Особенности применения средств управления судном в различных условиях плавания

Особенности применения средств управления судном в различных условиях плавания

 

 

Вход или выход из порта в абсолютном большинстве случаев связаны с плаванием в узкости и на ограниченной акватории. А это сопряжено с высокой степенью риска навигационных аварий. Чтобы избежать их, судоводители должны досконально знать маневренные качества своего судна. Необходимо четко представлять себе как судно среагирует на то или иное управляющее воздействие при определенных обстоятельствах.

Данная работа посвящена вопросам улучшения управляемости судна в различных условиях плавания. Особый акцент сделан на ситуациях, при которых необ­ходимо резко сократить тормозной путь или диаметр циркуляции, либо требуется вос­становить управляемость судна, которую оно утеряло вследствие воздействия внешних сил или из-за какой-либо неисправности.

Подобные ситуации возникают достаточно часто в морской практике. Вспомним, к примеру, об аварии танкера "Амоко Кадис", плавающего под либерийским флагом. Танкер погиб в марте 1978 года на камнях острова Уэссан. Произошла небывалая эко­логическая катастрофа, было разлито 220 тысяч тонн нефти.

Непосредственная причина - поломка рулевой машины. Рулевая машина вышла из строя, когда судно, следуя в Роттердам, находилось в системе разделения движения в 8-ми милях к северу от острова Уэссан. Через 2 часа мощный спасатель уже подал бук­сир, однако его 10 тысяч лошадиных сил не хватило, чтобы предотвратить дрейф су­пертанкера в сторону берега.

Была ли данная катастрофа неизбежной? Конечно, нет! Среди множества возмож­ностей не допустить аварии можно выделить одну. Главный двигатель танкера бездей­ствовал до самой посадки на камни, хотя и был в исправности. Эксперты считают, что если бы капитан проявил активность и попытался бы отойти мористее, работая своей машиной и используя спасательный буксир в качестве руля (с носа или с кормы), ги­бели можно было избежать.

Центр вращения (pivot point)

В книге "Управление судами при маневрировании" автор Генри Х. Хойер неоднократно обращается к термину "Pivot Point", который переводчики: Я.Н. Семенихин, Ю.М. Улькин и М.Н. Письменный обозначили как "центр вращения" (ЦВ). Генри Хойер указывает, что для полного использования управляемости судна в расчет должно приниматься положение ЦВ судна. Положение центра вращения играет решающую роль в объяснении поведения судов.

Нельзя говорить о положении центра вращения как фиксированном, оно является следствием движения судна и фактически перемещается вдоль корпуса судна.

При развороте судна следует учитывать положение ЦВ, чтобы оценить плечо силы, вызывающей разворот. Момент силы относительно ЦВ - это произведение силы на её плечо - длину перпендикуляра, опущенного из ЦВ на линию действия силы. Следовательно, есть большое различие между эффективностью действия сил, линии действия которых находятся вблизи ЦВ или далеко от него. Чем дальше точка приложения силы, действующей на судно, от ЦВ, тем больше плечо этой силы, тем больше эффективность её действия.

Очень важно иметь четкое представление о величинах сил, действующих на судно. Каждое движение судна можно рассматривать как результат воздействия на него различных сил, а отсюда можно объяснить, предугадать или предупредить кажущуюся иррациональность в поведении судна.

Базовые величины: каждые 100 л.с. эффективной мощности создают тягу в швартовном режиме 1 тс (9.81 кН). Лобовое сопротивление судна при движении с постоянной скоростью составляет 25% общего сопротивления движению судна. Поперечная сила на гребном винте, работающем назад, составляет от 5 до 10% силы тяги винта. Когда судно не имеет хода, сила на руле полностью определяется водяным потоком, набрасываемым винтом на перо руля. Для практических расчетов можно принять, что величина этой силы составляет порядка 0.3-0.5 силы упора винта и почти прямо пропорциональна углу кладки руля.

Поскольку ЦВ может перемещаться при маневрировании судна, очень важно иметь представление о вероятном положении ЦВ под воздействием различных обстоятельств, чтобы предвидеть изменения во вращательном движении.

Движение поворачивающегося судна можно рассматривать как комбинацию продольного, поперечного и вращательного движений, в котором продольное и поперечное движения могут быть равны нулю. Вращательное движение происходит вокруг вертикальной оси. Положение этой оси на судне зависит от формы судна, направления и скорости движения судна, величины и точки приложения различных сил, действующих на судно.

Как правило, можно считать, что на судне, не имеющем хода относительно воды, ЦВ находится по другую сторону миделя от силы, действующей на судно. Например, реакция руля или другая поперечная сила, действующая в кормовой части судна, образует ЦВ впереди миделя.

Когда под воздействием движущей силы судно получает продольное движение, в носу судна образуется лобовое сопротивление. Величину лобового сопротивления можно считать равной 1/4 движущей силы, когда судно идет с постоянной скоростью. Кроме этого на судно действуют сопротивление трения и силы инерции.

Отношение R_лоб/F_движ (где R_лоб - лобовое сопротивление; F_движ - движущая сила) играет важную роль при установлении положения ЦВ, когда судну, имеющему продольное движение относительно воды, придается вращательное движение.

Рассмотрим влияние упора винта и реакции руля на судно, не имеющее хода относительно воды и давшее передний ход. Инерция судна препятствует ускорению, подводное сопротивление пока еще не играет значительной роли. Сила упора винта работает одновременно по преодолению продольной инерции покоя и поперечной инерции вращательного движения, так как часть этой силы преобразуется в поперечное усилие от действия руля. Набрасываемая винтом струя воды вызывает реакцию руля - Rp (см. рис.1), поперечная составляющая которой равна примерно 1/3 - 1/2 упора винта на передний ход.

Рис. 1. Положение ЦВ при даче хода вперед с переложенным рулем.

Когда инерция покоя преодолена и судно наберет скорость, возникает лобовое сопротивление воды. Сопротивление воды достигает величины, примерно равной 1/4 пропульсивной силы, заставляя ЦВ смещаться назад пропорционально величине этой силы по сравнению с пропульсивной силой. При этом расстояние от ЦВ до носа (форштевня) составит 1/3 L. Точка ЦВ остается в том же самом положении, когда судно поворачивается с постоянной скоростью.

Когда судно следует постоянным курсом в идеальном случае не должно быть никакого поперечного сопротивления. Воздействие руля при изменении курса будет происходить с начальным ЦВ, расположенным от носа на расстоянии, пропорциональном отношению продольного сопротивления пропульсивной силе, т.е. на расстоянии примерно в 1/4 длины судна от носа; на заднем ходу он располагается примерно в 1/4 длины от кормы.

Лобовое сопротивление воды, действующее на нос при продольном движении, будет во время поворота воздействовать также на скулу, создавая поперечное сопротивление. Это поперечное сопротивление сдвигает ЦВ назад и вследствие этого укорачивает рычаг управления. Обычно считается, что на судне, следующем передним ходом и разворачивающемся под действием руля. ЦВ лежит примерно в 1/3 длины от носа.

Если судно на ходу сильно рыскает, то ЦВ смещается в сторону кормы и расположится на расстоянии примерно в 1/3 длины судна от форштевня.

Итак, рассмотрим возможность определения некоторых закономерностей в перемещении центра вращения по судну.

А. Судно стоит перпендикулярно причалу и упирается форштевнем в причал. Переложили руль на борт, дали ход машине. Центр вращения находится в точке соприкосновения с причалом (хотя бы на первое время, пока не начнется разворот судна и форштевень не станет скользить вдоль причала.

Рр

ЦМ ЦВ

ЦМ ЦВ

L/4

ЦВ ЦМ

L/4

В случае А местоположение этих точек явно совпадает. В случаях В, Г и Д хорошо просматривается отслеживание ЦВ за точкой приложения равнодействующей сил сопротивления, особенно, в случае Д. И совсем очевиден случай Е - перемещение судна задним ходом.

По существующей теории принято, что на заднем ходу, когда винт наберет обороты, его тяга остается постоянной вплоть до полной остановки судна. Такой подход создает у судоводителей опасную переоценку тормозных характеристик судна, что на практике нередко приводит к аварийным ситуациям.

Экспериментальные исследования показали, что в случаях, когда задний ход дается при малых скоростях переднего хода, расчетный тормозной путь может оказаться в 2-3 раза короче полученного экспериментальным путем.

Основной недостаток существующей теории заключается в том, что она не учитывает влияния струи воды, набрасываемой на корпус судна при работе винта на задний ход. Так как винт находится очень близко к корпусу, сила набрасывания существенно уменьшает полезную тягу винта (на момент остановки судна примерно вдвое). На мелководье отрицательный эффект усиливается, поскольку на корпус судна дополнительно действует струя воды, отраженная от грунта.

Процесс отдачи якоря на грунт на ходу судна можно разбить на два этапа: первый этап - движение якоря в воде до момента касания грунта; второй этап - внедрение якоря в грунт и движение его в грунте или по его поверхности. При этом принято, что грунт мягкий (песок, ил, глина и т.п.). Случаи с каменистым грунтом, а также зацепка якоря за неподвижное препятствие не рассматриваются.

При отдаче якоря на ходу судна на якорь и цепь начинают действовать сила сопротивления набегающего потока воды и сила инерции, отчего скорость свободного стравливания цепи увеличивается по сравнению с таковой на неподвижном судне. При скорости судна до 10 узлов это влияние незначительно, но затем это влияние становится существенным. При определенной скорости отдачи центробежная сила, действующая на цепь при изломе её на звездочке брашпиля, становится равной силе давления цепи на звездочку брашпиля. При этом вероятно проскальзывание цепи через звездочку брашпиля, что делает невозможной задержку цепи. Такое положение возникает при скорости травления цепи 8-10 м/с, когда вытравливается без задержки 25 – 30 м цепи.

Если якорь отдан и вытравлен только короткий отрезок якорь-цепи, рыскание судна будет почти наверняка устранено. Пламмер рекомендует отдавать якорь вышеуказанным способом и в том случае, если судно начинает рыскать в непосредственной близости от встречного судна, когда уже некогда принимать какие-либо иные меры.

В случае, когда судно, следуя по каналу, чувствует близость берега с такой силой, что чистое расхождение с приближающимся судном невозможно, Пламмер рекомендует прежде всего сбавить ход до минимального. Затем отдать якорь, как представлено выше. Через некоторое время лапы якоря покроются илом, что будет препятствовать захватыванию им грунта. После этого можно потравить якорь-цепь, а затем задержать её, но только при условии, что маневр будет выполнен правильно. Нужно вытравить якорь-цепь на длину от нескольких звеньев до 2 м и затянуть ленточный стопор втугую. В результате трения при остановке якорь-цепи тормозная лента всегда слегка нагревается. Неожиданный рывок якоря приводит к тому, что ил отваливается от лап якоря, отчего якорь крепче входит в грунт. После того как якорь проползет далее по грунту на его лапах снова накопится ил и натяжение якорь-цепи вновь ослабнет.

Груженое, плохо управляющееся судно остановить полностью без отдачи якоря очень трудно и сам маневр требует очень много времени. Если не воспользоваться якорем, то при остановке судна возникает большая вероятность удара его о берег или посадка судна на грунт (поперек канала).

Вышеуказанные рекомендации Пламмера относятся к случаям, когда судно следует на небольшой глубине и с малой скоростью. Используемый при этом якорь не забирает грунта. Однако нередки такие ситуации, когда необходимо использовать полную держащую силу якорей.

Экспериментальные исследования показали, что при протаскивании якоря по грунту (имеется в виду мягкий грунт и горизонтальное положение веретена якоря) он при заборе грунта развивает на время 1.0-1.5 с повышенную держащую силу, превышающую разрывное усилие цепи. Особенностью якоря Холла является то, что он, протаскиваясь по грунту, собирает перед собой вал, через который он через определенное время переваливается, затем вновь забирает грунт, развивая при этом повышенную держащую силу.

Из книги Льва Скрягина «Якоря»: В мае 1891 года Британское Адмиралтейство решило провести сравнительные испытания лучших систем якорей, изготовлявшихся в то время в Англии…..

Испытание заключалось в том, что каждый якорь отдавался на рейде с привязанным том-буем для указания места, рядом с том-буем ставили шлюпку. После этого корабль (броненосец «Гирроу») в течение 20 минут работал машиной на задний ход в половину мощности. Затем измеряли расстояние протаскивания якоря на грунте до места, где он зарывался в грунт и держал.

Становые якоря броненосца «Гирроу» весили по 96 центнеров (около 300 пудов), а для испытаний специально заказали якоря массой в 36 центнеров (около 112 пудов). Из пяти якорей четыре протащились по твердому грунту от 70 метров до 0.5 мили, прежде чем смогли задержать движение корабля.

Исключение составил якорь Холла. Длина его протаскивания была всего несколько футов. Посланные на дно водолазы сообщили, что якорь нагреб перед собой 12 футов грунта. Войдя с первого раза в грунт, он уже не менял своего положения в течение всех 20 минут испытаний……

4 кгс на 1 кгс веса – вот предел держащей силы безштокового якоря …..

Выводы, к которым пришел немецкий инженер из Бремена Генрих Хейн после проведенных модельных и натурных испытаний якоря Холла, можно назвать обескураживающими. Он установил: во многих случаях якоря с меньшей меньшей площадью лап держат лучше, нежели холловский якорь, и чем шире расставлены лапы якоря, тем меньше его держащая сила, Хейн понял, что на каждую из двух лап якоря могут действовать неодинаковые силы в зависимости от разницы в заглублении в грунт и от неоднородности грунта под якорем. Если одна из лап якоря попадает на камень, а другая уходит в мягкий грунт, неизбежно появление пары сил, стремящейся вырвать якорь из грунта. Хейн заметил, что обычно это происходит на песчано-каменистом и мелкокаменистом грунтах, на которых якорь перемещается резкими скачками, переворачиваясь с боку на бок. Пара сил появляется и при перемене направления ветра или течения, когда якорная цепь принимает различные направления относительно первоначального натяжения. При этом якорь раскачивается в грунте, вырывается из него и через некоторое время забирает опять.

Тщательные опыты в натурных условиях дали Хейну возможность понять, почему якоря Холла во время длительных стоянок при сильных ветрах «ползут», т.е. периодически выдергиваются и после некоторого протаскивания забирают снова.

Условием безопасной работы якорного устройства в случае забора якорем грунта на ходу судна является обеспечение свободного продвижения судна во время развития якорем повышенной держащей силы за счет упругого удлинения цепи. Исходя из этого положения были произведены расчеты и составлена таблица с указанием необходимой длины якорной цепи за бортом.

Очень важно то обстоятельство, что на малых скоростях хода сопротивление отданных в воду якорей с 3-4 смычками цепи превышает величину сопротивления корпуса судна в 2 раза. А это позволяет резко улучшить управляемость судна, так как ЦВ смещается в нос. Даже если только одни якоря опустить в воду поворотливость судна значительно улучшается.

Испытания на т/х «Профессор Щеголев» показали, что при использовании якорей, отданных в воду, диаметр циркуляции сокращался на 30-40%. Эффект особенно заметен при малых скоростях хода.

Существенное влияние на элементы циркуляции оказывает крен судна. Увеличение диаметра циркуляции в сторону крена и уменьшение в противоположную сторону объясняется избыточным давлением воды на скулу со стороны накрененного борта. Испытания на турбоходе «Академик Шиманский» длиной 169 м показали, что при дифференте 0.3 м на нос и крене 1.7˚ на правый борт диаметр циркуляции левого борта уменьшился почти в два раза.

Возвращаемся к случаю с "Амоко Кадис". Капитану следовало бы попытаться восстановить управляемость судна с помощью якорей, отданных в воду или на грунт по возможности, используя в качестве руля буксир на корме.

ПРИМЕНЕНИЕ ЯКОРЕЙ ПРИ МАНЕВРИРОВАНИИ (из книги Пламмера)

Летом 1942 г. на одновинтовом судне, следовавшем по Панамскому каналу, вышло из строя рулевое управление. Умелое использование якоря и машины позволило сохранить управление судном до его полной остановки. Произошедшая авария заставила подумать о пособии по уп­равлению судном с помощью якорей. С этой целью капитан порта Бальбоа распространил статью автора, озаглавленную „Применение якорей при маневрировании" и опубликованную в мартовском номере журнала „Материалы Военно-морского института" за 1942 г. Автор благодарен редакции журнала за разрешение повторить указанную статью в настоя­щей книге.

В начале своей эксплуатации судоходный канал Порт-Артур был очень узким и мелководным, а в те времена маневренные качества судов были значительно ниже качеств современных судов. В результате этого суда зачастую вели себя так, как будто бы у них вообще нет руля. Особенно это касалось груженых судов, которые рыскали от одного берега к другому. Даже суда с хорошей управляемостью удавалось удерживать на заданном курсе только при следовании по осевой линии канала. Поэтому возникла необходимость использования якорей для сохранения управляемости, особенно в случаях следования судов встреч­ными курсами в узких каналах.

Исчезновение парусных судов привело к тому, что опыт искусного управления судами оказался почти утраченным. Кроме того, углубление и расширение внутренних водных путей, которыми пользуются океан­ские суда, уменьшило необходимость применения якорей. Однако на узких водных путях, где грунт мягкий (илистый) и отсутствуют препятствия для судоходства, умелое применение якорей при маневри­ровании может оказать существенную помощь судоводителю. Если бы это умение оказалось „забытым искусством", морская практика по­несла бы большой ущерб.

С точки зрения автора, подкрепленной наблюдениями и опытом, именно якоря обеспечивали безопасное управление в тех многих слу­чаях, когда суда подвергались серьезной опасности. Ниже рассмотрены следующие ситуации.

Удержание судна на месте при минимальном ходе вперед (ситуация 10, Б).

Б. Если якорь отдан и вытравлен только короткий отрезок якорь-цепи, рыскание судна будет почти наверняка устранено. Даже если оно сохранится, то будет настолько замедлено, что встречные суда успеют безопасно разойтись.

Может возникнуть вопрос: „А почему не дать полный ход назад?" Одновинтовое судно с винтом правого вращения, отклоняющееся от правого берега при работе машины назад, сначала почти всегда пове­дет себя так, как будто имеет винт левого вращения. Более того, пока винт не вращается во время реверса машины, эффективность руля почти полностью утрачивается, в результате чего резко возрастает рыс­кание. Даже двухвинтовое судно с винтами внешнего вращения при рыскании от берега, если винт, расположенный ближе к берегу, рабо­тает назад, очень часто сначала усиливает рыскание, вместо того, чтобы уменьшить его.

Развороты судна.

При разворотах, для предотвращения продольного перемещения судна, режим работы машины выбирается так, чтобы Ре< Ря. Боковая сила руля Рру, возникающая от набрасываемой на руль винтовой струи, создает разворачивающий судно момент. Разворот происходит за счет забрасывания кормы в сторону, обратную переложенному рулю. При этом носовая оконечность судна будет двигаться по круговой траектории вокруг отданного якоря. Если винт фиксированного шага правого вращения или ВРШ левого вращения, то, естественно, разворот судна должен быть через правый борт.

Продольное движение судна.

Режим работы силовой установки выбирается так, чтобы Ре> Ря. В результате, при движении судна якорь протаскивается по грунту. Боковая сила руля (угол его перекладки) должна компенсировать разворачивающий момент, создаваемый силами Ре и Ря, поскольку они действуют в разных плоскостях. Тормозящая сила якоря позволяет увеличивать частоту оборотов винта и, следовательно, существенно повышать эффективность руля, сохраняя хорошую управляемость судна без увеличения его скорости. Уменьшая силу тяги винта, можно практически сразу остановить судно.

Как только судно начнет движение вперед машине дают задний ход. Возникающие при реверсе нескомпенсированные боковые силы от работы винта, направленные влево, будут способствовать развороту судна. Как только судно начнет движение назад повторяют действия по предыдущему пункту.

Эффективность разворота судна с ВРШ через правый борт обусловлена тем, что при винте левого вращения, коим обладают абсолютное большинство судов с ВРШ, на перед­нем ходу в работу включается сила реакции воды на вращение винта.

Такое маневрирование позволяет развернуть судно на ограниченной акватории.

Транспортные суда, особенно крупнотоннажные, имеют большие тормозные пути обусловленные их значительной инерционностью и низкой энерговооруженностью (мощность двигателя на единицу водоизмещения). Поэтому при экстренном торможении для предотвращения аварии необходимо предпринимать действия для уменьшения тормозного пути. Существующие конструктивные решения задачи (использование выдвигаемых из корпуса тормозных щитов, тормозных парашютов и т.п.) не нашли применения на обычных транспортных судах. Поэтому практически единственным способом уменьшения пути при экстренном торможении является торможение с использованием перекладок руля. Переложенный на борт руль и начало движения судна с углом дрейфа увеличивает общее лобовое сопротивление воды, что приводит уменьшению скорости. Особенно резкое снижение скорости наблюдается сразу же после перекладки руля.

Методология выполнения маневра заключается в следующем:

* руль перекладывается на борт;

* при изменении курса на 20° - руль перекладывается на противоположный борт;

* при максимальном отклонении от первоначального курса -средний ход вперед;

* при выходе на первоначальный курс - руль перекладывается на противоположный борт;

* при максимальном отклонении от первоначального курса - малый ход вперед;

* при выходе на первоначальный курс - руль перекладывается на противоположный борт;

* при максимальном отклонении от первоначального курса - самый малый ход вперед;

* при выходе на первоначальный курс - руль перекладывается на противоположный борт, полный ход назад.

При таком способе выполнения маневра судно останавливается на небольшом расстоянии от линии первоначального курса (равном примерно половине его длины), а тормозной путь уменьшается примерно на 20%.

Двойные рули Шиллинга

Два пера руля особой конфигурации, улучшающей условия обтекания их потоком воды, располагаются за винтом судна. При следовании судна полным ходом плоскости перьев располагаются параллельно друг другу и разворачиваются синхронно на 35º.

	○

При необходимости производства маневров перья рулей могут разворачиваться раз­дельно, что резко улучшает управляемость судна, особенно на малых скоростях движения, поскольку изменяется направление потока воды от винта.

Для экстренного торможения судна не нужно изменять направление вращения глав­ного двигателя. Два пера руля разворачиваются таким образом, чтобы поток от винта менял свое направление на обратное (см. рисунок)

Руль Бекера-Ястрема

Руль Бекера-Ястрема состоит из трех частей: цилиндра, который при своем вращении способствует установлению ламинарного потока вдоль обеих сторон пера руля (предложено Ястремом), основного пера руля и закрылка, который разворачивается на угол, в два раза превышающий угол разворота пера руля.

Закрылок

поток

Перо руля

поток

Цилиндр Ястрема

Особенности применения средств управления судном в различных условиях плавания

 

 

Вход или выход из порта в абсолютном большинстве случаев связаны с плаванием в узкости и на ограниченной акватории. А это сопряжено с высокой степенью риска навигационных аварий. Чтобы избежать их, судоводители должны досконально знать маневренные качества своего судна. Необходимо четко представлять себе как судно среагирует на то или иное управляющее воздействие при определенных обстоятельствах.

Данная работа посвящена вопросам улучшения управляемости судна в различных условиях плавания. Особый акцент сделан на ситуациях, при которых необ­ходимо резко сократить тормозной путь или диаметр циркуляции, либо требуется вос­становить управляемость судна, которую оно утеряло вследствие воздействия внешних сил или из-за какой-либо неисправности.

Подобные ситуации возникают достаточно часто в морской практике. Вспомним, к примеру, об аварии танкера "Амоко Кадис", плавающего под либерийским флагом. Танкер погиб в марте 1978 года на камнях острова Уэссан. Произошла небывалая эко­логическая катастрофа, было разлито 220 тысяч тонн нефти.

Непосредственная причина - поломка рулевой машины. Рулевая машина вышла из строя, когда судно, следуя в Роттердам, находилось в системе разделения движения в 8-ми милях к северу от острова Уэссан. Через 2 часа мощный спасатель уже подал бук­сир, однако его 10 тысяч лошадиных сил не хватило, чтобы предотвратить дрейф су­пертанкера в сторону берега.

Была ли данная катастрофа неизбежной? Конечно, нет! Среди множества возмож­ностей не допустить аварии можно выделить одну. Главный двигатель танкера бездей­ствовал до самой посадки на камни, хотя и был в исправности. Эксперты считают, что если бы капитан проявил активность и попытался бы отойти мористее, работая своей машиной и используя спасательный буксир в качестве руля (с носа или с кормы), ги­бели можно было избежать.