ДИАГРАММА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПАСНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ СУДНА В ШТОРМОВОМ МОРЕ
Авторы:
1.
Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова
2.
Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова
3.
Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова
(д-р техн. наук, доцент; профессор кафедры маневрирования и управления судном)
Тип:
Статья
Страницы:
с 22
по 27
Статус:
Опубликован
Получено:
20.05.2018
Одобрено:
25.05.2018
Опубликовано:
25.05.2018
Классификаторы:
УДК 656.61.052
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
штормовое плавание, опасные явления при качке, качка судна, основной и параметрический резонансы
Аннотация (русский):
Одним из наиболее серьезных факторов, влияющих на безопасность судна в штормовых условиях плавания, является воздействие волн. В настоящее время нормативные требования к мореходным качествам судна, которые обеспечивают безопасность при возможном развитии резонансной качки, повышении вероятности брочинга, слеминга, параметрического резонанса, отсутствуют. Существующие 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. К наиболее известным диаграммам можно отнести штормовые диаграммы Ю. В. Ремеза и А. И. Богданова. Следует признать, что «ручное» использование диаграмм Ю. В. Ремеза и особенно А. И. Богданова в реальных условиях штормового плавания существенно затруднено: судоводитель должен выполнять расчёты и графические построения, производить интерполяцию между линиями диаграмм. Используемые на некоторых судах автоматизированные системы контроля мореходности решают эту задачу, однако высокая стоимость таких систем ограничивает возможность их применения. На основе диаграмм Ю. В. Ремеза и А. И. Богданова разработана и предложена диаграмма опасных явлений, выполненная путём расчётов в общедоступной программе Excel. Разработанная диаграмма одинаково применима для неограниченной и ограниченной глубины дна. Программа Excel автоматически рассчитывает и выносит на диаграмму зоны основного резонанса бортовой, килевой и вертикальной качки, а также параметрического резонанса с учётом размерений судна, его посадки и остойчивости, параметров волнения. Предложенная диаграмма также позволяет спрогнозировать появление резонанса при выходе судна на новый курс. Внедрение данной диаграммы на суда не представляется сложным, т. к. данные, необходимые для работы программы, можно получить в судовых условиях. Программа Excel, в которой разработана диаграмма, входит в стандартный пакет Microsoft Office, устанавливаемый на бортовых компьютерах всех судов.
Одним из наиболее серьезных факторов, влияющих на безопасность судна в штормовых условиях плавания, является воздействие волн. В настоящее время нормативные требования к мореходным качествам судна, которые обеспечивают безопасность при возможном развитии резонансной качки, повышении вероятности брочинга, слеминга, параметрического резонанса, отсутствуют. Существующие 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. К наиболее известным диаграммам можно отнести штормовые диаграммы Ю. В. Ремеза и А. И. Богданова. Следует признать, что «ручное» использование диаграмм Ю. В. Ремеза и особенно А. И. Богданова в реальных условиях штормового плавания существенно затруднено: судоводитель должен выполнять расчёты и графические построения, производить интерполяцию между линиями диаграмм. Используемые на некоторых судах автоматизированные системы контроля мореходности решают эту задачу, однако высокая стоимость таких систем ограничивает возможность их применения. На основе диаграмм Ю. В. Ремеза и А. И. Богданова разработана и предложена диаграмма опасных явлений, выполненная путём расчётов в общедоступной программе Excel. Разработанная диаграмма одинаково применима для неограниченной и ограниченной глубины дна. Программа Excel автоматически рассчитывает и выносит на диаграмму зоны основного резонанса бортовой, килевой и вертикальной качки, а также параметрического резонанса с учётом размерений судна, его посадки и остойчивости, параметров волнения. Предложенная диаграмма также позволяет спрогнозировать появление резонанса при выходе судна на новый курс. Внедрение данной диаграммы на суда не представляется сложным, т. к. данные, необходимые для работы программы, можно получить в судовых условиях. Программа Excel, в которой разработана диаграмма, входит в стандартный пакет Microsoft Office, устанавливаемый на бортовых компьютерах всех судов.
Ключевые слова:
штормовое плавание, опасные явления при качке, качка судна, основной и параметрический резонансы
штормовое плавание, опасные явления при качке, качка судна, основной и параметрический резонансы
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. Eршов А. А. Некоторые аварии и катастрофы отечественных и иностранных судов. Saarbrucken, Deutschland: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 196 с.
2. Липис В. Б., Ремез Ю. В. Безопасные режимы штормового плавания судов. М.: Транспорт, 1982. 117 с.
3. Ершов А. А., Теренчук А. В. Совершенствование методов обеспечения безопасности штормового плавания судов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2015. № 3. С. 7-13.
4. Вагущенко Л. Л., Вагущенко А. Л., Заичко С. И. Бортовые автоматизированные системы контроля мореходности. Одесса: Феникс, 2005. 272 с.
5. Правила классификации и постройки морских судов 2018 // Российский Морской Регистр Судоходства Ч. IV. Остойчивость. С. 16. URL: http://www.rs-class.org/ru/register/publications/list.php. (дата обращения: 05.01.2018).
6. Ершов А. А., Теренчук А. В. Практический способ определения параметрического резонанса по бортовой качке судна // Вестн. Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адмирала С. О. Макарова. 2015. № 5 (33). C. 18-25.
7. Единая государственная система информации об обстановке в Мировом океане. Оперативный модуль ЕСИМО. Оперативная информация о состоянии Мирового океана: URL: http://hmc.meteorf.ru/sea (дата обращения: 17.12.2017).
