35. Ecdis, пристрій і перспективи розвитку.

Развитие электронной картографии

С началом широкого использования современных навигационных систем типа ГЛОНАСС / GPS и систем автоматической идентификации судов АИС-транспондер, необходимость использования современных информационных технологий в области морской картографии становилась все более очевидной. Осознав возникшую потребность, многие производители электронной аппаратуры (прежде всего систем радиолокационной прокладки - САРП и систем управления движением судов - СУДС) приступили к созданию собственных электронно-картографических систем. Первые системы использовали растровые электронные карты - сканированные копии бумажных источников. Основными недостатками растровых карт являются: невозможность автоматического контроля безопасности и существенные ограничения по настройке отображения картографической информации на экране компьютера (презентации электронной карты).

В месте с тем, необходимость использования электронных карт и соответствующих навигационных систем, основанных на единых стандартах, становилась все более очевидной. В 1987 году была учреждена Гармонизационная группа ИМО/МГО (IMO/IHO), которая занялась разработкой единого эксплуатационного стандарта на систему отображения электронных карт и информации (ECDIS - Electronic Chart Display and Information System), основывающегося на использовании векторных электронных карт.

Электронные картографические системы и ECDIS

Электронно-картографические системы, полностью удовлетворяющие требованиям ECDIS и получившие официальное подтверждение, могут стоить несколько десятков тысяч долларов. Более дешевой альтернативой являются электронно-картографические системы (ЭКС или ECS), которые либо не полностью соответствуют требованиям ECDIS, либо не прошли процедуру официального подтверждения соответствования. В отличие от ECDIS, ЭКС не могут служить официальной заменой традиционных бумажных карт, однако предоставляемые ими возможности могут оказать существенное подспорье судоводителю и повысить безопасность мореплавания.

2.«Управління судном»

1. Маневрові властивості судна. Керованість судна. Чинники, від яких вона залежить.

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.

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ СУДНА

Размерения и форма корпуса судна

Проанализируем влияние конструктивных особенностей судна (главные размерения , форма кормы и носовых образований, площадь и форма руля, дифферент) на его управляемость, считая, что улучшение поворотливости влечет за собой ухудшение устойчивости на курсе и наоборот.

Увеличение отношения L/B приводит к росту сопротивления поперечному перемещению судна (силы R_yв ), а, следовательно, к ухудшению поворотливости и улучшению устойчивости на курсе.

При увеличении отношения d /L поворотливость судна ухудшается незначительно. Одновременное увеличение L/B и d /L, а это равносильно уменьшению отношения B/ d , ведет к ухудшению поворотливости, повышая устойчивость на курсе. Влияние отношения B/ d на поворотливость особенно заметно у грузовых судов, когда их сравнивают в состоянии порожнем и в грузу.

Увеличение коэффициента общей полноты с_в приводит к уменьшению поперечной гидродинамической силы R_yв и уменьшению демпфирующего момента М_в , а отсюда к улучшению поворотливости и ухудшению устойчивости на курсе . Поэтому суда, имеющие полные обводы, обладают лучшей поворотливостью.

Изменение коэффициента продольной полноты с_п , представляющего собой отношение коэффициента общей полноты корпуса судна с_в к коэффициенту полноты мидель-шпангоута с_М , влияет на изменение поворотливости сравнительно слабо.

Форма кормы и носовых образований значительно влияют на поворотливость судна. Особенно сильное влияние оказывает степень подреза кормовой оконечности. Поворотливость существенно увеличивается с возрастанием площади кормового подреза. Форма носовых образований меньше влияет на поворотливость.

Крен и дифферент судна судна

Независимо от причин появления крена управляемость судна при нем ухудшается . Как правило, при наличии крена и при движении судна на прямом курсе с прямо поставленным рулем судно стремится уклониться в сторону, противоположную крену.

Крен судна увеличивает осадку:

∆ d = B /2* sinθ

где ∆ d – изменение осадки судна, м;

В - ширина судна, м;

Θ - угол крена, градусы.

Влияние дифферента на управляемость судна необходимо учитывать как в процессе эксплуатации, так и при загрузке судна. Если судно имеет значительный дифферент на корму, то его поворотливость ухудшается и наоборот. Наличие дифферента на нос улучшает поворотливость судна, однако оно становится более рыскливым, особенно на волнении.

Ветер, течение и волнение моря

Ветер в значительной мере влияет на управляемость судна, исходя из нескольких факторов: силы и направления ветра, площади парусности, осадки и дифферента судна. С увеличением силы ветра увеличивается рыскливость судна – для его удержания на курсе требуется частая и большая перекладка руля. Силу ветра принято оценивать по шкале Бофорта. Судоводителю важно знать, при каких скоростях и направлениях ветра, скорости судна и его осадке движение на прямом курсе будет устойчиво. Для этого на судах существуют полярные диаграммы, в которые входят по средней осадке, силе и направлению ветра, площади пера руля и другим факторам.

Волнение моря способствует рыскливости судна, т. к. при подходе под косым углом к гребню волны судно уваливается в направлении его движения, как бы соскальзывая с гребня. Когда судно оказывается по другую сторону гребня, наблюдается обратное явление. Угол рыскания зависит от курсового угла волны и увеличивается по мере возрастания волнения моря. Особенно неблагоприятным плавание судна будет при наличии ветровых волн и зыби от курсовых углов с направления 120–180 градусов при скорости судна близкой к скорости бега волн. В этом случае очень сильно ухудшается управляемость судна вплоть до полной потери, когда судно, захваченное набегающей волной, приобретает скорость волны и стремится развернуться лагом к ней – явление « брочинг » (от английского broaching ). Для избежания этого необходимо иметь скорость судна, приближенно определяемую по формуле (L – в метрах. Значительно ухудшается управляемость судна под воздействием ударов волн при встречном волнении – явление слеминг ( от английского slamming ). Чтобы избежать такой ситуации рекомендуется снизить скорость или изменить курс судна относительно бега волны.

Течение значительно затрудняет управление движением судна. Совпадение направления течения и курса судна ухудшает управляемость, увеличивает фактическую длину тормозного пути судна. Течение оказывает значительное влияние при выполнении им циркуляции. Так, циркуляция, выполненная по течению, увеличивает выбег судна по курсу вследствие сноса. Это обстоятельство необходимо учитывать для избежания навала на суда, стоящие на якоре, при разворотах на течениях.

Мелководье

При плавании судна на малых глубинах происходит значительное ухудшение управляемости судна. Малые глубины начинают сказываться на управляемости при Н < 2d. Для предварительной оценки влияния мелководья на движение судна можно использовать формулу:

H ≤ 4d + 3V²/ g .

При плавании на малых глубинах крупнотоннажные суда маневрируют в условиях, когда ухудшается поворотливость, но судно хорошо держится курса.

Влияние совместной работы гребного винта и руля на управляемость судна

(рассматривается винт правого вращения фиксированного шага – ВПВФШ)

Увеличение площади руля ведет к возрастанию поперечной силы руля, но в это же время возрастает демпфирующее действие руля. На практике установлено, что увеличение площади руля приводит к улучшению поворотливости лишь при больших углах перекладки. Увеличение относительного удлинения руля (отношение высоты руля к его средней ширине) при его неизменной площади приводит к возрастанию поперечной силы руля, что приводит к незначительному улучшению поворотливости. Расположение пера руля в струе, отбрасываемой винтом, способствует увеличению эффективности руля и улучшению поворотливости. Эффект винтовой струи проявляется тем больше, чем большая площадь руля попадает в поток от винта.

Работающий винт участвует одновременно в двух движениях: перемещается поступательно вдоль своей оси со скоростью V_e относительно воды и вращается вокруг той же оси с угловой скоростью ω , пропорциональной числу оборотов в секунду. Элемент лопасти винта можно рассматривать как крыло, движущееся под углом атаки α к потоку жидкости, который работает по принципу подъемной силы, за счет которой создается упор винта Р.

Силы, возникающие на винте и руле

Практически на работу движителя существенное влияние оказывают: корпус судна, различные направляющие устройства, а также свободная поверхность жидкости. Между частями такого комплекса возникает гидродинамическое воздействие, обусловленное появлением поперечных сил, которые можно подразделить на: силы, связанные с попутным потоком воды; силы реакции воды на винт; силы струи от винта, набрасываемой на руль или корпус.

При перемещении изолированного корпуса судна (без винтов) в жидкости со скоростью V_e течение жидкости, возникающее в кормовой части из-за создавшегося разрежения после прохождения судна, направлено в сторону перемещения судна и называется попутным потоком. В различных сечениях кормовой части судна возникает неравномерное распределение скоростей потока жидкости, в котором будет работать движитель. Интенсивность попутного потока изменяется и по глубине: в верхней части поток будет иметь большую скорость, чем в нижней, поэтому углы атаки при прохождении лопастями верхнего положения имеют наибольшее значение. Лопасть винта в верхнем положении испытывает большие силы сопротивления вращению, чем в нижнем. Таким образом, возникает неуравновешенная сила «в», которая при винте правого вращения стремится переместить корму судна влево. Эта сила возникает только при движении судна вперед и называется силой попутного потока.

Кроме попутного потока на работу винта оказывает влияние и близость поверхности воды: возникает подсос воздуха к лопастям в верхней половине диска винта независимо от направления его вращения. Вследствие этого, лопасти в верхнем положении при вращении испытывают меньшую силу реакции воды, чем в нижнем. Т. о. возникает результирующая сила реакции воды «R», всегда направленная в сторону вращения винта: при работе винта вперед стремится сместить корму вправо, а при работе назад – влево. С уменьшением осадки кормой и, особенно при частичном оголении винта боковая сила реакции воды возрастает.

Для более полной оценки влияния боковых сил на поведение судна нужно еще учитывать взаимодействие винтовой струи с рулем и корпусом судна. Гребной винт при вращении вперед или назад не только отбрасывает поток воды в противоположную сторону, но и его закручивает, т. е. придает потоку не только поступательную (аксиальную), но и окружную (тангенциальную) скорость. При этом, независимо от направления вращения винта, в верхней части диска за счет влияния близкой поверхности тангенциальная скорость потока меньше, чем в нижней.

При работе винта правого вращения на передний ход закручивание потока приводит к косому натеканию воды на руль. Скос потока в верхней половине струи направлен вправо, а в нижней – влево. Причем скос потока в нижней части благодаря повышенной тангенциальной скорости больше, чем в верхней, а отсюда и сила воздействия струи на единицу площади руля внизу больше. Если площадь пера руля, попадающая в струю, распределяется поровну между верхней и нижней половинами струи, то на переложенный руль будет воздействовать результирующая сила набрасывания воды или сила набрасываемой струи «с», которая стремится сместить корму влево.

При вращении винта назад закругленный поток воды набрасывается на корму. Т. к. поток закручивается против часовой стрелки, то с правого борта под кормовым подзором создается повышенное давление воды, а с левого борта – пониженное. В связи с перепадом давления результирующая сила – сила набрасывания струи на корпус, всегда направлена влево, т. е. стремится развернуть корму влево. Сила этого потока не влияет на руль, находящийся в прямом положении (в ДП). При руле, положенном вправо, струя потока воды будет оказывать давление на левую сторону пера руля и вызовет понижение давления с его правой стороны – корма будет стремиться идти вправо. При левом положении руля корма судна будет уклоняться в сторону переложенного руля.