Фредрик Генрик аф Чапман: Пионер военно-морской архитектуры

Введение

Шведский судостроитель

Фредерик Хенрик аф Чепмен (Fredrik Henrik af Chapman; 9 сентября 1721 года в Гётеборге – 19 августа 1808 года) – шведский судостроитель, учёный и офицер шведского флота. Он также был управляющим Карлскронской верфью в 1782–1793 годах. Чапмена считают первым в мире человеком, применившим научные методы к судостроению, и его рассматривают как первого морского архитектора. Чепмен был автором «Architectura Navalis Mercatoria» (1768) и ряда других работ по судостроению. Его «Трактат о судостроении», опубликованный в 1775 году, является основополагающей работой в современной морской архитектуре. Он стал первым судостроителем в Северной Европе, внедрившим серийное производство на верфях, и сумел построить несколько серий кораблей в рекордно короткие сроки. В 1772 году, после успешного переворота шведского короля Густава III, он был возведён в дворянское достоинство с приставкой «af Chapman».

Юность и начало карьеры

Фредерик Хенрик Чапман родился в Нья Варве, на королевской верфи в Гетеборге, 9 сентября 1721 года, как сын Томаса Чапмана, английского морского офицера (родившегося в 1679 году в Йоркшире), переехавшего в Швецию в 1715 году и поступившего на службу в шведский флот в 1716 году. Его матерью была Сюзанна Колсон, дочь лондонского кораблестроителя Уильяма Колсона. Он проявил талант к судостроению, когда создал свой первый план корпуса, основываясь на чертеже остендского капера, подаренного ему фламандским кораблестроителем. Чапман отправился в море в 1736 году, в возрасте пятнадцати лет, и провел юность, работая как на частных, так и на государственных верфях. В 1741 году он участвовал в строительстве испанского торгового судна, что принесло ему достаточно средств для работы корабельным плотником в Лондоне в 1741–1744 годах. После пребывания в Англии он вернулся в Гетеборг и основал верфь вместе со шведским купцом по имени Багге. Вместе они построили несколько небольших судов и осуществляли техническое обслуживание для шведской Ост-Индской компании.

Образование

Хотя Чапман получил хорошее базовое образование в судостроении, он осознал, что не владеет достаточными знаниями высшей математики, необходимыми для расчета осадки и остойчивости на стадии проектирования судна. В 1748 году он продал свою долю в верфи и переехал в Стокгольм, где в течение двух лет учился у барона Фредрика Пальмквиста. Затем он продолжил обучение у английского профессора математики Томаса Симпсона, разработавшего методы вычисления объемов неправильных поверхностей и тел. После года обучения в Лондоне он отправился изучать судостроение на британских королевских верфях в Вулвиче, Чатеме и Дептфорде. Французские власти первыми оценили навыки Чапмана и попытались убедить его остаться и поступить на французскую службу, от чего он отказался. Вернувшись в Лондон в 1756 году, Чапман столкнулся с попыткой Первого лорда Адмиралтейства поступить так же, и тот почти преуспел, апеллируя к британским корням Чапмана. В своих мемуарах Чапман писал, что, вероятно, остался бы, если бы действующий Первый лорд не лишился своего поста вскоре после их встречи. Вместо этого его переманил шведский министр в Париже, Ульрик Шеффер, впоследствии ставший министром иностранных дел при Густаве III.

На службе в Швеции

В 1757 году, в возрасте 36 лет, Чапман был назначен помощником кораблестроителя на королевских верфях в Карлскроне. Вскоре после назначения он разработал свои идеальные планы для доков, которые предусматривали помещения для надлежащей вентиляции парусов и передовые доковые насосы, приводимые в действие мускульной силой, лошадьми или ветряными мельницами. Однако эти планы были реализованы лишь спустя много времени, когда Чапман стал главным кораблестроителем верфи Карлскрона. В период с ноября 1758 года по апрель 1759 года он был поручен инспекцией лесоматериалов вдоль побережья от Турку до Ботнического залива. Позже Чапман переехал сначала в Стральзунд (тогда шведское владение), где оставался до 1762 года, а затем в Свеаборг, где служил до 1764 года. Его первое крупное задание поступило в 1760 году. Недавно сформированный архипелагский флот (skärgårdsflottan) – береговой флот, независимый от военно-морского флота и подчинявшийся армии – нуждался в новых судах для замены галерей, которые оказались проблемными в войне против Пруссии, начавшейся в 1757 году. Августин Эренсвард, командующий архипелагским флотом и ответственный за строительство новой военно-морской базы и крепости Свеаборг, начал плодотворное сотрудничество с Чапманом в проектировании новых типов судов, которые впоследствии стали называться "архипелагскими фрегатами" (skärgårdsfregatter). Вдохновленные русскими "чебеками" (вариантами средиземноморских шебеков – гибридных парусных судов, сочетавших в себе черты галеры), они создали суда, которые можно было грести, но с более мощным вооружением и усиленной защитой экипажа, что было необходимо в холодном балтийском климате. Результатом сотрудничества стали четыре новых типа архипелагских фрегатов: курсивное=нет, курсивное=нет, курсивное=нет и hemmema, все названные в честь финских названий шведских провинций в Финляндии, побережья которых они должны были защищать. Тщательно изучая чертежи судов, известных своими хорошими ходовыми качествами, Чапман пришел к выводу, что корпус должен быть разделен по определенной прогрессии. Шпангоуты должны уменьшаться от места наибольшей ширины в той же пропорции, что и координаты 0, 1, 2, 3, 4 и т.д. (как показано на рисунке), где дуга ABC является параболой, AD – осью, а A – вершиной ("пик"). Этот метод конструирования получил название "параболический метод". Чапман также ввел так называемый "метод релаксации", но сам предпочитал первый. В Свеаборге Чапман руководил и возглавлял строительство и расширение судостроительных верфей, включая краны, доки и различные здания. В 1764 году он переехал в Стокгольм, но оставался ответственным за проектирование судов для архипелагского флота. Он также вошел в состав комиссии, которой было поручено разработать предложения по расширению военно-морского флота. Итоговый отчет был представлен в 1764 году и рекомендовал новые конструкции для стандартизированных линейных кораблей с 50–70 орудиями. Отчет отражал идеалы новой школы кораблестроителей, которая отдавала предпочтение научным методам и использованию теоретических моделей на всех этапах проектирования судов – подход, противоречащий традиционной школе, которая делала ставку на постепенную эволюцию, основанную на практических экспериментах. Традиционная школа, наиболее ярко представленная Гилбертом Шелдоном, вступила в конфликт с новыми идеями, но проиграла спор, когда Совет Адмиралтейства поддержал выводы комиссии в Риксдаге в марте 1769 года и назначил Чапмана ответственным за проектирование новых военных кораблей флота.

In 1757, Chapman was made assistant shipwright at the royal dockyards in Karlskrona at the age of 36. Soon after his appointment, he drafted his ideal plans for docks, which included facilities for properly ventilated sail storage and advanced dock pumps that could be powered by human power, horses or wind mills. The plans would, however, not be realized until much later, when Chapman was made chief shipwright of the Karlskrona yards. In November 1758 to April 1759, he was charged with a timber inspection cruise along the coasts from Turku up to the Gulf of Bothnia. Later, Chapman moved first to Stralsund (then a Swedish possession) where he stayed until 1762, and later to Sveaborg where he stayed until 1764. His first major assignment came in 1760. The recently formed archipelago fleet (skärgårdsflottan), an inshore fleet independent of the navy under the command of the army, was in need of new vessels to replace the galleys which had proved problematic in the war against Prussia that had broken out in 1757. Augustin Ehrensvärd, the commander of the archipelago fleet and the man in charge of the construction of the new naval base and fortress of Sveaborg, began a successful collaboration with Chapman in designing new types of what would later be called "archipelago frigates" (skärgårdsfregatter). Inspired by Russian "chebecks" (variants of Mediterranean xebecs, hybrid sailing ships that incorporated features of galleys), the two created craft that could be rowed, but with heavier armament and additional protection for the crew, a necessity in the cold Baltic climate. The cooperation resulted in four new types of archipelago frigates: italic=no, italic=no, italic=no and hemmema, all named after the Finnish names of Swedish provinces in Finland, the coasts of which they were intended to protect. By closely examining drawings of ships with known good sailing qualities Chapman realized that the framework should be divided in a certain progression. The frames should decrease from the place of greatest width in the same relation as the ordinates 0, 1, 2, 3, 4 etc (pictured), where the arc ABC is a parabola, AD is the axis and A is the vertex (the "peak"). This construction method is called the "parabola method". Chapman also introduced the so called "relaxation method", but preferred the former himself. At Sveaborg, Chapman supervised and led the construction and expansion of the naval yards, including cranes, docks and various buildings. He moved to Stockholm in 1764, but remained in charge of the design of vessels for the archipelago fleet. He was also made a part of a commission that was to propose improvements on the expansion of the high seas navy. Its final report was presented in 1764 and recommended new designs for standardized ships of the line ranging from 50 to 70 guns. The report represented the ideals of a new school of shipwrights that favored scientific methods and the use of theoretical models at all stages in ship design, a view that was in conflict with the old school, which favored slow evolution based on practical experimentation. The old school, represented most prominently by Gilbert Sheldon, came into conflict with the new ideas, but lost the debate when the Board of the Admiralty favored the findings of the commission at the Riksdag in March 1769 and put Chapman in charge of designing the navy's new warships.

Дюргарденский двор

Чапман приобрел долю в верфи в Дюргардене в Стокгольме в 1768 году. Конгломерат Акерсского оружейного литейного завода и владельцев Шведской Ост-Индской компании предоставили капитал, а Чапман должен был внести свой технический опыт и знания в области судостроения. В том же году он переехал в недавно построенный дом в Дюргардене со своим племянником Ларгом Богеманом и его бывшей экономкой Элизабет Линдборг, от которой у него родились дочь и сын. Чапман построил новый тип пилорамы для верфи в Дюргардене, заменивший традиционный "пильный пруд" на круглое лезвие в центре восьмиугольного здания. Система цепей и шкивов подтягивала бревна к пиле, которая могла принимать их с восьми различных направлений. На верфи строились торговые суда, а также военные корабли по контракту с военными ведомством. За время работы Чапмана на верфи было построено более 50 судов различных размеров, включая первые так называемые архипелажные фрегаты. Чапман поддержал решительность короля и даже оказал конкретную помощь, предоставив склад для хранения боеприпасов для войск, лояльных королю. Этот шаг оправдался, поскольку Густав поддержал расширение как армии, так и флота, и назвал Россию главным врагом шведских интересов. Союз с Людовиком XV привел к тому, что Швеция получила крупные французские субсидии для расширения своей армии против общего врага – России. Это позволило финансировать планы Чапмана по расширению флота на 60-70-пушечными военными кораблями его собственной конструкции.

Расширение флота

В 1776 году Чапман стал гражданским членом Совета Адмиралтейства. Его влияние на совет и расположение короля привели к критическим докладам о сложившейся практике флота поддерживать старые корабли на плаву значительными затратами, вместо того чтобы направлять больше ресурсов на строительство новых, улучшенных кораблей. Рекомендации Чапмана по улучшению объектов в Карлскроне также были положительно восприняты и одобрены королем. В том же году он был избран членом Королевской шведской академии наук под номером 175. Расширение флота считалось необходимым, но конструкция новых кораблей оставалась предметом споров в конце 1770-х годов. Старая школа кораблестроителей, наиболее активно поддерживаемая семьей Шелдон и старшими офицерами флота, такими как адмирал Карл Терсмеден в Карлскроне, отдавала предпочтение старым конструкциям с минимальными изменениями, основанными на эмпирических методах проектирования кораблей. Новая школа, базировавшаяся в Стокгольме и Свеаборге, имела в лице Чапмана своего самого способного представителя и пользовалась поддержкой генерала адмирала Хенрика аф Тrolle и двора, настаивая на более радикальных изменениях и конструкциях, основанных на теоретических разработках и экспериментальной физике и математике. Первым предложением Чапмана по новому стандарту для линейных кораблей был корабль "Васа" (1778), завершенный в 1778 году. Его надстройки были значительно снижены путем почти полного удаления кормовой надстройки для повышения жесткости, а орудийные палубы были расположены выше, чем в более старых конструкциях, чтобы их можно было использовать даже в штормовую погоду, когда корабль кренился. В 1779 году "Васа" прошла ходовые испытания, в ходе которых его сравнили с "Софией Магдаленой", кораблем старой конструкции, который предпочитали консервативные фракции в ведомстве. "Васа" в определенной степени превзошел "Софию Магдалену", но не превзошел ее полностью. Оппозиция воспользовалась этим, в то время как Чапман был убежден, что ему нужно внести лишь незначительные коррективы в свою конструкцию, чтобы создать значительно превосходящий военный корабль. Описание конфликта как противостояния консервативных реакционеров и прогрессивных новаторов разделяют несколько историков, в том числе современный биограф Чапмана, Дэниел Г. Харрис. Это включает в себя описания действий, граничащих с саботажем, в виде поставки некачественных такелажных материалов для "Васы" и прямого неповиновения со стороны Гилберта Шелдона, который сделал корпус на 60 см (2 фута) короче запланированного. Шведский историк Ян Глете утверждал, что это описание предвзято по отношению к Чапману и его сторонникам и подчеркивает политический характер конфликта; Чапман и аф Тrolle были близки к королевскому двору, и их цели совпадали с целями короля Густава III, который стремился установить контроль над вооруженными силами и представить себя просвещенным монархом, поощряющим инновации против консервативного военно-морского ведомства в Карлскроне. Чапман также разработал ряд улучшений для королевских верфей, которые он контролировал, включая рекомендации по использованию навесов для защиты кораблей от разрушения во время консервации, что было особенно важно для часто слабо построенных галерей. Проявив значительные организаторские способности, он разработал подробные планы по приведению военно-морских судов в боевую готовность в кратчайшие сроки и предложил более эффективную систему управления верфями, основанную на его опыте в Швеции и за рубежом. По просьбе короля Густава III прокомментировать военный корабль "Эксперимент" Патрика Миллера, который Миллер отправил королю, Чапман назвал его "английским (sic) морским призраком". Король отправил Миллеру табакерку, наполненную семенами репы, в знак благодарности. Табакерка, украшенная морскими мотивами, включая "Эксперимент", сейчас находится в коллекции Музея Виктории и Альберта в Лондоне. В возрасте 60 лет он был назначен начальником военно-морской верфи на главной военно-морской базе в Карлскроне. Здесь он построил новые корабли и организовал серийное производство кораблей с использованием сборных методов, что позволило ему поставить двадцать новых кораблей всего за три года: десять линейных кораблей и десять фрегатов. Чапман также стал пионером в применении математических расчетов для определения взаимосвязи между такелажем, водоизмещением, сопротивлением воды, центром тяжести корпуса, остойчивостью и тоннажем. Для проверки своих математических теорий он построил бассейн длиной 100 метров за пределами Карлскроне, где испытывал различные конструкции корпусов с использованием масштабных моделей. Модели тянули по воде с помощью блоков и веревок. Этот метод давал реалистичные значения и аналогичен методу, используемому сегодня для определения гидродинамических характеристик новых конструкций корпусов.

In 1776, Chapman became a civilian member of the Board of the Admiralty. His influence on the board and favor with the king resulted in critical reports of the current habit of the high seas navy to keep old ships afloat at great expense rather than spending more resources on building new, improved ships. Chapman's recommendations for improvements of the Karlskrona facilities was also received positively and approved by the king. The same year he was elected into the Royal Swedish Academy of Sciences as member number 175. An expansion of the navy was seen as necessary, but the design of the new ships was still a matter of debate in the late 1770s. The old school of shipwrights, most prominently supported by the Sheldon family and senior navy officers like Admiral Carl Tersmeden in Karlskrona, favored the old design with only minimal alterations based on the older methods of empirically grounded ship design. The new school, based in Stockholm and Sveaborg had in Chapman its most capable representative and was supported by General Admiral Henrik af Trolle and the court, pushed for more radical changes and designs based on the theoretical designs and experimental physics and mathematics. Chapman's first proposal for a new standard for ships of the line was the Wasa (1778), completed in 1778. Its superstructures were lowered considerably by removing the poop deck almost entirely to add stiffness and the gun decks were placed higher than in older designs to allow them to be used even in rough weather, when the ship rolled. The Wasa went through sea trials in 1779 where it was compared with Sofia Magdalena, a ship of the older design which was favored by the conservative factions within the establishment. The Wasa to some degree outperformed Sofia Magdalena, but never completely outclassed it. The opposition took advantage while Chapman was convinced he needed to make only minimal adjustments to his design to produce a vastly superior warship. The portrayal of the conflict as conservative reactionaries versus progressive pioneers is shared by several historical authors, including Daniel G. Harris, Chapman's modern biographer. This includes descriptions of action approaching sabotage in providing substandard rigging material for the Wasa and outright insubordination on the part of Gilbert Sheldon by making the hull 60 cm (2 ft) shorter than planned. Swedish Jan Glete has argued this description is partial to Chapman and his supporters and stressed the political nature of the conflict; Chapman and af Trolle were both close to the royal circles and their aims coincided with those of king Gustav III, who wished to assert control of the armed forces and to portray himself as an enlightened monarch who encouraged innovation against the conservative navy establishment in Karlskrona. Chapman also worked out several improvements of the royal shipyards that he supervised, including recommendations for the use of sheds to protect ships from deterioration when they were in reserve, something that was particularly important for the often lightly built galleys. Showing considerable organization skills, he made detailed plans on how to make naval vessels ready for quick mobilization and proposed a more efficient system of management for shipyards based on his experiences in Sweden and abroad. Asked by king Gustav III to comment on Patrick Miller's warship Experiment, which Miller had sent to the king, Chapman called it the "English (sic) sea spook". The king sent Miller a snuff box filled with rutabaga seeds to show his gratitude. The snuff box, illustrated with marine motifs, including Experiment, is now in the collection of the Victoria & Albert Museum in London. At the age of 60, he was appointed head of the naval shipyard at the main naval base of Karlskrona. Here, he built new ships and organized production series for ships based on prefabrication methods, which meant that he could deliver twenty new ships in just three years, ten ships of the line and ten frigates. Chapman also became a pioneer in the application of mathematical calculations in the relation between rigging, displacement, water resistance, the center of gravity of hulls, stability and tonnage. In order to test his mathematical theories, he had a 100 m long pool constructed outside Karlskrona, where he tested various hull designs with scale models. The models were pulled through the water with pulleys and ropes. This method gave realistic values and is similar to the method used today to establish the hydrodynamic features of new hull designs.

Архитектура Навальная Меркатория

В 1765 году Чапман обратился за разрешением, совмещая свою работу в качестве главного корабельного строителя Архипелага флота на военно-морской базе в Свеаборге, с работой над «Architectura Navalis Mercatoria» – сборником современных типов кораблей, которые он считал лучшими и наиболее интересными. Работа была заказана герцогом Карлом, братом короля Густава, и опубликована в 1768 году. Книга содержала 62 иллюстрации судов и небольших плавсредств, как шведских, так и иностранных конструкций. Некоторые из них были проектами самого Чапмана, но многие – типы, которые он видел во время посещений зарубежных стран. В ней были представлены суда всех типов, от крупных военных кораблей до небольших рыболовных судов. Книга предназначалась для международной аудитории, и текст был доступен на шведском, французском и английском языках. Все измерения указывались в шведских, французских и английских футах. Однако на завершение сопроводительных пояснений потребовалось семь лет. Публикация карт и «Tractat om Skepps byggeriet» ("Трактат о судостроении") в 1775 году утвердила Чапмана в качестве одного из ведущих мировых экспертов в области судостроения. Дальнейший прогресс в общей теории был достигнут с появлением в 1775 году труда по строительству кораблей, написанного шведским конструктором-адмиралом Фредериком Генри де Чапменом. Он был переведен на французский язык Виалем дю Клербуа в 1779 году и на английский язык доктором Инманом в 1820 году. В нем впервые опубликовано описание применения правил Симпсона для численного интегрирования, а вычисления водоизмещения, центра плавучести и метацентра, представленные в книге, во многом соответствуют современным расчетам.