Мореходство и морские науки - 2009

Типизация штормовых нагрузок для разных классов судов по условиям безопасности мореплавания

Введение

По определению [3] любое судно (корабль) представляет собой «плавучее сооружение, предназначенное для выполнения определенных хозяйственных и военных задач, научных исследований, водного спорта и других». Данное плавучее сооружение обеспечивает экипажу безопасные и комфортные условия труда и жизнедеятельности в нем. Именно поэтому безопасность мореплавания закладывается на стадии проектирования и строительства морского судна. Оно поддерживается в течение всего срока его эксплуатации.

Цель данной статьи заключается в том, чтобы провести типизацию ветровых нагрузок, которым подвержены морские суда разных классов, совершающие плавание в шторм, и помочь судоводителю обеспечить безопасность мореплавания в экстремальных условиях.

Характеристика штормовых нагрузок

В начале своей работы автор исходит из предположения, что численные характеристики опасных штормовых нагрузок зависят от класса судна. Иными словами плавание по бурному морю на малом судне, имеющем в качестве спасательного средства легкую лодку или надувной плот, опаснее, нежели на большом судне, имеющем в достатке те же спасательные средства, т. е. легкие лодки и надувные плоты. В этой связи, по-видимому, правомерен вопрос: почему в шторм большие и малые морские суда тонут, а легкие лодки и надувные плоты спасают?

Очевидно, ответы на поставленные вопросы надо искать с изучения устройства морских судов и их классификационных назначений.

Согласно классификации, приведенной в энциклопедии [3], суда отличаются предназначением. По предназначению суда бывают транспортные, промысловые, промышленно-хозяйственные, административно-служебные суда, военные корабли, научно-исследовательские, судообслуживающие суда.

Внутри каждого класса суда отличаются друг от друга конструктивным исполнением, размерами и мореходными качествами. Наиболее типичные технические характеристики судов, влияющие на их мореходные качества, можно оценить по данным, представленным в таблице 1.

Таблица 1
Типичные технические характеристики судов

Таблица 1 дает нам значения предельных размерений судов, отражающие принятые в судостроении пропорции. А именно предельной длине судна – 360 м соответствует предельная ширина – 62 м, предельная высота борта – 36 м и предельная осадка – 28 м. Чем меньше судно, тем меньше его габариты и грузоподъемность. Однако следует учесть некоторый разброс в отношениях габаритов. Например, отношение длины к ширине для судов, приведенных в таблице 1, меняется от 4,9 (ледокол и рыболовный сейнер) до 8,3 (контейнеровоз) при среднем значении 6,4.

Данное обстоятельство позволяет провести типизацию предельных штормовых нагрузок разных классов судов, опираясь на общие закономерности размерений, не обращая внимания на названия, предназначения судов, на устройство палубных надстроек. Иными словами, такая типизация рассматривает ветровые нагрузки, которые воспринимает мидель надводной части корпуса корабля, верхний габарит которого ограничен высотой надводной части борта, палубными и иными надстройками, а также габаритными размерами перевозимого на палубе груза.

При рассмотрении штормовых условий автор исходит также из предположения, что поверхностное ветровое течение имеет небольшую глубину распространения и скорость, поэтому оно существенного опасного сопротивления движущемуся морскому судну не оказывает.

Учитывая, что экстремальные штормовые нагрузки вызываются действием ветра и ветровой волны, а судов, совершающих плавание в акваториях Сахалина и Курил, очень много, существует практически 100 % вероятность того, что хотя бы один из них (из-за производственного задания, неточности прогноза) попадет в географическую точку шторма.

Здесь следует учесть то обстоятельство, что поверхность воды является подвижной средой, которая оказывает меньшее сопротивление, нежели на суше, воздушному потоку, с горизонтальной составляющей называемой – ветер. Поэтому скорость ветра над морем заведомо не меньше скорости ветра измеренной на суше, где торможение воздушного потока больше, т. е. на береговой метеорологической станции. Следовательно, для нахождения экстремальных ветровых нагрузок нам нужна максимальная средняя (осреднение за период 10 минут в срок наблюдений) скорость ветра и максимальная мгновенная (осреднение за 3–4 секунды) скорость ветра в порыве, независимо от того, на какой береговой метеорологической станции Сахалинской области они измерены.

Важно отметить также, что все метеорологические станции Росгидромета измеряют ветер анеморумбометрами типа М-63М с ветроприемниками в виде воздушного винта. На морских судах ветер чаще измеряют анеморумбометрами с чашечными ветроприемниками. Следует знать, что показания тех и других приборов отличаются при одной и той же скорости ветра. Эта проблема исследована в работе автора [1].

Наибольшую скорость ветра над сушей, адекватную штормовому ветру над морем, мы найдем из таблиц расчетных скоростей ветра, опубликованных в работе автора [1]. В качестве отправного положения при разыскании такой скорости примем вероятность её повторения не менее одного раза в год. Находим, что расчетная средняя скорость в пункте Крильон, мыс равна 31 м/с, а скорость в порыве в том же пункте равна 42 м/с. Эти значения скорости превосходят по степени опасности критерии, которыми руководствуется гидрометеорологическая служба, оповещая суда об опасных явлениях на море [1].

Тем не менее трудно припомнить хотя бы один год, который завершился бы без единой морской катастрофы в акваториях Сахалинской области. Следовательно, наш ветер реален. Он действительно ежегодно наблюдается на море. Он ежегодно убивает моряков. Он ежегодно причиняет громадный ущерб экономике. Он нуждается в оценке своей силы.

Наставления судоводителю

Чтобы оценить реальные силы морского ветра, воспринимаемого всеми оперативными морскими службами и экипажем корабля как шторм, как буря на море, необходимо знать такие конструктивные элементы судна, как водоизмещение, вес и габариты груза, принятого к перевозке. Нужно знать внешние габариты судна и его аэродинамические коэффициенты.

Очевидно, большинство названных характеристик являются переменными величинами. Они становятся известными судоводителю только в тот момент, когда погрузка завершена и судно готовится к выходу в море.

Поэтому указанные характеристики судна для типизации штормовых нагрузок не подходят.

Автор остановил свой выбор на характеристиках площади сечений по миделю надводной части судна. Очевидно, на площадь бокового сечения корабля будет действовать боковой ветер, а на лобовое сечение – встречный ветер. Скоростной напор штормового ветра определим по формуле

G = V²/16 кгс/м² , (1)
где, G – скоростной напор (кажущегося) ветра, V – штормовая скорость (кажущегося) ветра.

Понятие «Скоростной напор ветра» применяется в строительных отраслях при расчетах ветровых нагрузок на различные сооружения. Вывод формулы 1 можно найти в работе [2].

Принятое условие позволяет рассчитать предельные штормовые нагрузки ветра на корпус судна по формуле:

G = V²S/16 = GS кгс , (2)
где, F – предельная штормовая нагрузка, кгс; V – предельная скорость ветра, выделенная в таблице 2 жирным шрифтом, м/c; S – площадь сечения по миделю, м².

Формула для расчета действительной штормовой нагрузки – F_d имеет вид:

F_d = a_d · V_d² /16 · S_d = a_dG_dS_d кгс, (3),
где, a _d, – действительный аэродинамический коэффициент надводной части корабля; V_d – действительная скорость ветра; S_d.- действительная площадь надводной части корабля.

По формуле 1 рассчитаны скоростные напоры штормового ветра, представленные в таблице 2.

Таблица 2
Скоростные напоры при различных значениях штормового ветра, кгс/м²

По формуле 3 судоводитель может самостоятельно рассчитать интересующие его величины силового воздействия ветра на корпус корабля, используя следующий алгоритм.

1. Действительное значение скорости ветра взять из текущих показаний корабельных измерителей скорости ветра, если судно дрейфует, или сведений о скорости ветра из оперативного прогноза погоды. Если судно движется, то на его корпус воздействует «кажущейся» ветер. Поэтому для расчета ветровой нагрузки на движущийся корабль в формуле 3 следует использовать направление и скорость «кажущегося» ветра.
2. Определить фактическую площадь надводной части корпуса корабля с учетом палубных надстроек и габаритов находящегося на палубе груза в направлении, перпендикулярном ветру.
3. Определить аэродинамический коэффициент корпуса корабля в направлении, перпендикулярном ветру. Аэродинамический коэффициент меняется в значительных пределах. При выпуклых формах корпуса надводной части корабля он меньше 1,0. При преобладании плоских поверхностей борта и палубных надстроек, и соответствующих габаритов перевозимого на палубе груза он близок к 1,0. При вогнутых формах, как у паруса, аэродинамический коэффициент возрастает до 1,4.

Совершенно очевидно, подобный конкретный расчет под силу только судоводителю конкретного корабля. Задача автора – рассчитать предельные штормовые нагрузки, с которыми мореплаватель может встретиться в акваториях Сахалинской области. Эти расчеты выполнены по формуле 2 и сведены в таблицу 3.

При анализе данных таблицы 3 судоводитель может и не найти в одной строчке таблицы 3 значения площади бокового и лобового сечения по миделю своего судна. Такая ситуация не является ошибкой расчетов. Она является следствием общего правила расчета ветровой нагрузки по формуле 2. Если суда отличаются по длине и ширине, а площадь миделевого сечения у них одинакова, то и соответствующая ветровая нагрузка при равенстве скоростей ветра у них будет одинаковой. Поэтому площадь бокового сечения и площадь лобового сечения конкретного судна, корабля, независимо от его конструкции и предназначения, может находиться в разных строках таблицы 3. Следовательно, таблица 3 универсальна. Ее данные подходят для судов любых классов.

Просматривая таблицу 3, делаем вывод, что с уменьшением габаритных размеров судна уменьшаются и предельные штормовые нагрузки на него. Поэтому наше первоначальное предположение о том, что «плавание по бурному морю на малом судне опаснее, нежели на большом судне», по-видимому, преждевременно. Отличия в комфорте, как на «Титанике», есть, но тезис о повышении степени опасности плавания на малом морском судне тот же «Титаник» опроверг, и потому указанный тезис нуждается в дополнительной проверке.

Альтернативой первой гипотезе может служить гипотеза о том, что степень опасности мореплавания зависит от взаимодействия инерционных сил корабля и динамических сил ветра. С таких позиций следует правило – чем инерционнее корабль, тем опаснее мореплавание. Косвенным подтверждением альтернативной гипотезы служит тот факт, что в штормовую погоду военных кораблей, несущих тяжелую броню, погибло больше, нежели при боевых столкновениях на море.

Таблица 3
Предельные штормовые нагрузки ветра на корпус морских судов, тс

Можно предположить также, что спасательные качества легких плавательных средств на борту корабля заключаются именно в их малой инерционности. Они легко дрейфуют, движутся по волнам и испытывают меньшую штормовую нагрузку. Тем не менее и в таких плавательных средствах спасатели находят погибших, но не утонувших мореплавателей. Погибших от переохлаждения организма. Следовательно, экипажу судна нужны не только легкие плавательные средства спасения. Ему нужна легкая спецодежда, надежно сохраняющая тепло организма, подверженного действию холодной воды и холодного ветра. Но это уже другая проблема обеспечения безопасности мореплавания.

Литература

1. Бернгардт Р. П. Климатологические обобщения и применение информации о скорости ветра и гололеде (на примере Сахалинской области). Монография.– Южно-Сахалинск: СахГУ. 2003. – 96 с.
2. Заварина М. В. Строительная климатология. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
3. Судно. Большая Советская Энциклопедия: В 30 т. – Т. 25. – 3-е изд-е. – М.: Советская Энциклопедия, 1976.