Маневренные характеристики судна

Морской флот решает большие задачи по перевозке народнохозяйственных грузов и эффективность его работы во многом зависит от решения проблемы обеспечения безопасности мореплавания. Одним из путей решения этой существенной и важной проблемы является совершенствование и более качественная оценка маневренных качеств и элементов управляемости судна.

Значимость маневров последнего момента, связанных с элементами управляемости, оказывается практически неизмеримо большей, чем значимость маневра торможения в чистом его виде. Возможность выполнения маневров последнего момента целиком зависит от элементов управляемости судна: чувствительности судна, поворотливости и устойчивости на курсе. При воздействии на судно внешних силовых факторов (например ветровой нагрузки, течения) возможность выполнения отворота зависит от послушливости судна рулю.

Соответствие элементов управляемости судов условиям визуальной и радиолокационной видимости является необходимым условием безопасности судоходства, поскольку такой маневр, как отворот, является объективно возможным в условиях расхождения судов.

Именно поэтому данная тема остаётся актуальной всегда.

В связи с этим в данной дипломной работе была поставлена цель — рассмотреть особенности управления судном при движении по криволинейной траектории.

Для выполнения данной цели рассматривались:

1) стандарты маневренных характеристик судов;

2) характеристики поворотливости судна;

3) местоположение центра поворотливости судна при различных условиях;

4) влияние на поворотливость судна различных внешних факторов и воздействий;

5) особенности управления судов с подруливающим устройством.

1. Международная Морская Организация. Стандарты маневренных характеристик

Целью настоящего раздела является дать определенные разъяснения по применению Стандартов маневренных качеств, а также ознакомить с общими соображениями, которые легли в основу создания этих Стандартов.

На стадии проектирования торгового судна его маневренные характеристики обычно привлекают мало внимания. Основная причина этого заключается в недостатке нормативов по маневренным характеристикам, необходимых для конструирования и для использования их органами, регулирующими правила конструкции и постройки судов. Поэтому некоторые суда после их постройки обладают очень низкими маневренными качествами, что приводило к авариям и загрязнению морской среды. Конструкторы были вынуждены полагаться на то, что действия управляющих судном людей скомпенсируют недостатки маневренных качеств, «заложенные» в это судно еще при постройке. Внедрение стандартов маневренности дает возможность проектировать суда по унифицированным нормативам и снимет с судоводителей необходимость использовать свои навыки для компенсации недостаточной их маневренности.

Стандарты определялись так, чтобы они были просты, практичны и не требовали значительного увеличения времени испытаний или усложняли их. Стандарты основаны на том, что оценка маневренности судов может быть сделана по результатам обычных типовых маневренных испытаний. Предусматривается, что маневренные характеристики проектируемого судна должны удовлетворять Стандартам еще на стадии проектирования, а действительные маневренные характеристики должны подтвердиться испытаниями. Альтернативно, соответствие Стандартам может быть продемонстрировано результатами натурных испытаний, хотя Администрация может потребовать действий по исправлению 'положения, если обнаружится, что маневренные качества судна существенно расходятся с промежуточными стандартами. После выполнения судовых испытаний судостроитель должен оценить надежность методов расчета маневренности, использованных на стадии проектирования и постройки судна.

1.1 Маневренные характеристики судна

«Маневренные характеристики», упоминаемые в Промежуточных стандартах маневренных качеств судна, являются типичными оценками маневренных качеств и управляемости, что представляет непосредственный интерес для судовождения. Каждая из них может быть достаточно точно рассчитана на стадии постройки судна и измерена на основе выполнения типовых маневров.

При дальнейшем изложении предполагается, что судно имеет обычные средства для управления поступательным движением и направлениям движения (т.е. расположенные в корме винт и руль). Вместе с этим, многие из определений и решений применимы также и к судам, оборудованным другими средствами управления движением.

В принятой терминологии в перечень вопросов, относящихся к маневренности судна, включены устойчивость установившегося движения с «зафиксированными средствами управления», также как и временные значения реакций, которые возникают в результате действий средств управления, используемых для сохранения или изменения установившегося движения, для обеспечения движения судна по заданному пути или для выполнения экстренного маневра и т. п. Некоторые из этих действий считаются особенно важными для маневренности судна и поэтому должны удовлетворять определенным минимальным стандартам. Вместе с этим судоводитель, требующий применения наиболее высоких стандартов в каком-либо отношении, должен помнить, что некоторые требования являются в границах обычных конструктивных решений несовместимыми. По этим причинам некоторые формулировки Стандартов ИМО в отношении маневренности судна являются компромиссными.

При данной мощности двигателя и угле кладки руля д судно может приобрести определенное установившееся движение. Вообще говоря, это будет криволинейное движение с постоянными значениями скорости изменения курса ш при скорости V и угле дрейфа в (нос судна направлен внутрь поворота). Радиус поворота в данном случае определяется следующим выражением:

R = V/ш (1.1.)

Такое состояние системы «судно-угол кладки руля» обычно называется «динамически стабильным на повороте радиусом R». Следовательно, прямой курс может рассматриваться, как часть окружности с бесконечным радиусом и нулевым значением скорости поворота.

Большинство судов, по-видимому, являются «динамически стабильными на прямом курсе» (обычно говорят «динамически устойчивыми»), когда руль находится в нейтральной позиции вблизи к диаметральной плоскости. Для одновинтового судна с винтом правого шага нейтральное положение руля обычно бывает равным значению д₀ = -1° (т.е. в положении 1? на правый борт). Динамически неустойчивые суда могут сохранять прямой курс только с помощью повторяющегося действия рулем. Если небольшая неустойчивость в общем-то приемлема, значительная нестабильность может быть исключена только надлежащим подбором судовых пропорций и формой кормовых обводов.

Поступательное движение судна определяется упором винта, силами гидродинамического сопротивления и присоединенными массами, действующими на корпус. При маневре боковая сила, возникающая при кладке руля, зачастую мала по сравнению с другими латеральными силами. Однако прилагаемый управляющий момент в большинстве случаев достаточен для обеспечения баланса сил или для преодоления результирующего момента этих внешних сил. При повороте с постоянным углом кладки руля достигается полный баланс между всеми силами и моментами, действующими на корпус. Некоторые из этих сил являются стабилизирующими, другие — дестабилизирующими. Так, тормозящий момент, возникающий при изменении курса и который всегда препятствует повороту, является стабилизирующим, а момент, связанный с действием поперечной силы при повороте, является дестабилизирующим. Любое небольшое нарушение положения равновесия на повороте с постоянным углом кладки руля вызывает изменения в балансе сил и моментов. Если судно динамически устойчиво на повороте (или на прямом курсе), прямым следствием такого изменения баланса будет стремление противодействовать повороту или прямолинейному движению.

Общее аналитическое значение критерия динамической устойчивости может быть получено и оценено с помощью коэффициентов математической модели, описывающей движение судна. Критерий для динамической устойчивости на прямом курсе содержит только четыре «линеаризированных производных устойчивости», которые совместно с положением центра тяжести, можно использовать в качестве уровня динамической устойчивости. Этот уровень определяется продольным расстоянием от центра приложения боковой силы, возникающей вследствие бокового смещения, до точки приложения результирующей боковой силы, возникающей при повороте и включающей массовую силу даже при небольших отклонениях от прямолинейного движения. Если это расстояние положительно (в направлении положительных значений х, т. е. к носу), то судно устойчиво.

Значение уровня динамической устойчивости обычно варьируется от величины 0,1L (где L — длина судна) для сухогруза с хорошими обводами корпуса до величины 0,1L для широкого с полными обводами танкера. Изменение дифферента будет иметь заметный эффект на положение центра приложения боковой силы, образующейся при боковом смещении. Нетрудно заметить, что судно с дифферентом на корму (обычная ситуация для испытаний судна в балласте) по-видимому будет более устойчиво, чем тогда, когда оно находится на ровном киле.

На рис. 1.1 дан пример равновесия отношения скорости поворота для судна, которое по своей природе динамически неустойчиво на прямом курсе.

Скорость поворота представлена в безразмерной форме; эта кривая часто называется «петля спиральной кривой», так как ее можно получить в результате испытаний судна или модели на спираль. Пунктирная часть кривой может быть получена только по испытаниям на обратную спираль. Если склон петли положителен, что указывается касательной, снижающейся в правую часть графика, то равновесие является неустойчивым. Судно, неустойчивое на прямом курсе, будет стабильно на повороте, несмотря на то, что руль будет находиться в диаметральной плоскости или в нейтральном положении.

Рис. 1.1. Пример равновесия отношения скорости поворота для судна, которое по своей природе динамически неустойчиво на прямом курсе

Кривая такого стабильного поворота называется «высота петли» и может быть получена при испытаниях на «выход из циркуляции». Высота и ширина петли, а также ее наклон относительно начала координат могут рассматриваться как мерило неустойчивости.

Если же движение судна происходит не в состоянии равновесия, что является общим случаем, возникает не только разбалансирование тормозящих сил, но также и гидродинамических сил, связанных с дополнительной инерцией водных масс, обтекающих корпус. Поэтому при неизменном положении руля судно будет стремиться к новому стабильному равновесию, показанному стрелками и маленькими кружочками на рис. 1.1. Если положение руля меняется (кладется на другую сторону), направление судна на кривой равновесия становится обратным и первоначальная тенденция к повороту компенсируется своевременной перекладкой руля можно полностью управлять судном на прямом курсе, так как углы кладки руля и скорость поворота останутся внутри петли.

Способность сохранять направление движения или устойчивость на курсе зависит, очевидно, от замкнутой системы, в которую входят не только судно и руль, но также и погрешности курсоуказателя и системы управления. Поэтому допустимая величина собственной динамической нестабильности снижается при увеличении скорости (количество проходимых длин судна за данный период увеличивается). Это происходит потому, что человек-рулевой ограничен в способности восприятия и своей реакцией. Этот факт находит отражение в Стандартах ИМО, в которых критерий приемлемого значения первого угла зарыскивания при выполнении испытания зигзаг включает зависимость от отношения L/V, т. е. фактора, характеризующего «постоянную времени» судна и временное развитие процесса.

Для управления в техническом смысле допустимое значение собственной нестабильности может быть выражено с помощью «запаздывания по фазе». Если руль отклоняется с заданной амплитудой, то и направление судна отклоняется также с этой амплитудой и с этой частотой. Однако, вследствие инерционности и затухания в судовой динамике и временных задержек в рулевой машине, эта амплитуда будет по значению меньшей, а частота — более высокой, означая, что ответная реакция судна будет все больше и больше запаздывать от кладки руля. При каком-то определенном значении частоты реакция судна на перекладку руля все еще достаточно велика для управления отклонением его движения, прежде чем колебания окончательно разойдутся (т.е. фазовое расхождение с реакцией судна должно быть менее 180°). Если курсом управляет рулевой-человек, замыкая систему обратной связи, то он фактически будет способен противодействовать отклонению судна, используя некоторую «фазу опережения». Различные исследования показывают, что эта фаза опережения может быть порядка от 10° до 20°. В настоящее время нет прямых методов оценки фазовых значений при выполнении обычных испытаний маневренности.

Очевидно, что устойчивость судна на курсе будет зависеть не только от своевременности перекладки руля, но также и от того, насколько эффективно руль может создать момент, достаточный для предотвращения чрезмерных амплитуд отклонений от курса. Величина угла зарыскивания сама по себе еще недостаточна для выделения факторов, противодействующих нестабильности, а также эффективности руля, поэтому требуются дополнительные характеристики. Такие, как например «время до выполнения второго действия», которое является мерилом «начальной поворотливости» и уменьшается как при большой неустойчивости, так и при высокой эффективности руля.

Из сказанного следует, что большая динамическая нестабильность будет благоприятствовать хорошей поворотливости, а большое затухание зарыскивания, улучшая устойчивость судна на курсе, будет обычно сопровождаться увеличением радиусов поворота. Все это можно видеть по тонкой сплошной кривой для устойчивого судна на рис. 1.1.

Чрезмерная поворотливость допустима, главным образом, при маневрировании на малом ходу в стесненных водах. С другой стороны малые значения выдвига и тактического диаметра являются весьма ценными при маневрировании на обычных скоростях для предотвращения столкновений.

Маневр «аварийный задний ход» предназначается, главным образом, для проверки работоспособности машины и винта после реверсирования. Тормозной путь является, в основном, функцией отношения мощности на заднем ходу к водоизмещению судна. Испытания для определения величины тормозного пути включены в Стандарты для того, чтобы можно было сравнить ее с результатами испытаний на циркуляцию с точки зрения падения первоначальной скорости и боковых отклонений.

Стандарты ИМО выделяют 6 наиболее существенных качеств для оценки маневренных характеристик судна:

1) Собственная динамическая устойчивость: Судно является динамически устойчивым на прямом курсе, если оно после небольшого внешнего воздействия быстро ложится на новый прямой курс без дополнительного действия рулем. При этом окончательная величина отклонения от первоначального курса будет зависеть от степени собственной устойчивости и от величины и продолжительности внешнего воздействия.

2) Устойчивость на курсе: Качество устойчивости на курсе является мерилом способности управляемого судна сохранять прямолинейное движение в направлении заданного курса без чрезмерных отклонений руля или отклонений от курса. В большинстве случаев, достаточно уверенной контроль курса все еще возможен, если собственная динамическая неустойчивость ограничена по величине.

3) Начальная поворотливость: Начальная поворотливость определяется реакцией судна к изменению курса при умеренной кладке руля и измеряется изменением курса на единицу пройденного расстояния (число Р) или же в единицах расстояния, проходимого до момента обнаружения отклонения от курса (например, «время до второго действия» при вхождении в маневр зигзаг).

4) Контроль рыскливости: Рыскливость судна это качество, характеризующее его реакцию на перекладку руля в противоположную сторону, как например, это имеет место при выполнении маневра зигзаг, когда перекладка руля для погашения тенденции движения не дает немедленного результата и происходит зарыскивание судна.

5) Поворотливость: Поворотливость — это способность судна к изменению курса при предельном угле кладки руля. Результатом оценки поворотливости являются минимальный выдвиг при изменении курса на 90° и «тактический диаметр», определяемый на момент положения судна при изменении курса на 180°. Величина окончательного диаметра поворота также представляет интерес.

1.2 Требуемые стандартами испытания

1.2.1 Испытания поворотливости и на зигзаг

Должен быть выполнен маневр циркуляции как на правый, так и на левый борт при углах кладки руля 35° (или максимальном конструктивно-допустимом угле кладки руля) при скорости, на которой проводятся испытания. Руль кладется на заданный угол после того, как будет достигнуто нулевое значение скорости рыскания. Самой важной информацией в результате этих испытаний являются тактический диаметр циркуляции, выдвиг и прямое смещение.

Испытания на зигзаг начинаются с перекладки руля на заданный угол из первоначального положения его в диаметральной плоскости («первое действие»). Затем, когда направление движения изменится на определенное значение от первоначального, руль перекладывается на заданный угол на другой борт («второе действие», см. рис. 1.2.).

В Стандарты включены два вида испытаний на зигзаг — 10°/10° и 20°/20°. В первом случае угол кладется на 10° любого борта и затем, когда направление движения изменится на 10°, перекладывается на такой же угол другого борта. Во втором случае угол кладки руля и изменение направления движения составляют 20°. Наиболее важной информацией, полученной из этих испытаний, являются величины углов зарыскивания, время до второго действия и время, необходимое на компенсацию зарыскивания.

Рис. 1.2. Испытание зигзаг

1.3 Руководство по выполнению испытаний

1.3.1 Процедура испытаний

Общие замечания.

Оговоренные ниже процедуры испытаний подготовлены для того, чтобы применение стандартов маневренных качеств судостроительными предприятиями и другими организациями осуществлялось в соответствии с процедурами в отношении испытаний новых судов или в отношении испытаний дополнительных испытаний маневренных качеств судна. Руководство по процедурам проведения испытаний, которые должны быть выполнены, необходимо для получения достаточных данных для оценки маневренности судна по установленным критериям.

Условия испытаний.

Обстановка.

Испытания на маневренность должны проводиться при самых спокойных погодных условиях. С географической точки зрения необходимо, чтобы акватория имела достаточные глубины, была укрытой и обеспечивала точные определения места судна. Испытания должны проводиться при следующих условиях:

1) Глубокая нестесненная акватория; глубины должны превышать 4-кратную осадку судна.

2) Ветер — не более 5 баллов по шкале Бофорта.

3) Волнение — не более 4 баллов.

4) Течение — только постоянное.

Загрузка судна Судно, по возможности, должно быть загружено до полной осадки в грузу и на ровный киль; однако допускаются отклонения на 5% от значений осадки и отклонения от ровного киля на 5% при значениях осадки в полном грузу.

Альтернативно, судно может быть в балласте с минимальным дифферентом и достаточным погружением грубного винта.

Курс Предпочтительно, чтобы курс был против ветра.

Машина В течение всего времени испытаний машина должна работать в одном режиме, если не потребуется другое, оговоренное в нижеследующих процедурах.

Движение перед началом испытаний Все оговоренные выше условия должны соблюдаться по крайней мере в течение 2 минут до начала испытаний. Если судно идет против ветра на оговоренной скорости, действия рулем для удержания его на курсе должны быть минимальными.

Маневр на циркуляцию Испытания должны выполняться на правый борт и на левый борт при максимальном угле кладки руля без изменения режима работы машины, установленного для достижения первоначальной скорости. Рекомендуется выполнение следующих процедур:

1) Судно ложится на устойчивый курс и сохраняет скорость в соответствии с оговоренными условиями для движения перед началом испытаний.

2) Фиксируется момент начала испытаний.

3) Маневр начинается с подачи команды положить руль на максимальный угол. В течение всей циркуляции положение руля и режим работы машины должны оставаться постоянными.

4) Циркуляция продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто изменение курса на 360°. При этом рекомендуется с целью оценки влияния внешних условий выполнить циркуляцию на 720.

5) Маневр закачивается, данные фиксируются.

Маневр зигзаг Руль кладется на 10° и контрольное изменение курса составляет тоже 10°. Для другого варианта маневра эти величины будут по 20° соответственно. Испытания должны выполняться как на правый, так и на левый борты, при этом рекомендуется:

1) Судно ложится на устойчивый курс и сохраняет свою скорость в соответствии с оговоренными условиями для начала испытаний.

2) Фиксируются данные на момент начала испытаний.

3) Подается команда положить руль на 10° вправо / влево.

4) Когда курс измениться на 10°, руль перекладывается в положение 10° влево / вправо. Фиксируется угол зарыскивания и судно начинает поворачиваться в противоположном направлении, пересекая первоначальный курс.

5) Когда курс судна измениться на 10° влево / вправо от первоначального курса, руль снова перекладывается, как это делалось раньше.

6) Процедура продолжается до тех пор, пока судно не пересечет основной курс по крайней мере 2 раза.

7) Маневр заканчивается, результаты фиксируются.

1.3.2 Регистрация данных

При проведении каждого испытания появляется возможность получить важную информацию для оценки поведения судна. Регистрация данных может выполняться вручную или автоматически с использованием аналоговой или цифровой техники. При регистрации вручную рекомендуется использовать световые / акустические сигналы синхронизации.

Данные о судне Непосредственно перед испытаниями должны быть считаны значения осадки носом и кормой, рассчитано водоизмещение судна, продольное положение центра тяжести и метацентрическая высота. Кроме того, необходимо знать геометрию, планы сечений и особенности управления. Необходимо привести в рабочее состояние машину, винт, руль, подруливающие и другие устройства.

Окружающая обстановка Перед каждым испытанием следует зафиксировать:

1) Глубины.

2) Волнение моря: если наблюдается зыбь, регистрируется ее период и направление.

3) Течение: испытания следует проводить в хорошо исследованном районе и данные о существующих течениях следует извлечь из соответствующих гидрографических сведений. Следует произвести корреляцию относительно состояния прилива.

4) Погода: погодные условия, включая состояние видимости, также должны регистрироваться.

2. Характеристики поворотливости судна

Стандартный способ выяснить характеристики поворотливости судна следующий: совершить несколько полных поворотов при разных условиях и записать результаты каждого.

Полный поворот называется циркуляцией.

Рис. 2.1. Элементы циркуляции судна

Геометрически траектория характеризуется следующими элементами циркуляции:

— выдвиг l1 — расстояние, на которое смещается ЦТ судна в направлении первоначального курса от начальной точки циркуляции до точки, соответствующей изменению курса на 90°;

— прямое смещение 1₂ — расстояние от линии первоначального курса по нормали до ЦТ судна к моменту изменения курса на 90°;

— обратное смещение l3 — максимальное смещение ЦТ судна от линии первоначального курса в сторону, обратную направлению поворота, происходящее в начале циркуляции под влиянием боковой силы руля, вызывающей дрейф судна (обратное смещение обычно не превышает ширину судна, а на некоторых судах не наблюдается вовсе);

- тактический диаметр циркуляции D_т — расстояние между положениями ДП судна до начала поворота и в момент изменения курса на 180°;

- диаметр установившейся циркуляции D_уст — расстояние между положениями ДП судна на двух последовательных курсах, отличающихся на 180° при установившемся движении.

Условно можно считать, что после поворота на 180° от начального курса движение приобретает установившийся характер, а траектория принимает форму, близкую к окружности.

Рассмотрим основные элементы циркуляции, методы их определения и способы учета.

Если в точке, А начали перекладывать руль «право на борт», то некоторое время судно будет продолжать следовать прежним курсом и только в точке В начнет поворачиваться, причем в первый период центр массы судна смещается в сторону, обратную повороту, на величину l, называемую обратным смещением. Величина l обычно не превышает половины ширины судна ив практике судовождения не учитывается. В дальнейшем центр массы судна начинает перемещаться в сторону перекладки руля по кривой, радиус которой постепенно уменьшается до момента, когда угловая скорость изменения курса достигнет своего наибольшего значения. Это происходит при угле поворота на 120 — 180°, после чего движение центра массы будет совершаться по окружности. Время от начала перекладки руля до момента начала поворота судна в сторону перекладки называется предварительным периодом циркуляции. Величина этого периода зависит от типа судна, его инерции, наличия ветра и волнения и достигает на современных крупнотоннажных судах 1 мин, что необходимо учитывать при поворотах, а особенно при маневрировании. После этого начинается период неустановившейся циркуляции, который продолжается до тех, пор, пока циркуляция не станет близка к окружности. Дальнейшая циркуляция называется установившейся и характеризуется диаметром Dy. Расстояние между линией первоначального курса и диаметральной плоскостью (ДП) судна в момент поворота на обратный курс называется тактическим диаметром циркуляции D_T, а время, за которое судно повернет на обратный курс, называется эволюционным периодом циркуляции, Т180° или временем циркуляции на 180°.

Рис. 2.2. Поворот по инерции и поворот с ускорением Рис. 2.3. Накренение при выполнении поворота Рис. 2.4. Накренение при выполнении поворота

3. Точка поворотливости судна

судно поворотливость криволинейный маневренный Судно вращается вокруг точки, расположенной на продольной оси судна, которая называется `точкой поворотливости судна'. Когда к судну прикладывается сила, это приводит к повороту судна (например, с помощью руля). На переднем ходу точка поворотливости судна располагается на расстоянии равном от ¼ до 1/3 длины судна от носа судна, а на заднем ходу она располагается на соответствующем расстоянии от кормы. В случае судна, не имеющего хода вперед относительно воды, но осуществляющего поворот, расположение точки поворотливости будет зависеть от величины и положения прилагаемой силы (прилагаемых сил), независимо от того, будут ли они приложены от рулевого устройства, носовых подруливающих, буксиров, ветра или иных источников.

3.1 Местоположение точки поворотливости судна

Поскольку точка поворотливости судна смещается по мере выполнения судном маневрирования, важно иметь представление о возможном местоположении точки поворотливости судна при различных условиях для того, чтобы предвидеть изменения во вращательном движении. Вращательное движение судна происходит вокруг вертикальной оси, расположенной на линии, проходящей через диаметральную линию судна. На местоположение оси влияют:

— Форма корпуса судна;

— Направление и скорость движения судна;

— Точка приложения силы;

— Величина сил, воздействующих на судно;

Давайте рассмотрим, как точка поворотливости судна перемещается в зависимости от «обстоятельств» и её воздействие на плечо поворота.

Рис. 3.1. Схема возможных перемещений судна

3.1.1 Местоположение точки поворотливости судна при разных условиях

В случае судна в грузу, не имеющего хода относительно воды, на ровном киле, точка поворотливости судна расположена очень близко к центру тяжести, т. е. практически на середине длины судна.

Рис. 3.2. Местоположение точки поворотливости судна

Сразу после начала движения вперед. У судна на ходу под действием гребного винта (после того, как преодолена инерция и до того как начнет ощущаться продольное сопротивление) точка поворотливости смещается в направлении движения судна — в нос или в корму и это новое положение временно находится на расстоянии 1/8 длины судна от носа или от кормы, в зависимости от обстоятельств — направления движения судна (или направления вращения гребного винта). Это временное положение точки поворотливости судна продвинутое в нос предоставляет достаточное плечо поворота и используется для маневрирования судном рывками.

Рис. 3.3. Местоположение точки поворотливости судна сразу после начала движения

Судно на ходу, движется вперед назад:

Когда судно начинает движение относительно воды и как только начнет испытываться продольное сопротивление в носовой (или кормовой) части судна, точка поворотливости судна перемещается в направлении силы (сопротивления), т. е. в корму при движении судна вперед и в нос при движении судна назад. При постоянной скорости, точка поворотливости судна устанавливается в точке примерно на расстоянии ¼ длины судна от носа, когда судно имеет передний ход, или расстоянии ¼ длины судна от кормы, когда судно имеет задний ход.

Рис. 3.4. Местоположение точки поворотливости судна Если, в то же самое время, судно также имеет боковой (в поперечном направлении) момент инерции, это может повлиять на местоположение точки поворотливости судна — из-за поперечных сил и бокового сопротивления. Это имеет особую важность, когда судно осуществляет поворот.

Местоположение при повороте

Точка поворотливости судна, осуществляющего поворот, зависит от соотношения длины судна к его ширине. Общепринято считать, что точка поворотливости судна, имеющего ход и поворачивающего при помощи руля лежит на расстоянии примерно 1/3 длины судна от его носа по причине поперечного перемещения точки поворотливости дальше в корму (из точки, находящейся на расстоянии ¼ длины судна при постоянной скорости).

Судно не имеющее хода относительно воды и начинающее поворот с движителем работающим на передний ход (не воздействуют никакие внешние факторы).

Судно начинает поворот с перекладкой руля и движителем, работающим на передний ход (либо малый, либо средний, либо полный).

Это дает достаточное плечо для начала движения поворота прежде чем судно наберет скорость или сразу после того, как судно начнет движение вперед.

Поскольку судно движется вперед после преодоления инерции, сопротивление воды носу судна, в конце концов, уравновешивает тяговую силу переднего хода при устоявшейся скорости и точка поворотливости смещается в корму в точку на расстоянии ј длины судна от носа.

При устоявшейся скорости, при осуществлении поворота, поперечное сопротивление (по носу с того борта, на который поворачивает судно и по корме в противоположном направлении) также начинает действовать и сдвигает точку поворотливости дальше в корму в точку на расстоянии примерно 1/3 длины судна от его носа. По этой причине плечо поворота уменьшается, а силы давления воды на руль становится менее эффективной.

По мере того как судно начинает поворот, оно скользит в поперечном направлении по отношению к воде, как вначале, так и в ходе выполнения поворота и встречает сопротивление воды вдоль всего борта, в сторону которого поворачивает судно. Это также приводит к уменьшению силы давления воды на руль.

Поворот при постоянной скорости.

Сила давления воды на руль и боковое сопротивление уравновешиваются при постоянных оборотах движителя. Таким образом, радиус циркуляции на малых, средних и полных оборотах машины становятся сопоставимыми. Единственное отличие заключается во времени, которое требуется для выполнения поворота и, следовательно, скорость поворота.

Потеря скорости на циркуляции.

Скорость при выполнении поворота всегда подвержена значительному снижению, потому что во время поворота судно движется вперед и вбок и потому испытывает сопротивление со стороны борта, которое действует в качестве тормоза. Снижение скорости может составлять от 30% до 50%. Этот факт может быть использован для снижения скорости (путем перекладки руля или поворота по полному кругу), если имеется достаточное место для выполнения маневра.

Рис. 3.5. Поворот при постоянной скорости

Повороты на месте и способом «Толчки вперед»

Сведение бокового сопротивления к минимуму и доведение силы давления воды на руль до максимума позволяет получить standing turn. Первоначально поворот начинается судном, не имеющим хода относительно воды или движущимся на очень малой скорости. Затем машиной выполняются `толчки вперед'. Сила давления воды на руль возрастает в это время до его максимального значения, плечо поворота — оптимальное и, следовательно, поворот выполняется быстрее.

Когда судно повернется на 90є, поперечные силы начнут замедлять поворот, а сила давления воды на руль станет менее эффективной, потому что точка поворотливости сдвинется из точки, расположенной на расстоянии ¹/₈ длины судна до ј -^1/₃ длины судна. Для того чтобы сохранить поворотливость, необходимо будет сбросить скорость и снова осуществлять толчки вперед для достижения максимальной силы давления воды на руль и пониженного бокового сопротивления.

3.2 Практическое применение смещающегося положения точки поворотливости судна

Смещающееся положение точки поворотливости судна влияет на вращающие силы и, следовательно, на процесс управления судном. Например:

1.) Когда судно имеет передний ход, точка поворотливости находится в точке, расположенной примерно на расстоянии ј длины судна от его носа. Если судно при таких условиях будет буксироваться методом толкания или тяги в поперечном направлении, либо с помощью носового подруливающего устройства, расстояние между точкой поворотливости и прилагаемой к судну силой (плечо поворота) уменьшается и поворотливость снизится. В таком случае эффективнее будет использовать руль, а не носовые подруливающие устройства.

2.) Всякий раз, когда судно имеет инерцию переднего хода точка поворотливости смещена в нос и расстояние между точкой поворотливости и силой давления воды на руль максимально. Руль в таких условиях наиболее эффективен. Этот факт используется при осуществлении маневрирования толчками.

Судно, обладающее устойчивостью на курсе.

Судно является устойчивым на курсе в том случае, если отклонение от заданного курса увеличивается только когда воздействует какая-либо внешняя сила или момент движения, которая и вызывает отклонение. С другой стороны, судно считается неустойчивым на курсе, если отклонение от курса начинается или продолжается даже в отсутствие внешней причины.

Судном, неустойчивым на курсе, нелегко маневрировать. Судно устойчивое на курсе требует меньших затрат энергии на удержание его на заданном курсе.

Вообще говоря, устойчивость или неустойчивость на курсе можно определить путем рассмотрения боковой проекции подводной части судна. Если площадь корпуса и его выступающих частей сосредоточена ближе к кормовой части судна, и они расположены симметрично по обеим сторонам диаметральной линии — тогда судно вероятнее всего является устойчивым на курсе. Гидродинамическая устойчивость связана со следующими характеристиками корпуса судна.

При увеличении длины судна, увеличивается и его устойчивость на курсе;

Увеличение коэффициента ширины и полноты приведет к снижению рыскливости;

Увеличение осадки улучшает устойчивость на курсе, а дифферент в корму приводит к еще большему улучшению;

Характеристики судна с неважной устойчивостью на курсе можно до некоторой степени улучшить путем увеличения площади руля до максимального значения в 2% всей боковой площади подводной части судна.

Суда с более острыми обводами гораздо легче в управлении. Крупнотоннажные суда, такие как супертанкеры, как правило, неустойчивы на курсе.

Носовое подруливающее устройство будет эффективно при движении судна назад, поскольку точка поворотливости окажется на корме и носовые подруливающие устройства будут обладать большим плечом поворота.

Так как точка поворотливости будет находиться в корме, более эффективным будет буксир у носа судна.

Таблица 3.1

3.3 Специальные маневры

Этот раздел предназначен для понимания и планирования маневров и порядка действий, таких как действия по тревоге «человек за бортом» и при постановке на якорь, которые смогут быть начаты вахтенным помощником капитана по своему усмотрению, пока капитан не прибыл на мостик. Курсантам следует учесть, что эти подобные маневры невозможно отработать в реальных условиях по очевидным причинам. Поэтому очень важно, чтобы порядок действий был правильно понят.

Маневрирование для осуществления спасания

Невозможно назвать наилучший маневр, который подходил бы во всех ситуациях. Важно помнить, что:

— предпринимаемое действие должно учитывать преобладающие условия;

— оно должно быть направлено на спасение жизни или жизней, насколько это возможно;

— предпринимаемые действия или маневры не должны подвергать опасности жизни других людей.

Международное руководство для торговых судов по поисково спасательным операциям (IAMSAR) описывает подробности маневров, которые позволят судну вернуться как можно ближе к тому месту, в котором, как предполагается, человек упал за борт.

Рис. 3.6. Поворот Вильямсона Рис. 3.7. Поворот Шарнова

4. Влияние коэффициента L/B на поворотливость судна

На управляемость судна оказывают влияние параметры корпуса, к которым в первую очередь относятся: отношение длины к ширине L/B, коэффициент общей полноты Св, дифферент, а также форма кормовой оконечности, характеризуемая площадью кормового подзора (площадь подреза кормы) f_K.

Рис. 4.1

Площадь f_к ограничивается кормовым перпендикуляром, линией киля (базовой линией) и контуром кормы. В качестве критерия подреза кормы можно использовать коэффициент уk

уk=1 ;

где d — средняя осадка, м.

Параметр у_к является коэффициентом полноты площади ДП.

К параметрам руля, существенно влияющим на управляемость, относятся его площадь, форма и размещение.

Форма руля характеризуется его относительным удлинением, определяемым по формуле, лр=

где h — высота руля по баллеру, м;

Sр — площадь пера руля,;

Рассмотрим отдельно влияние каждого из перечисленных параметров на управляемость.

Отношение L/B. Увеличение отношения L/B приводит к росту сопротивления поперечному перемещению, что приводит к уменьшению угла дрейфа на циркуляции и, следовательно, к сохранению высокой линейной скорости, так как лобовое сопротивление при малых углах дрейфа возрастает незначительно. Таким образом, суда с относительно большим отношением L/B обладают худшей поворотливостью и лучшей устойчивостью на курсе.

Коэффициент Св. Увеличение Св приводит к уменьшению силы R_y и уменьшению демпфирующего момента M_R, а следовательно, к улучшению поворотливости и ухудшению устойчивости на курсе.

Дифферент. Увеличение дифферента на корму приводит к смещению ЦБС от миделя в сторону кормы, поэтому возрастает устойчивость на курсе и ухудшается поворотливость. С другой стороны, дифферент на нос резко ухудшает устойчивость на курсе — судно становится рыскливым, что усложняет маневрирование в стесненных условиях.

5. Влияние внешних факторов на поворотливость судна

5.1 Влияние мелководья на траекторию циркуляции

Поворотливость судна также зависит от глубины воды. В качестве приближения можно принять, что судно может испытывать влияние мелководья, когда глубина воды составляет менее двух осадок судна, т. е. глубина под килем меньше самой осадки. Давайте рассмотрим случай судна, поворачивающего право на борт с глубиной под килем меньше чем его осадка. Сперва будет наблюдаться, что корму будет заносить влево, давление воды по левому борту будет нарастать, в корму от точки поворотливости, вследствие ограниченной глубины под килем. Рулю в такой ситуации приходится преодолевать гораздо большее боковое сопротивление и он, по этой причине будет менее эффективен. Во-вторых, в носовой части судна по причине меньшей глубины под килем, вода, которая обычно проходит под судном, встретится с препятствием, и ее давление будет нарастать, как прямо по носу, так и слева по носу. Это приводит к нарушению равновесия момента движения судна вперед и продольного сопротивления и смещает точку поворотливости назад. Из-за сочетания этих двух воздействий судно быстро теряет КПД руля, которое оно имело бы при больших глубинах. На рис. 5.1. ниже показана разница в кривых циркуляции одного и того же судна на глубокой и мелкой воде.

Рис. 5.1. Влияние мелководья на траекторию циркуляции, руль 20?

5.2 Влияние ветра

Ветер может быть злейшим врагом судоводителя в вопросах управления судна. На сбавленной скорости ветер может привести к катастрофическим результатам. Тем не менее, ветер не будет представлять проблем для судоводителя, который понял, как ветер влияет на судно. В определенных случаях судоводитель может извлекать выгоду из ветра, превращая, таким образом, потенциального врага в своего друга.

Ветер воздействует на судно путем приложения сил и создания момента движения. Эти силы и момент движения являются функцией от боковой проекции надводной части судна, той площади, которая подвергается воздействию ветра, относительной скорости ветра и относительного направления ветра.

Величина скорости ветра обычно приводится как усредненная за 10 минут или за час, действующая на высоте 10 метров над средним уровнем моря.

Очень полезно иметь количественное представление о фактической силе, которая воздействует на судно под влиянием ветра. Чтобы получить достаточно точную приблизительную величину этой силы, было бы полезно рассмотреть ветер с траверза. Общую площадь, подвергающуюся воздействию ветра можно приблизительно выразить как:

Длина наибольшая x Максимальная высота надводного борта = Площадь парусности судна

Приблизительная сила ветра в тоннах на 1000 кв. м. может быть рассчитана так:

V = скорость ветра (м/сек)

затем

Сила (тонны) на 1000 кв. м. = V² / 18

Важно отметить, что сила прикладываемая ветром, изменяется как квадрат скорости ветра, о чем свидетельствует график, приведенный ниже. Небольшое увеличение скорости ветра приводит к большому воздействию на судно.

Судоводитель должен уметь вызывать в своем воображении картину воздействия ветра на судно. Для облегчения этой задачи, он должен уметь добиваться достаточно точного определения места приложения силы ветра. Давайте примем, что ветер практически — галфвинд. Для судна со всеми надстройками на корме и на ровном киле это будет означать, что центр приложения силы ветра будет расположен чуть позади миделя. Плечо поворота в таком случае составляет расстояние GP (Между точкой приложения ветра и центром циркуляции), как показано на рисунке.

Рис. 5.2. Зависимость силы давления ветра на корпус судна от скорости ветра Когда судно имеет ход вперед, смещение точки поворотливости в нос приведет к тому, что носовая часть судна будет разворачиваться на ветер. На ходу назад точка поворотливости сместится в корму и поэтому кормовая часть судна будет отходить от ветра.

Рис. 5.3. Влияние ветра для случая, когда судно не имеет хода относительно воды Хотя большая площадь надстройки и трубы будут представлять из себя поперечное сечение значительных размеров, подверженное влиянию ветра, необходимо также учитывать и площадь надводного борта от мостика до носа. В случае супертанкера это будет весьма внушительная площадь. Если у супертанкера будет иметься дифферент в это время, то центр приложения силы ветра может оказаться гораздо дальше в нос, чем ожидалось.

Большой дифферент на корму может существенно изменить характеристики управления судном. Увеличение площади надводного борта сместило G в нос, очень близко к P, когда судно имеет ход вперед. Поэтому плечо поворота очень мало. Когда судно имеет задний ход, точка поворотливости смещается в корму. В таком случае плечо поворота гораздо больше и это обстоятельство еще более осложняется, когда воздействие поперечного упора направлено в ту же сторону, что и ветер.

Рис. 5.5. Влияние ветра при наличии дифферента

5.3 Влияние течения

Движущаяся масса воды имеет в несколько сотен раз большую плотность, чем воздух и, таким образом, в сравнении, способна создавать силы огромной величины. На величину этой силы влияют:

осадка и глубина воды;

форма носа судна;

скорость постоянного / приливного течения;

глубина под килем.

Следует помнить, что сила постоянного / приливного течения, прилагаемая к судну, измеряемая в тоннах, прямо пропорциональна квадрату скорости.

Хотя течение не будет на самом деле влиять на управляемость судна, оно будет затрагивать положение судна относительно неподвижных объектов. Если, к примеру, на поворот судна по короткому кругу при течении со скоростью 2 узла уходит 15 минут, судну придется пройти 0,5 мили относительно грунта и по течению в ходе выполнения подобного маневра. Таким образом, важно, чтобы судоводитель тщательно оценил направление и силу течения до начала какого-либо маневра.

Рис. 5.6. Судно следует на приливном течении Когда постоянное / приливное течение имеет встречное направление, мы можем использовать короткие толчки вперед для поддержания малой инерции переднего хода относительно воды. Точка поворотливости сместится в нос на все время, пока судно будет иметь передний ход «относительно воды». Следовательно, управление судном будет более эффективным. Однако когда постоянное / приливное течение направлено в корму, ситуация становится совершенно неудовлетворительной. Для сохранения управления путем перемещения точки поворотливости в носовую часть судна судно придется иметь скорость относительно воды. Это означает, что придется следовать с некоторой скоростью относительно грунта, которая должна превышать скорость постоянного / приливного течения. Такая скорость часто бывает небезопасной, особенно в очень стесненных водах, узкостях и реках. Для снижения постоянной высокой скорости судну придется давать задний ход, и, вероятно, на продолжительные промежутки времени. Точка поворотливости при этом сместится в корму, и у судна будет очень невысокая управляемость. Упор в поперечном направлении может усложнить проблему.

Сохранение управления судном может представлять значительную сложность в случае, если судно следует по направлению постоянного / приливного течения. Следовательно, всегда предпочтительно следовать против постоянного / приливного течения.

Рис. 5.7. Подход к причалу

Если направляться поперек постоянного / переменного течения таким образом, как это показано выше, то постоянное / приливное течение можно использовать в роли буксира.

Излучины реки.

Следует помнить, что сила течения на внешней стороне излучины реки гораздо больше, чем на внутренней стороне.

Рис. 5.8. Движение на излучине реки Если крупнотоннажное судно совершает поворот в изгибе канала на сильном сопутствующем течении, то возможна ситуация, когда сильное течение воздействует на кормовую часть судна, а более слабое — на носовую часть судна. Если точка поворотливости смещена в нос, сильное течение будет, таким образом, иметь большое плечо поворота, и будет создаваться вращающая сила значительной величины. Реагирование судна на такую силу может оказаться очень быстрым и бурным.

С другой стороны, если крупнотоннажное судно преодолевает изгиб канала при встречном направлении течения, также возможно попадание в ситуацию, когда на судно воздействуют течения различной силы. В этом случае, именно на нос судна воздействует сильное течение, в то время как кормовая часть судна подвергается воздействию более слабого. Это приводит к созданию вращающего момента, противоположного повороту, который судно намерено осуществить.

Бывают случаи, когда судну необходимо проследовать поблизости от мелководья или искусственных сооружений, где течение может быстро менять свое направление на очень небольшом расстоянии. У этого обстоятельства может быть очень серьезное последствие.

На нижеприведенном рис. 5.9. «a», судно находится недалеко от мола и зоны мелководья, причем нос судна уже повернут вправо для учета направления и скорости приливного течения. Когда отмель приходит на траверз, судно неожиданно перестает испытывать воздействие течении по носу, а влияние течения на правую кормовую скулу остается значительным. Сочетание малого хода и положения точки поворотливости в носовой части судна приводит к тому, что у течения с кормы имеется значительное плечо поворота. Это приводит к созданию сильного вращающего момента и нос, который уже был повернут в эту сторону, начнет быстро заваливаться вправо. Такое развитие событий следует предвосхитить и заблаговременно принять меры. В равной степени важным является момент покидания судном приливного течения. Такое же явление испытывается при прохождении мимо волноломов.