СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА
SHIP STABILITY CONTROL METHOD

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам контроля остойчивости судна в условиях эксплуатации, и может быть использовано при создании навигационных экспертных систем.
Известен способ контроля остойчивости судна (Патент на изобретение №2405712, МПК В63В 39/14 опубл. 10.12.2010 г.), применяемый для контроля остойчивости в условиях заливания палубы на попутном волнении, основанный на измерении периода бортовой качки и определении расчетом метацентрической высоты, при вычислении которой дополнительно измеряют осадки судна носом и кормой, курсовой угол и скорость судна на нерегулярном волнении, скорость ветра, координаты места судна и расстояние до ближайшего порта-убежища, причем при оценке остойчивости судна при текущем состоянии нагрузки дополнительно измеряют толщину слоя воды в палубном колодце для прямого положения судна, на основании чего определяют плечо кренящего момента от влившейся на палубу воды, а по замеренным значениям угла входа кромки фальшборта в воду, угла крена, осадкам носом и кормой вычисляют водоизмещение судна и действующий кренящий момент, величина которого представляется в виде графической зависимости от угла крена для сопоставления с предельной, критической диаграммой остойчивости судна на вершине волны, рассчитанной с учетом нормируемых параметров волнения, причем оценка остойчивости выполняется по критерию, основанному на вычислении фактической аппликаты центра тяжести судна для текущей диаграммы остойчивости на вершине волны, величина которой не должна превышать критическую аппликату центра тяжести судна для предельной диаграммы.
Существенным недостатком данного способа контроля остойчивости судна является невозможность его применения для контроля остойчивости судна при захвате волной носовой оконечности на встречном волнении.
Известен способ контроля остойчивости судна на разрушающемся волнении (Патент на изобретение №2455190, МПК В63В 39/14, В63В 39/00 опубл. 10.07.2012 г.), основанный на измерении периода бортовой качки и определении расчетом метацентрической высоты, при вычислении которой дополнительно измеряют осадки судна носом и кормой, «кажущийся» период волны, курсовой угол и скорость судна на нерегулярном волнении, при оценке остойчивости в условиях разрушающегося волнения в заданном районе плавания при текущем состоянии нагрузки судна дополнительно измеряют угловую скорость при бортовой качке, глубину воды под килем судна и параметры деформируемого на мелководье волнения, на основании чего рассчитывают характеристики ударного воздействия разрушающихся волн, определяют фактические показатели динамики взаимодействия судна с внешней средой и возможность опрокидывания судна в момент удара разрушающейся волны.
Данный способ контроля остойчивости судна на разрушающемся волнении обладает тем недостатком, что не позволяет оценивать остойчивость судна в условиях захвата волной носовой оконечности.
Известен способ прогнозирования качки судна при посадке летательных аппаратов в морских условиях (Патент на изобретение №2571389, МПК G06N 3/02, G05D 1/00 опубл. 20.12.2015 г.), реализуемый с использованием принципа конкуренции и включающий измерение текущих угловых перемещений палубы судна и формирование на основании предыдущих и последующих перемещений методами экстраполяции модели качки и измерении величин скоростей перемещений при бортовой и килевой качке, сравнении величин перемещений и скоростей перемещений с предельно допустимыми значениями амплитуд бортовой и килевой качки, заданными из условия безопасной посадки, определении по результатам сравнения области незначительной качки, корректировке спрогнозированной модели и сигнализации летчику о моментах начала и завершения взлетно-посадочных операций в заданных погодных условиях.
Данный способ прогнозирования качки судна при посадке летательных аппаратов в морских условиях обладает тем недостатком, что не учитывает особенности динамики взаимодействия судна с внешней средой в условиях захвата волной носовой оконечности на встречном волнении и не позволяет контролировать остойчивость судна в такой ситуации.
Известен способ оперативного контроля остойчивости судна в чрезвычайных ситуациях (Патент на изобретение №2631127, МПК G06F 17/50, В63В 39/14 опубл. 19.09.2017 г.), реализуемый на основе интеллектуальных технологий, методов динамической теории катастроф и высокопроизводительных средств вычислений, при реализации которого генерируют варианты функциональной и организационной структуры системы управления бортовой интеллектуальной системой на основе принципов формализации логической системы знаний в условиях неопределенности и неполноты исходной информации, выполняют оценку результатов генерации концептуальных решений на основе критериев обеспечения безопасности мореплавания.
Данный способ оперативного контроля остойчивости судна в чрезвычайных ситуациях обладает существенным недостатком, заключающимся в невозможности контроля с его помощью остойчивости судна в условиях захвата волной носовой оконечности на встречном волнении.
Известен способ контроля остойчивости и скорости судна (Патент на изобретение №2259301, МПК В63В 39/14, опубл. 27.08.2005 г.), заключающийся в измерении периода бортовой качки и определении расчетом метацентрической высоты, при вычислении которой измеряют осадки судна носом и кормой, кажущийся период волны, курсовой угол, скорость судна на нерегулярном волнении, скорость кажущегося ветра, температуру воздуха и температуру забортной воды, при этом при определении скорости судна в ледовых условиях дополнительно измеряют толщину льда, толщину снежного покрова, толщину наружной обшивки и толщину набора корпуса в носовой части судна в зоне контакта, устанавливают фактическое состояние корпуса, характеризуемое уменьшением толщины обшивки и набора в результате износа, и определяют безопасную скорость судна.
Недостатком данного способа является то, что он не позволяет контролировать остойчивость судна в условиях захвата волной носовой оконечности, когда вследствие значительных гидродинамических давлений на палубу судна в носовой оконечности возможно резкое падение поперечной метацентрической высоты и возникновение опасности опрокидывания судна.
В качестве ближайшего аналога принят способ контроля остойчивости судна (Патент на изобретение №2043271, МПК В65В 39/14, опубл. 10.09.1995 г.), заключающийся в измерении периода бортовой качки и определении расчетом метацентрической высоты, причем при определении метацентрической высоты дополнительно измеряют осадку носом и кормой, кажущийся период волны, курсовой угол, скорость судна на нерегулярном волнении, скорость кажущегося ветра, температуру воздуха и температуру забортной воды.
Существенным недостатком данного способа является то, что он не позволяет осуществлять контроль остойчивости судна в условиях захвата волной носовой оконечности судна на встречном волнении, когда вследствие периодического погружения носовой оконечности в волну на нее действуют значительные гидродинамические усилия, приводящие к трансформации диаграммы статической остойчивости и уменьшению поперечной метацентрической высоты.
Изобретение решает задачу повышения безопасности мореплавания путем предотвращения возможных опасных ситуаций, связанных с потерей остойчивости судна на встречном волнении в условиях захвата волной носовой оконечности за счет прогнозирования параметров морского волнения, расчета возможных нагрузок на палубу при ее обтекании и расчета параметров, характеризующих остойчивость судна в период обтекания, которые сравнивают с нормативными требованиями.
Для получения необходимого технического результата в способе контроля остойчивости судна, включающем измерения периода бортовой качки, осадки судна носом и кормой, кажущегося периода волны, курсового угла, скорости судна на волнении, скорости кажущегося ветра и определение расчетом метацентрической высоты, предлагается прогнозировать параметры морского волнения известным способом, моделировать качку судна с учетом возможности захвата волной носовой оконечности и рассчитывать нагрузку на палубу при ее обтекании, рассчитывать координаты центра величины, определять поперечную метацентрическую высоту, положение центра тяжести и строить трансформированную диаграмму статической остойчивости судна на прогнозируемом морском волнении, после чего осуществлять проверку на соответствие нормативным требованиям поперечной метацентрической высоты и трансформированной диаграммы статической остойчивости и делать заключение об остойчивости судна на прогнозируемом морском волнении.
На прилагаемых графических материалах изображено:
на фиг. 1 - диаграммы статической остойчивости для судна при нормальной эксплуатации и в условиях захвата волной носовой оконечности;
на фиг. 2 - изменение с течением времени нагрузки, действующей на носовую оконечность в условиях захвата волной носовой оконечности.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - диаграмма статической остойчивости для судна в условиях нормальной эксплуатации;
2 - диаграмма статической остойчивости для судна в условиях захвата волной носовой оконечности;
t - время, с;
- нагрузка, действующая на носовую оконечность судна в условиях захвата волной носовой оконечности, отнесенная к весовому водоизмещению судна;
- плечо остойчивости, м;
θ - угол крена, градус.
Способ контроля остойчивости судна осуществляется следующим образом. При помощи датчиков осуществляется измерение курсового угла волны, кажущегося периода волны, осадки носом и кормой, скорости судна на волнении, скорости кажущегося ветра, а также периода бортовой качки судна. По данным измерений осадок носом и кормой на основании теоретического чертежа судна рассчитываются координаты центра величины, а также на основании анализа качки судна определяется значение поперечной метацентрической высоты и положение центра тяжести. Далее с использованием данных теоретического чертежа строится диаграмма статической остойчивости судна для данных условий нагрузки.
На основании данных измерения волнения и с использованием метеопрогноза выполняется прогнозирование параметров морского волнения для того района мирового океана, где находится судно.
Для прогнозирования параметров морского волнения может использоваться, например, устройство измерения и прогнозирования параметров морского волнения (Патент на полезную модель №139053, МПК G01S 13/58, опубл. 10.04.2014 г.), позволяющее прогнозировать параметры морского волнения, как в краткосрочном, так и в долгосрочном режиме.
Режим краткосрочного прогнозирования основан на анализе выборки данных по диапазону времени, задаваемому через блок управления. Глубина прогнозирования в этом случае составляет не более двух часов.
Режим долгосрочного прогнозирования реализуется при использовании данных от блока приема данных метеопрогноза, в качестве которого может быть использован, например, навигационный телекс с цифровым интерфейсом. В этом случае, прогноз параметров морского волнения осуществляется на основе анализа знаний, с использованием продукционной системы. Диапазон глубины прогноза при использовании данного режима увеличивается до двадцати четырех часов. Значение глубины прогноза устанавливается оператором через блок управления.
Затем для полученных в результате прогнозирования параметров морского волнения осуществляется моделирование качки судна с учетом возможности возникновения захвата волной носовой оконечности [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу об определении нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее заливании на встречном волнении // Морские интеллектуальные технологии. - 2018. - №4(42), т. 3. - С. 19-25].
По результатам моделирования определяются скорости движения носовой оконечности при вертикальной и килевой качке и вычисляются гидродинамические усилия, действующие на носовую оконечность при прогнозируемых параметрах волнения. Далее определяется поперечная метацентрическая высота при экстремальных значениях гидродинамической силы, действующей на носовую оконечность, а также осуществляется построение диаграммы статической остойчивости, которая резко трансформируется в условиях захвата волной носовой оконечности, отражая ухудшение остойчивости судна [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу о сценарии гибели судов во время шторма вследствие захвата волной их носовой оконечности // Морские интеллектуальные технологии. - 2017. - №4(38), т. 2. - С. 27-33].
После этого на основании анализа полученного значения поперечной метацентрической высоты и трансформированной диаграммы статической остойчивости с учетом требований нормативных документов [Правила классификации и постройки морских судов. Часть IV. Остойчивость / Российский Морской Регистр судоходства. - СПб.: РМРС, 2018. - 82 с.] принимается решение о выборе курса и скорости судна, а также реализации мероприятий по повышению остойчивости судна, для удовлетворения минимальных требований к остойчивости судна из условия обеспечения безопасности мореплавания.
В качестве примера осуществления предлагаемого способа контроля остойчивости судна рассмотрим движение судна водоизмещением 5000 т, длиной 110 м в условиях развитого волнения. Скорость движения судна примем равной υ=5,14 м/с, высоту надводного борта Н=3 м. Пусть поперечная метацентрическая высота, определенная по результатам замера периода бортовой качки, осадки носом и кормой, кажущегося периода волны, курсового угла, скорости судна на нерегулярном волнении и ординат процессов волнения и бортовой качки составляет h=0,44 м. В этом случае на основании теоретического чертежа могут быть определены координаты центра величины, и для данной метацентрической высоты рассчитана аппликата центра тяжести судна для текущих условий загрузки. Это позволяет построить диаграмму статической остойчивости судна, представленную кривой 1 на фиг. 1.
В соответствии с п. 2.2.1 [Правила классификации и постройки морских судов. Часть IV. Остойчивость / Российский Морской Регистр судоходства. - СПб.: РМРС, 2018. - 82 с.] площадь под положительной частью диаграммы статической остойчивости должна быть не менее 0,055 м⋅рад до угла крена 30° и не менее 0,09 м⋅рад до угла крена 40° либо до угла заливания, в зависимости от того, какой из них меньше. Кроме того, максимальное плечо диаграммы статической остойчивости должно быть не менее 0,25 м для судов длиной L<80 м и 0,20 м для судов длиной L>105 м при угле крена θ>30°. Эти условия выполняются для судна, диаграмма статической остойчивости которого представлена кривой 1 на фиг. 1.
В соответствии с п. 2.3.1 [Правила классификации и постройки морских судов. Часть IV. Остойчивость / Российский Морской Регистр судоходства. - СПб.: РМРС, 2018. - 82 с.], исправленная начальная метацентрическая высота всех судов при всех случаях загрузки, за исключением «судна порожнем», должна иметь значение не менее 0,15 м. Это условие также выполняется для судна, диаграмма статической остойчивости которого представлена кривой 1 на фиг. 1.
w
-1
Пусть по данным замеров текущих параметров волнения и на основании метеопрогноза были получены следующие прогнозируемые параметры волнения: высота волны h=5,5 м, длина волны λ=110 м, частота волны σ=0,746 с. По результатам моделирования динамики судна, движущегося вразрез волне, с учетом взаимодействия носовой оконечности с волнами при ее обтекании, может быть вычислено максимальное значение гидродинамической силы  действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее захвате волной (фиг. 2). Из рисунка видно, что в качестве расчетного может быть принято значение . Для этого значения гидродинамической силы с использованием данных теоретического чертежа может быть определена поперечная метацентрическая высота и построена трансформированная диаграмма статической остойчивости (кривая 2 на фиг. 1). Видно, что поперечная метацентрическая высота судна в условиях захвата волной носовой оконечности становится отрицательной , а максимальное плечо остойчивости сокращается примерно в 7 раз.
Таким образом, в условиях захвата волной носовой оконечности судна на прогнозируемом волнении (кривая 2 на фиг. 1) поперечная метацентрическая высота является отрицательной. Требования к максимальному плечу диаграммы статической остойчивости и к площади под положительной частью диаграммы статической остойчивости также не выполняются. Поэтому остойчивость судна, диаграмма статической остойчивости которого представлена кривой 2 на фиг. 1, нельзя считать соответствующей требованиям нормативных документов [Правила классификации и постройки морских судов. Часть IV. Остойчивость / Российский Морской Регистр судоходства. - СПб.: РМРС, 2018. - 82 с.].
Поэтому остойчивость судна в условиях захвата волной носовой оконечности при прогнозируемых параметрах волнения не может быть признана удовлетворительной, следовательно, судоводителю необходимо избегать указанного района либо принять меры по повышению остойчивости судна. При этом эффективность указанных мер может быть оценена путем моделирования поведения судна с параметрами остойчивости, получаемыми после их реализации.
Таким образом, предлагаемый способ контроля остойчивости судна позволяет по результатам замеров фактических параметров волнения и на основании данных метеопрогноза осуществлять прогнозирование остойчивости судна в условиях захвата волной носовой оконечности на встречном волнении. Это позволяет судоводителю в случае неблагоприятного прогноза принять решение об изменении курса или заблаговременно реализовать мероприятия по повышению остойчивости судна, что способствует повышению безопасности мореплавания.