ПОНЯТИЕ ОБ УСТОЙЧИВОСТИ СУДНА НА КУРСЕ. ДИАГРАММА УПРАВЛЯЕМОСТИ

В реальных условиях плавания судно, находящееся в со­стоянии установившегося движения, т. е. следующее прямым курсом или совершающее установившуюся циркуляцию, обычно подвергается воздействию случайных внешних импульсов — по­рывов ветра, ударов волн, случайных изменений тяги движи­телей и т. п. Эти импульсы вызывают малые изменения (воз­мущения) значений первоначальных параметров, определяющих движение судна, а именно его скорости и, курсового угла φ, угла дрейфа при центре тяжести судна В₀ и угловой скорости враще­ния судна w.

Известно, что некоторые суда держатся на прямом курсе устойчиво и почти не требуют перекладок руля, тогда как другие суда подвержены рыскливости и для удержания их на заданном курсе необходимо непрерывно маневрировать рулем. Поэтому при исследовании устойчивости движения судна при­нято различать теоретическую (автоматическую) и эксплуата­ционную устойчивость. Рассматривая условия теоретическом ус­тойчивости движения, исходят из предположения, что руль судна закреплен в данном положении. Эксплуатационная устойчивость рассматривается в условиях, когда судоводитель использует руль по своему усмотрению для удержания судна на данном курсе. Оценка теоретической устойчивости может быть произве­дена аналитическим путем; оценка эксплуатационной устойчи­вости требует проведения эксперимента.

В зависимости от того, как изменяется какой-либо из пере­численных выше параметров движения после прекращения воз­действия на него внешних импульсов, движение судна называют (в отношении данного параметра):

асимптотически устойчивым, если возмущение этого пара­метра с течением времени затухает до нуля и судно возвраща­ется к первоначальному режиму движения;

неасимптотически устойчивым, если с течением времени судно входит в другой режим движения, в котором данный па­раметр приобретает новое постоянное значение;

неустойчивым, если возмущение данного параметра с те­чением времени продолжает нарастать.

В отношении скорости v движение всех судов асимптотиче­ски устойчиво — при случайном кратковременном изменении по­лезной тяги гребных винтов с течением времени восстанавли­вается прежняя скорость движения.

По углу курса движение судна может быть либо неустойчи­вым, либо неасимптотически устойчивым, поскольку в природе не существует сил, способных автоматически, без перекладки руля, вернуть судно на заданный курс после его изменения в результате случайных возмущений. Поэтому о теоретической устойчивости движения судна целесообразно судить по харак­теру изменений угла дрейфа р₀ и угловой скорости со.

Рассмотрим судно, руль которого закреплен в диаметраль­ной плоскости, движущееся прямолинейной со скоростью v_x под курсовым углом φ (рис. 4.6). Пусть в результате случайного импульса, например налетевшего шквала ветра с правого борта, судно получило дополнительную скорость v_y, что привело к воз­никновению угла дрейфа β₀. Косое натекание потока на корпус с результирующей скоростью v вызовет прежде всего появление позиционной гидродинамической силы Y_поэ, а после приведения ее к центру тяжести судна ■— позиционного момента, называе­мого обычно в этом случае моментом зарыскивания М_зар, кото­рый будет стремиться повернуть судно по часовой стрелке с не­которой угловой скоростью со. Вращение судна при одновремен­ном его поступательном движении приведет к возникновению демпфирующей силы У_дем, демпфирующего момента М_дем, стре­мящегося уменьшить угол дрейфа, а также центробежной силы инерции У_цб

Характер дальнейшего движения судна зависит от соотно­шений его главных размерений и от формы подводного объема, определяющих значения возникших сил и моментов.

Судно может продолжать прямолинейное движение с нуле­вым углом дрейфа, но с изменившимся курсовым углом φ+Δφ , т. е. его движение будет асимптотически устойчивым по углу дрейфа и угловой скорости и неасимптотически устойчивым по курсовому углу. В этом случае в целом прямолинейное дви­жение судна следует считать теоретически устойчивым.

Иначе, как показано на рис. 4.6, судно может войти в цирку­ляцию, которая с течением времени приобретает установив­шийся характер, т. е. его движение будет неасимптотически устойчивым по углу дрейфа и угловой скорости, но неустойчи­вым по курсовому углу. В целом движение судна следует счи­тать в этом случае теоретически неустойчивым на прямом курсе.

Если судно обладает теоретической устойчивостью на пря­мом курсе, то его любое установившееся криволинейное дви­жение (с переложенным рулем) будет теоретически устойчивым. Судно, теоретически неустойчивое на прямом курсе, приобре­тает с течением времени теоретическую устойчивость движения, имея руль закрепленным в диаметральной плоскости, при опре­деленных значениях угла дрейфа и угловой скорости.

Диаграмма управляемости.Для полного представления о ма­невренных свойствах судна служит диаграмма управляемости, которая может быть построена расчетным способом либо путем обработки результатов модельного или натурного эксперимента (рис. 4.7). Диаграмма управляемости выражает графически за­висимость от, угла перекладки руля а угла дрейфа р₀ на уста­новившейся циркуляции или соответствующей ему безразмерной

угловой скорости циркуляции

Положительные зна­чения угла перекладки руля (на правый борт) откладываются на диа­грамме по оси абсцисс вправо. Им соответствуют положительные значения угла дрейфа и угловой скорости, отвечающие по­вороту судна по часовой стрелке.

Кривая 1 на рис. 4.7 характеризует поворотливость судна, обладающего теоретиче­ской устойчивостью движения, а кривая 2 — не обладающего теоретической устойчивостью прямолинейного движения. На ри­сунке показан общий характер этих кривых, ординаты которых, вообще говоря, не пропорциональны и поэтому зависимости β₀ = f(a)и ώ=f(а) не могут быть изображены одной кривой подобно диаграммам статической остойчивости M=f(а) и l= f(θ).

Характерной особенностью кривой 2 является наличие трех точек А, 0 и D, определяющих значения β₀ или со при нулевом угле перекладки руля а = 0.Точки А и D определяют устойчи­вое движение судна после самопроизвольного выхода на уста­новившуюся циркуляцию; точка 0 отвечает неустойчивому пря­молинейному движению судна с нулевым углом дрейфа. Точка В определяет так называемый критический угол а_кр, т. е. ми­нимальный угол, на который необходимо переложить руль на левый борт, чтобы выйти из правой циркуляции. При этом судно через некоторое время перейдет в левую циркуляцию с элементами β_0е и ώ_0е, определяемыми точкой Е на кривой. Аналогичное значение имеет точка С при левой циркуляции. Участок ВС кривой, проведенный на рисунке пунктиром, отве­чает области неустойчивого движения судна, в который его пря­мой курс можно обеспечить только периодической перекладкой руля с борта на борт на некоторые углы, лежащие в пределах углов ±а_Кр. Другими словами, в этой области может быть обес­печена только эксплуатационная устойчивость движения судна.

Эксплуатационная устойчивость движения судна считается обычно удовлетворительной, если для поддержания заданного курса приходится перекладывать руль с борта на борт не бо­лее 4—6 раз в минуту, а углы рыскания при этом не превос­ходят 2—3°.

Указатель литературы

1. Атлас диаграмм для расчета буксировочной мощности морских транс­портных судов. ОСТ 5. 0181—75. Изд. официальное, М.

2. Бакаев В. Г., Лаврентьев В. М. Расчет пути и времени разгона и тор­можения судна под действием гребного винта.— Труды ЦНИИМФ. Л., Мор­ской транспорт, 1955, вып. 1, т. 1.