Физика в бою

В Мировом океане плавают корабли и суда, водоизмещения которых находятся в широком диапазоне от нескольких десятков тонн до 180 тыс. т, подводные лодки водоизмещением под водой до 8 тыс. т. В числе надводных имеются обычные (водоизмещающие) корабли и суда с различными формами корпусов и соотношениями главных размерений, глиссирующие корабли и суда, корабли и суда на подводных крыльях и воздушной подушке.

Только один тип корабля — подводная лодка на большой глубине избавлена от воздействия ветра и поверхностных волн. Если не считать скрытности, то это обстоятельство можно отнести к важнейшему преимуществу подводного корабля над надводным. Все же остальные разновидности надводных кораблей и судов подвержены действию морской волны. При их проектировании конструкторы сталкиваются с проблемой обеспечения мореходных качеств. Проблема эта решается каждый раз по-иному, в зависимости от архитектурного типа, назначения и размеров корабля или судна. Но так как проблема имеет все же общий характер, определяемый взаимосвязью «волна — корабль», при ее решении используется ряд общих закономерностей, основанных на широко известных физических явлениях, изучаемых такими науками, как гидростатика, теоретическая механика и гидродинамика.

Русские и советские ученые внесли весомый вклад в науку, изучающую мореходные качества корабля. Вопросами, связанными с качкой корабля, занимались Н. Е. Жуковский, А. Н. Крылов и другие ученые. По праву основоположником науки «качка корабля» считается наш крупнейший ученый и кораблестроитель Алексей Николаевич Крылов. Его основополагающая работа «Новая теория килевой качки корабля» была опубликована еще в конце XIX века в трудах английского института корабельных архитекторов.

Качкой корабля называют его колебательные движения, вызванные внешними силами, — волнами, ветром, перекладкой руля, рывком при буксировке, стрельбой из артиллерийского, ракетного или торпедного оружия.

В последнее десятилетие внимание к мореходности кораблей и судов повысилось. Казалось бы, многолетний опыт мирового судостроения настолько обширен, что в области мореходных качеств корабля трудно что-либо улучшить. На самом деле это не так. До недавнего времени в лабораториях теории корабля — опытовых бассейнах— проводились эксперименты, связанные с выбором формы судна, исходя из обеспечения максимальной скорости на тихой воде.

Оборудование опытовых бассейнов ряда ведущих морских стран специальными устройствами для создания искусственного волнения и замеров гидродинамических характеристик уравнений качки позволило в процессе проектирования корабля проводить разнообразные испытания, связанные с определением параметров качки, заливаемостью и динамическими нагрузками на корпусные конструкции.

Значительное развитие получила и теория качки корабля. Если на первых порах в качестве исходных данных принимались условные регулярные волны, выражаемые математически синусоидой или трохоидой, а элементы качки корабля определялись на основе решения системы линейных дифференциальных уравнений, в настоящее время исходными данными служат спектральные диаграммы волнения моря, а характеристики качки самого общего вида определяются на основе решения систем нелинейных дифференциальных уравнений с помощью быстродействующих вычислительных машин.

Важные изменения происходят и в области мореплавания. Интересно отметить, что в эпоху парусного флота большое внимание уделялось изучению морских течений и ветров и выработке рекомендаций по оптимальным маршрутам плавания. Особенно большое значение это имело для морских сообщений между Европой и Америкой. В 1847 г. в США были опубликованы карты ветров и течений, составленные океанографом Mayри. Первым этими картами воспользовался командир барка «Райт» Джексон. Переход его корабля от мыса Виргиния до Рио-де-Жанейро занял 38 дней вместо обычных 55, а переход обратно — 37 дней.

С развитием парового флота внимание к составлению подобных карт, требующему больших затрат труда, несколько ослабло, так как корабли старались выбирать курсы по кратчайшему расстоянию между пунктами отправки и назначения.

В последние годы в связи с повышением внимания к изучению Мирового океана в военных и экономических целях в ряде морских стран активизировались усилия в области океанографии. В военно-морских силах США существует специальная служба рекомендаций оптимальных курсов кораблей. На основе возросших возможностей метеорологов и океанологов предсказывать погоду и состояние моря специалисты службы, поддерживая связь с совершающими плавания кораблями, ежедневно выдают их штурманам рекомендации относительно оптимального курса. Часто этот курс не направлен по кратчайшему расстоянию между местонахождением корабля и пунктом назначения, но в результате достигается экономия. Хотя это уже не сутки эпохи парусного флота, а часы, тем не менее стоимость этих часов не меньше стоимости тех суток.

Каким же образом конструкторы уменьшают параметры качки корабля? Известно, что наибольшими раз-махами и резкостью отличается бортовая качка. Самый простой, но в то же время самый малоэффективный способ уменьшения бортовой качки — установка бортовых килей. Бортовые кили обладают большим сопротивлением колебательному движению корабля относительно продольной оси и не намного увеличивают сопротивление поступательному движению корабля. Такие кили устанавливались на кораблях еще в XIX веке. Каков принципиальный недостаток этих килей? Он заключается в том, что с ростом скорости их эффективность не повышается, в то же время доля сопротивления поступательному движению хотя медленно, но растет.

Значительное место в развитии успокоителей качки занимали и еще продолжают занимать различного рода цистерны, работающие на принципах гидростатики и демпфирования (ослабления) колебаний за счет сопротивления поступающей и вытекающей воды. Самым простым примером таких цистерн могут служить современные бескингстонные цистерны главного балласта подводной лодки. В этих цистернах в надводном положении естественно поддерживается давление, равное гидростатическому давлению на уровне несколько выше шпигатов (отверстий в нижней части цистерн, через которые они заполняются и продуваются). При крене подводной лодки во время качки уровень шпигатов одного борта понижается, и вода начинает поступать в цистерну накрененного борта, преодолевая гидродинамическое сопротивление шпигатов и сопротивление обжатию воздуха. Соответствующие реакции, приложенные к корпусу лодки, уменьшают размахи ее бортовой качки. В более сложных схемах применяются закрытые цистерны с принудительным перекачиванием воды с борта на борт при помощи воздуходувок или водяных насосов. Режимы работы насосов устанавливаются в соответствии с параметрами качки. Эти системы обеспечивают уменьшение амплитуды бортовой качки примерно на 50 %.

Ко второму физическому явлению, положенному в основу систем стабилизации качки корабля, относится свойство гироскопа. Известно, что ориентированный в пространстве и вращающийся с большой скоростью маховик обладает свойством препятствовать выведению его оси из зафиксированного положения. Еще в 1923 и 1931 гг. японские специалисты установили такую систему стабилизации качки на двух авианосцах. Амплитуда бортовой качки этих авианосцев снижалась с 22 до 2,5°. Преимуществом такой системы стабилизации являются сравнительная простота устройства и регулирование режима работы. Действительно, с ростом скорости корабля и увеличением высоты волн достаточно повышать число оборотов гироскопа и нет необходимости вводить в систему сложные параметры качки, так как гироскоп работает в установившемся режиме. Недостаток — это то, что эффективность системы не повышается естественно с повышением скорости корабля.

Интересно, что в специфических условиях такая система нашла применение на одном из современных боевых кораблей. Им оказалась, как ни странно, подводная лодка. Дело в том, что современные подводные ракетоносцы стреляют ракетами из-под воды с глубины порядка 30 м. На такой глубине при сильном шторме качку испытывает и подводная лодка. Скорость же, при которой выстреливаются ракеты, невелика — 2–3 узла (4–6 км/час). Поэтому в данном случае наиболее оптимальной оказалась гироскопическая система стабилизации. Ее применение повышает точность стрельбы. Кроме того, система уменьшает амплитуду качки не только от волнения, но и от импульсов ракетной стрельбы.

Наибольшими преимуществами обладает одна из самых современных систем стабилизации качки, в основу которой положено использование широко известной подъемной силы крыла, движущегося в водной среде. Самым важным обстоятельством является то, что такая система обладает наибольшей эффективностью на ходу, и с ростом скорости хода ее эффективность повышается. В систему входят боковые рули с автоматическим управлением, датчики, замеряющие угловые и линейные скорости и ускорения качки, гидравлические приводы рулей и счетно-решающие устройства автоматического регулирования. Система предназначена для уменьшения в первую очередь бортовой качки корабля. Однако уменьшение амплитуды бортовой качки положительно сказывается и на амплитуде килевой качки, вертикальной качки и рыскания на курсе.