Влияние ветра на управляемость судном

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

УДК 656.62.052

К48

Клементьев, А.Н.

Основы управления судном. Ч. 2 : учеб. пособие для студ. оч. и заоч. обуч. специальности 180403.65 «Судовождение» / А.Н. Клементьев. – Н. Новгород : Изд-во ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2015. – 84 с.

Рассматривается влияние внешних факторов на управляемость судов. Приведены основные расчетные зависимости по оценке параметров движения судна в различных условиях плавания. Даны рекомендации по безопасному маневрированию судов.

Для студентов очного и заочного обучения.

Работа рекомендована к изданию кафедрой судовождения и безопасности судоходства (протокол № 6 от 17.12.2014 г.).

Введение

Управление судном – ответственная задача вахтенного начальника. На него возложена обязанность по непосредственному маневрированию судна в складывающихся условиях плавания.

Грамотное управление судном достигается изучением различных способов и приемов маневрирования и мер безопасности, выработанных практикой судовождения. Сложные навигационные и гидрометеорологические условия накладывают дополнительные ограничения на выполнение того или иного маневра.

Изучение курса «Основы управления судном» преследует следующие цели:

1) дать будущему судоводителю четкую физическую картину о сложных явлениях, возникающих при маневрировании судна в различных условиях плавания;

2) дать представление об основных общепринятых практических методах определения усилий, действующих на судно, и параметров его движения;

3) дать рекомендации по использованию результатов теоретических исследований при практической эксплуатации судна.

Влияние ветра на управляемость судном

Определение аэродинамических усилий

На надводной части корпуса

Для определения составляющих аэродинамической силы используются выражения:

;

(1.4)

Здесь , – безразмерные коэффициенты сил , ;

– плотность воздуха, ;

– площадь проекции надводной поверхности судна на плоскость мидель-шпангоута, ;

– площадь парусности (площадь проекции надводной поверхности судна на диаметральную плоскость), ;

– скорость кажущегося ветра на уровне центра парусности, м/с.

Ветровой момент, действующий на судно:

(1.5)

Здесь – расстояние от точки приложения силы (центра давления) до центра масс судна.

Для определения коэффициентов , используют результаты продувок в аэродинамических трубах моделей надводной части судов. На основе обработки результатов этих испытаний получены следующие расчетные выражения:

– для морских судов

;

(1.6)

– для речных судов

;

(1.7)

Характерные зависимости аэродинамических нагрузок от направления между воздушным потоком и ДП судна представлены на рис. 1.4.

Точка приложения аэродинамической силы в соответствии со свойствами крыла смещается от центра парусности (ЦП) навстречу потоку воздуха, т.е. при носовых курсовых углах ветра – в сторону носовой части, а при кормовых курсовых углах – в корму. Величина смещения зависит от курсового угла кажущегося ветра: чем острее угол атаки между ДП и направлением ветра, тем дальше от ЦП смещается точка приложения аэродинамической силы. Максимальное смещение точки приложения аэродинамической силы (при курсовых углах, близких к 0 и 180 градусам) составляет в среднем приблизительно четверть длины судна, т.е. , а при курсовых углах кажущегося ветра, равных 90 градусам, точка приложения аэродинамической силы совпадает с центром парусности (ЦП).

Рис. 1.4. Зависимости аэродинамических усилий и момента от направления кажущегося ветра

Физический смысл понятия геометрический центр парусности поясним с помощью рис. 1.5.

Рис. 1.5. К понятию геометрический центр парусности судна

Как видно из рис. 1.5, ЦП – это геометрическая характеристика, представляющая собой центр тяжести фигуры, т.е. площади . Очевидно, что положение ЦП зависит от архитектуры надводного борта и палубных надстроек судна, степени его загрузки, наличия палубного груза и др.

В общем случае на корпус судна действует не только поперечная аэродинамическая сила, вызывающая дрейф, но и момент этой силы, стремящийся развернуть судно вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс (ЦМ) и кренящий момент, величина которого зависит от аппликаты ЦП (возвышения над ЦМ).

Плечо поперечной аэродинамической силы относительно ЦМ можно определить по формуле

(1.8)

здесь – абсцисса ЦП судна.

Величина принимается положительной, если ЦП смещен в нос от ЦМ, и отрицательной – при его смещении в корму (на грузовых судах с кормовой надстройкой величина геометрического центра парусности составляет от –3 до –12 м, а на пассажирских судах – от +0,5 до +2,5 м). Следует помнить, что положение ЦМ по длине приблизительно совпадает с мидель-шпангоутом только при посадке судна на ровный киль. При наличии дифферента ЦП смещается в сторону противоположную смещению ЦМ, что приводит к существенному изменению и, следовательно, . Практические наблюдения показывают, что суда в балласте при курсовых углах кажущегося ветра от нуля до шестидесяти градусов обычно уваливаются по ветру, а при ветрах кормового направления 120–180 градусов приводятся к ветру.

Для оценки управляемости судна в условиях ветра необходимо определить угол ветрового дрейфа и угол перекладки рулевых органов , потребный для обеспечения управляемого движения судна заданным курсом. Совместное решение второго и третьего уравнения системы (1.3) относительно неизвестных и позволяет получить расчетные выражения для их определения в виде:

(1.9)

где

;

(1.10)

Коэффициенты преобразования , для каждого вида судов можно найти в справочной литературе [7].

Скорость ветра,

В режиме «враздрай»

Проект теплохода (в балласте)	Направление ветра, град
Проект теплохода (в балласте)	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150	165
1565	22	16	15	13	13	14	15	17	17	18	23
1557	24	20	17	16	16	17	17	16	16	18	24
1577	24	19	17	16	15	15	16	18	18	20	24
2-95	20	17	14	12	12	13	14	14	14	16	20
1570	17	12	11	11	11	11	11	12	14	16	18
576	20	17	14	12	12	12	14	16	17	20	25

Как показывает анализ аварийности судов, практический интерес представляет расчет маневра отворота с первоначальной линии пути в условиях ветра. Безопасность маневрирования судна при выполнении данного маневра определяется траекторией движения его кормового перпендикуляра. На рис. 1.19 показаны значения характеристик маневра оборота т/х пр. 1570 в грузу с полного хода ( = 30 град.).

На рис. 1.20 приведены элементы маневра отворота т/х пр. 1565 на ветер и под ветер (n = 190 об/мин, = 35 град.).

Анализ расчетных данных позволяет сделать следующие выводы:

– величины, характеризующие элементы поворота при ветре в разной степени зависят от скорости и направления ветра;

– прослеживается нелинейный характер этих зависимостей.

Рис. 1.19. Траектория движения кормовой оконечности т/х пр. 1570 в грузу с полного хода (

= 23 м/с;

= 90 град) ––––¾¾– без ветра; ¾ × ¾ × ¾ на ветер; ¾ ´¾ ´ –– под ветер; 1, 2, …., 5 координаты кормовой оконечности через 5 мин

Рис. 1.20. Отворот на ветер (А) и под ветер (В) т/х пр. 1565 в балласте при ветре опасного направления 0, 1, 2, 3, 4 – положение судна на 0, 1, 2, 3, 4 мин маневрирования

Влияние течения

Против течения

При заходе на перекат состав вводят на подвалье без снижения скорости, т. к. течение обычно направлено под углом к ДП состава,

Рис. 2.10. Схема проводки толкаемого состава по перекату против течения

поэтому на малом ходу состав может сместиться с оси судового хода и выйти за его пределы (рис. 2.10).

Судоводители называют это явление «защечиванием», т.к. течение направлено в скулу (щеку). Во избежание этого поворот состава для входа на подвалье должен начинаться еще до подхода к створной линии. Причем состав должен двигаться вблизи правобережного яра (положения I и II), а не вблизи белых буев. По корыту переката состав следует вести по створной линии, а при выходе из переката (положение III) направить его ближе к красному бую, чтобы не допустить сноса свальным течением на левую кромку судового хода.

Характеристика волнения

Значительным гидрометеорологическим фактором, затрудняющим судоходство, является ветровое волнение.

Ветровое волнение – процесс формирования, развития и распространения вызванных ветром волн на акватории водной поверхности. Основными элементами волны являются: длина, высота, период и скорость распространения (перемещения).

Длина волны – горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, измеренном в горизонтальном направлении распространения волны.

Высота волны – превышение вершины волны над подошвой соседней волны на волновом профиле.

Период волны – интервал времени между происхождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль.

Скорость волны – скорость перемещения гребня волны в направлении распространения волны, определяемая за короткий интервал времени порядка периода волны. Скорость волны зависит от её глубины и длины (табл. 3.1).

Из-за неравномерного воздействия ветра волны имеют разнообразные виды и формы.

Зыбь – вызванные ветром волны, распространяющиеся после ослабления силы ветра и изменения его направления или пришедшие из области волнообразования в другую область, где ветер имеет другую скорость и направление.

Мертвая зыбь – вызванные ранее ветром волны, распространяющиеся при отсутствии ветра.

Таблица 3.1

И на волнении

Основными факторами, действующими на судно во время шторма, являются ветер и волнение.

Ветер увеличивает сопротивление движению судна, вызывает дрейф, создает крен, ухудшается управляемость. Дрейф судна опасен, если с подветренного борта по курсу находятся навигационные опасности. При воздействии ветра судно плохо слушается руля (особенно при ветрах кормовых направлений), появляется рыскливость. Наиболее интенсивное рыскание наблюдается на попутном волнении, когда угол между вектором скорости распространения фронта волны и ДП составляет примерно 45 градусов.

Волнение вызывает качку, значительные напряжения корпуса судна и удары волн. Существует три вида качки: бортовая (поперечная), килевая (продольная) и вертикальная. При движении судна под углом к волне оно испытывает смешанную качку, включающую элементы бортовой, килевой и вертикальной.

Сильная качка, особенно бортовая, приводит к значительным нагрузкам на корпус и судовые механизмы, что иногда приводит к появлению трещин в обшивке и на палубе. Возникающие при качке инерционные силы могут явиться причиной сдвига с фундаментов механизмов, смещение груза. При плавании против волны на полном ходу вследствие ударов волн судно может даже переломиться. На гребне волны метацентрическая высота может уменьшиться вплоть до отрицательных значений, и тогда судно потеряет начальную остойчивость (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема постановки судна на гребень волны 1 – действующая ватерлиния на спокойной воде; 2 – действующая ватерлиния на гребне волны

Положение усугубляется еще и тем, что с выходом из воды винто-рулевого комплекса судно становится неуправляемым. Если в это время под влиянием ветра и волнения судно развернется лагом к волне, то может наступить опрокидывание. Опасность опрокидывания тем вероятнее, чем дольше судно находится в неблагоприятных условиях и чем ближе по значению скорости бега волн и судна. Опасное значение курсового угла волны, при котором возможно уменьшение метацентрической высоты, находится в пределах 45 градусов, а длина волны располагает свой профиль на 60–80% длины судна.

Внешними признаками ситуации, при которых возможно опрокидывание, являются:

– быстрое нарастание крена на гребне волны (судно как бы теряет опору);

– глубокие зарыскивания;

– запоздалая реакция судна на перекладку рулевого органа.

В качестве первой меры предосторожности необходимо экстренно снизить скорость.

Качка судна характеризуется: амплитудой (максимальным по величине отклонением судна от положения равновесия), размахом (удвоенной амплитудой) и периодом качки (продолжительность одного полного колебания судна, т.е. продолжительность совершения четырех амплитуд качки).

Судно, имеющее дифферент на нос или большую загруженность носовых трюмов, будет иметь медленную килевую качку и зарываться носом в волны. Если же большой дифферент на корму, то у судна будет наблюдаться повышенная рыскливость. Оптимальной считается загрузка на ровный киль или с небольшим дифферентом (0,5 м) на корму.

На характер качки оказывает влияние изменение скорости судна, которая меняет кажущийся период волны. Крупнотоннажные суда при снижении скорости иногда начинают принимать воду на палубу. В этом случае целесообразно изменить курс при сохранении скорости.

При движении курсом против ветровой волны резонансной и бортовой качки не наблюдается. Однако происходит значительное снижение скорости и судно испытывает сильные удары волн о корпус. Это явление получило название слеминг.

Различают днищевой слеминг и бортовой.

Днищевой слеминг, как правило, наблюдается у судов в балласте, с большим дифферентом на корму или имеющих полные обводы и плоское днище в носовой части.

Бортовой слеминг, наоборот, – у судов в грузу и с сильно выраженной килеватостью. Он вызывает сильную вибрацию корпуса. Ударная нагрузка при слеминге пропорциональна квадрату суммарной скорости волны и носовой части судна.

Основной причиной слеминга является совместное действие вертикальной и килевой качки. Это имеет место в тех случаях, когда длина волны примерно равна длине судна. В случаях, когда это соотношение более, чем 1,5, или меньше, чем 0,75, слеминг практически отсутствует. На появление слеминга также влияют высота волны и скорость судна. Чем больше высота волны при равенстве скоростей волны и судна, тем в большей мере необходимо снижать скорость для его устранения.

Наиболее тяжелый слеминг будет наблюдаться при резонансе – совпадении периода собственных колебаний судна (периода качки) и периода кажущейся (наблюдаемой) волны или в пределах резонансной зоны.

Период продольных колебаний судна можно приближенно рассчитать по выражению

(3.5)

где L – длина судна, м;

H – продольная метацентрическая высота, м.

Если величина продольной метацентрической высоты неизвестна, то период продольных колебаний судна может быть вычислен по формуле

(3.6)

здесь – средняя осадка судна, м;

– коэффициент (для речных судов = 2,7–3,0);

= 2,4 (для морских судов).

Период бортовой качки, с:

(3.7)

где – коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей судна (0,69–0,78);

– начальная поперечная метацентрическая высота.

Практикой установлено, что наиболее сильное воздействие волн судно испытывает, когда период собственных колебаний судна находится в пределах резонансной зоны:

(3.8)

здесь – период собственных колебаний судна;

– период кажущейся волны.

Период бортовой качки судна можно определить следующим образом. В момент прохождения стрелки кренометра через «0» в сторону любого борта включить секундомер. После десятого прохождения стрелки кренометра через «0» в сторону того же борта останавливают секундомер и его показания делят на 10. Полученный результат и будет соответствовать периоду собственных колебаний судна.

Кажущийся период волны можно определить, измерив промежуток времени между прохождением гребней соседних волн. Более точно результат будет получен, если зафиксировать время прохождения нескольких гребней и разделить его на их число (за вычетом первого).

Для прибрежных морских районов Р.Н. Фатьянов предложил кажущийся период волны определять по следующей зависимости:

(3.9)

где – длина волны, м;

– скорость судна, уз.;

– курсовой угол на направление бега волны, град.

Резонансная качка, особенно у судов с большой начальной метацентрической высотой и, следовательно, малым периодом собственных колебаний, вызывает чрезмерные динамические нагрузки, которые часто приводят к смещению груза, накренению судна на углы близкие к предельно допустимым.

При плавании на попутном волнении может возникнуть еще одно опасное явление – брочинг (по англ. broaching – разворот). Это явление захвата судна волной, потери им управляемости, самопроизвольного неуправляемого разворота лагом к волне, потери остойчивости и возможного опрокидывания судна. Условия, способствующие появлению брочинга:

– скорость волны больше скорости судна;

– длина волны в пределах длины судна: .

Может также наблюдаться захват судна волной, когда оно идет не своей скоростью, а его несет волной. На рис. 3.2 представлена диаграмма для выбора скоростей курсов волн, исключающих попадание судна на волну опасной длины.

Рис 3.2. Диаграмма опасных скоростей судна и курсовых углов волн на попутном волнении:

– курсовой угол волн;

– длина судна,

– скорость судна, уз.

Для выхода из резонансной зоны у судов длиной более 100 метров можно увеличить скорость, если имеется резерв скорости. В том случае, если желаемый результат не будет достигнут, следует уменьшить курсовой угол волны (если курсовой угол более 60 град, слеминг не наблюдается). При плавании на пологой волне (старой) зыби удовлетворительный, результат может дать также маневр изменения курса в сторону фронта волны. Для судов длиною менее 100 метров в связи с уменьшением

восстанавливающего момента на попутной волне значительное уменьшение курсового угла нецелесообразно. Курсовой угол волн, при котором уменьшается остойчивость, находится в пределах 180–135 градусов, а опасной является волна с профилем 60–80% длины судна. При длине волны меньше длины судна возможна значительная качка с оголением гребных винтов, особенно, если скорость судна меньше скорости движения волны.

Для выбора безопасных курсов и скоростей можно воспользоваться диаграммами качки. Известны разные виды таких диаграмм, предложенных разными авторами – В.Г. Власовым, С.Н. Благовещенским, Л.М. Ногидом, В.Б. Липисом, Ю.В. Ремезом.

Все перечисленные диаграммы показывают характер изменения видимых параметров волн любой длины в зависимости от изменения курса и скорости судна. Наиболее удобен вариант универсальной диаграммы, предложенный Ю.В. Ремезом.

Однако приемлемое решение диаграмма Ю.В. Ремеза дает только при регулярном волнении. В условиях длительного шторма, когда волнение становится нерегулярным, как показывает практика, диаграмма «не работает».

Причиной этого являются следующие факторы:

– одновременное уменьшение бортовой и килевой качки взаимно исключают друг друга;

– поведение судна на волнении зависит не только от курса и скорости, но и от конструктивных особенностей судна;

– период свободных колебаний судна на волнении имеет переменное значение из-за изменений начальной метацентрической высоты и не соответствует расчетному (его значению на тихой воде);

– расчетные шкалы диаграммы охватывают не все виды волнения;

– во время сильного продолжительного шторма суда практически всегда находятся в зоне усиленной бортовой качки за исключением движения судном носом на волну или прямо по волне (т.к. при сильном волнении всегда имеются колебания волн с периодом, близким к периоду собственных колебаний судна;

– размахи килевой качки не определяют полностью условия безопасного движения судна, так как не учитывают такие опасные явления, как заливание и слеминг.

Общий анализ штормовых диаграмм и опыт мореплавания показывают, что наиболее благоприятными курсами для большинства судов в шторм являются курсы, составляющие угол 30–40 градусов с направлением волны. При плавании на попутном волнении для судов длиной более 100 метров наиболее благоприятным будет дорезонансный режим качки. Если у судна имеется резерв скорости, то маневр следует начинать с ее увеличения. Если после увеличения скорости желаемый результат не будет достигнут, следует уменьшить курсовой угол волны. Для малых судов в связи с уменьшением восстанавливающего момента на попутной волне значительное уменьшение курсового угла нецелесообразно. Если же у судна отсутствует резерв скорости, или интенсивность качки будет оставаться значительной, следует выбрать зарезонансный режим путем уменьшения хода. При плавании на пологой волне (старой зыби) удовлетворительный результат может дать также маневр изменения курса в сторону фронта волны.

Наиболее сложным и ответственным маневром при плавании в шторм является поворот на другой курс. Обычно он сопровождается усилением качки, зарыванием в волну и, как следствие, попаданием большого количества воды на палубу, потерей остойчивости.

При плавании против волны поворот совершают, как вправило, под ветер.

В этом случае ветер облегчает выполнение поворота, т.к. создает ветровой крен, направленный во внутреннюю сторону поворота. Поворот следует начинать, дав полный ход, непосредственно после прохождения крупных волн, когда корма судна окажется на обратном склоне самой крутой волны. Во время поворота, при подходе следующей группы высоких волн с кормовых углов рулевые органы следует отводить к ДП заблаговременно.

Поворот на ветер более сложен. Судно может получить значительный крен от совместного воздействия ветра, волны и в процессе выполнения циркуляции. Поэтому поворот на ветер начинают на небольшой скорости, которую увеличивают после прохождения положения лагом к волне. Поворот осуществляют по этапам, изменяя курс судна на 20–30 градусов до выхода на заданный курс.

При плавании по волне поворот начинают, когда на обратном склоне последней из серии крупных волн окажется носовая часть судна с таким расчетом, чтобы вторая половина поворота выполнялась в период относительно небольших волн. Поворот начинают на малом ходу, а затем увеличивают скорость.

Во время жесткого шторма дальнейшее движение по заданному направлению может представлять непосредственную опасность для судна. В этих условиях судно переходит к штормованию.

Штормование – это особый вид плавания, при котором судно удерживается на месте или идет выбранным курсом или скоростью для уменьшения воздействия шторма на судно, груз и людей.

Выбор способа штормования выбирается в зависимости от волнения моря, особенностей судна и района плавания. Наиболее часто применяют два способа штормования: против волны и по волне.

При штормовании против волны (на носовых курсовых углах) судно легче управляется, размахи бортовой качки уменьшаются, судно более устойчиво на курсе, однако воздействие волн в этом случае достигает максимальной силы. Вода, попадая на палубу, может причинить значительные разрушения. Данный вид штормования рекомендован для судов, имеющих полные обводы в носовой части, небольшой дифферент на корму и корпус, конструктивно укрепленный и рассчитанный на большие волновые нагрузки. Для судов с неравномерной загрузкой трюмов и недостаточно прочным корпусом штормование против волны опасно, корпус может переломиться.

Штормование по волне (на кормовых курсовых углах) выполняется только в том случае, когда длина волны значительно отличается от длины судна, имеющего нормальную или повышенную остойчивость. Судно в этом случае не испытывает ударов волн, скорость близка к эксплуатационной, качка становится более плавной. Однако ухудшается управляемость, возрастает рыскливость, уменьшается остойчивость. Для судов, у которых метацентрическая высота близка к нижнему пределу, сохраняется опасность опрокидывания. Опасное состояние судна в этом случае можно определить по следующим признакам:

– неожиданному самопроизвольному увеличению крена и амплитуды качки при прохождении вершин отдельных волн вблизи миделя судна;

– длительной задержке (зависанию) судна в положении максимального крена и медленному возвращению в исходное положение.

С практической точки зрения важен вопрос определения потери скорости судна в условиях волнения. Если курс судна и направление ветра и волнения отличаются более, чем на 30–40 градусов, то дополнительное сопротивление, вызванное их воздействием, приводит к падению скорости движения. П.М. Хохловым получена зависимость для расчета потерь скорости морского судна в условиях волнения:

(3.10)

где – скорость судна на спокойной воде, уз.;

– водоизмещение судна, т;

– курсовой угол волны, рад;

– ускорение свободно падения.

Для судов смешанного (река-море) плавания М.В. Осокин предложил потерю скорости в море определять по формуле

,	(3.11)
где .	(3.12)

Здесь – частота вращения движителей.

Следует отметить, что формула (3.12) позволяет учитывать различные сочетания высоты волны и скорости кажущегося ветра, т.е. для различных степеней развитости волнения.

Л.И. Фомкинский предлагает определять скорость речных судов и составов в условиях ветра и волнения на озерах и водохранилищах по формуле

(3.13)

где – коэффициент, учитывающий потерю скорости (рис. 3.3).

Рис. 3.3. График для определения коэффициента потери скорости судов и составов от ветра и волнения на водохранилищах и озерах: а – пассажирские суда; б – грузовые суда; в – составы из сухогрузных барж; г – составы из наливных барж

В табл. 3.2 приведены сводные данные по изменению параметров движения судов в зависимости от направления волнения.

Таблица 3.2

Перечень последствий,

Влияние мелководья

На управляемость судов

Мелководье – это глубина, соизмеримая с осадкой судна. Практически мелководье начинает влиять на поворотливость и ходкость судна при соотношениях глубины и осадки:

(4.1)

Наиболее ощутимо мелководье сказывается, когда соотношение . В общем случае влияние мелководья проявляется в:

– увеличении сопротивления воды движению;

– трансформации системы судовых волн;

– увеличении просадки судна;

– снижении пропульсивного коэффициента движителей.

На мелководье

Влияние ограниченности судового хода на параметры движения судна проявляется в основном через изменение гидродинамических характеристик и присоединенных масс судна. Влияние мелководья на работу движительно-рулевого комплекса (ДРК) в настоящее время изучено недостаточно. Имеющиеся в научной литературе отдельные экспериментальные исследования по этому вопросу позволяют лишь предполагать, что мелководье влияет на боковые силы ДРК гораздо слабее, чем на корпусные силы и моменты. А.Д. Гофман пишет более конкретно, что ограничение фарватера на характеристики ДРК водоизмещающих судов практического влияния не оказывает.

В то же время практикой установлено, что на мелководье по сравнению с глубокой водой резко ухудшается устойчивость судна на курсе, повышается рыскливость. Заметно ухудшается и поворотливость. Кроме того, резко уменьшается угол дрейфа, угловая скорость поворота и соответственно увеличивается радиус установившейся циркуляции при одинаковых углах перекладки рулевых органов.

Для определения радиуса установившейся циркуляции на мелководье может быть использована следующая зависимость, предложенная А.Д. Гофманом:

(4.22)

где – радиус установившейся циркуляции на глубокой воде, м.

Увеличение радиуса циркуляции, рассчитанное по формуле (4.20), приведено на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Изменение радиуса циркуляции на мелководье

Величину выдвига на мелководье можно определить по формуле

(4.23)

Расчеты показывают, что, например, для увеличение выдвига на мелководье по отношению к выдвигу на глубокой воде составляет 60%, а при – около 10%.

Уменьшение угла дрейфа объясняется тем обстоятельством, что на мелководье резко возрастает поперечная составляющая гидродинамической силы на корпусе, которая уравновешивается центробежной силой инерции масс судна, неизменной при циркуляции заданного радиуса.

Для расчета линейной скорости речных судов и толкаемых составов на циркуляции в условиях мелководья А.Д. Гофманом предложено следующее выражение:

(4.24)

здесь – скорость судна на прямом курсе.

Формула справедлива при .

Оценка влияния мелководья на инерционные характеристики судна существенно зависит от того, при каких начальных условиях производят сравнение. Если сравнивать путь торможения судна при одинаковом режиме движения (частоте вращения движителей), то тормозной путь на мелководье будет меньше, чем на глубокой воде, на 20–30%. Однако данное соотношение существенно изменится, если это сравнение проводить при одинаковых скоростях движения. В этом случае разница значений пути торможения на глубокой воде и на мелководье не превышает 5%. Причиной является то, что, несмотря на повышение гидродинамического сопротивления воды на мелководье, рост присоединенной массы воды увеличивает силы инерции судна. Поэтому при прочих равных условиях на мелководье тормозной путь судна как при пассивном, так и при активном торможении увеличиваются. Этому способствует также снижение пропульсивных качеств гребного винта при работе на задний ход в условиях мелководья.

Исходя из того, что одинаковое значение величины сопротивления воды движению судна при заданной частоте вращения движителей на глубокой воде и на мелководье достигаются при различных скоростях, П.Н. Токаревым разработана методика определения величины падения линейной скорости и инерционных характеристик для речных и смешанного (река-море) плавания судов при движении по фарватеру ограниченной глубины. Суть ее заключается в следующем. Для заданных путевых условий определяется вспомогательный коэффициент по формуле

(4.25)

По полученному коэффициенту определяется величина падения скорости по выражению

(4.26)

Зная величину падения скорости, определяют поправочный коэффициент на путевые условия :

(4.27)

Путь торможения на мелководье определится по выражению

(4.28)

где – путь торможения на глубокой воде;

Для ускорения расчетов можно использовать вспомогательный график (рис. 4.9)

Рис. 4.9. График для определения величины падения скорости на мелководье

В ледовых условиях

Шкала торосистости

Балл	Характеристика льда	Площадь покрытия, %
Балл	Характеристика льда	Пределы	В среднем
0	Ровный лед	0	0
1	Редкие торосы на ровном льду	0–20	10
2	Ровный лед, частично торосистый	20–40	30
3	Лед средней торосистости	40–60	50
4	Лед торосистый, местами ровный	60–80	70
5	Сплошной торосистый лед	80–100	90

С повышением температуры воздуха главной характеристикой ледового покрова становится разрушенность – уменьшение его прочности.

Данные табл. 5.2 приближенно характеризуют прочность наблюдаемого льда по сравнению с зимним льдом.

Таблица 5.2

Шкала разрушенности льда

Балл	Характеристика льда	Ориентировочная прочность, %
0	Внешних признаков нет	100
1	Отдельные пятна воды на льду	90
2	Лед залит талой водой	80
3	Появление промоин (на реке – подвижки льда)	60
4	Сквозные промоины (на реке – массовый ледоход)	40
5	Лед рассыпается на отдельные кристаллы	До 10

Характерной особенностью весеннего периода является наличие тяжелых заторов льда на реках, в узкостях и у наветренных берегов. В ряде случаев такие заторы оказываются непреодолимыми не только для транспортных судов, но и для ледоколов. Сильный подъем уровней воды в реках с быстрым течением (до 3–4 м/с) вызывают зажоры – скопление шуги с включением мелкобитого льда вплоть до дна водоема.

Сплоченность – отношение суммарной площади льда на данной акватории к площади последней, определенной в баллах (табл. 5.3).

В прибрежных районах можно встретить дрейфующий паковый (многолетний) лед, который имеет толщину от 2 до 6 м. При посадке такого льда на мель образуются так называемые стамухи, напоминающие по внешнему виду небольшие гористые острова. Большую сложность для преодоления представляют также торосы – ледяные бугры (в реке располагаются поперек русла).

Таблица 5.3

Шкала сплоченности льда

Балл	Характеристика поверхности	Сплоченность,%
0	Лед отсутствует	0
1	Отдельные льдины	10
2	Очень редкий лед	20
3	Редкий лед	30
4	Разреженный лед	40
5	Лед средней сплоченности	50
6	Мало разреженный лед	60
7	Сплоченный лед	70
8	Очень сплоченный лед	80
9	Почти сплошной лед	90
10	Сплошной лед	100

Плавание судов в караване

Проводка судов в тяжелых ледовых условиях осуществляется в составе каравана под руководством ледокола. Караваны подразделяются на простые и сложные.

Простой караван – это кильватерная колонна судов, следующих за одним ледоколом.

Сложный караван – совокупность нескольких простых караванов, проводимых несколькими ледоколами.

Формирует караван и руководит судами в нем капитан ведущего ледокола или официально назначенное лицо – руководитель ледовой операции, находящийся, как правило, на ведущем ледоколе. Он определяет место каждого судна в караване, дистанцию между судами, скорость движения, правила пользования всеми видами связи.

Прибыв к месту формирования каравана, капитан каждого судна сообщает на ведущий ледокол сведения о своем судне: ледовый класс, водоизмещение судна, мощность СЭУ, число и материал гребных винтов, длину, ширину и осадку судна, данные о техническом состоянии судна, РЛС, УКВ и других средств связи.

Количество судов в караване и их построение зависит от возможностей ледокола и проводимых судов. Общая длина каравана, следовательно, и количество проводимых судов, определяются длиной и шириной канала, остающегося за ледоколом. При формировании каравана обычно за ледоколом ставят мощные суда с более прочным и широким корпусом. За ним – судно со слабым корпусом или маломощное судно. В конце каравана суда чередуют по принципу: слабое-сильное.

Дистанция между судами в караване рассчитывается по формуле

(5.1)

где – скорость каравана, уз;

– коэффициент пропорциональности постоянный для данного судна;

(5.2)

– путь торможения конкретного судна, м;

– скорость полного хода, уз.

Скорость движения каравана можно определить по формуле:

, уз.,

(5.3)

здесь – длина первого судна, м;

– длина второго судна, м;

– длина третьего судна и т. д.

Нужно иметь в виду, что наличие в караване судов, резко отличающихся по размерам и прочности корпуса, ледопроходимости, приводит к растягиванию каравана во время движения, снижая скорость проводки.

Библиографический список

1. Алексеев Л.Л. Практическое пособие по управлению морским судном / Л.Л. Алексеев.– СПб. : ЗАО ЦНИИМФ, 1996. – 188 с.

2. Арикайнен А.И., Чубаков К.Н. Азбука ледового плавания. – М. : Транспорт, 1987. – 224 с.

3. Гофман А.Д. Основы управляемости судна / А.Д. Гофман. – СПб. : 1999. – 100 с.

4. Дидык А.Д., Усов В.Д., Титов Р.Ю. Управление судном и его техническая эксплуатация: учебник для мореход. училищ. – М. : ООО ИПК Корабел, 2004. – 320 с.

5. Лихачев А.В. Управление судном : учеб. для мор. вузов / А.В. Лихачев. – Изд-во Политехн. ун-та, 2004. – 504 с.

6. Снопков В.И. Управление судном : учебник для вузов / В.И. Снопков. – СПб. : АНПО Профессионал, 2004. – 536 с.

7. Соларев Н.Ф., Белоглазов В.И., Тронин В.И. [и др.]. Управление судами и составами : учеб. для вузов. – М. : Транспорт, 1983. – 296 с.

8. Ходкость и управляемость судов / под ред. В.Г. Павленко. – М. : Транспорт, 1991. – 397 с.

9. Удачин В.С., Соловьев В.Б. Судовождение на внутренних водных путях : учеб. для реч. учил. и техник. – М. : Транспорт, 1990. – 286 с.

Оглавление

Введение …………………………………………………………….......				3
1.	Влияние ветра на управляемость судном …………………….……			4
	1.1.	Особенности воздействия ветра на движущееся судном.…..		4
	1.2.	Схематизация и математическая модель прямолинейного движения судна при ветре …………………………………….		6
	1.3.	Определение аэродинамических усилий на надводной части корпуса …………………………………………………………		9
	1.4.	Учет влияния ветра в практическом судовождении ………...		13
		1.4.1.	Выполнение поворотов одновинтового судна ……	18
		1.4.2.	Дрейф судна с остановленными двигателями ……	19
		1.4.3.	Особенности маневрирования двухвинтового судна в условиях ветра ……………………………..	20
2.	Влияние течения на путь и управляемость судов …………………			31
	2.1.	Особенности управления судном при движении по реке …..		35
	2.2.	Проводка судов и составов через перекаты ………………….		39
		2.2.1.	Проводка судна через перекат по течению ……….	39
		2.2.2.	Проводка судна через перекат против течения …..	40
		2.2.3.	Проводка толкаемого состава через перекат по течению ……………………………………………..	40
		2.2.4.	Проводка толкаемого состава через перекат против течения ………………………………………….	41
	2.3.	Управление судном при воздействии ветра и течения ……...		42
3.	Управление судном в условиях волнения …………………………			43
	3.1.	Характеристика волнения ……………………………………..		43
	3.2.	Мероприятия по подготовке к штормовому плаванию ……..		46
	3.3.	Поведение судна при плавании в штормовых условиях и на волнении ………………………………………………………..		47
4.	Влияние мелководья на управляемость судов …………………….			57
	4.1.	Изменение сопротивления воды движению …………………		57
	4.2.	Изменение просадки судна на мелководье …………………..		61
	4.3.	Влияние мелководья на работу двигателя …………………...		66
	4.4.	Изменение маневренных характеристик судов на мелководье		69
	4.5.	Определение проходной осадки судна на мелководье ……...		72
5.	Управление судном при плавании в ледовых условиях ………….			73
	5.1.	Характеристика ледовых условий ……………………………		73
	5.2.	Особенности управления судами …………………………….		76
	5.3.	Плавание судов в караване ……………………………………		81
Библиографический список ……………………………………………..				83

Основы управления судном

Часть 2

Учебное пособие

Ведущий редактор Н.С. Алёшина

Корректор Д.В. Богданов

Вёрстка И.А. Антипиной

Подписано в печать 16.11.2015.

Формат бумаги 60×84 ¹/₁₆. Гарнитура «Таймс».

Ризография. Усл. печ. л. 5,0.

Тираж 85 экз. Заказ 216.

Издательско-полиграфический комплекс ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5