Стабильность кораблей - это область военно-морской архитектуры и проектирования кораблей, которая касается того, как корабль ведет себя в море, как в стоячей воде, так и на волнах, невредимыми или поврежденными. При расчетах устойчивости основное внимание уделяется центрам тяжести , центрам плавучести , метацентрам судов и их взаимодействию.
История [ править ]
Остойчивость кораблей в военно-морской архитектуре учитывалась на протяжении сотен лет. Исторически расчеты остойчивости судов основывались на расчетах на основе практического опыта , часто привязанных к определенной системе измерений. Некоторые из этих очень старых уравнений продолжают использоваться в книгах по военно-морской архитектуре. Однако появление основанных на исчислении методов определения устойчивости, в частности, введение Пьером Бугером концепции метацентра в бассейне модели корабля 1740-х годов , сделало возможным гораздо более сложный анализ.
Мастера-кораблестроители прошлого использовали систему адаптивного и вариантного проектирования. Корабли часто копировали из поколения в поколение с небольшими изменениями; путем копирования стабильных конструкций обычно удается избежать серьезных проблем. Сегодня корабли все еще используют этот процесс адаптации и изменения; однако вычислительная гидродинамика , тестирование модели корабля и лучшее общее понимание движений жидкости и корабля позволили создать гораздо более аналитический дизайн.
Поперечные и продольные водонепроницаемые переборки были введены в железобетонные конструкции в период с 1860 по 1880-е годы, а переборки, предотвращающие столкновения, были обязательными на британских пароходных торговых судах до 1860 года. [1] До этого пробоина в корпусе в любой части судна могла вызвать затопление. по всей длине. Поперечные переборки, хотя и являются дорогостоящими, увеличивают вероятность выживания корабля в случае повреждения корпуса, ограничивая затопление поврежденными отсеками, которые они отделяют от неповрежденных. Продольные переборки имеют аналогичное назначение, но необходимо учитывать влияние повреждений устойчивости, чтобы исключить чрезмерный крен.. Сегодня на большинстве судов есть 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 стабилизации [ править ]
Дополнительные системы стабилизации предназначены для уменьшения воздействия волн и порывов ветра. Они не повышают остойчивость судна в спокойном море. Международная морская организация Международная конвенция о грузовой марке не приводит активных систем устойчивости в качестве способа обеспечения стабильности. Корпус должен быть устойчивым без активных систем.
Пассивные системы [ править ]
Трюмный киль [ править ]
Бортовой киль длинный, часто V-образный металлический ребра приварены вдоль длины судна на рубеже трюме. Трюмные кили используются попарно (по одному на каждый борт судна). В редких случаях судно может иметь более одного трюмного киля с каждой стороны. Трюмные кили увеличивают гидродинамическое сопротивление при крене судна, ограничивая величину крена.
Аутригеры [ править ]
Аутригеры могут быть использованы на судах , чтобы уменьшить прокатки, либо под действием силы требуется , чтобы погрузить плавучие поплавки или гидродинамическими фольги. В некоторых случаях эти аутригеры имеют достаточный размер, чтобы классифицировать судно как тримаран ; на других судах они могут называться просто стабилизаторами.
Противоракетные танки [ править ]
Баки стабилизатора поперечной устойчивости - это внутренние баки, оборудованные перегородками для снижения скорости переноса воды с левого борта бака на правый борт. Он сконструирован таким образом, что большее количество воды задерживается на верхней стороне судна. Он предназначен для создания эффекта, противоположного эффекту свободной поверхности .
Параванес [ править ]
Параваны могут использоваться тихоходными судами, такими как рыболовные суда, для уменьшения крена.
Активные системы [ править ]
Системы активной устойчивости, имеющиеся на многих судах, требуют подачи энергии в систему в виде насосов, гидравлических поршней или электрических приводов. Они включают стабилизирующие ребра, прикрепленные к борту судна или резервуаров, в которых перекачивается жидкость, чтобы противодействовать движению судна.
Ребра стабилизатора [ править ]
Активные стабилизаторы плавников уменьшают крен, испытываемый судном 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, действуя аналогично элеронам самолетов . Круизные лайнеры и яхты часто используют этот тип системы стабилизации.
Когда плавники не убираются, они представляют собой фиксированные придатки к корпусу, возможно, расширяющие балку или осадочную оболочку и требующие внимания для дополнительного зазора между корпусом.
В то время как типичный стабилизатор «активного плавника» эффективно противодействует крену идущих судов, некоторые современные системы активных плавников могут уменьшить крен, когда суда не на ходу. Эти системы, называемые нулевой скоростью или стабилизацией в состоянии покоя, работают, перемещая специально разработанные плавники с достаточным ускорением и синхронизацией импульсов для создания эффективной энергии подавления крена.
Стабилизация крена руля [ править ]
В случае, если корабль находится на ходу, быстрое изменение руля не только инициирует изменение курса, но также приведет к крену корабля. Для некоторых кораблей, таких как фрегаты, этот эффект настолько велик, что его может использовать алгоритм управления для одновременного управления кораблем и уменьшения его крена. Такая система обычно называется « Система стабилизации крена руля.". Его эффективность может быть не хуже, чем у стабилизаторов. Однако это зависит от скорости корабля (чем выше, тем лучше) и различных аспектов конструкции корабля, таких как положение, размер и качество системы позиционирования руля направления (ведет себя так же быстро, как стабилизатор стабилизатора) .Также важно, насколько быстро корабль будет реагировать на движения руля кренами (лучше быстрый) и скоростью поворота (лучше медленный). Несмотря на высокую стоимость качественного рулевого механизма и усиления кормы корабля , этот вариант стабилизации обеспечивает лучшую экономичность, чем стабилизатор. Он требует меньшего количества установок, менее уязвим и вызывает меньшее сопротивление. Более того, требуемые высококачественные компоненты обеспечивают отличные характеристики рулевого управления даже в те периоды, когда уменьшение крена не требуется и значительное снижение подводного шума.Известными военно-морскими кораблями с таким решением стабилизации являются F124 (Германия), M-fregat и LCF (оба - ВМС Нидерландов).
Гироскопические внутренние стабилизаторы [ править ]
Гироскопы были впервые использованы для управления креном корабля в конце 1920-х - начале 1930-х годов для военных кораблей, а затем и для пассажирских лайнеров. Наиболее амбициозно использование больших гироскопов для управления креном корабля было на итальянском пассажирском лайнере SS Conte di Savoia , на котором три больших гироскопа Sperry были установлены в носовой части корабля. Несмотря на то, что она оказалась успешной в значительном сокращении крена при поездках в западном направлении, систему пришлось отключить на участке в восточном направлении по соображениям безопасности. Это было связано с тем, что при последующем море (и создаваемых им глубоких медленных кренах) судно имело тенденцию «зависать» с включенной системой, а создаваемая им инерция затрудняла выход судна из положения при сильных кренах. [2]
Гироскопические стабилизаторы состоят из вращающегося маховика и гироскопической прецессии, которая создает крутящий момент для выпрямления лодки на конструкцию корпуса. Угловой момент маховика гироскопа является мерой степени , в которой маховик продолжает вращаться вокруг своей оси , если не воздействует внешний крутящий момент. Чем выше угловой момент, тем больше сила сопротивления гироскопа внешнему крутящему моменту (в этом случае больше возможностей для отмены крена лодки).
Гироскоп имеет три оси: ось вращения, входную ось и выходную ось. Ось вращения - это ось, вокруг которой вращается маховик, она вертикальна для гироскопа лодки. Входная ось - это ось, вокруг которой действуют входные крутящие моменты. Для лодки основной входной осью является продольная ось лодки, поскольку это ось, вокруг которой лодка катится. Основная выходная ось - это поперечная (поперечная) ось, вокруг которой гироскоп вращается или прецессирует в ответ на входной сигнал.
Когда лодка катится, вращение действует как входной сигнал для гироскопа, заставляя гироскоп генерировать вращение вокруг своей выходной оси, так что ось вращения вращается, чтобы выровняться с входной осью. Это выходное вращение называется прецессией, и в случае лодки гироскоп будет вращаться вперед и назад вокруг выходной оси или оси подвеса.
Угловой момент - это мера эффективности гиростабилизатора, аналогичная номинальной мощности дизельного двигателя или киловаттам генератора. В спецификациях для гиростабилизаторов ключевой величиной является полный угловой момент ( момент инерции, умноженный на скорость вращения). В современных конструкциях крутящий момент выходной оси можно использовать для управления углом стабилизатора (см. Выше), чтобы противодействовать крену лодки, так что нужен только небольшой гироскоп. Идея гироскопа, управляющего стабилизаторами оперения корабля, была впервые предложена в 1932 году ученым General Electric доктором Александерсоном. Он предложил гироскоп для управления током электродвигателей на ребрах стабилизатора, при этом команды срабатывания генерируются тиратронными электронными лампами .[3]
Расчетные условия устойчивости [ править ]
При проектировании корпуса расчеты остойчивости выполняются для исправного и поврежденного состояний судна. Корабли обычно проектируются с незначительным превышением требований к остойчивости (см. Ниже), поскольку они обычно проходят испытания классификационным обществом .
Неповрежденная стабильность [ править ]
Расчеты остойчивости неповрежденного судна относительно просты и включают взятие всех центров масс объектов на судне, которые затем вычисляются / вычисляются для определения центра тяжести судна и центра плавучести корпуса. Обычно учитываются расстановки и нагрузки груза, крановые операции и расчетное состояние моря. На диаграмме справа показано, что центр тяжести находится значительно выше центра плавучести, но корабль остается устойчивым. Корабль устойчив, потому что, когда он начинает крениться, одна сторона корпуса начинает подниматься из воды, а другая сторона начинает погружаться. Это заставляет центр плавучести смещаться в сторону, которая находится ниже в воде. Работа морского архитектора - следить за тем, чтобы центр плавучести смещался за пределы центра тяжести, когда корабль кренится.Линия, проведенная из центра плавучести в слегка наклоненном по вертикали состоянии, будет пересекать осевую линию в точке, называемой метацентром. Пока метацентр находится выше киля, чем центр тяжести, корабль устойчив в вертикальном положении.
Устойчивость к повреждениям (Устойчивость в поврежденном состоянии) [ править ]
Расчет остойчивости при повреждении намного сложнее, чем остойчивость неповрежденного. Обычно используется программное обеспечение, использующее численные методы, потому что площади и объемы могут быстро стать утомительными и долгими для вычисления с использованием других методов.
Потеря устойчивости из-за затопления может быть частично связана с эффектом свободной поверхности. Вода, накапливающаяся в корпусе, обычно стекает в трюмы, понижая центр тяжести и фактически уменьшая (это должно читаться как увеличение, так как вода добавляется в качестве веса днища при увеличении GM) метацентрической высоты . Это предполагает, что корабль остается неподвижным и вертикальным. Однако, как только судно наклоняется до какой-либо степени (например, на него ударяет волна), жидкость в трюме перемещается в нижнюю сторону. Это приводит к списку .
Стабильность также теряется при затоплении, когда, например, пустой резервуар заполняется морской водой. Из-за потери плавучести танка эта часть корабля немного опускается в воду. Это создает список, если резервуар не находится на средней линии судна.
В расчетах на остойчивость, когда резервуар наполняется, предполагается, что его содержимое потеряно и заменено морской водой. Если это содержимое легче морской воды (например, легкая нефть), то плавучесть теряется, и секция соответственно немного опускается в воде.
Для торговых судов и все чаще для пассажирских судов расчеты остойчивости при повреждении носят вероятностный характер. То есть, вместо того, чтобы оценивать судно на предмет отказа одного отсека, также будет оцениваться ситуация, когда два или даже до трех отсеков затоплены. Это концепция, в которой вероятность того, что отсек будет поврежден, сочетается с последствиями для корабля, в результате чего получается индекс устойчивости к повреждению, который должен соответствовать определенным правилам.
Требуемая стабильность [ править ]
Чтобы быть приемлемыми для классификационных обществ, таких как Bureau Veritas , Американское бюро судоходства , Судовой регистр Ллойда , Корейский судоходный регистр и Det Norske Veritas , чертежи судна должны быть представлены классификационному обществу для независимой проверки. Также должны быть предоставлены расчеты в соответствии со структурой, изложенной в правилах страны, в которой судно намеревается быть под флагом.
В этих рамках разные страны устанавливают требования, которые должны быть выполнены. Для судов под флагом США чертежи и расчеты остойчивости сверяются с Кодексом федеральных правил США и Международной конвенцией по охране человеческой жизни на море (СОЛАС). Суда должны быть устойчивы в тех условиях, для которых они предназначены, как в неповрежденном, так и в поврежденном состоянии. Степень ущерба, необходимого для проектирования, указывается в правилах. Предполагаемая дыра рассчитывается как доли длины и ширины судна и должна быть размещена в той области судна, где она может нанести наибольший ущерб устойчивости судна.
Кроме того, правила береговой охраны США применяются к судам, работающим в портах США и в 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 оснащено компьютерами остойчивости, которые вычисляют это расстояние на лету на основе груза или загрузки экипажа. Для этой задачи используется множество коммерчески доступных компьютерных программ.
См. Также [ править ]
- Эффект свободной поверхности - Влияние жидкостей в незакрепленных резервуарах
- Стабилизация пока не ведется
- Мэри Роуз - военный корабль типа Carrack английского флота Тюдоров
- Кронан (корабль) - флагман шведского флота в Балтийском море в 1670-х годах.
- SS Eastland - Пассажирский корабль, перевернувшийся в Чикаго в 1915 году.
- Ниоба (шхуна)
- Памир (корабль) - немецкий парусник
- Испытание на наклон - испытание для определения остойчивости, веса плавучего транспортного средства и центра тяжести корабля.
- Движение судов - термины, связанные с 6 степенями свободы движения
Ссылки [ править ]
- Название 46 Кодекса федеральных правил США
- Правила АБС для постройки и классификации стальных судов 2007 г.
- Обзор нескольких распространенных стратегий ослабления наклона
- Перейти ↑ From Warrior to Dreadnought , DK Brown, Chatham Publishing (июнь 1997 г.)
- ^ "Итальянский лайнер, чтобы бросить вызов волнам" Popular Mechanics, апрель 1931 г.
- ^ "Ласты, предназначенные для больших лайнеров, чтобы предотвратить качение" Popular Mechanics, август 1932 г.
