Пришло время перейти с металлического на композитное военно-морское судостроение
Волоконные пластики имеют явные преимущества перед металлами в области судостроения, особенного военного. Однако до сих пор в мире не наблюдается массового перехода военно-морского судостроения на композиты. Голландские и Скандинавские судостроители считают, что сейчас настало время в срочном порядке осуществить этот переход. Мы поговорили с экспертами из Damen Schelde Naval Shipbuilding в Фли́ссингене, Нидерланды, и изучили преимущества композитов, а также те задачи, которые нужно решить.
Группа компаний Damen производит композитные суда с 1960х годов. В начале 1980х, к примеру, они уже изготавливали быстрые легкие композитные суда. «Но потом использование алюминия позволило удешевить производство, поэтому Damen перешли полностью на алюминий», говорит Joep Broekhuijsen. Он является главным координатором исследований и разработок в Damen Schelde Naval Shipbuilding в Фли́ссингене, Нидерланды.
С началом нового века группа компаний Damen снова начала делать значительные вложения в композиты. И вот, спустя несколько лет, у них есть композитная верфь в Анталии, Турция, где изготавливаются легкие быстрые суда длиной до 25 м. «Это в основном перехватчики: быстрые маленькие кораблики, которые перевозятся на борту материнского судна с целью преследования других судов», говорит Laurent Morel, технический специалист по композитным структурам Damen Schelde Naval Shipbuilding. «Мы изготавливаем серию из семидесяти таких судов на верфи со скоростью около одной недели. Также в производстве у нас находятся два водных автобуса: катамараны для пассажирских перевозок. И во всех наших судах для перевозки команды, а также морских судах, надстройка сделана из композитов».
Компания Damen строит полный перечень судов. И у них есть амбиции создавать более крупные композитные корабли. «У нас в разработке есть чертеж 45 м корпуса и мы хотим в течение 5 лет дойти до 75 м», говорит Morel (рисунок 2).
Damen использует термореактивные смолы и старается, по возможности, использовать стекловолокно. «В маленьких судах мы используем сочетание арамидного волокна и углеволокна», добавляет Morel. «11-метровые перехватчики делаются из углеволоволокна. Водные автобусы из стекловолокна. И мы работаем над 45 м углеволоконным паромом. Эта структура более критична. Большинство композитных судов разработаны не на прочность, но на частоту. В зависимости от типа судна вы можете использовать различные материалы для достижения этой частоты. Винт корабля возбуждает структуру, так что она должна иметь отличную частоту, предпочтительнее выше частоты винта».
Экстра преимущества композитов для военного назначения
Безусловно, наиболее явное преимущество при переходе со стали на композиты – это снижение веса, которое можно использовать для уменьшения потребления топлива или увеличения полезной нагрузки. «Если говорить о коммерческих судах, для них лучшим вариантом является большая полезная нагрузка, ведь таким образом Вы быстрее окупите вложенные средства», говорит Morel. «Для круизных судов инвестиции могут окупиться за 2-3 года. В общем случае ожидаемый срок службы судна 25-30 лет». Так что стоимость жизненного цикла композитного судна ниже, чем стального еще и потому, что оно требует меньше обслуживания. К сожалению, это пока не работает как инструмент продажи, что и объясняет Morel: «Покупатель должен разделить бюджеты: один на покупку и один на обслуживание». Так что покупатель в общем случае будет решать, какое судно приобрести, основываясь на цене покупки, а не на стоимости жизненного цикла.
Более легкий вес композитной надстройки может также привести к низкому центру тяжести судна, увеличивая его стабильность, что означает: снижение риска опрокидывания судна. Но, по словам господина Morel, основная причина использования композитов для этих судов длиной менее 25 м заключается в том, что сейчас их производство дешевле, чем алюминиевых: «Этот факт можно объяснить тем, что они были разработаны для обеспечения возможности модульного дизайна и серийного производства. Сейчас мы можем, к примеру, совместить две различные надстройки с одинаковыми матрицами».
Для военного применения судно или надстройка из композитов имеет дополнительное преимущество – низкий шлейф, например для низкого (малого) радарного поперечного сечения (РПС). Это особенно выражено в том случае, когда вы сравниваете его с легкой металлической структурой. РПС металлического судна можно снизить, придав ему особую форму с плоскими угловыми поверхностями, но, по словам господина Broekhuijsen, это не просто: «Если вы хотите использовать алюминий или тонкую сталь, процессы сварки приведут к деформациям, делая суда менее эстетичными и более видимыми на радаре».
Последнее, но не менее важное – подводный магнитный след композитного судна ниже, что особенно важно для противоминных судов размерами более 25 м. Предполагается, что голландский ВМФ в скором времени заменит все свои противоминные суда. «В настоящее время это наша главная задача» говорит господин Broekhuijsen. «Можем ли мы масштабировать технологию производства этих малых композитных судов, чтобы изготавливать большие платформы, если это потребует Голландское министерство обороны?» (Рисунок 3).
Противоминные суда
Damen проводит огромное количество исследований нового поколения противоминных судов. Для этого выбраны композитные суда длиной до 75 м. «Это весьма большие композитные платформы», говорит Broekhuijsen. «Что-то, чего раньше часто не делали».
Но Министерство Обороны пока не заказало эти новые противоминные суда. Они затягивают этот процесс, потому что есть две различные стратегии работы с минами. И поэтому Министерство Обороны пока не решило, что они предпочитают.
Первая стратегия – иметь противоминное судно с низким магнитным следом (к примеру, суда из композитов), которое может обнаружить мины перед тем, как они обнаружат его. Кроме того, оборудование на борту также должно изготавливаться из немагнитных материалов или локально оборудовано размагничивающей системой, так что вы сможете приблизиться к минам, не вызывая их срабатывания.
Другая стратегия – иметь обычное стальное материнское судно, которое всегда находится за пределами заминированной территории и посылает малые беспилотные суда для обнаружения мин. Планируется, что такие суда будут иметь длину 10-20 м и будут изготавливаться из композитов. Им нужно будет нести довольно большую нагрузку систем для изучения минного поля.
«Министерство Обороны ожидает увидеть как быстро разрабатываются эти беспилотные системы» говорит господин Broekhuijsen. «Так что сравнение по ценовой эффективности весьма сложно. Мы хотим провести хорошее сравнение и поддержать Министерство Обороны, как только возникнет необходимость, так что мы сможем показать им какие производственные технологии и материалы будут оптимально полезны». Также не ясно, будет ли действительно возможно гарантировать, что материнское судно будет оставаться вне заминированной территории при всех обстоятельствах. «Мы стараемся быть готовыми к обеим стратегиям» говорит Morel. «Но для меня задача ясна: цена покупки композитного судная должна быть такой же низкой, как и цена стального корпуса. Это единственный способ что то обсуждать».
Нагрузки, запланированные для военных судов, очень сильно отличаются от таковых для коммерческих судов. Противоминные корабли, к примеру, должны выдержать внезапную детонацию мины.
Нидерланды также требуют, чтобы их противоминные корабли выдерживали несколько детонаций перед тем как вернуться в порт на осмотр. «Образование трещин губительно для корпуса судна» говорит господин Broekhuijsen.
«Хитрость в том, чтобы предотвратить реальное образование трещин, сохраняя при этом водонепроницаемость. Сталь значительно деформируется перед тем, как растрескаться. На композитах вы увидите повреждение в виде деламинации. Но ведь вы хотите, чтобы судно могло выдержать несколько взрывов на большом расстоянии без повреждений, заставляющих вас вернуться в порт. То есть нужно, чтобы конструкция выдержала несколько шоковых нагрузок без деламинации, оставаясь внутри эластичных параметров для стали и композита».
Испытания взрывами были проведены в TNO (Голландская организация прикладных научных исследований) в Рейсвейке, Нидерланды, с использованием сэндвичей и ламинатов с и без элементов жесткости.
Заклепки, болты или адгезивы?
Для соединения деталей (все композитные суда, а также суда со стальным корпусом и композитной надстройкой) Damen предпочитает использовать адгезивы, как объясняет господин Broekhuijsen: «Сварка, безусловно, не возможна для соединения композитов и стали, а именно эта технология сейчас широко используется. Заклепки в нашем случае – устаревший вариант. Мы почти не используем болты, потому что они утяжеляют конструкцию и требуют больших трудозатрат. Использование болтов в композитной настройке очень негативно сказывается на вопросе снижения веса, которого вы надеетесь достичь. Вес болтов будет составлять до 20% веса всей композитной надстройки (рисунок 4).
Американцы недавно попытались собрать композитную надстройку на болтах: USS Zumwalt DDG-1000 выглядит футуристически, длиной 180 м, Эскадренный миноносец с управляемым ракетным оружием, разработан специально для ультра-низкого РПС. «В соответствии с пресс-релизом им пришлось добавить дополнительный радарный отражатель для обычных учебных операций, поскольку иначе это может привести к столкновению с другими судами», говорит господин Broekhuijsen. Но три ряда болтов, использованные для надстройки, добавили веса и удорожили проект. План построить 32 таких миноносца провалился, ограничились выпуском всего 3 судов. И, чтобы добавить чувства футуризма, имя первого капитана Zumwalt’a было ирк (не путать с выдуманным капитаном Стар Трека ирком). Острословы также шутили, что «1000» в названии судна означает, возможно, количество использованных болтов. Да, возможно это и смешно, что столь футуристично выглядящий корабль имеет такое огромное количество болтов, но господин Morel приводит объяснение: «Вы должны дифференцировать рабочие и военные нагрузки. Для рабочих нагрузок, например, от волн, шов должен быть достаточно прочным. Военные нагрузки имеют иную природу, особенно если говорить о внутреннем взрыве: детонация ракеты внутри структуры. Поэтому мы, возможно, должны будем вернуться к болтам. Сейчас этот вопрос исследуется. Это может быть причиной тому, почему американцы использовали болты вместо клеевого соединения: потому что они, возможно, учитывали в своих расчетных требованиях нагрузки, вызванные оружием. Говоря о взрывах мы имеем ввиду, что скорость деформации в тысячу раз выше, чем при рабочих нагрузках. Это требует иного подхода: вам нужно поместить структуру в мембранное состояние, не изогнутое. Сравните его с мыльным пузырем: натяжение равномерно распределено, что позволяет легкой структуре нести тяжелые нагрузки. Мы уже изготовили композитные переборки, которые могут нести противокорабельные ракеты. Геометрически это всего лишь сэндвич панель, но вам нужно учесть ориентацию волокон и швов, чтобы выбрать правильное направление наргузок. После взрыва вы можете увидеть, что мыльный пузырь имеет форму. Самая важная часть – швы, потому что переборка закрывает несколько палуб» (https://www. eda. europa. eu/what-we-do/activities/activities-search/vulnerability-reduction-technologies-for-large-maritime-composite-structures-(convince)). Они сотрудничают с TNO, имеющими обширную базу знаний по эффектам, вызываемым оружием, в области структурной динамики.
Многие материалы чувствительны к скорости деформации: если вы деформируете их быстро, они имеют иную эластичность и иную деформацию на разрыв. Важно принять во внимание, должна ли ваша структура выдерживать высокие динамические нагрузки. В композитах это поведение зависит от особой комбинации материалов.
Так что использование адгезивов вместо болтов экономит вес и деньги, если соединяемые материалы нельзя соединить сваркой. «Фактически мы также используем довольно много адгезивов при работе с металлами – где мы, в общем то, можем провести сварку – это достроечный этап» добавляет господин Broekhuijsen. «Потому что даже после того, как вы покрасили и защитили корабль от ржавчины, возникают иногда проектные изменения, которые нужно учитывать. Тогда клеевое соединение будет оптимальным. Потому что если вы провели сварку, вам придется удалить краску и защиту от ржавчины с панели, и вы сожжете краску на задней стороне панели, все это требует дорогих восстановительных работ».
Пластиковые детали соединяются с металлическими на этапе достройки. В большинстве случаев к этим соединениям не прикладываются большие нагрузки, так что детали можно просто присоединить к окрашенной поверхности. «Если требуется, чтобы соединение было частью структуры судна, краска будет самой слабой связью» говорит Broekhuijsen. «Поэтому мы удаляем краску и выполняем соединение с металлом» (рисунок 5).
Соединение металла и пластика
Damen использует клеевые соединения чтобы прикрепить целую верхнюю надстройку в нижнему корпусу, например, при строительстве этих 25 метровых кораблей. Осуществление такой операции на кораблях большего размера, например, противоминных, сталкивается с одной большой проблемой. «Как в авиационной промышленности, если транспортное средство становится больше, требования становятся жестче потому что на борту будет больше людей, безопасность и экологические риски будут выше» объясняет господин Broekhuijsen. «Затем классификационное бюро определяет требования ко всей структуре, которые необходимо тщательно изучить. В случае малых судов мы можем соединять надстройки без получения одобрения классификационного сообщества. Однако для более крупных судов нам следует убедить соответствующие институты, что соединение надежно. Нам нужно показать безопасность в случае пожара. Также нам следует выполнить оценку рисков того, что может произойти и какие есть варианты снижения вероятности таких рисков».
Damen осуществляет большое количество исследовательских проектов, направленных на учет подобных рисков и поиск возможных решений. «Еще не многое известно о старении соединения в условиях морской среды» говорит господин Broekhuijsen. «В аэрокосмической отрасли, где соединение деталей между собой также применяется весьма широко, мы сталкиваемся с абсолютно иными обстоятельствами и условиями работы адгезива. Наша среда в процессе склеивания не может контролироваться так, как это делается в аэрокосмической отрасли. У нас обычно большой цех, который не прогреть. И мы занимаемся производством по всему миру. Влажность в Индонезии выше, чем в Голландии. А условия меняются каждый сезон. Так что их гораздо сложнее контролировать, и, что важно – мы не хотим значительно контролировать их, поскольку это увеличит стоимость производства. Поэтому мы ищем более неприхотливые адгезивы также и с точки зрения толщины соединения. В судостроении, по сравнению с аэрокосмической отраслью, соединительные швы толще, а строительные допуски выше. Мы заняты исследованием влияния всех этих факторов, а также того, как мы можем контролировать их и эффективно устранять их. Мы также изучаем способы мониторинга работающего соединения, кроме того ищем возможность устранить аномалию до того, как соединение будет повреждено».
Они работают в тесном сотрудничестве с производителями адгезивов, и господин Broekhuijsen объясняет некоторые ограничения: «Это в значительной степени ограничивало наш выбор адгезива. На рынке представлено много различных типов адгезивов. Многие из них уже получили одобрение к использованию в морских условиях. Мы хотели бы получить свободу выбора из всех доступных вариантов. Так что сейчас мы следуем иной стратегии: мы определяем основные параметры адгезива для нашего конкретного применения. Мы также определяем тесты, требуемые для того, чтобы доказать, что адгезив обладает основными характеристиками. В результате мы получаем тестовую матрицу, которую можем дать различным поставщикам. Их задача – заполнить ее результатами и предложить цену. Затем мы можем выбрать оптимальный вариант для нашего случая. Часть этой матрицы уже доступна, однако она будет расширена и доработана. Мы только начали исследования надежности с Технологическим институтом в Дельфте. Ожидается, что через 3-4 года матрица будет готова».
«Мы разработали соединение композит/сталь в Европейском проекте совместно со Шведской верфью», добавляет господин Morel. «Шведская верфь уже использует его для военно-морских судов, поскольку они не требуют одобрения классификационного сообщества. Однако Damen предпочитает иметь коммерческое одобрение даже для военных судов. Самая большая задача – создать модель и утвердить ее, что особенно важно для FEM модели адгезивов, которые должны работать в температурном диапазоне -65/+80 оС. Корабли должны иметь возможность перемещаться по всему свету, от Арктики до тропиков. Чтобы гарантировать сертифиционному бюро и правительственным органам, что клеевые швы могут выдержать такой режим, нужно пройти самый трудный этап – моделирование. Мы знаем, что это прекрасно раболтает: были проведены испытания. Но мы пока не может это доказать. Сейчас у нас есть партнерство с десятками компаний, возглавляемое TNO. Оно будет длиться два года и должно завершиться получением классификацонного сертификата. У нас есть студенты, изучающие такие моменты как предварительная подготовка для получения хорошего соединения, коррозионное поведение стали, разрушение адгезива в процессе работы».
Damen принимает участие в множестве проектов с такими партнерами как TNO, Heerema, Университет Дельфта, Кембриджский университет и прочие: от фундаментальных исследований (надежность клеевых швов и их динамика) до промышленных проектов по швам/соединениям для переноса результатов с моделей в реальную жизнь.
Самая большая задача для полностью композитного противоминного судна
Morel объясняет, что самая большая задача в развитии больших композитных судов, таких как новое поколение противоминных кораблей, это получение государственного одобрения по необходимой пожарной безопасности: «Правила устанавливают, что сталь является не горючим материалом, а композиты горючи. Все композитные структуры плохо проводят тепло, то есть они сами по себе безопаснее в условиях небольшого пожара. Если масштаб пожара больше, то требуется, чтобы корабль мог нести свою нагрузку еще 60 минут. Это иное положение дел, чем в других секторах, как например авиация или железнодорожный транспорт».
При нахождении далеко в море может понадобиться много времени для того, чтобы прибыло спасательное судно, или чтобы корабль достиг ближайшего порта. И ситуация гораздо сложнее для военных судов. Коммерческие суда в опасной ситуации можно эвакуировать. «Для вонных судов это не вариант» говорит господин Morel. «Вам нужно оставаться на борту и продолжать сражение. В зависимости от степени повреждения должна оставаться некая остаточная функциональность. При попадании снаряда все должно нормально функционировать. При более тяжелом ударе вы все равно должны иметь гарантированное время на эвакуацию. Но в этих ситуациях судно будет гореть несколько дней, а команда остается на борту и продолжает сражение. В военном деле мы сталкиваемся с тяжелыми пожарами: горение углеводородов, например, при крушении вертолета или неразорвавшейся ракеты. Так что температуры гораздо выше».
Есть различиные пути достижения пожарной безопасности. Пожарная изоляция, возможно, самый простой способ, однако она увеличивает вес и затраты. Сталь должна также иметь изоляцию: «она не горит, но очень хорошо проводит тепло», объясняет Morel. «Так что если у вас возник пожар в части судна, где нет изоляции, тепло очень быстро распространится по всей струтуре. А у композитов такой проблемы нет». Вы также можете нанести вспучивающуюся огнестойкую краску: под воздействием тепла она вспучится, что создаст защитный барьер для ламината.
Для самого ламината можно использовать специальные смолы и волокна, например базальт и фенол. «Хотя у нас есть подобный опыт, мы предпочитаем не работать с этими материалами» говорит Morel. «Судно должно выполнять больше задач, чем просто противостоять пожару. Фенол, к примеру, хорошо работает в условиях пожара, воды нет. Если немного воды останется в смоле, она будет испаряться при пожаре, ламинат будет лопаться.»
Damen предлагает сбалансированное решение, использующее ряд этих технологий. В оценке рисков также используется архитектура системы пожаротушения. Никто не мог получить оценку рисков для композитного судна с пожарной безопасностью, аналогичной стальному. Но Damen в течение работали с международными партнерам, исследуя эту тему. «сейчас мы завершили оценку рисков и в следующем году должны получить первую печать в форме одобрения государства флага» говорит Morel.
Сравнимые закупочные затраты
Damen также принимает участие в проектах, нацеленных на снижение стоимости крупных композитных судов до стоимости стальных. «Во всем композитном сообществе даже передовые методы производства требуют больших трудозатрат» объясняет господин Morel. «Этот компонент следует уменьшить. Поэтомы мы стараемся максимально внедрять автоматизированные технологии. Мы хотим исключить все остановки, чтобы снизить затраты на производство». Он верит, что возможно снизить стоимость больших композитных судов до стоимости стальных: «Обеспечивая вам также уникальные преимущества композитов» добавляет он. «Композиты не подвержены коррозии, что позволяет вам уменьшить количество наносимой краски. И вы можете, к примеру, использовать больше теплозоляциии, чтобы уменьшить тепловую и вентиляционную системы. Если вы все это сделаете, то я убежден, что будет возможно изготовить композитное судно по цене стального. Мы оцениваем все структурные свойства композитов по сравнению со сталью: это очень базовые понятия, однако это следует тщательно проделать перед тем, как использовать в своей разработке».
Господин Morel объясняет, что есть два пути проектирования корабля: «Следовать предписанным правилам. Или же следовать основым принципам и затем доказать, что ваша инновация безопасна. Это требует большого количества работы, потому что сектор очень консервативен и свойства материалов очень различны – в статике и в динамике. Но это единственный путь оптимального использования материала.
Мы видим приближение новой передовой технологии. Я вижу композитные надстройки в Америке, Индии, Синагапуре, России и Италии: все работают над ними. Мы стараемся не копировать то, что делают все остальные. Это бессмысленно. Мы стараемся быть на шаг впереди и быть инновационными сами по тебе: с автоматизированным крупномасштабным производством. Никто еще не работает на 75метровыми композитными судами».
Господин Morel верит, что композиты совершат прорыв в судостроении: «Сейчас у нас есть композитные структуры, которые могут остановить эффект от воздействия оружия, как и стальные структуры: они могут ограничивать внутреннюю детонацию антикорабельной ракеты. Такая разработка заняла 20 лет и потребовала значительных усилий. Это один из последних шансов для внедрения композитов. И не только в моем секторе. 30 лет назад мы все думали, что что композиты будут взрываться. 10 лет назад снова. Мы одна из верфей, которые постоянно инвестируют в них. Но мы чувствуем, что мы практически достигли цели. Так что мы продолжаем активно работать (рисунок 6)!».
Информация, представленная в данном документе, предназначена только для ознакомления. Мы не даем никаких гарантий, прямо выраженных или подразумеваемых. Мы также хотим отметить, что данная статья предназначена для специалистов, имеющих опыт работы со стеклопластиком, которые должны понимать, что они несут полную ответственность за выбор материалов, процесс изготовления и установку оборудования. Не имея возможности контролировать перечисленные выше операции, мы не даем никаких гарантий по качеству готового продукта. НЕ ДАЕТСЯ НИКАКИХ ГАРАНТИЙ. ИСКЛЮЧАЮТСЯ ВСЕ ГАРАНТИИ ПО ПРИГОДНОСТИ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В КОНКРЕТНЫХ СЛУЧАЯХ.
Оригинал статьи размещен по ссылке: http://www. /composite-applications/features/now-is-the-time-to-make-the-change-/
