Основные понятия об управляемости судна

Основные понятия и определения

Управляемостью (MANOEUVRABILITY) называется способность судна сохранять заданное направление движения, т. е. быть устойчивым на курсе или изменять его по желанию судоводителя под действием руля. Таким образом, управляемость объединяет два качества судна – устойчивость на курсе и  поворотливость.

Устойчивостью на курсе называется способность судна сохранять прямолинейное направление движения в соответствии с заданным курсом. Поворотливость – это способность судна изменять направление движения и двигаться по заранее выбранной судоводителем криволинейной траектории.

В море на судно, совершающее поступательное движение, оказывают влияние многие факторы: ветер, волнение, течение, неравномерность работы гребных винтов и руля и т. п. их действие трудно поддается количественному учету, но все они стремятся внести возбуждение в режим движения судна. Практически способность судна держаться на курсе достигается путем периодической перекладки руля. При этом, чем меньше углы перекладки руля и число перекладок в единицу времени, тем большей устойчивостью на курсе обладает судно.

Анализируя понятие устойчивости судна на курсе и требования по ее обеспечению, можно установить, что это качество судна находится в некотором противоречии с другим его качеством – поворотливостью. Как известно, всякое улучшение устойчивости на курсе связано с ухудшением поворотливости и наоборот. Потому при проектировании судна для обеспечения наилучшей управляемости стремятся найти наиболее целесообразное сочетание устойчивости судна на курсе и его поворотливости, соответствующее техническому заданию, т. е. назначению судна и условиям его плавания.

Управляемость судна обеспечивается специальными средствами управления, назначение которых – создавать силу (перпендикулярную ДП), вызывающую боковое смещение судна (дрейф) и поворот его вокруг продольной (крен) и поперечной (дифферент) осей.

Средства управления подразделяются на основные и вспомогательные. Основные средства – рули, поворотные насадки, крыльчатые движители – предназначены для обеспечения управляемости судна во время его движения.

Вспомогательные средства обеспечивают управляемость судна на предельно малых ходах и при движении по инерции с неработающим ГД. К этой группе относятся подруливающие устройства различных типов, активные рули. При проектировании рулевого устройства необходимо учитывать назначение судна. Так, суда дальнего плавания проходят значительные расстояния, придерживаясь одного направления, в то время как суда, совершающие частые заходы в порты, а также портовые и другие суда, работающие на ограниченных акваториях, проходят небольшие расстояния при частых реверсах и переменах курса.

Очевидно, что для судов первой группы основным требованием является хорошая устойчивость на курсе, а для второй группы – хорошая поворотливость. Следует подчеркнуть, что для судов, особенно транспортных, сохранение устойчивости на курсе – это фактор, обеспечивающий их экономические показатели, так как пло- хая устойчивость на курсе непроизвольно удлиняет рейсовое время, которое служит одним из основных эксплуатационных показателей транспортных судов.

Действие руля на судно

При движении судна в результате перекладки пера руля на угол α, на нем, под действием потока воды будет возникать результирующая разности давлений со стороны потока на внутреннюю и внешнюю поверхности крыла. Кроме сил давлений на всю поверхность крыла вдоль хорды профиля действуют силы сопротивления, обусловленные вязкостью жидкости.

Результирующие всех сил давления и сил сопротивления можно заменить одной равнодействующей Р, которая называется равнодействующей гидродинамических сил, действующих на крыло. Силу Р принято характеризовать ее проекциями на направление скорости невозмущенного потока и направление, перпендикулярное ему. Проекция силы Р на направление скорости потока Vо называется лобовым сопротивлением Р_Х, а проекция той же силы на направление, перпендикулярное скорости потока – подъемной силой Р_У.

Очевидно, что сила лобового сопротивления Р_Х, направленная в сторону, противоположную движению судна, вызывает торможение суднаОптимальные способы торможения судов и уменьшение,таким образом, его скорости. Сила Р_У направлена перпендикулярно ДП и вызывает на переднем ходу смещение кормы судна влево. Сила Р_У – полезная сила, обеспечивающая разворот судна при перекладке руля.

При перекладке пера руля на угол, больший 35°, подъемная сила Р_У становится незначительной, а сила лобового сопротивления Р_Х, уменьшающая скорость судна, увеличивается. Поэтому на практике угол перекладки руля, как правило, не бывает больше 35°.

Практика плавания показывает, что управляемость на заднем ходу всегда значительно хуже, чем на переднем, а во многих случаях суда почти не управляются даже в условиях спокойной воды.

Циркуляция судна и элементы циркуляции

Допустим, что судно совершает установившееся прямолинейное движение, причем направление скорости судна совпадает с диаметральной плоскостью. Пусть в некоторый момент на этом судне произведена перекладка руля на заданный угол. В результате судно начинает совершать движение по криволинейной траектории.

Криволинейная траектория, которую описывает центр тяжести судна при перекладке руля на некоторый угол и последующем удержании его в этом положении, называется циркуляцией (turn).

Различают три периода циркуляции: маневренный, эволюционный и период установившейся циркуляции.

Маневренный период циркуляции определяется началом и концом перекладки руля, т. е. по времени совпадает с продолжительностью перекладки руля. В этот период судно продолжает двигаться практически прямолинейно. Эволюционный период циркуляции начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается, когда элементы движения примут установившийся характер, т. е. перестанут изменяться во времени. Период установившейся циркуляции начинается с момента окончания эволюционного периода и длится все время, пока руль судна находится в переложенном положении.

Траектория криволинейного движения центра тяжести судна, т. е. его циркуляция, характеризуется следующими элементами:

• Диаметр установившейся циркуляции Д_Ц – диаметр окружности, описываемой судном в установившийся период циркуляции, который начинается после поворота судна на 90-180 °;
• Тактический диаметр циркуляции Д_Т – кратчайшее расстояние между положением диаметральной плоскости судна в начале поворота и после изменения первоначального курса на 180 °;
• Выдвиг l₁ расстояние, на которое смещается центр тяжести судна в направлении первоначального курса от точки начала циркуляции до точки, соответствующей изменению курса судна на 90 °;
• Прямое смещение l₂ – расстояние от первоначального курса судна до точки положения центра тяжести в момент поворота судна на 90 °;
• Обратное смещение l₃ – наибольшее расстояние, на которое смещается центр тяжести судна от линии первоначального курса в сторону противоположную повороту.

Значение элементов циркуляции, выражаемых в долях диаметра циркуляции Д_Ц, лежат в относительно узких пределах и для судов различных типов изменяются следующим образом:

ДТ=(0,9 ±1,2)·ДЦ

l1=(0,6 ± 1,3)·ДЦ

l2=(0,25 4 ± 0,5)·ДЦ

l3=(0 ± 0,1)·ДЦ

Для морских транспортных судов Д_Т составляет 4 – 6 длин судна. Кроме указанных элементов к характеристикам циркуляции относят:

• период установившейся циркуляции Т – время поворота судна на 360 °;
• угловую скорость вращения судна на установившейся циркуляции;

ω=2·π / Т.

Если на судне, идущем прямым курсом, внезапно переложить руль, то в первый момент после начала перекладки на судно действуют следующие силы: поперечная составляющая Р_У сил, действующих на руль; поперечная составляющая R_У сил, действующих на погруженную часть корпуса судна; поперечная составляющая центробежных сил инерции судна F_Ц. Линия действия этой силы направлена в сторону поворота судна.

Все указанные силы располагаются в различных плоскостях по высоте. Таким образом, в первый момент после перекладки руля суммарный момент всех приведенных сил вызывает небольшой крен судна на тот борт, на который переложен руль. В результате такого накренения судна и действия поперечной составляющей Р_У на руле возникает дрейф судна и обратное смещение l₃ – смещение судна в сторону, противоположную повороту. Траектория циркуляции искажается. Обратное смещение не превышает половины ширины судна, но при маневрировании в стесненных условиях учитывать его нужно, так как оно выносит судно за внешнюю сторону циркуляции.

По мере изменения кривизны траектории центробежная сила уменьшается, а затем меняет знак, т. е. изменяет направление действия на противоположное. Одновременно происходит нарастание момента от силы R_У вследствие увеличения угла дрейфа и уменьшение момента от силы Р_У из-за снижения скорости судна. В результате изменения характера действия указанных сил, и моментов, судно сначала выпрямляется, а затем начинает крениться в сторону, обратную направлению перекладки руля. Причем угол крена оказывается тем больше, чем больше скорость судна на циркуляции, угол перекладки руля и чем меньше метацентрическая высота судна.

В результате такого крена и действия поперечной составляющей Р_У на руле диаметральная плоскость судна на циркуляции не совпадает с касательной к криволинейной траектории движения центра тяжести, т. е. образуется угол дрейфа – βо. Hoc судна смещается внутрь кривой циркуляции, а корма заносится во внешнюю сторону. С увеличением скорости судна угол дрейфа увеличивается. Из-за наличия угла дрейфа судно на циркуляции занимает полосу воды больше ширины судна. Это необходимо учитывать при маневрировании в узкостиМаневрирование судна в узкостях. Во время поворота вследствие тормозящего действия руля и появления угла дрейфа возрастает сопротивление воды движению судна, что приводит к уменьшению скорости. Потеря скорости на циркуляции в некоторых случаях может достигать 50 %.

Предлагается к прочтению:
Требования регистра к непотопляемости морских судов
Информация об остойчивости судна для капитана