Плавание судов в штормовую погоду

Основные факторы, действующие на судно во время шторма

Несмотря на строгие требования к проектированию и постройке современных морских судов, обладающих большой прочностью корпуса и мореходными качествами, подготовка судна любого тоннажа к плаванию в штормовую погоду и управление им в шторм остаются сложной задачей, требущей от экипажа и в первую очередь от судоводителей знания и учета всех видов воздействия штормовых условий на судно.

Основными факторами, действующими на судно во время шторма, являются ветер и волнение.
Действие ветра зависит от площади надводной части корпуса судна. Суда с малой осадкой, т. е. находящиеся в балласте, подвержены действию ветра в большей степени, особенно если они имеют развитые надстройки.

Ветер вызывает дрейф и крен судна, увеличивает сопротивление воздуха его движению и ухудшает управляемость. Ветровой крен для современных судов, должным образом загруженных и забалластированных, как правило, не опасен. Дрейф может быть опасным у берега, рифов или мелей, находящихся под ветром. Сопротивление воздуха при носовых курсовых углах ветра представляет собой значительную величину. Управляемость при ветре различных направлений, воздействующем на отдельные детали надводной части корпуса судна, ухудшается: оно приобретает рыскливость и плохо слушает руля.

Основную опасность для судна во время шторма представляет волнение, при котором оно испытывает качку, чрезмерные напряжения корпуса и удары волн.

При следовании курсом, параллельным фронту волны, судно испытывает бортовую качку, причем углы крена и стремительность качки могут быть очень велики. Возникающие в таких случаях инерционные силы иногда являются причиной сдвига.с фундаментов механизмов и судовых устройств, смещения грузов, что приводит к тяжелым последствиям. Качка и удары волн ухудшают управляемость судна, и для удержания его на курсе требуется частая перекладка руля. При неправильной загрузке судна, а также при отсутствии должного опыта управления им крен может превысить допустимые пределы, что приведет к опрокидыванию.

Сильные напряжения корпуса судна и удары волн при следовании навстречу волне могут привести к деформациям и трещинам в наборе, наружной обшивке корпуса и палубе судна. Неправильное распределение груза и следование полным ходом против волны могут вызвать напряжения корпуса, превышающие допустимый предел, тогда судно переломится. Особенно опасные напряжения в таких случаях возникают, если длина волны близка к длине судна. Оголение винта при подъеме кормы на волне приводит к неравномерности в работе главного двигателя. Увеличение сопротивления и неравномерность в работе двигателя вызывают падение скорости судна и ухудшают его управляемость. С усилением ветра и волны наступает момент, когда оно перестает держаться на заданном курсе и полностью теряет управляемость. Удары волн, вкатывающихся на палубу судна при качке, могут повредить палубные устройства и груз.

При тяжелых штормах волны смывают палубные грузы, разрушают судовые устройства, вентиляторы и люковые закрытия, что создает угрозу проникновения воды в грузовые помещения, влечет за собой подмочку и порчу груза, а иногда и гибель судна.

Во время качки и заливания палуб судовые работы не только затруднены, но и опасны. Кроме того, сама по себе качка оказывает вредное физиологическое воздействие на людей.

Подготовка к плаванию в штормовую погоду

По существующим правилам хорошей морской практики каждое судно перед выходом в море должно быть полностью приведено в состояние, обеспечивающее его безопасность в любых условиях погоды.

При составлении грузового плана предусматривается обеспечение общей и местной прочности корпуса судна и его мореходных качеств как на момент выхода из порта, так и при расходовании запасов в течение всего плавания. В случае рейса с несколькими пунктами захода, в которых должны проводиться грузовые операции, размещение груза должно обеспечивать возможность их крепления с целью сохранности на переходе в следующий пункт назначения или при необходимости (в незащищенных портах) прекращения грузовых операций и выхода в открытое море на время шторма. Все другие мероприятия в порту отхода сводятся к проверке технического состояния корпуса судна, судовых устройств и систем, мерительных и воздушных трубок цистерн, тщательной штивке, укладке и креплению груза, исправному состоянию вентиляторов грузовых и всех других помещений, люковых закрытий и всех деталей судового оборудования.

Перед выходом из порта судно должно ознакомиться с долгосрочным прогнозом погоды и, при отсутствии фототелеграфной аппаратуры, с серией синоптических карт за предыдущие дни.
Во время плавания используются все средства получения метеорологической информации. При неблагоприятных прогнозах и штормовых предупреждениях на судне одновременно с подготовкой к встрече шторма ведется тщательное постоянное наблюдение за изменением давления, температуры воздуха, облачности и направления ветра, волнения и другими местными признаками погоды. При получении сообщения о тропических циклонах, которые могут проходить в районе плавания, необходимо установить наблюдение за их прохождением. Для этой цели следует использовать генеральную карту района плавания, на которой систематически отмечать путь движения циклона. Сопоставление точек одновременного местонахождения судна и центральной области циклона даст возможность судить о степени вероятности встречи с ним. Не следует слепо полагаться на данные метеопрогнозов и сводок погоды: местные условия могут оказать значительное влияние на погоду, и тщательное наблюдение за ее изменением поможет судоводителю вовремя подготовиться ко всем ее возможным переменам.

Во всех случаях возможной встречи со штормом заранее в светлое время суток на судне должны:

• проверить рулевое управление (основное, запасное и аварийное); проверить закрытие грузовых люков, наружных дверей всех помещений иллюминаторов и всех отверстий, через которые вода может проникнуть внутрь судна;
• развернуть по ветру и зачехлить раструбы всех вентиляторов; проверить исправность всех штормовых портов, шпигатов, мерительных трубок;
• проверить наличие жидких грузов в танках и цистернах; до наступления шторма все танки и цистерны заполнить или освободить для исключения свободных поверхностей находящейся в них жидкости; расчетом и по периоду качки проверить остойчивость судна;
• проверить крепление грузовых стрел и кранов, а также палубного груза, при необходимости наложить дополнительные найтовы;
• поставить дополнительные крепления на якорные цепи, проверить исправность закрытий палубных клюзов или их цементировку;
• проверить должное натяжение стоячего такелажа и несколько ослабить бегучий такелаж из растительных тросов;
• убрать с палубы и закрепить в подшкиперских растительные и синтетические тросы; на палубе банкеты и вьюшки стальных тросов закрепить дополнительными найтовами;
• на верхних палубах и надстройках протянуть штормовые леера для обеспечения безопасности людей во время шторма;
• проверить надежность внутрисудовой связи, особенно линий, связывающих мостик с наружными постами (носовая и кормовая части, палубные посты).

Эти предупредительные меры обязательны как при следовании судна в открытом море, так и при грузовых операциях на открытых рейдах. В последнем случае, даже если ветер в начале шторма действует с берега, надо учитывать, что направление его может измениться и судно будет вынуждено, снявшись с якоря, идти штормовать.

В штормовых условиях управление судном зависит от его состояния, характера и силы шторма, а также эксплуатационной необходимости сведения к минимуму непроизводительных потерь времени.

Качка судна и диаграмма штормования

Качка судна. Современные суда, соответствующим образом загруженные или забалластированные, способны без ущерба для своей безопасности, а при благоприятных курсах относительно ветра и волны — без заметных эксплуатационных потерь выдерживать шторм силой до 8—9 баллов. Однако при неблагоприятном стечении обстоятельств шторм может быть опасен для любого судна, особенно для судов небольшого тоннажа или со слабыми машинами, а также находящихся в балласте. Любое судно, определив по метеопрогнозам характер шторма и размеры штормовой области и руководствуясь местными признаками погоды, в зависимости от обстоятельств, должно принять все меры к обеспечению своей безопасности: укрыться в порту-убежище, выбрать курс на уклонение от встречи с центральной областью циклона или выбрать курс и скорость, при которых было бы наименьшим влияние качки.

Величинами, характеризующими качку, являются угол наклонения судна и период, в течение которого совершается одно полное его колебание. Чем больше углы наклонения и меньше период его качаний, тем качка стремительнее и тем более вредное влияние она оказывает на людей, грузы и судно.

Качка зависит от загрузки судна, определяющей его остойчивость, от характера волнения, а также от скорости судна и курсового угла направления бега волн. Наиболее неблагоприятный и даже опасный характер качка приобретает при совпадении кажущегося периода волн, т. е. наблюдаемого с идущего судна, и периода его собственных колебаний. Это явление называется резонансом.

На рис. 1 показана зависимость амплитуды бортовой качки А от отношения периода собственных поперечных колебаний судна T1 к кажущемуся периоду волны τ. Как видно из рисунка, влияние резонанса сказывается не только при точном совпадении периодов, но и в том случае, если они отличаются Друг от друга менее чем на 30%.

Рис.1. График амплитуды бортовой качки

Из сказанного вытекает, что судно должно избегать резонанса качки, для чего судоводитель должен уметь оценивать условия плавания и определять величину, от которой зависит поведение судна на волне.

Период собственных поперечных Т1 и продольных Т2 колебаний судна определяется методами, рассматриваемыми в теории корабля. С достаточной степенью точности можно пользоваться приближенными методами.

Период бортовой качки может быть рассчитан по формуле (1):

где В — ширина судна, м;
h — начальная метацентрическая высота, м;
f — коэффициент, который может быть выбран из графика:

Значения периода собственных продольных колебаний дает график, представленный на рис. 2.

Кажущийся период волны может быть определен по формуле (2):

где λ — истинная длина волны, м;
с — 1,25√λ— скорость бега волны, м/с;
vc — скорость судна, уз;
q — курсовой угол направления бега волн, град.

В море кажущийся период волны можно определить по промежутку времени прохождения двух последовательных гребней через какую-либо отметку на борту. Более точно результат будет получен, если зафиксировать время Δt прохождения нескольких гребней и разделить его на их число (за вычетом первого), т. е.

Рис. 2. График периодов продольных колебаний судна

Входящая в формулу (2) длина волны λ на судне может быть определена, если заменить промежуток времени прохождения гребня одной и той же волны последовательно через две точки (места двух наблюдателей) на борту судна, расстояние между которыми известно. При расчете применяется формула:

где т' — кажущийся период волны, с;
l — расстояние между точками, принятыми для измерения длины волны, м;
q — курсовой угол бега волн, град;
Δt — время прохождения гребнем одной и той же волны расстояния l, с.

Знание особенностей своего судна и приемов управления им в различных условиях позволяет капитану найти в каждом отдельном случае наилучший для данных условий режим движения.

Диаграммы штормования. Для облегчения задачи управления судном в шторм советскими учеными были предложены специальные диаграммы для выбора курса и скорости в штормовых условиях. Такие диаграммы разработаны В. Г. Власовым, С. Н. Благовещенским, JI. М. Ногидом, Ю. В. Ремезом.

Наиболее удобен вариант универсальной диаграммы качки, разработанный в 1966 г. коллективом учёных Николаевского кораблестроительного института под руководством Ю. В. Ремеза, представленный на рис. 3.

Нижняя часть диаграммы представляет собой сетку концентрических окружностей с центром в начале координат и лучей, расходящихся из той же точки. Каждая полуокружность соответствует определенному значению скорости судна, а каждый из лучей — курсовому углу направления бега волн. Диаметральная плоскость судна совпадает с лучом, соответствующим данному курсовому углу q, и судно считается как бы идущим от центра к периферии графика.

В верхней части диаграммы по оси ординат отложены значения длин волн, по оси абсцисс — проекции скорости на направление бега волн v cos q. Каждая из семейства кривых, нанесенных выше оси абсцисс, соответствует значению кажущихся периодов волны в с, рассчитанных по формуле (2), правая половина диаграммы — носовым курсовым углам волнения, левая — кормовым. Пунктирная кривая, помеченная знаком т' = ∞, соответствует случаю, когда судно идет попутной волной и их скорости равны Re (идет «оседлав волну»). Левая часть диаграммы, расположенная ниже пунктирной линии, соответствует случаю обгона судном волны.

Над диаграммой помещена шкала для определения кажущихся периодов волны, ограничивающих зоны усиленной качки в соответствии с соотношением:

Слева от диаграммы помещены шкалы А и В для определения границ зоны усиленной качки при нерегулярном волнении, справа — шкала баллов волнения, используемая в тех же случаях.

Рис. 3. Универсальная диаграмма качки

Рис. 4. Зона резонансной качки

Универсальная диаграмма качки хотя и может быть использована для определения зон усиленной килевой качки, но необходимо учитывать реальные условия:

• по причине малых значений периодов Т2 (килевой качки) зоны усиленной качки получаются очень широкими, чем затрудняется выбор выгодных курса и скорости судна;
• из-за большого сопротивления воды при килевой качке на ходу судна (демпфирования) кривая амплитуд не имеет острого цикла — при качке требуются значительные изменения курса и скорости;
• размахи килевой качки не определяют поведения судна на волне, так как здесь наблюдаются такие опасные явления, как заливание палубы и слеминг; необходим учет еще и фазовых соотношений между вынужденными колебаниями судна и волной, пока эта задача не решена.

Особо необходимо сказать о судах, следующих во время шторма с неполным грузом или в балласте. Если скорость судов, идущих против волнения, значительна, то может наблюдаться слеминг. Он наступает при оголении и большой вертикальной скорости носовой части судна, когда поверхность волнового склона примерно параллельна его днищу. Слеминг может сопровождаться деформациями и трещинами в наружной обшивке и наборе корпуса. Наиболее часто повреждениям подвергается носовая оконечность в районе от форштевня до 0,25—0,30 длины судна. Ударная нагрузка при слеминге пропорциональна квадрату суммарной скорости волны и носовой части судна в момент встречи и может иметь большое значение.

Модельными испытаниями была определена относительная критическая скорость носа судна в момент удара:

Для судна длиной L = 150 м критическая скорость vкр = 3,5 м/с. При превышении критической скорости наблюдается слеминг.

Угроза наступления слеминга возрастает с увеличением скорости судна, поэтому в таких условиях приходится прибегать к ее снижению.

На рис. 5 показана диаграмма В. Б. Липиса, которая позволяет выбрать безопасную скорость для судов типа «Выборг» при малой осадке.

Рис. 5. Диаграмма для выбора безопасной скорости при шторме для судов типы «Выборг»

На ней нанесена сетка, показывающая пределы ограничений оборотов главного двигателя в зависимости от ветра и волнения. Характеристики внешних факторов в соответствии со шкалами Бофорта, а также Главного управления гидрометслужбы для силы ветра и степени волнения даны в нижней части диаграммы. Здесь нанесены шкалы: балльности развитого волнения и ветра и высоты волн 3-процентной обеспеченности. Слева на вертикальной линии дано число оборотов двигателя. Кривая А указывает максимально допустимое число оборотов двигателя для данных условий. На этой кривой указаны значения скорости. Кривые В дают максимальное число оборотов для различных осадок носом при слеминге. Кривые С соответствуют максимально допустимому числу оборотов для различных осадок кормой при оголении винта на килевой качке. Кривые D соответствуют постоянной скорости, указанной в точках пересечения этих кривых с линией А.

Использование таких диаграмм позволит судну обеспечить безопасное плавание и использовать максимально возможные в штормовых условиях ходовые качества судна.

При всей целесообразности и теоретической обоснованности диаграмм для выбора курса и скорости при шторме следует помнить, что они еще недостаточно проверены и опыт их использования недостаточно обобщен, поэтому наряду с использованием диаграмм следует руководствоваться принципами хорошей морской практики.

Общие рекомендации по управлению судном в штормовых условиях

Практические выводы, в ряде случаев теоретически обоснованные сводятся в основном к следующему.
При волне от носовых румбов во всех случаях недопустимо форсировать скорость, но необходимо снизить ее в разумных пределах. Этим достигается уменьшение:

• ударов волн в носовой свес и днище судна (слеминг), сила которых зависит от квадрата суммарной скорости судна и волны;
• заливания палубы и повреждения палубных механизмов и грузов;
• неравномерности в работе двигателя, вызванной оголением кормовой оконечности судна при подъеме на волне.

Судоводитель должен проявить особую осторожность и учет всех обстоятельств при плавании на волнении в том случае, если длина волны и корпуса судна примерно одинакова. При встречном волнении суммарная скорость волны и судна вызывает резкое изменение нагрузки на корпус судна, вредно отражающееся на 'общей его прочности. Уменьшение скорости судна и изменение курсового угла волнения позволят практически найти положение судна, при котором оно ведет себя спокойнее. Требование о равномерной загрузке корпуса судна с рациональным облегчением концевых трюмов и танков особенно строго должно соблюдаться при предстоящем плавании в штормовых условиях в зависимости от продолжительности рейса, района плавания и времени года.

При равенстве длины попутной волны и судна может возникнуть угроза значительной потери его остойчивости. Из теории корабля известна зависимость метацентрической высоты от площади действующей ватерлинии. Так как большинство современных транспортных судов имеет прямостенные борта в средней своей части и острые обводы в носовой и кормовой оконечностях, то при плавании на волнении происходит непрерывное изменение площади действующей ватерлинии, а следовательно, и остойчивости судна. Если при встречном волнении эти изменения происходят достаточно быстро, то при попутной волне, особенно если ее скорость близка к скорости судна, уменьшение площади действующей ватерлинии может наблюдаться в течение длительного времени. Падение остойчивости может в таких случаях достигнуть опасных значений и явиться причиной опрокидывания и гибели судна.

Наиболее опасным является положение судна на гребне волны. Внешне это проявляется в том, что судно становится более валким, причем углы крена и период бортовой качки достигают в таких случаях больших значений. Судно медленно ложится на борт, медленно выпрямляется, а также принимает на палубу массу воды. Мерой обеспечения безопасности судна в таких условиях является изменение его курса и скорости. Скорость при плавании на попутном волнении, создающем опасные условия, во всех случаях должна быть уменьшена.

Из всего сказанного следует, что при подготовке к плаванию в шторм следует уделять большое внимание загрузке и балластировке судна и при плавании в шторм — управлению им. Под неослабным контролем должно находиться рулевое управление с систематической проверкой всех его частей — основного, запасного и аварийного приводов. Вахтенные помощники и рулевые должны быть строго проинструктированы в части тщательного соблюдения всех правил управления рулем: заблаговременно перекладывать руль, чтобы не допустить уход судна с заданного курса, избегать резких перекладок руля и т. п.

Для любого судна, в зависимости от условий и степени шторма, поворот на другой курс связан с целым рядом неприятных или даже опасных обстоятельств: усилением качки, зарыванием в волну, попаданием на палубу больших масс воды и пр. Так как повороты все же неизбежны, то здесь необходимо по возможности уменьшить вредные их последствия.

Перед поворотом следует по универсальной диаграмме штормования определить положение резонансной зоны качки с тем, чтобы на новом курсе судно могло выбрать наиболее приемлемую скорость. Путем наблюдения за волнением следует установить периодичность прохождения самых высоких волн, чтобы во всех случаях поворота положение лагом к волне было пройдено в период наименьшего для данных условий волнения. Если судно следует курсом против волны и должно изменить курс на значительный угол, то следует рассчитать поворот так, чтобы положение бортом к волне судно прошло до подхода следующей серии высоких волн. В данном случае следует положить руль на борт. Однако нужно учитывать, что при большой угловой скорости поворота судно, перевалившее положение бортом к волне, может получить удар волны в кормовую часть, что при малой высоте надводного борта приведет к повреждениям палубных устройств и грузов. В таких случаях при подходе высоких волн руль следует отводить заблаговременно.

При повороте судна, следующего по волне, на курсы против волны не следует форсировать ход; приводить на новый курс лучше на небольших скоростях, чтобы избежать резких ударов волн и носовую часть и иметь возможность проверить поведение судна на разных курсах относительно волн.

Способы штормования

Выше были рассмотрены рекомендации, применяемые при плавании в штормовую погоду, когда судно все-таки может следовать по назначению, лишь с некоторыми, вызванными соображениями безопасности, отклонениями от курса. Но во время жестких штормов, при ураганных ветрах и большом волнении, иногда смешанного характера, судно зачастую бывает поставлено в условия, когда ставится задача сохранения самого судна и избежания повреждений его палубных устройств и грузов. Многолетняя практика рекомендует разные способы штормования в зависимости от конструктивных особенностей судна, его загрузки, дифферента, наличия палубного груза и других условий.

Способ штормования на носовых курсовых углах может быть рекомендован судам, имеющим полубак, защищающий носовую часть палубы от заливания волнами, полные обводы носовой части корпуса и некоторый дифферент на корму, облегчающие всплывание судна на волне. При данном способе штормования судно испытывает значительные удары волн в носовой части. Для избежания ударов волн и больших напряжений корпуса судна необходимо уменьшить ход и следовать со скоростью, обеспечивающей достаточную управляемость судна. Однако надо учитывать, что незначительная скорость требует частых перекладок руля.

Способ штормования на кормовых курсовых углах состоит в том, что судно ложится на курс прямо по волне или под некоторым углом к ней. Выбор этого способа возможен в том случае, если длина волны значительно отличается от длины судна.

Выбор хода также должен определяться тем условием, чтобы судно шло с отличной от волны скоростью. Как правило, суда должны следовать малым ходом, обеспечивающим должную управляемость судна.

Оба указанных способа должны учитывать условия килевой качки и зарывание судна в волну, т. е. они должны избегать резонансной килевой качки, которая будет наблюдаться при:

Способ штормования, когда судно дрейфует с застопоренной машиной в положении, которое оно принимает по отношению к волне при своих конструктивных особенностях, загрузке, расположении центра парусности и других. Обычно это положение близко к положению бортом к фронту волн или под некоторым углом к нему. Применение этого способа возможно при нормальной остойчивости судна и небольшой его загрузке. В данном случае удары волн могут быть незначительными, но бортовая качка может быть очень резкой при больших углах крена, так как здесь отсутствует демпфирование — сопротивление бортовой качке, усиливающееся с увеличением скорости. Этот способ нельзя рекомендовать судам в грузу с малым надводным бортом и судам, имеющим большую остойчивость.

Выбор способа штормования целиком зависит от судоводителя, от знания им особенностей своего судна, его загрузки, поведения в различных обстоятельствах.