Физика в бою

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.