Физика в бою

ВОЛНА И КОРАБЛЬ

Океанская волна! Вряд ли найдется читатель, который не представляет себе ее мощи. И конечно, всякий понимает, сколько неприятностей может причинить морякам разбушевавшаяся стихия. Известны исторические примеры, когда штормы срывали крупные морские операции. Во время англо-испанской войны в 1588 г., когда на Британские острова двигалась «Непобедимая армада» испанских кораблей, англичанам оставалось, как говорится, только уповать на бога. Тогда «бог» помог англичанам: боевые корабли великой армады и транспорты с войсками попали в жестокий шторм в Бискайском заливе, и треть кораблей погибла. После неудачной попытки высадить десант испанцы отправились через Северное море вокруг Шотландии к своим берегам. Шторм у Оркнейских островов выбросил на берег и потопил еще ряд кораблей. В Испанию вернулось всего 50 кораблей из 130, потери достигли 20 тыс. человек.

Шторм и волна были главной опасностью кораблей прошлого. Но только ли прошлого? Во вторую мировую войну в штормовую погоду разламывались крупные транспорты и такие боевые корабли, как эскадренные миноносцы. Подсчитано, что только в проливе Ла-Манш на каждый невоенный год с 1902 по 1961 приходится 271 судно (включая мелкие), погибшее по различным причинам и прежде всего от штормов.

Однако известно, что уже кораблестроители глубокой древности умели строить корабли с высокими мореходными качествами, а мореплаватели отваживались совершать на них дальние походы. В V–IV веках до нашей эры карфагенский мореплаватель Ганнон вывел из Средиземного моря флотилию из 60 кораблей, миновал Геркулесовы Столбы и взял курс на юг вдоль побережья Африки. Флотилия дошла до побережья Сенегала, основав по пути 7 городов. На совсем небольших, по современным понятиям, кораблях совершали свои плавания русские мореплаватели — новгородцы и поморы. Да и каравеллы Колумба и Магеллана не отличались большими размерами.

Что же определяет возможности корабля безопасно совершать длительные плавания? Морякам и кораблестроителям хорошо известно такое понятие, как мореходность. Мореходность — это совокупность качеств корабля, обеспечивающих успешное его плавание при определенных условиях погоды. Корабль считается мореходным, если в море в свежую или штормовую погоду испытывает лишь умеренную бортовую (до 15°) и килевую (до 5°) качку с малой угловой скоростью (период качки не менее 10 сек.), если он устойчив на курсе, может развивать значительную скорость хода, волны не заливают его палубы, а брызги не мешают управлять кораблем и использовать его оружие или специальное, например тральное, оборудование. Мореходные качества корабля зависят от его размеров и их соотношения, от формы обводов, распределения составляющих весовой нагрузки корабля по высоте и т. д.

Естественно, что корабль больших размеров обладает более высокими мореходными качествами. А как обстоит дело, когда надо обеспечить максимальную мореходность при заданном водоизмещении корабля? Прежде всего, на параметры его качки влияет остойчивость— свойство корабля, препятствующее его накренению. Как ни странно на первый взгляд, но чрезмерное повышение остойчивости приводит к более резкой качке, т. е. ухудшает мореходные качества корабля. В то же время остойчивость не может быть уменьшена ниже определенной величины из-за требований другого, не менее важного качества — непотопляемости корабля. Естественно, мореходность корабля можно повысить за счет увеличения объема его надводного борта — запаса плавучести, но этот путь связан с рядом ограничений по весовой нагрузке. Наконец, остается форма подводной и надводной части корпуса корабля. Хотя форма подводной части корабля выбирается в первую очередь из условия обеспечения максимальной скорости на тихой воде, влияния на нее требований мореходности значительны. В последние годы в связи с увеличением размеров гидроакустических антенн, размещаемых в нижней части носовой оконечности корабля, широкое распространение получила каплеобразная форма подводной части его носовой оконечности. Такая форма способствует повышению скорости‘хода корабля на волнах и снижению амплитуды его килевой качки.

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 %.

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.

Посмотрим, как работает такая система в динамике. На корабль, идущий с определенной скоростью и определенным курсом, воздействуют какие-то внешние силы. Установленные на корабле датчики параметров качки замеряют их, и исходные данные поступают в счетнорешающее устройство. На корабле может быть одна или две пары горизонтальных рулей, похожих на горизонтальные рули подводной лодки. Каждый руль перекладывается независимо, своим приводом. Как только корабль начинает крениться на борт, или даже несколько раньше подается сигнал управления, и угол атаки соответствующего руля увеличивается, а следовательно, увеличивается и подъемная сила на руле, создавая восстанавливающий момент. Образно корабль с гидродинамической системой стабилизации качки можно сравнить с эквилибристом, идущим по проволоке и удерживающим равновесие с помощью вытянутых в стороны рук.

Не обошлось при конструировании системы гидродинамической стабилизации и без использования опыта авиации. Стабилизирующие плоскости имеют закрылки наподобие закрылков рулей или крыльев самолетов, и выполняют эти закрылки такую же роль — повышают подъемную силу крыла при минимальной его площади. Управление современной системой гидродинамической стабилизации корабля производится из ходовой рубки путем нажатия кнопок в зависимости от скорости хода и курса корабля относительно волн.

Какова же эффективность гидродинамической системы стабилизации? Иностранные специалисты считают, что применение одной из таких систем фирмы «Сперри» на авианосце позволяет обеспечить отклонение полетной палубы от горизонтальной плоскости в пределах ±2° при скорости 30 узлов (примерно 54 км/час). Стоимость такой системы порядка 7 млн. долларов. Если учесть, что стоимость современного авианосца достигает 400 млн. долларов, а стоимость самолета 10 млн. долларов, затраты на систему стабилизации качки оказываются более чем оправданными. Не меньшее значение стабилизация качки имеет и для быстроходных трансокеанских лайнеров.

Несколько иначе решается проблема повышения мореходных качеств кораблей на подводных крыльях и воздушной подушке. Физические принципы для кораблей на подводных крыльях остаются те же. Отличие заключается в том, что их органами стабилизации служат те же крылья, которые поднимают корпус корабля из воды. На одном из экспериментальных кораблей на подводных крыльях ВМС США «Хай Пойнт» применена автоматическая система стабилизации хода на волнах. При высоких скоростях в режиме движения на подводных крыльях обеспечена возможность изменения подъемной силы крыльев в зависимости от состояния моря, профиля волны и курса корабля. Изменение подъемной силы крыльев достигается за счет изменения их угла атаки в функции «бегущего» профиля волн. Корабль может двигаться со скоростью 40 узлов (около 70 км/час) при высоте волн до 3 м. Повышение мореходных качеств кораблей на воздушной подушке достигается по-другому. Если корабль на подводных крыльях разрезает волну (и чем больше высота кронштейнов его крыльев, тем выше его мореходность), корабль на воздушной подушке как бы парит над волнами. Чем выше поднимается он над волнами, тем большую мощность надо затрачивать на создание воздушной подушки и, следовательно, меньше мощности остается на поступательное движение. В данном случае конструкторы идут по пути создания гибких ограждений воздушной подушки (так называемых юбок). В последнее время родилась концепция судов «на воздушном пузыре». Это — один из вариантов конструктивного решения при проектировании кораблей на воздушной подушке. Воздушная подушка удерживается при такой схеме вертикальными бортовыми «ножами», прорезающими поверхность воды, а также носовой и кормовой поворотными заслонками.

Таковы основные направления развития мореходных качеств кораблей, качеств, обеспечивающих кораблю возможность уверенно и безопасно «ходить по морю», качеств, над повышением которых бьются многие поколения кораблестроителей.