Маневренные испытания судов

Назначение маневренных испытаний судов и подготовка к ним

Термин «маневренные качества судна» включает два независимых понятия, а именно: управляемость судна и его реверсивные качества.
Управляемостью называется способность судна двигаться по заданной судоводителем траектории.
Наиболее распространенным средством обеспечения управляемости являются рули и поворотные направляющие насадки. В последнее время довольно широко применяются дополнительные устройства, обеспечивающие управление судном. Эти устройства принято называть средствами активного управления. Принципиальное отличие средств активного управления от рулей заключается в том, что сила на руле  возникает за счет скорости потока, набегающего на его перо, а поперечные силы средств активного управления создаются за счет мощности специального двигателя. Сила, создаваемая средствами активного управления, мало зависит от скорости судна, поэтому применение последних особенно эффективно при малых скоростях движения. Методы исследования управляемости судов, оборудованных такими устройствами, еще недостаточно разработаны, поэтому основное внимание будет уделено изучению управляемости судов,  оборудованных рулями.
Реверсивные качества судна характеризуются продолжительностью маневра изменения направления движения на противоположное и величиной пути, проходимого при этом судном. Реверс судна обеспечивается либо с помощью его главной механической установки, либо путем поворота лопастей движителей.
Поскольку характер маневров, а также средства, с помощью которых они обеспечиваются, совершенно различны, маневренные испытания подразделяются на два цикла: испытания управляемости и испытания реверса.
Эти испытания по методике проведения и характеру используемой аппаратуры существенно отличаются друг от друга. Поэтому вопросы их организации будут рассматриваться раздельно.
Управляемость включает в себя два качества — устойчивость на курсе и поворотливость. Устойчивостью на курсе называется способность судна удерживаться на заданном прямолинейном курсе. Поворотливостью называется способность судна изменять направление движения и двигаться по заданной криволинейной траектории. Траектория, по которой движется судно с переложенным рулем, называется циркуляцией.
При движении судна на циркуляции все точки судна движутся по криволинейным траекториям. При этом диаметральная плоскость судна образует с касательной к траектории в данной точке некоторый угол, называемый углом дрейфа, который имеет переменное значение по длине судна. При циркуляции под действием сил, действующих на корпус и рули, судно кренится на некоторый угол. Таким образом, движение судна на циркуляции характеризуется элементами траектории, углами дрейфа и крена.
Для последующего анализа результатов испытаний необходимо при их проведении одновременно с параметрами движения регистрировать угол перекладки руля, скорость судна, частоту вращения гребных валов, а также значения величин, характеризующих состояние судна, а именно: водоизмещение, посадку и начальную метацентрическую высоту.
Реверс судна характеризуется прежде всего длиной пути, проходимого судном от момента начала реверса до момента полной остановки. Длину этого пути принято называть выбегом, а время движения судна — временем выбега. Теоретически траектория движения судна в процессе реверса должна быть прямолинейной, однако практически она, как правило, в той или иной степени искривляется. Это искривление обусловлено прежде всего боковыми силами, которые развиваются на корпусе под действием потока, отбрасываемого гребным винтом, а также влиянием течения и ветра и различного исполнения реверса механическими установками при двух и более гребных валах: Поэтому для достоверной оценки реверсивных качеств недостаточно измерить расстояние между двумя положениями судна в начале и в конце реверса, необходимо еще построить траекторию его движения, а также иметь данные о работе механической установки в процессе реверса.
Работа механической установки обычно характеризуется законом изменения частоты вращения гребных валов, а при наличии самопишущих торсиометров — изменением мощности или крутящего момента на гребных валах. Если реверс осуществляется поворотом лопастей движителя, то углы и время поворота лопастей должны быть зарегистрированы дополнительно.
Маневренные испытания обычно не требуют специальной подготовки корпуса, но если необходимо более тщательное проведение опыта, то судно обязательно ставят в док для очистки от обрастания обшивки корпуса и выступающих частей с последующей их окраской. В процессе докования следует проверить исправность перьев рулей, рудерпостов и других деталей рулевого устройства. Если в процессе испытаний возникают сомнения в исправности рулевого устройства, необходимо произвести водолазный осмотр подводной части корпуса.
Подготовка нагрузки судна к маневренным испытаниям, особенно к испытаниям на управляемость, представляет значительно более сложную задачу. Влияние посадки при испытаниях на управляемость еще более существенно, чем при скоростных испытаниях, так как дифферент на корму приводит к увеличению диаметров установившейся циркуляции, а дифферент на нос улучшает поворотливость судна.
Возникающие в процессе циркуляции поперечные наклонения требуют поддержания заданных значений остойчивости судна (начальной метацентрической высоты). Последнее необходимо для дальнейшего анализа измеренных значений углов крена, а также для безопасности личного состава судна в процессе испытаний.
Водоизмещение судна перед началом испытаний должно быть близким к спецификационному и несколько превышать последнее. Величина превышения выбирается с таким расчетом, чтобы с учетом расходования топлива на переход к району испытаний и на сами испытания водоизмещение судна в процессе измерений отличалось от заданного не более чем на 2—3%. При этом должно быть предусмотрено такое размещение топлива и грузов, которое обеспечивало бы проектные значения посадки и остойчивости судна. При размещении топлива и других жидких грузов необходимо обращать внимание на всемерное сокращение свободных поверхностей жидкости в цистернах: они должны быть запрессованы либо опорожнены полностью.
Однако для успешного проведения испытаний недостаточно обеспечить заданную посадку и остойчивость к началу измерений. Необходимо предусмотреть такой порядок расходования грузов, при котором посадка судна и его остойчивость менялись бы в возможно более узких пределах. Поэтому очень важно разработать рациональную схему расходования топлива. Для сохранения посадки целесообразно забирать топливо из нескольких цистерн, однако подобная схема расходования неизбежно приводит к появлению больших свободных поверхностей жидкости и, следовательно, к снижению остойчивости.
Водоизмещение и посадку судна при данной нагрузке и схеме размещения грузов контролируют перед выходом судна на испытания по маркам углубления (см. главу 1, § 3). Изменение водоизмещения в процессе испытаний регистрируют по сводке переменных грузов. Обязательна вторичная проверка посадки судна после его возвращения на базу по окончании испытаний.
Проверку начальной остойчивости перед началом испытаний производят либо путем упрощенного кренования, либо по периоду свободных колебаний.
Упрощенное кренование судна производят с помощью инклинографа Амаева. Инклинограф представляет собой самопишущий маятниковый прибор, отличающийся большим увеличением масштаба записи углов.


Рис. 55. Принципиальная схема инклинографа Амаева.
1 — перо; 2 — барабан; 3 — ходоувеличитель пера; 4 — маятник.

Принципиальная схема прибора приведена на рис. 55. Положение оси поворота стрелки прибора может быть изменено, что позволяет регулировать величину масштаба записи. Запись углов осуществляется на бумажной ленте, намотанной на барабан, который имеет часовой механизм, обеспечивающий постоянную скорость вращения. Благодаря большой чувствительности прибора при упрощенном креновании достаточно иметь наклонение судна на весьма малые углы, что может быть достигнуто переходом с борта на борт группы людей (вес людей должен составлять 0,1—0,2% водоизмещения судна).
Упрощенное кренование производят при отсутствии волнения и при ветре не свыше 3 баллов. При этом судно отводят от стенки на расстояние, равное ширине корпуса; глубина воды под килем должна быть не меньше осадки. Необходимо следить за тем, чтобы наклонения судна не ограничивались швартовами. Весь личный состав судна, за исключением участвующих % опыте, должен находиться на своих постах, передвижение по судну в процессе опыта воспрещается.
Опыт кренования выполняется следующим образом. Из личного состава комплектуется команда, число членов которой определяется из условия достижения заданного суммарного веса. Как правило, вес людей устанавливается либо по данным опроса, либо по средним данным. В среднем вес человека в летней одежде принимается равным 62—67 кг, в зимней одежде — 65—70 кг.
Место для перехода команды выбирают в районе наибольшей ширины судна, причем положение команды на каждом борту заранее размечают, а расстояние между ними измеряют. Перед началом эксперимента команда, участвующая в креновании, выстраивается либо в районе диаметральной плоскости, либо, разбившись на две равные группы, по бортам, Затем псе специальной команде все участники опыта медленно переходят на один борт, причем регистрируется соответствующий этому положению угол наклонения судна. После этого команда переходит на другой борт, и вновь инклинографом фиксируют угол крена судна.
Подобные переходы повторяют 6—7 раз. По результатам этих измерений вычисляют среднее значение угла крена, которое принимается в расчет при определении начальной метацентрической высоты.
Последнюю рассчитывают по формуле

где P1 — масса кренящего груза, т; b — плечо перемещения груза, м; Δ — водоизмещение судна, т; θ — среднее значение угла крена (по показаниям инклинографа), град.
Погрешность определения начальной метацентрической высоты методом упрощенного кренования составляет ±3%.
Метод определения начальной остойчивости судна по периоду собственных колебаний существенно менее точен. Как правило, погрешность этого метода измерений лежит в пределах ±10%.
Если из предыдущего кренования известны соответствующие значения периода свободных колебаний го и начальной метацентрической высоты h0, то метацентрическая высота по данным опыта равна

где г — период собственных колебаний судна, определенный из опыта раскачивания, с.
Если данные кренования отсутствуют, то начальную метацентрическую высоту рассчитывают по формуле

где В — ширина судна по конструктивной ватерлинии; c1 — коэффициент, с2/м.
Значение коэффициента с1 для пассажирских судов принимают равным 0,50—0,56; для грузовых (с грузом)—0,65. Для приближенных оценок коэффициент с1 можно принимать равным 0,65.
Опыт раскачивания производят следующим образом. Из личного состава судна выделяют группу людей, общий вес и число которых устанавливают в соответствии с размером судна и наличием на палубе пространства для перебежек. Место для перебежек выбирают в средней части судна — в районе, где находящиеся на палубе надстройки не препятствуют перебежкам команды.
Раскачивающая команда выстраивается на одном борту в один-два ряда. По команде люди перебегают на противоположный борт в возможно короткое время. При этом команды на перебежку подают таким образом, чтобы люди все время бежали «в гору», пересекая диаметральную плоскость в момент максимального крена судна. По достижении заметных углов крена (около 5°) подают команду «стоп», по которой группа, участвующая в раскачивании судна, выстраивается в районе диаметральной плоскости.
Период собственных колебаний судна определяют по записи инклинографа Амаева или другого самопишущего кренометра, либо визуально с помощью визиров и секундомеров. Если для определения периода собственных колебаний судна пользуются записью самописца, то масштаб времени прибора должен быть тщательно проверен. В тех случаях, когда период собственных колебаний определяют визуально, в испытаниях должны участвовать два-три человека с секундомерами. Каждый из них фиксирует момент максимального наклонения судна, наблюдая за неподвижным предметом на берегу. После начала опыта наблюдатель регистрирует время, необходимое для трех-четырех полных колебаний судна.
Опыт раскачивания повторяют четыре-пять раз, затем вычисляют среднее арифметическое периодов колебании, отмеченных для каждого раскачивания отдельными наблюдателями.
Опытное определение остойчивости нужно проводить дважды: до начала испытаний судна и после их окончания.
При маневренных испытаниях Желательно полностью исключить влияние на результаты испытаний свободных поверхностей жидкостей. Но поскольку полное опрессование всех цистерн практически невозможно, необходимо иметь в виду, что при криволинейном движении влияние свободных поверхностей жидкостей усиливается за счет влияния центробежных сил инерции. Поэтому действительное значение метацентрической высоты на циркуляции меньше, чем на прямом курсе. Степень снижения остойчивости можно приближенно найти по формуле

где h1 — метацентрическая высота без учета свободных поверхностей жидкостей; Δh — поправка на Влияние свободных поверхностей жидкостей; v — скорость судна на установившейся циркуляции; R — радиус установившейся циркуляции.


Испытания судов