УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

левого борта у судов с винтом регулируемого шага правоговращения.

Оптимальным способом экстренного торможения крупнотоннажных танкеров с фиксированным шагом винта правого вращения (суда типов «Борис Бутома» и «Маршал Буденный») является способ торможения путем реверса машины на задний полный ход с одновременной перекладкой руля на левый борт. Затем после разворота судна от первоначального курса влево на угол 15° руль перекладывается на правый борт до окончания маневра. При такой остановке судна тормозной путь и время маневра уменьшаются на 30—35 % по сравнению с длиной пути и временем торможения при выполнении этого маневра с положением руля прямо. Боковое уклонение при маневре уменьшается в 3—4 раза, а угловая скорость в концеманевра— в2—3 раза,

По результатам теоретических исследований и натурных измерений нами разработаны рекомендации судоводителям по маневрированию крупнотоннажными танкерами при торможении, маневрированию на переходных режимах работы машины, при остановке во время ветра и при расхождении на пересекающихся курсах. После обсуждения с капитанами судов и работниками Службы безопасности мореплавания Новороссийское морское пароходство в 1980 г. внедрилоэтирекомендациинасупертанкерах.

§8 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ КРУПНОТОННАЖНЫХ СУДОВ ПРИ ПЕРЕКЛАДКЕ РУЛЯ

Закономерности движения судна при перекладке руля характеризуют одно из важнейших качеств судна, обеспечивающих безопасность плавания, называемое управляемостью. Фундаментальные основы науки об управляемости судов заложены трудами советских ученых А. М. Васина, К. К. Федяевского, В. М. Лаврентьева, Г. А. Фирсова, И. Т. Хановича, Р. Я. Першица, В. Г. Соболева, А. В. Васильева и др., а также зарубежных ученых И. Ф. Кемпфа, Д. Дэвидсона, К. Гупшиса, Л. Мотора, И. Окада, Н. Дьедонне, X. Тимме, К. Номото и др.

– 83 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

Современное состояние теории управляемости позволяет с необходимой для практики судовождения точностью определить характеристики управляемости судов с использованиемрасчетовиданныхэксперимента.

Для обеспечения безопасности мореплавания важное значение, особенно при управлении крупнотоннажными судами, приобретают умение судоводителей правильно оценивать характеристики управляемости судна и на их основе прогнозировать траекторию движения с переложенным рулем. Выполнение безопасных и эффективных маневров в сложных условиях плавания невозможно без знаний закономерностей движения судна при перекладке руля, а именно таких характеристик, как характеристика кривой линии, описывающей движение центра тяжести судна, называемой циркуляцией, изменения угловой скорости движения и величины угла дрейфа судна на циркуляции. Именно поэтому в настоящее время как в

СССР, так и за рубежом большое значение придается повышению специальной подготовки судоводителей, направленной на изучение управляемости и маневренных качествособенно крупнотоннажных судов. В связи с этим в ряде стран созданы специальные центры подготовки судоводителей на тренажерах различного типа по управлению судами. Признано необходимым иметь на каждом судне «Информацию капитану о маневренных элементах судна», которая должна учитывать специфику конкретного типа судна и динамику влияния различных факторов на управляемость в разнообразных условиях плавания.

При перекладке руля на угол αр движущееся прямолинейно со скоростью v0 судно будет осуществлять криволинейное движение, при этом кинематика движения судна в горизонтальной плоскости характеризуется следующими величинами (рис. 39): поступательной скоростью центра тяжести судна v, угловой скоростью вращения со, углом скорости φ, углом дрейфа β0 при центре тяжести G, углом курса ψ, координатами центра тяжести х, у, радиусом кривизны траектории R из центра тяжести (ц. т.) судна.

Будем считать, что ц. т. судна находится в плоскости миделя. Перечисленные характеристики в неустановившийся (эволюционный) период циркуляции являются функциями времени t. В соответствии с этим угловая

– 84 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

рис. 39 Изменение угла дрейфа по длине судна

скорость судна определяется как производная от угла курсаповремени

ω = dφ/dt.	(81)
Каквидноизрис. 39, существуетсоотношение
ψ=φ+β.	(82)
Поэтому можно записать
ω= dφ/d t + dβ/dt.	(83)

Обозначим через dl дифференциал дуги траектории ц. т. судна. Тогдаполучимdl=rdφ;

r=dl/dφ = dldt/dtdφ= vdφ/dt

Таким образом, имеем dφ/dt = v/r и соответственно находим

φ= v r + dβ/dt.

(84)

При установившейся циркуляции dβ/dt= 0.	В этом
случае
ωц= — vцrц	(85)

Точки судна, расположенные на ДП судна в направлении носа и кормы от ц. т., движутся по траектории различной кривизны. Поэтому углы дрейфа β (х) в различных по длине судна точках х будут различными.

– 85 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

Точка Р с абсциссой х0 называется полюсом поворота. В соответствиисобозначенияминарис. 39 имеем

tgβ (x) = (x0 — x)/r·cos β0 .

(86)

Если углы дрейфа не выходят за пределы 15—20° (что имеет место при выполнении большинства маневров крупнотоннажными судами), то можно принять tgβ(x)≈sin(βx)≈β(x); cosβ (x) ≈ 1. Тогда β(х0—x)/r

Поскольку в рассматриваемый момент времени β0 = x0/r = v/ω, тосоответственно получим β(x)=β0 —

—ωx/v. Введем безразмерные обозначения: x=x/L, где L

— расчетная длина судна на конструктивной ватерлинии; ω = L/R — безразмерная угловая скорость поворота судна на циркуляции. Тогда получим

β (x) = β0 - x (ω).

(87)

Угол дрейфа после перекладки руля достигает на

ибольшего значения вкормовойоконечностисудна.

На рис. 40 показана кривая изменения угла дрейфа β0 в зависимости от угловой скорости поворота ω°/с, полученная Тадзима для танкера водоизмещением 360 тыс. т. Максимальное значение β составляет 25°. На рис. 41 для того же судна приведена кривая изменения положения полюса поворота, характеризуемая величиной его удаления от миделя судна, выраженной в относительной безразмерной величине (длинах судна). При угловых скоростях до 0,5 °/с полюс поворота смещен от миделя к носу судна на расстоянии около 0,4L; при больших угловых скоростяхоколо0,3 L.

Из соотношения sinβ0=x0/r≈β0 можем записать приближенноевыражение

β0 ≈ (0,3÷0,4)L r.	(88)
рис. 40 Изменение угла дрейфа	рис. 41 Изменение положения
танкера	полюса поворота утанкера

.

– 86 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

Изменение угла дрейфа β с течением времени можно определитьпо формуле

β= β0(1-еt/T),				(89)
гдеТ—постояннаявременидляданного судна, определяемая
порезультатамнатурныхиспытаний.
В табл. 8 приведены	значения углов дрейфа для
крупнотоннажныхсудов.
Таблица 8 Углы дрейфа
Характеристика судна	Танкер	Нефтеру-	Рудовоз	Танкер
		довоз
L, м	244	224,3	172,0	183,0
В, м	35,4	30,6	24,8	28,0
Т, м	12,3	11,6	9,6	10,1
W, т	81860	63234	32 756	43448
V, м/с	15,9	16,3	16,5	15,5
ΑP, º	35	35	35	35
β0, º	18	20	20	15

Определить угловую скорость поворота судна можно на основании решения с некоторыми упрощениями третьего уравнениявсистеме (37):

Jz (1 + λ66)dω/dt + m(λ11 — λ22) vx vy = Σ Мг

(90)

Ввиду малого значения вторым членом уравнения в правой части можно пренебречь. Допустим, что момент руля МP при отклонении его на угол αр и позиционный момент на корпусе судна пропорциональны углу поворота руля и характеризуются выражением Мαп = Мα + +Мп = Кα αр, где Кα —суммарный момент при повороте руля на 1°. Момент сопротивления воды вращению судна (демпфирующий момент) пропорционален угловой скорости поворота судна со, т. е. MR = K1ω=K1(dφ/dt). Принимая во внимание равенства dω/dt= d2φ/dt2 и М = = Мα+МR—МP, преобразуем уравнение (90) следующим образом:

	J (1 + λ66)d2φ/dt2 = Кα αр — K dφ/dt,	или
	d2φ/dt2+Nωdφ/dt =Nα αp,	(91)
где	Nω = K1/J (1 + λ66), Nα = Кα/ J (1 + λ66).
	– 87 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

Уравнение(91) можнозаписатьввиде

T d ω / d t + ω = K αp ,	(92)
где Т = J(1 + λ66) Nω , с; К =Nα / Nω ,	1/с.

Если при постоянном угле перекладки руля αр судно» получает постоянную угловую скорость Шуст, тогдаускорение поворота судна dω/dt=0. Это означает, что момент руля и позиционный момент накорпусеΝα αр будутравны демпфирующему моменту или моменту сопротивления водывращениюNω·ω, илиωуст = Nα αp/Nω = = KαР. Изэтого выражения следует, что конечная угловая скорость поворота будет того же порядка, что и угол перекладки руля αр. Судно с большим значением коэффициента К будет иметь сравнительно небольшой диаметр циркуляции.

В результате проведенных нами натурных испытаний получены следующие значения постоянных К1 и Т для крупнотоннажныхтанкеров(табл. 9).

Таблица 9 Значение постоянных K1 и Т

Типсудна		Водоизмещение,		ωуст, °	K1,с	Т,с
		тыс. т
Танкер«Крым»		182,0		0,75	0,02	50
ОБО«МаршалЖуков»		127,0		0,52	0,015	95
Нефтерудовоз«Борис		133		0,80	0,023	80
Бутома»
Танкер«София»		50		0,78	0,022	55
Танкер «Бухарест»		25,5		0,76	0,02	27
Проинтегрируем	неоднородное			дифференциальное
уравнениепервогопорядка(92), приведяквиду
						(93)

спомощью подстановкиω=U·V. Получаемdω=udv+ + vdu, гдеииv — неизвестныефункцииt. Перепишемуравнение (93) ввиде

или

– 88 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

Применяяподстановкуω=U·V, получим

или

(94)

Поставим условие, чтобы выражение в скобках рав-

нялось нулю: du + T—1udt=0, или du/u =—T—1dt. Интег-

рируя, имеем lnu = — ∫T —1d t = — t/T. Потенцируя, получим u = e—t/T. Постоянную интегрирования здесь не пишем, так как достаточно будет какого-нибудь отличного от нуля решения этого уравнения. Подставим найденную функцию и в уравнение (94), учтя, что выражение в скобкахравнонулю:

Интегрируя, получим

гдеС— постояннаяинтегрирования.

Подставляя найденные функции и и v в исходную подстановку, получим

Приt = 0 ω= 0, тогдаС= —Kαр, или

ω = Καр(1—еt/T).	(95)
Формулу(95) можно записать в виде
ω= ωуст (1—е—t/T).	(96)

– 89 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

Проинтегрируем уравнение (93), преобразовав его следующимобразом:

Так как dφ/dt=ω с учетом выражения (96) можно записать:

или

Интегрируя, получим

где С1 — постоянная интегрирования.

Приt = 0 dφ/dt = 0, тогдас1 = ωуст. ПодставивзначениеС1 получим

Разделивпеременныеиинтегрируя, получим

где c2 — постоянная интегрирования;

Приt = 0 φ= 0, тогдас2= — ωустT или

(97)

На рис. 42 показаны рассчитанные по формулам (96) и (97) закономерности изменения угла поворота φ и угловой скорости поворота ω груженого танкера «Маршал Жуков», двигавшегося с начальной скоростью 8,25 уз после перекладки руля на правый борт. Расчетные данные сопоставлены с результатами натурных испытаний, проведенных нами в 1979 г. на Черном море в районе Новороссийска. Расчетные данные удовлетворительно

– 90 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

рис. 42 Изменение угловой скорости			совпадают с натурными ве-
ω и угла	поворота φ	теплохода	личинами,			что		позволяет
«Маршал Жуков» (кружками на			сделать заключение о прак-
рисунке	обозначены	опытные	тической приемлемости фор-
значения, полученные по натурным			мул (96) и (97) для решения
испытаниям)			поставленнойзадачи.
			Важное значение для ре-
			шения многих задач судо-
			вождения имеет знание су-
			доводителями				закономерно-
			стей	изменения				скорости
			судна, движущегося по кри-
			волинейной траектории с пе-
			реложенным рулем. Натур-
			ные	изменения показывают,
			что при перекладке руля на
			борт у крупнотоннажных су-
			дов скорость поступательного
			движения		v	уменьшается			в
			течение 4—6 мин. При этом
			величина		v		уменьшения
			скорости			пропорциональна
			величине		угловой			скорости
			поворотасуднаω.
			определение			Аналитическое
								падения
			скорости		при		движении		с

переложенным рулем представляет большие сложности. По рекомендации И. Г. Хановича и Г. В. Соболева, падение скорости при повороте судна можно определить поформуле

(98)

где С1 — опытный коэффициент.

По результатам проведенных нами натурных испытаний крупнотоннажных судов C1 = 40. На рис. 43 показана кривая снижения скорости при установившейся циркуляции, рассчитанная по формуле (98). На кривой нанесены опытные точки для трех крупнотоннажных судов. На рис. 44 показано изменение установившейся угловой скорости и безразмерной линейной скорости v = v/v0 при различных перекладках руля нефтерудовоза «Борис Бутома» приполнойзагрузке судна.

– 91 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

рис. 43 Снижение скорости	рис. 44 Снижениескоростина
теплохода «Борис Бутома»	установившейсяциркуляции
при перекладке руля на левый
борт (кружками обозначены	1 — теплоход	«Маршал Жуков»,
опытные значения, полученные	2 — теплоход	«Борис Бутома»,
понатурнымиспытаниям)	3 — судно водоизмещением 250 тыс т

Падение скорости хода при перекладке руля на 35º достигает 60% и 25% при перекладке руля на 10°; при этом величина угловой скорости поворота составляет 0,8 и 0,4°/с соответственно. Аналогичные закономерности наблюдаются и у танкеров типа «Крым» и «Маршал Жуков».

Как показали натурные испытания, текущее значение скорости хода судна v, движущегося с переложенным рулем, можноопределитьпоформуле

(99)

где vо _ скорость в начале маневра, м/с; t — время, с; Rц — радиусустановившейсяциркуляции, м.

На рис. 44 приведены опытные точки и рассчитанные по формуле (99) кривые изменения скорости на груженом теплоходе «Борис Бутома» при перекладке руля на левый борт. Экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретической кривой. На рис. 43 также показана кривая изменения ускорения (замедления) поступательного движения v и пройденного расстояния S,

кб.

Наиболее полно поворотливость судна характеризует его циркуляция. Циркуляцией называется кривая линия, которую описывает центр тяжести судна при перекладке руля. Поворотливость обычно характеризуют

– 92 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

рис. 45 Диаграммы управляемостикрупнотоннажныхсудов:

1 — «София» , 2 — плавбаза, 3 — «Крым»; 4 — «Маршал Жуков»

диаграммой управляемости судна, выражающей зависимость между углом перекладки руля (αр) и безразмерной угловой скоростью судна ω=L/Rц, здесь L — длина судна; Rц — радиус установившейся циркуляции. На рис. 45 приведены диаграммы управляемости крупнотоннажных судов, построенные по результатам натурных испытаний. Близость ординат начала диаграмм к нулю указывает на то, что крупнотоннажные суда обладают высокой эксплуатационной устойчивостью на курсе. Аналитически циркуляцию можно рассчитать путем численного интегрирования системы дифференциальных уравнений (37) с помощью ЭВМ, например, по методу Рунге— Кутта.

§9 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАНЕВРЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КРУПНОТОННАЖНЫХСУДОВ

Для практического использования на судах обычно применяют циркуляции, полученные по результатам натурных испытаний судна, загруженного до полной осадки и при наличии балласта. При этом руль перекладывают на 10, 20 и 35° отдельно на левый и правый борт. Таким образом получают 12 циркуляции. На рис. 46 приведены циркуляции груженого танкера «Крым» при движении полным ходом. Натурные испытания должны проводиться при средней скорости ветра не более 3 м/с при высоте волн 3%-ной обеспеченности не более 0,75 м. Глубина акватории испытаний Н должна отвечать условиям

(100)

– 93 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

где B —ширина судна, м; Tн — наибольшая осадка, м; vmax — наибольшая возможная скорость судна, м/с.

Исходным режимом движения судна на приемо-сда- точных испытаниях должен являться режим движения прямым курсом при полной скорости хода, соответствующей частоте вращения гребных винтов при спецификационной осадке в полном грузу. В случае невозможности обеспечить проведение испытаний судна при указанной осадке допускается проведение приемо-сдаточных испытаний в неполной загрузке при условии, что для данного случая и для случая полной загрузки будут получены соответствующие характеристики управляемости путем испытаний самоходной модели. При удовлетворительном согласовании материалов модельных и натурных испытаний для случая неполной загрузки характеристики управляемости натурного судна в полном грузу определяются по данным испытаний модели для основноговарианта вполном грузу.

рис. 46 Циркуляция танкера "Крым" на полном ходу в грузу (без подруливающих средств)

Критический угол перекладки руля αр диаграммы управляемости определяется путем выполнения маневра «спираль». Для этого судно вводится в начале в крутую установившуюся циркуляцию правого борта (рекомендуемые углы перекладки αр = 20÷35°). Затем последовательными перекладками руля на противоположный борт

синтервалом не более 5° судно выводится из циркуляции

–94 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

таким образом, чтобы при каждой промежуточной перекладке руля оно могло совершать установившееся движение по кругу. Если при достижении αр = 0 судно выводитсянапрямойкурс, тоαкр = 0.

Если при достижении αр = 0 судно по-прежнему описывает циркуляцию правого борта, то необходимо продолжать выполнение маневра, перекладывая руль последовательно через интервал 1—2° на левый борт. Значение угла перекладки на левый борт, при котором судно выводится из циркуляции правого борта и встает на прямой курс, принимается равным акр. Аналогичным образом маневр повторяетсяс левого борта.

Критические углы перекладки у судов чаще всего невелики и не превышают 3°. Поэтому особое внимание перед началом испытаний нужно уделить выявлению соответствия между показаниями угла перекладки по аксиометру на мостике судна и действительными значениями угла перекладки по положению румпеля относительно диаметрали судна. Кроме того, нужно обратить внимание на выявление статического крена судна перед началом испытаний. Уголкрена не долженпревышать1°.

После определения критических углов перекладки рулей на правый и левый борт необходимо переходить к определению характеристик циркуляции, которая должна выполняться при перекладках рулей на ±20°, ±35°. По данным измерений радиусов установившейся циркуляции находят зависимости ее радиуса от угла перекладки Rц(αр) и безразмерной угловой скорости ω = = L/Rц. Если имеется возможность для определения углов дрейфа в процессе движения судна, то находят зависимость β (αр). К сожалению, угол дрейфа определяется при натурных испытаниях со значительной погрешностью, поэтому его определениеноситрекомендательныйхарактер.

Для устойчивости судна на курсе необходимо определить относительную угловую скорость установившейся циркуляции ωо, при отклоненном руле. Эту величину определяют следующим образом. При непереложенном руле судно осуществляет начальное движение прямым курсом, в случае неустойчивости оно «свалится» в самопроизвольную циркуляцию правого или левого борта с ра-

– 95 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

диусом R0. По значению этого радиуса определяют величину ωo=L/R0. Однако для выполнения такого маневра (особенно для крупнотоннажных судов) требуется значительное время и достаточно большая акватория. Поэтому величину ω0 можно получить приближенно по графику ω (αр), полученному при αр, равному 5, 15, 25, 35°. Для этого в зоне малых углов перекладки кривая для со (αр) экстраполируется линейно по касательной до пересечения с осью ординат. Такое построение допустимо для судов, у которых диаграмма управляемости обычно не имеет каких-либо аномалий и близка к прямой линии в зоне αр>5° (см. рис. 45). При выполнении циркуляции целесообразно определить также величину выдвига lв, величину прямого смещения lП, тактический диаметр циркуляции DT, время перекладки руля TР на задаваемый угол перекладки, время t1 поворота судна на 90°, время t поворота судна на 180°, скорость судна v, угловую скоростьсуднаω(t).

По полученной диаграмме управляемости оценивают поворотливость и устойчивость на курсе с учетом соотношений ω35≥0,5, ωо/ω35≤0,15. Если эти соотношения выполняются, то управляемость судна на тихой воде в режиме свободного хода следует признать хорошей. В противном случае необходимо в технической документации судна сделать соответствующее замечание, которое должноучитыватьсясудоводителями.

Определение указанных выше величин проводится с использованием известных методов и технических средств, обеспечивающих приемлемую точность и надежность измерений. Используютсяследующие методы.

1. Метод определения характеристик управляемости и маневренности при помощи синхронного пеленгования судна теодолитами, фототеодолитами и другими видами оптических пеленгаторов береговой базы (метод предпочтительный). Этот метод может с успехом применяться для малых ч средних судов, испытания которых можно проводить вблизибереговойчерты.

На берегу предварительно размечается база измерений и устанавливаются три оптических пеленгаторных прибора. По сигналу судна начинают синхронное пеленгование мачты или другого заметного элемента надводной части корпуса (углы γ1, γ2, γ3) с интервалом 10 — 15 с.

– 96 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

Одновременно с судна пеленгуют заметный береговой ориентир (с помощью пеленгаторов на мостике). По данным измерений на планшете в определенном масштабе строят траекторию судна и наносят положение диаметрали, что позволяет определять углы дрейфа. Рассмотренный метод дает высокую точность измерений и обеспечивает надежность учета течения, влияющего на результаты испытаний. Это особенно важно, когда испытания проводятся в местах с заметным течением. В этом случае перед началом испытаний проводят гидрологическую съемку мерной акватории с построением карты изотах и линий тока течений, для чего изготовляют 8—10 гидрометрических шестов и с помощью береговых пеленгаторов фиксируют движение гидрометрических шестов на участке испытаний, строя в дальнейшем на планшете их траекторию. Результаты такой съемки дают возможность определить вектор скорости течения в каждой точке потока С, определяемой некоторым радиусом-вектором.

Траекторию движения судна относительно воды определяют исключением сноса под действием течения по выражению:

(101)

где r0(t) — радиус-вектор траектории относительно воды, м; r (t) — радиус-векторабсолютнойтраекториисуднаотносительноберега, м.

Интеграл в формуле (101) заменяется конечной суммой. 2. Метод определения характеристик управляемости и маневренности при помощи синхронного пеленгования надводного ориентира и одновременного определения угла курса. Пеленгование надводного ориентира (буя) выполняют при помощи оптических пеленгаторов, теодолитов и т. п. с испытываемого судна (метод Ризбека). По данным синхронного пеленгования неподвижного буя с судна и одновременной отметке углов курса определяют положение судна в фиксированный момент времени, а затем строят на планшете траекторию центра тяжести. Буй при испытаниях должен располагаться вблизи центра предполагаемой циркуляции. По этому способу, помимо траектории судна, определяют и угол дрейфа путем

– 97 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

проведения касательной к траектории в фиксиро ванный момент времени. Данный способ дает хорошие результаты только при тщательной подготовке испыта ний и при слаженной работе пеленгаторных постов. Не достатком этого способа является то, что траекторию движения получают относительно неподвижного ориен тира и учет течения вызывает трудности. Поэтому ис пытания промысловых судов по данному методу следу ет проводить на акваториях, где течение отсутствует или пренебрежимомало.

3.Метод определения показателей управляемости при помощи судовой радиолокационной станции (по пеленгу и дистанции на надводный или береговой ориентир с радиолокационным отражателем). Траекторию движения судна в этом случае строят на планшете по пеленгу, дистанции и углу курса φ. Проведение испытаний по данному методу требует хорошей настройки РЛС и достаточновысокойподготовкиоператоров.

4.Метод определения показателей управляемости и маневренности путем использования гиперболических

радионавигационных приборов ближнего и дальнего действия при условии обеспечения необходимой точности. Этот метод можно с успехом применять на судах, оборудованных радионавигационной аппаратурой типа «Декка». Преимуществом подобного рода испытаний является то, что их можно проводить при плохой видимости в любое время суток, вдали от берегов, где нет ограничений для маневрирования. Недостатком метода является определенная громоздкость и сложность аппаратуры, что требует достаточно высокой квалификации специалистов, проводящихиспытания.

Характеристики управляемости можно также измерять путем пеленгования плавающего надводного ориентира (буя, плотика) с судна при помощи пеленгаторов с мостика при одновременном фиксировании угла снижения с помощью секстанов. При определенной тренировке операторовможнодобитьсявысокойточностиизмерений.

Если время испытаний очень ограничено, показатели диаграммы управляемости можно измерять следующим образом. Вводя судно в установившуюся циркуляцию, замеряют время Тц одного оборота на 360° и скорость судна по лагу. С учетом того, что при углах дрейфа

– 98 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

β<20°, соsβ~1, можно полагать, что измеренная по лагу скорость равна поступательной скорости хода судна, радиус циркуляции определяется как

Rц = vTц/2π.

(102)

Этот способ вполне приемлем при скоростях хода свыше 7 уз, когда гидродинамические лаги работают достаточно надежно. Определяя по радиусам циркуляции величину угловой скорости ω, строят диаграмму управляемостисудна.

При проведении натурных испытаний точность измерений и отсчетов должна отвечать следующим требованиям:

±2%

Углы перекладки рулей (насадок)

Время перекладки рулей (насадок), с

Времяповоротана90°, с

Время поворотана1800, с

Радиусциркуляции, выдвиг, прямоесмещение, тактический диаметрциркуляции

Критическиеуглыперекладки

±0,5%

±0,5

±1

±1

±5%

±0,5%

Изложенная выше программа натурных испытаний позволяет объективно оценить поворотливость и устойчивость на курсе судов. Для составления информации о маневренных качествах судна необходимо в рейсе зафиксировать траектории циркуляции судна на правый и левый борт в грузу и балласте (или в неполной загрузке), при положении руля «на борт» αр = 35° и «на полборта»

αр= (15÷20°).

Информация должна содержать промежутки времени на каждые 10° в диапазоне изменения начального курса 0—90°, на каждые 30° в диапазоне 90—180°, на каждые 90° в диапазоне 180—360°, а также наибольший диаметр циркуляции, выдвиг судна по линии первоначального курса и смещение по нормали к нему, начальную, промежуточную (на 90°) и конечную скорости, углы дрейфа нациркуляции.

По данным измерений на мостике судна должны находиться соответствующие планшеты с графическими изображениями циркуляции. Кроме того, на этом планшете необходимо зафиксировать элементы маневра для спасания человека, упавшего за борт. На рис. 47 показаныциркуляциикрупнотоннажнойплавбазы.

– 99 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

рис. 47 Циркуляцииплавбазыводоизмещением21тыс. тприαр= ± 35°

Важное значение для обеспечения безопасности мореплавания имеют знания судоводителем маневренного и эволюционного периодов циркуляции. Под маневренным периодом циркуляции следует понимать период, длящийся от начала перекладки руля до момента, когда эффект действия руля начинает заметно проявляться. Для судна дедвейтом 200 тыс. т, идущего полным ходом, при перекладке руля на борт эффект руля начинает проявляться через 300 м, у судна дедвейтом 160 тыс. т — через 250 м после начала перекладки руля, т. е. крупнотоннажное судно проходит расстояние, приблизительно равное своей длине, не меняя курса. После начала поворота нос отклоняется в сторону перекладки руля, а корма смещается в сторону, противоположнуюлиниипервоначальногокурсасудна.

Вторым важным элементом циркуляции является момент пересечения точкой кормового перпендикуляра судна линии первоначального курса. Циркуляция от начала перекладки руля до этого момента характеризует расстояние по линии первоначального курса, которое требуется судну, чтобы освободить занимавшую им полосу движения, т. е. отойти от препятствия, расположенного на линии курса. Натурные испытания показывают, что корма судна освобождает полосу первоначального, движения при перекладке руля на борт после разворо-

– 100 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

та судна на угол около 20—25°, т. е. приблизительно через 80—120 с после момента начала перекладки руля. Таким образом, протяженность этого участка циркуляции у крупнотоннажных судов при перекладке руля на борт составляет 400—600 м, илиоколодвухдлинсудна.

В качестве основных геометрических характеристик циркуляции обычно употребляют значения диаметра тактической циркуляции Дт выдвига lв, прямого lп и обратного/обсмещений.

Тактический диаметр циркуляции характеризуется расстоянием между линией первоначального курса и положением диаметральной плоскости судна после изменения курса на 180°. У крупнотоннажных судов тактический диаметр циркуляции составляет (2,4—3,6) или в среднем 3,1длины судна L.

На основании обработки результатов натурных испытаний нами получена следующая формула для приближенной оценки величины тактического диаметра циркуляции:

Дт = 0,7е1.081nL+1.1

(103)

Ниже приведены значения тактического диаметра циркуляции одного и того же судна в зависимости от первоначальной скорости движения при перекладке руля на 35°.

Дт/L	3,1	2,95	2,8	2,6
vо, уз	16	12	10	8

По мере уменьшения скорости до 7—8 уз постепенно уменьшается и Дт до 15%. Когда скорость уменьшается ниже 7 уз, эффект руля ослабевает и Дт увеличивается. Значительное снижение эффекта руля наблюдается после снижения скорости хода ниже 3 уз. При дифференте на корму диаметр циркуляции увеличивается, так как возрастает момент инерции вращению. Тактический диаметр циркуляции на мелководье Дп по сравнению с Дт на глубокой воде увеличивается из-за того, что возрастает сопротивление воды вращательному движению судна. На рис. 48 показана эта зависимость. При h/Tc = = 2,5 тактический диаметр увеличивается на 10%, при h/Tc = l,25—почти на 70%. При этом отклонении угловая скорость поворота ω уменьшается на 50%. При h/Tc = 1,1

– 101 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

тактический диаметр у крупнотоннажных судов увеличиваетсяв2 раза.

рис. 48 Влияние глубины h на тактическийдиаметрциркуляции( Тс

— осадкасудна)

Полученные экспериментальные закономерности изменения углов дрейфа, угловой скорости на циркуляции позволяют произвести расчет текущих координат ц.т. x ( t ) , y ( t ) итаким образомпостроить

траекториюдвижениясуднаприперекладкеруля.

Координаты ц. т. судна в отношении неподвижной системы координат определяют с помощью следующих выражений:

(104)

После подстановки значений vt, φt, βt система приобретаетвид:

(105)

С использованием вычислительной техники расчет по приводимым формулам не представляет сложности. Вычисляя интегралы методом численного интегрирования, например, методом трапеций или с помощью квадратурной формулы типа Гаусса, в которых интеграл вы-

– 102 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ Таблица 10 Расчет циркуляции теплохода «Крым»

t,с		0	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200	220	240	260	280	300	320	340	360	380	400	420
φ(t),	º	0	1,8	6,2	12,5	20	28	37,2	46,5	56	65	75	85	95	105	115	125	135	145	155	165	175	185
φ( t ) - β( t ) , º		0	-1,8	0	+3,5	9,0	15,6	23,2	31,5	40	48,6	58	67	77	87	96	106	115	126	137	146	155	165
[φ(t)-β(t)]ср, °		0	-0,9	0,9	+1,8	6,2	12,3	19,4	27,3	35,7	44,3	54	62	72	82	92	101	111	121	132	142	151	160
v t , м/с		8	6,4	5,4	4,6	4,17	3,85	3,63	3,45	3,4	3,33	3,29	3,26	3,24	3,23	3,22	3,21	3,21	3,20	3,20	3,20	3,20	3,2
v t c p ,	м/с	7,2	5,9	5,0	4,3	4,0	3,74	3,54	3,42	3,4	3,31	3,28	3,25	3,24	3,23	3,22	3,21	3,21	3,2	3,2	3,2	3,2	3,2
X (t ), м		0	145	263	363	448	526	596	661	717	766	605	836	856	865	863	850	827	794	751	701	643	583
Y(t), м		0	-2,3	4,3	7,4	17	34	60	93,3	134	182	236	323	385	449	513	576	636	690	738	774	805	827

– 103 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

ражается линейной комбинацией ординат интегрирующей функции, приведем формулы к следующему виду:

Абсциссы xι точек, в которых вычисляются значения функции, называются узлами, а коэффициенты ωι — весами

квадратурныхформул.

В табл. 10 приведен расчет циркуляции теплохода «Крым»,

загруженногонаполнуюосадкуиидущегополнымходом(v0
= 15,5 уз), при перекладке руля на борт (αр=35°. В качестве
рис. 49 Расчетная циркуляция	констант былипринятыопре-
теплохода «Крым» (1К — рас-	деленные на основании на-
стояние, накоторомкормауходитс	турных	испытаний следую-
линии курса; точки — данные	щие величины ωуст = 0,5º/с; vо
эксперимента)	= 8 м/с; β0=20°; T		= 50 с; Rц =
	430 м.
	На рис. 49 приведена цир-
	куляция теплохода «Крым»,
	построенная по данным табл.
	10.	После	построения

циркуляции следует определить положение судна в ее характерных точках, а именно: обратное смещение ц. т. судна под действием рулевой силы, еговеличинасоставляет 3—5 м, в то же время корма судна смещается в сторону, обратнуюпереложенному

– 104 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

рулю, на 25—30 м. Радиус установившейся циркуляции Rц=400 м. Прямое смещение lп=200 м, или 1,1L, длина корпуса выбега lв = 825 м, или 3L, тактический диаметр ДТ=750 м, или 2,7L, а максимальная ширина занимаемой судном ходовой полосы Вп при движении с углом дрейфа составляет 120 м, или в 2,6 раза превышает ширину корпуса судна, радиусы установившихся циркуляции: кормыRK=420 м, носа Rн=300 м.

С помощью функции φt , зная длину судна, можно определить положение судна во всех дискретно вычисленных точках (в нашем примере через каждые 20 с), затем

— точки в оконечностях судна по корме и носу и получить циркуляции носовой и кормовой оконечностей судна.

Важной точкой циркуляции судна с точки зрения обеспечения безопасности мореплавания является точка, где корма судна пересекает линию первоначального пути. Это опасная зона судна по линии курса. Для теплохода «Крым» эта величина составляет lк=500 м, или около двух длин судна. На рис. 49 приведены данные (точки), полученные по результатам натурных измерений циркуляции теплохода «Крым» для тех же условий. Все опытные точки попадают на ходовую полосу расчетной циркуляции, что позволяет сделать заключение о приемлемости разработанного метода расчета для практического использования при решении задач обеспечения безопасностимореплавания.

В практике судовождения повороты судна на акватории портов часто начинаются при очень малой или

– 105 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

отсутствующей скорости переднего хода, например, после съемки с якоря, отшвартовки или лежания в дрейфе. Однако закономерности такого движения, особенно у крупнотоннажных судов, изучены недостаточно. Поэтому нами были проведены натурные испытания крупнотоннажных танкеров «Маршал Жуков» и «Борис Бутома» в районе Новороссийска и Геленджика на Черном' море. В начале опыта судно не имело поступательной скорости хода, затем двигателю давался полный маневренный ход вперед и руль перекладывался на борт в сторону поворота. Координаты судна в процессе маневра измерялись сотрудниками производственного объединения «Южморгеология» при помощи точной фазовой радиогеодезической системы «Поиск», а также судовой РЛС «Океан» по точечному ориентиру (бую). Скорость ветра во время испытаний составляла 1—2 балла. Во время опыта производилась непрерывная запись изменения углаповорота.

По данным кривой разворота с нулевой скорости поступательного движения были построены графики пройденного пути, скорости, ускорения, угла поворота и угловой скорости от времени. Скорость поступательного движения при повороте, начинавшаяся с нулевой скорости, может быть определена поформуле

(106)

Приэтом угловаяскорость хорошоаппроксимируется формулой

(107)

Уголповоротаможноопределитьпоформуле

(108)

По результатам натурных испытаний для судов типов «Маршал Жуков» и «Борис Бутома» в груженом состоянииТо =150 с.

На рис. 50 приведены циркуляции груженого теплохода «Маршал Жуков» при перекладке руля на правый борт, полученные на основании использованного выше экспериментально-технического метода. Выдвиг на циркуляции, начинающейся при нулевой скорости поступательного движения, почти в 2 раза меньше, чем на цир-

– 106 –

УПРАВЛЕНИЕ КРУПНОТОННАЖНЫМИ СУДАМИ

куляции, начинающейся в тех же условиях на полном ходу. Диаметры тактической циркуляции отличаются незначительно. Время поворота на 180° при циркуляции, начинающейся с нулевой скорости, составляет 8,5 мин, во втором случае—5 мин. На рис. 51 приведены закономерности изменения линейных и угловых скоростей теплохода «Маршал Жуков» при описанных выше циркуляциях.

Послушность судна рулю характеризуется не только быстротой поворота после отклонения руля от диаметральной плоскости, но и способностью прекращать (тормозить) вращение с помощью руля или ответной реакцией вращающего судна на перекладке руля. Для установления этой закономерности применяется зигзагооб-

разныйманевр.

Проведенные И. Хане натурные испытания танкера «Вольфен» грузоподъемностью 45,082 тыс. т, имеющего скорость 16 уз, длину 214,8 м, ширину 29,0 м и осадку 11,65 м, показали, что при маневре «зигзаг» большое стабилизирующее действие на судно оказывает дифферент. Разница в величинах, характеризующих маневр «зигзаг» (максимальная амплитуда отклонений от первоначальной линии курса, сдвиг фаз между изменением

	курса и фактическим харак-
рис. 50 Циркуляциитеплохода	тером траектории, макси-
«МаршалЖуков» вгрузупри	мальная	координата	откло-
перекладкерулянаборти	ненийотлиниипервоначаль-
работе двигателя на полном	рис. 51	Изменение	скоростей
ходу.	линейной	v и угловой ω теплохода
	«Маршал Жуков» при поворотах
	вправо (V1	;Ω2 — линейная и угловая
	скорости при 1-й циркуляции; v2, ω2—
	то же при 2-й циркуляции)

1 — при нулевой начальной скорости,

2 — прии начальной скорости 13.75 уз

– 107 –