В. Жуков - Физика в бою

Определяющий внешний фактор мореходности корабля— морские волны. Наибольшие "ветровые волны наблюдаются в Южном полушарии. Длина их достигает 400 м, высота 12–13 м, период 17–18 сек., скорость распространения до 22 м/сек. Еще большие океанские волны возникают при подводных землетрясениях (так называемые волны цунами), однако такие волны — явление редкое. Гораздо чаще наблюдаются морские волны высотой 3–5 м. Зато такие волны обладают большей крутизной. Если отношение высоты к длине волны в открытом океане составляет 1/15—1/35, то для морских волн это отношение редко превосходит 1/10.

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 %.