Управляемость

Управляемость судна характеризуется двумя диаметрально противоположными мореходными качествами: устойчивостью на курсе и поворотливостью (в подавляющем большинстве случаев улучшение одного из этих качеств приводит к ухудшению другого, так что при проектировании приходится решать задачу, как в данном конкретном случае совместить эти противоречивые требования). Устойчивость на курсе - это способность судна сохранять заданное направление движения, а поворотливость - способность изменять направление движения требуемым образом за достаточно короткое время. Управляемость влияет на безопасность плавания судна в сложных навигационных условиях: в портах, проливах, при расхождениях судов и т.п.

Теория управляемости судов появилась сравнительно недавно, около 50 лет назад, если не считать более ранние работы, начиная с Л. Эйлера (1778 г.), которые не могли служить основой практических расчетов.

Управляемость большинства судов обеспечивается рулевым устройством: поворотом (перекладкой) пера руля в одну или другую сторону судно заставляют двигаться по нужной траектории.

Суда, как правило, не обладают автоматической устойчивостью на курсе: если перо руля закрепить в ДП, судно будет двигаться не по прямой, как логично было бы предположить, а по окружности определенного диаметра, т.е. совершать циркуляцию.

Средства управления судном работают в тесном взаимодействии с судовыми движителями, поэтому нередко говорят о движительно-рулевых комплексах (ДРК). Средства управления бывают весьма разнообразными. Их можно подразделить на главные, для использования которых необходима работа главных двигателей судна, вспомогательные, дополняющие работу главных и приводящиеся в действие собственными вспомогательными двигателями, и ограничивающие, которые служат для ограничения перемещений судна или его стабилизации в определенном положении.

Не рассматривая подробно классификацию средств управления судами, ограничимся основными моментами.

Судно может управляться основными движителями, например, крыльчатыми, способными создавать упор любого направления, водометными движителями, имеющими несколько каналов или поворотные сопла, парусами, винтами многовинтового судна (например, когда винт одного борта работает на передний ход, а другого - на задний) или в поворотных насадках. Эффективность обычного руля, расположенного за гребным винтом, повышается благодаря тому, что винт увеличивает скорость обтекания руля и, следовательно, усилия, возникающие на нем.

Особые требования предъявляются к управляемости судов внутреннего плавания, где средства управления наиболее разнообразны. На них применяются, например, многоперьевые рулевые комплексы, роторные рулевые устройства (с вращающимися вокруг вертикальной оси цилиндрами, расположенными в потоке за винтом), реверсивно-рулевые устройства водометных судов и др. Применяются поворотные винтовые колонки, которые могут поворачиваться на угол 360⁰.

Вспомогательные средства управления включают активные рули, которые снабжены небольшим гребным винтом и могут поворачиваться на угол, значительно больший, чем обычный руль (70 - 90⁰ вместо 30 - 35⁰); подруливающие устройства, чаще всего носовые, в виде винта в трубе; носовые рули, в том числе опускающиеся; силовые приставки - автономные плавучие движительно-рулевые агрегаты; изгибающие устройства для толкаемых составов при движении по узким рекам с крутыми поворотами; буксирные устройства.

Ограничивающие средства управления включают тормозные и якорно-швартовные устройства, а также системы позиционирования. Тормозные устройства служат для быстрой остановки толкаемых составов или крупнотоннажных судов. Увеличение сопротивления воды достигается за счет опускающихся тормозных щитов, раскрывания створок бульба и т.п. Системы позиционирования широко используются, например, для удержания плавучих буровых установок на точке бурения и могут включать якорные цепи, подруливающие устройства и др.

Рассмотрим вкратце, как работает руль на судне.

Пусть судно движется равномерно и прямолинейно, и в некоторый момент времени его руль перекладывается на правый борт. На перо руля будет набегать поток воды под некоторым углом атаки, в результате чего появится боковая сила, направленная влево, и дополнительное сопротивление. Боковая сила (сила дрейфа) вызовет перемещение ЦТ судна влево и разворот кормы в том же направлении (по часовой стрелке, если смотреть сверху), а скорость движения начнет падать. В результате разворота судна на корпусе, как на крыле, также появятся сила дрейфа, точка приложения которой смещена в нос от миделя, уже направленная вправо, и сила сопротивления. Теперь судно продолжит разворот, а ЦТ станет смещаться вправо. Постепенно судно выйдет на круговую траекторию (установившуюся циркуляцию), причем нос его будет развернут внутрь, т.е. судно будет двигаться с углом дрейфа. Процесс разворота судна и траекторию движения его ЦТ называют циркуляцией. Очень важная характеристика - диаметр циркуляции, который обычно измеряется в длинах корпуса и у разных судов при максимальном угле перекладки руля составляет 3 - 5 длин, в отдельных случаях - до 1,5 или 6 длин.

На циркуляции судно снижает скорость (примерно на 20 - 30 %) из-за появления дополнительного сопротивления и получает крен, направленный наружу, под действием центробежной силы, приложенной в ЦТ, и гидродинамических сил, действующих на подводную часть корпуса. Угол крена обычно невелик и редко превышает 2⁰.

Разработаны методы определения сил, действующих на перо руля и на корпус судна на циркуляции. Эти расчеты нужны не только для определения характеристик управляемости, но и для расчета рулевого привода (определения необходимой его мощности и прочности).