Устойчивость в шторм

А. АНТРУШИН

Представьте себя на корабле во время шторма. Корабль качает из стороны в сторону. Нос его то нырнет глубоко в яму, то высоко вверх взлетит на гребень морской волны. Волны раскачивают корабль во всех трех направлениях. То один, то другой борт его исчезает под водой, корабль наклоняется поочередно то вправо, то влево — такая качка называется бортовой. Когда корабль качается в продольном направлении, вдоль киля, то качку называют килевой. Бывает еще и вертикальная качка: когда огромная масса воды целиком поднимает корабль вверх на гребень вала и бросает его вниз в углубление между волнами.

Но вот ветер уменьшился, бурная сила его ушла куда-то в сторону. Воздух стал спокойным, а водяные горы все продолжают грозное свое шествие по морю. Не видно только пены, так как ветер уже не срывает теперь верхушек волн. Почему же в этом неподвижном воздухе по-прежнему волнуется море и так сильно качает корабль? Оказывается, успокоить море не так-то легко: раз потревоженные ветром, массы воды долго сохраняют в себе энергию движения, и закругленные валы еще целыми сутками катятся по морю. Особенно тяжело это для парусных кораблей. Пока был ветер, корабль не так уж сильно качало, хотя и волны тогда были больше: корабль поддерживали надутые паруса. Теперь же, в безветрии, при огромной волне парусник качает больше, чем пароход. Его высокие и тяжелые мачты служат своеобразным маятником. Кроме того, парусник еще лишен самостоятельного хода и поэтому не может выбирать себе направление с наименьшей качкой. Больше всего не любят моряки это безветренное волнение — «мертвую зыбь», особенно продолжительную в величайших водных бассейнах — океанах.

Качка, даже если она и не грозит опрокинуть корабль, опасна, так как может вызвать серьезные аварии в корпусе корабля. Качка очень плохо влияет на организм людей: многие в шторм заболевают широко известной морской болезнью. Качка уменьшает скорость корабля, увеличивает расход горючего и масла на работу судовых механизмов и затрудняет управление машинами.

Вполне естественно, что техника пытается если не совсем уничтожить качку, то хотя бы умерить ее. Еще в древние времена старались успокаивать волнение моря около самого корабля. Уже давно было замечено, что присутствие на поверхности моря мелкого льда, травы, а также масла успокаивает волны. Еще и сейчас мореплаватели иногда выливают масло (нефть) на поверхность моря. Однако это слишком дорого и мало целесообразно. Пытливый человеческий разум пришел со временем к мысли устроить на самих кораблях специальные приспособления и механизмы, которые носят название успокоителей качки.

Сначала, чтобы умерить качку корабля, были изобретены боковые кили. Это — подводные железные полки шириной до 1 м, которые приклепывают снаружи корпуса по каждому борту. При бортовой качке эти кили встречают больше сопротивление воды и поэтому наполовину умеряют размах качки. Однако качка продолжала, хотя и в меньшей мере, донимать людей морской болезнью.

В середине прошлого века очень увлекались такими боковыми килями. Но оказалось, что они имели и отрицательные качества: благодаря значительной своей поверхности они вызывают дополнительное сопротивление движению корабля и уменьшают скорость его хода. Боковые кили имеет каждый современный морской корабль, только делаются они теперь возможно меньших размеров.

Потребовалось много упорного изобретательского труда для того, чтобы победить качку.

Однако, существуют и не качающиеся корабли. О том, какие специальные устройства созданы на них современной техникой, мы и намереваемся сейчас рассказать.

Можно насчитать три современных способа борьбы с качкой.

Наиболее простой из них — подвижные жидкие грузы, которые передвигаются поперек корабля с таким расчетом, чтобы груз мешал раскачиванию. Например, если борт корабля начал подниматься при качке, то груз должен немедленно достигнуть этого борта и дать корпусу обратный крен. Выполнив здесь работу — погасив или уменьшив размаху качки, — жидкий груз спешит к противоположному борту и поспевает туда тоже в тот момент, как борт начал подниматься. По этому принципу на судах устанавливают цистерны и соединяют их между собой трубами или каналами. Цистерны заполняют водой примерно наполовину, таким образом, что труба внизу всегда залита водой.

Предположим, что корабль наш наклонился при качке вправо. Естественно, что и вода хлынет вправо, вниз. Таким образом она могла бы только увеличить качку. Но дело в том, что воде не дают переливаться свободно, — ее пускают по трубе узкой струей. Вода запаздывает. Правый борт корабля уже начинает подниматься, а жидкость под влиянием инерции все еще стремится вправо и даже вверх. Итак, большая часть воды переместилась вправо. В это время левый борт уже значительно опустился вниз. Вода, повинуясь силе тяжести, стремится влево, но снова запаздывает и снова по инерции стремится вперед даже и тогда, когда левый борт уже подымается кверху.

Вода в трубе перемещается не только автоматически. Можно прибегнуть к помощи насоса, давления сжатого воздуха и т. п. Очевидно, что, кроме водяной трубы, между цистернами должна быть еще и воздушная, потому что, когда вода приливает в одну цистерну, воздух должен переходить в другую и возвратиться обратно, когда вода отливает. На этой воздушной трубе имеется задвижка (клапан), которая, собственно говоря, и регулирует всю работу успокоителей качки такого типа. Если задвижку закрыть совсем, неподвижный воздух в цистернах не позволит переливаться воде, и тогда вся система будет выведена из действия.

Схема работы уравнительных цистерн очень проста. На рисунке изображен разрез корабля, оборудованного сообщающимися между собою цистернами. А — водяные цистерны, Б -— водяная труба, В — воздушная труба и Г — клапан, или задвижка. На рисунке изображен разрез другого корабля, снабженного такими же водяными цистернами для успокоения качки. Читатель может быть удивлен: а где же находятся соединительные трубы? Дело в том, что в данном случае само море служит соединительным каналом для уравнительных цистерн. Цистерны сообщаются с морской водой. Дно их находится несколько ниже поверхности моря и снабжено многочисленными отверстиями, через которые свободно может вливаться вода. Конечно, цистерны такого типа строятся узкими и, для того чтобы вмещать большой объем воды, должны иметь значительную длину.

Схема уравнительных водяных цистерн Фрама.

Когда корабль накреняется, одна бортовая цистерна поднимается вверх, отверстия ее оказываются выше уровня моря. Одновременно цистерна на другом борту погружается вниз и заполняется водой. Если рассчитать размер и количество отверстий и регулировать некоторые из них задвижками, то можно всегда заставить воду находиться в поднимающемся борту, а «воздушный мешок» — в опускающемся. Эти две силы, направленные в прямо противоположные стороны, и будут препятствовать кораблю отклоняться от вертикали.

Двадцать пять лет назад германский инженер Фрам после многочисленных опытов добился хороших результатов, успокаивая качку при помощи таких вот водяных цистерн. Благодаря простоте устройства цистерны Фрама получили очень широкое распространение. Единственный их недостаток — неспособность гасить килевую качку, что довольно существенно для небольших кораблей. Сколько же нужно воды в цистернах, чтобы успешно бороться с качкой? Опыты и практика показали, что для этой цели нужно иметь на корабле примерно одну сотую долю той воды, которую вытесняет сам корабль (1% водоизмещения).

Связь с морской водой в цистернах Фрама.

Влияние уравнительных цистерн Фрама на качку корабля.

Более сложные и более совершенные способы успокоения качки изобретены в последние двадцать лет. Это механические приспособления, которые способны гасить не только бортовую, но и килевую качку. Первый из них называется жироскопическим успокоителем качки. Судовой жироскоп представляет собой огромных размеров волчок или вал с горизонтально насаженным на него маховиком. Принцип действия жироскопа хорошо известен из физики. При быстром вращении диска ось жироскопа, его вал, стремится сохранить свое положение в пространстве. Поэтому при крене корабля на один борт жироскоп будет давить своим концом на прочно установленную раму механизма и через нее — на корпус. Это давление направлено в сторону, обратную крену корабля, и мешает поэтому корпусу отклоняться от вертикального положения.

Принцип жироскопа для борьбы с качкой был использован впервые еще в 1904 г. немецким инженером Шликом. Шлик установил жироскопический успокоитель качки на маленьком миноносце «Зибар». Электромотор, помещенный в опорную раму, быстро вращал маховик. Рама на подшипниках могла качаться, как маятник, а груз, подвешенный к раме, еще более уподоблял ее маятнику. Когда колебания рамы не нужны, ее можно зажать тормозом.

Это приспособление сократило амплитуду качки «Зибара» с 25 до 2°.

Американец Сперри усовершенствовал жироскоп Шлика. Он в несколько раз снизил вес установки и заставил опорную раму колебаться не свободно, а принудительно, при помощи специального маломощного электромотора. Сперри назвал свой механизм активным жироскопом.

В настоящее время на судах устанавливают именно такие активные жироскопы.

До сих пор жироскопические успокоители ставились лишь на малые и средние по величине суда.

Теперь ими снабжен один из самых больших и быстроходных в мире пассажирских пароходов. Это итальянский экспресс «Контэ ди Савойя».

Один из крупнейших а мире морских пароходов — пассажирский экспресс «Конто ди Савойя».

Чтобы вполне ясно представить себе, какую огромную массу должны удерживать в равновесии жироскопические стабилизаторы Сперри, надо знать некоторые данные об этом пароходе. Длина его по ватерлинии — 244,1 м, ширина —  29,2 м, а высота — от киля до верха штурманской рубки — 34,5 м. Вместимость парохода 48500 регистровых тонн, водоизмещение —  41750 г. Судовые турбины мощностью в 120 тыс. л. с. сообщают кораблю скорость до 28 узлов (52 км) в час. На пароходе две тысячи двести мест для пассажиров.

Чтобы привести эту громадину в устойчивое положение в бурную погоду, потребовались три громадных жироскопа. Они установлены в специальном машинном помещении под капитанским мостиком — ниже ватерлинии. Вращающаяся часть каждого жироскопа — вал с маховиком — весит 112 т, диаметр маховика — 4 м. Все три жироскопа вместе с их опорными рамами весят 651 т — полтора процента веса самого парохода-гиганта. 650 т — это вес пяти товарных паровозов серии «Э». Маховик каждого жироскопа нормально вращается со скоростью 800 оборотов в минуту. Максимальное же число оборотов доходит до 910 в минуту. Вращает его электромотор мощностью 560 л. с. Для управления подвижной рамой жироскопа служит еще стосильный электрический мотор. Сила противодействия качке всех трех жироскопов достигает 1620 тонометров в секунду.

Жироскопические успокоители качки, установленные на «Контэ ди Савойя».

«Контэ ди Савойя» — корабль без качки. При работе его жироскопических успокоителей была замечена бортовая качка только в полтора градуса, что совершенно нечувствительно для пассажиров. А когда жироскопы бездействовали, амплитуда бортовой качки корабля при жестоком шторме достигала 20°. Килевой качки этот пароход вообще не имеет из-за своей огромной длины — он одновременно опирается на две-три океанские волны.

Графическая запись качки парохода «Копта ди Савойя».

В прошлом году в Англии был изобретен совершенно новый, третий способ борьбы с качкой. На пассажирском пароходе «Айл ов Сарк», совершающем рейсы между Англией и Францией, в носовой части корпуса, под капитанским мостиком, в каждом борту были под водой сделаны прорези. В эти прорези можно выставлять пару лопаток, на подобие горизонтальных рулей подводной лодки или плавников рыбы. Управляются эти лопатки небольшой гидравлической машиной мощностью в 30 л. с.

Так вмонтированы в корпус корабля «Айл ов Сарк» лопатки, умеряющие качку.

Для парохода «Айл ов Сарк» с его вместимостью в 2200 регистровых тонн оказалась достаточной площадь лопатки в 3,4 кв. м. Длина лопатки — 2,4 м, ширина — 1,4 м. Каждая из них, отлитая из стали, весит около полутоны.

Лопатки рассчитаны на максимальный угол поворота в 25°, однако нормально ограничиваются поворотом лопатки на 17°.

Графическая запись качки парохода «Айл ов Сарк».

В шторм механизм автоматически качает лопасти лопаток в такт качке и гасит размахи не только бортовой, но и килевой качки. Работу механизма контролируют электрические сигналы, которые дает при крене корабля маленький жироскоп. Благодаря этим электрическим приказам перемена наклона лопаток совершается всего две секунды, что значительно опережает период качки корабля.

Опыты успокоения качки этим новым способом оказались очень успешными. «Айл ов Сарк» при убранных лопатках имеет бортовую качку с креном до 14°, а при работе лопаток качка совсем гасится. Конечно, когда на море спокойно лопатки убираются внутрь, так как иначе они уменьшат скорость парохода на 0,2 узла при 19-узловом ходе. В бурю же работа лопаток убыстряет ход.

Качка корабля съедает скорость, поэтому лопатки, хотя сами и тормозят ход на 0,2 узла, но в тоже время, парализуя качку, выигрывают 0,5 узла.

В окончательном результате получается выигрыш в 0,3 узла, не говоря уже об удобствах пассажиров.

*

Все описанные способы борьбы с качкой применяются пока на некоторых лишь кораблях. Это — первые настоящие удачи. Значение их велико. В военное время успокоители качки важны не только для комфорта пассажиров: если стрелять из пушек в штормовую погоду, то, бесспорно, очень важно чтобы орудия стояли на спокойной, не качающейся платформе. Это повысит точность наводки.