Малое научно-исследовательское судно

Экспедиционные суда должны обладать хорошими мореходными качествами, особенно на малых ходах или в дрейфе, так как специфика исследований делит все забортные работы на два направления:

-работы на дрейфовых станциях (зондирование, взятие проб воды и грунта и т.д.);

-работы на малых ходах судна (в режиме буксировки аппаратуры).

Общая продолжительность работ в обоих режимах может составлять до 60%-90 % от времени рейса. Из опыта работ зарубежных научно-исследовательских судов с различным оборудованием, на различных рабочих местах и в различных ходовых режимах наибольшее время - 43% от всего времени экспедиции (без учета переходов) - заняли работы на станциях, 10% из которых - время, затраченное на отбор батометрических проб. Второе место по затратам времени занимает буксируемая аппаратура (датчики, зонды, сети и т.п.) и получение информации с них.

Проектируемое научно-исследовательское судно, как и любое экспедиционное судно оборудовано под проведение забортных работ с зондирующей и буксируемой аппаратурой. Аппаратура опускается за борт на дрейфовых станциях или буксируется на ходу судна с помощью различного вида тросов, главная роль которых заключается в обеспечении гибкой механической связи забортных устройств с судном.

Некоторая погружаемая аппаратура нуждается в энергетической и информационной связи с бортовыми устройствами, поэтому научно-исследовательское судно также обеспечено кабель-тросами.

Спуск и подъем забортных устройств проводят с помощью лебедок, которые различаются как по виду механического привода, так и по своему устройству, что связано с типом используемого троса и характером выполняемых задач.

Кроме этого для перемещения погружаемой аппаратуры с палубы судна за борт и обратно, на проектируемом судне предназначена поворотная кран-балка.

3.2 Основные измеряемые параметры среды

Основными гидрологическими параметрами, характеризующими морскую воду, являются соленость, температура и давление.

Изменению температуры воды, как правило, сопутствуют изменения других факторов, и в первую очередь течений, которые определяют физические свойства водных масс (например, течения непосредственно влияют на численность и географическое распределение видов рыб). Информация о пространственно-временной изменчивости поля течений может быть получена путем расчета геострафического поля течений, на основе данных измерений температуры и солености воды, а также гидростатического давления на глубине их измерения.

По основным гидрологическим параметрам вычисляются такие важные свойства морской воды, как плотность, вязкость, температура замерзания, скорость распространения звука, коэффициент преломления света и другие.

Температура влияет на инструментальную погрешность других датчиков, имеющих непосредственный контакт с водой, вызывая необходимость введения температурной поправки в результаты измерения других параметров.

Для солености наиболее общим и в то же время наиболее точным определением можно считать общий вес всех веществ, растворенных в единице объема морской воды. Однако аналитическое определение этого общего веса в судовых условиях встретила много трудностей, что заставило исследователей искать какой-либо другой, косвенный, метод. В результате установлено, что наилучшим параметром для косвенного определения соленость является электропроводность морской воды. Удельная электропроводность морской воды широко используется для косвенного определения не только солености, но и плотности воды, а также других параметров.

Гидростатическое давление служит для определения глубины погружения измерительной аппаратуры, где происходят измерения других параметров. В то же время данные о гидростатическом давлении входят неотъемлемой частью в определение солености и плотности морской воды, скорости звука в воде и других характеристик.

В силу бараклинности и сжимаемости морской воды, зависимость между гидростатическим давлением и глубиной погружения прибора оказывается весьма сложной. Однако для практических целей существуют уравнения связи. Наиболее распространенным способом преобразования гидростатического давления в электрический сигнал является предварительное преобразование давления в относительную деформацию или в перемещение чувствительного элемента датчика. Дальнейшее преобразование деформации в электрический сигнал осуществляется с использованием измерительных преобразователей.

Кроме основных гидрологических параметров исследуются также:

-гидрофизические параметры;

- гидрохимические параметры;

- гидробиологические;

-определяется состав и содержание естественных и нормируемых антропогенных веществ в водной среде, донном грунте и атмосферном воздухе;

-проводятся ихтиологические исследования;

-определяется качество морской воды;

-проводятся гидрографические измерения акватории и т.д.

3.2.1 Критерии измеряемых параметров

Ценность единицы информации определяется точностью измерения. Но точность не является самоцелью, а определяет меру допустимой потери информации. Иногда простые приборы с невысокой точностью измерений вполне могут обеспечить требуемую достоверность решений научно-исследовательских задач. При этом повышается надежность использования аппаратуры и упрощаются условия её эксплуатации, а также снижается стоимость работ. Таким образом, для выбора аппаратуры, позволяющей обеспечить измерение нужных значимых параметров водной среды с точностью, необходимой и достаточной для решения исследовательских задач разного уровня, первоначально необходимо сформулировать эти требования.

Совершенно очевидно, что требования к оценке измерений в первую очередь зависят от масштабов исследуемых процессов, и чаще всего по мере увеличения масштаба, требования к точности измерений снижаются. По общепринятой классификации изменчивость параметров воды морей и океанов можно разделить на несколько групп: крупномасштабные, синоптические, мезо- и мелкомасштабные процессы.

В соответствии с этой классификацией, экспериментальные исследования океана также разделяются на несколько групп.

Первую группу составляют исследования сезонной, междугодичной изменчивости океана, включающие изучение климатических зон, систем пограничных и экваториальных течений и противотечений, географических крупномасштабных вихрей, океанических фронтов, областей подъема и опускания вод. Изменчивость этих процессов характеризуется периодами колебаний от 2-3 месяцев до нескольких лет. Для исследования подобных процессов необходимы многолетние наблюдения, проводимые по стандартной методике, с использованием неизменности точек и областей наблюдений (положение разрезов, координат станций, горизонтов). Изучение крупномасштабных процессов имеет большое практическое значение для решения задач долгосрочного прогнозирования.

Вторую группу составляют исследования синоптической изменчивости, включающие изучение динамики фронтальных зон, областей конвергенции и дивергенции, явлений меандрирования течений. Изменчивость этих процессов характеризуется периодами колебаний от 3-5 суток до 2-3 месяцев при горизонтальных масштабах от 100 до 1500 км. К этой группе относятся работы, связанные с предварительным исследованием малоизученных районов Мирового океана.

Третью группу составляют исследования высокочастотной области спектра океанологических параметров, включающие изучение мезомасштабных вихрей, океанической турбулентности, поверхностных и внутренних волн, приливно-отливных и инерционных колебаний, процессов развития вертикальной тонкой структуры и микроструктуры океана.

Именно масштаб исследования изменчивости параметров морской воды в первую очередь определяет выбор характеристик технических средств измерения, их место и роль в практике научных исследований. Таким образом, в зависимости от уровня задач исследований предъявляются различные требования к точностным характеристикам аппаратуры, её быстродействию, стабильности и другим тактико-техническим данным, а также времени и дискретности наблюдений.

Вместе с тем необходимо учитывать, что некоторые из интересующих нас параметров являются вторичными. Они вычисляются из других, непосредственно измеряемых (первичных), что может потребовать от измерительных преобразователей более высокой точности, чем выбранный масштаб исследований.

3.3 Измерительная техника для оценки параметров морской среды

Измерительный прибор - это средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя. Согласно этому определению измерительный прибор для оценки характеристик водной среды «insitu» состоит из двух частей. Одна из них, измерительная, размещенная в герметичном корпусе и контактирующая с водой, называется погружным устройством, другая, регистрирующая, располагаемая на борту плавсредства, называется бортовым устройством. При наличие линии связи между ними (например, кабель-трос) информация передается от погружного устройства к бортовому устройству и исследователь имеет возможность наблюдать процесс измерения в реальном масштабе времени на самописце или мониторе компьютера, подключаемых к бортовому устройству. Одновременно с этим бортовое устройство обеспечивает погружное устройство электрическим питанием.

На проектируемом научно-исследовательском судне также будут использоваться и другие приборы, в считывании информации с которых непосредственно во время зондирования нет необходимости. В таком случае погружное устройство имеет в своем составе автономный источник питания и блок записи результатов измерений в собственную память. Устройство памяти может размещаться в одном корпусе с измерительной частью погружного устройства или иметь свой собственный прочный корпус с отдельным источником питания. После окончания измерений погружное устройство подключается к бортовому устройству для считывания измеренных данных. В качестве памяти используются интегральные микросхемы, минидискеты, флэшкарты, смарткарты и другие.

В последнем случае нет необходимости для чтения записанных данных соединять бортовое устройство с погружным устройством, достаточно вынуть из погружного устройства сменный элемент памяти и вставить его в считывающее устройство компьютера или соединить погружное устройство непосредственно с компьютером кортким кабелем. Здесь может отпасть необходимость в бортовом устройстве, как отдельном устройстве.

Главной частью любого измерительного прибора, характеризующей достоверность его измерений и отвечающей за точность первичных данных, является датчик, или измерительный преобразователь. При этом под датчиком понимается компактный, функционально законченный сменный элемент, выпускаемый серийно и выдающий нормированный электрический сигнал в соответствии с измеряемым параметром. При измерении большего числа параметров применяют термин «зонд».

Например, для определения солености необходимо обязательно измерять температуру и давление, поэтому измерители электропроводности в качестве одиночного инструмента, как правило, измерение давления вообще практически не имеет самостоятельного значения, а является вспомогательной функцией, поэтому датчики электропроводности и давления используются в составе измерительных комплексов. Таким простейшим комплексом является измеритель температуры с датчиком давления для определения глубины - батитермометр.

В настоящее время на современных судах используют комплекс из всех трех измерителей, называемый СТД-зондом, который сейчас является универсальным инструментом.

Как правило, датчики всех трех параметров вместе с устройствами сбора информации размещены в едином прочном корпусе погружаемого устройства зонда. Иногда в комплектацию зондов входят датчики гидрохимических или других параметров (например, гидрооптических), а также другие измерители и дополнительное оборудование (датчик касания дна, альтиметр и др.). Если они не размещены в корпусе зонда, а являются внешними по отношению к нему, то это уже рассматривается как зондирующий комплекс.

Как говорилось ранее, проектируемое научно-исследовательское судно является универсальным, то есть с изменением программ на каждый свой рейс, может дополняться или меняться аппаратура для научных исследований. Зондирующий же комплекс остается неизменным инструментом на каждый рейс.

Необходимо выбрать оптимальный состав зондирующего комплекса в соответствии с имеющимися возможностями и задачами исследований. Обычно фирмами - произволителями предлагаются уже готовые аппаратурные комплексы, выполненные на базе обычных СТД-зондов. Как правило, такие комплексы предназначены для изучения океана по какому-либо специфическому научному направлению, в связи с чем они мало отвечают задачам исследований, охватывающих широкий круг вопросов. В результате эти комплексы часто требуют добавления других необходимых измерителей и устройств. Нужно обратить внимание на то, что эти измерители и устройства могут оказаться несовместимыми между собой. К каждой аппаратуре существует ряд методических требований к её использованию, чтобы получить сопоставимые результаты исследований.

Все эти проблемы касаются глубоководных комплексов, которые, обладая высокой ценой и длительным сроком службы, требуют повышенного внимания к их комплектации. Следует учитывать и большую стоимость самих экспедиций, и то, что проводимые исследования, возможно, уже не удастся повторить.

3.3.1 Выбор оптимальных параметров для аппаратуры

Комплексные экспедиции на специализированных научно-исследовательских судах представляют собой затратный вариант проведения работ с погружной аппаратурой. Судно оборудовано спускоподъемными устройствами для ведения забортных работ и лабораториями с аналитическим оборудованием. Вопрос, который является разграничивающим основания для выбора оптимальной аппаратуры для забортных работ - производится ли в экспедиции отбор проб из отдельных слоев водной толщи.

В случае, не требующим отбора проб, будут использоваться комплексы на основе СТД-зондов с внутренней памятью. Для подъема и погружения аппаратуры будут использоваться обычные тросовые лебедки. Процессы изменения измеряемых параметров будут сразу просматриваться после окончания зондирования.

В составе научной группы экспедиции необходимо учесть специалистов по калибровке измерителей, так как для правильной интерпретации получаемых данных большинство дополнительных датчиков требует морской калибровке и надлежащего ухода в течение экспедиции.

Для защиты собранного комплекса от внешних повреждений практически всегда требуется дополнительное ограждение - клеть, которое изготавливается из нержавеющей стали или титана.

Необходимость отбора проб в первую очередь налагает определенные требования к палубному вооружению судна. То есть комплексы на основе пробоотборников требуют применения специального спускоподъемного оборудования и кабель-тросовых лебедок. Кабель-трос необходим для передачи данных от измерителей и для наблюдения за стратификацией вод в процессе зондирования в целях осознанного выбора горизонтов или слоев водной толщи, где требуется отбор проб. Сигналы на отбор проб и питание пробоотборника также подаются по кабель-тросу. Кроме палубного оборудования для пробоотборников на судне требуется помещение для их хранения и лабораторное оборудование для обработки проб, состав которого зависит от характера исследований. В зависимости от задач экспедиции собранные пробы либо обрабатываются полностью на судне, либо обрабатываются частично, затем фиксируются и по окончании экспедиции подвергаются полной обработке на берегу.

Батометры для минимального гидрохимического анализа используют объемом на 1,7 л; для полного анализа используют на 10 л (хлорофилл, фитопланктон, загрязнения и т.п.). Тип кассеты для установки батометров выбирается таким образом, чтобы можно было устанавливать оба типоразмера батометров, то есть модель кассеты, предназначенной для использования 24 батометров объемом 1,7 л, позволяет установить вместо них 12 батометров объемом 10 л. Плюс к этому набору заказывается ещё 2-3 запасных батометра на случай поломки или потери.

Использование пробоотборника открывает большие возможности для создания комплекса. Наличие клети - ограждения значительных размеров как основы для крепления дополнительной аппаратуры, а также кабель-троса для передачи данных в реальном масштабе времени и питания от бортового устройства позволяет создавать многофункциональные комплексы, позволяющие проводить все требуемые на станции работы практически за одно зондирование.

Главным устройством, координирующим всю работу комплекса, является СТД-зонд. Кроме эксплуатации СТД-зонда с памятью, зонд также эксплуатируется с помощью кабеля. Для этого предусмотрены:

-бортовой блок питания, имеющий мощность, достаточную для подсоединения всех дополнительных измерителей;

- многожильный кабель-трос.

3.4 Комплектация зондирующего комплекса на проектируемом судне

СТД - зондфирмы Sea-Bird Electronics, Inc. (SBE)

Образцы продукции этой фирмы меняются редко, при этом продукция чаще проходит модернизацию, что позволяет использовать её возможный потенциал до последней степени. Преимуществами аппаратуры, разработанной SBE являются:

- преимущественно модульная конструкция погружных устройств;

- ячейка датчика электропроводности кондуктивного типа;

- помповая система прокачки;

- частотные аналого-цифровые преобразователи.

Для проектируемого научно-исследовательского судна выбрана модель зонда SBE25. Данные представлены в табл.3.1.

Табл.3.1

Модель зонда	Производитель	Глубина, м	Размеры, мм	Масса, кг
SBE 25	Sea-BirdElectronics	600 - 1500	280x280x950	16,8

Модель зонда представляет собой модульную конструкцию со встроенным датчиком давления и нескольких контейнеров, связанных с основным блоком резиновыми соединительными кабелями. В минимальном варианте- это датчик температуры и электропроводности. В главный блок встроен дополнительный блок памяти, позволяющий зонду работать без кабеля на обычном тросе. Имеет высокие метрологические характеристики. Кроме встроенных датчиков электропроводности и температуры SBE 25 оснащен еще семью аналоговыми входами с 12 битным разрешением для дополнительных датчиков.

Скорость опроса измерительных каналов в зонде составляет восемь циклов в секунду и обеспечивает общую продолжительность регистрации измеренных данных до 266 минут при стандартном объеме памяти 1024 кбайт или до 35 ч в случае использования дополнительной памяти общим объемом 8 Мбайт. Чтобы оптимизировать ресурсы имеющейся памяти, пользователю предоставляется возможность программно сконфигурировать любую требуемую комбинацию датчиков и режимов работы.

Зонд поставляется в пластиковом корпусе с ограждением-клетью из нержавеющей стали. По заказу также могут быть установлены необходимые датчики.

У модели SBE 25 также имеется возможность передачи данных измерений в реальном времени по кабелю на бортовое устройство с источником питания для обеспечения возможности внешнего питания зонда и двусторонней связи в реальном масштабе времени. При необходимости, к зонду могут быть подключены несколько типов батометрических кассет.

Кроме рассмотренных измерителей параметров, имеются и другие характеристики водной среды, которые пока невозможно измерить «insitu» или такие измерения не соответствуют необходимым требованиям. Для этих целей существуют автоматические пробоотборники, которые позволяют отбирать определенное число проб воды с требуемых глубин и исследовать их в соответствующих лаборатория на судне.

Батометрическая кассета с 12 или 24 батометрами типа GO-FLO, который представляет собой жесткий пластиковый цилиндр с шаровыми клапанами, работающими по принципу «закрыто-открыто-закрыто». Батометр типа GO-FLO представлен на схеме.

Рис 3.1Барометрическая кассета

Параметры батометра представлены в табл. 3.2.

Табл.3.2

Объем, л	Размеры, мм	Масса, кг
	A	D	F
1,7	627	89	189	3,9
10	1041	140	240	9,5



Этот тип батометра обеспечивает взятие более «чистых проб». Специальные поворачивающиеся клапаны, сопряженные со срабатывающим от давления поворотным механизмом, позволяют погружать батометр в воду в закрытом состоянии, чем обеспечивается защита его емкости от загрязнения при прохождении поверхностного слоя воды. Батометр автоматически открывается на глубине 10 м. Отсутствие внутренних тяг также предотвращает попадания в пробу посторонних частиц. Данный батометр целесообразно применять при проведении специальных гидробиологических и гидрохимических исследований.

Кассета батометров этого типа может практически работать с любым СТД-зондом. В этом случае возможно брать пробы с любой глубины. Для управления кассетой на борт судна устанавливается устройство.

Для эксплуатационных целей на пробоотборниках устанавливается датчик касания дна или альтиметр, который указывает расстояние до дна при зондировании.

Конструктивно СТД-зонды располагаются вертикально внутри клети с кассетой, в центре на подвесе к исполнительному блоку или сбоку. При необходимости размещения дополнительных измерителей к клети может быть добавлена дополнительная секция, только в случае, если на судне есть спускоподъемное устройство достаточной высоты.

Рассмотренный зондирующий комплекс предназначен для исследования толщи моря на средних и больших глубинах на дрейфовых станциях.

3.5 Измерения на малых глубинах

1)Также на судне необходимо предусмотреть измерители для работы на мелководье. Такие небольшие портативные комплексные измерители параметров водной среды опускаются вручную или с легких лебедок вьюшек. В табл.3 приведены измерители пяти известных фирм, которые хорошо себя зарекомендовали в практике исследований на мелководье.

Табл.3.3

Метрологические характеристики для каждого параметра	Измерительный комплекс
	AQUA-16	M-612	DS4/MS4	YSI 6600	U-22XD
Температура, ?С	+	+	+	+	+
Электропроводность, мСм/см	+	+	+	+	+
Давление, дбар (глубина,м)	+	+	+	+	+
Кислород, % (мг/л)	+	+	+	+	+
pH	+	+	+	+	+
REDOX (ORP), В	+	+	+	+	+
Скорость течения, м/с	+	-	-	-	-
Направления течения, град	+	-	-	-	-
Угол наклона, град	+	-	-	-	-
Скорость звука, км/с	+	-	-	-	-
Подводная ФАР, µЕ/с/м?	+	-	-	-	-
Поверхностная ФАР, µЕ/с/м?	+	-	-	-	-
Хлорофилл «а», мг/л	+	-	+	-	-
Мутность, % (NTU)	+	+	+	+	+
Освещенность, mmols?? m??	-	-	+	-	-
Нитратный азот, мг/л-н	-	-	+	+	+
Аммонийный азот, мг/л-н	-	-	-	+	-
Аммиак, мг/л-н	-	-	+	+	+
Хлорид, мг/л	-	-	-	-	+
Кальций, мг/л	-	-	-	-	+
Фторид, мг/л	-	-	-	-	+
Калий, мг/л	-	-	-	-	+
Прозрачность, %	-	-	+	-	-
Общий растворенный газ, mmHg	-	-	+	-	-
Габариты зонда, мм	123x337/220	75x600	89(44)x 584(622)	89x524	47x390
Масса, кг	4,5	4	3,4/2,5	2,7	1,8
Дополнительная комплектация	Мешалка, индикатор дна, лебедка	лебедка	GPS, барометр	GPS, барометр, мешалка	GPS



Комплексы выполняются в нескольких вариантах комплектации и предназначены для работ на глубинах до 200 м и позволяют эксплуатировать себя одиночными исследователями. Обработка данных производится на персональном компьютере. В комплект поставки также может входить портативная ручная лебедка. Весь комплекс допускает возможность перевозки в виде личного багажа.

2)Изучение донных грунтов производится взятием проб грунта на станциях грунтодобывающими приборами. На проектируемом судне пробы грунта берутся только на маленьких глубинах, так как грунтодобывающие приборы для больших глубин имеют большие габариты. На проектируемом судне нет возможности для размещения таких приборов.

На глубинах до 5 м пробы рыхлых грунтов можно получить щупом или металлическим стаканом, укрепленным на конце троса. На глубинах более 5 м пробы будут взяты дночерпателем. Дночерпатель представляет собой тяжелые ковши или шарнирно-соединенные металлические створки. При достижении дна створки врезаются в грунт, а при подъеме под действием собственной тяжести или специального механизма закрываются, сохраняя взятую пробу от размыва потоком морской воды. Дночерпатели используются для сбора проб поверхностного слоя грунта; глубины их проникновения в грунт не превышают 30-40 см.

Работы на дрейфовой станции ведутся в порядке, установленном в соответствии с программой рейса и объемом работ. Очередность забортных работ устанавливается таким образом, чтобы все наблюдения выполнялись с наименьшей затратой времени без возникновения аврийных ситуаций (сцепления и обрывов тросов, потерь приборов и т.д.) и излишних маневров судна. В первую очередь выполняются те работы, для которых приборы имеют полную готовность к моменту остановки судна.



3.6 Измерение параметров морской среды на ходу судна

Стремление к сокращению продолжительности, а соответственно и стоимости научных экспедиций с одновременным повышением их эффективности обусловило появление разнообразных систем, позволяющих вести исследования на ходу судна. В зависимости от решаемой задачи в одних случаях их использование позволяет полностью заменить традиционную методику выпонения полной сетки океанографических станций. В других случаях собранные с их помощью данные могут служить основанием для сокращения общего числа станций и обоснованного выбора мест проведения действительно необходимых станций для более детальных исследований по расширенному спектру параметров. Таким образом экономится затраченное время и средства, а также влияние временной изменчивости на данные съемки сводится к минимуму.

Устройства для измерения параметров водной среды на ходу судна классифицируются на:

1) Устройства для изучения поверхностных отражений исследуемых явлений без оценки их глубинного содержания. Такие как:

- датчики на подводной части корпуса судна;

-прокачка забортной воды и измерители;

-буксируемые рядом с судном.

2) Устройства, заглубляемые на требуемую глубину:

-гирлянда однотипных измерителей, распределенных вдоль буксируемого троса - «коса»;

-ондуляторы - носители, буксирующие СТД-зонды и другие измерители по определенной траектории без постоянного использования лебедки.

3) Устройства, с так называемым эпизодическим зондированием:

- «обрывные» или «теряемые» зонды;

- СТД - зонд, используемый на ходу судна совместно с лебедкой в режиме опускание - подъем.

Устройства на проектируемом научно-исследовательском судне:

1)Устройства 1 типа.

На проектируемом судне есть система подачи забортной воды для научных целей. Отверстие для забора воды расположено в центральной части судна, ближе к днищу. Забор воды осуществляется специальным насосом, который изготовлен из нержавеющей стали. Трубопроводы выполнены из нетоксичного пластика и прокладываются по кратчайшему пути. По этим трубам забортная вода поступает в лаборатории. Там к трубам подсоединяются проточные анализаторы. В зависимости от программы научных исследований, это могут быть анализаторы температуры и электропроводности (их еще называют термосоленографы); гидрохимические анализаторы; анализаторы биологических параметров (флюоресценции, биолюминесценции) и другие.

2)Устройство 2 типа.

На проектируемом судне будет использоваться средний ондулятор Nu-Shuttle 400. Его параметры приведены в табл.3.4.

Табл.3.4.

Модель	Глубина, м	Скорость, уз.	Диаметр кабель-троса, мм	Число жил кабель-троса	Размеры (ДxШxВ), см	Масса, кг
Nu-Shuttle 400	80-160	5-15	8,2	1;7	130x40x58	72

Ондулятор буксируется по волнообразной (синусоидальной) траектории, попеременно всплывая к поверхности и погружаясь до необходимых глубин. На ондулятор устанавливается комплекс океанологических датчиков, что позволяет получать на ходу судна непрерывные разрезы по соответствующим параметрам. Также на ондулятор устанавливается другое оборудование, такое как видеокамеры, акустические антенны и т.п.

Массовость и регулярность такого мониторинга значительно облегчают сбор информации и создание баз данных океанографических, гидрохимических, гидробиологических и других характеристик в целях моделирования и прогноза глобальных процессов в океане.

3) Устройство 3 типа.

На проектируемом судне будет использована обычная траловая лебедка и обычные СТД-зонд, которым и будет производиться зондирование на ходу судна. Только внешняя конструкция такого зонда отличается от СТД - зонда, которым работают на станции. Данный зонд помещен в специальный обтекатель. Чтобы не ухудшить обтекаемость водой чувствительные элементы датчиков и не вызвать разного рода погрешности в измерениях, узел датчиков выводится наружу и защищается сплошным перфорированным обтекателем для снижения динамического напора на датчики.

На проектируемом судне для хранения научно-исследовательского оборудования, которое не находится в эксплуатации, отведено специальное помещение, которое расположено в трюме. Там же находится стеллаж с инструментами для монтажа и ремонта научно-исследовательской аппаратуры. Тяжеловесное и габаритное оборудование грузится в трюм через люки с помощью крана. Кран расположен на палубе бака и имеет грузоподъемность 3,25 т.

3.7 Палубное оборудование

Проектируемое судно оснащено палубным оборудованием, с помощью которого проводятся забортные работы с зондирующей и буксируемой аппаратурой. Аппаратура опускается за борт на дрейфовых станциях или буксируется на ходу судна с помощью различного вида тросов. Большинство погружаемой аппаратуры нуждается в энергетической или информационной связи с бортовыми устройствами. Для этих целей применяются кабель-тросы, но основной задачей их остается механическая связь. Спуск и подъем забортных устройств проводится с помощью лебедок. Также на судне установлена кран-балка для перемещения погружаемой аппаратуры с палубы судна за борт и обратно.

Рассчитаем необходимые параметры для выбора требуемой лебедки.

Определим массу зондирующего комплекса максимального объема, который состоит из кассеты на 12 батометров по 10 л, СТД-зонда, и еще ряда дополнительных измерителей.

Один батометр типа GO-FLO - ок. 20 кг ;

Общий вес 12 батометров - 240 кг ;

Масса самой кассеты - ок. 200 кг ;

СТД-зонд SBE 25 - ок. 17 кг ;

Дополнительные измерители - ок. 70 кг ;

Общий вес зондирующего комплекса составит ок. 527 кг.

Для начала выберем одножильный кабель-трос с внешним диаметром

6,4 мм, массой 138 кг/км и разрывным усилием 27,9 кН.

С учетом массы 1 км выбранного кабель-троса общий вес составит ок. 665кг .

Рекомендуемый коэффициент запаса прочности кабелей равен 2, следовательно максимальная нагрузка равна ок. 1330 кг.

Кабель-трос при качке или резком торможении испытывает дополнительную нагрузку, доходящую до 50% от собственного веса. Это уже будет ок.1663 кг, то есть 16,63 кН. Это не превышает разрывного усилия выбранного троса. Диаметр бобины барабана у лебедки выбран в соответствии с диаметром троса и должен быть не менее 256 мм. В соответствии с этими параметрами лебедка имеет следующиеразмерения:

Ширина - 1118 мм;

Глубина - 940 мм;

Высота - 686 мм.

В состав лебедок также входят траловые лебедки для буксируемого оборудования и более мощная кабель-тросовая лебедка для ондулятора Nu-Shuttle 400. Для нее необходим семижильный трос диаметром 8,2 мм. Под трос подобрана лебедка со следующими параметрами:

Ширина - 560 мм;

Глубина - 762 мм;

Высота - 737 мм.

3.8 Лабораторный комплекс

В лабораторный комплекс входит ряд лабораторий, предназначенных для анализа отобранных проб, приема и обработки информации с погружаемой аппаратуры, а также для ее обслуживания и ремонта.Расположение лабораторий показано на чертежах. В гидрологической лаборатории производится отбор и анализ проб. Для консервации отобранных проб применяется холодильник, остальные пробы относятся в соответствующие лаборатории для дальнейших исследований. Для работы с зондирующей аппаратурой в гидрологическую лабораторию с палубы установлены распашные двери. Зондирующую аппаратуру туда доставляют на рельсовой тележке. Все имеющиеся на судне лаборатории оборудованы набором современных приборов и инструментов, обеспечивающих проведение всесторонних исследований. В том числе в каждой лаборатории находятся соответствующие бортовые компьютеры, которые соединяются с серверным центром. Контейнерная лаборатория оборудуется на береговой базе в зависимости от программы исследований. Их компьютеризированная аппаратура также тестируется на берегу перед установкой на борту судна.



Раздел 4. Технология постройки

4.1 Защита корпуса судна от коррозии

Для защиты от коррозии подводной части корпуса, кингстонных ящиков, кормового подзора и поворотной насадки предусматривается протекторная система защиты с протекторами из алюминиевого сплава в сочетании с лакокрасочным покрытием.

4.2 Основные изоляционные материалы

для тепловой изоляции судовых помещений (кроме охлаждения) применены негорючие безасбестовые материалы, одобренные санитарными органами Российской Федерации и поставляемые Российской промышленностью: плиты негорючие минераловатные повышенной жесткости и плиты теплоизоляционные на синтетическом связующем марки ПМ-50; для звукоизолирующих и звукопоглощающих конструкций применен модульная зашивка, панели которой обеспечивают снижение шума на 40 дБ, а также покрытие палуб мастикой «Адем» в районе жилых помещений и МО, включая фундаменты ГД и ДГ. маты марок АТМ-1 либо ИЗИС;

для противопожарных конструкций применены плиты марки ППЖ-200; для тепловой изоляции охлаждаемых провизионных кладовых применены плиты марки ПП-80 и блоки пеностекла по палубе;

4.3 Основные материалы зашивки помещений и покрытий палуб

для зашивки жилых и общественных помещений применена бескаркасная модульная система "Симпак", производство элементов которой освоено АО "Балтийский завод" г. Санкт-Петербург по лицензии фирмы ХДВ, Германия. Система "Симпак" одобрена Российским Морским Регистром судоходства и Минздравом России;

для зашивки служебных, хозяйственных и санитарных помещений применены листы оцинкованной стали, с последующим окрашиванием;

для зашивки постов управления применены стальные листы облицованные винил скожей;

для зашивки помещений рыбообрабатывающего и консервного цехов применены листы из коррозионностойкой стали;

подволоки жилых коридоров будут зашиваться откидными щитами из сплава Амг по ГОСТ.21631 с доступом к коммуникациям судна, расположенным в зашиваемом пространстве;

в жилых, общественных и служебных помещениях палубы покрывают цветным линолеумом по металлу или мастике. В местах интенсивного движения (коридоры и тамбуры) линолеум будет укладываться в два слоя;

в санитарно-бытовых и санитарно-гигиенических помещениях, пищеблоке, охлаждаемых провизионных кладовых и консервном цехе будут покрыты цветной керамической плиткой.

Все материалы, применяемые для покрытия палуб, удовлетворяют требованиям техники безопасности, санитарного надзора Российского Морского Регистра судоходства.

4.4 Главная энергетическая установка

Мощность главной энергетической установки определялась путем суммирования максимальной мощности для обеспечения ходового режима с последующим уточнением ее при выборе типа главного двигателя в типоразмерном ряде соответствующей фирмы поставщика.

Для проектируемого судна тип главного двигателя был определен на основании сравнительного анализа нескольких двигателей фирм-поставщиков.В качестве гл.дв. принят дизель ф.Сат.Германия.

Применение двигателя позволило оптимизировать состав о оптимально разместить оборудование в МО, тем более что главный двигатель др. ф. не обеспечивает выполнение требований ПР В части подключения резервного насоса для охлаждения двигателя пресной водой.

В качестве главной энергетической установки принят дизель-редукторный агрегат с двигателем типа 3508В 4-х тактный мощностью 746 кВт при 1600 об/мин фирмы "CATERPILLAR" в комплекте с ВРШ и валопроводом.

Для обеспечения судовых потребителей электроэнергией на судне предусматривается установка источников электроэнергии в составе:

двух синхронных генераторов трехфазного переменного тока мощностью 160 кВт каждый, с приводом от дизелей;

одного аварийного синхронного генератора трехфазного переменного тока мощностью 28 кВт, с приводом от дизеля.

4.5 Производство

4.5.1 Характеристика производственных условий предприятия-строителя

Для постройки малого научно-исследовательского судна был выбран Средне-Невский судостроительный завод, который имеет большой опыт постройки сложных кораблей и судов, и обладает всеми возможностями для постройки проектируемого судна.

Основными судостроительными производствами на предприятии являются блок цехов металлического судостроения (корпусный и стапельно-монтажный цеха) (1), блок цехов в составе трубообрабатывающего и модульно-агрегатного (11), слип (3) и достроечная набережная (4).



4.5.2 Корпусный цех

Корпусный цех располагается в головной части блока корпусных цехов в 4-х пролетах длиной 90 м и шириной - 21 м, и обслуживается кранами грузоподъемностью 5 и 15 т, с высотой до подкрановых путей равной 7 и 15 м. Максимальные габаритные размеры обрабатываемого листового проката 2,0 х 6,0 м.

Корпусный цех выполняет:

плазовые работы;

расконсервацию, химическую очистку листового и профильного проката;

разметку, механическую и термическую резку листов и проката;

изготовление деталей корпусного насыщения;

сборку и сварку узлов, конструкций, плоских и полуобъемных секций корпуса и надстройки;

изготовление дельных вещей и изделий машиностроительной части (МСЧ);

заготовки по МСЧ для механического цеха.

Выводные ворота с габаритными размерами 11х11 м.

4.5.3 Стапельно-монтажный цех

Стапельно-монтажный цех производит:

подготовку стапельного места;

сборку и сварку блоков корпуса;

установку насыщения;

установку фундаментов, не установленных в секциях;

сдачу на конструкцию и испытания на непроницаемость и герметичность;

проверочные работы;

монтаж механизмов;

стыкование блоков и монтаж надстроек;

монтаж главных двигателей, дельных вещей, устройств, валопроводов, винто-рулевого комплекса, электрооборудования массой свыше 15 кг, систем вооружения;

зашивку помещений сталью и листами Амг;

перемещение блоков и корпусов судов, спуск на воду и подъем на слип судов и кораблей.

Цех размещается в четырех стапельных пролетах блока корпусных цехов и имеет следующие характеристики:

длина стапельного места, м 70,0;

ширина стапельной плиты, м 5,8;

ширина судовой колеи, м 3,0;

ширина пролетов в осях колонн, м 21,0, 15,5;

погонная нагрузка, т/п. м 17,0;

грузоподъемность стапельных тележек, т 80;

грузоподъемность кранов (по 2 в каждом пролете), т 15,3;

высота до подкрановых путей, м 15,0;

габаритные размеры выводных ворот (ВхН), м 14х11.

4.5.4 Трубообрабатывающий сдаточный цех

Трубообрабатывающий сдаточный цех размещается в трехпролетном отдельном здании длиной 52 м и шириной пролетов 14, 14 и 8 м и обслуживается кранами грузоподъемностью 3,0 т с высотой до подкрановых путей равной 5,35 м.

Цех производит:

изготовление, монтаж и испытание систем и трубопроводов;

изготовление и монтаж труб систем вентиляции;

вулканизацию резины - изготовление изделий из капрона и резины;

изготовление изделий (деталей) МСЧ из цветных материалов;

установку и размещение на судах ЗИПа;

швартовные, заводские и государственные испытания;

монтаж на плаву спецаппаратуры.

4.5.5 Достроечный цех

Достроечный цех размещается в двух пролетах длиной 19 м и шириной 17 м и выполняет:

сушку и обработку древесины;

приготовление красок, шпаклевок, мастик;

малярные работы;

нанесение покрытий на палубах;

изоляцию и зашивку помещений;

установку деревянной мебели и оборудования в помещениях.

4.5.6 Слип

Слип горизонтальный с наклонной частью.

Служит для передачи блоков и корпуса судов из пролета в пролет, для спуска судов и подъема их после спуска.

Характеристика слипа:

яма малого трансбордера, м 7,96х87;

яма большого трансбордера, м 280х87;

грузоподъемность слипа, т 850;

длина спусковых дорожек, м 260;

в том числе подводная часть, м 55.

4.5.7 Достроечная набережная

Достроечная набережная:

длина, м 200;

ширина, м 14,6;

глубина у кордона, м 4,5;

длина подкрановых путей, м 200;

грузоподъемность кранов, т 1х30/15 и 1х5.

Электромонтажные работы на судах выполняет филиал электромонтажного предприятия "ЭРА".



Раздел 5. Экономика

5.1 Трудоемкость изготовления проектируемого судна

Принципиальная технология и организация постройки малого научно-исследовательского судна ориентированы на внедрение современных технологий строительства судов и адаптацию их для конкретного завода-строителя.

Разработка варианта проекта судна осуществлялась с обязательным достижением высокого уровня технологичности судна и снижением трудоемкости и стоимости постройки судна.

Для повышения технологичности корпуса:

- отсутствует седловатость верхней палубы;

- применяется формирование функционально-законченных модулей;

- выполняется формирование трехмерной математической модели корпуса судна;

- обеспечивается применение современного программного обеспечения для плазово-технологической подготовки производства с использованием средств вычислительной техники и адаптированного к строительству на отечественных верфях.

Традиционно в судостроении основным критерием технологичности считается трудоемкость изготовления конструкций и корпуса в целом. Под трудоемкостью продукции понимают экономический показатель, характеризующий затраты рабочего времени на изготовление единицы продукции или на выполнение определенной работы.

Трудоемкость изготовления продукции - один из основных технико-экономических показателей деятельности предприятий и степени (уровня)технологичности изделия. Особенно велика роль этого показателя в трудоемких отраслях промышленности, к которым относится судостроение. Трудоемкость изделия определяет также сроки его создания.

Исследование применяемых способов расчета трудоемкости показывает, что все они исходят из назначения судна, его серийности и номера в серии, массы (или иного обобщающего фактора) и некоторых технологических параметров.

Измеряется трудоемкость в нормо-часах (н-ч) или человеко-часах (ч-ч); возможна запись нормо/час (н/ч) или человеко/час (ч/ч). В расчетах заработной платы трудоемкость принимается в нормо-часах. Соотношение между величинами трудоемкости, выраженными в нормо-часах и человеко-часах называется коэффициентом переработки норм:

КП= Т[н-ч] / Т[ч-ч].

В начале рассматриваемого периода времени (например, отчетного или планового периода; продолжительности постройки серии судов и т.п.),КП = 1.

В качестве основных факторов, определяющих величину трудоемкости постройки судов, приняты масса суднапорожнем без жидких грузов и балласта и массы соответствующих конструкций, относящихся к тем или иным видам работ.

При определении трудоемкости принято распределение по конструктивным разделам судна в соответствии с видами работ цехов (и, в принципе, участков верфи). Судостроительные предприятия используют в практике определения трудоемкости постройки судов нормативы ЦНИИ технологии судостроения. Расчетная метода разработана для серийно освоенных судов и предназначена для определения трудоемкости постройки судна в целом и по видам работ. Следует отметить, что учет конкретных условий производства не является каким-то специфическим качеством этого метода, а общепринят в отечественной практике.

В процессе разработки проекта судна предприятие-проектант выполняет расчеты трудоемкости постройки серий, но освоенного и головного судов. При этом не учитывается трудоемкость работ, осуществляемых контрагентами (некоторые изоляционные работы, монтаж приборов теплоконтроля и автоматики, электромонтажные работы и др.). Трудоемкость вида работы определяют для каждого типа судна в соответствии с нормативами в зависимости от массы по соответствующим элементам нагрузки.

Формулы для определения нормативов трудоемкости для проектируемого судна приведены в таблице 5.1.

Табл. 5.1. Нормативы трудоемкости некоторых судов

Тип судна	Вид работ
	По судну в целом	Обработка корпуса	Предварительная сборка	Формирование корпуса	Трубомонтажные работы	Механомонтажные работы	Достроечные работы	Испытания
Сухогрузные суда смешанного плавания, речные и озерные	Диапазон изменения массы конструктивно-технологической группы, т
	500-3000	300-2300	300-2300	300-2300	30-230	50-300	500-3000	500-3000
	Формулы
	270,9-0,0636m	13,5-0,0026 m	38,8-0,0065 m	48,1-0,0077 m	302,8-0,5057 m	75,2-0,01021 m	55,9-0,0109 m	7,8-0.0021 m
Рефрижераторы	Диапазон изменения массы конструктивно-технологической группы, т
	500-8300	250-5000	250-5000	250-5000	25-450	50-1200	500-8500	500-8500
	Формулы
	1771 m-0,306	439 m-0,489	877 m-0,393	105,8-0,0135 m	1682 m-0,334	96,3-0,014m	42,8-0,0023m	349 m-0,430
Буксиры морские портовые	Диапазон изменения массы конструктивно-технологической группы, т
	50-300	10-150	10-150	10-150	2-15	10-80	50-300	50-300
	Формулы
	338,7-0,642m	32,6-0,099 m	58,0-0,070 m	74,9-0,289 m	717,4-15,952 m	205,1-2,004 m	70,5-0,116 m	10,9-0,0057 m
Речные буксиры-толкачи	Диапазон изменения массы конструктивно-технологической группы, т
	100-1000	50-500	50-500	50-500	5-40	30-180	100-1000	100-1000
	Формулы
	566 m-0,203	204 m-0,501	190 m-0,293	103,3-0,0924 m	419-5,74 m	584 m-0,552	238 m-0,256	7,3-0.002 m
Научно-исследовательские суда	Диапазон изменения массы конструктивно-технологической группы, т
	100-3700	50-1850	50-1850	50-1850	5-295	25-600	100-3700	100-3700
	Формулы
	286,6-0,0435m	23,8-0,0072 m	90,0-0,0310m	118.5-0,0478 m	577,0-1,3578 m	90,0-0,0774 m	50,4-0,0043 m	21,7-0,0051 m
Морские суда на подводных крыльях*)	Диапазон изменения массы конструктивно-технологической группы, т
	30-110	12-30	12-30	12-30	2-8	6-30	30-110	30-110
	Формулы
	1626	272,8-4,51 m	740,1-15,32 m	1385,2-31,83 m	1037,7-68,3 m	418,5-7,53 m	359,0	77,0
Суда на воздушной подушке	Диапазон изменения массы конструктивно-технологической группы, т
	5-30	2-12	2-12	2-12	0,2-12	2-10	5-30	5-30
	Формулы
	1900-22,55 m	946 m-0,611	678-20,87 m	1585 m-0,310	2500	290,6-5,13 m	234,7-0,595m	41,9-0,406 m

Табл. 5.2. Расчет трудоемкости постройки проектируемого судна.

Виды работ	Номер серийно освоенного судна - 15
	Предприятие - строитель - Северо-Невский Судостроительный Завод
	Масса, т	Трудоемкость постройки
		Удельная по нормативу,н-ч/т	Коэффициенты	Удельная расчетная, н-ч/т	Общая, н-ч/т
Обработка деталей корпуса	174,1	22,6		22,6	3935
Предварительная сборка	174,1	84,8		84,8	14763
Формирование корпуса	174,1	110,2		110,2	19186
Трубомонтажные	11,3	562,0		562,0	6351
Механомонтажные	26,1	88,0		88,0	2297
Достроечные	330,2	49,0		49,0	16180
Испытания	330,2	20,0	1,1	22,0	7264
Всего работ верфи					69976
МСЧ	КМСЧ = 18%				15360
Укладка балласта	29,6	15			562
Всего трудоемкость серийного судна					86460
Коэффициент серийности	КС = 1,75
Трудоемкость постройки головного судна				151305
Трудоемкость постройки серийного судна округленно	86500
Трудоемкость постройки головного судна округленно	151300

При сравнении технико-экономических показателей постройки судов, анализе деятельности судостроительных предприятий, разработке судостроительных программ трудоемкость строительства серийно освоенного судна определяется зависимостью вида

ТC = tiMkT

где: ТC - трудоемкость постройки серийно освоенного судна, чел.-ч;

ti - норматив удельной трудоемкости на тонну массы судна порожнем без жидких грузов и балласта, чел.-ч/т;

М - масса судна порожнем без жидких грузов и балласта, т;

kT- коэффициент, учитывающий снижение трудоемкости постройки судна за счет внедрения прогрессивных технологических процессов и организации производства, обеспечивающих заданный рост производительности труда на соответствующий период (он определяется в результате анализа итогов предшествующего периода, перспектив развития судостроения в целом и на конкретном предприятии).

Трудоемкость постройки любого судна серии определяется зависимостью

Ti = ТCki

где: Ti - трудоемкость постройки i-го судна серии, чел.-ч;

ki - коэффициент серийности;

i - порядковый номер судна в серии.

Принятые коэффициенты серийности определены в результате анализа данных о снижении трудоемкости постройки судов в зависимости от порядкового номера судна в серии. Серийным может считаться уже третье судно, однако это зависит в определенной степени от его типа. Следует отметить, что в практике расчетов серийное более сложное судно имеет меньший номер при том же водоизмещении, что и менее сложное. Например, при одном и том же водоизмещении номер серийного наливного или сухогрузного судна будет большим, чем у рыболовного, а у последнего - большим, чем у научно-исследовательского или военного.

Более точно при проектировании трудоемкость постройки серийно освоенного судна ТC определяется как сумма трудоемкостей укрупненных видов работ, в частности, обработки деталей корпуса, предварительной сборки конструкций, формирования корпуса на стапеле, трубомонтажа, механомонтажа, достройки, испытаний и сдачи, по машиностроительной части (МСЧ). При этом используется формула:

ТC =

где: Тj - трудоемкость вида работы при постройке серийно освоенного судна, чел.-ч.

Как уже отмечалось, рассматриваемый метод позволяют учитывать многие особенности современного судостроения. В основном это делается с помощью коэффициентов, применяемых при расчете трудоемкостей видов работ. Поправочные коэффициенты учитывают изменение типа построечного места, материала корпуса и надстроек, объема плоскостных секций и производительности комплексно-механизированных линий, внедрение элементов модульно-агрегатного метода и т.д.

Помимо применения понижающих коэффициентов в некоторых случаях определяется непосредственно трудоемкость частного технического решения в результате применения нового конструктивного решения и затем корректируется трудоемкость вида работ. Такая процедура применяется, например, при монтаже модульных систем оборудования и обстройки помещений, использовании новых схем конструктивной противопожарной защиты, нанесении ВДП и т. д.

Трудоемкость работ ТМСЧ определяется по их удельному значению в общей трудоемкости постройки по формуле:

Т = ? 100

ТМСЧ = Т - ТВ

где: Т - трудоемкость постройки судна;

ТВ - суммарная трудоемкость видов работ (трудоемкость работ верфи), чел.-ч;

ТМСЧ- удельное значение работ МСЧ в общей трудоемкости постройки судна, проценты. Значение коэффициента kМСЧ зависит от типа судна, специализации предприятия, уровня межзаводской кооперации и т. д.

При наличии на судне твердого балласта трудоемкость его следует определять отдельно, при этом величину удельной трудоемкости его укладки принимают в пределах от 15 до 30 чел-ч/т.

Расчет трудоемкости проектируемого судна сведен в таблицу 5.2, все удельные показатели и коэффициенты приняты в соответствии с нормативами ЦНИИ технологии судостроения.

5.2 Стоимость постройки судна

Одним из важнейших требований к проектируемому судну является его строительство на одном из отечественных предприятий.

Стоимость постройки судна может быть определена или калькуляционным методом, или на основании статистических данных. Например, для малых судов: в стоимости судна 60-70% составляет стоимость комплектующего оборудования.

Расчет предварительной цены судна проводился калькуляционным методом в следующей последовательности.

Стоимость изготовления технологической оснастки определялась исходя из опыта её изготовления для судна-прототипа и принята в размере 90 тыс.долларов США. Данная стоимость в случае серийности судов распределяется равномерно на каждое судно серии. Она возвращается заказчику и может снижаться при увеличении серии.

Стоимость электромонтажных работ определяется в зависимости от длины кабеля и трудоемкости работ, выполняемых электро-монтажными предприятиями. Стоимость этих работ для судна - прототипа составила