Управление судном в шторм

14

Управление судном в шторм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управление судном в шторм

Василий Снопков

При нерезонансных режимах бортовой качки на регулярном волнении ее амплитуды будут определяться формулой:

, (3)

где б ₀ -- наибольший уклон взволнованной поверхности.

Как следует из формулы (8.3):

при ;

при . (4)

Угол б ₀ обычно не превышает 8-10°, причем его величина уменьшается с ростом длины волны. Поэтому, если курс и скорость на волнении будут подобраны таким образом, что на регулярном волнении отношение Т_и/ф будет меньше 0,7, то амплитуда бортовой качки в этом случае не будет превышать 20°, а при Т_и/ф > 1,3 не более 15°. Наложение в последнем случае более жестких ограничений на предельные значения амплитуд связано с тем, что при Т_и/ф > 1,3 следует ожидать неблагоприятных значений угла сдвига фаз колебаний судна по отношению к волнам.

Кажущийся период волны можно определить по формуле:

. (5)

Как известно из теории, скорость волны определяется по выражению:

(6)

но, при неограниченно больших отношениях глубины к длине судна формула (4) приобретает вид

. (7)

Таким образом, изменяя курс или скорость судна, можно изменять значения кажущегося периода волны ф и избежать резонанса или резонансной зоны, определяемой зависимостью:

, (8)

или, что то же самое,

. (9)

Для расчетного определения периодов собственных бортовых колебаний может быть использована формула:

, (10)

где k_и -- коэффициент, зависящий от типа судна и состояния нагрузки;

В -- ширина судна;

h -- начальная поперечная метацентрическая высота.

ИМО рекомендует принимать следующие приближенные значения коэффициента k_и для каботажных и промысловых судов. Суда каботажного плавания (кроме танкеров) в балласте -- 0,88; промысловые суда с полными запасами для открытого моря -- 0,80; креветочные прибрежного лова -- 0,95; с танками для живой рыбы -- 0,60. Приближенные значения коэффициента k_и для морских транспортных судов в грузу (кроме танкеров и газовозов) приведены в табл. 8.3.

Таблица 3

Коэффициенты k

Примечание. д -- коэффициент общей полноты корпуса судна; б -- коэффициент полноты ватерлинии.

Значения периода собственных продольных колебаний дает график, представленный на рис. 10.

Рис. 10 График периодов продольных колебаний судна

Универсальные штормовые диаграммы Ю. В. Ремеза. Для облегчения задачи управления судном в шторм, рядом авторов были предложены специальные диаграммы для выбора курса и скорости в штормовых условиях. Наибольшее распространение из них получила диаграмма Ю. В. Ремеза для больших и произвольных глубин. В теории волн глубина считается большой, если она превышает половину длины волны. Однако для целей практики применение универсальной штормовой диаграммы Ю. В. Ремеза понятие «для больших глубин» можно расширить до значений глубин, превышающих четверть длины волны. Это будет соответствовать общей точности исходных данных.

Универсальная диаграмма для больших глубин (рис. 11) состоит из верхней и нижней частей.

По вертикальной оси верхней части диаграммы отложены длины волн л, по горизонтальной -- проекции скорости судна на линию бега волн Vcosq. Здесь V -- скорость судна, уз; q -- курсовой угол бега волн, град. Правая половина диаграммы отвечает ходу на встречном волнении, под которым понимаются курсы прямо против волны (вразрез волне) и волны в скулу. Средняя вертикаль соответствует курсу лагом к волне при любой скорости судна либо любому положению судна по отношению к набегающим волнам при нулевой скорости. Левая половина отвечает ходу на попутном волнении, включая в это понятие курсы волны в раковину и прямо по волне. Левой половине диаграммы соответствуют отрицательные значения Vcosq (90° < q < 180°). Верхняя часть диаграммы содержит семейство кривых, каждая из которых построена для определенного значения кажущегося периода волны ф. Эти значения надписаны на соответствующих кривых.

Когда судно не имеет хода либо идет лагом к волне, кажущийся период волны ф совпадает с ее истинным периодом (периодом по отношению к неподвижному наблюдателю) ф₀. Таким образом, ордината пересечения вертикальной оси диаграммы с кривой, отвечающей данному значению кажущегося периода, определяет собой длину волны л, истинный период которой равен ф₀. Так, например, при ф₀ = 8 с, л = 100 м, при ф₀ = 12 с, л = 225 м и т. д. На встречном волнении кажущийся период волны оказывается меньше истинного, на попутном, если только судно не обгоняет волну -- больше истинного.

Рис. 11 Универсальная штормовая диаграмма Ю. В. Ремеза для больших глубин: -- длина волны; V -- скорость судна; q -- курсовой угол бега волны

Если на попутном волнении проекция скорости судна на направление распространения волн Vcosq совпадает со скоростью волн, которая равна уз, то кажущийся период волны обращается в бесконечность, т. е. волны на судно не набегают, и оно движется, как бы «оседлав» волну. В этом случае на чисто попутном волнении судно по отношению к системе волн как бы неподвижно. Наблюдателю, находящемуся на судне, будет казаться, что оно дрейфует. Указанному случаю на диаграмме соответствует штриховая кривая ф = ?.

Нижняя часть диаграммы включает семейство концентрических полуокружностей с центром, расположенным в начале координат диаграммы, и пучок лучей, исходящих из центра. Каждая полуокружность отвечает определенному значению скорости V (уз), каждый луч -- определенному курсовому углу q. Правая часть диаграммы отвечает встречному, а левая -- попутному волнению. Поскольку при построении диаграммы принято, что волны бегут справа налево, вектор скорости судна направлен из центра к периферии ее нижней части вдоль луча, соответствующего данному значению курсового угла q. Определенному сочетанию скорости судна и курсового угла отвечает точка нижней части диаграммы, являющаяся концом вектора скорости судна. Нижняя часть диаграммы дает возможность графически находить значения Vcosq при данном сочетании V и q, а также решать обратную задачу определения всех значений V и q, отвечающих заданной величине Vcosq. Так, например, если V = 12 уз, а q = 60°, то, проводя через точку пересечения соответствующих окружностей и луча вертикальную прямую, найдем по пересечению последней с горизонтальной осью диаграммы, что Vcosq = 6 уз.

Решение обратной задачи сводится к проведению из нижней части диаграммы вертикальной прямой, абсцисса которой представляет собой заданную величину Vcosq. Указанная задача имеет бесчисленное множество решений, так как для всех точек, лежащих на этой прямой, значения Vcosq, для которых конец вектора скорости судна располагается на указанной вертикальной прямой, являются решением поставленной задачи. Например, проводя на нижней части диаграммы вертикальную прямую, соответствующую Vcosq = 8 уз: при q = 0°, V = 8 уз; при q = 45°, V = 11,5 уз; при q = 60°, V = 16 уз и т. д.

Зоны курсовых углов, близких к нулю или 180°, когда бортовая качка оказывается незначительной даже в условиях резонанса, но при этом можно ожидать усиления килевой качки, отмечены на графике вертикальной штриховкой. Зона курсовых углов, близких к 90°, когда судно располагается почти лагом к волне и резонанс бортовой качки становится особенно опасным, а килевая оказывается весьма малой, отмечена горизонтальной штриховкой.

Над диаграммой помещена вспомогательная шкала для определения значений ф, ограничивающих резонансные зоны качки. На средней линии этой шкалы нанесены величины периода собственных колебаний судна Т_и, а на верхней и нижней линиях на тех же вертикалях отложены Т_и /1,3 и Т_и /0,7 соответственно.

На шкалах А и В, расположенных слева от диаграммы, нанесены высоты нерегулярных волн 3%-й обеспеченности и значительного волнения h_1/3. Справа от диаграммы помещена шкала степени волнения в баллах.

Таким образом, диаграмма допускает три входа: по длине волны, по высоте волны и по степени волнения.

Как уже указывалось, приведенная универсальная штормовая диаграмма применима с достаточной точностью для глубин, превышающих четверть длины судна. Резонансная качка на волнах повышенной крутизны, характерных для мелководья, особенно опасна для небольших судов. В связи с этим Ю. В. Ремезом разработана универсальная штормовая диаграмма, позволяющая оперативно выбирать безопасные курсы и скорости судна при шторме на любых, в том числе и на весьма малых глубинах.

Использование универсальной штормовой диаграммы для выбора курса и скорости судна. Из трех возможных входов в диаграмму (по длине волны, по высоте волны и по степени волнения в баллах) (рис. 8.12 и 8.13) при непосредственном выборе безопасных курсов и скоростей судна, находящегося в штормовой обстановке, следует использовать вход по длине волны.

Для определения границ резонансных зон на диаграмме проводятся вертикальные прямые через точки пересечения горизонтальной линии, отвечающей данной длине волны л с кривыми ф = Т_и /0,7 и ф = Т_и /1,3.

Вертикальные линии, точно соответствующие резонансу, являются осями симметрии соответствующих резонансных зон. Иными словами, горизонтальные расстояния от этих линий до линий, отвечающих правой и левой границам резонансных зон, одинаковы. Это свойство можно использовать для контроля правильности определения границ резонансных зон.

Рис. 12 К определению резонансных курсов и скоростей при входе по длине волны (резонансные зоны бортовой качки заштрихованы, а килевой ограничены вертикальными прямыми, проходящими через точки Е₁ и Е₂)

Рис. 13 К определению резонансных курсов и скоростей при входе по высоте волны

Пример 1. Определить резонансные сочетания курсовых углов и скоростей и границы резонансных зон бортовой качки для судна, имеющего период собственных колебаний Т_и = 12 с на волне длиной л = 30 м.

Р е ш е н и е (рис. 8.12). Находим точки С и D пересечения горизонтальной прямой л =30 м с кривыми ф = Т_и = 12 с. Проводим через эти точки вертикальные линии, определяющие сочетания курсовых углов и скоростей, точно отвечающих резонансу.

По вспомогательной шкале, помещенной над диаграммой, прочитываем значения ф, соответствующие границам зон. При Т_и = 12 с они приближенно равны 9,2 и 17,2 с.

Далее следует найти на диаграмме точки С₁ и С₂ пересечения горизонтальной прямой л = 30 м с кривыми ф = 9,2 с и ф = 17,2 с глазомерной интерполяцией. Через точки проводим вертикальные прямые, определяющие границы резонансных зон. Эти зоны на рис. 12 заштрихованы.

Для избежания усиленной бортовой качки в режиме резонанса или близких к нему режимах следует выбрать скорость и курс судна относительно волн так, чтобы вектор скорости судна оканчивался вне заштрихованных зон.

Резонанс бортовой качки не приводит к существенному росту амплитуд на чисто встречном или чисто попутном волнении и близких к ним курсах. Секторы, соответствующие таким курсовым углам (0-12°, 168-180°), на диаграмме заштрихованы вертикальной штриховкой. На рис. 12 эти секторы не показаны.

Таким образом, если конец вектора скорости судна попадет в верхние части резонансных зон, которые оставлены незаштрихованными, то режим бортовой качки не должен считаться опасным.

Опасность, наоборот, возрастет, если вектор скорости оканчивается в нижних частях резонансных зон бортовой качки, т. е. курсовой угол приближается к 90°. Безоговорочно должны исключаться такие сочетания курсов и скоростей, при которых конец вектора скорости судна принадлежит резонансной зоне бортовой качки, а курсовой угол волны заключен в пределах 78° < q < 102°.

Пример 2. Определить резонансные сочетания курсовых углов и скоростей и границы резонансной килевой качки для судна, имеющего период собственных продольных колебаний Т_ш = 4 с на волне л = 30 м.

Р е ш е н и е (рис. 8.12). Находим точку Е пересечения горизонтали л = 30 м с кривой ф = 4 с. Точка пересечения этой горизонтали с кривой ф = 4 с в случае обгона судном волны лежит за пределами диаграммы, т. е. соответствует скорости, превышающей 24 уз. Через точку Е проводим вертикальную линию. Сочетания курсовых углов и скоростей, при которых конец вектора скорости попадет на эту вертикальную линию, точно соответствует резонансу килевой качки.

По верхней вспомогательной шкале находим значение ф, отвечающее границам резонансной зоны. При ф_ш = 4 с они приближенно равны 3,1 и 5,7 с. Находя на горизонтали л = 30 м точки Е₁ и Е₂, соответствующие этим значениям ф, проводим через них вертикальные линии, ограничивающие резонансную зону.

В целях избежания усиленной килевой качки следует выбирать курс так, чтобы вектор скорости судна оканчивался вне указанной зоны. Однако, учитывая, что в положении лагом или почти лагом к волне амплитуды килевой качки не могут достигать больших значений, такие сочетания курсов и скоростей, при которых вектор скорости оканчивается в секторе 78° < q < 102°, являются допустимыми в смысле килевой качки, даже если они принадлежат резонансной зоне.

Следует отметить, что информацию о резонансной зоне, полученную с диаграммы, не всегда можно использовать с высокой степенью эффективности. Это объясняется тем, что ввиду относительно малого значения периода собственных продольных колебаний судна зоны килевой качки оказываются настолько широкими, что для выхода за их пределы иногда требуются чрезвычайно большие изменения курсовых углов и скоростей, вплоть до поворота на обратный курс. Кроме того, из-за большого демпфирования амплитуда килевой качки не имеет такого острого пика при резонансе, как амплитуда бортовой качки, поэтому небольшие изменения курса и скорости весьма эффективны для уменьшения бортовой качки, и не сильно сказываются на килевой.

Несмотря на это, знание неблагоприятных сочетаний курса и скорости, соответствующих резонансу килевой качки, дает судоводителю возможность принимать решения о выборе метода штормования. Если, например, известно, что резонанс наступает на встречном волнении, то это является основанием для того, чтобы предпочесть штормование на попутном волнении. Если известны резонансные сочетания курса и скорости, то становится ясным, в какую сторону изменять фактические курс и скорость, чтобы, если и не выйти за пределы резонансной зоны, то, по крайней мере, не ухудшить положения судна. Если, например, резонанс наступает при отсутствии хода (кривая ф = Т_ш пересекается с прямой, отвечающей данной длине волны, непосредственно на оси ординат), то уменьшение скорости судна, зачастую предпринимаемое судоводителями в условиях тяжелого шторма, поставит судно не в лучшие, а в худшие условия. Такого случая для морских транспортных судов следует ожидать, когда л ? (8ч10)Т_ср при плавании в грузу и л ? (11ч13)Т_ср при плавании в балласте.

Кроме того, при резонансе сдвиг фаз килевой качки по отношению к волне близок к 90°. Это означает, что в момент нахождения впадины или гребня волны у миделя судно имеет наибольший дифферент на нос или на корму. При таком угле сдвига фаз принципиально невозможно выбрать курсовые углы, которые одновременно соответствовали бы выгодным условиям в отношении перемещений носа и кормы: при любой длине волны курсовые углы, наиболее благоприятные для носовой оконечности, оказываются самыми неблагоприятными для кормы, и наоборот.

Максимальная потеря скорости судна на волнении также наблюдается при резонансе килевой качки. Эти обстоятельства лишний раз указывают на то, что штормование в резонансном режиме килевой качки ставит судно в очень тяжелые условия и поэтому должно быть исключено.

Можно отметить, что для любого морского транспортного судна с осадкой до 16-18 м резонанс килевой качки не наступает на волнах любой длины, если судно идет на чисто попутном волнении и при этом его скорость превышает 8-9 уз.

Пример 3. Определить положение первой и второй резонансных зон для судна, имеющего период собственных колебаний Т_и = 16 с; при значительной высоте волны h_1/3 = 2,3 м.

Р е ш е н и е (рис. 8.12). Из точек А₀ и В₀, отвечающих данному значению заданной высоты волны, проводим горизонтальные линии, пересекающиеся с кривой ф = Т_и =16 с в точках М и N.

Через точки М и N проводим вертикальные прямые, выделяющие на нижней части диаграммы первую резонансную зону. Эта зона заштрихована двойной штриховкой, за исключением сектора курсовых углов 168-180°, где резонансная бортовая качка не является опасной,

По вспомогательной шкале снимаем значения Т_и /0,7 = 23 с и Т_и /1,3 = 12,3 с.

Находим точки М₁ и М₂ пересечения прямой А₀М с кривыми ф = 12,3 с и ф = 23 с и точки N₁ и N₂; пересечения прямой B₀N с теми же кривыми. Через точки М₂ и N₁ проводим вертикальные прямые, являющиеся границами второй резонансной зоны, которая для бортовой качки сектора 168-180° заштрихована.

При использовании диаграммы при входе по степени волнения находятся точки пересечений горизонтальных линий, проходящих через верхний и нижний концы отрезков шкалы баллов, с кривой собственного периода качки Т₁, равного кажущемуся периоду ф (резонанс), а далее действуют так, как и при определении резонансных зон при входе по длине и высоте волны. плавание шторм колебание волна

Меры по обеспечению безопасности при плавании в шторм

При получении информации о штормовой погоде капитан обязан принять меры по подготовке судна к плаванию в штормовых условиях, которые включают целый ряд мероприятий:

- оповестить экипаж и пассажиров о приближении шторма;

- проверить крепление груза и снабжения судна;

- если необходимо, ликвидировать свободные поверхности жидкости в танках и произвести балластировку судна;

- проверить состояние спасательных средств;

- произвести герметизацию судна;

- выбрать рациональный курс расхождения с циклоном и наметить, если это необходимо, порты-убежища;

- проверить состояние остойчивости судна, особенно, если есть палубный груз.

Капитан обязан заблаговременно определить наиболее рациональный вариант штормования, который зависит от конструктивных особенностей судна, его загрузки, дифферента, наличия палубного груза и других условий. Морская практика выработала несколько вариантов штормования судна в море.

Способ штормования на носовых курсовых углах. Для удержания направления движения против волны судно обеспечивает минимальный ход для сохранения управляемости. Выбор скорости также осуществляется из условия минимальной заливаемости и минимальной силы ударов в носовую оконечность. Если судно достаточно хорошо управляется, а бортовая качка не слишком интенсивная, можно двигаться не строго против волны, а встречая волну скулой.

Способ штормования на кормовых курсовых углах. Этот способ можно применять при достаточной остойчивости и управляемости судна на сравнительно малых скоростях, чтобы судно шло с отличной от волны скоростью, и длина судна отличалась не менее, чем на 25-30 % от длины волны. При длине судна, соизмеримой с длиной волны, режим движения со скоростью, когда судно обгоняет волны, особенно опасен.

Способ штормования, когда судно дрейфует с застопоренной машиной. По своим конструктивным особенностям, загрузке, положению центра парусности и другим факторам судно принимает определенное положение относительно волн. Обычно это положение близко к положению бортом к фронту волн или под некоторым углом к нему. Дрейф может быть пассивным, когда судно теряет скорость или управляемость, и активным, когда судно использует дополнительные меры для удержания его относительно ветра и волн, например, штормовой якорь, вытравливание якорной цепи и т. д. Активный дрейф может осуществляться как носом, так и кормой на ветер.

Постановка судна лагом к волне в большинстве случаев нежелательна, и такое положение судна можно допустить только при достаточной остойчивости, и когда судно не попадает в резонансную зону при бортовой качке.

При наличии соответствующих глубин можно применять способ штормования на якоре в тех случаях, когда сумма всех внешних сил, действующих на судно, не превышает держащую силу якоря (якорей), и выбранное место якорной стоянки удовлетворяет условиям безопасности судна. При этом следует учитывать размеры судна. Если длина волны будет равна или менее половины длины корпуса судна, то судно будет всегда находиться на двух гребнях, а, следовательно, будут исключены рывки якорной цепи при прохождении волн.

Если принято решение следовать на попутном волнении с кормовых курсовых углов, то следует учитывать то обстоятельство, что характеристики основных мореходных качеств судна, таких как качка, остойчивость и управляемость существенно изменятся, и может возникнуть аварийная ситуация, которая обуславливается следующими явлениями или их комбинацией:

- значительное изменение или потеря поперечной остойчивости при прохождении вершины волны вблизи миделя судна. Наиболее опасным в этом отношении является движение судна на волнах, длина и скорость которых близки соответственно к длине и скорости судна. При этом время пребывания судна с пониженной ниже опасного уровня остойчивостью за кажущийся период волны может оказаться большим, чем время, потребное ему на наклонение из вертикального положения на опасный угол крена или на опрокидывание;

- основной или параметрический резонансы бортовой качки, когда соответственно ф ? Т или ф ? Т_и / 2;

- захват волной, потеря управляемости и самопроизвольный неуправляемый разворот судна лагом к волне -- брочинг. Наиболее опасным является захват на переднем склоне волн, имеющих скорость волны больше скорости судна и длину волны л составляющую 0,8ч1,3 длины судна L. Брочингу в основном подвержены малые суда, имеющие длину менее 60 м.

Основными признаками изменения поведения судна на попутном волнении, свидетельствующими о его недостаточной безопасности по причине недостаточной остойчивости, являются:

- неожиданное самопроизвольное увеличение крена при нахождении вершины отдельных волн вблизи миделя судна, существенно превышающее значение предшествующих углов статического крена или амплитуд качки;

- длительное по сравнению с четвертью периода собственных колебании судна наклонение судна на борт, задержка (зависание) в положении максимального крена и медленное возвращение в исходное состояние. Такие наклонения в зависимости от наличия начального крена, вызванного несимметричной загрузкой, давлением ветра или иными причинами, могут быть асимметричными.

В случае основного или параметрического резонансов бортовой качки значительно возрастает амплитуда бортовой качки судна в случаях, когда ее период (основной резонанс) приблизительно равен или вдвое превышает кажущийся период волны при параметрическом резонансе.

В случае брочинга возникнут: значительные колебания скорости при прохождении волны относительно судна, его тенденция к разгону на переднем склоне попутной волны; ухудшится устойчивость на курсе, и судно будет стремиться развернуться лагом к волне; увеличатся скорости и амплитуды перекладки руля, потребные для удержания судна на курсе; судно плохо будет слушаться руля, поскольку при равенстве скоростей движения судна и волны прекращается обтекание пера руля потоком воды и остается только набегающий поток, вызванный работой гребного винта. В таком состоянии судно, двигаясь с достаточно большой скоростью и находясь на границе устойчивости движения, получает случайное возмущение и резко разворачивается лагом к волне.

Большое значение при плавании в штормовых условиях имеет правильное управление рулем. Необходимо заблаговременно перекладывать руль, чтобы не допустить уход судна с заданного курса, перейти на ручное управление, так как в штормовых условиях наиболее важно сохранить управляемость судна, а это чаще всего можно достигнуть только перекладкой руля на большие углы.

Несмотря на то, что эти давно изученные явления описаны во всех учебных пособиях, именно не учет их привел к аварийному накренению т/х «Комсомолец Киргизии» в Атлантическом океане. Судно следовало на попутной волне, равной длине судна полным ходом со скоростью, равной скорости бега волны, и управление велось с помощью гирорулевого.

При плавании в штормовую погоду переход судна со встречных курсовых углов на попутное волнение всегда таит в себе возможную опасность. Прежде всего, она связана с усилением качки, зарыванием в волну, попаданием на палубу больших масс воды и др.

Поворот судна с встречных курсовых углов на попутные осуществляют перекладкой руля на подветренный борт в момент подхода группы больших волн с тем, чтобы в положении лагом к волне оно оказалось в период затишья, вторая часть поворота должна осуществляться быстрее, чтобы сократить время воздействия волн в опасном положении. Переход на кормовые курсовые углы может сопровождаться усилением бортовой качки вследствие сближения периода собственных колебаний судна и кажущегося периода волн, что следует оценить по диаграмме Ю. В. Ремеза.

Если на кормовых курсовых углах Т_и > ф, то первая половина при повороте с попутного волнения на встречное должна выполняться на малом ходу, а вторая -- как можно быстрее. При Т_и < ф первая половина поворота осуществляется на среднем или малом ходу, а вторая как можно быстрее. Однако следует иметь в виду, что переход судна в зону усиленной бортовой качки на резонансных курсовых углах может потребовать дальнейшего маневрирования, и чрезмерный разгон судна и его инерция могут сделать эти маневры более опасными.

Поворот судна на ветер требует большего времени, поскольку в этом случае ветер и волны препятствуют развороту, а управляемость ухудшается. Для сохранения управляемости можно использовать увеличение скорости судна. Для тихоходных судов с развитыми носовыми надстройками подобный разворот трудно осуществим либо невозможен.

Размещено на Allbest.ru