Пока судно находится на плаву, эта деталь почти полностью скрыта. Но стоит корпусу оказаться в сухом доке, как под форштевнем обнаруживается массивный округлый выступ, вынесенный вперёд и напоминающий продолжение подводной части носа. Он увеличивает смоченную поверхность корпуса и на первый взгляд должен лишь сильнее тормозить судно. Однако именно ради снижения сопротивления кораблестроители придают носу такую необычную форму.

Этот выступ называется носовым бульбом. Он не «разрезает» воду подобно клинку, а изменяет распределение давления перед корпусом и характер образующихся волн. При правильно выбранной форме бульб уменьшает мощность, необходимую для поддержания заданной скорости, и за долгий морской переход помогает сберечь заметное количество топлива.

Куда уходит мощность двигателя

Движущееся судно постоянно преодолевает несколько видов сопротивления. Вода трётся о днище и борта, потоки огибают изгибы корпуса, за кормой возникают завихрения. Кроме того, судно расходует энергию на образование волн. Особенно заметна носовая волна: перед форштевнем создаётся область повышенного давления, вода поднимается, а затем расходится по сторонам характерными гребнями.

Эта картина не является случайным следом движения. Энергию волне передаёт корпус, а корпус получает её от гребного винта и двигателя. Чем больше энергии уносит волновая система, тем выше сопротивление и тем значительнее мощность, которую необходимо подводить к винту. У тихоходного судна основную роль может играть трение о воду, но по мере роста скорости доля волнового сопротивления способна резко увеличиваться. Причина в том, что судно не просто проталкивает воду в стороны: оно всё время создаёт вокруг себя систему гребней и впадин, размеры и взаимное расположение которых зависят от скорости и длины корпуса.

Сделать нос бесконечно острым невозможно. У грузового судна подводная часть должна обеспечивать нужную вместимость, плавучесть, прочность и приемлемое поведение на волнении. Поэтому конструкторы пошли другим путём: вместо попытки совсем не создавать носовую волну они добавили под водой ещё один источник возмущения, которым можно управлять.

Как две волны ослабляют друг друга

При движении бульб формирует собственное поле давления. Вода обтекает его округлую переднюю часть, ускоряется вдоль поверхности и затем соединяется с потоком у основного корпуса. Одновременно возникает собственная волновая система. Положение бульба, его объём, длина и поперечное сечение подбираются так, чтобы в расчётном режиме это возмущение пришло к носовой волне в противоположной фазе.

Проще всего представить встречу гребня одной волны со впадиной другой. Они не исчезают полностью, но частично компенсируют друг друга. У поверхности перед судном уменьшается высота результирующего гребня, а распределение давления вдоль носовой части становится более благоприятным. Корпус передаёт воде меньше энергии, поэтому снижается волновая составляющая сопротивления. В действительности трёхмерный поток сложнее такой картины: полезный эффект создаёт согласованная работа всей носовой части, а не выступ сам по себе.

У такого решения есть собственная цена. Дополнительная поверхность соприкасается с водой и увеличивает сопротивление трения. Бульб также может создавать нежелательную волну. Выигрыш появляется лишь тогда, когда уменьшение волнового и связанного с давлением сопротивления превосходит эти потери. Именно поэтому случайно выбранная «луковица» под форштевнем не сделает судно экономичнее: её геометрия должна соответствовать конкретному корпусу.

Почему бульб рассчитан на определённый режим

Длина волны, возникающей у идущего судна, связана со скоростью. Когда скорость меняется, смещаются гребни и впадины, а вместе с ними меняется момент встречи волн от бульба и основного носа. В режиме, для которого обводы были рассчитаны, их взаимодействие оказывается выгодным. При значительном отклонении от него компенсация ослабевает, а иногда дополнительный выступ начинает увеличивать общее сопротивление.

Не менее важна осадка. Гружёное судно сидит в воде глубже, чем порожнее, поэтому относительно поверхности бульб занимает другое положение. Меняются его погружение, объём вытесненной воды и связь с носовой волной. На некоторых судах форма, эффективная при полной загрузке, хуже работает в балластном состоянии. Для других, напротив, особенно тщательно учитывают частичную загрузку, потому что именно в таком виде они проводят значительную часть времени.

Этим объясняется, почему носовые бульбы чаще встречаются у крупных морских судов с достаточно устойчивым эксплуатационным профилем: контейнеровозов, танкеров, балкеров, пассажирских лайнеров и военных кораблей. Если судно большую часть рейса идёт примерно с одной крейсерской скоростью и предсказуемой осадкой, геометрию легче настроить на основной режим. Для небольшого катера, буксира или судна, постоянно меняющего скорость, дополнительная смоченная поверхность может оказаться важнее выигрыша от изменения волны.

Условия эксплуатации способны измениться уже после постройки. Например, судно, рассчитанное на сравнительно быстрый ход, могут перевести на постоянную пониженную скорость ради экономии топлива. Тогда прежний бульб перестаёт работать в оптимальной точке. В некоторых случаях во время модернизации его заменяют более коротким или менее объёмным, согласованным с новым режимом. Такая переделка показывает, насколько тесно форма носа связана не только с размерами судна, но и с тем, как именно его используют.

Как находят нужную форму

Расчёт начинается с характеристик будущего судна: длины по ватерлинии, водоизмещения, полноты корпуса, диапазона осадок и предполагаемых скоростей. Конструкторы определяют, где должен находиться центр объёма бульба, насколько далеко он может выступать вперёд, какую высоту и ширину получит его поперечное сечение. При этом приходится учитывать не только сопротивление в спокойной воде, но и мореходность, удары волн, прочность конструкции, размещение якорей и подруливающих устройств.

Геометрию проверяют численным моделированием и испытаниями масштабной модели в опытовом бассейне. Компьютерный расчёт показывает поля давления и структуру потока, позволяет быстро сравнить множество вариантов. Модельные испытания дают фактическое сопротивление при разных скоростях и осадках и помогают проверить, насколько расчёт совпадает с поведением реальной воды. После этого форму уточняют, добиваясь не рекорда в одной точке, а приемлемого результата во всём рабочем диапазоне.

Такой подход особенно важен для современного торгового флота. Судно может идти полностью загруженным в одном направлении и возвращаться с меньшей осадкой, менять скорость из-за расписания, погоды или стоимости топлива. Бульб, идеально настроенный только на один режим, способен проигрывать при остальных. Поэтому всё чаще оптимизируют несколько характерных состояний сразу, даже если максимальный эффект в каждом из них получается немного меньше.

От меньшей волны к меньшему расходу

При равномерном движении тяга гребного винта должна уравновешивать сопротивление воды. Чем оно ниже при той же скорости, тем меньшая мощность требуется на валу и тем меньше топлива нужно двигателю. Если мощность не снижать, освободившийся запас можно использовать для увеличения скорости, но в коммерческой эксплуатации чаще ценится именно сокращение расхода.

Универсальной цифры экономии для носового бульба не существует. Результат зависит от обводов корпуса, размеров судна, скорости, осадки, состояния моря и того, с каким вариантом носа ведётся сравнение. В удачно выбранном рабочем режиме снижение полного сопротивления может составлять несколько процентов. Для крупного судна, двигатель которого непрерывно работает многие дни, даже такая разница означает существенное количество топлива за рейс и ещё более заметную экономию за годы службы.

Бульб не производит энергию и не повышает КПД двигателя сам по себе. Он лишь уменьшает одну из причин её потери, а итоговый расход по-прежнему зависит от винта, состояния подводной поверхности, скорости и загрузки.

По мере совершенствования расчётов носовые обводы становятся разнообразнее. Одним судам подходит крупный классический бульб, другим — компактный выступ, третьим выгоднее почти вертикальный нос. Выбор определяется сочетанием скорости, водоизмещения и маршрутов.

В сухом доке бульб выглядит как лишний объём, который судно должно тащить через океан. На ходу он становится точно настроенным источником подводного возмущения: создаёт собственную волну, ослабляет волну основного корпуса и тем самым уменьшает работу, выполняемую двигателем. Экономия возникает не благодаря одному необычному выступу, а благодаря тому, что его форма, положение и режим движения рассчитаны как единая гидродинамическая система.