CC BY
11УДК 656.62.052.4
Ю В. Бажанкин, ст. преподаватель, ВГАВТ,
В. И. Тихонов, доцент, к. т. н., ВГАВТ.
603005, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
О ВОЗМОЖНОСТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ АДЕКВАТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ РЕАЛЬНОГО СУДНА НА СУДОВОДИТЕЛЬСКИХ ТРЕНАЖЁРАХ
В статье излагается подход к решению проблемы адекватного моделирования управляемого движения
реальных судов на судоводительских тренажёрах
Безопасность судоходства на внутренних водных путях определяется, прежде всего, маневренными качествами судов и профессиональной подготовкой судоводителей.
Известно, что на внутренних водных путях доминирующим является глазомерный (лоцманский) метод судовождения. Данное обстоятельство объясняется специфическими условиями работы судов речного флота, которые характеризуются стесненными габаритами судовых ходов, их извилистостью, требующей частого изменения курса, значительной плотностью движения, наличием мостов, шлюзов, переправ, рейдов и т.п. Отмеченные особенности внутренних водных путей существенно усложняют процесс управления судном и предъявляют весьма жёсткие требования не только к управляемости судов, но и к уровню подготовки, опыту самих судоводителей.
Для профессиональной подготовки судоводителей (приобретения ими начальных навыков в управлении судном) и периодического повышения их квалификации в настоящее время используются различного типа судоводительские тренажёры. Суть любого из таких тренажёров заключается в имитации управляемого движения судна. Очевидно, что от степени имитации поведения судна в реальных условиях плавания зависит и качество обучения на тренажёре, поскольку цель тренажёрной подготовки будет достигнута лишь в том случае, если у судоводителя возникнет устойчивое ощущение управления именно тем судном, на котором он работает (или ему предстоит работать). Следовательно, для создания судоводительского тренажёра необходима математическая модель управляемого движения судна, адекватно имитирующая характер его реального поведения при выполнении того или иного маневра.
В условиях реальной эксплуатации судам речного флота приходится совершать маневры, имеющие в той или иной мере неустановившийся характер. Поэтому для решения задач управления судном в различных ситуациях требуются математические модели, основанные на уравнениях его движения. Без достаточно точного определения фигурирующих в этих уравнениях сил и моментов, действующих на погруженную часть судового корпуса, а также усилий, развиваемых движительно-рулевым комплексом (ДРК), достижение адекватности и высокой степени имитации поведения реального судна становится проблематичным. Кроме того, высокая степень имитации поведения судна в тех реальных условиях, в которых предполагается его эксплуатация, невозможна без достаточно точного и по возможности полного учёта в математических моделях тех внешних факторов, которые оказывают влияние на характеристики движения судна.
Очевидно, что для построения подобных моделей требуются аналитические методы определения действующих на судно усилий, основанные на анализе динамического взаимодействия судового корпуса с пограничным слоем окружающей его воды и с движительно-рулевым комплексом.
Исследованию действующих на судно гидродинамических усилий, а также усилий, развиваемых ДРК, посвящены труды А.М. Басина, Я.И. Войткунского, В.В. Вьюгова, О.И. Гордеева, А.Д. Гофмана, В.Г. Павленко, Р.Я. Першица, Л.М. Рыжова, В.Г. Соболева, К.К. Федяевского и многих других отечественных и зарубежных ученых. Разработанные к настоящему времени эмпирические методы определения корпусных сил и их моментов, основанные на результатах систематических модельных испытаний, позволяют с достаточной точностью решать задачи теории корабля, связанные с установившимся движением судна (оценка поворотливости судов, проектирование движительно-рулевого комплекса, обеспечивающего заданную скорость движения и нормированную управляемость судна, и т. п.). В то же время подстановка вычисленных по эмпирическим формулам коэффициентов корпусных усилий и усилий, развиваемых ДРК, в уравнения движения судна приводит, согласно исследованиям В.Г. Павленко и В.В. Вьюгова, к расхождениям между расчётными характеристиками маневров и натурными наблюдениями.
Поэтому, отдавая должное экспериментальным методам определения действующих на судно усилий, позволяющим решать задачи теории ходкости и управляемости судов, следует всё же признать, что для решения задач управления судном при маневрировании они неприемлемы. Это объясняется тем фактом, что экспериментальные методы являются в той или иной мере субъективными, а потому и не могут претендовать на адекватное отражение динамического взаимодействия судового корпуса с пограничным слоем жидкости и с ДРК в процессе выполнения судном того или иного маневра. Следовательно, для
решения задач профессиональной тренажёрной подготовки судоводителей, а также разработки способов оптимального управления судном в различных ситуациях для объективной оценки действий обучаемых необходимы аналитические методы определения усилий, действующих на судно, основанные на анализе его динамического взаимодействия с окружающей жидкостью и с ДРК.
Таким образом, научные исследования, направленные на разработку аналитических методов адекватного моделирования неустановившегося движения судна и непосредственно связанные с решением более общей проблемы обеспечения безопасности судоходства, являются весьма актуальными.
Та или иная теория представляет собой совокупность научных положений, отражающих закономерности каких-либо процессов, происходящих в природе. Исследование и научное обоснование таких закономерностей является для любой теории задачей первостепенной важности. Целью же всякой теории является разработка методов адекватного моделирования тех процессов или явлений, изучением которых она занимается. В этой связи можно предположить, что отсутствие в современной теории управляемости аналитических методов определения действующих на судно усилий объясняется тем обстоятельством, что до сих пор недостаточно исследованы основные закономерности динамического взаимодействия корпуса судна с пограничным слоем воды и с движительно-рулевым комплексом.
Таким образом, для решения проблемы адекватного математического моделирования управляемого движения реального судна необходимо исследовать закономерности динамического взаимодействия судового корпуса с пограничным слоем жидкости и с движительно-рулевым комплексом, на основе которых разработать аналитические методы определения действующих на судно усилий.
К настоящему времени на кафедре судовождения и безопасности судоходства ВГАВТ выполнены научные исследования основных закономерностей динамического взаимодействия судового корпуса с пограничным слоем жидкости, на базе которых созданы методы аналитического определения действующих на судовой корпус усилий инерционной и неинерционной природы [1]. Кроме того, разработан метод оценки продольных усилий, развиваемых ДРК при маневрировании судна, что позволяет решать первое (в теории управляемости фактически исключённое из рассмотрения [2]) из системы уравнений его движения, и ведутся исследования, направленные на разработку метода определения поперечных усилий, развиваемых движительно-рулевым комплексом при криволинейном движении судна. Полученные результаты исследований представляют собой базу данных для адекватного моделирования управляемого движения реальных судов на судоводительских тренажёрах.
Выполненные на кафедре судовождения и безопасности судоходства ВГАВТ исследования окажутся полезными специалистам тренажёрных центров, занимающимся математическим моделированием управляемого движения судов, а также преподавателям, аспирантам и студентам судоводительской и кораблестроительной специальностей государственных академий водного транспорта.
Литература
[1] Тихонов, В.И. Основы теории динамической системы судно-жидкость / В.И. Тихонов. - Н. Новгород: ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2007. - 262с.
[2] Гофман, А.Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна: Справочник / А.Д. Гофман. - Л.: Судостроение, 1988. - 360 с.
POSSIBILITY OF SOLVING THE PROBLEM OF APPROPRIATE SIMULATION OF CONTROLLED SHIP MOTION AT NAVIGATIONAL SIMULATORS
V. Tikhonov, Y. Bazhankin
This article presents approach to solving the problem of appropriate simulation of controlled ship motion at
navigational simulators.
