Управляемость на заднем ходу.

Судоводителю нередко приходится управлять судном в режиме заднего хода при маневрировании на акватории портов. В связи с этим важно правильное представление об особенностях управляемости судов на заднем ходу.

Как показывает практика, суда обычно плохо управляются на заднем ходу или не управляются вообще. При этом характерно, что судно охотно входит в циркуляцию, но тяжело выходит из нее (часто оно не может выйти из циркуляции на заднем ходу вообще, не прибегая к маневру движителями). Разные исследователи объясняют такое поведение судов следующими основными причинами. Рули на заднем ходу не обтекаются струей гребного винта, что приводит к резкому уменьшению рулевой силы (сказанное не относится к поворотным насадкам, уменьшение рулевой силы которых на заднем ходу значительно меньшее, чем у рулей). Струя гребного винта, попадая на корпус, образует в кормовой части судна поперечную силу, направленную влево при работе винта правого вращения на задний ход. Это явление известно как набрасывание воды в раковину. При движении кормой вперед при перекладке руля судно совершает дрейф в сторону перекладки руля, при этом образующийся угол дрейфа в корме уменьшает реальный угол атаки руля (это относится только к маневренному периоду циркуляции). В начальной стадии маневрирования при движении судна задним ходом с углом дрейфа точка приложения гидродинамической силы на корпусе расположена в корму от центра тяжести. Гидродинамическая сила на корпусе образует момент, имеющий знак, противоположный моменту от рулевого органа. При этом суммарный разворачивающий момент оказывается меньшим, чем на переднем ходу. Критические углы атаки рулей на заднем ходу, при которых происходит срыв потока и резко уменьшается боковая сила, существенно меньше, чем на переднем ходу). В эволюционный и установившийся периоды циркуляции заднего хода распределение гидродинамических сил на корпусе судна в принципе не отличается от распределения сил на переднем ходу. Однако выход из циркуляции заднего хода затруднен, требуется перекладка руля на противоположный борт на угол, иногда превышающий критический угол перекладки руля на заднем ходу. Еще одной причиной ухудшения управляемости на заднем ходу является меньшая эффективность ДРК при работе на задний ход (потеря эффективности у ДРК разных типов различна). Весьма наглядное объяснение особенностей входа судна в циркуляцию заднего хода и выхода из нее дано А.Д. Гофманом, указавшим на то, что пологие циркуляции заднего хода могут происходить как при положительных так и при отрицательных углах дрейфа (рис. 35). При отрицательном угле дрейфа для выхода из циркуляции требуется очень большое значение демпфирующей силы ДРК. Эта особенность объясняет как необычайно быстрый вход судна в крутую циркуляцию на заднем ходу, так и трудности выхода из нее. Последние связаны с необходимостью прохождения зоны пологих циркуляций.

Рис 35 Циркуляция судна на заднем ходу

а) б)

Приведенные выше объяснения ухудшения управляемости на заднем ходу должны рассматриваться в комплексе и при использовании в обучении достаточно сложны для восприятия. Поэтому многие авторы ограничиваются упоминанием лишь некоторых из причин ухудшения управляемости на заднем ходу. При этом акцентируется внимание на неблагоприятном соотношении гидродинамического и рулевого моментов, характерном для маневренного периода циркуляции заднего хода (что, однако, как показывает практика судовождения, почти не мешает судну легко входить на заднем ходу в циркуляцию), а также потере эффективности ДРК на заднем ходу (которая у некоторых типов ДРК невелика). Такое частичное объяснение худшей управляемости на заднем ходу, являясь достаточно простым, не в состоянии раскрыть все особенности маневрирования судна на заднем ходу. Это обстоятельство затрудняет понимание судоводителями физической картины, определяющей поведение судна на заднем ходу.

Рассмотрим более подробно физическую картину маневра выхода судна в циркуляцию заднего хода и выход из нее. Если на судне, движущемся прямолинейно задним ходом, переложить рулевой орган (рассмотрим случай перекладки на левый борт), то полюс поворота будет располагаться в нос от ЦТ судна. Момент инерции судна относительно вертикальной оси, проходящей через полюс поворота, невелик, и судно сравнительно легко начинает поворот вокруг полюса поворота в сторону перекладки рулевого органа (меньший прирост угловой скорости поворота по сравнению с движением передним ходом здесь объясняется меньшей эффективностью работы ДРК на заднем ходу). Расположение полюса поворота в нос от ЦТ в этом случае обуславливает направление вектора скорости в ЦТ судна в сторону левого борта, и, следовательно, отрицательное значение угла дрейфа. Это в свою очередь обуславливает возникновение на левом борту поперечной гидродинамической силы, направленной в противоположную рулевой силе сторону, точка приложения которой располагается в кормовой части судна. Эта сила является позиционной составляющей поперечной гидродинамической силы на корпусе судна, и поскольку угловая скорость поворота еще мала, а полюс поворота расположен недалеко от ЦТ, она не компенсируется действием демпфирующей составляющей гидродинамической силы. Если момент этой силы окажется больше момента рулевой силы ДРК, то поворот судна в сторону перекладки рулевого органа прекратится, и судно может начать поворот в противоположную сторону (случай «обратной управляемости» на заднем ходу). Однако небольшое значение начальной абсциссы полюса поворота при повороте с помощью ДРК обуславливает сравнительно небольшой отрицательный угол дрейфа в ЦТ судна. В связи с этим «обратная управляемость» на заднем ходу возможна лишь при малых углах перекладки рулевого органа, когда рулевая сила ДРК очень мала. Если момент рулевой силы ДРК превышает момент гидродинамической силы на корпусе, то судно продолжает поворот в сторону перекладки руля с увеличением угловой скорости поворота. Полюс поворота при этом начинает смещаться в корму, проходя при этом ЦТ судна (при этом момент инерции относительно вертикальной оси минимален, что способствует развитию вращательного движения), и в этот момент угол дрейфа в ЦТ становится равным нулю. При этом на корпус судна действует лишь демпфирующая составляющая гидродинамической силы, и момент этой силы близок к нулю. Это позволяет судну продолжать легко входить в поворот. Далее полюс поворота продолжает смещаться в корму, угол дрейфа в ЦТ становится положительным, и распределение сил на корпусе судна становится принципиально таким же, как и на переднем ходу. По мере смещения полюса поворота в корму рулевая сила ДРК заметно падает, ее момент относительно полюса поворота невелик. Кроме того, удаление полюса поворота от ЦТ вызывает увеличение момента инерции судна относительно вертикальной оси, что так же затрудняет увеличение угловой скорости поворота. Вокруг вертикальной оси, проходящей через полюс поворота, судно, кроме рулевой силы, еще разворачивает и поперечная составляющая центробежной силы. Их действие компенсируется действием поперечной составляющей гидродинамической силы на корпусе, точка приложения которой смещается в нос (демпфирующая составляющая по мере роста угловой скорости превалирует над позиционной составляющей). Когда силы уравновешиваются, судно выходит на установившуюся циркуляцию.

Проведенный анализ показывает, что особенности входа судна в установившуюся циркуляцию заднего хода легко могут быть объяснены изменением положения полюса поворота в ходе выполнения маневра. Ключевыми моментами здесь являются знак абсциссы полюса поворота, определяющий знак угла дрейфа, и ее значение, определяющее величину момента инерции судна относительно вертикальной оси.

Теперь рассмотрим маневр выхода из циркуляции заднего хода. Результаты исследования, показали, что на установившейся циркуляции заднего хода полюс поворота располагается вблизи кормового перпендикуляра судна, а, следовательно, и вблизи его ДРК. Таким образом, плечо рулевой силы относительно вертикальной оси очень мало. При этом момент инерции судна относительно вертикальной оси оказывается большим. Этим обуславливается очень низкая эффективность ДРК при выводе судна из установившейся циркуляции заднего хода. Кроме этого, если полюс поворота будет располагаться дальше в корму, чем ДРК, действие ДРК в начале маневра выхода из циркуляции будет приводить не к уменьшению, а к увеличению угловой скорости поворота. Таким образом, становится очевидным, что вывести судно из циркуляции заднего хода очень затруднительно, а иногда и невозможно без маневра движителями.

Рассмотрим явление «обратной управляемости» судна на заднем ходу.

Начало маневра, иллюстрирующего это явление, аналогично началу входа судна в циркуляцию заднего хода, рассмотренного выше: после перекладки рулевого органа на левый борт полюс поворота располагается на небольшом расстоянии в нос от ЦТ судна, судно начинает поворот в сторону перекладки рулевого органа; возникает отрицательный угол дрейфа в ЦТ, обуславливающий поперечную нагрузку на левом борту, момент которой направлен против момента рулевой силы ДРК(рис 36). В случае «обратной управляемости» этот гидродинамический момент на корпусе судна превышает момент рулевой силы ДРК. Угловая скорость поворота уменьшается, при этом отрицательный угол дрейфа в ЦТ так же уменьшается (производная угла дрейфа по времени оказывается в этом случае положительной). Полюс поворота, смещается далеко в нос. Ростом момента инерции судна относительно вертикальной оси объясняется малая величина производной угловой скорости поворота по времени. Наконец, угловая скорость поворота становится равной нулю, - судно движется поступательно с углом дрейфа , имеющим отрицательное значение. Абсцисса полюса поворота в этом случае равна . Через некоторое время угловая скорость поворота принимает отрицательное значение. Полюс поворота располагается теперь в сторону кормы от ЦТ судна, при этом величина . Поперечная составляющая центробежной силы меняет направление на противоположный одинаковый с направлением действия рулевой силы. Когда сумма поперечной составляющей центробежной силы и рулевой силы превысит значение противоположно направленной гидродинамической силы на корпусе судна, величина меняет свой знак, становясь отрицательной. Это обуславливает рост отрицательного значения угла дрейфа, в связи с чем значение абсциссы полюса поворота остается сравнительно высоким. Рост угловой скорости, имеющей отрицательное значение, обуславливается тем, что хотя сумма сил , ее плечо относительно вертикальной оси, проходящей через находящийся за кормовым перпендикуляром полюс поворота, так же имеет отрицательное значение. Поскольку сумма сил , и с ростом демпфирующей составляющей гидродинамической силы ее абсолютное значение уменьшается, судно вскоре выходит на установившуюся пологую циркуляцию правого борта.

Для выхода из циркуляции на заднем ходу целесообразнее использовать средства управления, расположенные в носовой части судна (подруливающее устройство или буксир), имеющие большее плечо относительно вертикальной оси, проходящей через полюс поворота. В настоящее время отсутствуют систематизированные экспериментальные материалы, позволяющие рассчитать характеристики управляемости на заднем ходу тех судов, которые ею обладают. Увеличение площади рулей обычно не приводит к заметному улучшению управляемости на заднем ходу. Более эффективно увеличение полноты диаметрального батокса в носу и подрез кормовой оконечности, а также ликвидация значительных по размерам выступающих частей в корме судна. Эти меры направлены на то, чтобы сдвинуть в нос центр боковых корпусных сил, т.е. уменьшить коэффициент позиционного момента. На двухвинтовых судах с неподвижными направляющими насадками иногда устанавливают средний руль в ДП, служащий также для обеспечения управляемости при переднем ходу по инерции, Некоторый эффект дает маневрирование движителями на заднем ходу. В качестве критерия управляемости на заднем ходу предлагается оценивать возможность удержания судна на прямом курсе при движении на глубокой воде в режиме работы двигателей «малый ход назад»Управляемость считается удовлетворительной, если при уклонении судна на 1-2 градуса от прямого курса перекладкой рулевого органа на угол до 15 градусов для одерживания уклонения обеспечивается возвращение судна на прямой курс.