Управление судном на криволинейной траектории. Циркуляция, ее элементы

Движение поворачивающегося судна с переложенным рулем необходимо рассматривать как комбинацию продольного, поперечного и вращательного движений. Вращательное движение происходит вокруг вертикальной оси, положение которой на судне зависит от формы судна, величины и точки приложения всех сил, действующих на судно. При изменении вышеперечисленных факторов ось перемещается в ДП судна, т. е. она подвижна. Условная точка от этой оси на ДП судна называется центром вращения (ЦВ) или полюсом поворотливости (ПП). Начальный ЦВ (ПП) на судне, следующим передним ходом с постоянной скоростью, будет находиться примерно на ¼L от носа, на заднем ходу – на ¼L от кормы. ЦВ (ПП) характеризуется тем, что при криволинейном движении судна в этой точке угол дрейфа ( β ) равен нулю.

Переложенный на угол δ_р руль, как и всякое крыло, развивает подъемную силу – боковую силу руля Y_p . Обратимся к рисунку. Для того, чтобы получить представление о действии этой силы на корпус судна, приложим в центре тяжести G две равные по модулю силе Y_p и направленные в противоположные стороны силы. Они взаимно компенсируются и не оказывают влияния на корпус судна, однако их совместное рассмотрение с боковой силой руля позволяют понять следующее. Силы Y_p и Y_p ^" вызовут поворот судна вокруг вертикальной оси, проходящей через его ЦТ, т. е. появится момент М_р относительно вертикальной оси Z, проходящей через G. Поперечная сила Y_p ^' приведет к возникновению бокового смещения судна, продольная Х_р – к увеличению сопротивления воды движению судна. В общем случае точки приложения гидродинамических сил, действующих на руль и корпус судна, не лежат в одной горизонтальной плоскости, поэтому одновременно с боковым смещением судна и его поворотом вокруг вертикальной оси наблюдается появление крена и дифферента. Таким образом, при отклонении руля от ДП на угол δ_р , судно будет двигаться по некоторой криволинейной траектории, называемой циркуляцией.

Силы, возникающие на корпусе и руле при криволинейном движении

 

Циркуляцией называют траекторию, описываемую ЦТ судна, при движении с отклоненным на постоянный угол рулем. Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Угол между вектором линейной скорости судна и ДП называют углом дрейфа . Эти характеристики не остаются постоянными на протяжении всего маневра.

Циркуляцию принято разбивать на три периода: маневренный, эволюционный и установившийся.

Первый период (маневренный) – период, в течение которого происходит перекладка руля на определенный угол. С момента начала перекладки руля судно начинает дрейфовать в сторону, противоположную перекладке руля, и одновременно под влиянием сил Y_p и Y_p ^" начинает разворачиваться в сторону перекладки руля. В этот период траектория движения ЦТ судна из прямолинейной превращается в криволинейную с центром кривизны со стороны борта, противоположного стороне кладки руля; происходит падение скорости движения судна.

Второй период (эволюционный) – период, начинающийся с момента окончания перекладки руля и продолжающийся до момента, когда наступает равновесие всех действующих на судно сил, а угол дрейфа ( β ) перестает расти и скорость движения судна по траектории становится тоже постоянной. В этот период возрастают гидродинамические силы давления на корпус судна, возрастает угол дрейфа, кривизна траектории меняет знак, центр кривизны траектории перемещается внутрь циркуляции. Скорость движения судна вдоль траектории, начавшая падать в маневренный период, продолжает уменьшаться. Радиус траектории в эволюционный период является величиной переменной.

Третий период (установившийся) – период, начинающийся по окончании эволюционного, характеризуется равновесием действующих на судно сил: упора винта, гидродинамических сил на руле и корпусе, центробежной силы. Траектория движения ЦТ судна превращается в траекторию правильной окружности или близкой к ней.

Элементы циркуляции

Геометрически траектория циркуляции характеризуется следующими элементами:

Dо – диаметр установившейся циркуляции – расстояние между диаметральными плоскостями судна на двух последовательных курсах, отличающихся на 180º при установившемся движении;

D_ц – тактический диаметр циркуляции – расстояние между положениями ДП судна до начала поворота и в момент изменения курса на 180º ;

l₁ – выдвиг (поступь) – расстояние между положениями ЦТ судна перед выходом на циркуляцию до точки циркуляции, в которой курс судна изменяется на 90º ;

l₂ – прямое смещение – расстояние от первоначального положения ЦТ судна до положения его после поворота на 90º , измеренное по нормали к первоначальному направлению движения судна;

l₃ – обратное смещение – наибольшее смещение ЦТ судна в результате дрейфа в направлении, обратном стороне перекладки руля (обратное смещение обычно не превышает ширины судна В, а на некоторых судах отсутствует совсем);

Т_ц – период циркуляции – время поворота судна на 360º .

Перечисленные выше характеристики циркуляции у морских транспортных судов среднего тоннажа при полной перекладке руля на борт можно выразить в долях длины судна и через диаметр установившейся циркуляции следующими соотношениями:

Dо = (3 ÷ 6)L ; Dц = (0,9 ÷ 1,2)D_у; l₁ = (0,6 ÷ 1,2)Dо;

l₂ = (0,5 ÷ 0,6)D_о ; l₃ = (0,05 ÷ 0,1)D_о; T_ц = πD_о/V_ц.

Обычно величины D_о ; D_ц ; l₁; l₂; l₃ выражаются в относительном виде (делят на длину судна L) – легче сравнивать поворотливость различных судов. Чем меньше безразмерное отношение, тем лучше поворотливость.

Скорость на циркуляции для крупнотоннажных судов снижается при повороте на 90º с перекладкой руля на борт ≈ на ⅓, а при повороте на 180º – вдвое.

Для произвольной по длине судна точки «а» угол дрейфа определяется из известных формул тригонометрии:

,

где l_a – отстояние точки «а» от ЦТ (в нос – «+»; в корму – «–»).

Необходимо отметить и следующие положения:

а) начальная скорость оказывает влияние не столько на D_о , сколько на ее время и выдвиг ; и только у высокоскоростных судов заметны некоторые изменения D_о в большую сторону;

б) с выходом судна на траекторию циркуляции оно приобретает крен на внешний борт, значение которого по правилам Регистра не должно превышать 12º ;

в) если во время циркуляции увеличивать число оборотов ГД, то судно совершит поворот более крутой;

г) при выполнении циркуляции в стесненных условиях следует учитывать, что кормовая и носовая оконечности судна описывают полосу значительной ширины, которая становится соизмеримой с шириной фарватера.

Безопасное выполнение поворота обеспечивается при условии, что ширина полосы движения в метрах:

,

где R_ц.ср – средний радиус кривизны циркуляции на участке от начального до измененного на 90º курса;

β_k – угол изменения курса судна;

β – угол дрейфа.

Угол крена на установившейся циркуляции можно определить по формуле Г.А.Фирсова:

(в градусах),

где V₀ – скорость судна на прямом курсе (в м/с);

h – начальная поперечная метацентрическая высота (м);

L – длина судна (м);

z_g – ордината ЦТ судна;

d – средняя осадка судна.