Методы определения маневренных элементов крупнотоннажных судов

Для практического использования на судах обычно применяют циркуляции, полученные по результатам на­турных испытаний судна, загруженного до полной осадки и при наличии балласта. При этом руль перекладывают на 10, 20 и 35° отдельно на левый и правый борт. Таким образом получают 12 циркуляции. На рис. 1 приведены циркуляции груженого танкера «Крым» при движении полным ходом. Натурные испытания должны проводиться при средней скорости ветра не более 3 м/с при высоте волн 3 %-ной обеспеченности не более 0,75 м. Глубина акватории испытаний H должна отвечать условиям

где:

• B — ширина судна, м;
• T_н — наибольшая осадка, м;
• v_max — наибольшая возможная скорость судна, м/с.

Исходным режимом движения судна на приемо-сда­точных испытаниях должен являться режим движения прямым курсом при полной скорости хода, соответствую­щей частоте вращения гребных винтов при спецификационной осадке в полном грузу. В случае невозможности обеспечить проведение испытаний суднаИспытания и сдача судов при указанной осадке допускается проведение приемо-сдаточных испытаний в неполной загрузке при условии, что для данного случая и для случая полной загрузки будут получены соответствующие характеристики управляемости путем испытаний самоходной модели. При удов­летворительном согласовании материалов модельных и натурных испытаний для случая неполной загрузки характеристики управляемости натурного судна в полном грузу определяются по данным испытаний модели для основного варианта в полном грузу.

Критический угол перекладки руля а_p диаграммы управляемости определяется путем выполнения маневра «спираль». Для этого судно вводится в начале в крутую установившуюся циркуляцию правого борта (рекомендуемые углы перекладки а_p = 20 ÷ 35°). Затем последовательными перекладками руля на противоположный борт с интервалом не более 5° судно выводится из циркуляции таким образом, чтобы при каждой промежуточной перекладке руля оно могло совершать установившееся движение по кругу. Если при достижении а_p = 0 судно выводится на прямой курс, то а_кр = 0.

Если при достижении а_p = 0 судно по-прежнему описывает циркуляцию правого борта, то необходимо продолжать выполнение маневра, перекладывая руль последовательно через интервал 1-2° на левый борт. Значение угла перекладки на левый борт, при котором судно выводится из циркуляции правого борта и встает на прямой курс, принимается равным а_кр. Аналогичным образом маневр повторяется с левого борта.

Критические углы перекладки у судов чаще всего не­велики и не превышают 3°. Поэтому особое внимание перед началом испытаний нужно уделить выявлению со­ответствия между показаниями угла перекладки по ак­сиометру на мостике судна и действительными значе­ниями угла перекладки по положению румпеля относи­тельно диаметрали судна. Кроме того, нужно обратить внимание на выявление статического крена судна перед началом испытаний. Угол крена не должен превышать 1°.

После определения критических углов перекладки рулей на правый и левый борт необходимо переходить к определению характеристик циркуляции, которая должна выполняться при перекладках рулей на ±20°, ±35°. По данным измерений радиусов установившейся циркуляции находят зависимости ее радиуса от угла перекладки R_ц(а_p) и безразмерной угловой скорости v = L/R_ц. Если имеется возможность для определения углов дрейфа в процессе движения судна, то находят зависимость β (а_p). К сожалению, угол дрейфа определяется при натурных испытаниях со значительной погрешностью, поэтому его определение носит рекомендательный характер.

Для устойчивости судна на курсе необходимо определить относительную угловую скорость установившейся циркуляции ω_о, при отклоненном руле. Эту величину определяют следующим образом. При непереложенном руле судно осуществляет начальное движение прямым курсом, в случае неустойчивости оно «свалится» в самопроизвольную циркуляцию правого или левого борта с радиусом R_о. По значению этого радиуса определяют величину ω_o = L/R_о. Однако для выполнения такого маневра (особенно для Крупнотоннажное судно как объект управлениякрупнотоннажных судов) требуется значительное время и достаточно большая акватория. Поэтому величину ω₀ можно получить приближенно по графику ω (а_p), полученному при а_p, равному 5, 15, 25, 35°. Для этого в зоне малых углов перекладки кривая для со (а_p) экстраполируется линейно по касательной до пересечения с осью ординат. Такое построение допустимо для судов, у которых диаграмма управляемости обычно не имеет каких-либо аномалий и близка к прямой линии в зоне а_р>5° (см. рис. 7). При выполнении циркуляции целесообразно определить также величину выдвига 1_в, величину прямого смещения l_П, тактический диаметр циркуляции D_T, время перекладки руля T_P на задаваемый угол перекладки, время t₁ поворота судна на 90°, время t поворота судна на 180°, скорость судна v, угловую скорость судна ω(t).

По полученной диаграмме управляемости оценивают поворотливость и устойчивость на курсе с учетом соот­ношений ω₃₅>0,5, ω_о/ω₃₅<0,15. Если эти соотношения вы­полняются, то управляемость судна на тихой воде в ре­жиме свободного хода следует признать хорошей. В про­тивном случае необходимо в технической документации судна сделать соответствующее замечание, которое дол­жно учитываться судоводителями.

Определение указанных выше величин проводится с использованием известных методов и технических средств, обеспечивающих приемлемую точность и надежность измерений. Используются следующие методы.

Метод определения характеристик управляемости и маневренности при помощи синхронного пеленгования судна теодолитами, фототеодолитами и другими видами оптических пеленгаторов береговой базы (метод пред­почтительный). Этот метод может с успехом применяться для малых ч средних судов, испытания которых можно проводить вблизи береговой черты.

На берегу предварительно размечается база измере­ний и устанавливаются три оптических пеленгаторных прибора. По сигналу судна начинают синхронное пелен­гование мачты или другого заметного элемента надводной части корпуса (углы у₁ у₂, у₃) с интервалом 10-15 с.

Одновременно с судна пеленгуют заметный береговой ориентир (с помощью пеленгаторов на мостике). По данным измерений на планшете в определенном масштабе строят траекторию судна и наносят положение диаметрали, что позволяет определять углы дрейфа. Рассмотренный метод дает высокую точность измерений и обеспечивает надежность учета течения, влияющего на результаты испытаний. Это особенно важно, когда испытания проводятся в местах с заметным течением. В этом случае перед началом испытаний проводят гидрологическую съемку мерной акватории с построением карты изотах и линий тока течений, для чего изготовляют 8-10 гидрометрических шестов и с помощью береговых пеленгаторов фиксируют движение гидрометрических шестов на участке испытаний, строя в дальнейшем на планшете их траекторию. Результаты такой съемки дают возможность определить вектор скорости течения в каждой точке потока С, определяемой некоторым радиусом-вектором.

Траекторию движения судна относительно воды оп­ределяют исключением сноса под действием течения по выражению:

где:

• r₀(t) — радиус-вектор траектории относительно воды, м;
• r (t) — радиус-вектор абсолютной траектории судна относительно берега, м.

Интеграл в формуле 2 заменяется конечной суммой.

Метод определения характеристик управляемости и маневренности при помощи синхронного пеленгования надводного ориентира и одновременного определения угла курса. Пеленгование надводного ориентира (буя) выполняют при помощи оптических пеленгаторов, теоолитов и т. п. с испытываемого судна (метод Ризбека). По данным синхронного пеленгования неподвижного буя с судна и одновременной отметке углов курса определяют положение судна в фиксированный момент времени, а затем строят на планшете траекторию центра тяжести. Буй при испытаниях должен располагаться вблизи центра предполагаемой циркуляции. По этому способу, помимо траектории судна, определяют и угол дрейфа путем проведения касательной к траектории в фиксированный момент времени. Данный способ дает хорошие результаты только при тщательной подготовке испытаний и при слаженной работе пеленгаторных постов. Не достатком этого способа является то, что траекторию движения получают относительно неподвижного ориентира и учет течения вызывает трудности. Поэтому испытания промысловых судовПромысловые добывающие и перерабатывающие суда по данному методу следует проводить на акваториях, где течение отсутствует или пренебрежимо мало.

Метод определения показателей управляемости при помощи судовой радиолокационной станции (по пеленгу и дистанции на надводный или береговой ориентир с радиолокационным отражателем). Траекторию движения судна в этом случае строят на планшете по пеленгу, дистанции и углу курса ω. Проведение испытаний по данному методу требует хорошей настройки РЛС и достаточно высокой подготовки операторов.

Метод определения показателей управляемости и маневренности путем использования гиперболических радионавигационных приборов ближнего и дальнего дей­ствия при условии обеспечения необходимой точности. Этот метод можно с успехом применять на судах, обо­рудованных радионавигационной аппаратурой типа «Дек-ка». Преимуществом подобного рода испытаний является то, что их можно проводить при плохой видимости в любое время суток, вдали от берегов, где нет ограничений для маневрирования. Недостатком метода является оп­ределенная громоздкость и сложность аппаратуры, что требует достаточно высокой квалификации специалистов, проводящих испытания.

Характеристики управляемости можно также изме­рять путем пеленгования плавающего надводного ориен­тира (буя, плотика) с судна при помощи пеленгаторов с мостика при одновременном фиксировании угла снижения с помощью секстанов. При определенной тренировке операторов можно добиться высокой точности измерений.

Если время испытаний очень ограничено, показатели диаграммы управляемости можно измерять следующим образом. Вводя судно в установившуюся циркуляцию, замеряют время T_u одного оборота на 360° и скорость судна по лагу. С учетом того, что при углах дрейфа β<20°, cosβ~1, можно полагать, что измеренная по лагу скорость равна поступательной скорости хода судна, радиус циркуляции определяется как:

Этот способ вполне приемлем при скоростях хода свыше 7 уз, когда гидродинамические лагиСудовые лаги, классификация и предназначение работают достаточно надежно. Определяя по радиусам циркуляции величину угловой скорости ω, строят диаграмму уп­равляемости судна.

При проведении натурных испытаний точность изме­рений и отсчетов должна отвечать следующим требо­ваниям:

 
Изложенная выше программа натурных испытаний позволяет объективно оценить поворотливость и устойчивость на курсе судов. Для составления информации о маневренных качествах судна необходимо в рейсе зафиксировать траектории циркуляции судна на правый и левый борт в грузу и балласте (или в неполной загрузке), при положении руля «на борт» а_p = 35° и «на полборта» а_p = (15 ÷ 20°).

Информация должна содержать промежутки времени на каждые 10° в диапазоне изменения начального курса 0-90°, на каждые 30° в диапазоне 90-180°, на каждые 90° в диапазоне 180-360°, а также наибольший диаметр циркуляции, выдвиг судна по линии первоначального курса и смещение по нормали к нему, начальную, промежуточную (на 90°) и конечную скорости, углы дрейфа на циркуляции.

По данным измерений на мостике судна должны на­ходиться соответствующие планшеты с графическими изображениями циркуляции. Кроме того, на этом план­шете необходимо зафиксировать элементы маневра для спасания человека, упавшего за борт. На рис. 2 показаны циркуляции крупнотоннажной плавбазы.

Важное значение для обеспечения безопасности мо­реплавания имеют знания судоводителем маневренного и эволюционного периодов циркуляции. Под маневренным периодом циркуляции следует понимать период, длящийся от начала перекладки руля до момента, когда эффект действия руля начинает заметно проявляться. Для судна дедвейтом 200 тыс. т, идущего полным ходом, при перекладке руля на борт эффект руля начинает проявляться через 300 м, у судна дедвейтом 160 тыс. т — через 250 м после начала перекладки руля, т. е. крупнотоннажное судно проходит расстояние, приблизительно равное своей длине, не меняя курса. После начала поворота нос отклоняется в сторону пе­рекладки руля, а корма смещается в сторону, противо­положную линии первоначального курса судна.

Вторым важным элементом циркуляции является момент пересечения точкой кормового перпендикуляра судна линии первоначального курса. Циркуляция от начала перекладки руля до этого момента характеризует расстояние по линии первоначального курса, которое требуется судну, чтобы освободить занимавшую им по­лосу движения, т. е. отойти от препятствия, расположен­ного на линии курса. Натурные испытания показывают, что корма судна освобождает полосу первоначального, движения при перекладке руля на борт после разворо­та судна на угол около 20-25°, т. е. приблизительно через 80-120 с после момента начала перекладки руля. Таким образом, протяженность этого участка циркуляции у крупнотоннажных судов при перекладке руля на борт составляет 400-600 м, или около двух длин судна.

В качестве основных геометрических характеристик циркуляции обычно употребляют значения диаметра тактической циркуляции Д_т выдвига l_в, прямого l_п и обратного смещений.

Тактический диаметр циркуляции характеризуется расстоянием между линией первоначального курса и по­ложением диаметральной плоскости судна после изме­нения курса на 180°. У крупнотоннажных судов такти­ческий диаметр циркуляции составляет (2,4-3,6) или в среднем 3,1 длины судна L.

На основании обработки результатов натурных ис­пытаний нами получена следующая формула для при­ближенной оценки величины тактического диаметра цир­куляции:

Ниже приведены значения тактического диаметра циркуляции одного и того же судна в зависимости от первоначальной скорости движения при перекладке руля на 35°.

 
По мере уменьшения скорости до 7-8 уз постепенно уменьшается и Д_т до 15 %. Когда скорость уменьшается ниже 7 уз, эффект руля ослабевает и Д_т увеличивается. Значительное снижение эффекта руля наблюдается после снижения скорости хода ниже 3 уз. При дифференте на корму диаметр циркуляции увеличивается, так как возрастает момент инерции вращению. Тактический ди­аметр циркуляции на мелководье Д_п по сравнению с Д_т на глубокой воде увеличивается из-за того, что воз­растает сопротивление воды вращательному движению судна. На рис. 3 показана эта зависимость. При h/T_c = 2,5 тактический диаметр увеличивается на 10 %, при h/T_c = l,25 — почти на 70 %. При этом отклонении угловая скорость поворота ω уменьшается на 50 %. При h/T_c = I,I тактический диаметр у крупнотоннажных судов увеличивается в 2 раза.

Полученные эксперимен­тальные закономерности из­менения углов дрейфа, угло­вой скорости на циркуляции позволяют произвести рас­чет текущих координат ц. т. x(t), y(t) и таким образом построить траекторию движения судна при перекладке руля.

Координаты ц. т. судна в отношении неподвижной системы координат определяют с помощью следующих выражений:

После подстановки значений v_t, φ_t β_t система при­обретает вид:

С использованием вычислительной техники расчет по приводимым формулам не представляет сложности. Вы­числяя интегралы методом численного интегрирования, например, методом трапеций или с помощью квад­ратурной формулы типа Гаусса, в которых интеграл выражается линейной комбинацией ординат интегрирующей функции, приведем формулы к следующему виду:

 
Абсциссы х_ι точек, в которых вычисляются значения функции, называются узлами, а коэффициенты ω_ι — весами квадратурных формул.

В табл. 1 приведен расчет циркуляции теплохода «Крым», загруженного на полную осадку и идущего полным ходом (v₀ = 15,5 уз), при перекладке руля на борт (α_p = 35°. В качестве констант были приняты определенные на основании натурных испытаний следующие величины ω_уст = 0,5º м/с; v₀ = 8 м/с; β₀ = 20°; T = 50 с; R_ц = 430 м. На рис. 4 приведена циркуляция теплохода «Крым», построенная по данным табл. 1. После построения циркуляции следует определить положение судна в ее характерных точках, а именно: обратное смещение ц. т. судна под действием рулевой силы, его величина составляет 3-5 м, в то же время корма судна смещается в сторону, обратную переложенному рулю, на 25-30 м. Радиус установившейся циркуляции R_ц = 400 м. Прямое смещение l_п = 200 м, или 1,1L, длина корпуса выбега l_в = 825 м, или 3L, тактический диаметр Д_т = 750 м, или 2,7L, а максимальная ширина занимаемой судном ходовой полосы B_п при движении с углом дрейфа составляет 120 м, или в 2,6 раза превышает ширину корпуса судна, радиусы установившихся циркуляции: кормы R_к = 420 м, носа R_н = 300 м.

С помощью функции φ_t, зная длину судна, можно оп­ределить положение судна во всех дискретно вычислен­ных точках (в нашем примере через каждые 20 с), затем — точки в оконечностях судна по корме и носу и получить циркуляции носовой и кормовой оконечностей судна.

Важной точкой циркуляции судна с точки зрения обеспечения безопасности мореплавания является точка, где корма судна пересекает линию первоначального пути. Это опасная зона судна по линии курса. Для теплохода «Крым» эта величина составляет l_к = 500 м, или около двух длин судна. На рис. 4 приведены данные (точки), полученные по результатам натурных измерений циркуляции теплохода «Крым» для тех же условий. Все опытные точки попадают на ходовую полосу расчетной циркуляции, что позволяет сделать заключение о прием­лемости разработанного метода расчета для практичес­кого использования при решении задач обеспечения без­опасности мореплавания.

В практике судовождения повороты судна на аква­тории портов часто начинаются при очень малой или отсутствующей скорости переднего хода, например, после съемки с якоря, отшвартовки или лежания в дрейфе. Однако закономерности такого движения, особенно у крупнотоннажных судов, изучены недостаточно. Поэтому нами были проведены натурные испытания круп­нотоннажных танкеров «Маршал Жуков» и «Борис Бутома» в районе Новороссийска и Геленджика на Черном море. В начале опыта судно не имело поступательной скорости хода, затем двигателю давался полный манев­ренный ход вперед и руль перекладывался на борт в сторону поворота. Координаты судна в процессе маневра измерялись сотрудниками производственного объединения «Южморгеология» при помощи точной фазовой радиогеодезической системы «Поиск», а также судовой РЛС «Океан» по точечному ориентиру (бую). Скорость ветра во время испытаний составляла 1-2 балла. Во время опыта производилась непрерывная запись изменения угла поворота.

По данным кривой разворота с нулевой скорости по­ступательного движения были построены графики пройденного пути, скорости, ускорения, угла поворота и угловой скорости от времени. Скорость поступательного движения при повороте, начинавшаяся с нулевой скорости, может быть определена по формуле:

При этом угловая скорость хорошо аппроксимируется формулой:

Угол поворота можно определить по формуле:

По результатам натурных испытаний для судов ти­пов «Маршал Жуков» и «Борис Бутома» в груженом состоянии T_о = 150 с.

На рис. 5 приведены циркуляции груженого тепло­хода «Маршал Жуков» при перекладке руля на правый борт, полученные на основании использованного выше экспериментально-технического метода. Выдвиг на цир­куляции, начинающейся при нулевой скорости поступа­тельного движения, почти в 2 раза меньше, чем на цир­куляции, начинающейся в тех же условиях на полном ходу. Диаметры тактической циркуляции отличаются незначительно. Время поворота на 180° при циркуляции, начинающейся с нулевой скорости, составляет 8,5 мин, во втором случае — 5 мин. На рис. 6 приведены зако­номерности изменения линейных и угловых скоростей теплохода «Маршал Жуков» при описанных выше цир­куляциях.

Послушность судна рулю характеризуется не только быстротой поворота после отклонения руля от диамет­ральной плоскости, но и способностью прекращать (тор­мозить) вращение с помощью руля или ответной реак­цией вращающего судна на перекладке руля. Для уста­новления этой закономерности применяется зигзагооб­разный маневр.

Проведенные И. Хане натурные испытания танкера «Вольфен» грузоподъемностью 45,082 тыс. т, имеющего скорость 16 уз, длину 214,8 м, ширину 29,0 м и осадку 11,65 м, показали, что при маневре «зигзаг» большое стабилизирующее действие на судно оказывает диффе­рент. Разница в величинах, характеризующих маневр «зигзаг» (максимальная амплитуда отклонений от пер­воначальной линии курса, сдвиг фаз между изменением курса и фактическим харак­тером траектории, макси­мальная координата откло­нений от линии первоначального курса), особенно воз­растает между балластным и загруженным судном при небольших углах перекладки руля. Например, амплитуда углов отклонения судна при перекладках руля на 10° на левый и правый борт в грузу бывает почти в 5 раз больше, чем у судна в балласте.

Предлагается к прочтению: Закономерности движения крупнотоннажных судов при перекладки руля

Одерживать груженый танкер значительно сложнее. В качестве примера на рис. 7 приведены характеристики зигзагообразного маневра крупнотоннажного танкера, выполнявшегося следующим образом. При движении постоянным курсом руль был переложен на 20° левого борта и после того, как танкер изменил курс на 20° влево, руль был переложен на 20° вправо. После выхода танкера на прежний курс и поворота на 20° вправо руль был переложен снова на 20° влево и т. д. Период изменений курса составлял 400 с, амплитуда изменений курса — 30°, т. е. на 10° больше амплитуд, перекладок руля. Гашение угловой скорости поворота после перекладки руля наступало через 50 с.

Установлено, что чем меньше отношение глубины (Я) к осадке судна (Т), тем больше будет угол отклонения судна от установленного значения, т. е. на мелководье ответная реакция судна на перекладку руля становится замедленной, и эффективность управления судном снижается.