Поведение судна при плавании в штормовых условиях

И на волнении

Основными факторами, действующими на судно во время шторма являются ветер и волнение.

Ветер увеличивает сопротивление движению судна, вызывает дрейф, создает крен, ухудшается управляемость. Дрейф судна опасен, если с подветренного борта по курсу находятся навигационные опасности. При воздействии ветра судно плохо слушается руля (особенно при ветрах кормовых направлений), появляется рыскливость. Наиболее интенсивное рыскание наблюдается на попутном волнении, когда угол между вектором скорости распространения фронта волны и ДП составляет примерно 45 градусов.

Волнение вызывает качку, значительные напряжения корпуса судна и удары волн. Существует три вида качки: бортовая (поперечная), килевая (продольная) и вертикальная. При движении судна под углом к волне оно испытывает смешанную качку, включающую элементы бортовой, килевой и вертикальной.

Сильная качка, особенно бортовая, приводит к значительным нагрузкам на корпус и судовые механизмы, что иногда приводит к появлению трещин в обшивке и на палубе. Возникающие при качке инерционные силы могут явиться причиной сдвига с фундаментов механизмов, смещение груза. При плавании против волны на полном ходу вследствие ударов волн судно может даже переломиться. На гребне волны метацентрическая высота может уменьшиться вплоть до отрицательных значений, и тогда судно потеряет начальную остойчивость (рис.3.1).

Рис.3.1. Схема постановки судна на гребень волны 1 – действующая ватерлиния на спокойной воде; 2 – действующая ватерлиния на гребне волны.

Положение усугубляется еще и тем, что с выходом из воды винто-рулевого комплекса судно становится неуправляемым. Если в это время под влиянием ветра и волнения судно развернется лагом к волне, то может наступить опрокидывание. Опасность опрокидывания тем вероятнее, чем дольше судно находится в неблагоприятных условиях и чем ближе по значению скорости бега волн и судна. Опасное значение курсового угла волны, при котором возможно уменьшение метацентрической высоты, находится в пределах 45 градусов, а длина волны располагает свой профиль на 60 – 80% длины судна.

Внешними признаками ситуации, при которых возможно опрокидывание, являются:

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

- глубокие зарыскивания;

- запоздалая реакция судна на перекладку рулевого органа.

В качестве первой меры предосторожности необходимо экстренно снизить скорость.

Качка судна характеризуется: амплитудой (максимальным по величине отклонением судна от положения равновесия), размахом (удвоенной амплитудой) и периодом качки (продолжительность одного полного колебания судна, т.е. продолжительность совершения четырех амплитуд качки).

Судно, имеющее дифферент на нос или большую загруженность носовых трюмов, будет иметь медленную килевую качку и зарываться носом в волны. Если же большой дифферент на корму, то у него будет наблюдаться повышенная рыскливость. Оптимальной считается загрузка на ровный киль или с небольшим дифферентом (0,5 м) на корму.

На характер качки оказывает влияние изменения скорости судна, которая меняет кажущийся период волны. Крупнотоннажные суда при снижении скорости иногда начинают принимать воду на палубу. В этом случае целесообразно изменить курс при сохранении скорости.

При движении курсом против ветровой волны резонансной и бортовой качки не наблюдается. Однако происходит значительное снижение скорости и судно испытывает сильные удары волн о корпус. Это явление получило название слеминг.

Различают днищевой слеминг и бортовой.

Днищевой слеминг, как правило, наблюдается у судов в балласте, с большим дифферентом на корму или имеющих полные обводы и плоское днище в носовой части.

Бортовой слеминг наоборот, у судов в грузу и с сильно выраженной килеватостью. Он вызывает сильную вибрацию корпуса. Ударная нагрузка при слеминге пропорциональна квадрату суммарной скорости волны и носовой части судна.

Основной причиной слеминга является совместное действие вертикальной и килевой качки. Это имеет место в тех случаях, когда длина волны примерно равна длине судна. В случаях, когда это соотношение более, чем 1,5 или меньше, чем 0,75 слеминг практически отсутствует. На появление слеминга также влияют высота волны и скорость судна. Чем больше высота волны при равенстве скоростей волны и судна, тем в большей мере необходимо снижать скорость для его устранения.

Наиболее тяжелый слеминг будет наблюдаться при резонансе – совпадении периода собственных колебаний судна (периода качки) и периода кажущейся (наблюдаемой) волны или в пределах резонансной зоны.

Период продольных колебаний судна можно приближенно рассчитать по выражению:

,

(3.5)

где – длина судна, м;

– продольная метацентрическая высота, м.

Если величина продольной метацентрической высоты неизвестна, то период продольных колебаний судна может быть вычислен по формуле:

.

(3.6)

Здесь – средняя осадка судна, м;

– коэффициент (для речных судов = 2,7 – 3,0);

= 2,4 (для морских судов).

Период бортовой качки, с:

(3.7)

где – коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей судна (0,69 – 0,78);

– начальная поперечная метацентрическая высота.

Практикой установлено, что наиболее сильное воздействие волн судно испытывает, когда период собственных колебаний судна находится в пределах резонансной зоны:

,

(3.8)

Здесь – период собственных колебаний судна;

– период кажущейся волны.

Период бортовой качки судна можно определить следующим образом. В момент прохождения стрелки кренометра через «0» в сторону любого борта включить секундомер. После десятого прохождения стрелки кренометра через «0» в сторону того же борта останавливают секундомер и его показания делят на 10. Полученный результат и будет соответствовать периода собственных колебаний судна.

Кажущийся период волны можно определить, измерив промежуток времени между прохождением гребней соседних волн. Более точно результат будет получен, если зафиксировать время прохождения нескольких гребней и разделить его на их число (за вычетом первого).

Для прибрежных морских районов Р.Н. Фатьянов предложил кажущийся период волны определять по следующей зависимости:

(3.9)

где – длина волны, м;

– скорость судна, уз;

– курсовой угол на направление бега волны, град.

Резонансная качка, особенно у судов с большой начальной метацентрической высотой и, следовательно, малым периодом собственных колебаний, вызывает чрезмерные динамические нагрузки, которые часто приводят к смещению груза, накренению судна на углы близкие к предельно допустимым.

При плавании на попутном волнении может возникнуть еще одно опасное явление – брочинг (по англ. broaching – разворот). Это явление захвата судна волной, потеря им управляемости, самопроизвольном неуправляемым разворотом лагом к волне, потери остойчивости и возможном опрокидывании судна. Условия, способствующие появлению брочинга:

– скорость волны больше скорости судна;

– длина волны в пределах длины судна .

Может также наблюдаться захват судна волной, когда оно идет не своей скоростью, а его несет волной. На рис. 3.2 представлена диаграмма для выбора скоростей курсов волн, исключающих попадание судна на волну опасной длины.

Рис 3.2. Диаграмма опасных скоростей судна и курсовых углов волн на попутном волнении – курсовой угол волн; – длина судна, – скорость судна, уз.

Для выхода из резонансной зоны у судов длиной более 100 метров можно увеличить скорость, если имеется резерв скорости. В том случае, если желаемый результат не будет достигнут, следует уменьшить курсовой угол волны (на курсовом угле волн более 60 градусов слеминг не наблюдается). При плавании на пологой волне (старой) зыби удовлетворительный результат может дать также маневр изменения курса в сторону фронта волны. Для судов менее 100 метров в связи с уменьшением восстанавливающего момента на попутной волне значительное уменьшение курсового угла нецелесообразно. Курсовой угол волн, при котором уменьшается остойчивость, находится в пределах 180-135 градусов, а опасно является волна с профилем 60-80 % длины судна. При длине волны меньше длины судна возможна значительная качка с оголением гребных винтов, особенно, если скорость судна меньше скорости движения волны.

Для выбора безопасных курсов и скоростей можно воспользоваться диаграммами качки. Известны разные виды таких диаграмм, предложенных разными авторами В.Г. Власовым, С.Н. Благовещенским, Л.М. Ногидом, В.Б. Липисом, Ю.В. Ремезом.

Все перечисленные диаграммы показывают характер изменения видимых параметров волн любой длины в зависимости от изменения курса и скорости судна. Наиболее удобен вариант универсальной диаграммы, предложенный Ю.В. Ремезом.

Однако, приемлемое решение диаграмма Ю.В. Ремеза дает только при регулярном волнении. В условиях длительного шторма, когда волнение становится нерегулярным, как показывает практика, диаграмма «не работает».

Причины этого объясняется следующими факторами:

- одновременное уменьшение бортовой и килевой качки взаимно исключают друг друга;

- поведение судна на волнении зависит не только от курса и скорости, но и от конструктивных особенностей судна;

- период свободных колебаний судна на волнении имеет переменное значение из-за изменений начальной метацентрической высоты и не соответствует расчетному (его значению на тихой воде);

- расчетные шкалы диаграммы охватывают не все виды волнения;

- во время сильного продолжительного шторма суда практически всегда находятся в зоне усиленной бортовой качки за исключением движения судном носом на волну или прямо по волне (т.к. при сильном волнении всегда имеются колебания волн с периодом, близким к периоду собственных колебаний судна;

- размахи килевой качки не определяют полностью условия безопасного движения судна, так как не учитывают такие опасные явления, как заливание и слеминг.

Общий анализ штормовых диаграмм и опыт мореплавания показывают, что наиболее благоприятными курсами для большинства судов в шторм являются курсы, составляющие угол 30-40 градусов с направлением волны. При плавании на попутном волнении для судов длиной более 100 метров наиболее благоприятным будет дорезонансный режим качки. Если у судна имеется резерв скорости, то маневр следует начинать с ее увеличения. Если после увеличения скорости желаемый результат не будет достигнут, следует уменьшить курсовой угол волны. Для малых судов в связи с уменьшением восстанавливающего момента на попутной волне значительное уменьшение курсового угла нецелесообразно. Если же у судна отсутствует резерв скорости, или интенсивность качки будет оставаться значительной, следует выбрать зарезонансный режим путем уменьшения хода При плавании на пологой волне (старой зыби) удовлетворительный результат может дать также маневр изменения курса в сторону фронта волны.

Наиболее сложным и ответственным маневром при плавании в шторм является поворот на другой курс. Обычно он сопровождается усилением качки, зарыванием в волну и, как следствие попаданием большого количества воды на палубу, потерей остойчивости.

При плавании против волны поворот совершают, как вправило, под ветер.

В этом случае ветер облегчает выполнение поворота, т.к. создает ветровой крен, направленный во внутреннюю сторону поворота. Поворот следует начинать, дав полный ход, непосредственно после прохождения крупных волн, когда корма судна окажется на обратном склоне самой крутой волны. Во время поворота, при подходе следующей группы высоких волн с кормовых углов рулевые органы следует отводить к ДП заблаговременно.

Поворот на ветер более сложен. Судно может получить значительный крен от совместного воздействия ветра, волны и в процессе выполнения циркуляции. Поэтому поворот на ветер начинают на небольшой скорости, которую увеличивают после прохождения положения лагом к волне. Поворот осуществляют по этапам, изменяя курс судна на 20-30 градусов до выхода на заданный курс.

При плавании по волне поворот начинают, когда на обратном склоне последней из серии крупных волн окажется носовая часть судна с таким расчетом, чтобы вторая половина поворота выполнялась в период относительно небольших волн. Поворот начинают на малом ходу, а затем увеличивают скорость.

Во время жесткого шторма дальнейшее движение по заданному направлению может представлять непосредственную опасность для судна. В этих условиях судно переходит к штормованию.

Штормование – это особый вид плавания, при котором судно удерживается на месте или идет выбранным курсом или скоростью для уменьшения воздействия шторма на судно, груз и людей.

Выбор способа штормования выбирается в зависимости от волнения моря, особенностей судна и района плавания. Наиболее часто применяют два способа штормования: против волны и по волне.

При штормовании против волны (на носовых курсовых углах) судно легче управляется, размахи бортовой качки уменьшаются, судно более устойчиво на курсе, однако воздействие волн в этом случае достигает максимальной силы. Вода, попадая на палубу, может причинить значительные разрушения. Данный вид штормования рекомендован для судов, имеющих полные обводы в носовой части, небольшой дифферент на корму, а корпус конструктивно укреплен и рассчитан на большие волновые нагрузки. Для судов с неравномерной загрузкой трюмов и недостаточно прочным корпусом штормование против волны опасно, корпус может переломиться.

Штормование по волне (на кормовых курсовых углах) выполняется только в том случае, когда длина волны значительно отличается от длины судна, имеющего нормальную или повышенную остойчивость. Судно в этом случае не испытывает ударов волн, скорость близка к эксплуатационной, качка становится более плавной. Однако, ухудшается управляемость, возрастает рыскливость, уменьшается остойчивость. Для судов у которых метацентрическая высота близка к нижнему пределу, сохраняется опасность опрокидывания. Опасное состояние судна в этом случае можно определить по следующим признакам:

- неожиданное самопроизвольное увеличение крена и амплитуды качки при прохождении вершин отдельных волн вблизи миделя судна;

- длительная задержка (зависание) судна в положении максимального крена и медленное возвращение в исходное положение.

С практической точки зрения важен вопрос определения потери скорости судна в условиях волнения. Если курс судна и направление ветра и волнения отличаются более, чем на 30-40 градусов, то дополнительное сопротивление, вызванное их воздействием, приводит к падению скорости движения. П.М. Хохловым получена зависимость для расчета потерь скорости морского судна в условиях волнения в следующем виде:

,

(3.10)

где – скорость судна на спокойной воде, уз.;

– водоизмещение судна, т;

– курсовой угол волны, рад;

– ускорение свободно падения.

Для судов смешанного «река – море» плавания М.В. Осокин предложил потерю скорости в море определять по формуле:

. .

Здесь – частота вращения движителей.

Следует отметить, что формула (3.12) позволяет учитывать различные сочетания высоты волны и скорости кажущегося ветра, т.е. для различных степеней развитости волнения.

Л.И. Фомкинский предлагает определять скорость речных судов и составов в условиях ветра и волнения на озерах и водохранилищах по формуле:

;

(3.13)

где – коэффициент, учитывающий потерю скорости (рис.3.3).

Рис.3.3 График для определения коэффициента потери скорости судов и составов от ветра и волнения на водохранилищах и озерах: а – пассажирские суда; б – грузовые суда; в – составы из сухогрузных барж; г – составы из наливных барж

В табл. 3.2 приведены сводные данные по изменению параметров движения судов в зависимости от направления волнения.

Таблица 3.2

Перечень последствий,

вызываемых волнением различного направления

Направление волнения
Параметр		45/135		135/225
встречное	скуловое	попутное	раковина	лаговое
Потеря скорости	высокая	средняя	малая	малая	малая
Килевая качка	высокая	средняя	малая	средняя	средняя
Слеминг	высокая	высокая	оч. малая	оч. малая	оч. малая
Бортовая качка	оч. малая	оч. малая	средняя	высокая	высокая
Брочинг	оч. малая	оч. малая	высокая	высокая	средняя
Заливаемость	высокая	высокая	малая	малая	средняя
Рыскание	оч. малая	средняя	малая	высокая	средняя
Разгон винта	малая	малая	высокая	высокая	малая
Дрейф	малая	средняя	малая	средняя	высокая
Потеря остойчивости	оч. малая	оч. малая	высокая	высокая	средняя

ВЛИЯНИЕ МЕЛКОВОДЬЯ

НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ СУДОВ

Мелководье – это глубина, соизмеримая с осадкой судна. Практически мелководье начинает влиять на поворотливость и ходкость судна при соотношениях глубины к осадке:

.

(4.1)

Наиболее ощутимо мелководье сказывается когда соотношение . В общем случае, влияние мелководья проявляется в:

- увеличении сопротивления воды движению;

- трансформации системы судовых волн;

- увеличении просадки судна:

- снижении пропульсивного коэффициента движителей.