Управление судном при плавании на мелководье и в узкости

Краткая характеристика узкостей и мелководья 

Плавание в узкостях и на мелководье является одним из наиболее сложных условий, в которых оказывается судно в процессе эксплуатации. И сложность си­туации заключается не только в том, что малый запас воды под килем в данных ус­ловиях представляет собой реальную навигационную опасность, но и в том, что поведение судна на мелководье существенно отличается от поведения на глубокой воде. К основным отличительным особенностям поведения судна на мелководье можно отнести:

• ухудшение управляемости;
• увеличение тормозного пути;
• дополнительное проседание с изменением посадки;
• гидродинамическое взаимодействие судов;
• падение скорости.

Понятие узкости определяется соотношением между маневренными харак­теристиками судна и шириной водного пространства, в пределах которого судно может безопасно следовать при существующих средствах навигационного обеспе­чения. С точки зрения ширины акватории делятся на открытые, закрытые аквато­рии и каналы.

Открытые акватории делят на глубокие, мелкие и углубленные морские пу­ти. Открытой и глубокой акваторией называется такая акватория, на которой дно и берега не оказывают влияния на маневренные качества судна. Ширина открытой акватории определяется диаметром циркуляции. Принято, что для выполнения са­мостоятельной циркуляции на акватории, где нет ветра и течения, необходимы размеры акватории

$b>kL,$

• где b — ширина акватории, м;
• L — длина судна, м;
• к — коэффициент запаса, равный 8.

Эта зависимость действительна для всех судов, так как коэффициент k явля­ется наибольшим коэффициентом из используемых для определения нормального диаметра циркуляции.

Мелководье – водное пространство либо фарватер, глубина которого ока­зывает влияние на сопротивление воды движению судна и изменяет тем самым условия плавания судна по сравнению с плаванием его на глубине. Наиболее слож­ным является управление судном при плавании на мелководье с ограниченной ак­ваторией (проливы, каналы), где на поведение судна влияют как берега, так и дру­гие суда.

Судоходный канал — искусственно проложенный водный путь, осна­щенный современными средствами навигационного оборудования, обеспечиваю­щими безопасность плавания судов. Плавание по каналам сочетает условия узкости и мелководья. Основными элементами судоходного канала являются глубина, навигационная ширина и площадь поперечного сечения.

Сущность явлений, возникающих при движении судна в узкости и на мелководье

Сопротивление воды движению судна складывается из трех составляющих:

• сопротивления трения;
• сопротивления формы;
• волнового сопротивления.

Сопротивление трения зависит от площади смоченной поверхности корпуса и его шероховатости. Сопротивление формы зависит от обводов корпуса. Волновое сопротивление связано по своей природе с образованием судовых волн, возникаю­щих при взаимодействии корпуса с окружающей его водой.

Судовые волны состоят из двух систем волн: у форштевня развивается носо­вая, у ахтерштевня — кормовая система волн. Каждая из них состоит из расходя­щихся и поперечных волн (рис. 2).

Расходящиеся волны имеют короткий фронт и располагаются уступом. Кор­мовые расходящиеся волны меньше носовых и на глубокой воде едва заметны. По­перечные волны располагаются фронтом поперек судна и не выходят за пределы расходящихся волн. Их высота убывает от носа к корме. Носовая волна начинается гребнем, расположенным сразу за форштевнем. Первая кормовая волна всегда начинается впадиной, захватывающей кормовую оконечность. Поэтому в носовой части судна давление будет больше, чем в кормовой (рис. 3). За счет разницы этих давлений и образуется волновое сопротивление. С выходом судна на мелко­водье и уменьшением запаса воды под килем изменяется система образования су­довых волн, что сказывается на ходовых качествах судов, их осадке и управляемо­сти. При этом быстро начинает возрастать волновое сопротивление, скорость распространения волн с небольшой амплитудой имеет предел Vk – критическую ско­рость:

$Vkp=\sqrt{gH}$

• где g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с2;
• Н – глубина, м.

При малых значениях скорости судна характер роста волнового сопротивления на глубокой воде и на мелководье примерно одинаков. При дальнейшем увеличении скорости (Vс ≥ 10 узлов) характер волнообразования начинает изменяться. Эти изменения проявляются на глубинах менее 50 метров.

По мере увеличения скорости судна угол растворения расходящихся волн начинает увеличиваться, а поперечные волны растут по высоте и длине. При до­стижении критической скорости поперечные волны сливаются с расходящимися и под углом 90° к диаметральной плоскости образуется одиночная волна. Судно как бы толкает массы воды по ходу своего следования, сопротивление воды движению резко возрастает, скорость уменьшается на 20 – 30 %. Этот процесс протекает тем интенсивнее, чем меньше глубина, что объясняется увеличением сопротивления трения из-за уменьшения расстояния между корпусом судна и грунтом.

Мощная поперечная волна, образующаяся при достижении судном скорости, близкой к критической, не подчиняется теории волн относительно малой амплиту­ды, и скорость ее дальнейшего движения уже не зависит от скорости судна. Эта волна (спутная волна) может самостоятельно перемещаться на очень большие расстояния со скоростью, при которой она образовалась.

Просадка судна при плавании мелководье (скоростное проседание)

Образование одиночной поперечной волны понижает уровень поверхности воды у бортов судна, что вызывает опускание корпуса относительно уровня спо­койной воды и увеличение дифферента. Это явление называется просадкой.

При движении судна околокритическими скоростями просадка может дости­гать 5 – 7% от средней осадки. На малых глубинах величина просадки еще более увеличивается из-за присасывания корпуса судна к грунту.

Минимальная глубина, необходимая для безопасного плавания судна на мелководье (Н_без), определяется следующим выражением:

${Н}_{без}=d_{к}+\Delta d_{к}+\Delta d_{в}+\Delta d_{кр}+Z,$

• где d_к – осадка судна кормой, м;
• Δd_к – просадка кормы судна, м;

$\Delta d_{к}=\alpha \Delta d_{ср}, м;$

• α – коэффициент, зависящий от соотношения длины и ширины судна;
• Δd_ср – средняя осадка судна;

• Δd_в – увеличение осадки на волнении, м;
• Δd_в = 0,6 hв;
• h_в – высота волны, м;
• Δd_кр – увеличение осадки от крена судна, м (рис. 4, табл. 1);
• Z – запас воды под килем, который должен составлять не менее 1 м.

Для большинства судов, имеющих обычную конфигурацию корпуса (без носового бульба), характерно проседание с дифферентом на корму. Крупнотоннажные суда, имеющие полнообводные формы корпуса (Св > 0,7), при движении на мелководье проседают больше носом, чем кормой (рис. 5).

Для определения скоростного проседания таких судов можно воспользоваться номограммой National Phisical Laboratory – NPL (рис.6).

Таблица 1

 
Рассчитать проседание корпуса судна (SQUAT) и запас воды под килем (UKCСтандартная процедура действий и анализа «UKC») при плавании судна в условиях OPEN и CONFINED WATER можно в соответствии с алгоритмом, приведенном в табл. 2.

Таблица 2

 
Предлагается к прочтению:
Меры по обеспечению безопасности судна при плавании в шторм
Борьба с обледенением судна