CC BY
194
DOI: 10.24143/2073-1574-2018-2-22-27 УДК 656.61.052
А. А. Ершов, С. В. Сольное, А. М. Бояринов
ДИАГРАММА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПАСНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ СУДНА В ШТОРМОВОМ МОРЕ
Одним из наиболее серьезных факторов, влияющих на безопасность судна в штормовых условиях плавания, является воздействие волн. В настоящее время нормативные требования к мореходным качествам судна, которые обеспечивают безопасность при возможном развитии резонансной качки, повышении вероятности брочинга, слеминга, параметрического резонанса, отсутствуют. Существующие рекомендации по организации штурманской службы на судах (РШС-89) представляют собой общие правила управления судном в шторм. Ими, в частности, предписывается использование судоводителем штормовых диаграмм. К наиболее известным диаграммам можно отнести штормовые диаграммы Ю. В. Ремеза и А. И. Богданова. Следует признать, что «ручное» использование диаграмм Ю. В. Ремеза и особенно А. И. Богданова в реальных условиях штормового плавания существенно затруднено: судоводитель должен выполнять расчёты и графические построения, производить интерполяцию между линиями диаграмм. Используемые на некоторых судах автоматизированные системы контроля мореходности решают эту задачу, однако высокая стоимость таких систем ограничивает возможность их применения. На основе диаграмм Ю. В. Ремеза и А. И. Богданова разработана и предложена диаграмма опасных явлений, выполненная путём расчётов в общедоступной программе Excel. Разработанная диаграмма одинаково применима для неограниченной и ограниченной глубины дна. Программа Excel автоматически рассчитывает и выносит на диаграмму зоны основного резонанса бортовой, килевой и вертикальной качки, а также параметрического резонанса с учётом размерений судна, его посадки и остойчивости, параметров волнения. Предложенная диаграмма также позволяет спрогнозировать появление резонанса при выходе судна на новый курс. Внедрение данной диаграммы на суда не представляется сложным, т. к. данные, необходимые для работы программы, можно получить в судовых условиях. Программа Excel, в которой разработана диаграмма, входит в стандартный пакет Microsoft Office, устанавливаемый на бортовых компьютерах всех судов.
Ключевые слова: штормовое плавание, опасные явления при качке, качка судна, основной и параметрический резонансы.
Введение
Плавание в море всегда представляло и представляет опасность для судна и экипажа по причине сложных условий эксплуатации, в которых находится судно: воздействие ветра, волн, течения, льдов, атмосферных осадков. Нередко происходят аварии и катастрофы. Так, в 2008 г. балкер «Fedra» выбросило на скалы в проливе Гибралтар в условиях штормовой погоды из-за отказа двигателя. В 2011 г. погибло речное судно «Булгария», в 2012 г. произошло опрокидывание лайнера «Costa Concordia», в 2014 г. опрокинулся паром «Sewol» [1].
Чтобы помочь судоводителю управлять судном на волнении, с середины XX века учёные начали разрабатывать штормовые диаграммы. Различные варианты штормовых диаграмм были предложены такими учёными, как В. Г. Власов, С. Н. Благовещенский, Л. М. Ногид, В. Б. Липис, Ю. В. Ремез [2]. Однако применение этих диаграмм не очень удобно для судоводителей по причине необходимости выполнять построения и вычисления вручную. Существуют автоматизированные системы контроля мореходности (OCTOPUS-DSS, HULLMOS, VOSS и др.), которые решают эту задачу. Однако внедрение этих систем требует больших финансовых вложений, поэтому возможность их применения ограничена.
В условиях ограниченного финансирования одним из эффективных решений задачи обеспечения безопасности судна на волнении может быть создание электронной штормовой диаграммы, сходной по принципу использования со штормовой диаграммой Ю. В. Ремеза [3]. Целью данного исследования была разработка данной диаграммы в программе Excel.
Общие подходы к построению диаграммы
В настоящее время отсутствуют нормативные требования к мореходным качествам судна, которые обеспечивают его безопасность при любом состоянии моря и любой погоде. Рекомен-
дации по организации штурманской службы на судах (РШС-89) представляют собой общие правила управления судном в шторм. Ими, в частности, предписывается использование судоводителем штормовых диаграмм.
Штормовая диаграмма позволяет определить опасные для судна зоны по основному резонансу бортовой, вертикальной и килевой качки и по параметрическому резонансу.
Основной резонанс возникает при совпадении периодов собственных бортовых, килевых, вертикальных колебаний судна Те^г; с кажущимся периодом волны ткаж [2, 4].
Собственные периоды качки судна оценивают приближенным расчётом по «капитанским» формулам:
для вертикальном качки
- для килевом качки
- для бортовой качки
tz = 2,5\fd;
т. = 2,Ф;
хе = св/4Н,
где d - средняя осадка судна, м; В - ширина судна, м; С - так называемый «инерционный коэффициент»; Н - исправленная поперечная метацентрическая высота с учётом переливания жидких грузов и запасов, м.
Величина «инерционного коэффициента» может быть определена в соответствии с рекомендациями Российского морского регистра судоходства [5] как
^ Л„„„ 0,023В 0,043Х, С = 0,373 + —- —-^
d 100
где ЬК1 - длина судна по ватерлинии, м.
Кажущийся период волн вычисляется по формуле
X
1,25 JXth + 0,514V cos q
где H - глубина моря, м; X - длина волны, м; Vc - скорость судна, уз; q - курсовой угол волнения, град.
Усиление бортовой, килевой и вертикальной качки вблизи резонанса наблюдается в довольно широком диапазоне значений кажущегося периода волнения:
0,7те,^<ткаж < 1,3те,^.
Явление параметрического резонанса наблюдается, когда кажущийся период волнения близок к половине периода собственных бортовых колебаний судна [4]:
т
0,48 < 0,52.
те
Считается, что наиболее подвержены риску параметрического резонанса суда, соотношение длины корпуса которых с длиной волны лежит в пределах
0,6LwI < X < 1,3Lwl.
Параметрический резонанс опасен для судна, т. к. он вызывает бортовую качку с возрастающей амплитудой вплоть до опрокидывания [6].
Оценка результатов работы
В результате произведённых расчётов была создана штормовая диаграмма в электронном виде.
Правила использования штормовой диаграммы
Ввод данных. Для построения графиков резонансных зон в штормовой диаграмме необходимо ввести следующие данные: параметры судна: длина по конструктивной ватерлинии - Хк.вл, м; ширина наибольшая - В, м; осадка средняя - d, м; исправленная поперечная метацентрическая высота - h, м; скорость судна - Ус, уз; параметры волнения: курсовой угол волны - дв, град; длина волны - X, м; глубина моря - Н, м.
Ячейки, отмеченные тёмным цветом - это динамические значения, которые изменяются в процессе рейса (рис. 1, 2). Исправленная поперечная метацентрическая высота и средняя осадка определяются с помощью бортового грузового компьютера. Курсовой угол волны определяется судовым пеленгатором. Длина волны определяется визуально (сравнением расстояния между вершинами волн в направлении бега волн и длиной судна) путём измерения среднего расстояния между гребнями волн на экране судового радара (расстояние между эхо-сигналами от гребней волн) или с помощью сайта Единой государственной системы информации об обстановке в Мировом океане [7]. Глубина моря определяется по эхолоту или по карте. Белые ячейки содержат либо постоянные значения, либо значения, вычисляемые автоматически. При первом использовании электронной штромовой диаграммы необходимо ввести данные о длине и ширине судна (рис. 1).
А А 20
А 8 | С | D | Е F G | Н | 1 J К 1 L | М | N 1 о | V 1 W 1 X Y z
б Штормовая диаграмма ^
7
8 „„ 355 0 5 in X
Исходные данные:
Параметры судна ]
Длина квл Ширина наиб. Осадка ср. Инерционный коэффициент Метацентр, высота Период бортовых колебаний Период килевых колебаний Период вертикальных колебаний
Параметры волнения
Курсовой угол волны дв.: _Длина волны
Глубина моря Н,
0,37
Ж
195190 185 180 175 170
Рис. 1. Штормовая диаграмма. Балластный переход судна:
1 - зона резонанса бортовой качки;
2 - зона резонанса килевой качки;
3 - зона резонанса вертикальной качки
Графическое представление о текущей скорости судна и курсовом угле волнения на диаграмме даёт подвижная чёрная ромбовидная точка. В центре диаграммы расположено судно, через диаметральную плоскость которого будет проходить линия 0-180°.
Пример решения практических задач с помощью диаграммы
Пример 1. Газовоз осуществляет балластный переход через Атлантику в порт погрузки. В районе плавания после прохождения шторма наблюдается зыбь с длиной волны 100 м.
3
Характеристики газовоза: длина по расчётной ватерлинии 275 м, наибольшая ширина 44,2 м, средняя осадка 9,2 м, исправленная поперечная метацентрическая высота 10,4 м. Судно идёт со скоростью 15 уз. Курсовой угол волнения дв = 0°. Глубина моря 800 м. Необходимо определить, находится ли судно в резонансной зоне, а также ответить на вопрос: есть ли возможность выйти из резонансной зоны с помощью изменения курса и скорости судна.
После ввода значений в ячейки, выделенные тёмным цветом, и нажатия Enter на монитор выводится текущий график резонансных зон. На диаграмме видно, что судно находится вне зон резонанса, плавание не представляет опасности. Судно подходит к поворотной точке. Новый курсовой угол волны на следующем курсе будет равен 335°. Степень безопасности плавания на новом курсе можно оценить следующим образом: судно будет находиться в зоне основного резонанса вертикальной качки, поэтому экипажу необходимо вести визуальное наблюдение за поведением судна на волне, а также следить за изменением остойчивости судна с помощью грузового компьютера (рис. 1).
Пример 2. Газовоз, находящийся в грузу, осуществляет переход через Атлантику. В районе плавания после прохождения шторма наблюдается зыбь с длиной волны 170 м. Характеристики газовоза: длина по расчётной ватерлинии 275 м, наибольшая ширина 44,2 м, средняя осадка 10,2 м, исправленная метацентрическая высота 4,1 м. Судно идет со скоростью 15 уз. Курсовой угол волнения равен 045°. Глубина моря 800 м. Судно испытывает усиленную килевую и бортовую качку. Необходимо определить, находится ли судно в резонансной зоне, если да, то в какой, и есть ли возможность выйти из резонансной зоны с помощью изменения курса и скорости судна.
Вводим значения в ячейки, выделенные тёмным цветом, нажимаем Enter и получаем текущий график резонансных зон. На диаграмме видно, что судно находится в зонах основного резонанса килевой и вертикальной качки, а также в зоне параметрической качки. Для выхода из зоны усиленной качки необходимо изменить курс влево на 10°. Судно подходит к поворотной точке. Новый курсовой угол волны на следующем курсе будет равен 70°. Нужно определить степень безопасности плавания на новом курсе. Ответ: судно будет находиться в зоне основного резонанса вертикальной качки, поэтому экипажу необходимо вести визуальное наблюдение за поведением судна на волне, а также следить за изменением остойчивости судна с помощью бортового компьютера (рис. 2).
Исходные данные:
Параметры судна |
Длина квл Ширина наиб. Осадка ср. Инерционный коэффициент Метацентр, высота Период бортовых колебаний Период килевых колебаний Период вертикальных колебаний
Параметры волнения
Курсовой угол волны _Длина волны
Глубина моря
I М N О | V I W X Y z
Штормовая диаграмма
2
15190 185 180175 170
4
3
1
Рис. 2. Штормовая диаграмма. Судно в грузу: 1 - зона резонанса бортовой качки; 2 - зона резонанса килевой качки; 3 - зона резонанса вертикальной качки; 4 - зона параметрического резонанса
Следует отметить, что в некоторых секторах две или три резонансные зоны накладываются друг на друга. Эти зоны наиболее опасны для судна.
Заключение
Преимущества новой штормовой диаграммы заключаются в минимизации действий оператора для получения информации, связанной с опасными явлениями. Программа Excel, в которой разработана диаграмма, входит в стандартный пакет Microsoft Office, устанавливаемый на бортовых компьютерах всех судов. Благодаря удобному интерфейсу судоводитель может быстро определить пути выхода судна из неблагоприятных зон, спрогнозировать появление опасных явлений при смене курса или скорости. Разработанные диаграммы применимы как для глубокой, так и для мелкой воды. Диаграмма учитывает индивидуальные особенности судна. Информация об опасных зонах плавания, полученная на основе прогнозов погоды, может быть использована при планировании перехода судна.
Диаграмма построена для отображения основных резонансных зон бортовой, килевой и вертикальной качки судна, а также параметрического резонанса. Диаграмма не позволяет оценить количественно амплитуду качки судна. Для этого потребовалось бы произвести расчёт качки.
Усовершенствование диаграммы планируется путём добавления учёта таких опасных явлений при качке, как слеминг, слеппинг и др.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Eршов А. А. Некоторые аварии и катастрофы отечественных и иностранных судов. Saarbrucken, Deutschland: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 196 с.
2. Липис В. Б., Ремез Ю. В. Безопасные режимы штормового плавания судов. М.: Транспорт, 1982. 117 с.
3. Ершов А. А., Теренчук А. В. Совершенствование методов обеспечения безопасности штормового плавания судов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2015. № 3. С. 7-13.
4. Вагущенко Л. Л., Вагущенко А. Л., Заичко С. И. Бортовые автоматизированные системы контроля мореходности. Одесса: Феникс, 2005. 272 с.
5. Правила классификации и постройки морских судов 2018 // Российский Морской Регистр Судоходства Ч. IV. Остойчивость. С. 16. URL: http://www.rs-class.org/ru/register/publications/list.php. (дата обращения: 05.01.2018).
6. Ершов А. А., Теренчук А. В. Практический способ определения параметрического резонанса по бортовой качке судна // Вестн. Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адмирала С. О. Макарова. 2015. № 5 (33). C. 18-25.
7. Единая государственная система информации об обстановке в Мировом океане. Оперативный модуль ЕСИМО. Оперативная информация о состоянии Мирового океана: URL: http://hmc.meteorf.ru/sea (дата обращения: 17.12.2017).
Статья поступила в редакцию 22.01.2018 ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Ершов Андрей Александрович — Россия, 198035, Санкт-Петербург; Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова; д-р техн. наук, доцент; профессор кафедры маневрирования и управления судном; [email protected].
Сольнов Сергей Вениаминович - Россия, 198035, Санкт-Петербург; Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова; аспирант кафедры навигации; [email protected].
Бояринов Александр Михайлович — Россия, 198035, Санкт-Петербург; Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова; канд. техн. наук, доцент; декан факультета навигации и связи; [email protected].
A. A. Ershov, S. V. Solnov, A. M. Boyarinov
DIAGRAM FOR DETERMINING DANGEROUS ZONES WHEN SAILING IN HEAVY WEATHER
Abstract. One of the most serious factors which influences the safety of a ship in heavy weather is wave impact. Nowadays, there are no seakeeping regulations which provide safety of a ship when there is possibility of resonance rolling, broaching, slamming, parametric resonance. Current
Russian Instructions for Watch keeping give general recommendations about ship handling in heavy weather. These Instructions order the navigators to use storm charts. The most popular diagrams are the storm charts by U. V. Remez and A. I. Bogdanov. It should be mentioned that it is quite difficult to use Remez and Bogdanov's storm charts manually in stormy weather: a watch keeper has to make calculations, manual plotting, interpolations between lines of the chart. Some vessels use integrated automatic seakeeping systems which are capable to solve this task, but high price of such systems limits the possibility of their use. The article presents a chart of dangerous phenomena based on Yu.V.Remez and A.I.Bogdanov's charts and available in Excel program. The chart is applicable both for deep water and for shallow water. Excel program automatically calculates and displays on the chart zones of main rolling, pitching and vertical resonance, as well as parametric resonance taking into account ship's dimensions, draft, stability, state of sea. Besides, the program allows forecasting resonance when ship changes the course. Bringing the chart in is not difficult as all the data necessary for the program can be obtained on board a ship. Excel program is available on board of all ships.
Key words: navigation in heavy weather, dangerous phenomena during rolling, rolling of the ship, heaving, main and parametric resonance.
REFERENCES
1. Ershov A. A. Nekotorye avarii i katastrofy otechestvennykh i inostrannykh sudov [Ship accidents and disasters in Russia and abroad]. Saarbrucken, Deutschland, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 196 p.
2. Lipis V. B., Remez Iu. V. Bezopasnye rezhimy shtormovogo plavaniia sudov [Safe methods of sailing in stormy weather]. Moscow, Transport Publ., 1982. 117 p.
3. Ershov A. A., Terenchuk A. V. Sovershenstvovanie metodov obespecheniia bezopasnosti shtormovogo plavaniia sudov [Improving methods of safe sailing in stormy weather]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstven-nogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2015, no. 3, pp. 7-13.
4. Vagushchenko L. L., Vagushchenko A. L., Zaichko S. I. Bortovye avtomatizirovannye sistemy kontro-lia morekhodnosti [On-board automated control systems of seagoing qualities of the ship]. Odessa, Feniks Publ., 2005. 272 p.
5. Pravila klassifikatsii ipostroiki morskikh sudov 2018 [Rules for classification and building of seagoing vessels]. Rossiiskii Morskoi Registr Sudokhodstva. Part IV. Ostoichivost'. P. 16. Available at: http://www.rs-class.org/ru/register/publications/list.php (accessed: 05.01.2018).
6. Ershov A. A., Terenchuk A. V. Prakticheskii sposob opredeleniia parametricheskogo rezonansa po bortovoi kachke sudna [Practical means to calculate parametrical resonance using rolling readings]. Vestnik Gosu-darstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2015, no. 5 (33), pp. 18-25.
7. Edinaia gosudarstvennaia sistema informatsii ob obstanovke v Mirovom okeane. Operativnyi modul' ESIMO. Operativnaia informatsiia o sostoianii Mirovogo okeana [The Integrated State System of data on the oceans and seas]. Available at: http://hmc.meteorf.ru/sea (accessed: 17.12.2017).
The article submitted to the editors 22.01.2018
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Ershov Andrey Aleksndrovich — Russia, 198035, Saint Petersburg; Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping; Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department of Maneuvering and Ship Handling; [email protected].
Solnov Sergei Veniaminovich - Russia, 198035, Saint Petersburg; Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping; Postgraduate Student of the Department of Navigation; [email protected].
Boyarinov Alexander Michailovich — Russia, 198035, Saint Petersburg; Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department of Navigation and Communication; [email protected].
