Обзор траекторий маневрирования судов различных типов на глубокой воде и мелководье Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 629.123

Д.А. Акмайкин, Д.Б. Хоменко

АКМАЙКИН ДЕНИС АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат физико-математических наук, доцент (Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского, Владивосток). E-mail: akmaykin@msun.ru

ХОМЕНКО ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ - аспирант кафедры технические средств судовождения (Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского, Владивосток).

E-mail: 0007177@mail.ru

ОБЗОР ТРАЕКТОРИЙ МАНЕВРИРОВАНИЯ СУДОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

НА ГЛУБОКОЙ ВОДЕ И МЕЛКОВОДЬЕ

Дан обзор поворотливости судов различных типов. Представлены значения экспериментальных наблюдений маневренных характеристик некоторых типов судов. Предложены методики расчета траекторий маневрирования судна, позволяющие определить силы, которые влияют на параметры его движения.

Ключевые слова: управление судном, параметры маневрирования, тип судна, мелководье, глубокая вода, безопасность мореплавания.

The review of maneuvering trajectory of the ship of different types in deep and shallow waters. Denis А. Akmaykin, Dmitry B. Khomenko (Maritime State University named after G.I. Nevelskoi, Vladivostok).

The article contains a review of maneuvering qualities of the different types of ships and the results of experimental observations about the maneuvering characteristics of ships of certain types. It offers the methods enabling one to calculate trajectories of ship maneuvering and determine the forces operating on the parameters of the ship movement.

Key words: ship control, maneuverability parameters, ship type, shallow water, deep water, navigation safety.

Движение судна осуществляется на границе двух сред, воды и воздуха, когда оно испытывает гидро- и аэродинамическое воздействия. В процессе управления движением необходимо учитывать длину, ширину, форму и размеры подводной и надводной частей корпуса, характеристики основных и вспомогательных судовых средств управления, а также поведение судна под влиянием внешних факторов (волнение, течение, ветер, мелководье, реки и озера, каналы и т. п.), что делает процесс маневрирования очень сложным и напряженным.

© Акмайкин Д.А., Хоменко Д.Б., 2012

Для обеспечения заданных параметров движения (например, постоянным курсом или по требуемой криволинейной траектории, движение с заданной скоростью или ее изменение) судном необходимо управлять, т.е. судно является управляемой системой.

В общих чертах рассматривают следующие основные параметры управления судном.

Маневрирование - изменение направления движения и скорости судна под действием руля, движителей и других устройств, для безопасного расхождения, при швартовных и якорных операциях и т.п.

Ходкость - способность судна преодолевать сопротивление воды и перемещаться с заданной скоростью под действием движителя.

Управляемость - способность судна двигаться по заданной траектории, т.е. менять направление движения в соответствии с действиями управляющего устройства, установленного на судне. Управляемость является качеством судна, зависящим от траектории его движения и от внешних условий (ветер, волнение, течение, глубина и ширина фарватера). Траектория может быть прямолинейной и криволинейной, поэтому различают такие качества, как устойчивость на курсе и поворотливость. Устойчивость на курсе - способность судна сохранять прямолинейное направление движения. Поворотливость - способность судна изменять направление своего движения и описывать траекторию заданной кривизны [2].

Процесс поворота судна с переложенным рулем на определенный угол называется циркуляцией. Траектория, описываемая судном под влиянием переложенного на определенный угол руля, характеризуется радиусом циркуляции Яц. Поскольку при прямолинейном движении Яц = го, то очевидно, что после перекладки руля радиус Яц начинает уменьшаться. После окончания переходного процесса траектория судна по форме приближается к окружности, т.е. радиус приобретает установившееся значение, так как линейная и угловая скорости, отношением которых определяется значение радиуса, становятся приблизительно постоянными.

Для сопоставимости поворотливости различных судов радиус циркуляции выражают в безразмерном виде:

Д = Д ■ ь,

где Я0 - относительный радиус, Ь - длина судна.

Величина обратная радиусу называется кривизной [3].

В таблице представлены экспериментальные значения поворотливости различных типов и размеров судов.

Поворотливость некоторых типов судов

Курс Влево Вправо

глубокая вода глубокая мелководье

балкер танкер траулер буксир балкер танкер траулер буксир балкер танкер траулер буксир

35° 45° 35° 45° 35° 45°

10 0,36 0,4 0,06 0 0,33 0,35 0,1 0 0,49 1,18 0,1 0,45

20 0,5 0,54 0,12 0,12 0,49 0,51 0,19 0,1 1,29 2 0,19 0,59

30 1,02 1,12 0,15 - 1,04 1,05 0,28 - 2,05 2,39 0,27 -

40 1,15 1,21 0,18 0,26 1,16 1,19 0,33 0,24 2,4 3,19 0,32 1,15

50 1,28 1,34 0,21 - 1,3 1,34 0,38 - 3,15 3,58 0,37 -

60 1,41 1,47 0,24 0,4 1,44 1,5 0,43 0,4 3,5 4,38 0,42 1,29

70 1,55 1,59 0,26 - 1,57 2,06 0,47 - 4,26 5,19 0,47 -

80 2,09 2,12 0,28 0,5 2,11 2,22 0,52 0,52 5,01 5,56 0,52 1,35

90 2,22 2,27 0,29 1,12 2,25 2,39 0,56 1,06 5,37 6,35 0,56 1,52

120 3,09 3,1 0,36 1,2 3,12 3,22 1,13 1,19 7 8,33 1,13 2,07

150 4,03 4,05 0,42 1,4 4,05 4,27 1,24 1,36 8,49 10,3 1 1,25 2,31

180 5,04 5,12 0,5 1,56 5,03 5,3 1,41 1,54 10,3 7 12,2 9 1,41 2,53

270 8,39 9,12 1,08 3,02 8,31 9,2 2,23 2,57 16 18,2 7 2,23 4,02

360 12,3 3 13,3 2 1,29 4,04 12,02 13,3 6 2,59 4,07 21,3 2 14,2 6 3 5,11

Примечание. Представлены суда водоизмещением: балкер - 60 000 т; танкер - 150 000 т; траулер -1300 т; буксир - 255 т

Данная таблица отражает зависимость времени поворота от величины изменения курса через 10°. Положение руля: «на борт» (35/45°) вправо/влево.

Устойчивость на курсе и поворотливость находятся в противоречии друг с другом. Чем более устойчиво прямолинейное движение судна, тем труднее его повернуть, т.е. ухудшается поворотливость. В то же время улучшение поворотливости судна затрудняет его движение в постоянном направлении: в этом случае удержание судна на курсе связано с напряженной работой рулевого или авторулевого и частой перекладкой руля. При проектировании судов стремятся найти оптимальное сочетание этих свойств.

На рисунке приведен пример траектории маневрирования для танкера водоизмещением 150 000 т.

Для решения задачи движения судна в горизонтальной плоскости необходимо знать силы и моменты, действующие на корпус судна и его средства управления. Они разделяются на три группы: движущие, внешние и реактивные.

Движущие силы: упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые средствами активного управления, и т.п.

Внешние силы: силы давления ветра, волнения моря, течения. Эти силы, как правило, создают помехи при маневрировании.

Реактивные силы: силы и моменты, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внешних сил. Реактивные силы зависят от линейных и угловых скоростей.

Знание величины приведенных сил позволит точно определить траекторию движения судна не только на спокойной воде, но и при воздействии окружающей среды. Движущие силы в процессе эксплуатации меняются медленно и могут быть рассчитаны для любого судна, также может быть построена модель их постепенного изменения в процессе эксплуатации. Расчет внешних сил можно определить с помощью имеющегося на судах оборудования. Сила ветра определяется с помощью специального прибора - виндекса. Течение определяется по разнице показаний абсолютного и относительного лагов, имеющихся в настоящее время на всех судах.

Направление и силу морского волнения возможно определить с помощью статистических характеристик отраженного от морской поверхности радиолокационного сигнала [1].

Произведя анализ маневренных характеристик и сбор экспериментальных данных поворотливости судов в различных условиях эксплуатации, можно точно рассчитать траекторию маневра с учетом влияния окружающей среды и предотвратить опасные ситуации при маневрировании.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акмайкин Д.А., Хоменко Д.Б. Определение морской поверхности с помощью судовой радиолокационной станции // Вестн. Морского гос. ун-та. Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2010. Вып. 42. С. 48-53. (Серия «Судовождение»).

2. Демин С.И., Жуков Е.И. и др. Управление судном. М.: Транспорт, 1991. 395 с.

3. Письменный М.Н. Подготовка вахтенного помощника капитана по управлению судном. Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2003. 97 с.: ил.

4. Рекомендации по организации штурманской службы на судах (РШС-99). СПб.: ЦНИИМФ, 1999. 146 с.

Глубоководная вода

кабельт.

кабельт.

90

> I I

V. 270

I I I I I

10 0 1

кабельт

Мелководье

I' I' I ■ I ■ I' I' I > I

0 1 2 3 4 5 6 7

Траектория поворота для танкера водоизмещением 150 тыс. т