CATA.MARANS VERSUS SINGLE-HÜU. CONCEPTS. A STUDY OF STABILITV
POWEBING AND SEAKEEPING QUALITIES FOR SMALL WARSHIPS.
SU.MMAHY
0. Rucgarsson
SSPA Maritime R e s e a r c h and C o n s u l t i n g AB
to deck a r e a , s p a c e ."or accooimodation, s Ï Ï i U t v ! n d % o U no c h " " ' ^ i - u s s e d w i t h r e g a r d
and s e a k e e p i n g t e s t s o f oxxleis o f the c a c ^ r ' a n a n ? t h e L r ^ « ^^^^''^'ï
g i v e n and d i s c u s s e d . ' acamaran and tha c o r r e s p o n d i n g s i n g l e - h u l l v e s s e l a r e
1 i N T R o n c x r r i o N F o r n j a n y t y p e s o f s m a l l s h i p s t h e d e m a n d s f o r l a r g e d e c k a r e a a n d g o o d t r a n s v e r s e s t a b i l i t y a x e f a c t o r s w h i c h c o u l d f o r c e u p t h e s i z e s a n d d i s p l a c e m e n t s o f n e w p r o j e c t s i f c o n -v e n t i o n a l s i n g l e - h u l l c o n c e p t s a r e u s e d . A s t u d y o f w h e t h e r i t i s C e a a a b l e o r n o t to u a e t h e c a t a m a r a n c o n c e p t i n s t e a d , f o r t h e s e t y p e s o f s h i p s , h a s n o w b e e n c a r r i e d o u t a t SSPA i n c o - o p e r a t i o n w i t h t h e R o y a l S w e d i s h N a v y . T h a s t u d y w a s c a r r i e d o u t f o r a 3 5 0 -t o n v e s s e l o p e r a -t i n g a -t s p e e d s b e l o w 35 k n o -t s i n c o a s t a l w a t e r s . A p r e l i m i n a r y s t u d y s h o w e d t h a t a l t h o u g h c a t a -m a r a n s h a v e b e e n e x t e n s i v e l y t r e a t e d i n t h e l i t e r a t u r e , i n f o r m a t i o n a b o u t m e d i u m s p e e d c a t a m a r a n s ( 0 . 4 < Ff, < 0 . 9 ) a n d t h e i r s e a -k e e p i n g q u a l i t i e s i s r a t h e r s c a r c e . P u b l i s h e d s t u d i e s u s u a l l y c o v e r l a r g a v e s s e l s t o b e o p e r a t e d a t r e l a t i v e l y l o w s p e e d s ( F ^ < 0 . 4 ) a s g i v e n i n [ l , 2 a n d 3 ) o r h i g h s p e e d c a t a -m a r a n s o f t h e p l a n i n g t y p e a s g i v e n i n [ 4 ] . I t w a s t h e r e f o r e d e c i d e d t o i n c l u d e a l s o a s e r i e s o f m o d e l t e s t s w i t h e m p h a s i s o n t h a s e a k e e p i n g p e r f o m w m c e i n t h e s t u d y . I n t h e p r e s e n t p a p e r some o f t h e s e t e s t r e s u l t s a r e g i v e n , s h o w i n g t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n a s i n g l e - h u l l v e s s e l a n d a c o r r e s p o n d i n g c a t a m a r a n c o n c e p t . 2 M A I N D I M E N S I O N S 2 . 1 S t a r t i n g P o i n t s T h a o r i g i n o f t h e s t u d y w a s a s i n g l e - h u l l f a s t a t t a c k c r a f t w i t h a d i s p l a c e m e n t o f a b o u t 3 0 0 t o n s . I n o r d e r t o f i n d t h e d i m e n s i o n s o f t h e c o r r e s p o n d i n g c a t a m a r a n t h e f o l l o w i n g r e q u i r e m e n t s w e r e u s e d d u r i n g t h a p r e l i m i n a r y l a y o u t s t u d i e s : o T h e d i f f e r e n t c o n c e p t s s h o u l d b e e q u i p p e d w i t h t h e s a m e a r m a m e n t a n d o a c c o n i a o d a t i o n f o r a c r e w o f t h e S « M n u m b e r , o D r a u g h t a n d s h i p l e n g t h s h o u l d b e t h e same. o T h a e x t r a w e i g h t o f t h a c a t a m a r a n d u e t o th« c e n t r e b o d y a n d m o r e p l a t i n g i n h u l l s a n d s u p e r s t r u c t u r e s w a s e s t i m a t e d t o b e a b o u t 55 t o n s o T h a m i n i m u m b r e a d t h o f t h e d e m i h u l l s w a s s e t t o 4.0 DJ i n o r d e r t o a l l o w f o r s p a c e e n o u g h f o r a c c o m m o d a t i o n . o T h e c l e a r a n c e b e t w e e n t h a c e n t r a b o d y a n d t h e s t i l l w a t e r l i n e w a s s e t t o 3.0 m. o T h e s p e e d r a n g e o f i n t e r e s t w a g s a t t o b a u p t o 4 0 k n o t s . 2.2 H u l l F o r m s F o l l o w i n g t h e r e q u i r e m e n t s g i v e n i n s e c t i o n 2.1 t h e m a i n d i m e n s i o n s a c c o r d i n g t o T a b l e 1 w e r e d e t e r m i n e d . T a b l e I . M a i n d i m e n s i o n s o f s i n g l a - h u l l a n d c a t a m a r a n c o n c e p t s S i n g l e - h u l l C a t a m a r a n
Sym
A s y m D i s p l a c e m e n t (m^) 307 3 6 2 3 6 2 L e n g t h ( L ^ ) ( a ) 4? 42 4 2 B r e a d t h (m) 6.3 4.0 4.0 D r a u g h t (m) 1.9 I .9 1.9 W e t t e d s u r f a c e (m^) 3 3 5 4 5 8 4 8 6 6.9 7.4 7.4 B l o c k c o e f f i c i e n tV / V L L^='Z^t'**^
0.5I.S
0 . 6 0.6 — „ . J. a p p e a r e a n e c e s s a r y t o oaJce t h e c a t a m a r a n h u l l s s o m e w h a t s h o r t e r t h a n t h e s i n g l e h u l l i n o r d e r t o k e e p t h e r e -q u i r e d d r a u g h t a n d t h a b r e a d t h . I t w a s a l s o d e c i d e d t o u s e f a m i l i a r b o d y p l a n s f o r t h e d i f f e r e n t c o n c e p t s . I n t h e f i r s t p a r t o f t h a s t u d y o n l y s y m o t e t r i c d e m i-h u l l s w e r e c o n s i d e r e d f o r t -h e c a t a u n a r a n . ( S e e F i g I . ) L a t e r o n , t h e s t u d y w a s h o w e v e r e x t e n d e d w i t h a r e s i s t a n c e i n v e s t i g a t i o n o f a s y m m e t r i c d e m i h u l l s . T h e a s y m m e t r y w a s i n t h i s c a s e v e r y e x t r e m e , g i v i n g a n e a r l y c o n -s t a n t c r o -s -s -s e c t i o n o f t h e t u n n e l b e t w e e n t h a h u l l s . F i g . 1 . B o d y p l a n f o r s y m m e t r i c d e m i h u l l c a t a m a r a u i . 2.3 S t a b i l i t y C o n s i d e r a t i o n s T h e c h o i c e o f t h a g a p b e t w e e n t h e c a t a m a r a n d e m i h u l l s w a s d e t e r m i n e d m a i n l y f r o m d e c k a r e a a n d s t a b i l i t y ( r o l l i n g c h a r a c t e r i s t i c s ) c o n s i d e r a t i o n s . T h e m a i n a l t e r n a t i v e w i t h a g a p b e t w e e n t h e d e m i h u l l s o f 4 . 0 m a n d a v e r t i c a l c e n t r e o f g r a v i t y 0 . 6 m h i g h e r u p f o r t h e c a t a m a r a n t h a n f o r t h e s i n g l e - h u l l o b t a i n e d t h e f o l l o w i n g p r o p e r t i e s : o D e c k a r e a a b o u t 70 p e r c e n t l a r g e r t h a n t h a t o f t h e s i n g l e - h u l l . o M e t a c e n t r i c h e i g h t GH a b o u t 1 . 3 m f o r t h e s i n g l e h u l l a n d a b o u t 12 m f o r t h e c a t a -m a r a n . o R o l l i n g p e r i o d ( a t z e r o s p e e d ) o f aOsout 4 . 7 s e c f o r t h a s i n g l e - h u l l a n d a b o u t 3.9 s e c f o r t h e c a t a m a r a n . T h e s e p r o p e r t i e s a r e q u i t e d i f f e r e n t f r o m t h o s e r e p o r t e d b y M a n d e i [ 5 ] w h e r e a 2.3 t i m e s l o n g e r r o l l p e r i o d w a s e s t i m a t e d f o r a s i n g l e - h u l l s h i p c o m p a r e d w i t h t h a c o r r e s p o n d i n g c a t a m a r a n . T h e r e s u l t s g i v e n f o r t h e p r e s e n t s t u d y w e r e h o w e v e r o b t a i n e d a t r o l l d e c a y t e s t s w i t h t h e s i n g l e h u l l a n d c a t a m a r a n m o d e l s . O n e p o s s i b l e e x p l a n a t i o n f o r t h e r e l a t i v e l y s m a l l d i f f e r e n c e s i n r o l l p e r i o d i n s p i t e o f t h e d i f f e r -e n c -e s i n GM c o u l d b -e a m u c h l j u r g a r a d d -e d m a s s o f i n e r t i a f o r t h a c a t a m a u r a n t h a n f o r t h e s i n g l e - h u l l v e s s e l . F o r a n o t h e r t a s t e d g a p (8 m) b e t w e e n t h a d e m i -h u l l s t -h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e s w e r e GM = 3 0 . 5 m a n d r o l l i n g p e r i o d 4 . 7 s e c .
3.
POWERING
3 . 1 T o w i n g T e s t s S h i p m o d e l s w e r e m a n u f a c t u r e d i n GRP t o b e u s e d p r i m a r i l y f o r t h e s e a k e e p i n g t e s t s . How-a v e r , t h e s c How-a l e r How-a t i < ^ » 2 2 . 0 a l s o m a d e i t p o s s i b l e t o c a r r y o u t t o w i n g t e s t s . A t t h e s e t e s t s t h e m o d e l s w e r e n o n - a p p e n d e d a n d e q u i p p e d w i t h t r i p w i r e s a t s t a t i o n 9 . 5 . T h e t o w f o r c e w a s a p p l i e d t h r o u g h t o w r o p e s i n t h e b o w a t t h e d e s i g n w a t e r - l i n a o n e a c h h u l l . A t t h e t e s t s t o w f o r c e a n d r u n n i n g t r i m w e r e m e a s u r e d a n d t h e w a v e p a t t e r n s w e r e o b s e r v e d b y u s e o f p h o t o g r a p h s . T h e e v a l u a t i o n p r o -c e d u r e f o l l o w e d t h e 1957 I T T C - m e t h o d u s i n g a ACf - 0 . 0 0 0 4 a n d w i t h n o f u r t h e r c o r r e c t i o n . T h e t e s t p r o g r a m c o v e r e d o n e d i s p l a c e m e n t a n d s p e e d s u p t o 40 k n o t s f o r t h e s i n g l e - h u l l a n d t h e c a t a m a r a n s w i t h s y r a a e t r i c a n d a s y m m e t r i c d e m i h u l l s . F o r t h e c a t a m a r a n h u l l s s e p a r a -t i o n s f r o m 2 m t o 8 m ( g a p r a t i o s 0 . 0 4 8 -0 . 1 9 ) w e r e t e s t e d . A l s o i n f i n i t e s e p a r a t i o n w a s t e s t e d i n o r d e r t o f i n d t h e r e s i s t a n c e o f e a c h d e m i h u l l w i t h o u t i n t e r f e r e n c e f r o m t h e o t h e r d e m i h u l l . T h e r e s u l t s o f t h e t o w i n g t e s t s a r e s u m m a r -i z e d -i n F -i g 2 , w h e r e t h e p r e d i c t e d a f f e c t i v e p o w e r d e m a n d s f o r t h e c a t a m a r a n s h a v e b e e n d i v i d e d b y t h e e f f e c t i v e p o w e r d e m a n d f o r t h e c o r r e s p o n d i n g s i n g l e - h u l l v e s s e l . 3 . 2 D e m i h u l l R e s i s t a n c e As t h e s y m m e t r i c a n d a s y m m e t r i c d e m i h u l l s h a v e a b o u t 37 p e r c a n t a n d 43 p e r c a n t l a r g e r w e t t e d s u r f a c e r e s p e c t i v e l y (2 d e m i h u l l s ) t h a n t h e s i n g l e - h u l l i t i s n o t s u r p r i s i n g t o f i n d t h a t a l s o w i t h o u t i n t e r f e r e n c e b e t w e e n t h e h u l l s t h a c a t a m a r i u i s h a v e c o n s i d e r a b l y l a u r g e r p o w e r d e m a n d s t h a n t h a c o r r e s p o n d i n g s i n g l e - h u l l c o n c e p t . F r o m F i g 2 i t i a a l s o s h o w n t h a t t h e a a y m m e t r i c d e m i h u l l n e e d s b e t w e e n 10-20 p e r c e n t l a r g e r e f f e c t i v e p o w e r t h a n t h e s y m m e t r i c d e m i h u l l w h e n t h e y a r e t a s t e d w i t h o u t i n t e r f e r e n c e a f f e c t s . 3 . 3 I n t e r f e r e n c e E f f e c t s D u e t o i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e w a v e s y s t e m s i n d u c e d b y e a c h o f t h a d e m i h u l l s t h a i n t e r -f e r e n c e e -f -f e c t s ( r e s i s t a n c e o -f t h e c a t a m a r a n r e l a t i v e t o t w i c e t h e d e m i h u l l r e s i s t a n c e ) a r e v a r y m u c h d e p e n d e n t o f s h i p s p e e d , h u l l s e p a -r a t i o n a n d h u l l f o -r m . F -r o m F i g 2 t h a f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c a n b e d r a w n : o T h e i n f l u e n c e o f h u l l s e p a r a t i o n ( t h e s l o p e o f t h e c u r v e ) i s s h o w n t o b e s m a l l e r f o r t h e a s y m m e t r i c t h a n f o r t h e s y m m e t r i c h u l l f o r m . o T h e i n t a r f a r e n c e e f f e c t s a r e s h o w n t o b e l a r g e s t a t s p e e d s e u r o u n d t h e " b u n p s p e e d " 20 k n o t s ( Fm » 0 . 5 ) .T h e i n t e r f e r e n c e a f f e c t s a r e r e d u c e d a t h i g h e r s p e e d s . A t 30 k n o t s ( F n - 0 . 7 6 ) e v e n a n e g a t i v e i n t e r f e r e n c e r e s i s t a n c e i s s h o w n f o r t h e s y i n m e t r i c c a t a m a r a n a t a h u i l s e p a r a t i o n o f 8 m e t r e s . U s i n g a h u l l s e p a r a t i o n o n 4 m e t r e s t h e a s y m m e t r i e h u l l f o r m i a o n l y f a v o u r a b l e r e l a t i v e t o t h e s y m m e t r i c h u l l a t s p e e d s a r o u n d t h e " h u m p s p e e d " 20 k n o t s . — O S y m m f t n c tvjU • A s y m m < t r i c huU Open point J : Power demorw B l o c k points : Running t r i m • I ? | . . 6 I -l.t n. X ^ 1.2 1.0 Q.OuB S h i p speed 15 k n o t s F N =0.38
' ~ " \
Rawer demand ' i!
1 Rufwiing t r i m i , 1 » • — • \1, CJ 5 8 -H u l l s e p a r a t i o n (m) O.IO 0.19 gap ratio 1 0 1.71
' 6 I -£ 1.2 1.1 1.0 Snip speed 20 k n o t s F N = 0 . 5 1 O.Ota : : 1 •Running t r i m !a
-h — — —
T~
i
1
S 8 -Hull s t p o r a t i o n l m ) 0.095 0 U J 0.19 gop ratio 1.0 1.7 '1.Q4
UJ 2 1 . 3<3
a. £ l . 2 1,0 0.01.8 S h i p speed 25 Knots P N » 0 . 6 4 O2
J)
9: X U l X. (', Ols
a3
Ll! 5 8 -HuU leporotion (m) .0095 O.IO 0.19 gap rotia i.a 1.7 3 1.8 I 1.4 1 3 1.2 1.1 1.0 Ship speed 30 k n o t s 6 8 -HuU s e p o r a t b o ( m ) — I 1aota
0.095au3
0>9 gap ratio F i g . 2. R e s u l t s o f r e s i s t z m c e t e s t s .O T h e r e s e e m s t o b e a d i r e c t r e l a t i o n b e -t w e e n -t h e n i n n i n g -t r i m a n d -t h e i n -t e r f e r e n c e a f f e c t s . L a r g e i n t e r f e r e n c e i s s h o w n t o i m p l y l a r g e r u n n i n g t r i m a m g l e s . A m o r e o p t i m u m d e m i h u l l f o r m f o r t h a p r e s e n t p r o j e c t w o u l d p r o b a b l y b e a c o m p r o m i s e b e t w e e n t h a f o r m s t e s t e d . I n a f u t u r e d e v e l o p -m e n t a s y i n -m e t r i c a f t e r b o d y w i l l b e c o -m b i n e d w i t h a m o d e r a t e a s y m m e t r i c b o w i n a s i m i l a r w a y a s i s u s e d f o r m o r e l o w - s p e e d c a t a m a r a n s . 3.4 P r o p u l s i o n When i t c o m a s t o t h e c h o i c e o f t h e p r o p u l s i o n s y s t e m t h e s i t u a t i o n f o r t h e c a t a m a r a n i s v e r y s i m i l a r t o t h e s i t u a t i o n f o r t h e s i n g l e - h u l l p r o j e c t . T h a m a i n d i f f e r e n c e b e i n g t h a t t h e n u m b e r o f p r o p u l s o r s h a s t o b e e v e n f o r t h e c a t a m a r a n . T h i s m e a n s t h a t t h a u s a o f t h r e e p r o p u l s i o n u n i t s , w h i c h i s a common a r r a n g e -m e n t f o r s i n g l e - h u l l c o n c e p t s o f a t t a c k c r a f t , i s n o t p o s s i b l e f o r t h a c a t a m a r a n s . T w o l a r g e r u n i t s o r f o u r s m a l l e r o n e s h a v e t o b e t h a c h o i c e i n s t e a d . F o r t h e p r e s e n t s t u d y b o t h t h a s i n g l a - h u l l v e s s e l a n d t h e c a t a m a r a n s a r e e q u i p p e d w i t h t w i n s c r e w a r r a n g e m e n t s . 4 SEAKEEPING STUDIES 4 . 1 M o d e l T a s t i n g A r r a n g e m e n t T h e s e a k e e p i n g t e s t s w i t h t h e s y m m e t r i c d e m i -h u l l c a t a m a r a n a n d t -h a s i n g l e - -h u l l w e r e c a r r i e d o u t i n t h e SSPA l a r g a w a v e - a n d ma-n o e u v r i ma-n g b a s i ma-n d e s c r i b e d i ma-n A p p e ma-n d i x I . T h e n o r m a l SSPA p r o c e d u r e f o r s e a k e e p i n g t e s t s w i t h a f r e e r u n n i n g a u t o p i l o t s t e e r e d a r r a n g e -m e n t w a s u s e d a l s o a t t h e p r e s e n t t e s t s . T h a m o d e l s w e r e e q u i p p e d w i t h t h e f o l l o w i n g i n -s t r u m e n t a t i o n a -s -s h o w n i n F i g 3: 1 . T w o s e t s o f s h a f t i n g a r r a n g e m e n t s , r u d d e r s a n d p r o p e l l e r s . 2. R u d d e r s e r v o a n d r u d d e r a n g l e p o t e n t i o m e t e r . 3. P r o p e l l e r m o t o r a n d t a c h o m e t e r . F i g . i. S y n m i e t r i c d e m i h u l l c a t a m a r a n d u r i n g t e s t s i n h e a d s e a . 4. C o n n e c t i o n u n i t b e t w e e n c a r r i a g e a n d m o d e l ( x - y p o s i t i o n e r ) a l s o g i v i n g p i t c h , r o l l a n d y a w a n g l e s a n d h e a v e a n d s w a y 5. A c c e l e r o m e t e r s g i v i n g t h e v e r t i c a l a c c e l e -r a t i o n i n t h e b o w . 6. N o t s h o w n i n F i g 3 a r e t h e p r e s s u r e t r a n s d u c e r s f o r m e a s u r e m e n t s o f s l a m m i n g p r e s s -u r e s i n t h e b o t t o m p l a t i n g a n d i n t h e c e n t r e b o d y s t r u c t u r e . 7. C a b l e s t r a n s f e r r i n g a l l m e a s u r i n g s i g n a l s t o t h e c o m p u t e r o n t h e c a r r i a g e a x i d t h e p o w e r f l o w f r o m t h e c a r r i a g e t o t h a p r o -p e l l e r m o t o r a n d t o t h e r u d d e r s e r v o . ' B. A w a v e p r o b e f o r m e a s u r e m e n t s o f t h é e n c o u n t e r e d w a v e s i s m o u n t e d o n t h a c a r r i -a g e n e x t , t o t h e m o d e l . F i g . 3. M o d e l i n s t r u m e n t a t i o n f o r s e a k e e p i n g t e s t s .
The f o l l o w i n g c e a t p r o c e d u r e i a n o n n a l l y u s e d .
D u r i n g the a c c e l e r a t i o n phase the model i s
c o n n e c t e d to the c a r r i a g e by means o f a
b l o c k i n g d e v i c e . Then, d u r i n g the m e a s u r i n g
phase the b l o c k i n g i s r e l e a s e d and Che model
i s f u l l y s e l f - p r o p e l l e d , a u t o p i l o t s t e e r e d
and f r e e t o move i n a l l s i x d e g r e e s o f f r e e
-dom. An x-y p o s i t i o n e r i s the o n l y l i n k
between the c a r r i a g e and t h a model. The d e v i
-a t i o n s between the c -a r r i -a g e -and t h e model,
measured by the x-y p o s i t i o n e r , a r e f e d i n t o
a s t e e r i n g computer which c o n t r o l s the c a r
-r i a g e so t h a t the d e v i a t i o n s a -r e w i t h i n the
w o r k i n g range of the x-y p o s i t i o n e r . Thus
the c a r r i a g e " h u n t s " the model.
The wave- and manoeuvring b a s i n i s 3 9 m tiroes
88
n w i t h the c a r r i a g e s p a n n i n g the whole
b a s i n . As the b a s i n has wave makers on one
long and one s h o r t s i d e , t e s t s can be c a r r i e d
out i n a l l h e a d i n g s r e l a t i v e to the s e a .
4.2 Head, Bow and Beam S e a s
T e s t s i n head, bow and beam s e a s were c o n
-d u c t e -d i n i r r e g u l a r waves w i t h s i g n i f i c a n t
wave h e i g h t s c o r r e s p o n d i n g to 0.9 m up to
2.5 m and c o v e r i n g tha speed range I S k n o t s
to 30 k n o t s .
0 - o a ~ Q.a-i 0I
I 0--. 2
1 2 -HEAVE S i ™ i » - H u U , — - C a l a m a r a n H«TXl ita ROLL ANGLE A C C E L E R A T O N — Catamoran Q - 5 5-10 15 - iBir H»0<1 10 29 M Ship ipeed (Kooli)Beom 19 20 M 5fMp 5P»*<J liiootsl VERTICAL ;iCCELERAT10N IN THE 90W — — - C a l o m o r a n to 29 Ship speed (Unotsl
Zv3<9) 0 - 0 0 5
I j
0.15-VERT1CAL OeCK EDGE ACCELERATION (MIDSHIP)
• Colomoran Htod sea
Beom 9 « > ^
.>eo s « _ 10 29
Ship speed (Knots)
A f - O B i p a r i s o n o f some o f Che r e s u l t s o b C a i n e d f o r Che s i g n i f i c a n C w a v e h e i g h t H w i - 2.0 i s s h o w n i n F i g 5. T h e C a s t r e s u l t s a r e g i v e n a s p o l a r p l o t s o f p i t c h , h e a v e , v e r t i c a l a c c e l e r a t i o n i n t h e b o w , r o l l a n g l e , r o i l a n g l e a c c e l e r a t i o n a n d v e r t i c a l a c c e l e r a t i o n a t Che d e c k e d g e , i n e a c h p l o t t h e r e s u l t s f o r t h e s i n g l a - h u l l v e s s e l a r e g i v e n t o t h e l e f t a n d t h e r e s u l t s f o r t h e c a t a m a r a n t o t h e r i g h t . T h e a r e a s o f d i f f e r e n t s p e e d s a n d h e a d i n g s a r e s h a d e d i n t h e same way i f t h e s a m e s i g n i f i c a n t a m p l i t u d e s a r e m e a s u r e d . A r e a s w i t h l a r g e r a ^ i i c u d e s a r e s h a d e d i n a d a r k e r w a y . T h e d i a g r a m s f o r p i t c h , h e a v e a n d v e r t i c a l a c c e l e r a t i o n i n F i g S s h o w t h a t : o T h e c a t a m a r a n a n d t h e s i n g l e - h u l l h a v e a b o u t t h e s a m e a m p l i t u d e s f o r h e a v e a n d p i t c h i n h e a d s e a . o I n bow s a a t h e c a t a m a r a n i s h o w e v e r m o v i n g w i t h c o n s i d e r a b l y l a r g e r a m p l i t u d e s t h a n t h e s i n g l e - h u l l v e s s e l . o T h e v e r t i c a l a c c e l e r a t i o n s i n Che bow a r e l a r g e r f o r t h a c a t a m a r a n i n b o t h h e a d a n d b o w s e a s . R o l l i n g i s a m o t i o n w h e r e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e s i n g l e - h u l l v e s s e l a n d t h e c a t a m a r a n c a n b e e x p e c t e d . T h e t h r e e d i a g r a m s o n t h e r i g h t a i d e o f F i g 5 h a v e b e e n d e v o t e d t o t h r e e d i f -f e r e n t p a r a m t e r s -f o r c h a r a c t e r i z a t i o n o -f t h e r o l l i n g m o t i o n s : o T h e r o l l a n g l e a m p l i t u d e s ( i n t h e t o p d i a -g r a m ) a r e s h o w n t o b e c o n s i d e r a b l y l a r -g e r f o r t h e s i n g l a - h u l l t h a n f o r t h e c a t a m a r a n . o C o m p a r i n g t h e r o l l a n g l e a c c e l e r a t i o n s ( i n t h e m i d d l e d i a g r a m ) wa h o w e v e r f i n d a b o u t t h e same a m p l i t u d e s f o r t h a t w o v e s s e l s . T h i s i s c a u s e d b y t h e m o r a j e r k y b e h a v i o u r o f t h e c a t a m a r a n . o C o m p a r i n g t h e v e r t i c a l d e c k e d g e a c c e l e r -a t i o n ( i n t h e b o t t o m d i -a g r -a m ) we f i n d c o n s i d e r a b l y l a r g e r a j u p l i t u d e s f o r t h e c a t a m a r a n t h a n f o r t h a s i n g l e - h u l l v a s s a l . T h i s i s d u e Co Che l a r g e r b e a m o f t h e c a t a m a r a n . One o f t h e m o s t n e g a t i v e s u r p r i s e s d u r i n g t h e p r e s e n t s t u d y w a s t h e r e l a t i v e l y b a d b e h a v i o u r o r t h e c a t a m a r a n i n b o w s e a a s s h o w n i n F i q 5. T h i s i s p r o b a b l y c a u s e d b y t h e f a c t t h a t t h e t w o f o r e b o d i e s o f t h a c a t a m a r a n i n b o w s e a e n t e r t h a w a v e c r e s t s w i t h a c e r t a i n d i f f e r -e n c -e i n p h a s -e , w h i c h i s u n f a v o u r a b l -e . A s t h -e t e s t s p r e s e n t e d w e r e c a r r i e d o u t i n l o n g -c r e s t e d w a v e s , t h i s a f f e -c t i s h o w e v e r p r o b a b l y s o m e w h a t e x a g g e r a t e d . I n a s h o r t c r e s t e d s e a -w a y t h e t r a n s i t i o n f r o m h e a d s e a t o b o -w s e a w i l l b e m o r e g r a d u a t e . One c o m m e n t t o t h e d i a g r a m s i n F i g 5, s h o w i n g t h a r o l l i n g b e h a v i o u r , c o u l d a l s o b e t h a t t h e d e c k e d g e a c c e l e r a t i o n i s n o t a f a i r b a s i s f o r c o m p a r i s o n o f t h e c a t a m a r a n a n d Che s i n g l a - h u l l c o n c e p t s . As l o n g a s c r e w a n d s e n s i t i v e e q u i p m e n t a r e k e p t c l o s e t o t h e c e n t r e l i n e , t h e c a t a m a r a n i s m o r e f a v o u r -a b l e t h -a n t h -a s i n g l e - h u l l v e s s e l . H o w e v e r , w h e n t h e d e c k e d g e a r e a h a s t o b e u s e d t h e v e r t i c a l a c c e l e r a t i o n s h e r e a r e l a r g e f o r Che c a t a m a r a n i n b e a m s e a s . 4.3 F o l l o w i n g S e a s I n f o l l o w i n g s e a s Che m o s c i n t e r e s t i n g p h e n o m -e n o n i s t h a r i s k o f b r o a c h i n g . N o r m a l l y t h i s r i s k i s l a r g e s t a t w a v e l e n g t h s n e a r Che s h i p l e n g t h a n d a t s h i p s p e e d s n e a r t h e w a v e v e l o c -i t y . T h -i s m e a n s a l o w f r e q u e n c y o f e n c o u n t e r w h i c h i s n o t p r a c t i c a l t o t e s t I n I r r e g u l a r w a v e s , a s i t t a k e s l o n g t e s t i n g t i m e t o o b t a i n r e l i a b l e r e s u l t s . T h e m o d e l t e s t s I n f o l l o w i n g s e a s w e r e t h e r e f o r e c a r r i e d o u t i n r e g u l a r w a v e s u s i n g t h e same i n s t r u m e n t a t i o n a n d t e s t s e t - u p a s d e s c r i b e d i n s e c t i o n 4 . 1 . T h e p r o g r a m i n c l u d e d t e s t s i n t h e s p e e d r a n g e 15 k n o t s t o 30 k n o t s a t s t e r n q u a r t e r i n g s e a s ( h e a d i n g 30 d e g r e e s ) . T h e w a v e l e n g t h s c o v e r e d t h e r a n g e X/L = 1.2 t o 1.8 w i t h w a v e h e i g h t s f r o m 1.2 m t o 3.0 m. T y p i c a l r e c o r d i n g s f r o m t e s t s w i t h t h e c a t a -m a r a n -m o d e l a r e g i v e n i n P i g 6, w h e r e t h a t i m e p l o t s o f s h i p s p e e d , y a w a n g l e a n d r o l l a n g l e a r e s h o w n f o r t h r e e s p e e d s . T h e v e l o c i t y o f t h e w a v e s ,
i
w
2 " c o s u (m/s) w h e r e X » w a v e l e n g t h (m) U =• r e l a t i v e h e a d i n g ( d e g ) i s a b o u t 20 k n o t s f o r t h e w a v e l e n g t h X =« 5 0 m w h i c h i s s h o w n i n F i g 6. T h i s m e a n s t h a t t h e w a v e s o v e r t a k e t h e n o d a l w h e n t h a n o m i n a l s h i p s p a e d i s I S k n o t s . A t 30 k n o t s we w i l l i n s t e a d f i n d t h e m o d e l o v e r t a k i n g t h a w a v e s . F r o m t h e r e c o r d i n g s o f s p a e d , y a w a n d r o l l t h e a m p l i t u d e s c a u s e d b y t h e p a s s a g e s o f e a c h w a v e c r e s t a r e a l s o c l e a r l y s h o w n . F r o m t h e r e c o r d i n g a t t h e n o m i n a l s h i p s p a e d o f 20 I t n o t s i t i s s h o w n t h a t t h e m o d e l h a s n o t p o w e r e n o u g h t o p a s s t h e w a v e s , i t i s i n s t e a d c a u g h t i n t h a w a v e s y s t e m . I n F i g s 7, 8 a n d 9 t h e r e s u l t s f r o m a l l t e s t s i n s t e r n q u a r t e r i n g s e a w i t h t h e s i n g l e - h u l l a n d t h e c a t a m a r a n m o d e l s a r e s u m m a r i z e d . T h e f o l l o w i n g c o m m e n t s c a n b e m a d e o n t h e s e d i a g r a m s : o T h e r a n g e o f r e l a t i v e s h i p s p e e d s w h e r e t h e m o d e l i s c a u g h t b y t h a w a v e s I s s o m e -w h a t l a r g e r f o r t h e c a t a m a r a n t h a n f o r t h e s i n g l e - h u l l v e s s e l .(oeti
IT. IIZVIT "t"^
c a t a m a r a n «xlel i n s t e r n q u a r t e r i n g s e a . Wave l e n g t h 5 0 m, wave h e i g h t 2.0 o . I n c o n d i t i o n s w h e r e t h a w a v e s o v e r t a k e t h a m o d a l t h e a m p l i t u d e s f o r s h i p s p e e d a n d y a w a n g l e a r a a b o u t t h e same f o r t h e c a t a m a r a n a n d t h e s i n g l e - h u l l v a s s a l . I n c o n d i t i o n s w h e r e t h a m o d e l s o v e r t a k e t h a w a v e s t h e A m p l i t u d e s f o r s h i p s p e e d a n d y a w a n g l e f o r t h e c a t a m a r a n a r e a b o u t t w i c e t h o s e e j < p e r i a n c a d f o r t h a s i n g l e - h u l l v e s s e l . T h e r o l l a n g l e s e x p e r i e n c e d b y t h e s i n g l e -h u l l v e s s e l a r e b e t w e e n 2 t o 3 t i m e s a s l a r g e a s f o r t h e c a t a m a r a n . T h e c o n c l u s i o n f r o m t h e s e s t u d i e s i s t h a t t h a c a t a m a r a n i s m o r e l i k e l y t o b e e x p o s e d t o b r o a c h i n g t h a n t h e s i n g l e - h u l l v e s s e l . O n t h e o t h e r h a n d , t h e C o n s e q u e n c e s a t a ' b r o a c h i n g s i t u a t i o n a r e l e s s d r a m a t i c f o r t h e c a t a m a r a n ( s m a l l e r r o l l a n g l e s ) .Conditions w h e n the modet is c a u g h t by th« w a v e s
-10
-5 0 5Relative ship speed ( knots)
10
S h i p
o v e r t a k e s the waves o v e r t a k e the ship
Waves
F i g 7. R e s u l t s o f t e s t s i n s t e m q u a r t e r i n g s e a . V a r i a t i o n Ln s h i p s p e e d .
Conditions when the nnodel is
caught by the waves
Catomoron
F i g .
•5 0 5 10
R e l a t i v e ship speed (knots)
Ship —
ovcrtal<es the wove?
— Waves
overtal<e the ship
8. R e s u l t s o f t e s t s i n s t e r n q u a r t e r i n g s e a . V a r i a t i o n i n y a w a n g l e .
A.
H
(deg/nn)
10
Conditions when the model is
caught by the waves
Cotomargn
3G
Clr
IK01-S i n g l e - H u u
.—'
1
•
I
1-10 -5 0 5 10
Relative ship speed (knots)
Ship
overtakes the waves
Waves
overtake the ship
F i g . 9. R e s u l t s o f t e s t s i n s t e r n q u a r t e r i n g s e a . V a r i a t i o n i n r o l l a n g l e .
5 CONCmSIONS
I n t h e p r e s e n t i n v e s t i g a t i o n t h a f e a s i b i l i t y t o u s e t h e c a t a m a r a n c o n c e p t i n s t e a d o f a s i n g l a - h u l l v e s s e l f o r a 3 5 0 - t o n h i g h - s p e e d v e s s e l h a s b e a n s t u d i e d . F r o m p r e l i m i n a r y l a y - o u t s t u d i e s t h a m a i n d i m e n s i o n s a c c o r d i n g t o T a b l e I w e r e d e t e r m i n e d . W i t h a h u l l s e p a -r a t i o n o f 4.0 m t h e f o U o w i n g q u a l i t i e s w e -r e o b t a i n e d f o r t h e c a t a m a r e i n r e l a t i v a t o t h a s i n g l a - h u l l v e s s e l : o 70 p e r c a n t l a r g e r d e c k a r e a f o r t h e c a t a -m a r a n a n d o a l m o s t 10 t i m e s l a r g e r GM, g i v i n g a s t a b l e p l a t f o r m w i t h Q s m a l l r o l l a n g l e s , u s u a l l y l e s s t h a n 5 d e g r e e s e v e n a t w a v e h e i g h t s o f 2.0 m e t r e s , a n d , o w i t h a r o l l p e r i o d b e i n g o n l y s l i g h t l y s h o r t e r f o r t h a c a t a m a r a n , • t h e r o l l a n g l e a c c e l e r a t i o n s o b t a i n e d a p p e u e d t o b e o f t h e sajoe m a g n i t u d e f o r t h a t w o c o n c e p t s . o H o w e v e r , d u e t o t h e l a r g e r b e a m o f t h e c a t a m a r a n , t h e v e r t i c a l d e c k e d g e a c c e l e r -a t i o n s -a r -a c o n s i d e r -a b l y l -a r g e r t h -a n f o r t h e s i n g l e - h u l l v e s s e l . o T h e p o w e r d e m a n d i s c o n s i d e r a b l y l a r g e r f o r t h e c a t a m a r a n , e s p e c i a l l y a r o u n d t h e "hump s p e e d " . o T h e e x t r e m e , a s y m m e t r y t e s t e d i n t h a p r e -s e n t -s t u d y -s h o w e d n o a d v a n t a g e -s o v e r t h e s y m m e t r i c d e m i h u l l f o r m . o A m o d e r a t e a s y m m e t r y i n t h a d e m i h u l l f o r e -b o d y w i l l h o w e v e r -b e c o n s i d e r e d f o r f u t u r e s t u d i e s . o I n h e a d s e a t h e p i t c h a n d h e a v e m o t i o n s a r a s i m i l a r f o r t h a c o n c e p t s c o i i ] ( > a r e d , h o w e v e r . o I n bow s e a t h e c a t a m a r a n a p p e a r e d t o h a v e c o n s i d e r a b l y l a r g e r a m p l i t u d e s t h a n t h e s i n g l a - h u l l v a s s a l . o I n s t e m q u a r t e r i n g s a a t h a r i s k o f b r o a c h i n a p p e a r e d t o b e l a r g e r f o r t h e c a t a m a r a n . o T h e c o n s e q u e n c e s i n a b r o a c h i n g s i t u a t i o n a r e h o w e v e r p r o b a b l y l e s s d r a m a t i c f o r t h a c a t a m a r a n , a s o n l y s m a l l r o l l a n g l e s w i l l b e o b t a i n e d .6 A C K N O W L E D G E M E N T S
APPENDIX
The a u t h o r w i s h e s to e x p r e s s h i s g r a t i t u d e t o
t h e N a v a i M a t e r i a l Department o f the Defence
M a t e r i a l A d m i n i s t r a t i o n o f Sweden f o r s p o n s o r
-i n g t h e p r e s e n t s t u d y and e s p e c -i a l l y t o
C a p t a i n C a r l F R i s b e r g , head o f t h e P r o j e c t i n g
S e c t i o n , f o r good c o - o p e r a t i o n . ThanJcs a r e
a l s o due to t h o s e members o f t h e s t a f f o f SSPA
who took p a r t i n t h e i n v e s t i g a t i o n . Without
th«'r d e d i c a t e d work t h i s p a p e r would n o t have
been p o s s i b l e .
7 REFERENCES
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6
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op z e e ' . S c h i p an Wert 31 ( 1 9 6 4 ) , p 159
The M a r i t i m e Dynamics L a b o r a t o r y
TECHNICAL DATA
B a s i n : 88x39x3.5 n (289x128x11.5 f t )
Water d e p t h v a r i a b l e between 0-3.2
Waves: wave l e n g t h 0.2 < X < • „
wave h e i g h t 0 < H < u.4 n
F r e q u e n c i e s 0 < f < 3 HZ
Wind: Maximum speed approx. 10 m/s
C u r r e n t : Maximum towing speed 3.5 m/s
Underwater pump s y s t e m 1.0 m/s
c a r r i a g e : Motion Speed A c c e l e r a t i o n
i 3 . 5 0 m/s ±1.00 m/s^
±3.00 m/s ±1.25 m/s^
i l . O O m/s ±1.00 ffl/a'
i> ±30 Ö/S ±30
°/3The l a b o r a t o r y i s e q u i p p e d f o r s c a l e model
t e s t s O f f i x e d o r f l o a t i n g s t r u c t u r e s and
mobile c r a f t exposed t o wind, c u r r a n t and
b i - d i r e c t i o n a l s a a c o n d i t i o n s .
Tha d e p t h o f w a t e r i n t h a r e c t a n g u l a r b a s i n
can be v a r i e d . A c i r c u l a r p i t i n t h . bottom
i s used t o s i m u l a t e g r e a t e r d e p t h , f o r t . , t i n <
r i s e r s , a r t i c u l a t e d t o w e r s a n d s o f t - c o l u m n
s t r u c t u r e s . The wave g e n e r a t o r s i n t h e b a s i n
c a n g e n e r a t e any s p e c t r u m o f l o n g - c r e s t e d
I r r e g u l a r s e a s w i t h e.g. a s u p e r i m p o s e d p e r
-p e n d i c u l a r sw«ll. '
w i n d l 3 g e n e r a t e d by i n d i v i d u a l l y c o n t r o l l e d f a n s , s o t h a t v i u r i o u s w i n d s p e c t r a c a n b e s i m u l a t e d . C u r r e n t c a n be s i m u l a t e d b y u n d e r -w a t e r p u m p s -w h i c h c a n b e p o s i t i o n e d a t a n y p o i n t i n t h e b a s i n , o r b y t o w i n g t h e t e s t m o d e l . T h e b a s i n i s s p a n n e d b y a c o m p u t e r - c o n t r o l l e d , m u l t i - m o t i o n c a r r i a g e s y s t e m d e s i g n e d f o r t o w i n g , c o n t r o l l i n g o r t r a c k i n g m o d e l s . T h e c a r r i a g e c a n b e u s e d f o r c a p t i v e m o d e l a x p e r i -m a n t s I n c l u d i n g a f u l l r a n g e o f s t a n d a r d p l a n a r - m o t i o n o s c i l l a t o r y t e s t s a s w e l l a s r o t a t i n g - a r m aind a r b i t r a r y m o t i o n t e s t s .
DATA A C Q U I S I T I O N AND PROCESSING
T h e s i g n a l s g e n e r a t e d d u r i n g t e s t s a n d e x p e r i -m e n t s w i t h -m o d e l s a r e o b t a i n e d f r o -m v a r i o u s t y p e s o f t r a n s c ' u c a r s , s u c h a s p o t e n t i o m e t e r s , g y r o s , a c c e l e r o m e t e r s , s t r a i n g a u g e s , c a p a c -i t -i v e g a u g e s , e l e c t r o m e c h a n -i c a l t r e u -i s f o r m e r s a n d e l e c t r o - o p t i c a l s y s t e m s . T r a n s d u c e r caüsles a r e n o r m a l l y u s e d t o t r a n s m i t s i g n a l s f r o m a m o d e l t o t h e d a t a s y s t e m . T h e s t a n d a r d SSPA d a t a - a c q u l s l t l o n s y s t e m I s d e s i g n e d f o r s a u n p l l n g o f 3 8 m e a s u r i n g s i g n a l s . I n c l u d i n g a m a x i m u m o f 6 d i g i t a l s i g n a l s . M a x i -mum s a m p l i n g f r e q u e n c y I s SO H z . N o i s e l e v e l s a r e n i n i a l z e d b y a p p r o p r i a t e f i l t e r i n g . A M o d c o m p I I c o m p u t e r i s u s e d f o r b o t h d a t a c o l l e c t i o n a . i d c o n t r o l o f c a r r i a g e m o t i o n . M e a s u r e m e n t d a t a a r e s t o r e d o n m a g e n t i c t a p e f o r o f f - l i n e a n a l y s i s . D a t a a r e p r o c e s s e d I n am SEL c o m p u t e t . T h e s t a n d a r d p r o c e s s i n g r o u t i n e s i n c l u d e d i g i t a l f i l t e r i n g , p l o t t i n g a n d s * - a t i s t l c a l c a l c u l a t i o n s a s w a l l a s t i m e - s e r i e s , s p e c t r a l a n d f r e q u e n c y a n a l y s i s .
