DIAGRAM FOR DETERMINING DANGEROUS ZONES WHEN SAILING IN HEAVY WEATHER
Authors:
1.
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
2.
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
3.
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
(Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department of Maneuvering and Ship Control)
Type:
Article
Pages:
from 22
to 27
Status:
Published
Received:
20.05.2018
Accepted:
25.05.2018
Published:
25.05.2018
Subject area:
UDK 656.61.052
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
navigation in heavy weather, dangerous phenomena during rolling, rolling of the ship, heaving, main and parametric resonance
Abstract (English):
One of the most serious factors which influences the safety of a ship in heavy weather is wave impact. Nowadays, there are no seakeeping regulations which provide safety of a ship when there is possibility of resonance rolling, broaching, slamming, parametric resonance. Current Russian Instructions for Watch keeping give general recommendations about ship handling in heavy weather. These Instructions order the navigators to use storm charts. The most popular diagrams are the storm charts by U. V. Remez and A. I. Bogdanov. It should be mentioned that it is quite difficult to use Remez and Bogdanov’s storm charts manually in stormy weather: a watch keeper has to make calculations, manual plotting, interpolations between lines of the chart. Some vessels use integrated automatic seakeeping systems which are capable to solve this task, but high price of such systems limits the possibility of their use. The article presents a chart of dangerous phenomena based on Yu.V.Remez and A.I.Bogdanov’s charts and available in Excel program. The chart is applicable both for deep water and for shallow water. Excel program automatically calculates and displays on the chart zones of main rolling, pitching and vertical resonance, as well as parametric resonance taking into account ship’s dimensions, draft, stability, state of sea. Besides, the program allows forecasting resonance when ship changes the course. Bringing the chart in is not difficult as all the data necessary for the program can be obtained on board a ship. Excel program is available on board of all ships.
One of the most serious factors which influences the safety of a ship in heavy weather is wave impact. Nowadays, there are no seakeeping regulations which provide safety of a ship when there is possibility of resonance rolling, broaching, slamming, parametric resonance. Current Russian Instructions for Watch keeping give general recommendations about ship handling in heavy weather. These Instructions order the navigators to use storm charts. The most popular diagrams are the storm charts by U. V. Remez and A. I. Bogdanov. It should be mentioned that it is quite difficult to use Remez and Bogdanov’s storm charts manually in stormy weather: a watch keeper has to make calculations, manual plotting, interpolations between lines of the chart. Some vessels use integrated automatic seakeeping systems which are capable to solve this task, but high price of such systems limits the possibility of their use. The article presents a chart of dangerous phenomena based on Yu.V.Remez and A.I.Bogdanov’s charts and available in Excel program. The chart is applicable both for deep water and for shallow water. Excel program automatically calculates and displays on the chart zones of main rolling, pitching and vertical resonance, as well as parametric resonance taking into account ship’s dimensions, draft, stability, state of sea. Besides, the program allows forecasting resonance when ship changes the course. Bringing the chart in is not difficult as all the data necessary for the program can be obtained on board a ship. Excel program is available on board of all ships.
Keywords:
navigation in heavy weather, dangerous phenomena during rolling, rolling of the ship, heaving, main and parametric resonance
navigation in heavy weather, dangerous phenomena during rolling, rolling of the ship, heaving, main and parametric resonance
Плавание в море всегда представляло и представляет опасность для судна и экипажа по причине сложных условий эксплуатации, в которых находится судно: воздействие ветра, волн, течения, льдов, атмосферных осадков. Нередко происходят аварии и катастрофы. Так, в 2008 г. балкер «Fedra» выбросило на скалы в проливе Гибралтар в условиях штормовой погоды из-за отказа двигателя. В 2011 г. погибло речное судно «Булгария», в 2012 г. произошло опрокидывание лайнера «Costa Concordia», в 2014 г. опрокинулся паром «Sewol» [1]. Чтобы помочь судоводителю управлять судном на волнении, с середины XX века учёные начали разрабатывать штормовые диаграммы. Различные варианты штормовых диаграмм были предложены такими учёными, как В. Г. Власов, С. Н. Благовещенский, Л. М. Ногид, В. Б. Липис, Ю. В. Ремез [2]. Однако применение этих диаграмм не очень удобно для судоводителей по причине необходимости выполнять построения и вычисления вручную. Существуют автоматизированные системы контроля мореходности (OCTOPUS-DSS, HULLMOS, VOSS и др.), которые решают эту задачу. Однако внедрение этих систем требует больших финансовых вложений, поэтому возможность их применения ограничена. В условиях ограниченного финансирования одним из эффективных решений задачи обеспечения безопасности судна на волнении может быть создание электронной штормовой диаграммы, сходной по принципу использования со штормовой диаграммой Ю. В. Ремеза [3]. Целью данного исследования была разработка данной диаграммы в программе Excel. Общие подходы к построению диаграммы В настоящее время отсутствуют нормативные требования к мореходным качествам судна, которые обеспечивают его безопасность при любом состоянии моря и любой погоде. Рекомендации по организации штурманской службы на судах (РШС-89) представляют собой общие правила управления судном в шторм. Ими, в частности, предписывается использование судоводителем штормовых диаграмм. Штормовая диаграмма позволяет определить опасные для судна зоны по основному резонансу бортовой, вертикальной и килевой качки и по параметрическому резонансу. Основной резонанс возникает при совпадении периодов собственных бортовых, килевых, вертикальных колебаний судна τθΨζ с кажущимся периодом волны τкаж [2, 4]. Собственные периоды качки судна оценивают приближенным расчётом по «капитанским» формулам: - для вертикальной качки - для килевой качки - для бортовой качки где d - средняя осадка судна, м; В - ширина судна, м; С - так называемый «инерционный коэффициент»; h - исправленная поперечная метацентрическая высота с учётом переливания жидких грузов и запасов, м. Величина «инерционного коэффициента» может быть определена в соответствии с рекомендациями Российского морского регистра судоходства [5] как где Lwl - длина судна по ватерлинии, м. Кажущийся период волн вычисляется по формуле где H - глубина моря, м; l - длина волны, м; Vc - скорость судна, уз; q - курсовой угол волнения, град. Усиление бортовой, килевой и вертикальной качки вблизи резонанса наблюдается в довольно широком диапазоне значений кажущегося периода волнения: Явление параметрического резонанса наблюдается, когда кажущийся период волнения близок к половине периода собственных бортовых колебаний судна [4]: Считается, что наиболее подвержены риску параметрического резонанса суда, соотношение длины корпуса которых с длиной волны лежит в пределах Параметрический резонанс опасен для судна, т. к. он вызывает бортовую качку с возрастающей амплитудой вплоть до опрокидывания [6]. Оценка результатов работы В результате произведённых расчётов была создана штормовая диаграмма в электронном виде. Правила использования штормовой диаграммы Ввод данных. Для построения графиков резонансных зон в штормовой диаграмме необходимо ввести следующие данные: параметры судна: длина по конструктивной ватерлинии - Lк.вл, м; ширина наибольшая - B, м; осадка средняя - d, м; исправленная поперечная метацентрическая высота - h, м; скорость судна - Vc, уз; параметры волнения: курсовой угол волны - qв, град; длина волны - λ, м; глубина моря - H, м. Ячейки, отмеченные тёмным цветом - это динамические значения, которые изменяются в процессе рейса (рис. 1, 2). Исправленная поперечная метацентрическая высота и средняя осадка определяются с помощью бортового грузового компьютера. Курсовой угол волны определяется судовым пеленгатором. Длина волны определяется визуально (сравнением расстояния между вершинами волн в направлении бега волн и длиной судна) путём измерения среднего расстояния между гребнями волн на экране судового радара (расстояние между эхо-сигналами от гребней волн) или с помощью сайта Единой государственной системы информации об обстановке в Мировом океане [7]. Глубина моря определяется по эхолоту или по карте. Белые ячейки содержат либо постоянные значения, либо значения, вычисляемые автоматически. При первом использовании электронной штромовой диаграммы необходимо ввести данные о длине и ширине судна (рис. 1). Рис. 1. Штормовая диаграмма. Балластный переход судна: 1 - зона резонанса бортовой качки; 2 - зона резонанса килевой качки; 3 - зона резонанса вертикальной качки Графическое представление о текущей скорости судна и курсовом угле волнения на диаграмме даёт подвижная чёрная ромбовидная точка. В центре диаграммы расположено судно, через диаметральную плоскость которого будет проходить линия 0-180°. Пример решения практических задач с помощью диаграммы Пример 1. Газовоз осуществляет балластный переход через Атлантику в порт погрузки. В районе плавания после прохождения шторма наблюдается зыбь с длиной волны 100 м. Характеристики газовоза: длина по расчётной ватерлинии 275 м, наибольшая ширина 44,2 м, средняя осадка 9,2 м, исправленная поперечная метацентрическая высота 10,4 м. Судно идёт со скоростью 15 уз. Курсовой угол волнения qв = 0°. Глубина моря 800 м. Необходимо определить, находится ли судно в резонансной зоне, а также ответить на вопрос: есть ли возможность выйти из резонансной зоны с помощью изменения курса и скорости судна. После ввода значений в ячейки, выделенные тёмным цветом, и нажатия Enter на монитор выводится текущий график резонансных зон. На диаграмме видно, что судно находится вне зон резонанса, плавание не представляет опасности. Судно подходит к поворотной точке. Новый курсовой угол волны на следующем курсе будет равен 335°. Степень безопасности плавания на новом курсе можно оценить следующим образом: судно будет находиться в зоне основного резонанса вертикальной качки, поэтому экипажу необходимо вести визуальное наблюдение за поведением судна на волне, а также следить за изменением остойчивости судна с помощью грузового компьютера (рис. 1). Пример 2. Газовоз, находящийся в грузу, осуществляет переход через Атлантику. В районе плавания после прохождения шторма наблюдается зыбь с длиной волны 170 м. Характеристики газовоза: длина по расчётной ватерлинии 275 м, наибольшая ширина 44,2 м, средняя осадка 10,2 м, исправленная метацентрическая высота 4,1 м. Судно идет со скоростью 15 уз. Курсовой угол волнения равен 045°. Глубина моря 800 м. Судно испытывает усиленную килевую и бортовую качку. Необходимо определить, находится ли судно в резонансной зоне, если да, то в какой, и есть ли возможность выйти из резонансной зоны с помощью изменения курса и скорости судна. Вводим значения в ячейки, выделенные тёмным цветом, нажимаем Enter и получаем текущий график резонансных зон. На диаграмме видно, что судно находится в зонах основного резонанса килевой и вертикальной качки, а также в зоне параметрической качки. Для выхода из зоны усиленной качки необходимо изменить курс влево на 10°. Судно подходит к поворотной точке. Новый курсовой угол волны на следующем курсе будет равен 70°. Нужно определить степень безопасности плавания на новом курсе. Ответ: судно будет находиться в зоне основного резонанса вертикальной качки, поэтому экипажу необходимо вести визуальное наблюдение за поведением судна на волне, а также следить за изменением остойчивости судна с помощью бортового компьютера (рис. 2). Рис. 2. Штормовая диаграмма. Судно в грузу: 1 - зона резонанса бортовой качки; 2 - зона резонанса килевой качки; 3 - зона резонанса вертикальной качки; 4 - зона параметрического резонанса Следует отметить, что в некоторых секторах две или три резонансные зоны накладываются друг на друга. Эти зоны наиболее опасны для судна. Заключение Преимущества новой штормовой диаграммы заключаются в минимизации действий оператора для получения информации, связанной с опасными явлениями. Программа Excel, в которой разработана диаграмма, входит в стандартный пакет Microsoft Office, устанавливаемый на бортовых компьютерах всех судов. Благодаря удобному интерфейсу судоводитель может быстро определить пути выхода судна из неблагоприятных зон, спрогнозировать появление опасных явлений при смене курса или скорости. Разработанные диаграммы применимы как для глубокой, так и для мелкой воды. Диаграмма учитывает индивидуальные особенности судна. Информация об опасных зонах плавания, полученная на основе прогнозов погоды, может быть использована при планировании перехода судна. Диаграмма построена для отображения основных резонансных зон бортовой, килевой и вертикальной качки судна, а также параметрического резонанса. Диаграмма не позволяет оценить количественно амплитуду качки судна. Для этого потребовалось бы произвести расчёт качки. Усовершенствование диаграммы планируется путём добавления учёта таких опасных явлений при качке, как слеминг, слеппинг и др.
1. Ershov A. A. Nekotorye avarii i katastrofy otechestvennyh i inostrannyh sudov. Saarbrucken, Deutschland: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 196 s.
2. Lipis V. B., Remez Yu. V. Bezopasnye rezhimy shtormovogo plavaniya sudov. M.: Transport, 1982. 117 s.
3. Ershov A. A., Terenchuk A. V. Sovershenstvovanie metodov obespecheniya bezopasnosti shtormovogo plavaniya sudov // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2015. № 3. S. 7-13.
4. Vaguschenko L. L., Vaguschenko A. L., Zaichko S. I. Bortovye avtomatizirovannye sistemy kontrolya morehodnosti. Odessa: Feniks, 2005. 272 s.
5. Pravila klassifikacii i postroyki morskih sudov 2018 // Rossiyskiy Morskoy Registr Sudohodstva Ch. IV. Ostoychivost'. S. 16. URL: http://www.rs-class.org/ru/register/publications/list.php. (data obrascheniya: 05.01.2018).
6. Ershov A. A., Terenchuk A. V. Prakticheskiy sposob opredeleniya parametricheskogo rezonansa po bortovoy kachke sudna // Vestn. Gos. un-ta mor. i rech. flota im. admirala S. O. Makarova. 2015. № 5 (33). C. 18-25.
7. Edinaya gosudarstvennaya sistema informacii ob obstanovke v Mirovom okeane. Operativnyy modul' ESIMO. Operativnaya informaciya o sostoyanii Mirovogo okeana: URL: http://hmc.meteorf.ru/sea (data obrascheniya: 17.12.2017).
