Книга о якорях

Как «прописал» доктор Хейн

На первый взгляд изобретение капитана Холла — последний завершающий этап в многовековой истории якоря. Что еще можно придумать, если и так конструкция доведена почти до совершенства? Правда, держащая сила втяжных якорей меньше, чем у адмиралтейского якоря, но моряки уже давно свыклись с этим.

Четыре килограмма на каждый килограмм веса якоря — вот предел держащей силы бесштокового якоря, который никто не сумел превзойти за полвека кроме американского капитана Илла. Но якорь американца оказался неудобен для втягивания в клюз. Им больше пользовались спасатели для снятия севших на мель судов.

В начале двадцатых годов появилась более удачная конструкция. Выводы, к которым пришел немецкий инженер из Бремена Генрих Хейн после проведенных модельных и натурных исследований якоря Холла, можно назвать обескураживающими. Он установил: во многих случаях якоря с меньшей площадью лап держат лучше, нежели холловский якорь, и чем шире расставлены лапы, тем меньше держащая сила. Хейн понял, что на каждую из двух лап якоря могут действовать неодинаковые силы в зависимости от разницы в заглублении в грунт и от неоднородности грунта под якорем. Если одна из лап якоря попадает на камень, а другая уходит в мягкий грунт, неизбежно появление пары сил, стремящейся вырвать якорь из грунта. Хейн заметил, что обычно это происходит на песчано-каменистом и мелко-каменистом грунтах, на которых якорь перемещается резкими скачками, переворачиваясь с боку на бок. Пара сил появляется и при перемене направления ветра или течения, когда якорная цепь принимает различные направления относительно первоначального натяжения. При этом якорь раскачивается в грунте, вырывается из него и через некоторое время забирает опять.

Тщательные опыты в натурных условиях дали Хейну возможность понять, почему якоря Холла во время длительных стоянок при сильных ветрах «ползут», то есть периодически выдергиваются и после некоторого протаскивания забирают снова. Моряки давно обратили внимание на это нежелательное, а порой и опасное, поведение втяжных якорей, но не могли понять его причину. А она, как это установил бременский инженер, крылась в самой форме якоря.

Оказывается, почти все создатели «патентованных якорей» стремились в первую очередь добиться того, чтобы лапы возможно быстрее входили в грунт. Однако никто из них не смог придумать ничего кроме захватов, выступающих в виде плит, лопат, крюков и всевозможной формы приливов в литых конструкциях якорей. В этих-то захватах и «была зарыта собака»! Их форму и размер конструкторы назначали «на глазок», и, как правило, опыты на моделях не проводились. Всевозможные большие захваты достигали цели: якоря быстро забирали грунт и давали при этом сравнительно большую держащую силу. Но никто не обратил внимания, что позднее всегда наступал момент, когда широкие захваты начинали играть отрицательную роль. Хейн доказал, что они, не давая якорю как следует углубиться в грунт, выдавливают и подгребают его; якорь, который в результате постепенно начинает влезать на образовавшийся перед его головной частью бугор. При этом якорь оказывается выше уровня грунта и при увеличении натяжения якорь-цепи выдергивается из бугра. Протаскиваемый снова по ровному грунту, якорь опять забирал, и все начиналось сызнова.

Интересно, что это явление не заметили ни на одном из официальных испытаний втяжных якорей: ни в Англии, ни во Франции, ни в Германии. Ведь якоря испытывали тогда каких-нибудь два-три часа, а не сутками во время шквалистых ветров на открытых рейдах. Больше того, раньше считали: чем больше якорь нагребает впереди себя грунта, тем лучше! Вспомним испытания якорей, проведенные Британским Адмиралтейством в 1890 году. Ведь тогда после двадцати минут буксирования каждого из пятнадцати якорей на грунт посылали водолазов измерить длину прорытой якорем борозды и зафиксировать форму и величину образовавшегося бугра. Никому и в голову не приходило, что именно этот бугор угрожает якорю опасностью быть выдернутым из грунта. Наконец, стало ясно, почему на испытаниях в 1891 году якорь Холла уступил первое место по величине держащей силы якорю Инглефильда. Тогда английские специалисты объясняли это более длинными лапами инглефильдовской конструкции. На самом деле, якорь Холла просто не мог зарыться в грунт так глубоко, как якорь Инглефильда, у которого вместо захватов был сравнительно узкий вкладыш в средней части рогов.

Рис. 115. Якорь доктора Хейна

Выявив в своем исследовании два промаха всех изобретателей втяжных якорей — большой разнос лап и чрезмерно большие захваты, Генрих Хейн разработал принципиально новую конструкцию (рис. 115). На литой коробке его якоря нет каких-либо выступающих под прямым углом приливов и захватов. Коробку можно даже назвать обтекаемой. Лапы якоря максимально сближены. С одной стороны, это исключает появление пары сил, с другой — якорь на грунте оказывается очень валким. Достаточно одного резкого отклонения якорь-цепи в сторону, и якорь опрокидывается на бок. Поэтому изобретатель сделал шток, отлитый вместе с коробкой. Расположенный в головной части, он не препятствует втягиванию якоря в клюз.

Держащая сила якоря Хейна оказалась в четыре раза выше, чем якоря Холла. Он глубже уходил в грунт, хотя забирал грунт позже, чем якоря с захватами.

«А как же вообще этот якорь забирает грунт? — вправе спросить читатель. — Почему разворачиваются его лапы, если им нечем зацепиться за ровный грунт?» Оказывается, скосы на коробке служат как бы направляющими плоскостями для лап упавшего на грунт якоря. Под действием веса лапы лежащего на дне якоря «смотрят» вниз, они уже ниже оси вращения. Конструкция сбалансирована так, что при протаскивании якоря по грунту развернуться вверх лапы не могут. Достаточно им зацепиться носками за грунт, как они без особого сопротивления начинают зарываться.

Рис. 116. Якорь Грюзона — Хейна

Хейн считал: лучше потерять немного времени на зарывание якоря, но зато можно выиграть в держащей силе. И действительно, его якорь держал лучше всех изобретенных до него. Исследования бременского инженера не остались незамеченными. За работу «Исследование по держащей силе якоря и принцип работы якорей различных конструкций» [65] автора в 1930 году удостоили в Германии ученой степени доктора технических наук. На предложенную конструкцию якоря Хейн получил патент. В промышленное производство якорь Хейна пошел в видоизмененном виде, так как по просьбе немецкой фирмы «Грюзон» автор, сохранив принцип конструкции, придал якорю немного другую форму (рис. 116). Одобренный в 1927 году Регистром Ллойда и другими классификационными обществами, этот якорь получил широкое распространение и признание моряков.

Работа Хейна — четвертый крупный переворот в якорном производстве. Фактически с него началось появление так называемых якорей повышенной держащей способности. Наиболее дальновидные конструкторы, поняв ценность сделанного открытия, пошли по пути немецкого исследователя.

Расчет Ричарда Дэнфорта

Солнечным апрельским утром 1948 года от причала американской военно-морской базы в Сан-Франциско отошел небольшой буксир. На его кормовой палубе толпились морские офицеры, члены американской лоцманской ассоциации, представители Регистра Ллойда и Американского бюро судоходства. Выйдя на траверз острова-тюрьмы Алкатраз, буксир завернулся носом на течение и остановил машину. Через кормовую киповую планку в воду на цепи бросили пятидесятифунтовый якорь Болдта. Когда вытравили около пяти глубин якорной цепи и буксир дал малый ход вперед, стрелка на фунтовой шкале включенного в цепь динамометра дошла до цифры 100 и якорь «пополз».

После этого к цепи прикрепили обычный адмиралтейский якорь весом 75 фунтов и, вытравив в воду такую же длину цепи, стали протаскивать его по грунту. Перед тем как якорь сдвинулся с места, стрелка динамометра показала 187 фунтов. Потом таким же образом испытали «патентованный» адмиралтейский якорь из литой стали, весивший 28 фунтов. По держащей силе он немного уступил предыдущему, показав натяжение якорь-цепи в 181 фунт. Четвертым к цепи прикрепили складной якорь Нортхилла весом 20 фунтов. Он показал цифру 288 фунтов.

Наконец, за борт бросили якорь с двумя сближенными лапами, сквозь основания которых был пропущен круглый шток. Этот якорь весил 29 фунтов. Буксир дал малый ход вперед и через некоторое время остановился, хотя его машина показывала те же самые обороты. Стрелка динамометра медленно пошла по кругу… Якорь продолжал держать. Корабль увеличил число оборотов, но якорь по-прежнему его не пускал.

«Дайте машине полный вперед!» — скомандовал контр-адмирал Сомервил, возглавлявший комиссию. Взревели моторы, вздыбилась за кормой струя от винта, но судно не двигалось с места. Стрелка динамометра упиралась в ограничитель на цифре 6100 фунтов… «Какая-то чертовщина происходит! Якорь наверняка зацепился за камень», — послышались голоса членов испытательной комиссии. Судну дали малый задний ход. Оно прошло над якорем, таща за собой цепь, и развернулось на 180°. Якорная цепь сначала немного поддалась и стрелка динамометра вернулась к нулю. Но вот буксир опять потерял ход, и снова, по мере увеличения оборотов двигателя, стрелка динамометра стала приближаться к ограничителю за цифрой 6100 фунтов. Так повторялось несколько раз. Никто не мог поверить, что якорь весом всего 29 фунтов оказал сопротивление в 6100 фунтов, то есть имел держащую силу, равную 210 фунтам на каждый фунт своего веса. Это происходило на илистом грунте, под толщей которого в 3–6 футов лежала плотная глина.

Решили испытать загадочную конструкцию на плотном песке средней зернистости. Буксир двинулся в глубь залива к берегу Окленда. Проба якорей проводилась здесь в той же последовательности. И опять вызвавший недоумение присутствовавших на буксире якорь вел себя точно так же: на предельных оборотах машины якорь-цепь, рассчитанная на усилие 8000 фунтов, лопнула. В момент обрыва стрелка динамометра показывала ровно 8000 фунтов.

Вот так выглядела таблица испытаний пяти якорей, проведенных в 1948 году в заливе Сан-Франциско на песчаном грунте:

Рис. 117. Якорь, который удивил всех

Якорь, названный в таблице «Марка-II», показавший такую фантастическую держащую силу, изображен на рис. 117. Его изобрел американский инженер Ричард Дэнфорт. Следуя теории Хейна, он поставил перед собой цель — создать втяжной якорь повышенной держащей силы.

Дэнфорт испытал множество моделей и натурных образцов и пришел к следующим выводам:

— На большей части рейдов, где судам приходится становиться на якорь, под слоем рыхлого грунта — ила, песка, ракушечника — есть более плотный и твердый грунт. Держащая сила втяжных якорей типа Холла даже с очень длинными и широкими лапами на мягких и рыхлых грунтах часто оказывается недостаточной для надежной якорной стоянки. На совсем рыхлом грунте, скажем на жидком иле, такие якоря «плывут» — протаскиваются под натяжением якорь-цепи с лапами, откинутыми вверх.

— На идеальных грунтах — плотном песке и глине — якоря типа Холла из-за больших захватов на коробке не могут заглубиться в грунт на величину, большую длины лап. А возникающее при этом нагребание грунта или появление пары сил, если-грунт разнороден, сильно снижает держащую силу якоря.

— На твердых грунтах якоря даже с очень большими захватами вообще не забирают, прыжками перемещаясь по дну. Но рейдов с таким грунтом моряки, как правило, избегают, и поэтому при расчете якоря ориентироваться следует на более или менее приемлемые грунты.

Дэнфорт убедился, что холловский принцип вообще не годится для создания хорошего якоря повышенной держащей силы для больших кораблей. Тут необходим новый принцип, который позволял бы якорю заглубляться в грунт не на длину его лап, а на величину, в три-четыре раза большую. Якорь должен держать не за счет того, что лапы зацепляются за верхний рыхлый слой грунта, а за счет того, что, пронзив мягкий слой, он достигает твердой основы.

Вчитываясь в патент Дэнфорта, невольно вспоминаешь основные положения Хейна, хотя американец ни разу не ссылается на труд немецкого коллеги. Да и сама конструкция Дэнфорта в принципе схожа с конструкцией Хейна — максимально сближенные лапы, шток внизу и «обтекаемая» головная часть.

Благодаря тонко продуманному расчету якорь Дэнфорта зарывался в грунт на несколько метров. Длина веретена, длина лап, расположение центров площади лап от оси вращения веретена, расстояние между центрами площади лап, длина штока, угол атаки, угол отворота лап, угол оси носка лапы, угол скоса граней коробки, площадь сопротивления грунту (проекция плана якоря, когда его лапы развернуты вниз до упора) и площадь лап — эти величины Дэнфорт привел в строгий порядок.

Рис. 118. Вот в чем секрет Дэнфорта

На рис. 118 дана схема якоря Дэнфорта типа «Марка-II», приложенная к его патенту № 2249546 от 15 июля 1941 года. Вот основные соображения и расчеты изобретателя:

«1. Площадь лап якоря должна быть не менее 40 % площади сопротивления грунта якорю. Еще лучше, если она составляет 60 % этой площади и более.

2. Площадь сопротивления грунта якорю не должна превышать 25 % площади веретена якоря. Желательно, чтобы она составляла 13–10 % площади веретена.

3. Угол носка лапы якоря U не должен быть более 75°. В противном случае якорь после вхождения в грунт будет из него быстро выдергиваться. Лучше. когда этот угол менее 70°.

4. Если 35 % площади лап или более находится позади оси вращения, угол носка лапы U должен быть более угла атаки S. В этом случае величина угла атаки должна составлять 30–50°. Если находящаяся за осью вращения площадь лап составляет менее 35 % всей их площади, угол атаки S должен находиться в пределах 40–60°. В этом случае при. выборе угла атаки и величины лап центры площади лап высчитываются по площади, находящейся только впереди оси вращения, на осях каждой лапы на расстоянии, равном примерно 1/5 длины веретена. При этом угол атаки будет в пределах 40–65°, и лучше, когда он в пределах 43–60°. У якорей, рассчитанных на твердый песок, угол атаки должен быть уменьшен до 40° (ниже этой величины держащая сила якоря резко падает). У якорей для мягких грунтов угол атаки может быть равен 65°, у универсальных якорей — 49°.

5. Угол разворота лап Т связан с углом атаки и длиной веретена К. Например, если угол разворота лап очень большой, то для установления нужного угла веретено якоря получится очень длинным. Хотя длинное веретено — это хороший рычаг для выламывания глубоко зарывшегося в грунт якоря, когда якорь-цепь на панере, оно не совсем удобно в обращении. Если же угол разворота лап мал, то при нужном угле атаки веретено якоря получается непомерно коротким и угол носка лапы делается слишком большим для того, чтобы якорь начал углубляться лапами в грунт. Поэтому угол разворота лап Т должен находиться в пределах 27–42°.

6. Центры площадей лап G должны быть максимально сближены — в противном случае может возникнуть пара сил. Внутренние кромки лап должны идти параллельно оси веретена. Если расстояние между центрами площадей лап превышает 44 % длины веретена, якорь не будет стабилен в грунте. Это расстояние должно быть менее 1/3 длины веретена. Якорь с лапами, очень близко прижатыми к веретену, склонен опрокидываться на бок. Поэтому отношение длины штока, служащего стабилизатором, к расстоянию между центрами площадей лап не должно быть менее чем 2: 1. Лучше, когда это отношение равно 2,5: 1 или даже 3: 1.

7. Если шток слишком короток, то якорь с уже отброшенными в сторону лапами может волочиться по грунту на трех точках: верхнем конце веретена, конце штока и внешней кромке лапы. Длина штока должна быть не менее двух расстояний между центрами площадей лап и не менее 8/10 длины веретена.

8. Отношение длины лап к длине штока влияет на форму лап, угол атаки (Р. Дэнфорт называет углом атаки S угол между плоскостью лапы ипрямой, соединяющей центр площади лапы с осью болта скобы якоря) и угол носка лап. Если лапы сделать длинными, то угол атаки получится большим для хорошего зарывания якоря. Если их сделать короткими, то это не даст возможность обеспечить их достаточную площадь при форме, которая позволит им свободно углубляться в грунт. Если 35 % площади лап находится за осью вращения веретена, длина лап должна составлять не менее 55 % длины веретена, но не более 70 %. Если за осью вращения находится больше 35 % площади лап, то их длина М может быть менее 55 % длины веретена. Это отношение также влияет на распределение сил вдоль веретена, что имеет немалое значение для хорошего и быстрого зарывания якоря в грунт.

9. Наиболее выгодна треугольная форма лап: она дает максимальную площадь и хорошее вхождение в грунт. Толщина лап должна быть по возможности минимальной. Зазор между внутренней кромкой лапы и веретеном должен составлять более 2 % длины последнего и никак не меньше 1 % этой величины.

10. На коробке — соединении нижней части лап с веретеном — не должна быть каких-либо выступающих частей. Углы скосов этой коробки V должны быть в пределах 25–45° каждый — в противном случае она будет выполнять роль захватов и препятствовать зарыванию якоря в грунт. Выступающие, хотя и скошенные под нужным углом, части коробки по возможности должны быть сконцентрированы в ее центральной части и расположены как можно ближе к оси веретена».

Таковы основные соотношения якоря, найденные Дэнфортом опытным путем. Основываясь на них, он создал более десятка модификаций своего якоря, на которые получил патенты. Якорь Дэнфорта облегченной модификации весит всего 2,5 фунта, но его держащая сила на твердом песке составляет 105 фунтов (рис, 119). Самый тяжелый якорь Дэнфорта весит 7 т. Он хорошо держит на каменистом грунте (рис. 120). За последние тридцать лет якоря, выпускаемые американской фирмой «Дэнфорт и Компания», хорошо зарекомендовали себя, получив признание моряков всех стран.

Рис. 119. Его вес всего 2,5 фунта

Рис. 120. Семитонный якорь Дэнфорта

Самой лучшей рекламой этих якорей оказались ураганы «Кэрол» и «Эдна», которые пронеслись над восточным побережьем Северной Америки 31 августа и 11 сентября 1954 года. Во время этих стихийных бедствий скорость ветра достигала 135 миль в час. Уровень моря у берегов поднялся от двух до шести метров выше нормального. Десятки тысяч малых спортивных, разъездных и промысловых судов, застигнутых на внешних и даже внутренних закрытых рейдах, оказались выброшенными на берег. На плаву остались в основном суда с якорями Дэнфорта. Все «патентованные игрушки», кроме якорей Нортхилла, показали тогда свою полную непригодность.

Тринадцатилетний опыт показал кроме блестящих качеств якорей Дэнфорта и их недостатки.

Во-первых, в малых весовых категориях они почти непригодны для использования на крупной гальке. На этом грунте они перемещаются скачками, забирая грунт в очень редких случаях. Во-вторых, легкий якорь Дэнфорта, отданный на сильном течении, долго дрейфует в воде и падает на дно совсем не в том месте, где ожидали. В-третьих, даже легкий якорь этой конструкции так глубоко зарывается в грунт, что зачастую его вручную невозможно оторвать от дна.

Повышенная удерживающая способность

Рис. 121. Итальянская верфь «Ансальдо» выпускает свои якоря

Рассмотрим наиболее распространенные конструкции современных якорей повышенной держащей силы.

На рис. 121 показан итальянский якорь «Ансальдо». Лапы его сближены, площадь захватов уменьшена. Этот якорь обычно встречается на судах, построенных на итальянских верфях.

Рис. 122. Наиболее распространенный мире якорь Байерса

Очень широкое применение сейчас находит якорь Байерса (рис. 122). Едва ли не каждое из трех-четырех торговых судов оборудовано именно такими якорями. На литой коробке, несущей лапы, нет больших захватов, выступающих под прямым углом, и ее скосы позволяют якорю лучше зарываться в грунт. Окантовывающие лапы ребра жесткости придают якорю Байерса достаточную прочность, необходимую для безопасного падения на каменистый грунт.

Рис. 123. Литой якорь Матросова

Несколько якорей повышенной держащей силы запатентовано и в нашей стране. Самая оригинальная и наиболее широко распространенная из них — литая конструкция, созданная в 1946 году советским инженером И. Матросовым (рис. 123). Чтобы придать якорю устойчивость в момент вхождения в грунт, изобретатель сделал на внешних кромках лап приливы с фланцами. Для быстрого забирания грунта в конструкции якоря применен принцип кривошипного механизма: ось вращения веретена размещена относительно оси боковых приливов так, что при натяжении якорь-цепи веретено выполняет роль шатуна, разворачивая лапы по оси вращения. Быстро входя в грунт, якорь Матросова не выходит из него при развороте судна на 360°. Якорь надежно держит в слабом песчано-илистом грунте и очень устойчив на твердом мелкокаменистом грунте.

Неоднократные испытания на величину держащей силы наглядно показали его неоспоримые преимущества в сравнении с адмиралтейским и холловским якорями на различных видах грунта. Держащая сила якоря Матросова в четыре с лишним раза больше, чем у адмиралтейского якоря такого же веса [23]. Как ни странно, этот хороший якорь в литом исполнении до сих пор не получил распространения на советских судах, хотя опытная партия таких якорей успешно прошла испытания в эксплуатационных условиях на морских промысловых судах.

Преимущества якоря Матросова перед якорем Холла очевидны, поэтому более чем странно, почему этот якорь в своем литом варианте не пошел в массовое производство. Заметим, что его технология не сложнее якоря, выпускаемого по английскому патенту 1888 года, то есть якоря Холла.

Рис. 124. Якорь Шедлинга с косыми штоками

Заслуживают внимания две конструкции якорей повышенной держащей силы другого советского изобретателя — инженера Ф. Шедлинга. В 1949 году он запатентовал сварной якорь с косыми штоками на лапах (рис. 124). Чтобы исключить заклинивание веретена якоря мелкими камнями при протаскивании по грунту, изобретатель сделал на внутренних кромках лап вырезы.

Рис. 125. Конструкция этого якоря во многом схожа с конструкцией якоря Дэнфорта

Во второй конструкции якоря Шедлинга вместо косых штоков в нижней части лап сделаны широкие крылья, стабилизирующие работу якоря на каменистых грунтах. Разворот лап ограничивается уступами, которые одновременно служат захватами для начального поворота лап в сторону грунта. После появления якоря Дэнфорта в США запатентовано несколько подобных якорей, среди которых самыми удачными считаются якоря, разработанные инженером Шипли (рис. 125).

Рис. 126. Якорь «АС-14»

Большие исследования по увеличению держащей силы якорей предприняло Британское Адмиралтейство в пятидесятых годах. Из присланного на конкурс десятка различных конструкций лучшими Адмиралтейство признало те, которые изображены на рис. 126 и 127.

Рис. 127. Якорь «AC-11»

По чертежам было изготовлено два якоря весом 2,64 и 1,63 т, которые при испытании в натурных условиях на крейсере и миноносце показали 17,5 и 13 т на каждую тонну своего веса соответственна. В 1960 году эти якоря утверждены типовыми для вновь строящихся кораблей британского королевского флота. Они получили название «АС-14» и «АС-11».

Рис. 128. Якорь «Бадокс-Стато»

В том же году Управление верфей и доков Великобритании запатентовало якорь, показанный на рис. 128. Ему дали название «Бадокс-Стато». Испытания показали, что его держащая сила равна 15 кг на иле и 20 кг на песке. Эти якоря изготавливаются в сварном варианте.

Рис. 129. Якорь Бекера

Лет двадцать назад в Швеции вспомнили якорь американца Илла. Шведский инженер Бекер запатентовал якорь, который показан на рис. 129. Продолговатая стальная рама одновременно и шток, и захват. Якорь Бекера почти не уступает по величине держащей силы якорю Дэнфорта.

Рис. 130. «Пуланкер»

В 1962 году в Голландии запатентовали якорь, изображенный на рис. 130. На различных видах грунта его держащая сила на 30–50 % превосходит держащую силу якоря Холла, что позволяет сократить вес якоря на 25–10 %. Этот якорь получил название «Пуланкер». Он уже одобрен почти всеми морскими классификационными обществами и уверенно начинает вытеснять якоря Холла. 18-тонный «Пуланкер» экспонировался на судостроительной выставке в Роттердаме в 1969 году.

Таковы основные и наиболее распространенные конструкции якорей повышенной держащей силы наших дней.