Введение

Инженерная и конструкторская разработка судовых систем

научная дисциплина, изучающая океан
область инженерного проектирования

Морская инженерия – это инженерия лодок, кораблей, подводных лодок и любых других морских судов. Она также охватывает инженерные разработки других океанских систем и сооружений, которые в определенных академических и профессиональных кругах называют "океанической инженерией". Морская инженерия применяет различные инженерные науки, включая машиностроение, электротехнику, электронную инженерию и компьютерные науки, для разработки, проектирования, эксплуатации и обслуживания судовых двигательных установок и океанских систем. Это включает в себя, но не ограничивается, энергетические и движительные установки, машинное оборудование, трубопроводы, системы автоматизации и управления для морских транспортных средств любого типа, а также прибрежные и морские сооружения.

История

Архимед традиционно считается первым морским инженером, разработавшим ряд морских инженерных систем в древности. Современная морская инженерия берет свое начало с начала промышленной революции (начало 1700-х годов). В 1807 году Роберт Фултон успешно применил паровую машину для привода судна по воде. Корабль Фултона использовал двигатель для вращения небольшого деревянного гребного колеса, которое служило его морской движительной системой. Интеграция парового двигателя в судно для создания морского парового двигателя положила начало профессии морского инженера. Всего через двенадцать лет после первого рейса "Клермонта" Фултона, "Саванна" совершила первый трансатлантический рейс из Америки в Европу. Примерно через 50 лет паровые гребные колеса достигли своего расцвета с созданием "Великого Восточного", который по размерам был сопоставим с современными грузовыми судами – 700 футов в длину и весом 22 000 тонн. Пароходы с гребными колесами оставались лидерами в пароходной отрасли следующие тридцать лет, пока не появились новые типы двигателей.

Архитектура кораблей

В проектировании морских судов, судостроение занимается общим дизайном судна и его движением в воде, а морская инженерия обеспечивает функционирование судовых систем в соответствии с проектом. Несмотря на то, что это отдельные дисциплины, судостроители и морские инженеры часто работают вместе.

Океанская инженерия (и комбинация с морской инженерией)

Океанная инженерия охватывает другие сооружения и системы, расположенные в океане или вблизи него, включая морские платформы, береговые сооружения, такие как пирсы и гавани, а также другие океанические системы, такие как преобразование энергии океанских волн и системы жизнеобеспечения под водой. Это делает океанную инженерию отличной от судовой инженерии, которая специализируется на проектировании и применении судовых систем. Однако, из-за схожей терминологии и множества общих основных дисциплин (например, гидродинамики, гидромеханики и материаловедения), "океанная инженерия" иногда рассматривается как часть "судовой инженерии", особенно в промышленности и академических кругах за пределами США. Эта же практика применяется и к остальной части данной статьи.

Океанография

Океанография – это научная область, посвященная сбору и анализу данных для описания океана. Несмотря на то, что морская инженерия и океанография – отдельные дисциплины, они тесно взаимосвязаны: морские инженеры часто используют данные, полученные океанографами, при проектировании и проведении исследований, а океанографы применяют инструменты, разработанные морскими (в частности, океанографическими) инженерами, для углубления знаний и изучения океана.

Машиностроение

Морская инженерия включает в себя множество аспектов машиностроения. Одним из проявлений этой взаимосвязи является разработка судовых движительных комплексов. Инженеры-механики проектируют главную энергетическую установку, а также системы питания и механизации, обеспечивающие работу судовых функций, таких как управление рулем, якорение, обработка грузов, отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, внутренняя и внешняя связь, и другие сопутствующие требования. Системы генерации и распределения электроэнергии обычно проектируются их поставщиками; морские инженеры отвечают только за их установку. Кроме того, для морского инженера необходимо глубокое понимание таких дисциплин машиностроения, как гидродинамика, механика жидкости, линейная теория волн, сопротивление материалов, строительная механика и строительная динамика. Эти и другие предметы машиностроения составляют неотъемлемую часть учебной программы морской инженерии.

Градостроительство

Концепции гражданского строительства играют важную роль во многих морских инженерных проектах, таких как проектирование и строительство океанских сооружений, океанских мостов и тоннелей, а также проектирование портов и гаваней.

Электроника и робототехника

Морская инженерия часто включает в себя области электротехники и робототехники, особенно в приложениях, связанных с применением глубоководных кабелей и БПЛА (беспилотных подводных аппаратов).

Глубоководные кабели

Серия трансокеанских волоконно-оптических кабелей обеспечивает связь большей части мира через интернет, передавая до 99 процентов всего мирового интернет-трафика и сигналов. Эти кабели должны быть спроектированы для работы в суровых условиях глубоководья, характеризующихся удаленностью, экстремальным давлением и температурой, а также потенциальными помехами от рыболовства, траления и морских обитателей.

Автономия и сети УВП

Использование беспилотных подводных аппаратов (БПЛА) получит преимущества от применения автономных алгоритмов и сетевых технологий. Морские инженеры стремятся выяснить, как достижения в области автономности и сетевого взаимодействия могут быть использованы для усовершенствования существующих технологий БПЛА и содействия разработке более эффективных подводных аппаратов.

Нефтяная инженерия

Знание морской инженерии оказывается полезным в области нефтяной инженерии, так как гидродинамика и взаимодействие с морским дном являются ключевыми элементами при проектировании и обслуживании морских нефтедобывающих платформ.

Морское строительство

Морское строительство – это процесс возведения сооружений в крупных водоемах или вблизи них, как правило, в море. Эти сооружения могут строиться для различных целей, включая транспорт, энергетику и рекреацию. При морском строительстве используются разнообразные строительные материалы, преимущественно сталь и бетон. Примерами морских сооружений являются суда, морские платформы, швартовные устройства, трубопроводы, кабели, причалы, мосты, туннели, волноломы и доки.

Гидродинамическая нагрузка

Подобно тому как инженеры-строители проектируют, учитывая ветровые нагрузки на здания и мосты, инженеры-кораблестроители проектируют суда и подводные лодки, чтобы они выдерживали миллионы ударов волн на протяжении всего срока службы. Подобные условия нагружения также встречаются в морском строительстве и береговой инженерии.

Стабильность

Любому морскому судну постоянно требуется гидростатическая остойчивость. Судостроитель, как и авиаконструктор, уделяет внимание остойчивости. Уникальность работы судостроителя заключается в том, что корабль эксплуатируется одновременно в двух средах: воде и воздухе. Даже после проектирования и выхода корабля в море, морские инженеры сталкиваются с задачей балансировки груза, поскольку вертикальная укладка контейнеров увеличивает массу судна и поднимает центр тяжести. Вес топлива также создает проблему, так как бортовая качка может вызвать перемещение жидкости, приводя к нарушению равновесия. На некоторых судах это смещение компенсируется заполнением больших балластных цистерн водой. Морские инженеры отвечают за балансировку и контроль количества топлива и балластной воды на судне. Плавучие морские сооружения имеют схожие ограничения.

Коррозия

Морские суда, эксплуатируемые в соленой воде, крайне восприимчивы к коррозии. В каждом проекте морские инженеры уделяют внимание защите поверхности и предотвращению гальванической коррозии. Коррозию можно замедлить с помощью катодной защиты, заключающейся во введении в систему металлических элементов (например, цинка), выполняющих роль "жертвенного анода" в процессе коррозии. Это приводит к коррозии этих элементов, а не корпуса судна. Другой способ предотвращения коррозии – пропускание через корпус судна контролируемого низкого постоянного тока, что изменяет электрический заряд корпуса и замедляет начало электрохимической коррозии. Аналогичные проблемы возникают и в прибрежных и морских сооружениях.

Противозагрязнитель

Антиобрастание – это процесс устранения обрастающих организмов из основных компонентов систем забортной воды. В зависимости от характера и местоположения морского обрастания, этот процесс выполняется различными способами: морские организмы могут расти и прикрепляться к поверхностям наружных входных отверстий, используемых для забора воды для систем охлаждения. Электрохлорирование заключается в пропускании высокого электрического тока через морскую воду, что изменяет ее химический состав и приводит к образованию гипохлорита натрия, уничтожающего биомассу. Электролитический метод антиобрастания предполагает пропускание электрического тока через два анода (Scardino, 2009). Эти аноды обычно изготавливаются из меди и алюминия (или, альтернативно, железа). Первый металл, медный анод, выделяет в воду свои ионы, создавая токсичную для биомассы среду. Второй металл, алюминий, покрывает внутреннюю поверхность труб, предотвращая коррозию. Другие формы морского обрастания, такие как мидии и водоросли, могут прикрепляться к днищу корпуса судна. Этот обрастание нарушает гладкость и однородность корпуса, ухудшая его гидродинамические свойства, что приводит к снижению скорости и увеличению расхода топлива. Удалить морской обрастание с корпуса можно с помощью специальной краски, препятствующей росту этих организмов.

Выброс серы

Сжигание морского топлива высвобождает в атмосферу вредные загрязняющие вещества. Суда сжигают морской дизель, помимо тяжелого мазута. Тяжелый мазут, являясь самым тяжелым из нефтепродуктов, при сжигании выделяет диоксид серы. Выбросы диоксида серы потенциально могут повысить кислотность атмосферы и океана, нанося вред морским организмам. Однако, сжигание тяжелого мазута разрешено только в международных водах из-за создаваемого им загрязнения. Он коммерчески выгоден благодаря своей экономичности по сравнению с другими видами морского топлива. Ожидается, что к 2020 году (Смит, 2018) использование тяжелого мазута в коммерческих целях будет прекращено.

Сброс нефти и воды

Вода, нефть и другие вещества скапливаются на дне судна в отсеке, называемом трюмной водой. Трюмная вода откачивается за борт, но перед сбросом должна пройти проверку на содержание нефти, не превышающую 15 ppm (частей на миллион). Вода проверяется, и если она чистая, то сбрасывается, в противном случае она возвращается в накопительный танк для разделения, а затем проверяется повторно. В танк, куда она возвращается – нефтеотделитель – используется сила тяжести для разделения жидкостей благодаря их разной вязкости. Суда валовой вместимостью более 400 тонн обязаны иметь оборудование для отделения нефти от трюмной воды. Кроме того, в соответствии с требованиями MARPOL, все суда валовой вместимостью более 400 тонн и все нефтяные танкеры валовой вместимостью более 150 тонн обязаны вести учёт всех операций по перекачке нефти в судовом журнале по нефти (EPA, 2011).

Кавитация

Кавитация – это процесс образования пузырьков в жидкости, вызванный испарением этой жидкости в зоне низкого давления. Эта зона низкого давления понижает температуру кипения жидкости, позволяя ей переходить в газообразное состояние. Кавитация может возникать в насосах, что может привести к повреждению рабочего колеса, перемещающего жидкость по системе. Кавитация также наблюдается в движителях. На поверхности лопастей гребного винта образуются области пониженного давления с увеличением частоты вращения (IIMS, 2015). Кавитация на винте вызывает небольшие, но мощные схлопывания пузырьков, которые могут деформировать лопасть винта. Для решения этой проблемы увеличение числа лопастей позволяет получить ту же тягу, но при более низкой частоте вращения. Это критически важно для подводных лодок, поскольку пропеллер должен обеспечивать относительно тихую работу для сохранения скрытности. Благодаря большему количеству лопастей винта, судно способно достигать той же тяги при более низких оборотах вала.

Приложения

В следующих категориях представлены основные области, в которых морские инженеры сосредоточивают свои усилия.

Арктическая инженерия

При проектировании систем, работающих в арктических условиях (особенно научного оборудования, такого как метеорологические приборы и океанографические буи), морские инженеры сталкиваются с целым рядом задач. Оборудование должно быть способно функционировать при экстремальных температурах в течение длительного времени, зачастую без какого-либо обслуживания. Это требует применения исключительно устойчивых к температурам материалов и надежных прецизионных электронных компонентов.

Обрегательные проекты и реставрация

Прибрежная инженерия сочетает в себе гражданское строительство и другие дисциплины для разработки решений для прибрежных зон, расположенных вдоль или вблизи океана. Защищая береговые линии от волнового воздействия, эрозии и повышения уровня моря, морские инженеры должны учитывать, использовать ли "серую" инфраструктуру – например, волнолом, водопропускную трубу или морской подпорный стену из камня и бетона – или "зеленую" инфраструктуру, включающую водные растения, мангровые заросли и/или прибрежные болота. Установлено, что строительство и обслуживание серой инфраструктуры обходятся дороже, но она может обеспечить более надежную защиту от океанских сил в условиях сильного волнового воздействия. "Зеленые" решения обычно менее затратны и лучше интегрируются с местной растительностью, однако они могут быть подвержены эрозии или повреждениям при неправильной реализации. Во многих случаях инженеры выбирают гибридный подход, сочетающий элементы как серой, так и зеленой инфраструктуры.

Поддержка жизни

Проектирование подводных систем жизнеобеспечения, таких как подводные жилища, представляет собой уникальный комплекс задач, требующий глубоких знаний в области сосудов, работающих под давлением, физиологии ныряния и термодинамики.

Беспилотные подводные аппараты

Морские инженеры могут проектировать или часто использовать беспилотные подводные аппараты, которые работают под водой без присутствия человека на борту. Беспилотные подводные аппараты (БПА) часто выполняют работы в местах, куда человеку было бы невозможно или трудно добраться из-за различных факторов окружающей среды (например, глубины, удаленности и/или температуры). БПА могут управляться дистанционно оператором, как в случае дистанционно управляемых аппаратов, быть полуавтономными или полностью автономными.

Датчики и приборы

Развитие океанографических наук, подводной техники и возможности обнаружения, отслеживания и уничтожения подводных лодок (анти-подводная борьба) потребовали параллельного развития широкого спектра морских научных приборов и датчиков. Видимый свет распространяется на небольшие расстояния под водой, поэтому основной средой для передачи данных является акустика. Высокочастотный звук используется для измерения глубины океана, определения характера морского дна и обнаружения подводных объектов. Чем выше частота, тем выше разрешение получаемых данных. Звуковая навигация и определение дальности (SONAR) была разработана во время Первой мировой войны для обнаружения подводных лодок и с тех пор значительно усовершенствована. Подводные лодки также используют сонарное оборудование для обнаружения и нацеливания на другие подводные лодки и надводные корабли, а также для обнаружения подводных препятствий, таких как подводные горы, представляющие навигационную опасность. Простые эхолоты направлены строго вниз и могут обеспечить точное измерение глубины океана (или сканирование нижней поверхности морского льда). Более совершенные эхозонды используют веер-образный луч или несколько лучей для получения высокодетализированных изображений морского дна. Мощные системы способны проникать в грунт и горные породы морского дна, предоставляя информацию о геологии морского дна, и широко используются в геофизике для поиска углеводородов или проведения инженерных изысканий. Для ближней подводной связи возможна оптическая передача, преимущественно с использованием синих лазеров. Они обладают высокой пропускной способностью по сравнению с акустическими системами, но дальность обычно ограничена несколькими десятками метров, и оптимально – в ночное время. Помимо акустической связи и навигации, разработаны датчики для измерения океанологических параметров, таких как температура, соленость, содержание кислорода и другие характеристики, включая концентрацию нитратов, микроэлементов и экологическую ДНК. Наблюдается тенденция к созданию более компактных, точных и доступных систем, которые могут быть приобретены и использованы университетами, малыми предприятиями, а также крупными корпорациями, исследовательскими организациями и государственными учреждениями. Датчики и приборы устанавливаются на автономные и дистанционно управляемые аппараты, а также на суда, позволяя им выполнять задачи, которые ранее требовали дорогостоящих пилотируемых платформ. Производство морских датчиков и приборов в основном сосредоточено в Азии, Европе и Северной Америке. Информация о продукции размещается в специализированных журналах и демонстрируется на выставках, таких как Oceanology International и Ocean Business, что способствует повышению осведомленности о ней.

Инженерные технологии окружающей среды

В каждом прибрежном и оффшорном проекте экологическая устойчивость является важным аспектом для сохранения океанических экосистем и природных ресурсов. Области, в которых морские инженеры могут применить знания экологической инженерии, включают создание рыбоводческих хозяйств, ликвидацию последствий нефтяных разливов и разработку решений для защиты побережья.

Оффшорные системы

Ряд систем, спроектированных морскими инженерами полностью или частично, используются в открытом море, вдали от берегов.

Морские нефтяные платформы

Проектирование морских нефтяных платформ сопряжено с рядом задач в области морской инженерии. Платформы должны выдерживать океанические течения, волновые нагрузки и коррозию от соленой воды, сохраняя при этом структурную целостность и надежное закрепление в морском дне. Кроме того, буровое оборудование должно быть спроектировано с учетом этих же факторов, но с высоким запасом прочности, чтобы предотвратить утечки и разливы нефти, которые могут загрязнить океан.

Морские ветровые электростанции

Оффшорные ветропарки сталкиваются со многими схожими с нефтяными платформами задачами морской инженерии. Они предоставляют источник возобновляемой энергии с более высокой производительностью, чем наземные ветроэлектростанции, и при этом вызывают меньше протестов со стороны населения (см. NIMBY).

Энергия волн океана

Морские инженеры продолжают изучать возможность использования энергии океанских волн как надежного источника питания для распределенных или сетевых систем. Было предложено множество конструкций и создано немало прототипов, однако проблема эффективной и экономически выгодной выработки волновой энергии остается в основном нерешенной.

Проектирование портов и гаваней

Морской инженер может также заниматься планированием, проектированием, расширением и модификацией проектов портов и гаваней. Гавани могут быть естественными или искусственными и защищают стоящие на якоре суда от ветра, волн и течений. Порты можно определить как город, поселок или место, где суда швартуются, загружаются или разгружаются. Порты обычно располагаются в пределах гавани и состоят из одного или нескольких отдельных терминалов, предназначенных для обработки определенных видов грузов, включая пассажиров, насыпные грузы или контейнерные грузы. Морские инженеры планируют и проектируют различные типы морских терминалов и сооружений, расположенных в портах, и должны понимать нагрузки, воздействующие на эти сооружения на протяжении всего срока их эксплуатации.

Спасение и восстановление

Техника подъема затонувших судов постоянно модифицируется и совершенствуется. Морские инженеры применяют свои знания и навыки, чтобы оказать помощь на определенных этапах этого процесса.

Промышленность

Имея разностороннюю инженерную подготовку, морские инженеры работают в самых разных отраслях, охватывающих все области математики, естественных наук, технологий и инженерии. Некоторые компании, такие как Oceaneering International и Van Oord, специализируются непосредственно на морской инженерии, а другие привлекают морских инженеров в качестве консультантов для отдельных проектов. Особенно часто такие консультации востребованы в нефтегазовой отрасли, где компании, такие как ExxonMobil и BP, нанимают морских инженеров для управления различными этапами своих проектов по морскому бурению.

Военный

Морская инженерия находит применение в ряде военных областей, преимущественно связанных с военно-морским флотом. Строительные батальоны ВМС США (Seabees), Корпус морских инженеров и офицеры инженерно-технической службы часто выполняют работы, относящиеся к морской инженерии. Военные подрядчики (особенно те, что работают на судостроительных верфях) и Инженерный корпус армии также участвуют в реализации отдельных проектов морской инженерии.

Ожидаемый рост

В 2012 году средний годовой доход морских инженеров в США составлял 96 140 долларов, а средний почасовой доход – 46,22 доллара. Морская инженерия, как область, по прогнозам, вырастет примерно на 12% в период с 2016 по 2026 год. В настоящее время насчитывается около 8200 судостроителей и морских инженеров, однако ожидается, что к 2026 году их число увеличится до 9200 (BLS, 2017). Это обусловлено, как минимум, критической ролью судоходной отрасли в глобальной цепочке поставок; около 50 000 судов обеспечивают 80% мировой торговли по объему, и все они нуждаются в морских инженерах как на борту, так и на берегу (ICS, 2017). Кроме того, продолжается развитие морской энергетики, и возросшая потребность в прибрежных решениях связана с повышением уровня моря.

Образование

Морские университеты специализируются на обучении и подготовке студентов для работы в морских профессиях. Морские инженеры, как правило, имеют степень бакалавра в области морской инженерии, технологий морской инженерии или инженерии морских систем. Работодатели ценят практический опыт наряду со степенью бакалавра.

Степень в области океанической инженерии

Ряд учебных заведений, включая MIT, UC Berkeley, Военно-морскую академию США и Техасский университет A&M, предлагают четырехлетнюю степень бакалавра наук (B.S.) специально по океанической инженерии. Аккредитованные программы включают в себя базовые предметы математики и естественных наук для студентов бакалавриата, такие как математический анализ, статистика, химия и физика; фундаментальные инженерные дисциплины, такие как статика, динамика, электротехника и термодинамика; а также более специализированные предметы, такие как анализ океанических конструкций, гидромеханика и управление прибрежными зонами. Студенты магистратуры по океанической инженерии изучают более продвинутые и углубленные предметы, одновременно проводя исследования для написания диссертации на уровне магистратуры. Массачусетский технологический институт предлагает степени магистра и доктора философии (PhD) специально по океанической инженерии. Кроме того, MIT совместно с Океанографическим институтом Вудс-Холл реализует совместную программу для студентов, изучающих океаническую инженерию и другие океанологические дисциплины на уровне магистратуры.

Журналы и конференции

Журналы по океанной инженерии включают Ocean Engineering, IEEE Journal of Oceanic Engineering и Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. Конференции в области морской инженерии включают конференцию и выставку IEEE Oceanic Engineering Society's OCEANS и Европейскую конференцию по волновой и приливной энергетике (EWTEC).

Достижения морской инженерии

Дельта-проекты — это серия из 13 проектов, разработанных для защиты Нидерландов от наводнений, вызванных Северным морем. Американское общество гражданских инженеров признало их одним из "Семи чудес современного мира". По состоянию на апрель 2021 года двадцать два человека спустились в Челленджер Дип — самую глубокую точку Мирового океана, расположенную в Марианской впадине. Подъём советской подводной лодки К-219 совместной группой инженеров ВМС США и ЦРУ на борту судна "Гломар Экплорер".

В науке

Майкл Э. Маккормик, профессор-эмерит кафедры кораблестроения и океанической инженерии Военно-морской академии США и пионер в области исследований волновой энергии.

В СМИ и популярной культуре

Морские инженеры сыграли важную роль в ликвидации последствий нефтяных разливов, таких как Exxon Valdez и British Petroleum. Документальный фильм Джеймса Кэмерона "Deepsea Challenge" рассказывает историю команды, создавшей батискаф, на котором Кэмерон совершил первое в истории одиночное погружение в Бездну Челленджера – самую глубокую точку Мирового океана.