Циркулярное письмо 
MSC/Circ.1053

ПОЯСНЕНИЯ К СТАНДАРТАМ МАНЕВРЕННЫХ КАЧЕСТВ СУДНА

(принято 5 декабря 2002 г.)

 

1. На своей 76 сессии (2-13 декабря 2002 г.) Комитет по безопасности на море принял резолюцию MSC.137(76) Стандарты маневренных качеств судов. Принимая стандарты, Комитет признал необходимость разработки надлежащих пояснений, в целях единообразия интерпретации, применения и согласованности в оценке маневренных качеств судов.

 

2. С это целью, Комитет по безопасности на море одобрил на своей 76 сессии (2-13 декабря 2002 г.) Пояснения к стандартам маневренных качеств судна, изложенные в Приложении к настоящему циркуляру в том виде, в каком они были подготовлены Подкомитетом по конструкции и оборудованию судов на его 45 сессии.

 

3. Цель Пояснений - обеспечить Администрации конкретными направляющими положениями, способствующими единообразию интерпретации и применения Стандартов маневренных качеств судов, и предоставить тем, кто отвечает за проектирование, строительство, ремонт и эксплуатацию судов, необходимую информацию для оценки маневренных качеств этих судов.

 

4. Правительствам рекомендуется:

 

.1 использовать Пояснения при применении Стандартов, изложенных в резолюции MSC.137(76); и

 

.2 представляя на рассмотрение Организации данные о маневренных качествах судов, использовать форму, приведенную в Дополнении 6 Приложения к данному циркуляру.

 

5. Данный циркуляр заменяет циркуляр MSC/Circ.644.

 

 

Приложение.

ПОЯСНЕНИЯ К СТАНДАРТАМ МАНЕВРЕННЫХ КАЧЕСТВ СУДОВ

 

ГЛАВА 1.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

 

1.1 ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ И ПРЕДЫСТОРИЯ ВОПРОСА

 

Целью настоящего раздела является предоставление разъяснений по применению Стандартов маневренных качеств (резолюции MSC.137(76)), а также ознакомление с общими соображениями, которые легли в основу создания этих Стандартов и их предысторией.

 

На стадии проектирования торгового судна его маневренные характеристики обычно привлекают мало внимания. Основной причиной этого было отсутствие стандартов по маневренным характеристикам, которыми можно было бы руководствоваться при конструировании и/или внедрением которых могли бы заниматься органы, регулирующие правила конструкции и постройки судов. Поэтому некоторые суда, после их постройки, обладают очень низкими маневренными качествами, что приводило к авариям и загрязнению морской среды. Конструкторы были вынуждены полагаться на то, что действия управляющих судном людей скомпенсируют недостатки маневренных качеств, "заложенные" в это судно еще при постройке. Внедрение стандартов маневренности даст возможность проектировать суда по единым стандартам и снимет с судоводителей неоправданный груз необходимости пытаться компенсировать своими навыками присущую судам недостаточную маневренность.

 

Уже со времени заседания Подкомитета по конструкции и оборудованию судов в 1968 г. ИМО было озабочено безопасностью судов с плохими маневренными характеристиками. Циркуляр MSC/Circ.389, выпущенный 10 января 1985 г. и озаглавленный "Промежуточное руководство по оценке маневренных качеств судов при их проектировании", поощряет включение требований, предъявляемых к маневренности, в процесс проектирования судов путем сбора и систематизации информации о маневренности. После этого, в ноябре 1987 г., Ассамблея на своей 15-й сессии приняла резолюцию А.601(15)-"Обеспечение наличия на судах и представление информации о маневренных элементах". Процесс завершился на 18-й сессии Ассамблеи в ноябре 1993 г., когда резолюцией А.751(18) были одобрены Промежуточные стандарты маневренных качеств судов.

 

После принятия резолюции А.751(18), Комитет по безопасности на море на своей 63 сессии одобрил циркуляр MSC/Circ.644 от 6 июня 1994 г., озаглавленный "Пояснения к промежуточным стандартам маневренных качеств судов", предназначенный служить специальным руководством для Администраций по обеспечению сбора Организацией информации о маневренных качествах судов в целях внесения поправок в вышеупомянутые Промежуточные стандарты. Этот процесс завершился на 76 сессии Комитета по безопасности на море принятием, резолюцией MSC.137(76), "Стандартов маневренных качеств судов".

 

Стандарты определялись так, чтобы они были просты, практичны и не требовали значительного увеличения времени испытаний или чтобы не усложняли их. Стандарты основаны на том, что оценка маневренности судов может быть сделана по результатам обычных типовых маневренных испытаний. Предусматривается, что маневренные характеристики проектируемого судна должны удовлетворять Стандартам еще на стадии проектирования, а действительные маневренные характеристики должны подтвердиться испытаниями. Альтернативно, соответствие Стандартам может быть продемонстрировано результатами натурных испытаний, хотя Администрация может потребовать действий по исправлению положения, если обнаружится, что маневренные качества судна существенно расходятся с промежуточными стандартами. После выполнения судовых испытаний судостроитель должен оценить надежность методов расчета маневренности, использованных на стадии проектирования и постройки судна.

 

1.2 МАНЕВРЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

 

"Маневренные характеристики", упоминаемые в Стандартах маневренных качеств судов, являются типичными оценками маневренных качеств и управляемости и непосредственно связаны с интересами судовождения. Каждая из них может быть достаточно точно рассчитана на стадии постройки судна и измерена на основе выполнения типовых маневров.

 

1.2.1 Маневренные характеристики: общие соображения

 

При дальнейшем изложении предполагается, что судно имеет обычные средства для управления поступательным движением и направлениям движения (т.е. расположенные в корме винт и руль). Вместе с этим, многие из определений и решений применимы также и к судам, оборудованным другими средствами управления движением.

 

В принятой терминологии в перечень вопросов, относящихся к маневренности судна, включены устойчивость установившегося движения с "зафиксированными средствами управления", также как и временные значения реакций, которые возникают в результате действий средств управления, используемых для сохранения или изменения установившегося движения, для обеспечения движения судна по заданному пути или для выполнения экстренного маневра и т.п. Некоторые из этих действий считаются особенно важными для маневренности судна и поэтому должны удовлетворять определенным минимальным стандартам. Вместе с этим судоводитель, требующий применения наиболее высоких стандартов в каком-либо отношении, должен помнить, что некоторые требования являются несовместимыми в границах обычных конструктивных решений. По этим причинам некоторые формулировки Стандартов ИМО в отношении маневренности судна являются компромиссными.

 

1.2.2 Маневренные характеристики: некоторые основные понятия

 

При данной мощности двигателя и угле кладки руля d судно может приобрести определенное установившееся движение. Вообще говоря, это будет криволинейное движение с постоянными значениями скорости изменения курса y при скорости V и угле дрейфа β (нос судна направлен внутрь поворота). Радиус поворота в данном случае определяется следующим выражением:

 

R = V/y

 

Такое состояние системы "судно-угол кладки руля" обычно называется "динамически стабильным на повороте радиусом R". Следовательно, прямой курс может рассматриваться как часть окружности с бесконечным радиусом и нулевым значением скорости поворота.

 

Большинство судов, по-видимому, являются "динамически стабильными на прямом курсе" (обычно говорят "динамически устойчивыми"), когда руль находится в нейтральной позиции вблизи к диаметральной плоскости. Для одновинтового судна с винтом правого шага нейтральное положение руля обычно бывает равным значению d₀ = -1° (т.е. в положении 1° на правый борт). Динамически неустойчивые суда могут сохранять прямой курс только с помощью повторяющегося действия рулем. Если небольшая неустойчивость в общем-то приемлема, значительная нестабильность может быть исключена только надлежащим подбором судовых пропорций и формой кормовых обводов.

 

Поступательное движение судна определяется упором винта, силами гидродинамического сопротивления и присоединенными массами, действующими на корпус. При маневре боковая сила, возникающая при кладке руля, зачастую мала, по сравнению с другими латеральными силами. Однако прилагаемый управляющий момент в большинстве случаев достаточен для обеспечения баланса сил или для преодоления результирующего момента этих внешних сил. При повороте с постоянным углом кладки руля достигается полный баланс между всеми силами и моментами, действующими на корпус. Некоторые из этих сил являются стабилизирующими, другие - дестабилизирующими. Так, тормозящий момент, возникающий при изменении курса, который всегда препятствует повороту, является стабилизирующим, а момент, связанный с действием поперечной силы при повороте, является дестабилизирующим. Любое небольшое нарушение положения равновесия на повороте с постоянным углом кладки руля вызывает изменения в балансе сил и моментов. Если судно динамически устойчиво на повороте (или на прямом курсе), прямым следствием такого изменения баланса будет стремление противодействовать повороту или прямолинейному движению.

 

Общее аналитическое значение критерия динамической устойчивости может быть получено и оценено с помощью коэффициентов математической модели, описывающей движение судна. Критерий для динамической устойчивости на прямом курсе содержит только четыре "линейных производных устойчивости", которые, вместе с положением центра тяжести, можно использовать, чтобы выразить "плечо динамической устойчивости". Это плечо определяется, для небольших отклонений от прямолинейного движения, продольным расстоянием от центра приложения боковой силы, возникающей вследствие бокового смещения, до точки приложения результирующей боковой силы, возникающей при повороте и включающей массовую силу. Если это расстояние положительно (в направлении положительных значений х, т.е. к носу), то судно устойчиво. Очевидно, что непосредственный интерес представят результаты проведения испытаний с закрепленной моделью в длинном узком бассейне и в круглом бассейне.

 

Ясно, что изменение дифферента, главным образом, заметно влияет на положение центра приложения боковой силы, образующейся при боковом смещении. Нетрудно заметить, что судно с дифферентом на корму, что является обычным при испытаниях судна в балласте, по всей вероятности, будет намного более устойчиво, чем если бы оно было на ровном киле.

 

На рис. 1 дан пример равновесия отношения скорости поворота для судна, которое по своей природе динамически неустойчиво на прямом курсе. Скорость поворота представлена в безразмерной форме; эта кривая часто называется "петля спиральной кривой", так как ее можно получить в результате испытаний судна или модели на спираль. Пунктирная часть кривой может быть получена только по испытаниям на обратную спираль. Если склон петли положителен, что указывается касательной, снижающейся в правую часть графика, то равновесие является неустойчивым. Судно, неустойчивое на прямом курсе, будет стабильно на повороте, несмотря на то что руль будет находиться в диаметральной плоскости или в нейтральном положении. Кривая такого стабильного поворота называется "высота петли", она может быть получена при испытаниях на "выход из циркуляции". Высота и ширина петли, а также ее наклон относительно начала координат, могут рассматриваться как мерило неустойчивости.

 

Если же движение судна происходит не в состоянии равновесия, что является общим случаем, возникает не только разбалансирование тормозящих сил, но также и гидродинамических сил, связанных с дополнительной инерцией водных масс, обтекающих корпус. Поэтому при неизменном положении руля судно будет стремиться к новому стабильному равновесию. Если положение руля меняется (кладется на другую сторону), направление судна на кривой равновесия становится обратным, и первоначальная тенденция к повороту компенсируется своевременной перекладкой руля, можно полностью управлять судном на прямом курсе, так как углы кладки руля и скорость поворота останутся внутри петли.

 

 

  Рис 1.
 Равновесное состояние отношения скорость поворота/угол кладки руля

 

Способность сохранять направление движения или устойчивость на курсе зависит, очевидно, от замкнутой системы, в которую входят не только судно и руль, но также и погрешности курсоуказателя и системы управления. Поэтому допустимая величина собственной динамической нестабильности снижается при увеличении скорости (количество проходимых длин судна за данный период увеличивается). Это происходит потому, что человек-рулевой имеет ограниченные возможности восприятия и у него определенный лимит времени на реакцию. Этот факт находит отражение в Стандартах ИМО, в которых критерий приемлемого значения первого угла зарыскивания при выполнении испытания на зигзаг включает зависимость от отношения L/V, т.е. фактора, характеризующего "постоянную времени" судна и временное развитие процесса.

 

Для управления, в техническом смысле, допустимое значение собственной нестабильности может быть выражено с помощью "запаздывания по фазе". Если руль отклоняется с заданной амплитудой, то и направление судна отклоняется также с этой амплитудой и с этой частотой. Однако, вследствие инерционности и затухания в судовой динамике и временных задержек в рулевой машине, эта амплитуда будет по значению меньшей, а частота - более высокой, означая, что ответная реакция судна будет все больше и больше запаздывать от кладки руля. При каком-то определенном значении частоты реакция судна на перекладку руля все еще достаточно велика для управления отклонением его движения, прежде чем колебания окончательно разойдутся (т.е. фазовое расхождение с реакцией судна должно быть менее 180°). Если курсом управляет рулевой-человек, замыкая систему обратной связи, то он фактически будет способен противодействовать отклонению судна, используя некоторую "фазу опережения". Различные исследования показывают, что эта фаза опережения может быть от 10° до 20°. В настоящее время нет прямых методов оценки фазовых значений при выполнении обычных испытаний маневренности.

 

Очевидно, что устойчивость судна на курсе будет зависеть не только от своевременности перекладки руля, но также и от того, насколько эффективно руль может создать момент, достаточный для предотвращения чрезмерных амплитуд отклонений от курса. Величина угла зарыскивания, сама по себе, еще недостаточна для выделения факторов, противодействующих нестабильности, а также эффективности руля, поэтому требуются дополнительные характеристики, такие как, например, "время до выполнения второго действия", которое является мерилом "начальной поворотливости" и уменьшается как при большой неустойчивости, так и при высокой эффективности руля.

 

Из сказанного следует, что большая динамическая нестабильность будет благоприятствовать хорошей поворотливости, а большое затухание зарыскивания, улучшая устойчивость судна на курсе, будет обычно сопровождаться увеличением радиусов поворота. Все это можно видеть по тонкой сплошной кривой для устойчивого судна на рис. 1.

 

Чрезмерная поворотливость допустима, главным образом, при маневрировании на малом ходу в стесненных водах. С другой стороны, малые значения выдвига и тактического диаметра являются весьма ценными при маневрировании на обычных скоростях для предотвращения столкновений.

 

Маневр "аварийный задний ход" предназначается, главным образом, для проверки работоспособности машины и винта после реверсирования. Тормозной путь является, в основном, функцией отношения мощности на заднем ходу к водоизмещению судна. Испытания для определения величины тормозного пути включены в Стандарты для того, чтобы можно было сравнить эту величину с результатами испытаний на циркуляцию, с точки зрения падения первоначальной скорости и боковых отклонений.

 

1.2.3 Маневренные характеристики: некоторые качественные оценки

 

Стандарты ИМО выделяют наиболее существенные качества судна для оценки его маневренных характеристик. Каждое из них обсуждалось выше, а ниже им дается краткое определение:

 

.1 Собственная динамическая устойчивость: Судно является динамически устойчивым на прямом курсе, если оно после небольшого внешнего воздействия быстро ложится на новый прямой курс без дополнительного действия рулем. При этом, окончательная величина отклонения от первоначального курса будет зависеть от степени собственной устойчивости и от величины и продолжительности внешнего воздействия.

 

.2 Устойчивость на курсе: Качество устойчивости на курсе является мерилом способности управляемого судна сохранять прямолинейное движение в направлении заданного курса без чрезмерных отклонений руля или отклонений от курса. В большинстве случаев, достаточно уверенный контроль курса все еще возможен, если собственная динамическая неустойчивость ограничена по величине.

 

.3 Начальная поворотливость: Начальная поворотливость определяется реакцией судна на изменение курса при умеренной кладке руля и измеряется изменением курса на единицу пройденного расстояния (число Р) или же в единицах расстояния, проходимого до момента обнаружения отклонения от курса (например, "время до второго действия" при вхождении в маневр "зигзаг").

 

.4 Контроль рыскливости: Рыскливость судна - это качество, характеризующее его реакцию на перекладку руля в противоположную сторону, как, например, это имеет место при выполнении маневра на зигзаг, когда перекладка руля для погашения тенденции движения не дает немедленного результата, и происходит зарыскивание судна.

 

.5 Поворотливость: Поворотливость - это способность судна к изменению курса при предельном угле кладки руля. Результатом оценки поворотливости являются минимальный выдвиг при изменении курса на 90° и "тактический диаметр", определяемый на момент положения судна при изменении курса на 180°. Величина окончательного диаметра поворота также представляет интерес.

 

.6 Тормозные характеристики: Они определяются пройденной дистанцией и временем до полной остановки судна в воде, после того как на испытания с полного установившегося переднего хода машине был дан полный ход назад. Боковые отклонения также представляют интерес, но они очень чувствительны к начальным условиям и воздействию ветра.

 

1.3 ТРЕБУЕМЫЕ СТАНДАРТАМИ ИСПЫТАНИЯ

 

1.3.1 Испытания поворотливости

 

Должен быть выполнен маневр циркуляции как на правый, так и на левый борт при углах кладки руля 35° (или максимальном конструктивнодопустимом угле кладки руля) при скорости, на которой проводятся испытания. Руль кладется на заданный угол после того, как будет достигнуто нулевое значение скорости рыскания. Самой важной информацией, в результате этих испытаний, являются тактический диаметр циркуляции, выдвиг и прямое смещение (см. рис. 2).

 

1.3.2 Испытание на зигзаг

 

Испытания на зигзаг должны проводиться как в варианте, когда первый отворот делается вправо, так и в варианте, когда он делается влево, и начинаются с перекладки руля на заданный угол из первоначального положения его в диаметральной плоскости ("первое действие"). Затем, когда направление движения изменится на определенное значение от первоначального, руль перекладывается на заданный угол на другой борт ("второе действие" и последующие) (см. рис. 3).

 

В Стандарты включены два вида испытаний на зигзаг -10°/10° и 20°/20°. В первом случае угол кладется на 10° любого борта и затем, когда направление движения изменится на 10°, перекладывается на такой же угол другого борта. Во втором случае угол кладки руля и изменение направления движения составляют 20°. Наиболее важной информацией, полученной из этих испытаний, являются величины углов зарыскивания, время до второго действия и время, необходимое на компенсацию зарыскивания.

 

1.3.3 Испытания на торможение

 

Испытания на торможение полным задним ходом проводятся для определения длины пути, проходимого судном от момента команды на полный задний ход до полной остановки судна в воде (рис. 4).