История мореплавания
Можно также отметить своеобразный недостаток корпуса корабля, в архитектуре которого за счет завала бортов реализован принцип непротивления волновой стихии. Такой корабль не сможет защитить от интенсивного волнения шлюпки и другие мелкие суда, подходящие к нему с подветренного борта, так как устремляющиеся под корпус потоки энергии штормовых волн, создадут и там столь же интенсивные изменения уровня воды, как и с наветренного борта. Однако к «старым» кораблям шлюпки и более крупные баркасы обычно не швартовались непосредственно к борту, удерживаясь от него на некотором удалении с помощью забортных выстрелов. Грузы в этом случае снимались обычными стрелами, а люди поднимались на борт по трапам или шкентелям с мусингами, закрепленным на специально оснащенных для этого выстрелах.
Можно предположить, что возврат к использованию выстрелов для работы со шлюпками послужит расширению штормового диапазона использования бортовых плавсредств в целом. Этому будет способствовать уменьшение бортовой качки корабля с заваленными бортами, а качка все же является большей опасностью при проведении операций по спуску-подъему шлюпок, чем бурлящая за бортом вода. Важно также заметить, что в практике экспедиционных работ рыбопромысловых судов (как и в эскадренном плавании кораблей) шлюпочные сообщения между судами являются довольно важным элементом повседневной деятельности флота, а повсеместно используемая ныне швартовка шлюпок непосредственно к вертикальному борту судна несет неожиданные опасности шлюпочным командам.
Рис.31. Схема воздействия на корабль встречного волнения, показывающая динамические особенности качки, связанные с формальным понятием волнообразующей – волновоспринимающей длины корпуса корабля, при его взаимодействии с «правильной» прогрессивной штормовой волной. L(kwl) - длина корпуса по ватерлинии. L(wave) – длина корпуса, на которую оказывает прямое воздействие встречное морское волнение. Если L(wave) будет заметно меньше длины корабля L(kwl), то оконечности корпуса будут успокаивать килевую качку за счет нарушения структуры волнового потока в скуловой и в средней частях корпуса, а также снизят реакцию корпуса за счет общего увеличения моментов инерции массы корпуса.
Аналогичные эмпирические заключения по наилучшей форме корпуса можно сделать и в отношении килевой качки. Если на парусных кораблях носовая оконечность делалась очень полной в подводной части и с очень низким надводным бортом в районе бака, то это означало, что для борьбы с килевой качкой увеличивался момент инерции массы корпуса, который в силу необходимости сохранения продольной прочности не обеспечивался свойством всхожести на волну. То есть уже на средневековых парусных кораблях успешно обеспечивали минимизацию килевой качки и соответственно – общую стабилизацию корпуса в условиях интенсивного штормового волнения. Именно килевая качка приводит к невыносимым условиям обитания экипажа на корабле, но еще большую опасность она представляет потому, что при неконтролируемом изменении гидродинамических условий взаимодействия корпуса с морским волнением может произойти захват корпуса волной с его быстрым разворотом относительно фронта штормовой волны и последующим опрокидыванием.
Для современного быстроходного корабля повышенная полнота носовой оконечности недопустима. Это сильно сказывается на ходовых качествах. Однако ничто не мешает сместить дифферентующие силы, создаваемые гребнями штормовых волн, ближе к средней части корпуса. Для этого необходимо уменьшить полноту надводного борта в оконечностях корабля и обеспечить хорошую обтекаемость корпуса на скорости хода, при которой длина корабельной волны соизмерима с длиной корпуса (объяснение ниже). В этом случае дифферентующие силы при встрече корабля с гребнями штормовых волн будут преобразовываться в силы всплытия, которым корабль будет противопоставлять инерцию всей массы своего корпуса.
При формальном рассмотрении процесса пассивного демпфирования килевой качки можно сделать заключение, что она зависит от своеобразной «волновоспринимающей» длины корпуса, которая одновременно является «волнообразующей» при рассмотрении процессов волнообразования корабля на различных скоростях хода на спокойной воде.
Рис.32. Геометрическая интерпретация расходящейся корабельной волны с помощью вихря, рождаемого вблизи судовой обшивки. Изображены линии тока в районе отрыва расходящейся волны от поверхности корпуса. Аналогичный процесс перераспределения волновых потоков происходит при столкновении корабля с гребнями штормовых волн.
В носовой части корпуса происходит группирование (сложение) расходящихся волн, которые не могут оторваться от корпуса ввиду малой скорости их распространения. Отрыв корабельных волн с малым периодом происходит только после того, как их амплитуда вырастет до такой степени, чтобы соответствующее увеличение длины достигло бы величины, когда скорости свободного движения этой поверхностной волны, суммировавшей весь высокочастотный спектр корабельного излучения, будет достаточной для отрыва от корпуса. Если в этой области потока создать как бы “закручивание” линий тока в обратную сторону, то, вероятно, произойдет гашение амплитуды расходящейся волны. Таким простым способом можно объяснить влияние бульба на носовую подпорную волну при движении судна с относительно малой скоростью. Аналогичный процесс будет происходить при взаимодействии корабля со встречным морским волнением, что как раз и должно обеспечивать динамическое перемещение сил всплытия на волнении ближе к средней части корпуса. Главное, чтобы у корпуса не было сильного развала надводных ветвей носовых шпангоутов, которые способны напрямую воспринимать силовые нагрузки от гребней штормовых волн, даже еще не ослабленных сложными взаимодействиями волновых потоков с гладкой обшивкой корпуса или, по крайней мере – княвдигедом, как у старых парусных кораблей.
Килевой качки, также как и вертикальной, невозможно избежать полностью, поскольку их проявление является результатом прямого воздействия на корпус корабля со стороны морского волнения. Однако нет необходимости ее и усиливать, как это делалось ранее на приспособленных к штормованию лагом к волне судах викингов.
Смысл визуальных наблюдений за ударами волн о корпус реального судна, так же как и при испытаниях моделей с оптимизированными корпусами, состоял в том, что наибольшую ширину ватерлинии и объем надводного корпуса, отвечающих за всплытие на волнении (в безбульбовом варианте - основной объем подводной части корпуса), необходимо сосредотачивать в его средней части, что должно обеспечивать динамически уменьшенную длину корпуса. Это позволит перенести силовое воздействие встречных волн ближе к средней части корпуса и соответственно частично перераспределить пары сил (дифферентующих моментов) в силы, направленные на поступательное всплытие и погружение корпуса, или превратить сильную килевую качку в умеренную – вертикальную.