Какие задачи стоят перед российским судостроением в настоящее время? Какие трудности вносит экологическая повестка для судоходных компаний и почему глобальное потепление не является основанием для отказа от ледоколов? Ответы на эти вопросы представлены в интервью с академиком РАН Александром Владимировичем Пустошным.
Александр Владимирович Пустошный ― главный научный сотрудник-консультант ФГУП «Крыловский государственный научный центр», член Объединенного научного совета по прикладным наукам и технологическому развитию промышленности Санкт-Петербургского отделения Российской академии наук, член-корреспондент РАН. В 1976 году с отличием завершил обучение в Ленинградском кораблестроительном институте по направлению «Гидроаэродинамика». Он является специалистом в области теории корабля и работает над вопросами повышения эффективности и проектирования движителей, автором ряда научных публикаций, посвященных проблеме повышения энергоэффективности судов и сокращению выбросов парниковых газов в процессе судоходства.
― Судостроение в XXI в. ― как можно сегодня охарактеризовать эту науку?
― Суда представляют собой сложные технические объекты, требующие объединения различных научных областей. Я посвятил всю свою карьеру работе в одном из крупнейших, старейших и наиболее многопрофильных исследовательских центров судостроения – Крыловском государственном научном центре. Начало его истории связано с третьим в Европе опытным бассейном, который был открыт 8 марта 1894 года в присутствии императора Александра III. Значительный вклад в создание бассейна и разработку применяемых в нем методик внесли Д.И. Менделеев и будущий академик А.Н. Крылов.
Развитие судостроительной науки было связано с решением задач гидродинамики. Первостепенной задачей являлось согласование гребного винта и двигателя, то есть винт должен был обеспечивать полную утилизацию мощности двигателя. На начальных этапах также решались вопросы теории корабелостроения, в первую очередь касающиеся остойчивости и динамики волнения. Позднее к задачам гидродинамики присоединилось отдельное направление, посвященное прочности, а затем стали создаваться подразделения, занимающиеся акустикой, физическими полями и проектными исследованиями. В настоящее время все эти области знаний взаимосвязаны в процессе создания кораблей и судов.
― Подобно тому, как развитие авиации во многом было обусловлено трудами Н.Е. Жуковского в сфере аэродинамики, судостроение изначально базировалось на понимании принципов гидродинамики…
― Действительно. Я посвятил всю свою жизнь изучению гидродинамики кораблей и судов и на протяжении 15 лет руководил гидродинамическим отделением, хотя моя основная научная область – ходкость и гребные винты. Что касается комплексности науки, то работа над гребными винтами предполагает решение задач, связанных с гидродинамикой (эффективностью винтов), кавитацией, прочностью лопастей, гидроакустикой и согласованием винтов с двигателями. Это требует значительных усилий, и нередко приходится решать отдельные задачи уже в процессе натурных испытаний на судне или при сдаточных испытаниях кораблей.
― Какие основные вызовы стоят перед российской судостроительной отраслью в настоящее время?
― Я бы отметил три ключевых фактора, определяющих развитие судостроения. Первая и, возможно, наиболее значимая задача, поставленная президентом РФ В.В. Путиным и правительством, заключается в всестороннем развитии транспортной инфраструктуры Северного морского пути и освоении северных морских месторождений. В настоящее время актуальность этой задачи также связана с политическими факторами, в частности, переориентацией торговых потоков в восточном направлении.
Второй задачей является рассмотрение международных экологических соглашений, нацеленных на снижение выбросов парниковых газов. К ним относятся Парижское соглашение о климате, заключенное в 2014 году, а также сопутствующие международные договоры, обязательства и руководящие документы агентств ООН. Что касается морского транспорта, здесь свою роль играет Международная морская организация ( IMO) международная морская организация и ее Комитет по защите морской среды устанавливают строгие нормы, касающиеся выбросов углекислого газа, оказывающие значительное влияние на современное судостроение.
Третья задача, вызванная политической обстановкой, в частности санкциями, заключается в импортозамещении.
― Что касается Арктики, то наши суда успешно осуществляют рейсы в северных широтах с советских времен. Какие задачи необходимо решить в настоящее время?
― На данном этапе мы начинаем новый виток в освоении Арктической зоны. Если ранее осуществлялись преимущественно летние и достаточно рискованные перевозки, то сегодня мы говорим о последовательном развитии круглогодичной транспортной инфраструктуры. Для этого потребуется значительные усилия.
Иногда журналисты упоминают, что глобальное потепление позволит судам проходить по Северному морскому пути в незамерзающей воде. Однако, как неоднократно заявляли ученые Арктического и антарктического научно-исследовательского института на конференциях, связь глобального потепления с солнечными циклами, длящихся всего несколько десятилетий, часто игнорируется. В настоящее время, на фоне растущей тревоги о последствиях глобального потепления, появляются публикации о возможном начале нового ледникового периода, вызванного снижением солнечной активности.
Даже самые убежденные защитники теории глобального потепления не утверждают, что период незамерзания вод на Северном морском пути продлится более чем 150 дней в год. Определение точных дат этого периода на текущий год возможно только на основании долгосрочных метеорологических прогнозов. Соответственно, необходимость в ледокольном флоте не только не уменьшится, но и будет только увеличиваться, иначе предприятиям, работающим на Северном морском пути, придется корректировать логистические маршруты дважды в год – в период замерзания и незамерзания моря.
Значительные различия наблюдаются между судами ледового и неледового классов. К примеру, на судах класса регистра Arc5 и выше, предназначенных для плавания во льдах северных морей, не следует использовать носовой бульб: это добавляет 15–20% сопротивления воды, а значит, увеличивает затраты топлива и выбросы парниковых газов. Поэтому в ряде случаев на выходе из Северного морского пути выгоднее осуществлять перегрузку на суда без ледовых классов, чем идти длительные маршруты по океанам безо льда.
Я принимал участие в приемочных испытаний первого судна из серии крупных газовозов «Кристоф де Маржери», длина которого составляет 300 метров. Строительство судна осуществлялось в Корее, на нем были установлены движители (колонки) фирмы АВВ, проектирование винтов для этих колонок осуществлял Крыловский центр, а производство было организовано в Северодвинске. Подобная схема была не уникальной: около 15 лет существовал налаженный процесс, при котором КГНЦ разрабатывал винты, а «Звездочка» при поддержке Балтийского завода их изготавливала. Сначала такая кооперация обеспечивала поставки для пассажирских судов, строящихся на различных верфях по всему миру, а затем и для ледоколов. За длительный период экспорт в этом сложном и высокотехнологичном сегменте достиг значительных объемов, и эта работа была отмечена премией Правительства Российской Федерации.
Винты поворачивающихся колонных движителей судна «Кристоф де Маржери» вращаются вокруг своей оси. Такая конструкция позволяет справиться с задачей управления судном в условиях ледовой обстановки, а также обеспечивает возможность движения вперед, пробивая лед кормой, что часто оказывается весьма полезным. При проектировании подобных винтов гидродинамики решают важную научную задачу – предотвращение кавитации на лопастях, которая вызывает повышенные вибрации. В некоторых ситуациях кавитация приводит к «кавитационной эрозии», то есть к образованию язв на поверхности металла, что является неприемлемым.
Использование сложных движителей, включающих колонки с винтами, позволило значительно уменьшить вибрации в задней части пассажирских судов, что открыло возможность для изменения их конструкции. Теперь в кормовой части можно размещать дополнительные каюты или рестораны. Таким образом, изучение и преодоление сложного физического явления – кавитации – стало причиной существенного увеличения доходов судовладельцев.
Использование электрических колонок на ледоколах стало причиной существенного прогресса в технологиях. Это позволило проектировать суда большего размера, повысить их маневренность и способность пробивать лед.
― Это значит, что задачи, стоящие перед судостроением в процессе освоения Арктики, требуют разработки новых гребных винтов?
― Развитие проекта более приоритетно. Поставленная задача заключается в обеспечении круглогодичной судоходства по Северному морскому пути, вне зависимости от ледовой обстановки. Так, танкер «Кристоф де Маржери» может пробивать лед толщиной до 2,5 метров, что фактически делает его ледоколом.
Обслуживание Северного морского пути ледоколами сопряжено со значительными расходами, поэтому существует тенденция к обеспечению самостоятельного прохода судов. Однако, такие крупные суда, как «Кристоф де Маржери», нуждаются в повышенной мощности. Эксплуатация судов подобных габаритов в Арктике – это новый опыт, и возможность поворота колонки, а значит, и поворота упора винта, позволяет более эффективно маневрировать в условиях ледяного покрова. В настоящее время актуальной задачей является создание электрических поворотных колонки большей мощности.
― Вы обозначили экологические требования как вторую значительную задачу в судостроении. Сравнивая морские, железнодорожные и авиаперевозки, какая из них производит наибольший объем выбросов?
― По сведениям официальных источников, выбросы парниковых газов в атмосферу от авиации и судоходства составляют 3% от общего объема, созданного деятельностью человека. Этот показатель представляется достаточно незначительным.
Примерно с 2010–2012 годов в мировом судостроении стартовали масштабные научные разработки, целью которых является повышение энергоэффективности, что выражается в уменьшении расхода топлива для перевозки единицы груза. Международная морская организация ( IMO) ввела специальный индекс энергоэффективности EEDI ― показатель, характеризующий отношение массы выброса газа при сгорании топлива к грузовместимости, ― который устанавливается на основе результатов реальных испытаний судов и должен быть не выше установленного нормативного значения IMO уровня для данного типа судов. В России первые публикации на эту тему появились в 2014–2015 гг. По-видимому, сказалось то, что транспортные суда в то время покупали за границей.
Вопрос приобрел еще большую актуальность: IMO ввела второй параметр регулирования ― фактически каждое судно должно писать самодонос и указывать, сколько грузов перевезло и сколько топлива потратило. И каждый год нормы ужесточаются. То есть судовладелец должен каждые три-пять лет модернизировать суда, чтобы добиться требуемой энергоэффективности и требуемых выбросов парниковых газов. Пока это может быть достигнуто небольшими усовершенствованиями, осуществляемых силами или гидродинамиков (установкой так называемых энергосберегающих устройств), или механиков (утилизацией энергии выхлопных газов).
Сейчас IMO ставит задачу полностью исключить углеродный след от судов к 2050 г. Добиться этого существующими методами невозможно ― требуется переход судов на новую альтернативную энергетику, причем не на газ, который способен снизить выбросы углекислого газа примерно на 15%, а, например, на водород.
Пока альтернативные источники энергии не получили достаточного развития и остаются дорогостоящими, следует учитывать, что сторонники экологически чистого производства требуют не просто водород, который в настоящее время широко производится в России из природного газа, а так называемый «зеленый» водород, получаемый посредством электролиза воды с использованием энергии солнца или ветра. Это, в свою очередь, предполагает возведение солнечных электростанций в южных регионах и установку мощного электролизного оборудования.
― Какова будет эффективность судов, работающих на водороде?
― Технология находится на столь ранней стадии разработки, что говорить о ней преждевременно. Уже есть первые водородные автобусы, однако их стоимость значительно выше, чем у электробусов. Неудивительно, что столь малоразвитым решениям уделяется приоритетное внимание.
В экологическом указе президента, направленном на стимулирование прогресса, указано, что при оценке уменьшения выбросов парниковых газов необходимо учитывать способность природных экосистем поглощать эти газы на территории всей страны. Я считаю, что российская наука, особенно в сфере судостроения, должна энергично отстаивать интересы России от необоснованных ограничений. Однако существующие условия финансирования научных исследований посредством конкурсов не позволяют оперативно организовывать сопротивление подобным ограничениям. Только за последнее время наряду с регулированием выбросов углекислого газа IMO запретила использование в Арктике тяжелого дизельного топлива, несмотря на то что делегация РФ призывала к более разумному подходу. Сейчас принято новое руководство по снижению подводного шума, в котором, в частности, ставится вопрос о неблагоприятном влиянии активности ледоколов при выполнении ими ледовых операций со ссылкой на жалобы инуитов ― коренных жителей севера Канады, которым шум от разбивающих льды ледоколов мешает охотиться. Ясно, что ограничение уровня шума ледоколов, в связи с которым в настоящее время нет даже нормальных систематических данных, а есть только наблюдения инуитов, будет направлено прежде всего против ведущего обладателя ледоколов ― Российской Федерации.
Для обеспечения безопасности интересов российского флота требуются научные изыскания. Мои слова не являются пустыми утверждениями. В составе делегации Российской Федерации я неоднократно участвовал в работе Международной морской организации и, фактически, без достаточного финансирования подготовил и обосновал необходимость исключения судов, работающих в Арктике, из системы регулирования выбросов углекислого газа. Комитет по охране морской среды реагирует на достоверные результаты исследований, поскольку их проведение позволит избежать серьезных препятствий для развития флота в будущем.
― Насколько суда, используемые российским флотом, являются результатом деятельности отечественного производства?
― В настоящее время развернута масштабная программа импортозамещения, в частности, на Дальнем Востоке заработала верфь, предназначенная для постройки судов, аналогичных «Кристофу де Маржери».
Я воздержусь от общих комментариев по вопросам импортозамещения, поскольку у меня недостаточно данных для этого. Вместо этого я могу рассказать о двух примерах, связанных с моей сферой деятельности.
Ранее я уже упоминал о разработке в России мощных электрических двигателей для ледоколов. Проектирование этих двигателей осуществлялось в сотрудничестве с Крыловским центром. Важно понимать, что это не ограничивается гидродинамикой и винтами: ключевым элементом является разработка электрических схем, позволяющих регулировать скорость вращения винта.
Вторым приоритетным направлением импортозамещения в сфере судовых движителей является создание винтов регулируемого шага (ВРШ). Эти винты обладают лопастями, способными поворачиваться вокруг своей оси, что позволяет поддерживать оптимальный режим работы. Прежде всего, ВРШ обеспечивают адаптацию винта к двигателю в любых условиях эксплуатации судна, что является экономически целесообразным. Кроме того, они повышают безопасность мореплавания, поскольку значительно упрощают маневрирование задним ходом: суда, оснащенные такими винтами, могут начать движение назад всего через минуту после получения команды.
Чтобы спроектировать ВРШ, потребовалось доработать способы определения нагрузок, воздействующих на лопасти винтов, в частности, при изменении направления движения судна. В настоящее время технологии изготовления ВРШ переживают период активного подъема после значительного снижения в начале 2000-х годов, и уже проведено несколько исследований, направленных на их проектирование. Однако, до сих пор не достигнут уровень, характерный для советской эпохи: например, винты с регулируемым шагом на судне «Севморпуть» («лихтеровозе») успешно эксплуатировались на протяжении почти четырех десятилетий.
― Какова степень поддержки отечественного судостроения со стороны смежных научных областей?
― Многолетний опыт взаимодействия с иностранными компаниями свидетельствует о том, что успешные предприятия всегда инвестируют в исследования, ориентированные на решение конкретных задач, связанных с улучшением качества продукции. В России, однако, подобного подхода пока не наблюдается.
Западные компании, как правило, осуществляют свою деятельность для мирового рынка, что предполагает крупносерийное производство. В то время как мы строим всего несколько судов в год. Ограниченный объем выпускаемой продукции представляет сложности, поскольку предприятия не всегда готовы браться за создание изделий малыми партиями.
Беседа была осуществлена при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации