Оценка маневренных характеристик судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания и разработка метода выбора и расчета движительно-рулевого комплекса, обеспечивающего судну заданные маневренные характеристики

В рамках общей проблемы безопасности плавания судов проблема обеспечения их маневренных качеств представляет собой одну из наиболее важных и сложных.

По данным международной статистики навигационные аварии: столкновения, навалы, удары и посадки на мель, т. е. аварии, связанные с низкими маневренными качествами судов или с маневрированием, не соответствующим из-за этого навигационной обстановке, составляют на морском флоте более 2/3 от общего числа аварий. Из них столкновения судов составляют около 25%, т. е. около 15% от общего числа аварий. По данным статистического исследования, выполненного ЛИВ Том по материалам 2280 аварий и аварийных происшествий на флоте внутреннего и смешанного «река-море» плавания в Европейской части России за 20-летний период с 1970 по 1990 г. г. [55], навигационные аварии грузовых судов и толкаемых составов составили 95% от общего числа аварий и, в том числе, столкновения — 27%, удары и навалы — 54%, посадки на мель — 19%.

В то же время, не взирая на огромную роль маневренных качеств судов в обеспечении безопасности плавания и очевидную необходимость их регламентирования и обеспечения, до настоящего времени ни одно Классификационное общество из числа входящих в МАКО, кроме Российского Морского Регистра Судоходства, практически вообще не уделяло внимания маневренным качествам судов. Единственные попытки повлиять на маневренные качества судов содержатся только в Правилах Германского Ллойда и det Norske Veritas в виде нормативов для площади руля.

IMO занялась проблемой маневренных качеств судов лишь в 1968 г. после аварии супертанкера «Тоггу Canyon», вызвавшей огромные убытки и неисчислимые экологические последствия (Resolution 160. IMO A/ES lY. 1968.) И только в последние 10−12 лет IMO стала уделять внимание этой проблеме (Resolution 751А 1993), хотя и значительно меньшее, чем она того заслуживает.

Для того, чтобы проанализировать сегодняшнее состояние проблемы оценки, регламентирования и обеспечения маневренных качеств судов при их проектировании и наметить пути ее решения, необходимо прежде всего раскрыть объективные причины недостаточного участия 1М0, Классификационных обществ. Речного Регистра в решении этой проблемы.

В общем случае оценка, регламентирование и обеспечение при проектировании какого-либо качества любого изделия начинается с установления некоторых граничных, предельно допустимых или критических ситуаций, за пределами которых для рассматриваемого изделия наступают нежелательные последствия.

Применительно к судну в качестве таких нежелательных последствий, в первую очередь, выступает нарушение безопасности плавания, аварийные ситуации, аварии. Вследствие этого в основе оценки и регламентирования любого мореходного качества судна, обеспечивающего его безопасность, будь то плавучесть, остойчивость, прочность или любое иное, лежит анализ действительных или моделируемых критических, т. е. аварийных ситуаций. Такой подход позволяет установить причины возникновения опасности, ее симптомы, границы допустимых воздействий и реакций. Затем вводятся критерии, позволяющие численно оценить степень приближения данного качества к опасному пределу, и нормативы, обеспечивающие безопасность плавания. В качестве примера можно привести последовательность анализа.

U U U с" ситуации (действительной или моделируемой) при рассмотрении остойчивости судна (блок-схема рис.1).

Внешнее воздействие (ветер, волнение, пробоина и т. д.).

Судно, его состояние. Конструктивные особенности. Состояние нагрузки.

Реакция судна.

Критерии для оценки внешних воздействий.

Критерии для оценки реакции судна.

Нормативы внешнего воздействия.

Нормативы конструктивных особенностей и нагрузки.

Рис. 1 Блок-схема анализа остойчивости судна.

В основе оценки и регламентирования маневренных качеств судов также должен был бы лежать анализ обычных и критических ситуаций и реакции судна на те или иные внешние воздействия или внешние обстоятельства. Однако, в этом случае последовательность анализа, которая может быть представлена блок-схемой рис. 2, суш-ественно отличается от последовательности приведенного выше анализа остойчивости судна (блок-схема рис.1).

Внешние Реакция Судно, как Действия системы воздействия. судоводителя объект судно.

В нешняя управления судоводитель обстановка.

Рис. 2 Блок-схема анализа маневрирования судна.

Как видно из рис. 2, действия судоводителя при маневрировании судна, которые всегда носят индивидуальный, субъективный характер, вклиниваются между внешним воздействием и реакцией судна, вследствие чего выделить в реакции системы судно-судоводитель реакцию самого судна в общем случае оказывается сложно, а часто, и невозможно. В результате оказывается невозможной и прямая оценка маневренных качеств судна как объекта управления, их достаточности для обеспечения безопасности судна в рассматриваемой ситуации.

Положение усугубляется еще и тем, что на практике анализ маневрирования в той или иной и, особенно, в аварийной ситуации сводится, как правило, не к анализу свойств судна, их соответствия ситуации, а к анализу действий судоводителя, их' соответствия МППСС, Правилам плавания, хорошей морской или речной практике и т. д. и т. п. и, практически, никогда не содержит анализа собственно маневренных качеств судна. т-ч и о.

В качестве характерного примера такого подхода к анализу аварийной ситуации можно привести широко известное в мировой морской практике столкновение пассажирских лайнеров «Стокгольм» и «Андрея Дориа» 25 июля.

1956 года и гибель последнего. В расследовании гибели суперсовременного пассажирского лайнера участвовали лучшие морские эксперты мира. И все они искали причины аварии только в тех или иных действиях судоводителей. Маневренные качества обоих судов не рассматривались и их соответствие требованиям безопасности во внимание не принималось. т-ч и о.

В действительности же, в критической ситуации, когда расстояние между судами составляло около 2 миль, и «Стокгольм» шел на пересечение курса «Андреа Дорна», капитан «Андреа Дорна» был вынужден отказаться от реверса, понимая его бесполезность. Путь выбега его судна при экстренном торможении составлял не менее трех миль т. е. 35(!) длин судна (почти в 2,5 раза больше существующего норматива «Interim Standards» IMO). Можно полагать, что если бы путь выбега «Андреа Дориа» хотя бы удовлетворял нормативу «Interim Standards» (15 длин судна), который и без того считается излишне либеральным, то столкновения можно было бы избежать или его последствия могли бы быть не такими ужасными.

Тем не менее, как и в большинстве подобных случаев, анализ маневренных качеств судна, их соответствия требованиям безопасности, их роли в данной ситуации не производился.

Такое отношение к роли маневренных качеств в обеспечении безопасности плавания судов свойственно широким судоводительским кругам.

Так, в известной монографии А. Б. Юдовича «Предотвращение навигационных аварий морских судов» [95] перечислены 10 возможных причин столкновений судов:

— различная интерпретация ситуации на встречных курсах,.

— ошибочная оценка ситуации и вероятных действий другого судна,.

— нарушения при обгоне,.

— чрезмерная скорость в стесненных условиях,.

— нарушения при плавании в узкостях,.

— неудовлетворительное наблюдение,.

— запоздалый маневр.

— неиспользование или неправильное использование РЛС,.

— неучет или ошибочная оценка гидрометеорологических условий,.

— столкновения из-за выхода из строя рулевого устройства.

Как не трудно заметить, плохие маневренные качества судов в этом перечне причин столкновений вообще не фигурируют.

В то же время в исследовании Nobukava [105], построенном по данным Японской Ассоциации морских лоцманов, и послужившем затем основой IMO «Interim Standards for Ship Manoeuvrability» (Резолюция IMO A-751, 1993) плохая управляемость рассматривается как один из основных факторов, делающих судно объективно опасным для других судов.

Выходом из сложившегося противоречия, связанного с невозможностью разделить в реальной системе последствия поведения человека-оператора и поведения судна как объекта управления, может быть только формализация процесса маневрирования судна, исключающая из рассмотрения субъективные действия судоводителя.

В этом случае блок-схема построения системы регламентирования маневренных качеств судов могла бы быть представлена в виде:

Формализованные внешние воздействия и внешняя обстановка.

Формализованное управление, исключающее субъективные действия.

Реакция судна.

Критерии реакции судна.

Нормативы.

Рис. 3. Блок-схема анализа маневренных качеств судов.

Предлагаемая схема носит общий характер и каждый из ее блоков нуждается в детальной проработке применительно к каждой конкретной ситуации, к каждому конкретному случаю маневрирования судна. Наибольшие трудности в этой схеме регламентирования и обеспечения маневренных качеств судов представляют формализация внешних воздействий, внешней обстановки и управления.

Основной задачей диссертационной работы являлась попытка найти решение задачи обеспечения безопасности плавания судов в рамках второго, третьего и четвертого блоков, задавая определенные виды управления, исследуя реакцию судна на эти управления и выбирая наиболее рациональные критерии для оценки реакции судна на задаваемые управления.

Проблема формализации внешних воздействий на судно и внешней обстановки, равно как и проблема назначения нормативов, в диссертации не рассматривалась.

Исследованию проблем управляемости судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания посвяш, ено большое число работ отечественных и зарубежных ученых, одно перечисление имен которых заняло бы несколько страниц. Здесь необходимо упомянуть вклад в эту область науки А. М. Басина, А. В. Васильева, А. Д. Гофмана, С. Б. Ольшамовского, В. Г. Павленко, Р. Я. Першица, Л. М. Рыжова, Е. Б. Юдина, M. Hirano, S. Inoue, H. Schmidt-Stiebitz и других.

Главной проблемой теории управляемости судов и, особенно, судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания сегодня остается разработка методов оценки управляемости, создание критериев, определяющих отдельные маневренные характеристики и методов их расчета, нормирование управляемости как мореходного качества, обусловливающего безопасность плавания судов.

Диссертационная работа посвящена решению ряда вопросов этой проблемы, причем основное внимание в ней уделено разработке методов оценки управляемости, выбора и расчета ее критериев.

Основные задачи и этапы исследования.

• Выбор концепции регламентирования и обеспечения маневренных качеств судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания.

• Анализ существующих способов обеспечения маневренных качеств судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания при их проектировании.

• Разработка принципов построения метода выбора и расчета движительно-рулевого комплекса, обеспечивающего судну заданные маневренные качества. Построение статических корпусных диаграмм судов.

• Исследование регламентируемых маневренных качеств судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания, определяемых параметрами их статических характеристик.

• Обоснование выбора группы динамических характеристик управляемости судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания.

• Исследование начальной поворотливости судна и разработка численного критерия для ее оценки.

• Исследование процесса экстренного одерживания поворота судна. Выбор определяющего маневра и основных критериев для его оценки.

• Определение понятия эксплуатационной устойчивости, как свойства судна. Статистическое исследование представлений судоводителей об эксплуатационной устойчивости судна. Анализ вариантов управления неустойчивым судном при удержании его на заданном курсе. Разработка.

II II ос" эталонного управления для оценки эксплуатационной устойчивости судов. Разработка метода оценки эксплуатационной устойчивости судна.

• Исследование особенностей управляемости судна на заднем ходу. Анализ динамики управляемого движения судна на заднем ходу. Определение границ частичной управляемости при уклонении судна от заданного курса и возможности удержания судна на заданном курсе на заднем ходу. Разработка метода оценки управляемости на заднем ходу.

• Исследование гидродинамических характеристик движительно-рулевых комплексов (ДРК) судов внутреннего и смешанного плавания. Анализ особенностей систем ДРК и областей их применения. Выбор форм представления гидродинамических характеристик ДРК применительно к исследованию маневренных качеств судов. Экспериментальное исследование гидродинамических характеристик ДРК новых типов и использование их результатов для оценки маневренных характеристик судов.

• Разработка проекта нового раздела «Маневренность» Правил Российского Речного Регистра.

Методы исследования:

Решение рассмотренных в диссертации задач осугцествлялось с использованием:

• математического моделирования движения судна;

• исследования динамических систем на плоскости;

• статистического анализа;

• методов решения систем нелинейных дифференциальных уравнений;

• материалов натурных испытаний управляемости судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания.

Научная новизна:

В диссертационной работе разработан новый подход к обеспечению маневренных качеств судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания при их проектировании, основанный на применении системы статических корпусных характеристик и исследовании динамических процессов маневрирования судов. Новые результаты, полученные в диссертации включают:

• метод прямого проектирования движительно-рулевого комплекса, обеспечивающего проектируемому судну регламентируемые маневренные качества, определяемые параметрами статических характеристик судна. разработку метода построения обобщенных статических корпусных диаграмм судов. выбор группы динамических характеристик для оценки управляемости судов внутреннего и смешанного «река-море» плаванияразработку критерия для оценки начальной поворотливости суднаразработку основных критериев для оценки экстренного одерживания поворота судна и метода их расчетного определенияопределение понятия эксплуатационной устойчивости, как свойства суднастатистический анализ представлений судоводителей об эксплуатационной устойчивости суднаанализ вариантов управления судном при удержании его на заданном курсеразработка «эталонного» управления для оценки эксплуатационной устойчивости суднаразработка метода оценки и обеспечения эксплуатационной устойчивости при проектировании суднаисследование динамики управляемого движения судна на заднем ходу, определение границ частичной управляемости и возможности удержания судна на заданном курсе. разработку проекта нового раздела «Маневренность» Правил Российского Речного Регистра.

Практическая ценность диссертационной работы заключается: в разработке новых методов оценки статических и динамических характеристик управляемости судов внутреннего и смешанного плаванияв разработке нового метода выбора и расчета движительно-рулевого комплекса, обеспечивающего судну внутреннего или смешанного плавания регламентируемые характеристики управляемостив подготовке нового раздела «Маневренность» Правил Речного Регистра. Реализация результатов работы:

Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы в новом разделе «Маневренность» Правил Российского Речного Регистрав проекте ДРК большой серии новых судов пр. 1 010. Достоверность научных результатов определяется:

• использованием современных методов математического моделирования движения судна;

• корректным использованием методов статистического анализа;

• широким привлечением материалов натурных испытаний судов;

• проведением экспериментальных исследований движительно-рулевых комплексов в аэродинамической трубе СГТГУВК;

На защиту выносятся:

• метод прямого проектирования движительно-рулевого комплекса, обеспечивающего проектируемому судну регламентируемые маневренные качества, определяемые параметрами статических характеристик судна;

• методы оценки динамических характеристик управляемости судов внутреннего и смешанного плавания: начальной поворотливости, способности к экстренному одерживанию поворота, эксплуатационной устойчивости, управляемости на заднем ходу;

• предложения по расчету и нормированию маневренных характеристик судов внутреннего и смешанного плавания, включенные в проект нового раздела «Маневренность» Правил Российского Речного Регистра. Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работе докладывались и получили положительную оценку;

• на международном симпозиуме SP-2001 (International Symposium on Ship Propulsion, S-Petersburg, June 2001);

• на международной конференции Gydronav-2001, Poland, Szczecin, 2001;

• на научно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава СПГУВК в 1997;1999 годах (С-Петербург);

Публикации:

Основное содержание диссертации отражено в 8 публикациях. Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка и приложений.

Основные результаты диссертационной работы:

1.Предложен метод прямого выбора и расчета движительно-рулевого комплекса, обеспечивающего судну регламентируемые маневренные характеристики, рассматриваемые как статические — поворотливость, устойчивость на курсе и управляемость при ходе по инерции. Разработаны обобщенные диаграммы для выбора типа и параметров оптимального движительно-рулевого комплекса судов внутреннего и смешанного плавания.

2.Вьшолнено исследование начальной динамической реакции судна на перекладку руля. Предложен численный критерий для оценки начальной поворотливости.

3.Определено понятие экстренного одерживания поворота судна и определены его параметры. Выполнено исследование динамики процесса одерживания поворота. Предложен способ расчета процесса одерживания поворота судна. Разработан критерий для оценки способности судна к экстренному сдерживанию поворота.

4. Определено понятие и выделены основные параметры, характеризующие эксплуатационную устойчивость судна. Предложен эталонный вариант управления, обеспечивающий сравнительную оценку эксплуатационной устойчивости судов. Разработан метод оценки эксплуатационной устойчивости судна.

5.Выполнено исследование особенностей управляемого движения судна на заднем ходу. Выявлены основные причины плохой управляемости судов на заднем ходу. Рассмотрены варианты полной и частичной управляемости судна. Разработаны методики определения границ частичной управляемости судна на заднем ходу. Предложен способ проверки возможности удержания судна на заданном курсе при движении задним ходом.

Заключение

.