Источник: сайт www.johnsboatstuff.com
Перевод Ольги Николаевской.

Насколько остойчивым должно быть морское крейсерское судно? Не слишком ли оно подвержено крену? Можно ли ожидать, что оно опрокинется в шторм? В случае опрокидывания сможет ли быстро выпрямиться? Перед тем, как мы сможем дать ответы на эти вопросы и оценить морепригодность судна, нам нужно понять, что то, что обычно называют "остойчивостью", на самом деле складывается из двух факторов - статической остойчивости и динамической остойчивости.

Статическая остойчивость знакома большинству из нас, так как она в значительной степени определяет угол крена (бортовой качки), показанного яхтой при постоянных условиях ветра. Частично бортовая качка может быть снижена изменением центра тяжести (открениванием или передвижением балласта), уменьшением парусности, или легким уваливанием. При ветрах от слабого до умеренного идеальное крейсерское судно должно нести достаточную парусность для хорошего хода и обладать достаточной статической остойчивостью, чтобы избежать избыточного крена.

Наиболее важными факторами, повышающими статическую остойчивость, являются большое водоизмещение, низко расположенный центр тяжести и центр плавучести, быстро смещающийся к бортам при крене (сильно зависит от ширины корпуса). Большинство крейсерских однокорпусников показывают положительную статическую остойчивость при углах крена до 130 градусов с наибольшим выпрямляющим моментом где-то около 65 градусов. У многокорпусников максимальное значение выпрямляющего момента выше, достигается оно быстрее, а опрокидываются они при меньших углах крена.

Динамическая остойчивость влияет на интенсивность бортовой качки, испытываемой судном в ответ на кратковременный порыв ветра или сокрушительную волну. Идеальное крейсерское судно должно выдерживать эти изменяющиеся воздействия достаточно долго, пока они не прекратятся, не причинив вреда. Уменьшение парусности обычно способствует снижению динамической бортовой качки, и часто оказывается возможным провести судно по наихудшим волнам, но наше идеальное крейсерское судно должно обладать такой "встроенной" динамической остойчивостью, которая позволит устоять в схватке со шквалом или жестокой волной, не опрокинувшись. Если же случится худшее, и наш круизер перевернется, он должен быстро выпрямиться.

Большое водоизмещение улучшает динамическую остойчивость, но центр тяжести не играет здесь большой роли, а широкий корпус только ухудшает реакцию (широкие лодки рано принимают волну и предоставляют ей воздействовать на корпус дольше и с большим плечом). В случае опрокидывания обусловленная широким корпусом повышенная статическая остойчивость становится "лежкостью", так как дольше удерживает лодку перевернутой. Легкие и широкие лодки зачастую имеют высокий риск опрокидывания (см. определения). Однако наиболее важным фактором динамической остойчивости является момент инерции лодки. Не углубляясь в математику, можно сказать, что момент инерции пропорционален квадрату поперечного расстояния между лодкой и ее центром тяжести. Квадратичная зависимость делает эту величину очень чувствительной к удаленности тяжелых объектов от центра тяжести.
Например, швертбот с двумя пассажирами, сидящими спереди и сзади на центральной линии, обладает меньшим моментом инерции, чем та же лодка с теми же пассажирами, сидящими по бортам. При одинаковом весе, центре тяжести и центре плавучести (равная статическая остойчивость) размещение пассажиров дальше от центральной линии значительно повышает момент инерции. В связи с тем, что момент инерции пропорционален квадрату расстояния, наиболее сильное воздействие оказывают глубоко расположенный балласт и высокие тяжелые мачты. Желательно, чтобы у крейсерских судов был большой момент инерции, так как он увеличивает общее время и энергию, необходимые для опрокидывания судна. У лодок с большим моментом инерции больше период бортовой качки, они более стойки по отношению к быстрым изменениям. У многокорпусников очень большой момент инерции благодаря тому, что их корпуса разнесены далеко от центральной линии.

Статическая или динамическая остойчивость. Которая лучше? Можно ли обеспечить обе? Выбор между статической и динамической остойчивостью приводит нас к компромиссу, когда однозначно правильного ответа не существует. У более тяжелых лодок выше статическая и динамическая остойчивость, но хуже эксплуатационные качества. У широких лодок больше статическая остойчивость, но выше риск опрокидывания и отрицательная остойчивость. Широкий корпус обычно характерен для легких судов с более высокой ходкостью, у которых малый период бортовой качки и небольшой момент инерции. Кроме того, у лодок с высокими ходовыми качествами, как правило, меньше сечение мачт и такелаж. Это снижает вес надводной части и повышает статическую остойчивость, но значительно снижает момент инерции. Тяжелые крейсерские суда с глубоким бульбкилем, тяжелым рангоутом, обилием такелажа и радаром, размещенным над краспицами, обладают значительным моментом инерции, большим периодом бортовой качки и очень устойчивы к порывам ветра и ударам волн.
Лучше всего делать оценки, исходя из назначения судна. От судна для прибрежного плавания, например, можно ожидать меньшей динамической остойчивости из-за широкого корпуса. От океанского крейсерского судна, вероятно, нет. Подобным образом, рангоут из углеволокна может повысить статическую остойчивость (хорошо при слабых ветрах), но существенно снизит момент инерции (см. пример). В то время как статическая остойчивость всегда является критическим параметром парусных судов, необходимо изучить динамические характеристики крейсерских судов, так как они играют важнейшую роль в штормовых условиях.

Пример.
У рассматриваемых лодок сходные наибольшая длина, ширина корпуса, отношение балласта к водоизмещению и осадка. У гоночной яхты на 50% меньшее водоизмещение, наполовину большее выпрямляющее плечо (благодаря более плоскому днищу и смещенному ниже центру тяжести) и на 66% легче такелаж. Обе лодки подвержены воздействию постоянного опрокидывающего момента величиной 30000 фут*фунт (30000*0,3*0,453=4077 кг*м), не превышающего их максимальный статический выпрямляющий момент. Моделирование начинают при условиях затухания, позволяющих опрокидывающему моменту перевернуть лодку. На втором этапе затухание увеличивают до тех пор, пока лодка начнет колебаться, не опрокидываясь, успокоившись, в конце концов, при постоянном угле крена. В первом случае мы получаем время до опрокидывания, во втором измеряем период колебаний. При постоянных условиях затухание в значительной степени определяется скоростью воды, отталкиваемой килем при бортовой качке. Площадь продольного сечения подводной части судна прямо влияет на затухание (посредством глубоких килей и швертов), однако в шторм киль может оказаться во вспененной воде, в связи с чем замедляющие силы резко уменьшаются, позволяя лодке крениться сильнее.


Водоизмещение, фунты
16000
24000
Корпус, фунты
9300
13900
Балласт, фунты
6400
9600
Мачта и такелаж, фунты
300
500
Период бортовой качки, сек.
4.6
5.7
Статическая остойчивость
Выпрямляющее плечо, футы
2.4
1.6
Макс. выпрямляющий момент, фут*фунт
38347
38399
Угол крена при максимальном моменте, градус
62
64.5
Динамическая остойчивость
Момент инерции, фут*фунт*сек.^2
17304
26522
Время достижения угла 30°, сек
0.9
1.1
Время достижения угла 60°, сек.
1.4
1.7
Время достижения угла 90°, сек.
2.0
2.5
Время до опрокидывания, сек.
2.8
3.6

Прежде всего, можно заметить, что легкое гоночное судно обладает намного меньшим периодом бортовой качки, чем крейсерское. Напрашивается вывод, что это указывает на большую статическую остойчивость, однако, это не совсем так. Статическая остойчивость действительно снижает период бортовой качки, но то же действие оказывают и другие факторы, например, момент инерции. Глядя на фактические показатели статической остойчивости, можно заметить, что оба судна почти одинаковы. Преимущество, данное гоночной яхте большим восстанавливающим плечом, компенсировано у крейсерской яхты большим водоизмещением, так как статическая остойчивость зависит от обоих факторов.
Большая разница в динамической остойчивости. То, что у "круизера" на 53% больше момент инерции, существенно замедляет его реакцию на опрокидывающий момент, в результате чего повышается период бортовой качки. Угла крена в 90 градусов он достигает на полсекунды медленнее. Разница времени опрокидывания составляет уже 0.8 секунды. В жестокий шторм это выльется в разницу между неприятным сильным креном и угрожающим жизни опрокидыванием.


ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

В приведенных ниже формулах использованы следующие обозначения:
disp - водоизмещение;
sail area - площадь паруса;
loa - максимальная длина корпуса;
lwl - длина по ватерлинии;
beam - ширина корпуса;
knot - узел, морская миля/час;
hull speed - максимальная скорость корпуса;
ball - вес балласта;
PI - число "Пи";
I - момент инерции;
T - период бортовой качки;
* - умножение;
^ - возведение в степень.

ОТНОШЕНИЕ ВОДОИЗМЕЩЕНИЕ / ДЛИНА = disp/2240/(0.01*lwl)^3
Возможно, наиболее распространенный и понятный оценочный фактор. Малые значения, обусловленные низким весом и большой длиной по ватерлинии, связывают с высокой мореходностью. Общая тенденция для новых лодок - к уменьшению этого показателя, которое обеспечивает лучшие эксплуатационные качества. Недостатком является то, что легкие лодки больше подвержены воздействию шторма. Это требует постоянного внимания к рулевому управлению и настройке парусов, утомительных для экипажа. Так как показатель уменьшается с увеличением длины лодки, тяжелым лодкам требуется меньше балласта, и они будет легче меньших по размеру лодок с той же остойчивостью. В соответствии с эталоном допустимые значения показателя находятся в интервале от 265 до 337.

ОТНОШЕНИЕ ПЛОЩАДЬ ПАРУСА / ВОДОИЗМЕЩЕНИЕ = sail area/(disp/64)^0.666
По существу это отношение мощности к весу, вычисленное при полном стакселе. У большинства однокорпусников лежит в пределах от 16 до 18. Показатели образца от 15.9 до 16.5. Показатель не зависит от длины корпуса.

СКОРОСТЬ КОРПУСА = 1.34*lwl^0.5 , knots
Обычно определяется как максимальная скорость, развиваемая водоизмещающим судном при разумной мощности (2-3 л.с. на тонну). С повышением скорости лодки создаваемая ею поперечная волна становится длиннее, образуя ложбину, движущуюся к корме. При максимальной скорости корпуса длина ложбины равна длине ватерлинии, создавая "яму", точно соответствующую длине лодки. Чтобы выбраться из этой ямы и выйти на глиссирование, требуется огромная мощность (50-100 л.с./т). Для эталона скорость корпуса составляет 7.6 узлов.

ФАКТОР СКОРОСТИ = 1.88*lwl^0.5*sail area^0.333/disp^0.25 / (СКОРОСТЬ КОРПУСА)
Числитель выражения определяет потенциальную максимальную скорость, используя полученное эмпирически соотношение. У лодок со значительной парусностью и небольшим водоизмещением фактор скорости больше 1. Для недостаточно мощных или излишне тяжелых лодок он меньше 1. Значение эталона 1.07 позволяет ожидать хорошей ходкости под парусом.

ОТНОШЕНИЕ БАЛЛАСТ/ВОДОИЗМЕЩЕНИЕ = ball/disp
Один из показателей остойчивости, но для создания полной картины необходимо знать также центр тяжести, зависимость центра формы от угла крена и общий вес. Изменяется от 0.25 до 0.5. Значение эталона 0.4 указывает, что предпочтение отдается скорее остойчивости веса, чем остойчивости формы.

ОТНОШЕНИЕ ДЛИНА/ШИРИНА = loa/beam
Характеризует узость корпуса. Узкие корпуса, у которых отношение от 3 до 4 и выше, длинные и стройные, что облегчает ход, повышает скорость (благодаря низкому лобовому сопротивлению) и обеспечивает устойчивое баланс равновесие при крене. Многие современные дизайнеры отдают предпочтение более широким корпусам с большим внутренним объемом, более плоским парусом, имеющим больший скоростной потенциал при хождении в галфвинд и фордевинд. Сравнивая, следует учесть, что более длинные лодки обычно уже, чес короткие. У эталона отношение равно 3.4, соответствующее достаточно узкому корпусу. Узкие корпуса обычно хорошо сбалансированы и имеют низкую отрицательную остойчивость.

РИСК ОПРОКИДЫВАНИЯ = beam/(disp/(0.9*64))^0.333
Эмпирический показатель, введенный яхтенным гоночным союзом США (USYRU - United States Yacht Racing Union) по результатам анализа гонки FASTNET 1979 года. Исследования были субсидированы обществом военно-морских архитекторов и морских инженеров (SNAME). Оказалось, что лодки со значением риска, превышающим 2, не должны принимать участие в океанских гонках. Значения, меньшие 2, считаются "хорошими". В соответствии с формулой считаются непригодными лодки с широким корпусом из-за их высокой отрицательной остойчивости, лодки с малым весом из-за их резкой реакции на большие волны (низкий момент инерции), так как обе эти характеристики очень важны в сильный шторм. Показатель ничего не говорит о статической остойчивости. Некоторые современные прибрежные крейсерские суда и многие гоночные проекты не удовлетворяют этому критерию. Интересно, что исследование пришло к заключению, что статическая остойчивость оказалась относительно неважной в прогнозе опрокидывания при динамических воздействиях. Ширина корпуса и вес оказались намного более важными факторами. Широкие лодки предоставляют волнам большее плечо рычага для возбуждения качки, а легким лодкам нужно меньше энергии, чтобы опрокинуться; и то, и другое нежелательно для крейсерского судна. Значение эталона очень низкое - 1.7.

ФАКТОР КОМФОРТНОСТИ = disp/(0.65*(0.7*lwl+0.3*loa)*beam^1.33)
Полученный опытным путем показатель, предложенный конструктором яхт Тедом Бруэром. Большое значение указывает на более гладкое, более комфортное движение в море. Отдает предпочтение тяжелым лодкам с несколько свешивающимися и узкими бортами. Все эти факторы замедляют реакцию судна на удары волн. Эта философия проектирования противоречит многим современным крейсерско-гоночным проектам, но она основана на огромном количестве данных, полученных в условиях океана, а не только на том, насколько хорошо выглядит проект на яхтенных шоу. В среднем для крейсерского судна этот показатель должен лежать в пределах от 30 до 40. Для гоночных проектов он может быть меньше 20, для полнокилевых проектов Колина Арчера может достигать 60. Значение 36 эталона показывает, что комфортность имеет высокий приоритет при оценке крейсерских судов.

МОМЕНТ ИНЕРЦИИ (I) = disp^1.744/35.5
Эмпирический показатель, разработанный SNAME. Высокие значения указывают на сопротивление раскачивающим усилиям. Момент инерции очень чувствителен к расстоянию элементов судна от центра тяжести. Тяжелый такелаж может существенно повысить момент инерции при незначительном изменении водоизмещения.

ПЕРИОД БОРТОВОЙ КАЧКИ (Т) = 2*PI*(I/(82.43*lwl*(0.82*beam)^3))^0.5
Период качки зависит от момента инерции. Значение 0.82*beam используется вместо ширины корпуса по ватерлинии из-за отсутствия необходимых данных. Коэффициент 0.82 находится в близком соответствии с несколькими судами, для которых проводились измерения периода, но необходимо получить больше данных (если вы измерили данные о бортовой качке, пришлите мне их по e-mail, и я включу их в свою базу данных). Попросту говоря, период бортовой качки судна обратно пропорционален его остойчивости. У неостойчивых судов большой период бортовой качки, у остойчивых - малый. Период бортовой качки очень легко определить. Нужно просто взяться за ванты и начать раскачивать лодку, пока крен достигнет нескольких градусов. Затем подсчитывается количество полных циклов в одной минуте и делится на 60. Как показывает опыт, лодки с периодом, меньшим 4 секунд, остойчивы, с периодом, большим 8 - валки. Значение эталона 4.05 находится ближе к устойчивому концу диапазона, указывая на хорошую статическую остойчивость.

ПОКАЗАТЕЛЬ ОСТОЙЧИВОСТИ = T / (beam*0.3048)
Еще один эмпирический показатель, описывающий влияние периода бортовой качки и ширины корпуса на остойчивость. Лодки со значениями до 1 считаются остойчивыми, более 1.5 - валкими. Для валких судов он превышает 1.5. Мне нравится этот показатель, так как он прост и позволяет одновременно учесть центр тяжести и момент инерции. Эталонная лодка снова тяготеет в сторону остойчивости со значением показателя остойчивости 1.1.

 

11.11.2002
^ Наверх Наверх ^
Copyright 2000 - 2013 ukryachting.net - Карта сайта