С.Л.Ивановский, ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
Ю.Б.Могутин, ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
К.Г.Муравьев, ФГУП «ВНИИОкеангеология»
Б.К.Ширяев, ФГУГП «Южморгеология»


Текущее состояние Российского научно-исследовательского флота для поиска и исследования твердых полезных ископаемых в глубоководных районах Мирового океана
В бывшем СССР наиболее интенсивное строительство НИС осуществлялось в период 70-х – 80-х годов. К 1990 г. численность НИС достигла 375 единиц, принадлежавших 9 ведомствам. В результате чего исследовательский флот СССР в количественном отношении вышел на первое место в мире и составил более 1/3 от общего количества НИС. Из этих НИС 50 судов были построены в СССР, остальные закупались за рубежом, в основном в Польше, Финляндии, Германии.
В 60-х – 70-х годах строились специализированные НИС различного назначения для исследований на континентальном шельфе и ограниченных районах Мирового океана. Среди них значительную долю составляли суда для поиска и разведки полезных ископаемых.
В 1983 г. для поиска железомарганцевых конкреций, залегающих на дне Мирового океана на глубинах до 6000 м, начато строительство серии судов типа «Морской геолог» пр. 12883. Водоизмещение судна составляет около 5700 т, мощность главного двигателя (дизель-редукторного агрегата на базе двух дизелей) – 7000 л.с., скорость хода судна около 16 узлов, дальность плавания около 20 тыс. миль. На судне предусмотрены места для размещения 92 человек, в том числе 49 членов научной группы.
Научное оборудование размещено в 16 лабораториях общей площадью около 510 м², объединяется в три комплекса. Отбор проб донного грунта осуществляется с борта судна с помощью различных пробоотборников, дночерпателей, грунтовых трубок, тралов и драг, для работы с которыми на судне установлены различные устройства и механизмы, в том числе склоняющийся кормовой портал и две лебедки с тяговым усилием по 12,5 т каждая.
Позднее был разработан модернизированный проект этого судна 12883М, предусматривающий оснащение его необитаемыми подводными аппаратами (НПА), а также средствами активного управления (две ВДРК мощностью по 500 кВт), которые облегчают вождение судна по заданной траектории при обследовании дна с помощью НПА. Всего было построено 9 судов по этим проектам (рисунок 1).
В настоящее время в России исследования морей и океанов на государственном уровне проводят:
• Министерство природных ресурсов и экологии РФ;
• Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды;
• Российская Академия Наук; • Федеральное агентство по рыболовству;
• Главное управление навигации и океанографии Минобороны России.

Анализ состава флота НИС неограниченного района плавания первых трех из указанных судовладельцев (таблица 1) показывает:
• Флот Роснедр включает 5 судов, средний возраст которых около 30 лет. Износ судов – около 80%.
• Флот Росгидромета составляет 12 судов неограниченного района плавания, средний возраст которых около 30 лет. Износ судов – около 80%.
• Флот РАН включает 12 судов, средний возраст которых составляет 33 года. Износ судов – около 85%.
Из таблицы видно, что возраст практически всех российских научно-исследовательских судов, кроме НЭС «Академик Трешников», превышает расчетный срок службы.
Для сравнения, научно-исследовательский флот Европы состоит из 42 больших НИС со средним возрастом 21 год. Научно-исследовательский флот США состоит из 15 больших НИС со средним возрастом 14 лет.



Рисунок 1. НИС для геологоразведочных работ в мировом океане «Профессор Логачев»

Таблица 1. Состав научно-исследовательского флота России




При распаде СССР с образованием независимых государств России отошло 329 НИС. За прошедшее с тех пор время научно-исследовательский флот в нашей стране не пополнялся и практически не модернизировался. Из-за резкого сокращения госбюджетного финансирования все судовладельцы вынуждены были значительно сократить численность исследовательского флота. Значительная часть НИС распродана и переоборудована в суда другого назначения. Физически изношенные суда списаны.
Из 29 судов неограниченного района плавания, для поиска и исследования твердых полезных ископаемых в глубоководных районах пригодны только 4 судна пр. 12883 и 12883М. НИС «Академик Мстислав Келдыш» изначально создавалось как носитель обитаемых подводных аппаратов. НИС «Академик Иоффе» и «Академик Сергей Вавилов» создавались как океанографические суда для изучения преимущественно физики океана. Указанные три судна являются единственными в России океанографическими судами глобального класса и переориентация их на изучение твердых полезных ископаемых нецелесообразна. Большие научно-экспедиционные суда «Академик Трешников», «Академик Федоров» и «Михаил Сомов» являются в первую очередь транспортными судами для обслуживания полярных экспедиций и плотно задействованы для решения этих задач.
Остальные суда не могут применяться для поиска и исследования ТПИ в глубоководных районах Мирового океана в первую очередь из-за ограниченных размеров, не позволяющих работать с тяжелым забортным оборудованием, и физической изношенности.

Суда пр. 12883М не соответствуют современным требованиям к НИС
При создании судов пр. 12883 ставилась основная цель создать серию геологоразведочных судов в максимально короткие сроки. Поэтому за основу был взят траулер пр. 1283 «Пулковский меридиан», в корпусе которого проектировались будущие НИС. Таким параметрам, как экономичность, шумность, удобство размещения и работы экипажа и оборудования уделялось второстепенное внимание. Возможности установки глубоководных эхолотов, системы динамического позиционирования не предусмотрено было в принципе. Позднее при разработке проекта 12883М суда были оснащены выдвижными винто-рулевыми колонками, которые хоть и позволили расширить функциональность судна, но качественно ее не улучшили.
Вот наиболее важные вопросы, на которые необходимо обратить внимание:

Подводный шум
Для эффективной работы гидроакустических средств требуется, чтобы судно-носитель имело низкий уровень подводного шума, что позволяет увеличить качество и диапазон проводимых исследований. Излучаемый судном и оборудованием шум также должен минимально воздействовать на морскую биоту. На основании стандарта ICES 209, классификационным обществом DNV-GL были разработаны правила, при выполнении которых судну присваивается символ класса «silent-R». Цель указанных правил – улучшить условия работы гидроакустической аппаратуры на научно-исследовательских судах и уменьшить влияние излучаемого шума на морскую биоту. Выполнение указанных правил позволяет снизить уровень шума на 20-30 дБ по сравнению с аналогичными рыболовными судами. Указанный вывод подтверждают исследования, выполненные австралийскими учеными для сравнения уровней шума нового НИС «Investigator» и НИС «Southern Surveyor» 1972 г. постройки.
НИС «Southern Surveyor», как и суда пр. 12883 и 12883М, оборудовано дизель-редукторной энергетической установкой, состоящей из двух дизельных двигателей, работающих через редуктор на один винт регулируемого шага (ВРШ) в насадке. ВРШ, хоть и позволяют оптимизировать работу энергетической установки при различной нагрузке, из-за неоптимального профиля традиционно являются очень шумным движителем. Поэтому на НИС «Investigator» применен двухвальный движительный комплекс с малошумными винтами фиксированного шага (рисунок 2).



Рисунок 2. ВРШ в насадке судна «Southern Surveyor» (слева) и малошумный винт судна «Investigator» (справа)

Энергетическая установка НИС «Southern Surveyor» состоит из главного дизель-редукторного агрегата, работающего на ВРШ и вспомогательных дизель-генераторов. Все компоненты энергетической установки смонтированы на стандартных фундаментах. Такая же конструкция применена на судах пр. 12883 и 12883М (рисунок 3).
Энергетическая установка НИС «Investigator» из главных дизель-генераторов, вырабатывающих переменный ток, который через преобразователи приводит в движение электродвигатели, работающие на малошумные винты фиксированного шага (рисунок 4). Дизель-генераторы (ДГ) имеют двухкаскадную амортизацию, практически исключающую передачу вибрации от ДГ на корпус судна. Машинные помещение и помещения пропульсивного комплекса имеют вибропоглощающее покрытие, исключающее распространение шума и вибрации на смежные корпусные конструкции и в воду.



Рисунок 3. Структурная схема дизель-редукторной энергетической установки


Рисунок 4. Структурная схема дизель-электрической энергетической установки

Испытания НИС «Investigator» по методике DNV-GL (рисунок 5) показали, что на скорости 11 узлов уровни шума судна полностью соответствует стандарту ICES 209 и более чем на 20 Дб меньше уровней шума НИС «Southern Surveyor».



Рисунок 5. Спектры излучаемого шума НИС «Investigator», НИС «Southern Surveyor» и требования стандарта ICES 209


Указанные мероприятия позволяют существенно повысить качество получаемой гидроакустической информации. При многолучевом эхолотировании карты получаются более детальными. Увеличиваются глубины работы эхолотов, расширяется диапазон океанографических исследований.
Для достижения аналогичного снижения уровней внешнего шума существующих судов пр. 12883 и 12883М потребует полной замены энергетической установки и смежных корпусных конструкций, что по стоимости и трудозатратам соизмеримо со строительством нового современного судна.

Экологическая безопасность
95% транспортных судов – теплоходы, которые являются активными источниками загрязнения атмосферного воздуха и окружающей среды. К категории наиболее опасных загрязнителей относятся следующие газообразные вещества и частицы, выбрасываемые с выпускными газами:
• окислы азота NOх, образующиеся в цилиндрах дизеля при температуре выше 1500°С, когда азот становится химически активным газом;
• окись СО и двуокись углерода СО2, образующиеся в результате сгорания топлива;
• сернистый и серный ангидриды SО2 и SО3, образующиеся в результате окисления присутствующей в топливе серы (элементарной, меркаптановой и др.);
• продукты неполного сгорания топлива СНх, агломерация мелких частиц не полностью сгоревшего топлива, частицы не полностью сгоревшего масла, сажи и др.


Рисунок 6. Требования к выбросам оксидов серы, азота и углерода

В соответствии с правилом 14.4 Приложения VI к МАРПОЛ 73/78 при нахождении судов в пределах районов контроля выброса окислов серы (SOx) содержание серы в любом жидком топливе, используемом на любом судне, не должно превышать следующих пределов:
• 1,50 % массы до 1 июля 2010 г.;
• 1,00 % массы 1 июля 2010 г. и после этой даты;
• 0,10 % массы 1 января 2015 г. и после этой даты.
Эксплуатация каждого дизеля, к которому применимо правило 13 Приложения VI к МАРПОЛ 73/78, запрещается, за исключением случаев, когда выброс окислов азота (рассчитанный как полный взвешенный выброс NO2) из дизельного двигателя находится в допустимых пределах.
При этом, если требования к содержанию NOx в отработанных газах применяются для судов, построенных после 2000 г., то требования к содержанию SOx применяются вне зависимости от года постройки судна. Соответственно, должны быть рассмотрены варианты модернизации энергетической установки судов:
А) Переход на бункеровку низкосернистым дизельным топливом - это наиболее простой способ. Положительные стороны:
• снижение энергетических затрат на обработку нефтепродуктов;
• развитая инфраструктура снабжения судов бункерным топливом.
Отрицательные стороны:
• высокая стоимость низкосернистого дизельного топлива относительно тяжелого топлива, приводящая к существенному увеличению эксплуатационных расходов судна.
Б) Установка систем очистки выхлопных газов. Положительные стороны:
• в качестве топлива можно использовать традиционный высокосернистый мазут;
• инфраструктура снабжения судов бункерным топливом не меняется;
• низкая стоимость топлива (в 1,5-2 раза ниже стоимости дизельного топлива).
Отрицательные стороны:
• необходимость разместить на судне оборудование скруббера с удельным весом 4,9 кг/кВт мощности судовых силовых установок;
• необходимо держать на судне значительный запас 50%-го раствора каустической соды для работы скруббера;
• необходимость производить очистку водного раствора сульфатов образующихся в результате работы мокрого скруббера от механических примесей и частиц несгоревшего топлива;
• необходим дополнительный штат обученного персонала для обслуживания скруббера;
• необходимо контролировать по четырем параметрам выбросы раствора соли за борт;
• нет гарантии, что следующий этап ограничений МАРПОЛ не запретит сбросы в воду химически нейтральных отходов от работы скрубберов мокрого и комбинированного типов;
• высокая стоимость переоборудования судна.
Таким образом, стоимость эксплуатации судов пр. 12883 и 12883М будет увеличиваться в связи с необходимостью выполнения современных требований по экологической безопасности.

Экономичность
Расход топлива судна пропорционален его размеру и скорости. Современные НИС имеют дизель-электрическую энергетическую установку, обеспечивающую наилучшую экономичность при переменных нагрузках. Таким образом, для НИС, совершающего длительные переходы, встает вопрос об улучшении характеристик судна, позволяющих снизить расход топлива. Для НИС всех классов должны предприниматься мероприятия по повышению энергоэффективности, что приведет к существенному снижению эксплуатационных затрат.
Снижение энергопотребления возможно различными способами, которые могут использоваться одновременно и по отдельности:
• каждый потребитель должен быть регулируемым и потреблять минимальное количество энергии;
• должны использоваться соответствующе современные технологии, позволяющие оптимизировать процесс эксплуатации в соответствии с будущими потребностями. Этому должно придаваться особое значение при выборе энергетической установки НИС;
• Энергоэффективность каждого компонента должна быть на высоком уровне.
• Должен выбираться оптимальный режим эксплуатации судна.
Единственным преимуществом дизель-редукторной установки (рис.3) является простота конструкции. При этом она обладает следующими недостатками:
• Снижение КПД двигателей и увеличение расхода топлива при частичных режимах загрузки;
• Высокий уровень шума и вибрации;
• Низкий КПД винтов регулируемого шага;
• Невозможность модернизации главной энергетической установки ввиду необходимости внесения существенных конструктивных изменений в судно;
• Невозможность использования альтернативных источников энергии.
Дизель-электрическая установка обладает следующими дополнительными преимуществами, позволяющими добиться существенного снижения расхода топлива на НИС:
• Дизель-генераторы работают в оптимальном режиме нагрузки, с минимальным расходом топлива. Гребные электродвигатели имеют высокий КПД, практически не зависящий от частоты вращения и нагрузки;
• Возможность использования более эффективных и малошумных винтов фиксированного шага;
• Оптимизация режимов эксплуатации позволяет добиться меньшей установленной мощности энергетической установки;
• Каждый компонент электроэнергетической системы может быть заменен на аналогичный без существенных конструктивных изменений судна.
• Возможность дополнительного использования нетрадиционных источников энергии (топливные элементы, солнечные батареи и пр.).

При использовании в качестве движителей винто-рулевых колонок появляется дополнительная возможность оптимизации формы корпуса судна, позволяющей еще больше увеличить экономичность судна на переходах.
По оценкам компании АВВ, современные дизель-электрические установки позволяют сократить расход топлива на 20-25% и более при использовании нетрадиционных источников энергии.
Указанная оценка приведена без учета износа механизмов. Износ поршневой группы двигателей внутреннего сгорания повышает расход топлива на 4-6% и существенному увеличению расхода масла.
Существенный вклад в экономичность вносит использование современных материалов и комплектующих изделий. Например, использование рекуператоров в системах вентиляции позволяет существенно снизить энергозатраты на отопление или кондиционирование. Современное радионавигационное оборудование имеет энергопотребление на порядки ниже своих аналогов 30-летней давности. Использование современных средств автоматизации позволяет снизить численность экипажа, что в свою очередь позволяет снизить энергозатраты на бытовые нужды. И т.д.
Таким образом, снижение расхода топлива на современном НИС может достигать 1,5-2 раз по сравнению со старыми судами. Например, НИС пр.12883М «Южморгеология» имеет главную энергетическую установку мощностью 5150 кВт и вспомогательную энергетическую установку мощностью 600 кВт, общая мощность 5750 кВт. При этом среднесуточный расход топлива составляет 20 т. Сходное по размеру и назначению судно проекта «НИС ГЕО», спроектированное с учетом всех современных технологий, имеет главную энергетическую установку мощностью 6000 кВт, состоящую из четырех ДГ мощностью по 1500 кВт, из которых в режимах движения/маневрирования используется три ДГ и один находится в резерве. Необходимость резервного ДГ обусловлена требованиями к судам с динамическим позиционированием. Среднесуточный расход топлива НИС ГЕО, определенный в процессе проектирования, составляет 9,6 т.
Таким образом, расход топлива современного судна более чем в 2 раза ниже, чем судна возрастом более 30 лет, что подтверждается также опытом строительства современных зарубежных НИС.
Ввиду того, что покупные комплектующие изделия составляют около 60% стоимости современного НИС, очевидно, что доведение устаревшего судна до современного состояния экономически нецелесообразно. Кроме того, не все комплектующие изделия могут быть заменены на современные аналоги.

Материально-техническое обеспечение
В настоящее время практически все российские судовладельцы испытывают острые трудности в материально-техническом обеспечении судов, прежде всего запасными частями, т.к. на судах использовано оборудование 70-х годов прошлого века, в настоящий момент снятое с производства. Замена оборудования современными аналогами не всегда представляется возможной.
Вследствие этого значительная часть оставшихся в строю научно-исследовательских судов находится сейчас в аварийном состоянии и в ближайшем будущем будет не пригодна для эксплуатации.

Выводы
Суда пр. 12883 и 12883М создавались как специализированные геологоразведочные суда в 70-х годах прошлого века сжатые сроки и позволили выполнить стоящие перед ними задачи в конце ХХ века.
Современные НИС, построенные с использованием последних достижений науки и техники, имеют примерно в полтора раза меньшие экипажи и вдвое меньший расход топлива. Т.к. затраты на содержание экипажа и ГСМ составляют примерно 50% стоимости эксплуатации НИС, снижение затрат по указанным статьям представляется весьма существенным.
Кроме того, внедрение мероприятий по снижению внешних воздействий судна на окружающую среду ведет к повышению качества научных исследований. Это позволяет в те же сроки провести большее число исследований или уменьшить продолжительность экспедиции, что в обоих случаях приводит к снижению стоимости проводимых исследований.
Этим объясняется малый средний возраст зарубежных больших НИС, т.к. содержание новых судов, совершающих длительные переходы и экспедиции, проводящих качественные глубоководные научные исследования, обходится, в конечном счете, значительно дешевле.
Стоимость эксплуатации устаревших судов будет постоянно повышаться из-за износа механизмов, необходимости выполнять требования по экологической безопасности и трудностей в материально-техническом обеспечении.
Модернизация устаревших судов до современного состояния экономически нецелесообразна, т.к. стоимость комплектующих изделий высока и с учетом демонтажа-монтажа-доработки делает указанные мероприятия сопоставимыми или превышающими по затратам со строительством нового современного судна.