Устойчивость судна — это область военно-морской архитектуры и проектирования судов, которая занимается тем, как судно ведет себя в море, как в спокойной воде, так и на волнах, будь оно неповрежденным или поврежденным. Расчеты устойчивости сосредоточены на центрах тяжести , центрах плавучести , метацентрах судов и на том, как они взаимодействуют.
Устойчивость судна, как она относится к морской архитектуре, принималась во внимание в течение сотен лет. Исторически расчеты устойчивости судна основывались на расчетах на основе эмпирических правил , часто привязанных к определенной системе измерений. Некоторые из этих очень старых уравнений продолжают использоваться в книгах по морской архитектуре и сегодня. Однако появление методов определения устойчивости, основанных на исчислении, в частности, введение Пьером Буге концепции метацентра в бассейне модели судна 1740-х годов , позволяет проводить гораздо более сложный анализ.
Мастера-судостроители прошлого использовали систему адаптивного и вариантного проектирования. Корабли часто копировались из поколения в поколение с небольшими изменениями; копируя стабильные конструкции, обычно удавалось избежать серьезных проблем. Сегодняшние корабли по-прежнему используют этот процесс адаптации и вариации; однако вычислительная гидродинамика , тестирование моделей кораблей и лучшее общее понимание движений жидкости и корабля позволили сделать проект более аналитическим.
Поперечные и продольные водонепроницаемые переборки были введены в конструкции броненосцев между 1860 и 1880 годами, а переборки, препятствующие столкновению, стали обязательными на британских паровых торговых судах до 1860 года. [1] До этого пробоина в корпусе в любой части судна могла затопить его по всей длине. Поперечные переборки, хотя и дорогие, увеличивают вероятность выживания судна в случае повреждения корпуса, ограничивая затопление пробитыми отсеками, которые они отделяют от неповрежденных. Продольные переборки имеют схожее назначение, но необходимо учитывать эффекты поврежденной остойчивости, чтобы исключить чрезмерный крен . Сегодня большинство судов имеют средства для выравнивания воды в секциях левого и правого борта (перекрестное затопление), что помогает ограничить структурные напряжения и изменения крена и/или дифферента судна.
Дополнительные системы остойчивости предназначены для уменьшения воздействия волн и порывов ветра. Они не повышают остойчивость судна в спокойном море. Международная конвенция о грузовых марках Международной морской организации не упоминает активные системы остойчивости как метод обеспечения остойчивости. Корпус должен быть остойчив без активных систем.
Скуловой киль — это длинный, часто V-образный металлический плавник, приваренный по всей длине судна на повороте скулы. Скуловые кили используются парами (по одному на каждую сторону судна). Редко, судно может иметь более одного скулового киля на сторону. Скуловые кили увеличивают гидродинамическое сопротивление при качке судна, ограничивая величину качки.
Аутригеры могут использоваться на судах для уменьшения качки, либо силой, необходимой для погружения плавучих поплавков, либо гидродинамическими крыльями. В некоторых случаях эти аутригеры имеют достаточный размер, чтобы классифицировать судно как тримаран ; на других судах их можно просто назвать стабилизаторами.
Антибортовые цистерны — это внутренние цистерны, оснащенные перегородками для замедления скорости перемещения воды с левого борта цистерны на правый борт. Они спроектированы таким образом, чтобы большее количество воды задерживалось на более высокой стороне судна. Они предназначены для создания эффекта, противоположного эффекту свободной поверхности .
Параваны могут использоваться на тихоходных судах, например, рыболовных, для уменьшения бортовой качки.
Активные системы стабилизации, которые имеются на многих судах, требуют подачи энергии в систему в виде насосов, гидравлических поршней или электрических приводов . Они включают в себя стабилизаторы, прикрепленные к борту судна, или резервуары, в которых перекачивается жидкость для противодействия движению судна.
Активные плавниковые стабилизаторы уменьшают качку судна на ходу или, в последнее время, в состоянии покоя. Они выходят за пределы корпуса судна ниже ватерлинии и изменяют угол атаки в зависимости от угла крена и скорости крена судна, работая аналогично элеронам самолета . Круизные суда и яхты часто используют этот тип стабилизирующей системы.
Если плавники не убираются, они представляют собой неподвижные придатки к корпусу, которые могут увеличивать ширину или осадку судна и требуют дополнительного зазора между корпусом и корпусом.
В то время как типичный стабилизатор "активный плавник" эффективно противодействует качке для судов на ходу, некоторые современные системы активных плавников могут уменьшать качку, когда суда не на ходу. Эти системы, называемые нулевой скоростью или стабилизацией в состоянии покоя, работают, перемещая специально разработанные плавники с достаточным ускорением и импульсным временем для создания эффективной энергии, гасящей качку.
Если судно находится в движении, быстрая смена руля не только инициирует смену курса, но и вызывает крен судна. Для некоторых судов, таких как фрегаты, этот эффект настолько велик, что он может использоваться алгоритмом управления для одновременного управления судном и уменьшения его креновых движений. Такая система обычно называется «системой стабилизации крена руля». Ее эффективность может быть такой же хорошей, как у стабилизаторов. Однако это зависит от скорости судна (чем выше, тем лучше) и различных конструктивных аспектов судна, таких как положение, размер и качество системы позиционирования руля (ведет себя так же быстро, как стабилизатор). Также важно, насколько быстро судно будет реагировать на движения руля креновыми движениями (чем быстрее, тем лучше) и скоростью поворота (чем медленнее, тем лучше). Несмотря на высокую стоимость высококачественного рулевого механизма и усиления кормы судна, этот вариант стабилизации обеспечивает лучшую экономичность, чем стабилизаторы. Он требует меньше установок, менее уязвим и вызывает меньшее сопротивление. Еще лучше, требуемые высококачественные компоненты обеспечивают отличные рулевые свойства также в те периоды, когда не требуется снижение качки и значительное снижение подводного шума. Известными военными кораблями с таким решением стабилизации являются F124 (Германия), M-Fregat и LCF (оба из ВМС Нидерландов).
Гироскопы впервые были использованы для управления креном судна в конце 1920-х и начале 1930-х годов для военных кораблей, а затем и для пассажирских лайнеров. Наиболее амбициозное использование больших гироскопов для управления креном судна было на итальянском пассажирском лайнере SS Conte di Savoia , на котором три больших гироскопа Sperry были установлены в передней части судна. Хотя это оказалось успешным в резком уменьшении качки в западном направлении, систему пришлось отключить на восточном участке пути по соображениям безопасности. Это было связано с тем, что при попутном волнении (и глубоких медленных кренах, которые это создавало) судно имело тенденцию «зависать» с включенной системой, и инерция, которую она создавала, затрудняла для судна выпрямление при сильных кренах. [2]
Стабилизаторы гироскопа состоят из вращающегося маховика и гироскопической прецессии , которая накладывает крутящий момент на конструкцию корпуса, восстанавливающий лодку . Угловой момент маховика гироскопа является мерой того, в какой степени маховик будет продолжать вращаться вокруг своей оси, если на него не действует внешний крутящий момент. Чем выше угловой момент, тем больше сила сопротивления гироскопа внешнему крутящему моменту (в этом случае больше способность компенсировать крен лодки).
Гироскоп имеет три оси: ось вращения, входную ось и выходную ось. Ось вращения — это ось, вокруг которой вращается маховик, и она вертикальна для лодочного гироскопа. Входная ось — это ось, вокруг которой прикладываются входные крутящие моменты. Для лодки главной входной осью является продольная ось лодки, поскольку это ось, вокруг которой лодка катится. Главной выходной осью является поперечная (поперечная) ось, вокруг которой гироскоп вращается или прецессирует в ответ на вход.
Когда лодка кренится, вращение действует как вход для гироскопа, заставляя гироскоп генерировать вращение вокруг своей выходной оси таким образом, что ось вращения вращается, чтобы совпасть с входной осью. Это выходное вращение называется прецессией , и в случае лодки гироскоп будет вращаться вперед и назад вокруг выходной или карданной оси.
Угловой момент является мерой эффективности для гиростабилизатора, аналогичной мощности дизельного двигателя или киловаттам генератора. В спецификациях гиростабилизаторов общий угловой момент ( момент инерции, умноженный на скорость вращения) является ключевой величиной. В современных конструкциях крутящий момент выходной оси может использоваться для управления углом килей стабилизатора (см. выше) для противодействия качке судна, так что требуется только небольшой гироскоп. Идея гироскопа, управляющего килями стабилизаторов судна, была впервые предложена в 1932 году ученым из General Electric , доктором Александерсоном. Он предложил гироскоп для управления током электродвигателей на килях стабилизатора, при этом исполнительные инструкции вырабатывались тиратронными вакуумными трубками . [3]
При проектировании корпуса выполняются расчеты остойчивости для неповрежденного и поврежденного состояния судна. Обычно суда проектируются с небольшим превышением требований остойчивости (ниже), поскольку они обычно проходят испытания на это классификационное общество .
Расчеты неповрежденной остойчивости относительно просты и включают в себя учет всех центров масс объектов на судне, которые затем вычисляются/рассчитываются для определения центра тяжести судна и центра плавучести корпуса. Обычно учитываются расположение грузов и нагрузки, крановые операции и проектные морские состояния. На схеме справа показано, что центр тяжести находится значительно выше центра плавучести, но судно остается устойчивым. Судно устойчиво, потому что, когда оно начинает крениться, одна сторона корпуса начинает подниматься из воды, а другая — погружаться. Это заставляет центр плавучести смещаться к стороне, которая находится ниже в воде. Работа морского архитектора заключается в том, чтобы убедиться, что центр плавучести смещается за пределы центра тяжести, когда судно кренится. Линия, проведенная из центра плавучести в слегка накрененном состоянии вертикально, пересечет осевую линию в точке, называемой метацентром. Пока метацентр находится выше киля, чем центр тяжести, судно устойчиво в вертикальном положении.
Остойчивость неповрежденных судов в море регулируется стандартом Международной морской организации (ИМО) « Международный кодекс остойчивости неповрежденных судов» . [4]
Расчеты устойчивости поврежденного объекта гораздо сложнее, чем неповрежденного. Обычно применяется программное обеспечение, использующее численные методы, поскольку площади и объемы могут быстро стать утомительными и долгими для вычисления с использованием других методов.
Потеря устойчивости от затопления может быть частично обусловлена эффектом свободной поверхности. Вода, скапливающаяся в корпусе, обычно стекает в трюмы, понижая центр тяжести и фактически увеличивая метацентрическую высоту . Это предполагает, что судно остается неподвижным и в вертикальном положении. Однако, как только судно наклоняется в какой-либо степени (например, на него налетает волна), жидкость в трюме перемещается в нижнюю сторону. Это приводит к крену .
Устойчивость также снижается при затоплении, когда, например, пустой бак заполняется морской водой. Потеря плавучести бака приводит к тому, что эта часть судна немного опускается в воду. Это создает крен, если только бак не находится на центральной линии судна.
В расчетах устойчивости, когда танк заполнен, его содержимое считается потерянным и замененным морской водой. Если это содержимое легче морской воды (например, легкое масло), то плавучесть теряется, и секция соответственно немного опускается в воду.
Для торговых судов, и все чаще для пассажирских судов, расчеты остойчивости повреждения носят вероятностный характер. То есть, вместо оценки судна на предмет отказа одного отсека, будет оцениваться также ситуация, когда затоплены два или даже три отсека. Это концепция, в которой вероятность повреждения отсека сочетается с последствиями для судна, в результате чего получается индекс остойчивости повреждения, который должен соответствовать определенным правилам.
Чтобы быть приемлемыми для классификационных обществ, таких как Bureau Veritas , American Bureau of Shipping , Lloyd's Register of Ships , Korean Register of Shipping и Det Norske Veritas , чертежи судна должны быть предоставлены для независимого обзора классификационным обществом. Также должны быть предоставлены расчеты, которые следуют структуре, изложенной в правилах страны, под флагом которой будет ходить судно.
В рамках этой структуры разные страны устанавливают требования, которые должны быть соблюдены. Для судов под флагом США чертежи и расчеты остойчивости проверяются на соответствие Кодексу федеральных правил США и Международной конвенции по охране человеческой жизни на море (SOLAS). Суда должны быть остойчивы в условиях, для которых они спроектированы, как в неповрежденном, так и в поврежденном состоянии. Степень повреждения, на которую необходимо проектировать, включена в правила. Предполагаемая пробоина рассчитывается как доли длины и ширины судна и должна быть расположена в той части судна, где она нанесет наибольший ущерб остойчивости судна.
Кроме того, правила Береговой охраны США применяются к судам, работающим в портах и водах США. Обычно эти правила Береговой охраны касаются минимальной метацентрической высоты или минимального восстанавливающего момента. Поскольку в разных странах могут быть разные требования к минимальной метацентрической высоте, большинство судов теперь оснащены компьютерами остойчивости, которые вычисляют это расстояние на лету на основе загрузки груза или экипажа. Существует множество коммерчески доступных компьютерных программ, используемых для этой задачи.
В зависимости от класса судна на борту должно быть либо письмо об остойчивости, либо буклет об остойчивости. [5] [6]