Общие сведения об управляемости судов определения

Дисциплина «Управление судном» рассматривает задачи по управлению судном как объектом, движение которого осуществляется на границе двух сред: воды и воздуха. При этом судно испытывает соответственно гидро и аэродинамическое воздействия. В процессе управления движением судна необходимо учитывать: длину, ширину, форму и размеры подводной и надводной частей корпуса, характеристики основных и вспомогательных судовых средств управления. Необходимо учитывать сложный характер поведения судна под влиянием внешних факторов (волнение, течение, ветер, мелководье, реки и озера, каналы и т. п.), что делает процесс маневрирования очень сложным и напряженным.

Маневрирование – изменение направления движения и скорости судна под действием руля, движителей и других устройств для безопасного расхождения, при швартовных и якорных операциях и т.п.

Ходкость – способность судна преодолевать сопротивление воды и перемещаться с заданной скоростью под действием движителя.

Управляемость - способность судна двигаться по заданной траектории, т. е. менять направление движения в соответствии с действиями управляющего устройства, установленного на судне. Управляемость является качеством судна, зависящим от траектории его движения и от внешних условий (ветер, волнение, течение, глубина и ширина фарватера). Траектория может быть прямолинейной и криволинейной, поэтому различают такие качества как устойчивость на курсе и поворотливость.

Устойчивость на курсе - способность судна сохранять прямолинейное направление движения.

Поворотливость - способность судна изменять направление своего движения и описывать траекторию заданной кривизны.

Устойчивость на курсе и поворотливость находятся в противоречии друг с другом. Чем более устойчиво прямолинейное движение судна, тем труднее его повернуть, т. е. ухудшается поворотливость. Но с другой стороны, улучшение поворотливости судна затрудняет его движение в постоянном направлении: в этом случае удержание судна на курсе связано с напряженной работой рулевого или авторулевого и частой перекладкой руля. При проектировании судов стремятся найти оптимальное сочетание этих свойств.

Уравнения движения судна

Для решения задачи движения судна в горизонтальной плоскости необходимо знать силы и моменты, действующие на корпус судна и его средства управления. Они разделяются на три группы: движущие, внешние и реактивные.

Движущие силы : упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые средствами активного управления и т. п.

Внешние силы : силы давления ветра, волнения моря, течения. Эти силы, как правило, создают помехи при маневрировании.

Реактивные силы : силы и моменты, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внешних сил. Реактивные силы зависят от линейных и угловых скоростей и разделяются по своей природе на инерционные и неинерционные.

Инерционные силы и моменты, R_и , обусловлены инертностью судна и присоединенных масс жидкости. Они возникают только при наличии ускорений – линейного, углового, центростремительного. Инерционная сила всегда направлена в сторону, противоположную ускорению. При равномерном прямолинейном движении судна инерционные силы не возникают.

Неинерционные силы и моменты, R_в , обусловлены вязкостью забортной воды, т. е. являются гидродинамическими силами и моментами. Гидродинамические силы и моменты принято подразделять по характеру движения судна, при котором они возникают, на позиционные и демпфирующие.

Позиционные силы и моменты, R_n , действуют на судно при прямолинейном движении судна с углом дрейфа.

Демпфирующие силы и моменты, R_д , – добавочные силы и моменты, обусловленные вращением судна вокруг вертикальной оси.

Общие выражения для сил и моментов, действующих на корпус судна при его криволинейном движении записываются в виде:

При рассмотрении задач управляемости используется подвижная система координат, связанная с судном с началом в центре тяжести ЦТ. Положительные направления осей: X – в нос; Y – в правый борт; Z – вниз.

Положительный отсчет углов принимается по часовой стрелке, однако, за исключением в отношении угла перекладки руля δ , угла дрейфа β и курсового угла ветра (течения) КУ.

За положительное направление перекладки руля δ принимают перекладку, вызывающую циркуляцию по часовой стрелке, т. е. перекладку на правый борт (перо руля при этом перемещается против часовой стрелки).

За положительный угол дрейфа принимается угол β , при котором поток воды набегает со стороны левого борта и создает при этом положительную поперечную гидродинамическую силу на корпусе. Такой угол дрейфа возникает при правой циркуляции судна.

Общий случай движения судна описывается системой из трех дифференциальных уравнений: двух уравнений сил по продольной Х и поперечной Y осям и уравнения моментов вокруг вертикальной оси Z.

Эти выражения в упрощенном виде и в параметрах скорости V, угла дрейфа β и угловой скорости ω_z записываются в виде:

В этих системах:

m – масса судна;

R_x – продольная гидродинамическая сила на корпусе (сопротивление воды);

R_y – поперечная гидродинамическая сила на корпусе;

M_z – общий момент сил, приложенных к корпусу при криволинейном движении;

V – скорость судна;

β – угол дрейфа;

ω_z – угловая скорость судна относительно оси Z;

І_z – момент инерции судна относительно оси Z;

R_p – продольная составляющая силы действия воды на руль;

P – упор гребного винта;

X_A – продольная составляющая силы ветра;

Y_A – поперечная составляющая силы ветра;

M_A – момент силы ветра Y_A относительно оси Z;

F_цв – центробежная сила инерции;

Y_p – боковая сила руля, отклоненного от диаметральной плоскости ДП;

M_p – момент боковой силы руля относительно оси Z;

R_yв – поперечная гидродинамическая сила, приложенная к корпусу при его движении с углом дрейфа;

M_в – момент поперечной гидродинамической силы R_yв относительно оси Z;

λ₁₁ – присоединенная масса воды при движении судна по оси X ( λ₁₁ = md /2L);

λ₂₂ – присоединенная масса воды при движении судна по оси Y: ;

λ₂₆ – статический момент присоединенных масс воды;

λ₆₆ – момент инерции присоединенных масс воды: ;

L – длина судна;

B – ширина судна;

d – осадка судна.

Приведенные формулы для определения присоединенных масс по трем осям дают приближенные значения – более точно можно посчитать через коэффициенты присоединенных масс k₁₁, k₂₂, k₆₆, которые можно выбрать из графиков, приведенных в справочниках по теории корабля.

Определение сил и моментов осуществляется тремя способами: теоретическим, экспериментальным и расчетно-экспериментальным. Для практических расчетов силы и моменты, действующие на корпус, винт и руль, определяют по отдельности, вводя в результаты коэффициенты взаимодействия.