Стабилизаторы качки на якоре: чем яхта успокаивает корпус, когда не идёт

Почему на двадцатиметровой яхте стакан стоит на столе, пока рядом, у того же берега, катер ходит ходуном? Размер корпуса объясняет только часть. Остальное делают стабилизаторы, а привычные подводные плавники на стоянке теряют силу: им нужен поток воды, на якоре его нет. Поэтому там, где яхта стоит, работают другие устройства. Либо плавники, которые гребут сами, как вёсла. Либо маховик в вакуумном кожухе, раскрученный до 9 750 оборотов в минуту: производитель такой системы называет скорость маховика 557 миль в час, около 900 километров в час.

Стакан с водой на столе на палубе яхты, поверхность в нём ровная (иллюстрация)

Почему катер мотает у берега

Лёгкий корпус отзывается на каждый гребень. Ветровая волна в Чёрном море идёт часто, одна за другой, а зыбь после шторма доходит до берега, когда ветер давно стих, так что на катере у самого пляжа качает и при ровной на вид воде. Длинный тяжёлый корпус яхты те же гребни почти не замечает. У большого лайнера запас остойчивости намеренно умеренный: слишком большой делает качку частой и резкой.

У катамарана качку уменьшает сама форма: корпусов два, и стоят они далеко друг от друга. У моторной яхты корпус один, и ей помогает техника. Откуда берётся такая волна, объясняет статья про разгон волны, а почему от неё мутит, статья про укачивание. Стабилизаторы встречаются среди моторных яхт каталога; у «Святой Марии» они включены в аренду, а на странице борта написано, что на стоянке её двадцатиметровый корпус почти не реагирует на зыбь.

Плавник-стабилизатор, выдвинутый из корпуса в доке: исследовательское судно Polarstern (фото: Hannes Grobe, Alfred Wegener Institute, Wikimedia Commons, CC BY 2.5)

Плавник как крыло

Подводный плавник торчит из борта ниже ватерлинии и устроен как крыло. Пока яхта идёт, вода обтекает его и создаёт подъёмную силу или прижим, а электроника поворачивает плавник так, чтобы он давил против крена. В справочнике по судовым стабилизаторам сказано прямо: такие плавники намного эффективнее на скорости и теряют силу, когда судно идёт медленнее некоего минимума. Крыло самолёта на стоянке тоже ничего не держит. Плавники бывают убирающимися в корпус и неубираемыми, вторые ставят даже на небольшие суда, включая яхты.

Неподвижные плавники и скуловые кили, то есть длинные пластины вдоль нижнего изгиба борта, проще: они не поворачиваются и гасят качку сопротивлением воды, когда корпус раскачивается сам. А такому плавнику, у которого сила берётся из потока, на якоре брать нечего.

Гидроцилиндр, который выдвигает правый плавник-стабилизатор круизного лайнера Nieuw Statendam (фото: Akela NDE, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)

Плавник, который гребёт

Для стоянки придумали плавники другого рода. Потока им не нужно: управляемый плавник колеблется туда-сюда и отталкивается от самой воды, как весло, противодействуя волне. Одну из таких систем так и назвали, «стабилизация на месте».

Есть ещё вращающиеся цилиндры. Раскрученный цилиндр в потоке воды получает боковую силу, это называют эффектом Магнуса, и ею тоже можно давить против крена. Перед швартовкой такие цилиндры убирают в корпус.

Маховик в банке без воздуха

Второй путь вообще не касается воды. Раскрутите велосипедное колесо, возьмите за ось и попробуйте наклонить: оно упрётся и поползёт вбок. Это прецессия, и на ней стоит гироскопический стабилизатор. Когда борт заваливается, тяжёлый маховик наклоняется вперёд-назад, и возникает момент вправо и влево, против крена. Хода для этого не нужно, поэтому, по тому же справочнику, гироскопом можно успокаивать моторную яхту на якоре.

Игрушечный гироскоп: диск в подвесе держит положение оси, пока крутится (фото: Misko from Bilbao but I wish it was Amsterdam or Biarritz, Wikimedia Commons, CC BY 2.0)

Справочный ориентир для классических установок такой: ротор должен весить от трёх до пяти процентов водоизмещения. Для условной яхты в тридцать тонн это от девятисот килограммов до полутора тонн вращающегося железа. Современные установки облегчают: маховик вместе с подшипниками и двигателем запаивают в вакуум. Воздух маховику больше не мешает, и по данным производителя он крутится примерно втрое быстрее, весит на две трети меньше, а мотору хватает вдвое меньшей мощности. Тепло из кожуха уводит система на гликоле и забортной воде. Такие стабилизаторы делают для судов от 23 футов, то есть примерно от семи метров.

Маховики 1917 года

Первым большим кораблём с гироскопическим стабилизатором стал в 1917 году американский военный транспорт «Хендерсон»: два маховика по 23 тонны, диаметром 2,7 метра, они делали 1 100 оборотов в минуту. В испытаниях крен даже в самых тяжёлых условиях удалось удержать в пределах трёх градусов.

Американский военный транспорт «Хендерсон» в камуфляже, 28 апреля 1918 года: первый большой корабль с гироскопическим стабилизатором (фото: автор неизвестен or not provided, Wikimedia Commons, Public domain)

Через пятнадцать лет итальянский лайнер «Конте ди Савойя» вышел в первый рейс с тремя маховиками диаметром около четырёх метров, каждый весил около ста тонн. Потом гироскопы с больших кораблей вытеснили плавники: легче и компактнее. Интерес вернулся в 1990-е, когда понадобилось гасить качку на малом ходу.

Лайнер «Конте ди Савойя» на ходовых испытаниях в заливе Триеста, 1932 год (фото: celeste, Wikimedia Commons, Public domain)

Чего стабилизатор не умеет

Стабилизатор рассчитан на качку с борта на борт. Тягун, колебание воды в гавани, которое водит стоящую у причала яхту вдоль стенки, ему не по силам: тут не крен, а перемещение. Саму волну он тоже не убирает. Она идёт под корпусом, как шла, просто корпус перестаёт ей подыгрывать. Качку такая техника смягчает, но не отменяет.

Что спросить перед выходом

Если компании нужна ровная палуба именно на якорной стоянке, стоит заранее узнать, какая система стоит на борту и работает ли она без хода. У плавника-крыла на стоянке сила пропадает, у плавника-весла и у гироскопа она остаётся.

Где гироскоп сдаётся

Момент, который создаёт гироскоп, ограничен, и когда волна вырастает, его могут превысить. Поэтому производители часто советуют вообще не включать такой стабилизатор в большое волнение.