Определение ветро-волновых потерь скорости судов смешанного плавания с измерением параметров волнения ортогонально-линеечным волномером

Актуальность темы

исследования. Речной транспорт Российской Федерации с развитием международных торговых отношений занял особое место в транспортной системе России. Научно-технический прогресс выявил необходимость создания судов, способных выходить в море, миновав затраты на перегруз с речного на морской транспорт. Этим условиям удовлетворяют суда смешанного плавания различных классов. Кроме того, такая необходимость стимулировала модернизацию речных судов.

В итоге к началу 2003 года доля ССП составила 60% от общего числа транспортных судов с классом РС и более 90% — с классом РУ[4]. По состоянию на ноябрь 2007 года под наблюдением только российских классификационных обществ находились 2174 судна смешанного плавания, из них совершающих международные рейсы — 1190 судов[38].

С увеличением доли эксплуатации ССП в морских условиях [73] возник вопрос безопасности в связи с их старением и возрастающим числом аварий, последняя крупная из которых — гибель четырех ССП в ноябре 2007 года в Керченском проливе.

Ограничения ССП на доступные для плавания морские районы, приведенные в Правилах Речного Регистра 2004 г. и Бюллетенях к ним, а также в Межведомственных Протоколах 1952, 1958, 1970, 1979, 1992, 1997 гг. [76] и в многочисленных дополнениях к ним, не решили проблему аварийности [93 ].

Очевидно, что доля аварий ССП обусловлена не только рядом объективных причин (например, таких, как шторм с волнением), но и человеческим фактором, а, в конечном счете — незнанием судоводителем основных эксплуатационных характеристик при плавании ССП в морских условиях, отсутствием опыта определения лимитирующих условий мореплавания, недооценкой опасностей мореплавания на ССП со значительными ограничениями по мореплаванию, а также отсутствием на судах расчетной базы при плавании на волнении.

Ранее обоснование возможности эксплуатации ССП в морских условиях проводилось путем обобщения существующего опыта эксплуатации судов (Протоколы 1952 и 1958 гг.), либо (последующие Протоколы) с применением научных методик на основе анализа данных по волнению — расчетных, определенных по полям ветраобобщающих статистические материалы инструментальных и визуальных наблюденийиспользующих гидродинамические модели определения характеристик волнения по полям ветра и атмосферного давления, затем согласовывались морским и речным ведомствами.

С применением математических моделей ССП решались задачи безопасного плавания судна при различных параметрах волнения и ветра, а также расстояний до портов убежищ. Полученные решения удовлетворяли требованиям мореплавания, однако по причинам разнообразия районов плавания, проектов эксплуатируемых судов, либо возраста ССП ставится вопрос о реализации этих решений на практике [38].

Таким образом, непосредственно перед судоводителями ставится задача определения основных эксплуатационных характеристик этих судов на волнении. Особая значимость этой* задачи обусловлена имеющимися ограничениями ССП на гидрометеорологические условия плавания и на удаление от портов-убежищ.

В связи с этим представляет значительный интерес определение ветро-волновых потерь скорости ССП, поскольку судоводитель должен иметь обоснованное представление о реальном запасе времени для ухода" в порт-убежище в случае получениянеблагоприятного прогноза или фактического ухудшения погоды. Кроме того, знание скорости судна на волнении необходимо для планирования рейса, а также для оптимизации маршрута плавания (выбора наиболее выгодного пути) в прогнозируемых гидрометеоусловиях.

Ранее изыскания в этой области проводились H.H. Струйским (1932 г.) — Г. И. Ухановым (1966 г.) — П. М. Моховым (1967 г.) — В. В. Дремлюг и М: Ф.

Макаровым (1968 г.) — В. В. Правдюком и Б. И. Сайфуллиным (1969 г.) — А. Н. Тарасовым (1970 г.) — Н. В. Ивановым (1973 г.) — Н. И. Коваленко, Г. А. Рубан, П. С. Трофимовым (1973 г.) — Д. В. Кондриковым (1973 г.) и др.

Однако, сложность определения некоторых параметров, входящих в полученные зависимости, и частичное определение параметров средствами эмпирики непосредственно на судне для определения достижимой скорости на волнении, отдалили существующие методы от практического использования судоводителем на флоте. Доступные же формулы для расчета скорости применимы лишь к морским судам, тем самым, лишая штурмана ССП информации о возможностях своего судна на волнении.

В связи с этим, прежде всего, возникает актуальный вопрос выбора уравнения регрессии, отвечающего основным требованиям судоводителя:

— быть предельно простым в отношении исходных данных по судну и волнению;

— полностью удовлетворять диапазону скоростей, водоизмещений и архитектуры ССП;

— удовлетворять диапазону параметров волнения с учетом ограничений.

ССП;

— быть достаточно точным.

В качестве такого уравнения выбрана формула П. М. Хохлова (ЦНИИМФ). Однако она составлена для архитектуры и параметров морских судов, а применимость формулы П. М. Хохлова на параметры и архитектуру судов смешанного плавания требует специального исследования.

Безопасность* является основным качеством, необходимым, для* всех видов транспорта. Особое значение она приобретает и в морском судоходстве. Значительные размеры морских судов, рост скоростей движения, увеличение интенсивности движения на морских путях, плавание судов в сложных метеорологических условиях и другие причины делают проблему безопасности мореплавания наиболее приоритетной и актуальной при оценке современного состояния и развития морского судоходства.

В 1914 году принимается «Международная Конвенция по охране человеческой жизни на море», COJIAC-14, которая прошла все модернизации в «СОЛАС-29" — «СОЛАС-48" — «СОЛАС-бО" — «СОЛАС-74». Увеличилось число государств, ратифицировавших его, с 12 до 70. В 1982 году европейскими странами подписывается «Европейский меморандум», появляются Латиноамериканское соглашение по контролю судов государством порта, Токийский меморандум, меморандум о взаимопонимании по контролю судов государством порта в Карибском регионе, Черноморский меморандум и т. д. Однако, создаваемая сеть этих соглашений усиливает напряжённость в среде судоводительского состава, запутавшегося в тонкостях требований отдельных регионов. В 1993 году разрабатывается и на 18-ой Ассамблее ИМО Резолюцией А.741(18) принимается «Международный Кодекс по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращению загрязнений» ISM Code (МКУБ). В 1995 году разрабатывается и резолюцией А.787(19) принимаются организационные принципы системы контроля судов. Резолюция носит название: «Процедуры контроля судов государством порта».

Статистика продолжает показывать, что в мире ежегодно гибнет около 0,6% судов от всего состава мирового флота. Существующие меморандумы, кодексы и многочисленные дополнения к ним, содержащие множество требований, отлично отрегулировали юридические аспекты мореплавания, а книги по рекомендациям судоводителям, пособия для плавания, в том числе и в штормовых условиях, потерялись на полках судовых библиотек.

По оценкам специалистов, причинами 80% аварий являются неправильные действия судового персонала. В целом риск для жизни людей возникает как в связи с разрушением конструкций, неисправностью судовых систем, устройств, так и вследствие ошибочных действий членов экипажа из-за неточного восприятия информации, неправильного решения или ошибок при реализации принятого решения.

Основным видом информации об аварийности мирового флота в настоящий момент являются статистические данные по авариям и гибели судов, которые собираются и анализируются большинством участников морской индустрии, как в России, так и за рубежом[46]. По результатам анализа статистических данных Регистра Ллойда, за период 2001—2004 годов основные причины гибели судов в мире распределились следующим образом [39]. На первом месте стоит затопление судов вследствие воздействия внешних факторов, которые приводят к нарушению водонепроницаемости корпуса, чаще всего в условиях шторма. На втором месте (в качестве причин гибели) стоят посадки на мель, на третьем — пожары и взрывы на судах, и на четвертом — столкновения. По результатам анализа можно сделать следующие выводы: число погибших судов по рассматриваемым годам мало изменилось и составило соответственно: 155, 144, 144, 142- причины гибели судов, занявшие первое место, составляют по годам соответственно: 47,7%- 47,4%- 52,2%- 41,3%- причины гибели судов, занявшие второе место,(посадка на мель) по годам, соответственно, составили: 18,1%- 16,7%- 16,7%-11,79%- причины гибели судов, занявшие третье место,(пожары и взрывы) составили: 14,8%- 20,8%-12,5%- 12,5%- причины гибели судов, занявшие четвертое место,(столкновения) составили: 15,3%-11,1%- 13,2%- 10,8%.

Совершенно очевидно, что такой уклон в сторону аварийности в неблагоприятных гидрометеоусловиях обуславливается отсутствием на судах доступной и понятной для судоводителя гидрометеорологической информации. Кроме того уровень гидрометеорологического обеспечения судовождения (обсуждавшийся на сессии ВМОпункт 5.1.30-Предупреждение о штормах и штормовых ветрах) [91] на данный* момент далек от совершенства. По сути, гидрометеорологическое обеспечение на судах свелось всего лишь к анализу доступных в любое время в Интернете карт прогноза волнения, а при непосредственном плавании в шторм судоводитель сталкивается с отсутствием какого-либо сформированного комплекса решения возникших задач. Важным шагом к решению таких задач управления судном является определение параметров волнения, которое на практике не поднялось выше уровня визуального определения.

В области измерения параметров волнения и создание соответствующей приборной базы значительный вклад внесли Д. Таккер, В. В. Шулейкин, К. И. Богданович, Р. Н. Иванов, Я. Г. Виленский, Б. Х. Глуховский, Кубланов Я. М. и др. Однако, за исключением волнографа Таккера, созданные приборы не пригодны для использования на ходу судна, что не позволяет применять их в судоводительской практике. Волнограф же Таккера представляет собой сложную конструкцию, устанавливаемую на судне в доке, поэтому применяется в основном на исследовательских судах.

В связи с этим, возникает актуальная задача широкомасштабной проверки ортогонально — линеечного волномера Сичкарева В. И. в условиях различного волнения, в том числе смешанного (ветровое волнение и зыбь).

Цель диссертационной работы — повышение безопасности мореплавания судов смешанного плавания путем выявления потери скорости хода судна при воздействии на него ветра и волнения, а также повышение безопасности мореплавания любых судов путем отработки метода измерения длины волны с мостика на ходу судна ортогонально — линеечным волномером.

Связь темы диссертации с госбюджетной тематикой кафедры судовождения ФГОУ ВПО НГАВТ: представленная работа соответствует зарегистрированной госбюджетной теме кафедры судовождения «Проблемы повышения безопасности плавания судов», номер гос. регистрации.

Задачи исследования.

Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие научно — технические задачи:

1. Выявить направления исследования ветро — волновых потерь скорости судов, предпринятые различными авторами.

2. Выбрать наиболее удобный вид эмпирической зависимости для применения к судам смешанного плавания.

3. Разработать способ поставленного наблюдения для выявления ветро — волновой потери скорости из серии обсерваций и исключения воздействия течения.

4. Провести на различных судах смешанного плавания репрезентативную серию поставленных наблюдений по определению ветро — волновых потерь скорости с использованием обсерваций по спутниковой навигационной системе.

5. Провести анализ точности результатов и наметить пути ее повышения.

6. Выявить существующие методы измерения и оценки параметров волненияотобрать наиболее приемлемые для использования в судоводительской практике.

7. Обосновать достоверность результатов измерения длин волн ортогонально — линеечным волномером и удобство применимости метода в условиях мостика судна.

Методы исследования. В работе широко использовались методы натурного наблюдения в море на различных судах, статистические методы обработки результатов наблюдений, теоретические и вычислительные методы механики, судовождения, океанографии.

Обоснованность и достоверность полученных положений, выводов и рекомендаций обусловлена использованием репрезентативных объемов натурных наблюдений по потерям скорости. судов смешанного плавания-и по сопоставительным измерениям длин волн методом радиолокационной фиксации и ортогонально — линеечным волномером;

Объектом исследования являются суда смешанного5 плавания, осуществляющие морские перевозки, и морские суда при плавании в условиях волнения.

Предметом исследования являются достижимая скорость судов смешанного плавания на волнении, а также соответствие волновой картины, полученной по результатам измерений ортогонально — линеечным волномером, реальному морскому волнению.

На защиту выносятся:

1. Метод поставленного наблюдения при измерении ветро — волновой потери скорости.

2. Обоснование применимости формулы ветро — волновой потери скорости, полученной П. М. Хохловым (ЦНИИМФ) для морских судов, на область параметров и архитектуры судов смешанного плавания.

3. Обоснование применимости ортогонально — линеечного волномера (OJIB) для измерения длин волн в условиях мостика, на ходу судна.

4. Номограмма для определения длин волн по снятым величинам с помощью О JIB.

Научная новизна:

1. Выполнен большой объем натурных наблюдений за скоростью различных судов смешанного плавания в условиях морского волнения.

2. Предложен и применен метод вычисления ветро — волновой составляющей потери скорости судна из серии последовательных спутниковых обсерваций.

3. Показана хорошая аппроксимативность ветро — волновой потери скорости формулой П. М. Хохлова для архитектуры и параметров судов смешанного плавания с малой погрешностью при достаточно точной оценке параметров волнения.

4. Показано хорошее совпадение плотности распределения длин волн, измеренных в море ортогонально — линеечным волномером и полученных контрольной съемкой радиолокационного изображения взволнованной поверхности моря.

Практическая ценность работы заключается:

— в предоставлении судоводителю судов смешанного плавания способа оценки достижимой скорости на волнении при планировании рейса и при расчете ухода в порт — убежище, что важно для повышения безопасности плавания в море судов смешанного плавания;

— в предоставлении судоводителю метода достаточно точного и простого определения параметров существующего волнения с помощью ортогонально — линеечного волномера, легко изготавливаемого в судовых условиях, для выработки обоснованных мер повышения безопасности плавания на волнении.

Результаты работы по использованию ортогонально — линеечного волномера внедрены на судах «Степан Гейц» и «БТ ВИЬЫАЖДЕ» в судоходных компаниях «Приморсклеспром» и «БТ ЗШРМАЫАСЕМЕЫТ» соответственно (приложение п. 4.1, п. 4.2).

Личный вклад автора в получении результатов, выводов, рекомендаций.

Основные натурные наблюдения по скорости судов смешанного плавания на волнении выполнены лично авторомнатурные наблюдения за волнением по РЛС и ортогонально — линеечному волномеру выполнены лично автором. Вклад автора в совместных публикациях составляет не менее равной доли с соавторами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на научно — практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО НГАВТ в 2007 году, а также на международной научно — практической конференции БЕВКАТ — 09 в 2009 году в МГУ им. Невельского Г. И., Владивосток.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 106 наименований, 4 приложенийизложена на 150 страницах машинописного текста, включая 23 таблиц и 38 рисунков.

Основные выводы и рекомендации.

Представленная диссертационная работа выполнена в актуальном для современного судовождения судов смешанного плавания направленииопределении ветро — волновых потерь скорости судна и отработке метода измерения наиболее влияющего на точность определения потери скорости параметра — характеристик морского волнения. В этом направлении получены следующие основные выводы и рекомендации:

Г. Анализ направлений и результатов исследования ветро — волновых потерь скорости судов показалчто в-условиях мостика судна на современном этапе развития науки целесообразно остановиться на эмпирических способах представления потери скорости от совместного воздействия ветра, волнения и волнового течения.

2. В эмпирическом способе представления потерь скорости судна среди различных регрессионных моделей сделан выбор в пользу формулы П. М. Хохлова (ЦНИИМФ), как функционально более удобной для использования в условиях мостика судна по количеству и виду используемых исходных данных и имеющей несколько эмпирических коэффициентов, в принципе позволяющих адаптировать ее для архитектуры и параметров судов смешанного плавания.

3. Для оценки применимости формулы П. М. Хохлова, разработанной для морских судов, на область параметров и архитектуры судов смешанного плавания разработан способ поставленного наблюдения на различных судах смешанного плавания в различных гидрометеоусловиях с использованием высокоточных спутниковых навигационных обсерваций.

4. Разработанный способ поставленных наблюдений позволяет достаточно полно вычленить из невязки счисления именно ветро — волновую составляющую потери скорости судна, учитывая при этом как изменение параметров шероховатости корпуса вследствие обрастания, и связанную с этим потерю скорости, так и навигационное проявление гидрометеорологических факторов, прежде всего постоянное поверхностное течение.

5. Использование метода поставленного наблюдения позволило доказать высокую точность формулы П. М. Хохлова применительно к архитектуре и параметрам судов смешанного плавания. При этом даже не потребовалось варьировать эмпирическими коэффициентами, входящими в формулу. Одновременно выявилась чувствительность формулы к точности оценки параметров волнения.

6. Анализ существующей инструментальной базы замера параметров волнения показал, что большинство волнографов не может быть использовано в судоводительской практике. Исключение составляет лишь волнограф Таккера, установка которого, однако, требует вмешательства в конструкцию судна.

7. Среди методов неконтактного определения параметров волнения выделены методы фотосъемки экрана РЛС с настройкой изображения на максимально полную регистрацию волнения и метод вложения, реализованный в ортогонально — линеечном волномере В. И. Сичкарева. Эти методы признаны пригодными для использования в условиях мостика судна, каждый со своими достоинствами и недостатками.

8. Метод фотосъемки экрана РЛС рекомендован как базовый для получения квазиодномоментной картины волнового поля на достаточно большой круговой площади радиусом до 2 морских миль, на которой фиксируется несколько сотен длин трехмерных волн. Обработка снимков позволяет получить репрезентативные гистограммы плотности распределения длин волн и выявлять по ним наиболее вероятные параметры ветровых волн и волн зыби.

Однако, метод достаточно трудоемкий для ручной обработки, требует достаточно больших затрат времени, поэтому рекомендован как исследовательский.

9. Метод вложения и реализующий его прибор — ортогонально — линеечный волномер Сичкарева В. И. при выполнении серии минимум из 10−20 наблюдений хорошо выраженных рельефных волн показал адекватность получаемых результатов методу фотосъемки экрана РЛС в выявлении количества систем волн и в определении наиболее вероятных параметров волн в каждой системе.

Результаты экспериментального использования ортогонально — линеечного волномера штурманским составом морских судов и судов смешанного плавания, обученным авторомподтверждают удобство его использования в реальных условиях штормового плавания, безопасность для самого судоводителя за ненадобностью выхода в штормовую погоду на открытую палубу. Все это дает основание рекомендовать ортогонально — линеечный волномер для широкого применения в судоводительской практике и включение рекомендаций по его использованию в судовую руководящую документацию.

Для удобства использования ортогонально — линеечного волномера предложена номограмма.

Таким образом, решение поставленных в диссертационной работе задач позволило достичь основных целей диссертационного исследования — повышения безопасности морского плавания, прежде всего судов смешанного плавания, как наиболее гидрометеозависимых, в части определения достижимой скорости в условиях ветра и волнения, а также и всех судов в морском плавании в части более достоверного, чем глазомерное, измерения параметров волнения.

Заключение

.