Введение

Количественный рост мирового флота, существенное ускорение обработки судов в морских портах и увеличение их эксплуатационного периода, заметный рост размеров и скоростей судов в последние десятилетия привели к значительному повышению интенсивности судоходства. Увеличение плотности движения судов приводит к затруднению безопасного управления судном.

Несмотря на оборудование мостиков современными средствами навигации и управления, на море ежегодно 3-4 судна пропадают без вести, происходит в среднем около 220 аварий, в том числе 50 столкновений. Принято считать, что около 8-10% аварий происходит в результате форс-мажорных обстоятельств, около 10-15% является следствием отказа технических средств управления судном, их систем и устройств. Оставшиеся 75-82% относят к субъективным причинам, которые характеризуют обобщенным понятием - влиянием «человеческого фактора».

В соответствии с требованиями Рекомендаций по организации штурманской службы на морских судах Украины инерционно-тормозные характеристики и управляемости судна учитываются при: плавании в районах со стесненными условиями, выборе безопасной скорости, расхождении со встречными судами, маневрировании на акватории портов, подходах к причалам и других видах маневрирования в сложных условиях, когда это необходимо для обеспечения безопасности судна.

Информацию, с которой работает судоводитель при управлении движением судна, можно разделить на два вида - процедурная и декларативная. Процедурная информация заключена в алгоритмах действий, которые используются при реализации процесса управления и отдаваемых команд. Декларативная информация овеществлена в данных, с которыми он работает при этом. Совокупность таких данных образуют информационную базу. Поскольку в базах данных о судне и внешних воздействиях на него хранится одновременно большое количество информации, то требуется организовать специальную систему управления базами данных.

По мере совершенствования информационного обеспечения процесса маневрирования возникла форма представления информации в виде знаний, которая объединила черты процедурного и декларативного его видов. При отсутствии знания управление процессом маневрирования производится методом проб и ошибок, в результате чего существенно увеличивается вероятность принятия неправильного решения и возникновения навигационного происшествия.

Каждый судоводитель для безопасного управления движением судов должен четко понимать физические процессы, происходящие при маневрировании, и заблаговременно, решительно и точно действовать в любых ситуациях при разных навигационных условиях.

При выполнении курсовой работы ставится цель - овладеть профессиональными навыками по безопасному управлению судном при любых видах маневрирования, приобрести знания по пониманию физических процессов, происходящих при маневрировании судов, практические навыки по выполнению расчетов их маневренных характеристик.

1. Краткие сведения о маневренных характеристиках

Для описания поведения судна, как объекта управления, используют совокупность параметров, которые позволяют судить о физических процессах, происходящих при изменении режима его движения, называют маневренными характеристиками. Их подразделяют на две основные группы: инерционно- тормозные и управляемости.

В связанной с судном системе координат, общепринятая система дифференциальных уравнений, описывающая движение судна в горизонтальной плоскости имеет вид [1]:

Где: Р_e - сила упора винта; R_e - боковая сила винта и сила взаимодействия винта и корпуса судна; R_гx, R_ax, R_px - продольные составляющие гидродинамической, аэродинамической сил и силы на руле; R_гу, R_ау, R_ру - поперечные составляющие тех же сил; M_г, M_а, M_бс, M_р - моменты гидро и аэродинамической сил, боковой силы винта и руля; ₁₁, ₁₂, ₆₆ - присоединенная масса по оси Х, У, и присоединенный момент инерций; V_x, V_y и ω составляющие линейной и угловой скоростей.

При расчете инерционно-тормозных характеристик используют первое уравнение системы (1), которое при прямолинейном движении записывается:

Где: m_x – масса судна с учетом присоединенной массы по оси Х; К - коэффициент сопротивления.

При решении уравнения (2) вводят ряд допущений, которые упрощают расчет пути и времени торможения с сохранением точности, требуемой нормативными документами. Основные из допущений следующие.

1. Присоединенная масса воды по оси Х приближенно равна 10% от массы судна (m_х=1,1· D) и остается неизменной при маневрировании. Более точно величину присоединенной массы можно определить по формуле:

Где: В - ширина судна; Т - средняя осадка;  - массовая плотность воды.

2. Зависимость сопротивления воды и воздуха от скорости носит квадратичный характер, а коэффициенты сопротивления воды К и воздуха К_и во время маневрирования постоянны.

3. Упор винта в процессе активного торможения изменяется по зависимости, полученной профессором Деминым С.И. [2]:

Где: Р_max- значение силы упора винта в момент остановки; V_х - текущая скорость; V_н - скорость в момент начала вращения винта на задний ход.

4. При маневрировании новое назначенное число оборотов достигает своего значения в момент подачи команды.

Для описания судна, как объекта управления, используют маневренные характеристики. Их классификация приведена на рис.1.

Рисунок 1 - Классификация маневренных характеристик

В соответствии с приведенной классификацией [1] к инерционно- тормозным характеристикам относятся: разгон; подтормаживание; пассивное торможение и активное торможение.

Приведем краткое определение каждой из приведенных характеристик.

Пассивное торможение представляет собой процесс уменьшения скорости при движении судна с неработающим движителем, за счет сопротивления воды.

Активным торможением называется процесс уменьшения скорости движения судна за счет упора винта, работающего на задний ход.

Разгон представляет собой процесс увеличения скорости от низшей ступени к высшей. Особым случаем такого маневра является разгон из неподвижного состояния и разгон с переложенным рулем.

Подтормаживанием называется процесс уменьшения скорости от высшей ступени движения к низшей.

Управляемостью называется качество судна, позволяющее двигаться по заданной траектории или менять направление движения в соответствии с воздействием средства управления (руль, поворотная насадка и др.).

Управляемость зависит как от свойств самого судна, определяемых комплексом корпус-рулевое устройство-винт, так и от внешних условий - ветра, волнения, а также глубин и рельефа дна при плавании на мелководье, глубины и ширины канала при плавании в узкостях.

Судно может также потерять способность управляться под влиянием ветра и волнения в зависимости от их направления по отношению к диаметральной плоскости. Следует отметить также, что в условиях ветра управляемость судна существенно зависит от отношения его скорости к скорости ветра, так как боковая сила, создаваемая рулевым устройством (РУ), примерно пропорциональна квадрату скорости потока, в котором находится рабочий орган РУ, а поперечная аэродинамическая сила пропорциональна квадрату скорости ветра. Влияние скорости на управляемость проявляется только при ветре.

Управляемость характеризуется двумя свойствами судна - устойчивостью на курсе и поворотливостью.

Устойчивость на курсе. Устойчивостью на курсе называется способность судна сохранять заданное направление прямолинейного движения. Различают два вида устойчивости: теоретическую (автоматическую) и эксплуатационную.

Под теоретической устойчивостью подразумевается способность судна удерживаться на постоянном курсе без воздействия рулевого устройства. На практике такой устойчивости не встречается. Реальные суда бывают либо теоретически неустойчивыми (когда после прекращения действия возмущения судно входит в самопроизвольную циркуляцию), либо не асимптотически устойчивыми (когда после прекращения действия возмущения угловая скорость судна стремится к нулю).

Эксплуатационной устойчивостью называется способность судна сохранять заданное направление движения с помощью перекладок руля. Очевидно, что эксплуатационной устойчивостью должно обладать каждое судно.

Поворотливость. Поворотливостью называется способность судна изменять направление движения и двигаться по траектории заданной кривизны.

К характеристикам устойчивости относятся: постоянная времени задержки поворота Т(δ); устойчивость на курсе, критерий Q;

зона неустойчивости ₀ , _0р; одерживания поворота, время t_о() и угол _о ().

^{К характеристикам поворотливости относятся: выдвиг} ₁ ^{(); прямое}

смещение  ₂ (); обратное смещение  ₃ (); тактический диаметр D_т( ); диаметр установившейся циркуляции D_у ( ) и период циркуляции Т(V,) (рисунок 2).

Рисунок 2 – Движение судна на циркуляции