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.