Моделирование процесса подъема подводной лодки «Курск»

Карен Молтенбрей

Модель подводной лодки

Виртуальное моделирование операции

Вооруженные знаниями

Все мы знаем о трагедии, случившейся в Баренцевом море с подводной лодкой «Курск». Тогда Президент Путин дал слово родственникам погибших моряков, что лодку поднимут и тела российских моряков будут захоронены, как положено по христианскому обряду. В течение прошедших месяцев с момента трагедии мы могли наблюдать, как строились планы и проводился подъем затонувшей подводной лодки. По существу, это был грандиозный проект, реализованный силами специалистов из разных стран. Настоящая статья рассказывает о периоде, предшествовавшем подъему подводной лодки. Здесь подробно описывается, как с помощью САПР проходил процесс моделирования подъема «Курска» и какие программные средства при этом использовались.

Почти целую неделю в августе 2000 года весь мир, затаив дыхание, следил за международной операцией по спасению 118 российских моряков, оказавшихся в железной западне затонувшей российской подводной лодки «Курск» на дне Баренцева моря. Надежда сменилась отчаянием, когда водолазы, наконец-то достигнув подлодки, обнаружили, что она не подает никаких признаков жизни.

Однако на этом трагическая история «Курска» не закончилась. Хотя тела двенадцати моряков удалось поднять во время спасательной операции, остальные погибшие продолжали лежать на дне моря. Еще более безнадежными являются вероятные долговременные последствия этой катастрофы. К существующим проблемам затонувших в водах Баренцева моря кораблей добавилась опасность радиоактивного заражения, вызванного гибелью атомохода «Курск».

Команда опытных международных экспертов пыталась представить, какой станет последняя глава в этой трагической истории. Используя 3D-геометрическое компьютерное моделирование и анимацию, консорциум из российских, датских, норвежских и американских компаний планировал комплексную операцию по подъему «Курска», чтобы выполнить требования семей погибших моряков и предотвратить возможное распространение радиоактивного загрязнения в богатом рыбой промысловом районе Баренцева моря в бассейне Северного Ледовитого океана.

В ожидании денежных поступлений и окончательного одобрения от Фонда «Курска», который координировал всю операцию, рабочая группа консорциума работала над воссозданием хода аварии.

Кроме того, другие консорциумы и отдельные компании также имели возможность представить свои предложения Фонду «Курск» в расчете на заключение контракта. Фонд «Курск», учрежденный в ноябре 2000 года Правительством Российской Федерации, объединяет группу международных экспертов и политических деятелей. Его целью является нейтрализация потенциального радиоактивного заражения акватории вследствие утечки радиации из двух поврежденных атомных реакторов, внутри которых содержится значительное количество смертоносного урана, плутония, стронция и цезия. Российское правительство утверждало, что на борту подводной лодки нет ядерного оружия, тем не менее там находится большое количество обычного вооружения.

Эксперты считали, что реакторы были сильно повреждены в результате серии взрывов в первом отсеке «Курска», произошедших во время аварии. Взрывная волна, мощность которой эквивалентна двум тоннам тротила, должна была ослабить конструкционную целостность реакторов.

Первый взрыв, зарегистрированный сейсмологами, скорее всего, произошел в первом, торпедном отсеке во время учебных стрельб. В свою очередь, он стал причиной второй резкой взрывной волны, прокатившейся по ограниченному пространству субмарины. Фонд считал, что реакторы находятся в стабильном состоянии, но ситуация может измениться в худшую сторону из-за ослабления конструкции лодки и естественной коррозии.

«Мы хотим предотвратить любую утечку радиации, пока это еще возможно», — объяснил сопредседатель Фонда Александр Бессмертных. Несмотря на то что загрязнение пока не обнаружено в биологически активных водах вблизи от места гибели подводной лодки, российские исследовательские суда будут до окончания подъема корпуса производить мониторинг акватории на наличие радиации.

Модель подводной лодки

После исследования места гибели с помощью водолазов и дистанционно-управляемых аппаратов стало ясно, что внутри подводной лодки имеются обширные разрушения. Не было уверенности, что они появились в результате взрыва, который произошел, когда лодка находилась на относительно небольшой глубине (108 метров, или 356 футов) Баренцева моря и принимала участие в учениях. Однако тот факт, что она зарылась на несколько футов в песок, говорил об огромной силе удара корпуса о дно моря.

Вследствие неустойчивости ситуации было очень важно подробно спланировать всю операцию по подъему субмарины, чтобы предотвратить ее дальнейшее разрушение.

На самом деле, подъем такого большого судна, по размерам вдвое большего, чем самолет «Боинг-747», представляет собой грандиозную проблему. Поэтому по запросу компании Halliburton Subsea, главного члена международного консорциума, занимающегося подъемом судов, компанией AGS of Horten (Норвегия) были разработаны трехмерные анимационные модели. С их помощью была виртуально проверена и скорректирована вся операция по подъему «Курска».

Компания AGS использовала программное обеспечение Inventor компании Autodesk и в первую очередь создала подробную трехмерную модель «Курска» на основании документов, предоставленных российским заводом, построившим эту подводную лодку в 1994 году. Следует отметить, что процедура передачи чертежей для российской стороны была непростым делом. С целью сохранения военных секретов российское правительство потребовало от всех организаций, получивших доступ к проектной документации, подписать договор о неразглашении означенных сведений.

Первоначально AGS строила модель на основании чертежей, но позднее, после получения документации в электронном виде, содержащей более точные размеры, модель была переработана.

Специалистам AGS не удалось сразу воссоздать точную модель судна, но в дальнейшем, получив чертежи от российской стороны, они просто изменяли значения параметров и программное обеспечение автоматически перестраивало геометрию существующей модели.

«Очень важно для проведения подъема, чтобы точность модели была 100-процентной — для последующего расчета ее напряженного состояния методом конечных элементов, а также веса и балансировки», — сказал Торе Борник (Tore Bornick), владелец и главный менеджер AGS.

Располагая точными размерами, специалисты компании все еще испытывали определенные трудности при моделировании сложной криволинейной формы корпуса.

Действительно, трехмерное моделирование всей конструкции подводной лодки представляет собой достаточно сложную задачу. «Конструкция состоит из двух оболочек, внутренней и внешней, разделенных пространством в 3 фута», — пояснил Торе Борник. В связи с большой сложностью конструкции потребовался ввод значительного количества информации в виртуальную модель. На первом этапе группа разработчиков не моделировала внутреннюю инфраструктуру подводной лодки. Однако г-н Борник собирался сделать это в дальнейшем, в случае получения консорциумом «зеленого света» на продолжение работы над проектом. «Когда операция по подъему начнется, специалисты должны будут знать, как расположены ребра жесткости подводной лодки за обшивкой, прежде чем делать вырезы. Необходимо знать, что предстоит резать и как это повлияет на подъем судна», — говорил он.

Виртуальное моделирование операции

Дополнительно к модели «Курска» компания AGS создала виртуальные копии крана для подъема подводной лодки и баржи, которая была должна после подъема оттранспортировать лодку к берегу. Также была разработана модель судна с водолазами, контролирующего проведение операции. «Все эти модели необходимы для представления взаимодействия между кораблями в процессе работы», — пояснил г-н Борник.

По мнению Биргера Харалдсейда (Birger Haraldseid), эксперта компании Halliburton, над затонувшей лодкой необходимо было разместить гигантскую баржу компании Smith International, перестроенную специальным образом. Затем следовало нанять самое большое судно с краном в компании Heerema Marine Contractor и поднимать «Курск» c помощью тросов, присоединенных к специально изготовленным захватам на ребрах жесткости корпуса. Кран грузоподъемностью 16 тыс. тонн не способен поднять «Курск» весом 18 тыс. тонн и длиной 154 м. Предполагалось, что он подтянет подлодку к днищу баржи, к которой затем она будет прикреплена и отбуксирована в порт Мурманск.

До начала работы компании AGS по имитации описанной выше операции инженеры из Halliburton экспортировали трехмерную модель подводной лодки в программу конечно-элементного анализа компании Ansys, чтобы проверить свою идею схемы по подъему на компьютерной модели конструкции. С помощью программного обеспечения инженеры рассчитали усилия, которые при подъеме будут приложены к конструкции, и допустимую нагрузку на подъемные механизмы. Эта информация затем с помощью программы Inventor была введена в модель, использовавшуюся при виртуальном воспроизведении операции. Далее модели всех судов, участвовавших в спасательной операции, импортировались из Inventor в анимационное программное обеспечение 3ds max компании Discreet.

Виртуальная среда позволила инженерам определить места крепления захватов с учетом приложенных к корпусу нагрузок, а также влияния морского течения на судно с краном и на поднимаемый объект.

«Воспроизводя в виртуальной среде отдельные шаги, мы смогли проверить все, что было возможно», — отметил г-н Борник. После определения оптимальных мест для размещения захватов в этих точках моделировались вырезаемые отверстия и затем прикреплялись специально разработанные захваты. Моделирование показало, что при проведении работ отсутствует опасность соударения с корпусом подводной лодки, в котором размещены два атомных реактора. Благодаря анимации компания AGS смоделировала отрезку и подъем поврежденной носовой секции. «Эта операция должна была завершиться до начала операции подъема основной части, чтобы избежать новых разрушений оставшихся фрагментов», — заметил г-н Борник. На самом деле компания Halliburton приобрела ценные знания и опыт, участвуя в спасательной операции в августе 2000 года, когда тела 12 моряков были подняты из отверстия, вырезанного в корпусе лодки. Эти работы дали компании возможность оценить текущее состояние лодки.

Во время подготовительной стадии проведения операции в модель, воспроизводившую ход работ, постоянно вносились изменения. «Существует несколько инженерных подходов к подъему, — сказал г-н Борник. — Мы способны легко приспособить нашу 3D-модель к любым новым требованиям». Впоследствии AGS приступила к моделированию нового способа подъема, изобретенного компанией Halliburton, более подходящего для ослабленной конструкции субмарины и упрощающего работу водолазов на большой глубине. На реализацию конкретного метода влияла его общая стоимость, и многое здесь зависело от финансовых возможностей России.

Высокая стоимость операции, по мнению г-на Харалдсейда, могла помешать ее выполнению. В случае получения достаточных средств на реализацию планов консорциума, г-н Борник собирался проверить множество методов и идей либо непосредственно на месте операции, либо путем удаленного подключения дистанционных камер и роботов.

«Если бы не было 3D-моделирования, нам пришлось бы создать миниатюрную физическую модель и подвергнуть ее испытанию в бассейне с морской водой. Это решение является очень затратным, требующим много времени, и кроме того, гораздо менее точным, — отстаивал свою точку зрения г-н Борник. — «Кроме того, операция стала бы более рискованной».

Вооруженные знаниями

После определения наилучшего метода подъема инженеры должны были представить свои планы Фонду «Курск» для рассмотрения и одобрения. По словам г-на Харалдсейда, компания Halliburton самое важное место на презентации планировала отвести результатам моделирования. Они должны были помочь членам Фонда быстрее понять сложные проблемы. «Далеко не все члены Фонда имеют знания в данной области, поэтому визуализация призвана упростить объяснение сложных проблем», — сказал он. Анимация также должна была облегчить получение финансирования для проведения работ. Общая сумма средств Фонда оценивалась в размере 70 млн. долл. и вносилась как Россией, так и международными спонсорами. Существенным фактором являлось время. Российская сторона стремилась поднять тела погибших моряков, хотя вследствие взрыва было неизвестно, как много останков удастся найти. И чем дольше «Курск» лежал бы на дне моря, тем больше страдала бы конструкция лодки. Из-за длинной полярной ночи оставался лишь ограниченный период времени для проведения операции подъема. Если бы не удалось уложиться в эти сроки, пришлось бы несколько месяцев ждать улучшения погодных условий.

«Cамая важная цель — безопасность операции как по отношению к природной среде, так и по отношению ко всем участникам экспедиции. В связи с этим значительная роль отводится визуализации процесса», — сказал г-н Харалдсейд. Ни компании Halliburton, ни компании AGS, ни всему мировому сообществу не приходилось участвовать в столь грандиозном и опасном деле. Тем не менее полученные знания бесценны в случае подъема других атомных подводных лодок, способных отравить океан.

Например, российская подлодка «Комсомолец», затонувшая более десяти лет назад на глубине 1350 метров в стороне от северо-западного побережья Норвегии, медленно излучает плутоний. Поскольку на такой глубине почти нет жизни, сегодня «Комсомолец» представляет меньшую опасность, чем «Курск», однако, в любом случае, такие затонувшие атомные объекты есть не что иное, как бомбы с замедленным часовым механизмом.

«Компьютерное моделирование таких сложных операций имеет огромную ценность, особенно когда работы ведутся на значительном расстоянии от берега и на большой глубине, где существенно возрастает фактор квалификации специалистов. Метод натурного моделирования, часто применяемый нефтяными компаниями, ведущими подводную добычу нефти, является очень дорогим», — объяснял г-н Борник. — С помощью виртуального управления этими процессами компании выиграют как время, так и деньги». 

Редакция журнала «САПР и графика» благодарит «Русскую Промышленную Компанию» за предоставленный материал.

«САПР и графика» 2'2002