Ранее рассматривалась начальная остойчивость, то есть остойчивость подводной лодки при углах крена до 10—15° и углах дифферента до 1,0°. Однако ограничиться рассмотрением остойчивости только при малых углах наклонения нельзя, так как в практике плавания имеют место и большие наклонения подводной лодки. Поскольку подводная лодка может сохранять остойчивость только лишь до наклонений определенной величины, то очень важно знать, при каких углах наклонения она окажется в опасном состоянии, чтобы не допускать прихода её в это положение.
Большие наклонения подводной лодки в зависимости от характера действующих на неё сил могут быть медленными, с. небольшими угловыми скоростями, и быстрыми, со значительными угловыми скоростями и ускорениями, что вызывает необходимость отдельного рассмотрения статической остойчивости подводной лодки (при наклонениях без заметных скоростей вращательного движения) и динамической остойчивости (при наклонениях со значительными угловыми скоростями и ускорениями).
При больших углах наклонения изложенные выше основные положения теории начальной остойчивости становятся неприемлемыми для оценки состояния подводной лодки с точки зрения остойчивости. Это объясняется тем, что при больших наклонениях происходит значительное изменение формы погруженного объёма и площади действующей ватерлинии, вследствие чего при больших кренах ось поворота уже не лежит в диаметральной плоскости, центр величины перемещается не по дуге окружности, поперечный метацентр не занимает постоянное положение в диаметральной плоскости, а меняет свои координаты (рис. 18).
Поэтому выведенная ранее метацентрическая формула поперечной остойчивости (1) недействительна для решения задач, связанных с большими углами наклонений. Но остойчивость, как и в случае малых наклонений, оценивается восстанавливающим моментом, который определяется как произведение силы веса подводной лодки на расстояние между линиями действия силы веса и силы плавучести: mθ = P GK, где GK = lθ — плечо остойчивости при больших углах крена.
Рис. 18. Изменение положения центра величины и поперечного метацентра подводной лодки при больших углах крена.
При постоянном водоизмещении и различных углах крена величина плеча остойчивости lθ определяет величину восстанавливающего момента, т. е. остойчивость подводной лодки. Поэтому необходимо знать величину плеча остойчивости при различных углах наклонения и характер её изменения под влиянием различных факторов.
Расчёт плеча остойчивости и восстанавливающего момента в корабельных условиях представляет определенную трудность. Поэтому эти расчёты выполняются в процессе проектирования подводной лодки сразу для ряда углов крена при определенных фиксированных значениях водоизмещения V и положения центра тяжести подводной лодки zg. Результаты расчёта представляются в виде графика зависимости плеча остойчивости и восстанавливающего момента от угла крена lθ = f (θ) и mθ = f (θ). Этот график называется диаграммой поперечной статической остойчивости. Поскольку между восстанавливающим моментом и плечом остойчивости существует линейная зависимость, то один и тот же график может служить одновременно диаграммой моментов и диаграммой плеч остойчивости. Для этого достаточно на оси ординат помимо масштаба плеч остойчивости нанести ещё и масштаб моментов.
Рис. 19. Диаграмма поперечной статической остойчивости подводной лодки
На рис. 19 показан типичный характер диаграммы поперечной остойчивости при наклонении подводной лодки на правый борт. Крен на этот борт считается положительным, а восстанавливающий момент mθ положителен, если он действует в сторону, противоположную положительному направлению крена. Вследствие симметрии подводной лодки относительно диаметральной плоскости диаграмма поперечной остойчивости при наклонении на левый борт имеет точно такую же форму, но расположена в третьей четверти системы координат.
Поскольку диаграмма строится при условии, что V = const и zg = const, то для каждой нагрузки подводной лодки должна быть построена своя диаграмма. Обычно рассчитываются и строятся диаграммы для крейсерского и позиционного положений подводной лодки.
Диаграмма статической остойчивости показывает, что с увеличением угла крена восстанавливающий момент mθ и плечо остойчивости lθ сначала возрастают, достигая максимума при некотором угле крена θmах, после чего начинают убывать, принимая нулевые значения при крене θз, а затем становятся отрицательными. Углы крена θmах, и θз называются соответственно углом максимума и углом заката диаграммы. У подводной лодки в крейсерском положении угол максимума θmах составляет обычно 40—60°, а угол заката θз, превосходит 90°. В подводном положении угол максимума и угол заката соответственно равны 90 и 180°.
С помощью диаграммы статической остойчивости можно определить положение равновесия подводной лодки при действии на неё кренящего момента, а также пределы остойчивости подводной лодки.
Условием равновесия подводной лодки, находящейся под действием кренящего момента mкр, является равенство по величине противоположно направленных восстанавливающего и кренящего моментов: mθ = mкр. Следовательно, для определения положения равновесия (угла крена) при действии кренящего момента достаточно нанести на диаграмму график кренящего момента mкр = f (θ). Точка пересечения графиков mθ и mкр определит положение равновесия подводной лодки.
Рис. 20. Определение условий остойчивости подводной лодки по диаграмме статической остойчивости
На рис. 20 показан случай действия на подводную лодку кренящего момента, величина которого не зависит от угла крена. Хотя кренящий момент практически всегда изменяется с изменением угла крена, не будет большой погрешности, если принять mкр = const.
Как видно из рисунка, условие равновесия выполняется в двух положениях подводной лодки — с кренами θа и θb. Положение равновесия при крене θа, остойчивое, поскольку при любых отклонениях от θа подводная лодка, будучи предоставлена самой себе, вновь вернётся в это положение. Так, при увеличении угла крена восстанавливающий момент будет больше кренящего и вернёт подводную лодку в положение θа. А при уменьшении угла крена кренящий момент превосходит восстанавливающий и также приведет подводную лодку в положение равновесия θа.
При крене θb положение равновесия подводной лодки неостойчивое — при отклонении от него подводная лодка или под действием кренящего момента опрокинется, или под действием восстанавливающего момента придет в положение θа.
Таким образом, при действии на подводную лодку кренящего момента остойчивое положение равновесия возможно лишь в пределах восходящего участка диаграммы — при крене, меньшем угла максимума θmаx. Это значит, что угол максимума диаграммы является предельным углом, до которого можно наклонить подводную лодку приложением к ней постоянного кренящего момента, не вызывая её опрокидывания. Кренящий момент mкр mах, создающий крен θmаx и равный по величине максимальному восстанавливающему моменту mθ mах, является предельным кренящим моментом, статическое приложение которого выдерживает подводная лодка. Момент mθ mах или плечо lθ max определяет запас поперечной статической остойчивости подводной лодки, плавающей без крена (рис. 19).
При плавании подводной лодки с углом крена θa (рис. 20) её остойчивость будет определяться участком диаграммы выше графика кренящего момента. Запас остойчивости накрененной подводной лодки выражается отрезком mθ mах — mкр, т. е. меньше чем у подводной лодки в прямом положении на величину кренящего момента, создающего крен подводной лодке.
Если подводная лодка получит крен в пределах θmаx < θ < θз и при этом кренящий момент будет снят или станет меньше восстанавливающего, то под действием положительного восстанавливающего момента она начнёт выпрямляться, пока не восстановится равенство mθmах=mкр, так что опрокидывание не произойдет.
Если же крен подводной лодки достигает величины θз, то восстанавливающий момент обращается в нуль, а затем становится отрицательным, т. е. при θ ≥ θз, даже в случае снятия кренящего момента подводная лодка опрокинется. Таким образом, угол заката диаграммы является предельным углом крена, до которого можно наклонять подводную лодку с тем, чтобы предоставленная самой себе (освобожденная от действия кренящего момента), она не опрокинулась. Наклонение подводной лодки до угла крена 0 ≥ θз всегда ведет к ее опрокидыванию и поэтому ни при каких обстоятельствах не допускается.
Используя диаграмму статической остойчивости, можно также, решать такую практическую задачу, как определение кренящего момента для создания заданного угла крена. Для этого на оси углов диаграммы откладывается заданный угол крена, восстанавливается перпендикуляр до пересечения с диаграммой статической остойчивости. Ордината точки пересечения дает величину кренящего момента, необходимого для создания заданного угла крена.
Поскольку начальная остойчивость есть частный случай остойчивости при больших наклонениях, то по диаграмме статической остойчивости можно определить и меры начальной остойчивости. Коэффициент поперечной остойчивости определяется как тангенс угла между осью углов и касательной к диаграмме статической остойчивости при θ=0° и поэтому в масштабе моментов выражается отрезком перпендикуляра, восстановленного на оси углов при θ=1 рад (57,3°) до пересечения с касательной. В масштабе плеч остойчивости этот отрезок выражает начальную поперечную метацентрическую высоту (рис. 21).
Рис. 21. Определение мер начальной остойчивости подводной лодки по диаграмме поперечной статической остойчивости.
Добавить комментарий