для тепловой резки, агрегаты для сборки и сварки корпусных конструкций, станки для гибки труб, расточные станки и др. К технологической оснастке относят СТО для изготовления корпусных конструкций (стенды, постели и т. п.), оснастку к трубогибочным станкам, оснастку для проведения испытаний механизмов, устройств.
Приспособления главным образом обеспечивают фиксацию или перемещение предметов труда или инструмента при выполнении технологической операции. Приспособлениями являются направляющие для перемещения по заданной траектории полуавтоматов для тепловой резки и сварочных автоматов, зажимы и фиксаторы для закрепления деталей, узлов и секций корпуса судна при их изготовлении и сборке, устройства, применяемые при монтаже валопроводов, механизмов, трубопроводов.
Инструмент предназначен для воздействия на предмет труда с целью изменения его состояния. Номенклатура инструмента, применяемого в судостроительном производстве, весьма широка. Здесь и разметочный, проверочный, сборочный инструмент, инструмент для механической и тепловой резки металла, инструмент для обработки поверхностей.
Разработка технологических процессов, выбор существующих или создание новых средств технологического оснащения осуществляют на стадии технологической подготовки производства к постройке судов.
О судовых механиках (видео)
А корабли древних греков - лучшими плавсредствами античного времени. Богатые торговые города, такие как Афины и Коринф, имели мощные флоты для защиты своих торговых кораблей. Самым большим и маневренным древнегреческим кораблём считалась триера , приводившаяся в движение 170 гребцами. Её таран, расположенный в носовой части корабля, пробивал бреши во вражеском судне. Но создание триеры обязано появлению других боевых кораблей, более ранней постройки. Именно об этом мой рассказ.
пентеконтор
В архаичный период с XII по VIII век до нашей эры наиболее распространенным типом кораблей древних греков были пентеконторы .
Пентеконтор представлял собой 30 метровое одноярусное гребное судно, приводимое в движение двадцатью пятью весельными с каждой стороны. Ширина составляла около 4 м, максимальная скорость хода 9,5 узлов.
Пентеконторы были в основном беспалубными открытыми судами. Однако иногда этот корабль древних греков оснащался палубой. Наличие палубы защищало гребцов от солнца и от метательных снарядов противника, а также увеличивало грузопассажирскую вместимость корабля. На палубе можно было перевозить припасы, лошадей, боевые колесницы и дополнительных воинов, в том числе лучников, способных противостоять неприятельским судам.
Первоначальнодревнегреческие пентеконторы предназначались в основном для перевозки войск. На веслах сидели те же самые воины, которые впоследствии, сойдя на берег, вступали в сражение. Иными словами, пентеконтор не был боевым кораблем, специально предназначенным для уничтожения других военных судов, а являлся войсковым транспортом. (Прим . Так же, как корабли викингов и ладьи славян , на веслах которых сидели обычные дружинники).
Возникновение желания топить неприятельские корабли вместе с войсками до того, как те высадятся на берег и начнут разорять родные нивы, способствовало появлению на корабле древних грековустройства, получившего название - таран.
Для боевого корабля древних греков, участвовавшего в морских сражениях с использованием тарана, в качестве главного противокорабельного оружия, важными показателями оставались: маневренность - возможность стремительного ухода от ответного удара, скорость хода - способствующая развитию силы удара, и броня - защищавшая от аналогичных неприятельских ударов.
Сохранение этих характеристик сводило на нет расчеты средиземноморских кораблестроителей XII века до нашей эры, тем самым вынудило древних греков искать более рациональные идеи. И изящное решение было найдено.
Если корабль нельзя удлинить, значит, его можно сделать выше, и разместить еще один ярус с гребцами. Благодаря этому количество весельных удалось удвоить, существенно не увеличивая длину древнегреческого корабля . Так появилась бирема .
бирема
В результате добавления второго яруса с гребцами увеличилась и защищенность древнегреческих кораблей . Чтобы протаранить бирему , форштевню неприятельского судна теперь требовалось преодолеть сопротивление большего количества весел.
Увеличение количества гребцов также привело к тому, что от них требовалась синхронность в действиях, чтобы бирема не превратилась в сороконожку, запутавшуюся в собственных ногах. От гребцов требовалось умение чувства ритма, поэтому в античные времена не использовался труд галерных рабов. Все весельники были вольнонаемными моряками, причем получали жалование во время войны, как и профессиональные солдаты - гоплиты.
гребцы биремы
Только в III веке до нашей эры, когда у римлян во время Пунических войн из-за высоких потерь возник дефицит в гребцах, они использовали на своих больших кораблях рабов и преступников, приговоренных за долги, которые прошли предварительное обучение. Появлению образа галерных рабов в действительности вошло в историю с появлением венецианских галер . Они имели иную конструкцию, которая позволяла иметь в команде лишь около 15 процентов обученных гребцов, а остальные набирались из каторжан.
Появление первых бирем у греков датированы концом VIII века до нашей эры. Бирему можно признать первым древним кораблем, специально построенным для уничтожения морских целей противника. Гребцы древних судов практически никогда не были профессиональными воинами как сухопутные гоплиты, но считались первоклассными моряками. Кроме того, во время абордажного боя на борту своего судна, гребцы верхнего яруса часто принимали участие в сражениях, в то время как гребцы нижнего яруса имели возможность продолжать маневрирование.
Легко представить себе, что встреча биремы VIII века с 20 воинами, 12 моряками и сотней гребцов на борту с пентеконтором времен Троянской войны с 50 гребцами-воинами стала бы плачевной для последнего. Несмотря на то, что пентеконтор имел на борту 50 воинов против 20 биремы , его команда в большинстве случаев не смогла бы использовать свое численное превосходство. Во-первых, более высокий борт биремы препятствовал бы абордажному бою, а таранный удар биремы был бы в два раза эффективнее пентеконтора .
Во-вторых, во время маневрирования пентеконторы все его гоплиты задействованы на веслах. В то время как 20 гоплитов биремы могут атаковать метательными снарядами.
Благодаря своим очевидным преимуществам, бирема стала быстро распространяться по Средиземноморью, и на многие века прочно заняло позицию «легкого крейсера » всех крупных флотов. Однако место «линкора » спустя два века займет триера - самый массовый древний корабль Античности.
триера
Триера является дальнейшим развитием идеи многоярусного гребного корабля древних греков. Согласно Фукидиду, первая триера была построена около 650 года до нашей эры и имела длину около 42 метров.
На классической греческой триере располагалось около 60 гребцов, 30 воинов и 12 матросов на каждом борту. Гребцами и матросами руководил «келейст », всем кораблем командовал «триерарх ».
«триерарх»
Гребцы, находившиеся на нижнем ярусе триеры , почти у самой воды, именовались «таламитами ». Их было по 27 человек с каждого борта. Порты, прорубленные в корпусе судна для весел, находились очень близко к воде, поэтому при небольшом волнении часто захлестывались волнами. В этом случае «таламиты » втягивали весла внутрь, а порты задраивались кожаными пластырями.
Гребцы второго яруса назывались «зигитами » и, наконец, третьего яруса - «транитами ». Весла «зигитов » и «транитов » проходили через порты в «парадосе » - специальном коробчатом расширении корпуса выше ватерлинии, который нависал над водой. Ритм гребцам задавал флейтист, а не барабанщик, как на более крупных кораблях Древнего Рима.
Весла всех ярусов имели одинаковую длину 4,5 метра. Дело в том, что если посмотреть на вертикальный срез триеры , то окажется, что все гребцы расположены по кривой, образованной бортом судна. Таким образом, лопатки весел трех ярусов достигали воды, хотя и входили в нее под разными углами.
Триера была весьма узким кораблем. На уровне ватерлинии судно имело ширину около 5 м, и позволяло развивать максимальную скорость хода до 9 узлов, но некоторые источники утверждают, что могло развивать и до 12 узлов. Но, несмотря на относительно невысокую скорость, триера считалась весьма энерговооруженным кораблем. Из неподвижного состояния древние корабли достигали максимальной скорости за 30 секунд.
Как и более поздние римские корабли, греческие триеры оснащались буферным тараном-проемболоном и боевым тараном в форме трезубца или головы.
таран триеры
Наиболее эффективным оружием древних кораблей являлся таран, а вспомогательным, но также достаточно эффективным средством вооруженной борьбы - абордажный бой.
Успех морского сражения в первую очередь зависел от стремительного нанесения удара на полной скорости в борт неприятельского корабля, после которого экипаж должен был также быстро дать задний ход для смены позиции. Дело в том, что атакующий корабль всегда подвергался риску нападения, поскольку мог получить больше повреждений и застрять в обломках весел, а следовательно, утратить ход, и его команда мгновенно будет атакована различными метательными снарядами с борта неприятельского корабля.
тактический маневр триеры - проплыв
Одним из распространенных тактических маневров во время морского боя в Древней Греции считался «diekplus » (проплыв). Целью тактического приема оставался выбор выгодного с точки зрения позиции курса атаки и лишения противника возможности уклониться от удара. Для этого триера двигалась в сторону корабля противника, нанося скользящий удар. При этом, во время прохождения вдоль борта неприятеля, гребцы атакующего корабля должны были по команде втянуть весла. После чего веслам неприятельского корабля с одного борта был нанесен ощутимый урон. Через мгновение нападающий корабль выходил на позицию и наносил таранный удар в борт обездвиженного корабля противника.
Триеры не имели стационарных мачт, но почти все были оснащены одной или двумя съемными мачтами, которые при появлении попутного ветра быстро монтировались. Центральная мачта устанавливалась вертикально и растягивалась для устойчивости тросами. Носовая мачта, предназначенная для небольшого паруса - «артемон », устанавливалась наклонно, с опорой на «акростоль ».
Иногда триеры модернизировались и для транспортных перевозок. Такие суда назывались «гоплитагагос » (для воинов) и «гиппагагос » (для лошадей). Принципиально эти древние корабли ничем не отличались от триер , но имели усиленную палубу, более высокий фальшборт и дополнительные широкие сходни для лошадей.
Биремы и триеры стали основными и единственными универсальными древними кораблями Античного периода с IV по V век до нашей эры. Одиночно или в составе небольших соединений они могли выполнять крейсерские функции: вести разведку, перехватывать неприятельские торговые и транспортные суда , доставлять особо важные грузы и атаковать врага на побережье.
Исход морских сражений решался в первую очередь уровнем индивидуальной подготовки экипажей - гребцов, парусной команды и воинов. Однако многое зависело и от боевых порядков соединения. На переходе древние корабли Греческого флота, как правило, следовали в кильватерном строю. Перестроение в линию производилось в преддверии столкновения с противником. При этом корабли стремились выстроиться в три-четыре линии с взаимным смещением на полпозиции. Этот тактический ход выполнялся, чтобы затруднить противнику проведение маневра «diekplus », ведь сломав весла какому-либо из судов первого ряда, неприятельский корабль подставлял свой борт под таранный удар кораблей соседней линии.
В Древней Греции существовало еще одно тактическое расположение кораблей, которое в современной тактике отвечает глухой обороне - это специальное круговое построение. Оно имело название «еж » и применялось в тех случаях, когда требовалась защита кораблей с ценным грузом или уклон от линейного сражения с превосходящими кораблями противника.
В качестве вспомогательных кораблей , авизо или рейдеров использовались одноярусные галеры - «униремы », наследники архаичных триаконторов и пентеконторов .
В классический период V века до нашей эры флот Древней Греции составлял основу военной мощи и являлся важным компонентом вооруженных сил коалиций Эллады.
Военный флот Древней Греции насчитывал до 400 триер . Древние корабли строились на государственных верфях. Однако их оснащение, ремонт и даже наем гребцов производился за счет богатых афинян, которые, как правило, становились и триерархами - капитанами кораблей. По окончании морского похода триеру возвращали для хранения на базу военного флота в Пирее, а экипаж распускали.
Развитие древнего флота Греции способствовало появлению новой категории граждан - моряков. По своему иерархическому положению они не были богатыми людьми и вне морской службы не имели источников постоянного дохода. В мирный период, когда спрос на высококвалифицированных моряков снижался, они занимались небольшой торговлей или нанимались батраками к богатым землевладельцам. Списанные на берег моряки населяли районы городской бедноты в Пирее и Афинах. Наряду с этим это были люди, от которых зависело военное могущество Древней Греции.
Интересно, что обычный работник зарабатывал примерно полдрахмы в день, а гребцы на кораблях и гоплиты в период военной кампании получали по 2 драхмы ежедневно. На эти деньги можно было купить 40 кг зерна, четыре ведра маслин или 2 ведра недорогого вина. Баран стоил 5 драхм, а аренда небольшой комнаты в бедном квартале - 30 драхм. Таким образом, за месяц морских скитаний обычный весельник мог обеспечить себя провиантом на целый год.
Наиболее крупным кораблем древних греков , построенным в Античности, считается мифическая тессераконтера , созданная в Египте по приказанию Птолемея Филопатора. Источники утверждают, что этот древний корабль достигал длины 122 м и ширины 15 м, а на его борту находилось около 4000 гребцов (по 10 на одно весло) и 3000 воинов. Некоторые историки полагают, что скорее это был большой двухкорпусный катамаран, между корпусами которого была сооружена грандиозная площадка для метательных машин и воинов.
К сожалению, о названиях греческих кораблей известно немного. В Афинах находились две триеры с роскошной внешней отделкой, которые имели названия «Паралия » и «Салами ния ». Эти два корабля использовались для торжественных процессий или для отправки особо важных поручений.
В современном мире благодаря археологическим открытиям и точным исследованиям становится понятно, как был устроен Древний мир, но все чаще современное человечество убеждается, что древние технические достижения и инженерные решения, особенно в области кораблестроения достойны восхищения.
Мореплавание и судостроение с древнейших времен были передовыми областями знаний. И это естественно, ведь море объединяло народы. Торговля и война определяли облик Древнего мира и зачастую были единственными средствами обмена не только товарами, но и техническими достижениями. С архаичных времен морское владычество определяло границы и благосостояние царства и народов, а в эпоху империй стало важнейшим фактором могущества и политической стабильности. Не удивительно, что строительству флотов сильные мира сего всегда уделяли решающее значение.
Важность контроля над морскими коммуникациями и торговлей прекрасно осознавали мореплаватели. Умелое маневрирование флотами, высадка воинов на побережье, да и просто появление боевых кораблей у берегов как демонстрация силы - становились привычными элементами политической борьбы.
В глубине столетий скрыт от современности тот миг, когда первое судно было спущено на воду, но некоторые дальнейшие шаги человечества в области судостроения со временем открывают человечеству занавес, создавая полную картину процесса в окончательном виде. Исследователи могут долго спорить о том, какие гребные суда считались лучшими: античные триеры, титаны эллинистических флотов или галеры итальянских морских держав, но ясно одно - золотой век галер позади.
Так как же строили древние суда ? Как кораблестроители умудрялись достичь таких выдающихся результатов, не обладая знаниями в области гидродинамики? Чтобы понять это, нам необходимо осознать, что технология древнего судостроения совершенствовалась много тысячелетий, пока не достигла своей вершины в античную эпоху, а также то, что кораблестроение было искусство, опыт которого, накапливался годами и передавался из поколения к поколению, выводя основные законы гидродинамики и мореходности корабля.
Технология судостроения древних кораблей до сих пор остается предметом острых споров. Камнем преткновения для исследователей является появление корабельного набора: шпангоутов, вертикальных стоек-пиллерсов, продольных связей - стрингеров и т. д. Поперечные элементы набора корпуса, существуют у всех судов, с тех пор как лодки перестали долбить или связывать из бамбука. Но по какой схеме строились корабли - сначала остов или корпус?
технология судостроения skeleton first
Технология судостроения skeleton first характерна тем, что при строительстве корабля изначально возводился скелет корабля (киль, шпангоуты, штевни) и только потом его обшивали досками, создавая корпус. Такой способ настолько естественен, что с времен средневековых галер он получил право на существование до сих пор.
Однако в последнее время множество исследователей склоняются к мнению, что в античный период в Средиземноморье корабли строились иначе. Этот способ кораблестроения характеризуется в первоначальном выполнении обшивки, которая как бы натягивалась пояс за поясом на приготовленные заранее шаблоны-болваны шпангоутных рамок и только потом по мере готовности корпуса, ребра вставлялись в него, обычно тремя несоединенными между собой ярусами. Такая техника позволила наладить серийное строительство кораблей . Вероятнее всего, имела место технологическая цепочка, которая позволяла создавать корабли большими сериями и в достаточно сжатые сроки. Известны примеры строительства целого флота в течение двух месяцев - флот римского консула Дуилия, принесший римлянам победу при Милах в 260 году до нашей эры был построен в период от 45 до 60 дней. Также существуют свидетельства заготовки и складирования деталей кораблей в специальных ангарах, в которых затем, в случае необходимости, можно было очень быстро собрать большое количество судов. Встречаются упоминания, что корабли, собранные на верфях, снова разбирались, перевозились на огромные расстояния, затем снова собирались, составляя целые флотилии.
Одним словом, существуют два противоположных мнения строительства древних кораблей , но истина, как говориться, находиться посередине. Первый способ skeleton first - более экономичен, менее трудоемок и, в общем, достаточно прост. Второй способ shell first - дорогостоящий и технически сложен, однако благодаря этой технологии судостроения проводилась стандартизация процесса, которая позволяла быстро строить необходимое количество судов, и кроме того давала еще одно важное преимущество - облегчение корпуса судна в полтора раза. Скрепленный таким образом корпус судна, а именно его наружная часть, первоначально обладает большей жесткостью и не требует поперечных связей большого сечения. Это, в свою очередь, позволяло разместить в одном и том же пространстве большее количество гребцов. Такой способ использовался, при строительстве многоярусных больших кораблей. Для них и были жизненно необходимы перечисленные выше преимущества, позволяющие увеличить скорость хода почти на 30 процентов, что способствовало улучшению боевого качества корабля. Ведь скорость хода играла в те времена решающее значение в морских сражениях, где единственным оружием корабля был таран. Построенный по этой технологии мощнейший и скоростной флот обеспечил Греции полувековое господство на море и позволил одерживать победы над превосходящими силами противника. Конечно же этот способ судостроения хранился в строжайшем секрете и был унесен древними корабелами в могилу вместе с гибелью античного мира. Так или иначе, эта технология судостроения была утрачена.
технология судостроения shell first
Так как же возникла технология shell-first? Совершенно очевидно, что первоначально, небольшие долбленые лодки строились без чертежей - на глаз. В дальнейшем, естественное стремление доисторических судостроителей увеличить плавучесть, вместимость и незаливаемость лодки эмпирически привело их к созданию корпуса как такового. Вначале кораблестроители старались увеличить объем цилиндрической части ствола. Для этого они использовали разные методы распаривания и последующего расширения долбленой части с помощью распорок. Постепенно такая конструкция из цилиндрической формы преображалась в форму близкую к нашему пониманию лодки. Со временем появился развал бортов и сужение оконечностей. Однако очень скоро такое развитие кораблестроения достигло своего предела. Кроме того, при распирании цилиндра, возникало понижение надводной части борта на миделе, в противовес чему стали надстраивать центральную часть бортов долбленки. Вероятнее всего, при строительстве подобных «скорлуп» и возник корабль в нашем поминании этой конструкции. Все остальные элементы появлялись эмпирически. Киль, возможно, возник в результате стремления уменьшить долбленую часть, сократив тем самым трудоемкость и значительно облегчив конструкцию. Штевни понадобились как элементы, соединяющие планки выросшего борта в оконечностях. А реберный каркас, очевидно, появился, когда размеры «скорлупы» выросли настолько, что возникла необходимость скреплять наружные элементы изнутри.
Ключевым моментом в понимании возникновения технология судостроения shell first являются два существовавших с древнейших времен метода соединения поясьев обшивки: клинкерный и вгладь.
а) обшивка вгладь; б) клинкерное соединение;
Клинкер, имеет некоторое преимущество для ранних методов кораблестроения, во-первых, благодаря большей водонепроницаемости обеспеченной конструктивно. Также клинкер предпочтительнее и для технологии возведения корпуса без предварительного скелета и чертежей. Ведь, при отсутствии внутреннего каркаса, соединение поясьев между собой удобнее вести накладывая планки внахлест. А главное, каждая последующая доска, ложась на предыдущую, повторяет ее кривизну, используя долбленую часть в качестве шпунтового пояса, т. е. своеобразного лекала-шаблона.
Корпус, в данном случае, образуется как естественное продолжение долбленого ствола, который постепенно эволюционирует в днище, а затем в киль. Вероятно позднее, примерно в начале третьего тысячелетия до нашей эры был изобретен метод стыковки поясьев - обшивка вгладь. Очевидно, он стал возможен, когда крепление планок кораблестроители стали осуществлять при помощи своеобразных пластин-нагелей из более твердых пород древесины.
Именно обшивка вгладь в сочетание с методом крепления поясьев нагельными планками, с последующим фиксированием их деревянными штифтами в верхнем и нижнем поясах (метод mortise and tenon), стала основой технологии судостроения shell-first, что означает - вначале корпус. Техника эта, скорее всего, появилась вполне естественным путем, как говориться, методом проб и ошибок и совершенствовалась несколько тысяч лет.
Новые методы строительства требовали большого уровня стандартизации деталей, грамотного персонала и налаженной структуры верфей. Поэтому неудивительно, что появление первых мореходных судов напрямую связано с централизацией власти и образованием древнейших государств.
метод судостроения mortise & tenon
В период античности ключевую роль в технологии судостроения shell-first стал играть метод mortise & tenon, который пришел на смену технологии «шитья».
на фотографии - реставрированная часть корпуса торгового судна найденного в 80-х годах XX века в итальянском городе Комачо. Здесь наглядно показан метод стыковки поясьев наружной обшивки корабля. На торце верхнего пояса видны пазы, чуть ниже отверстия для нагелей
Суть метода заключался в том, что на торцах досок поясьев, с шагом 20-50 см, как и раньше, выполнялись пазы (mortise), в которые затем, при стыковке вкладывались пластины из более твердых пород деревьев. Однако те, в свою очередь, не сшивались, как раньше, а гужонились штифтами (tenon) в верхнем и нижнем поясах. Такая пронагелеванная обшивка была жестко связанной, и в тоже время достаточно гибкой. А главное, теперь конструкция не боялась продольных смещений, которые неизбежно приводили к разрыву сшитых узлов. Да и сами эти смещения уменьшились, ведь мягкие канаты были заменены на штифты из твердой древесины. Это обеспечивало поперечную и продольную жесткость, вполне достаточную, чтобы располагать шпангоуты реже, делать их тоньше и, самое главное, составными, используя для этого весь подручный материал. Таким образом, шпангоуты играли роль ребер обеспечивающих лишь местную жесткость. Общая продольная и поперечная прочность судна создавалась самой скорлупой-обшивкой.
На крупных судах дополнительно устанавливались бимсы и палубный настил. Трудно сказать, когда появилась подобная технология судостроения . Однако она широко применялась финикийскими мореплавателями. В то время металлический крепеж применялся крайне редко и в отношении крепления обшивки к шпангоутам, сохранялся прежний метод сшивки.
а) крепление обшивки к шпангоутам с помощью сшивки;
б) крепление поясьев обшивки между собой методом mortise & tenon;
В классический период строительство различных типов кораблей, включая знаменитые триеры, было поставлено на конвейер и отточено до совершенства даже в мельчайших деталях. Сложная и дорогостоящая технология кораблестроения , которую изначально могли себе позволить только богатые державы, являлась таковой лишь при строительстве первого судна. Много средств и времени уходило на создание технологической оснастки, на стандартизацию и унификацию деталей, а также на обучение и содержание высококвалифицированных специалистов. Зато затем проведенная подготовка, которая сегодня называется в судостроении «нулевым этапом», оправдывала себя полностью и позволяла в короткие сроки строить целые флотилии.
Подытожив можно сказать, что в основном в античный период корабли строились по технологии судостроения shell first - сначала корпус. Причем базировался этот способ на принципе крепления поясьев обшивки вгладь, методом mortise & tenon, т. е. укладкой соседних планок из более твердой древесины, которые в свою очередь фиксировались штифтами в верхней и нижней части. Такая техника эмпирически развивалась из различных методов сшивки корпуса, и применялась в юго-восточном Средиземноморье, как минимум с начала третьего тысячелетия до нашей эры. Во втором тысячелетии эта технология кораблестроения легла в основу строительства могущественных флотов народов эгейской культуры. В начале первого тысячелетия подобная практика уже широко использовалась финикийцами, а в классический период приобрела окончательный вид при строительстве греческих триер.
Технология судостроения shell first позволяла строить корабли большими сериями в очень сжатые сроки, и применялась для создания, как военных, так и транспортных судов. Это было жизненно необходимо во время войн или больших колонизационных экспедиций. В то же время строительство огромных судов, таких как большие корабли Калигулы, производились по технологии судостроения skeleton first - вначале остов, ведь все преимущества серийности в таких специальных проектах терялись, зато прочности скелета этих гигантов придавалось особое значение.
«3Dпечатная революция значительно повлияет на судостроение и материально-техническую базу», – рассказывают два младших офицера ВМФ в Proceedings, популярном журнале Военно-морского института в США. Лейтенанты ВМФ Скотт Чини-Питерс и Метью Хипл считают, что 3D печать повлияет на способы и технологии, используемые ВМФ для моделирования и конструирования абсолютно во всех сферах: начиная с кораблей, подводных лодок, авианосцев и заканчивая всем прочим, что находится на борту.
Дальнейшее развитие 3D принтеров могло бы изменить технологии, применяемые ВМФ в судостроении. «Линии производства и верфи будущего поколения могут заменить, фактически, гигантские 3D принтеры, способные максимизировать эффект экономии, который предполагает аддитивный производственный процесс». – Пишут они.
Исчезнет необходимость складирования огромных запасных запчастей. Вместо того чтобы заниматься транспортировкой необходимых или редко используемых запчастей, инженеры смогут просто отсканировать неисправную запчасть и отправить данные на ближайший принтер. Таким образом, на борту корабля нужно будет просто иметь необходимее материалы для 3D печати, что позволит сэкономить площадь и уменьшить вес.
Разумеется, необходимо следить за количеством оставшегося материала и восполнять его запасы, однако ВМФ может провести испытания, чтобы определить оптимальное количество материала, которое нужно иметь на борту, чтобы минимизировать вес. Более того, поскольку материалы имеют жидкую или гранулированную форму, то их можно хранить в компактном виде, что позволит освободить дополнительное пространство, в отличие от громоздких готовых запчастей и защитных упаковок для них.
Помимо прочего, все данные можно хранить на компьютере и обновлять по мере необходимости. Авторы статьи предполагают, что в будущем аддитивные технологии судостроения будут использоваться не только для печати запасных запчастей. 3D печать приблизит фабрики к морякам: «3D принтеры могут использовать для печати материал переработанных старых судов, а ВМФ даже может разработать «концепцию биоразминирования – для обнаружения и обезвреживания боеприпасов, найденных на дне окружающих морей и в районах береговой линии – возможно, при помощи специально разработанных 3D печатных транспортных средств». Также модель судов можно адаптировать для монтажа встроенных принтеров при помощи специальных поддерживающих устройств. И, конечно же, можно применять медицинский 3D принтер для печати медицинских инструментов.
“Основная часть этих идей является лишь предположением будущего, в некоторых случаях настолько смелыми, что вряд ли они когда-нибудь станут реальностью. В то же время перед промышленностью и ВМФ возникла масса препятствий, которые им необходимо преодолеть, чтобы в полной мере ощутить преимущества аддитивного производства», –сообщают авторы.
Профессиональные 3D принтеры и материалы для них все еще стоят дорого, к тому же принтеры могут работать только с отдельными видами материалов. Вдобавок: «ВМФ необходимо определить, кто будет отвечать за качество печатных аналогов армейского предназначение и каким образом».
«Поскольку 3D печать предоставляет противникам США те же возможности, что и для ВМФ, то перед ним встает вопрос обеспечения безопасности, и ВМФ необходимо позаботиться о мерах защиты от кибер-атак в том числе». – Добавили авторы.
По их мнению, пройдут годы, а, возможно, и десятилетия, чтобы решить все возникшие проблемы. Однако процесс разработки и применения возможностей, которые заложены в 3D принтерах, не будет остановлен. Одно из основных заданий для ВМФ – правильно оценивать всю степень экономии, которая будет достигнута с помощью перехода на инновационный способ производства по необходимости, а не складирования ранее произведенных запчастей. Лучшее понимание взаимосвязи новых технологий печати и возможностей производства позволит ВМФ правильно определить их важность и сосредоточиться на конкретных задах, что обеспечит качественный результат. Потенциальные преимущества в стоимости и мощности – просто огромные.
Сегодня технологии 3D-печати уже оказывают сильное влияние на целый ряд производственных отраслей, включая строительную, медицинскую, аэрокосмическую и автомобильную. Теперь же одна знаменитая компания готова вывести аддитивные технологии в море: немецкий производитель яхт и моторных лодок HanseYachts AG интегрирует аддитивные технологии в дизайн и производство судов.
Компания HanseYachts AG, один из крупнейших производителей морских парусных яхт в мире c 1990 года, решила использовать 3D-печать для производства 10-метрового корпуса своей новейшей яхты – Hanse 3D15. Разработка 3D-печатного варианта яхты идет уже третий год, а первым результатом стал специальный 20-метровый 3D-принтер, с помощью которого компания намеревается напечатать корпус судна.
Опытно-конструкторские работы ведутся в сотрудничестве с инженерами компании VBS-Print. Для производства будет использован полимерный композит с древесным наполнителем. Доля переработанных древесных волокон составит порядка 60%.
Карл Делер, главный инженер отдела перспективных разработок HanseYachts AG, поясняет: «Hanse 3D15 будет деревянным судном. За счет новой технологии строительства корпусов мы надеемся не только создавать более прочные суда, но и значительно сокращать время производства для своевременного обеспечения высокого спроса. Благодаря 3D-печати мы сможем удовлетворить индивидуальные требования заказчиков, какими бы они не были».
Текущий проект бесспорно станет важным шагом для HanseYachts AG, но что еще более важно, внедрение аддитивных технологий может иметь революционный эффект на судостроение в целом. Само собой, опытные специалисты могут отнестись к идее с сомнением в силу устоявшихся традиций. Поясняет генеральный директор Hanse Yachts AG, Йенс Герхардт: «Когда наши отраслевые партнеры заявляют, что 3D-печать не может быть успешной, я напоминаю им о внедрении стекловолокна в 60-х, тогда считавшегося не менее спорным материалом для постройки лодок».
HanseYachts AG, ставшая одной из первых компаний, принявших стеклопластик на вооружение в качестве одного из основных кораблестроительных материалов, имеет репутацию новаторского производителя, не боящегося смотреть в будущее. Теперь компания доказывает свою приверженность инновационным методам вновь с помощью проекта Hanse 3D15. «Мы рассматриваем открытость к инновациям в качестве главного конкурентного достоинства нашей верфи, и мы рады сделать новый шаг в развитии международной кораблестроительной отрасли», – заявил Йенс Герхардт.
Британская компания CJR Propulsion, специализирующаяся на производстве кастомизированных гребных винтов и рулевого оборудования, полагается на технологии 3D-печати для прототипирования готовых изделий и испытаний опытных образцов.
CJR Propulsion считается одним из наиболее высокотехнологичных производителей гребных винтов в Европе. В круг клиентов компании входят строители скоростных катеров, рыболовных и транспортных кораблей и даже люксовых яхт.
Политика компании проста: каждое уникальное судно заслуживает идеально подогнанного под конструкцию корабля винта. Но гидродинамика наука сложная – одними лишь расчетами и виртуальным моделированием не обойтись. Для полной уверенности в способности винтов выполнять работу так, как задумано, необходимы зачастую многократные испытания опытных образцов.
С другой стороны, производство винтов – дело сложное и затратное. CJR Propulsion нашла выход из ситуации, закупив 3D-принтеры производства немецкой компании BigRep. Эти устройства аналогичны по конструкции и внешнему виду обычным настольным FDM-принтерам, если не принимать во внимание их огромные габариты.
Однако главное достоинство BigRep заключается именно в размерах. Различные модификации фирменного принтера отличаются по объему области построения, но незначительно. В среднем, эти установки позволяют печатать полимерные модели размером 1х1х1 метр.
«В CJR мы производим рулевое оборудование для люксовых яхт и рабочих лодок. Мы уделяем особое внимание качеству наших продуктов, поэтому каждый винт должен идеально соответствовать целевому судну. Обычно для каждого отдельного корабля мы проектируем свои винты, чтобы они идеально подходили друг другу, а для этого каждый раз требуется изготовление винтов новый формы. 3D-принтеры облегчают задачу, помогая быстро и эффективно производить шаблоны. Аддитивное производство шаблонов очень простое и дешевое, что позволяет нам экспериментировать с самыми разными дизайнами», – рассказывает Саймон Льюис, руководитель отдела вычислительной гидродинамики.
«После покупки 3D-принтеров BigRep мы получили возможность контролировать весь процесс аддитивного изготовления производственных шаблонов, а это делает нас гораздо более конкурентоспособными на рынке», – поясняет Алекс Стивен, глава отдела технических продаж.
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ :
- Совокупность приемов и способов изготовления судовых конструкций и по-стройки судна в целом. Включает принципиальную технологию и отдельные производственные процессы (по отдельным видам судостроительного производства). Принципиальная тех-нология регламентирует метод постройки судна, способ формирования корпуса, разбивку судна на сбо-рочные единицы и др. Технология отдельных производственных про-цессов в зависимости от видов судостроительного производства регламентирует способы выполнения работ, производственное оборудование, оснастку, приспособления, инструмент. При выборе производственных процессов исходят из необходимо-сти обеспечения наивысшей производительности труда, требуемого качества продукции, минимальных затрат материальных ресурсов и минимальной себестоимости про-дукции. Исторически начало судостроения можно от-нести к IV-VII тыс. до н. э., то есть к эпохе изготовления примитивных плотов из дерева или камыша и долбле-ных челнов. Для их постройки использовались все орудия, которыми тогда располагало человечество, - каменные и бронзовые топоры, огонь и прочее. По мере развития средств производства росли размеры судов, усложня-лись их конструкции и оборудование. Для постройки судов создавались специальные площадки - стапели, вокруг которых концентрировались необходимые производства: плотничное, такелажно-тросовое, парусное, кузнечное и др. Так возникли судостроительные верфи. Переход в начале XIX в. от деревянного судостроения к металлическому резко из-менил лицо верфи. Появились новые цехи по постройке корпусов судов, изготовлению судовых машин и котлов, развивалась механизация производственных процессов. Это спо-собствовало появлению верфей широкого профиля с машиностроительной частью. Переход от клепки металлических корпусов судов к электросварке в начале XX в. позволил формировать их на стапелях из крупных сборочных единиц (секций, блоков), что обеспечило перенос боль-шого объема работ с построечных мест в цехи. С разви-тием техники и появлением новых конструкционных материалов совершенствовались методы постройки судов; на смену подетальному пришли секционный, а затем и блочный методы. Все большее распространение в судостроении находят модульные принципы: модульно-агрегатный метод проектирования и постройки судов, модульная система формирования, отделки и оборудования судовых помещений. Получили широкое развитие поточные формы производства (поточно-бригадные и поточно-пози-ционные), обеспечивающие большую ритмичность производства, высо-кий уровень специализации, применение высокопроизводительного оборудования. Важнейшим направлением раз-вития технологии судостроения являются механизация и автоматизация производственных процессов, включая комплексную механизацию и автоматизацию процессов изготовления деталей кор-пуса судна на основе широкого применения машин с ЧПУ, создание механизированных поточных линий для изго-товления основных типов узлов и секций корпуса судна. В настоящее время на смену традиционным направлениям совершенствования и механизации производственных процессов в судостроении приходят принципиально новые, осно-ванные на широком применении промышленных роботов, робототехнических комплексов и гибких производственных систем. Существенное влияние на развитие технологии судостроения, в том числе на механиза-цию и автоматизацию судостроительного производства, оказывает применение математических методов и электронной вычислительной техни-ки на различных стадиях подготовки судостроительного производства и управление технологическими процессами.
- Научная дисциплина, разрабатывающая и совер-шенствующая приемы и способы изготовления судовых конструкций и постройки судна в целом.