Разработка предложений по управлению судном ПР.1743 при плавании в штормовых условиях в Каспийском море

Опасность опрокидывания судна тем вероятнее, чем дольше судно находится в неблагоприятных условиях и, следовательно, чем ближе скорости бега вол и судна. Это относится и к тем случаям, когда курс судна располагается под некоторым углов к волне. Установлено, что курсовой угол волны q, при котором возможно уменьшение метацентрической высоты h, находится в пределах 135⁰ q 180⁰. а опасными размерами волн считаются такие, при которых волна располагает свой профиль на 60-80% длины судна. Особенно подвержены потере начальной остойчивости суда длиной 30-90 м.

Внешними признаками ситуации, при которой возможно опрокидывание, являются:

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

- слабая реакция на перекладку руля

При появлении указанных признаков в качестве первой меры предосторожности необходимо экстренно снизить скорость.

Условия возникновения потери начальной остойчивости судна определяются системой уравнений:

. (86)



где: с - скорость волны (м/с)

- курсовая скорость судна (м/с)

q - курсовой угол волны (град)

- длина судна между носовым и кормовым перпендикулярами (м).

Заменяя с = 1.25 и извлекая квадратный корень из обеих частей второго уравнения, получаем систему уравнений

(87)

(88)

Переходя от (м/с) к (узл.) : (м/с) = 0,513* (узл.), получаем уравнение зоны потери начальной остойчивости судна:

(89)

Замечание. Важно отметить особенность: если судно, двигаясь на максимально возможной скорости строго на попутной волне (q=180⁰) не попадает в зону потери начальной остойчивости судна, оставаясь слева от нее, то тем более оно не попадет в нее при меньших скоростях и/или курсовых углах волн.

Судно в грузу: = 105 м.

длина опасной волны = (0,6 … 0,8) = 63 … 84 м.

скорость опасной волны с = 1,25 = 9,9 … 11,5 (м/с) = 19,3 … 22,4 (узла)

Из таблицы 20 следует, что для q = 180⁰ и 1м. h_3% 12 м. максимально возможные значения скорости судна V_max=10.6 (узл.), т.е. < 1,89 и судно не попадает в зону потери начальной остойчивости судна при q =180⁰, двигаясь с максимально возможной скоростью, т.к. мощности движителя судна не хватает чтобы поставить судна на попутную волну опасной длины (волна все время обгоняет судно). Согласно сделанному ранее замечанию, можно утверждать, что судно в грузу не попадает в опасную зону ни при каких условиях.

Судно в балласте: из табл. 21 следует что для q = 180⁰ и 1м. h_3% 12 м. максимально возможные значения скорости судна V_max=10.8 (узл.), т.е. < 1,89 и судно в балласте также не попадает в опасную зону по тем же причинам, что и судно в грузу.

4.5 Связь параметров волнения и истинного ветра

Пеленги: в Северном полушарии Земли, к которому принадлежит Каспийское море, пеленг истинного ветра П_и всегда смещен против часовой стрелки по горизонту относительно пеленга волнения П, вызываемого этим ветром.

Пусть из точки А линии горизонта дует истинный ветер с пеленгом П_и. Если бы не было суточного вращения Земли, то волна, порождаемая этим истинным ветром имела такой же пеленг П = П_и, и приходила бы в точку О, двигаясь с некоторой скоростью С'. При вращении Земли т.А, располагаясь севернее т.О (в Северном полушарии), имеет меньшую линейную скорость и поэтому волна приобретает составляющую скорости С'', направленную на запад по параллели (она отстает от т.О). Результирующая скорость волны С равна

(90)

Имеет пеленг П > П_и, т.к. для треугольника OBA пеленг П - внешний угол, а П_и - внутренний.

Отличие пеленгов может достигать 20 град.

В табл. 9 приведен фрагмент зависимости высоты волны h_3% от силы истинного ветра по шкале Бофорта, а в табл. 3 приведены интервалы скоростей истинного ветра W_и. соответствующие баллам шкалы Бофорта. Объединяя эту информацию, получим фрагмент зависимости высоты волны h_3% от верхнего предела интервала скорости истинного ветра W_и ^max (расчет в запас).

Аппроксимируем зависимость h_3% от W_и ^max экспоненциальной зависимостью вида:

. (91)

где: а, b, c - коэффициенты аппроксимации, подлежащие определению.

Замечание: Аппроксимация гиперболической зависимостью показала, что в этом случае вертикальная асимптота располагается слишком близко к экстраполяционным значениям, что приводит к большим ошибкам.

Для определения коэффициентов а, b, c составим систему 3-х уравнений:

: (1')

: (2')

: (3')

Из уравнения 1' следует с = - а; тогда уравнения 2' и 3' дают систему 2-х уравнений;

(4')

(5')



Поделив уравнение 5' на 4', получим одно уравнение относительно «b»:

(6')

Уравнение 6' решается на компьютере и полученное значение b = 0.0425 с погрешностью не более 0,1%.

Подставив найденное значение b в уравнение 4', получим уравнение относительно «а»:

; а = 6,947;

Соответственно, с = -6.947.

Аппроксимация от W_и ^max задается зависимостью:

(м.) (92)

Погрешность аппроксимации опорных точек не более 4%.

Обратная зависимость от аппроксимируется зависимостью:

(м/с) (93)

Область усиленной бортовой и килевой качки на универсальной штормовой диаграмме Ремеза накладывают существенные ограничения на допустимые значения курсовой скорости судна и курсового угла волны.

Судно пр. 1743 по своим техническим характеристикам и мощности машины не попадает в опасную зону потери начальной остойчивости на попутном волнении.



5. Разработка предложений по управлению судном в штормовых условиях

5.1 Требования по управлению судном в штормовых условиях

Управление судном в штормовых условиях заключается в выборе таких значений.

- скорости судна и истинного курса судна ИК, чтобы одновременно удовлетворить системе требований:

- судно не должно попадать в зону усиленной качки (бортовой и/или килевой);

- судно не может двигаться со скоростью больше максимально возможной при данном волнении h_3% и курсовом угле волны q ;

- судно не должно попадать в зону потери управляемости;

- истинный курс судна должен быть как можно ближе к генеральному, а скорость судна при этом максимально допустимой.

Последнее требование имеет наименьший приоритет, так как его невыполнение с целью сохранения судна просто увеличит время плавания, а его выполнение может вступить в противоречие с остальными требованиями, что может привести к гибели судна.

5.2 Построение «Диаграммы выживаемости судна в штормовых условиях»

Чтобы одновременно удовлетворить системе требований по управлению судном, необходимо перенести границы ЗПУ судна с диаграммы управляемости на диаграмму Ремеза и на нее же нанести граничную линию V_л ^max (q; ). При этом те значения , которые не попадают ни в одну из запрещенных областей, признаются допустимыми и образуют область выживаемости судна в данных штормовых условиях.

Однако курсовой угол волны q не определяется судовыми приборами непрерывно, и при изменении ИК судоводитель вынужден постоянно его пересчитывать, рискуя ошибиться (особенно в штормовых условиях).

Более удобным в использовании представляется параметр КК, значения которого непрерывно показывает компас. Область выживаемости судна, построенная в прямоугольных координатах , назовем «Диаграмма выживаемости судна в штормовых условиях».

Такой расчет производит программа «Шторм» в режиме «Построения диаграммы выживаемости судна» за время не более 5 секунд. При этом ввод и вывод показаний судовых приборов не требует от судоводителя перерасчетов (вводит и получает информацию так, как он видит ее на судовых приборах), а сами расчеты внутри программы осуществляются в истинных значениях этих параметров (ИК, ИП и т.д.). В представленном варианте программы «Шторм» остаточная девиация судна и магнитное склонение приняты равными нулю, т.е. ИК = КК. Этот существенный недостаток следует исправить в дальнейших версиях программы.

Важно отметить, что диаграмма выживаемости судна не является универсальной: она конкретная для данного судна и данных гидрометеорологических условий и действительна до тех пор, пока эти параметры неизменны.

5.3 Выживание судна пр.1743 в штормовых условиях

Пример 1: для судна в грузе при КК = 190⁰, курсовом угле волны q = -160⁰, пеленге истинного ветра П_и=20⁰, и работе машины на СППХ показания судовых приборов, соответствующие значениям h_3%=2,4,6,8,10,12 м., приведены в табл. 4.



Таблица 4 - Показания судовых приборов, соответствующие значениям h_3%=2,4,6,8,10,12 м.

(узл.)	10,5	10,3	10,1	9,8	9,4	8,8
Wанем (м/с)	1,23	5,70	9,67	13,2	16,4	19,3
qw (град)	-122,3	-161,0	-164,8	-166,3	-167,1	-167,7

Пример 2: для судна в балласте при КК = 190⁰. курсовом угле волны q = -160⁰ и пеленге истинного ветра П_и=20⁰, и работе машины на СППХ показания судовых приборов, соответствующие значениям h_3%=2,4,6,8,10,12 м., приведены в табл. 5.

Таблица 5 - Показания судовых приборов, соответствующие значениям h_3%=2,4,6,8,10,12 м.

(узл.)	10,7	10,5	10,3	10,0	9,6	9,0
Wанем (м/с)	1,18	5,60	9,57	13,1	16,3	19,2
qw (град)	-118,3	-160,8	-164,6	-166,2	-167,1	-167,7

5.4 Предложения по управлению судна пр.1743 при плавании в штормовых условиях

Управление судном в штормовых условиях состоит из двух последовательных действий:

- предварительный расчет области выживаемости судна и определение на его основе допустимых значений курса судна и его курсовой скорости, а также допустимости предполагаемого маневра судна в целом;

- осуществление предполагаемого маневра судна, если он допустим.

Соответственно, предложения по управлению судном в штормовых условиях можно подразделить на 2 части:

- предложения по предварительной проверке допустимости предполагаемого маневра судна;

- предложения по осуществлению допустимого маневра судна.

Предложения по предварительной проверке допустимости предполагаемого маневра судна

- предварительная проверка допустимости предполагаемого маневра судна осуществляется компьютерной программой «Шторм»;

- в качестве исходных данных судоводитель должен ввести показания судовых приборов на начальном курсе предполагаемого маневра судна и в том виде, как они выдаются ему судовыми приборами, т.е. без всякого пересчета «в уме»;

- ввод исходных данных в программу «Шторм» производится в диалоговом режиме, при котором судоводитель вводит соответствующую информацию на запросы программы «Шторм»;

- программа «Шторм» рассчитывает и выдает диаграмму выживаемости судна при проведении предполагаемого маневра;

- при обнаружении недопустимости предполагаемого маневра судна звучит звуковой сигнал тревоги и выдается сообщение «Данный маневр недопустим»;

- диаграмма выживаемости в штормовых условиях представляет собой прямоугольную диаграмму в координатах КК (град) по вертикали и V_л (узл.) по горизонтали. Шаг по КК равен 1⁰, а по V_л - 0.25 узл. Выбор КК (град.) и V_л (узл.) в качестве координат удобен для судоводителя, т.к. именно эти параметры он будет отслеживать по судовым приборам при проведении предполагаемого маневра;

- для каждого значения КК (град.) из области предполагаемого маневра судна и для каждого значения V_л (узл.) выдается информация о допустимости данных значений в символическом виде:

«пробел» - допустимые значения параметров (судно управляемо и испытывает слабую качку);

«точка» - условно допустимые значения параметров (судно управляемо, но испытывает умеренную качку);

« * » - недопустимые значения параметров (по любой причине);

- если предполагаемый маневр судна допустим, то, получив диаграмму выживаемости судна при выполнении данного маневра в штормовых условиях, судоводитель должен строго руководствоваться ею при осуществлении данного маневра, т.е. работать рулем и машиной так, чтобы текущие значения КК (град.) и V_л (узл.) по показаниям судовых приборов соответствовали значениям области выживаемости судна.

Предложения по осуществлению допустимого маневра судна

- при плавании против волны и совпадении направления бега волн с направлением ветра поворот совершается как влево, так и вправо, предварительно позволив судну несколько увалиться под ветер и уменьшив ход до минимально возможного;

- если направление ветра не совпадает с направлением бега волн, то судно предварительно следует привести к ветру;

- в обоих случаях поворот следует начинать перекладкой руля на борт и дачей полного хода, когда корма окажется на обратном склоне последней из серии наиболее крупных волн;

- во избежание статической постановки судна на гребень волны на завершающей стадии поворота оборота необходимо сбросить;

- при плавании по волне поворот начинают, когда на обратном склоне последней из серии наиболее крупных волн окажется носовая часть судна;

- если при этом направление ветра отличается от направления бега волн, то на самоприводящихся судах поворот выполняют на ветер, а на уваливающихся - под ветер.

При любых штормовых условиях, не превосходящих h_3%=12 м. имеется область выживаемости судна пр. 1743, что гарантирует сохранение жизни экипажу, судна и груза. Судоводитель должен следовать рекомендуемым значениям КК и V_л согласно диаграмме выживаемости судна в штормовых условиях.



Заключение

судно ветер штормовой гидрометеорологический

В процессе выполнения дипломной работы разработана компьютерная программа «Шторм», которая в диалоговом режиме и для двух режимов загрузки судна пр. 1743 (в грузе и в балласте):

- строит и выдает диаграмму управляемости судна;

- показывает текущее положение судна на диаграмме управляемости по введенным показаниям судовых приборов;

- выдает допустимые значения курсовой скорости судна на заданном курсе;

- строит и выдает диаграмму выживаемости судна для предполагаемого маневра судна.

Программа «Шторм» не была опробирована в реальных условиях на судах пр. 1743. К недоработкам программы относятся:

- программа не учитывает остаточную девиацию и магнитное склонение, т.е. КК = ИК, поскольку эти данные конкретны для каждого судна и географических координат;

- не применима к судам иных проектов, так как в нее заложены исходные данные по судам пр.1743;

- наличие ограничения сверху для координаты = 40 на диаграмме управляемости судна, что может вызвать в некоторых случаях (для малых значений V_л) выход за пределы диаграммы и аварийное завершение работы программы

- ручной ввод исходных данных показаний судовых приборов.

Исправление указанных недоработок позволит использовать программу «Шторм» на судах других проектов, независимо от географического места положения. Разработка интерфейса программы с судовыми приборами позволит преобразовать ее в программный комплекс аналогичный САРП.

Полученные в дипломной работе результаты могут найти применения на любых морских судах и судах смешанного плавания, которые по условиям эксплуатации могут столкнуться с необходимостью штормования в открытом море. Компьютерная программа «Шторм» позволяет судоводителю «разойтись со стихией» подобно тому, как САРП позволяет ему разойтись с навигационными опасностями.



Список использованных источников

1 Адерихин И.В., Федоров С.Е., Сальников А.И., Дипломное проектирование. Учебное пособие. - М.: Альтаир-МГАВТ, 2008. - 224с.

2 Наставление по штурманской службе на судах Минречфлота РСФСР. Часть 3. - Л.: Транспорт, 1987. - 144 с.

3 Снопков В.И. Управление судном. - СПб.: Профессионал, 2004. - 536 с.

4 Алексеев Л.Л. Практическое пособие по управлению морским судном. - СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2003. - 192 с.

5 Алексишин В.Г., Долгочуб В.Т., Белов А.В., Практическое судовождение. - Одесса: Фенiкс, 2006. - 376 с.

6 Косарин В.М. Пособие для судоводителей по обеспечению остойчивости, прочности корпуса и непотопляемости морского судна. - Владивосток, 2000. - 168 с.

7 Лоция Каспийского моря. СПб.: УНиО МО РФ. 1988

8 Большая энциклопедия транспорта. Т. 6. СПб.: Речной транспорт, 1998

9 Першиц Р.Я. Управляемость и управление судном. Л.: Судостроение, 1983. 272 с.

10 Российский морской регистр судоходства. Т. 1, Т. 2, Т. 3. СПб.: 1999.

11 Сборник резолюций Международной морской организации по вопросам судовождения. М.: В/О «Мортехинформреклама», 1989.

12 Управление судном / Демин С.И. и др. Под редакцией Снопкова В.И. М.: Транспорт, 1991. 359 с.

13 Хабур Б.П. Справочник капитана дальнего плавания. М.: Транспорт, 1973. 703 с.

Размещено на Allbest.ru

...