3.3. Плавучесть судна

Как было сказано выше, судно должно быть способно плавать в заданном положении относительно поверхности воды, неся предназначенные по роду его деятельности грузы, т.е. обладать плавучестью. При этом заданное положение относительно поверхности воды ограничивается сезонными и районными грузовыми марками.

Плавучесть судна определяется законом Архимеда, из которого следует, что на судно действует равнодействующая сил гидростатичес­кого давления γV(сила плавучести, или сила поддержания), равная по величине и противоположная по направлению силе тяжести судна D. Точки приложения этих сил лежат на одной вертикали.

Для судна, плавающего без крена и дифферента, уравнения плавучести имеют вид:

D = γV; x_g = x_c; y_g = y_c = o.

При наличии крена Ө и дифферента ψ первое уравнение сохраняется без изменения, а два других принимают вид:

x_c - x_g = (z_g - z_c)tgφ; y_c - y_g = (z_g - z_c)tg Ө,

где D — весовое водоизмещение судна; g — удельный вес воды; V — объем подводной части судна (объемное водоизмещение); x_g, y_g, z_g, — абсцисса, ордината и аппликата центра тяжести судна; z_c, y_c, z_c - абсцисса, ордината и аппликата центра величины судна.

Полный объем судна по палубу переборок V_полн складывается из двух составляющих: объема подводной V объема надводной водонепроницаемой части V_H. Первая из них определяет плавучесть судна, а вторая — ее запас.

Для того чтобы судно обладало положительной плавучестью, т.е. находилось на поверхности воды, имея некоторый запас плавучести ( V_H > 0), необходимо выполнить условие р <γ, где р = D/V_полн. — условный удельный вес судна. При р = γ судно обладает нулевой плавучестью, т.е. находится под поверхностью воды в полностью погруженном положении (V_H = 0). Такое состояние равновесия является безразличным, так как любое возмущение может изменить глубину погружения судна. При р > γ судно тонет, т.е. имеет отрицательную плавучесть.

Запас плавучести конструктивно обеспечивается приданием судну надлежащей высоты надводного борта и его водонепроницаемостью (включая непроницаемость верхней открытой палубы). Всякое нарушение непроницаемости надводного борта снижает запас плавучести и может вызвать катастрофические последствия. В частности, наличие открытых иллюминаторов ниже непроницаемой верхней палубы, а также незадраенных дверей на самой этой палубе может резко уменьшить запас плавучести.

3.4. Остойчивость неповрежденного судна

Основной характеристикой остойчивости является восстанавливающий момент, который должен быть достаточным для того, чтобы судно противостояло статическому или динамическому (внезапному) действию кренящих и дифферентующих моментов, возникающих от смещения грузов, под воздействием ветра, волнения и по другим причинам.

Остойчивость судна обычно рассматривают для двух случаев — для неповрежденного и поврежденного состояния. Требования для обоих случаев нормируются Правилами постройки и классификации судов Российского морского регистра судоходства и Правилами регистра по перевозке различных грузов, основанных на требованиях ИМО по остойчивости, непотопляемости и безопасности перевозки различных грузов.

Остойчивость судна обеспечивается его конструкцией, предполагающей безопасность от опрокидывания неповрежденного судна при плавании в допустимых районах и гидрометеорологических условиях, а также гарантирующей необходимый минимум безопасности от опрокидывания при повреждениях, связанных с затоплением отсеков. Конструктивная остойчивость поддерживается проведением организационно-технических мероприятий, выполняемых экипажем в период эксплуатации судна.

В отличие от понятия «запас плавучести» понятие «запас остойчивости» не выделяется, так как, по сути, запасом остойчивости является остойчивость неповрежденного судна.

Различают следующие виды остойчивости:

• статическую и динамическую. Первая имеет место, если судно при наклонениях до некоторого конечного постоянного угла крена или дифферента не получает значительных угловых ускорений; вторая — когда наклонения сопровождаются значительными угловыми уско­рениями. Например, при наклонениях под действием ветра, дующего с постоянной скоростью, медленного заполнения отсека через пробоину, поперечного или продольного перемещения груза проявляется статическая остойчивость. При наклонениях от действия шквального ветра или быстрого заполнения отсека через пробоину проявляется динамическая остойчивость;

• поперечную и продольную. Первая проявляется при наклонениях в поперечной плоскости (крен), вторая — при наклонениях в продольной плоскости (дифферент). Минимальной из них является поперечная, которая выступает как определяющая при оценке остойчивости судна и нормируется ИМО и Российским морским регистром судоходства;

• начальную остойчивость (остойчивость при малых углах наклонения) и остойчивость при больших углах наклонения. Первая из них является частным случаем второй. Малыми углами наклонения в продольной плоскости считаются наклонения на угол не более 2°, в поперечной плоскости — на угол не более 10° или не более угла входа в воду верхней палубы у борта (выбирается меньшее значение).

Остойчивость судна при малых углах наклонения, когда восстанавливающий момент линейно зависит от угла крена Θ или дифферента ψ, характеризуется метацентрическими формулами:

M _Ө = γVh sin Θ ≈ γVh Θ;

M _ψ = γVH sin ψ ≈ γVH ψ;

где γ - удельный вес воды; V - объемное водоизмещение судна; h и H— поперечная и продольная метацентрические высоты соответственно.

При больших углах крена линейная зависимость между углом крена и восстанавливающим моментом нарушается, и поперечная остойчивость должна характеризоваться диаграммами остойчивости (статической и динамической). Величина восстанавливающего момента M_Θ может быть представлена в виде разности двух составляющих:

М_Ө = γVr sin Θ - γVa sin Θ,

где r — поперечный (малый) метацентрический радиус; а = z_g — z_c — возвышение центра тяжести над центром величины судна.

Первая составляющая, зависящая от формы обводов судна, называется остойчивостью формы, вторая, определяемая положением центра тяжести, называется остойчивостью веса. Величина M_Θ, кроме того, может зависеть от скорости судна и от наличия волнения. Поэтому различают остойчивость судна на тихой воде и остойчивость на волнении.

Остойчивость на тихой воде — способность судна противостоять внешним моментам при отсутствии волнения. Если судно не имеет хода, восстанавливающий момент полностью определяется распределением гидростатических давлений по корпусу судна. Наличие хода приводит к изменению восстанавливающего момента вследствие перераспределения давлений в жидкости, которое в зависимости от формы корпуса и скорости судна может приводить как к возрастанию, так и уменьшению поперечной остойчивости. Поэтому для высокоскоростных судов необходимо специально рассматривать остойчивость на ходу.

Остойчивость судна на волнении — способность судна противостоять внешним кренящим нагрузкам в условиях волнения. В этом случае восстанавливающий момент при данном угле крена будет меняться в времени вследствие непрерывного изменения формы действующей ватерлинии и колебаний волновых нагрузок на корпусе судна. При этом среднее значение момента, как правило, несколько отличается от значений момента, соответствующего данному углу крена на тихой воде без хода. Наиболее опасно движение судна на попутных волнах, длина которых близка к длине судна. В этом случае при попадании судна на вершину волны возможно существенное уменьшение его остойчивости (на подошве волны остойчивость возрастает), и, если судно имеет скорость, близкую к скорости распространения волны, оно будет длительное время иметь пониженную остойчивость. При этом внешние кренящие моменты, не опасные в отношении остойчивости судна на тихой воде, могут вызвать недопустимый крен и даже опрокидывание судна, находящегося на вершине волны. Это особенно опасно для сравнительно небольших судов (длиной 60-80 м), для которых восстанавливающий момент на вершине волны может быть значительно меньше, чем на тихой воде.

При плавании судна на нерегулярном ветровом волнении восстанавливающий момент изменяется во времени случайным образом и оценка остойчивости судна производится с позиций теории вероятностей.

Для характеристики динамической остойчивости используется понятие об обеспеченности (вероятности превышения) динамического угла крена, который может получить судно при действии заданной внешней нагрузки, а также о вероятности его опрокидывания.

Требования к безопасности и обитаемости реализуются через взаимосвязи с остальными свойствами судна.

Помещения судна группируются по степени проницаемости, герметичности и огнестойкости в водонепроницаемые и герметичные отсеки, противопожарные зоны, отсеки, выгородки.

Оборудование, технические средства, используемые на судне, комплектуются с учетом их применимости на морском судне.

Для обеспечения живучести технических средств и средств их управления на судне применяются основные и резервные технические средства, автоматические, дистанционные и ручные способы их управления.

Все судовое оборудование и технические средства должны иметь соответствующие сертификаты и инструкции по их использованию.