Żyroskopowy stabilizator statku

Co się dzieje

Dwa kadłuby o wyporności 300 t kołyszą się obok siebie na tej samej fali z trawersu; lewy ma w maszynowni stabilizator żyroskopowy. Każdy kadłub kołysze się zgodnie z równaniem I·d²φ/dt² = M_wave − c·dφ/dt − Δ·g·GM·sin φ − H·cos α·dα/dt, z okresem drgań własnych 6,88 s. Koło zamachowe o momencie bezwładności 100 kg·m², wirujące wokół pionu z prędkością do 9000 obr/min, jest osadzone w ramie kardanowej, która przechyla się ku dziobowi i ku rufie o kąt precesji α: kołysanie zmusza koło do precesji, a moment żyroskopowy precesji przeciwdziała kołysaniu. Oba momenty żyroskopowe łącznie nie wykonują pracy, więc stabilizator odbiera kołysaniu energię tylko przez hamulec ramy – tłumik o ograniczonym momencie – i przez jej ograniczniki. Silnik podtrzymuje wirowanie koła.

Przy falowaniu o momencie przechylającym 50 kN·m i okresie równym okresowi własnemu kadłuba kadłub bez stabilizatora kołysze się z amplitudą 12,2°, a stabilizowany – 1,9°, przy czym jego rama precesuje z amplitudą 28,8°. Przy 4500 obr/min amplituda kołysania wynosi 5,4°. Miękki hamulec 1500 N·m·s zostawia tylko 0,6° kołysania, ale pozwala ramie wychylać się o 32,9°; twardy, 20000 N·m·s, utrzymuje ramę w granicach 21,1°, a kołysanie rośnie do 4,6°. Przy falowaniu 150 kN·m rama uderza w ograniczniki przy 70°: kołysanie wynosi 14,0° wobec 34,2° kadłuba bez stabilizatora. Od zatrzymania silnik potrzebuje 55 min, by rozpędzić koło do 99 % zadanej prędkości.

Model: sztywny kadłub z liniowym ramieniem prostującym przy GM = 0,8 m i tłumieniem 5 %, na fali regularnej lub nieregularnej; ograniczniki ramy jako sztywna sprężyna z tłumikiem; bez sprzężenia z kołysaniem wzdłużnym, nurzaniem i myszkowaniem. RK4 z krokiem 1/120 s; bilans energii zamyka się pracą fal i silnika.

Co wypróbować

Porównaj kołysanie obu kadłubów, potem wyłącz i znów włącz stabilizator. Zmieniaj hamulec i prędkość koła zamachowego i obserwuj precesję; wywołaj silne falowanie i zobacz, jak rama uderza w ograniczniki.