§ 8 Маневренность во льдах

Маневренность при работе во льдах — совокупность качеств судна, от которых зависит его способность поворачиваться, останавливаться, менять направление движения, совершать разбеги и т. п. Для ледокола маневренные качества имеют особо важное значение, так как от них зависит выполнение большинства его основных функций. Это в первую очередь относится к форсированию тяжелого льда набегами, проводке судов и околке портовых сооружений. При выполнении этих операций ледокол должен разворачиваться во льду, отходить назад, разбегаться и т. д.

Развороты во льду производят циркуляцией либо «елочкой». Разворот циркуляцией выполняют одной перекладкой руля на борт без изменения режима работы машин. Разворот «елочкой» осуществляют с помощью ряда маневров, приводящих к последовательным закалываниям ледокола в лед носом и кормой (рис. 54, а) либо только носом (рис. 54, б). Такие маневры достигаются реверсированием гребных винтов в сочетании с перекладками руля. Чем тяжелее ледовые условия, тем большее количество манипуляций требуется для выполнения одного разворота «елочкой» и поэтому больше времени затрачивается на разворот. Маневры, выполняемые ледоколом при околке транспортного судна, застрявшего во льдах, включают элементы разворотов циркуляцией и «елочкой» (рис. 55).

Требования, предъявляемые практикой ледового плавания к маневренности ледокола, чрезвычайно многообразны. Они охватывают такие его качества, как устойчивость на курсе, поворотливость и инерция. Ледовые условия существенно усложняют расчеты маневренных характеристик. Однако изучение маневренности во льдах в настоящее время находится на начальной стадии развития, что не позволило пока создать надежную расчетную методику. Следует отметить, что наиболее важным источником информации о маневренности ледокола во льду являются натурные данные, без которых изучение маневренности теряет реальную основу.

Устойчивость на курсе для ледокола не является столь важным качеством, как поворотливость. Устойчивость представляет практический интерес лишь для мощных ледоколов, которые предназначаются для прокладки каналов во льду в качестве ледоколов-лидеров и, кроме того, сравнительно часто совершают длительные переходы по чистой воде от базы до района работ во льду. Большинство вспомогательных и отчасти средних ледоколов такие переходы совершают редко, так как они обычно приписаны к портам, расположенным в непосредственной близости от места их работы.

Устойчивость ледокола на курсе при плавании в ледовых условиях определяется главным образом процессом взаимодействия корпуса со льдом. Основной чертой этого процесса является его случайный характер, который обусловлен неоднородностью ледяного покрова и случайностью силового контакта корпуса со льдом. Поскольку свойства льда стихийно изменяются, то возмущения параметров движения ледокола во льду являются случайными, а их отклонения от средних значений могут быть достаточно большими. 

Эти возмущения вызывают рыскание ледокола, которое характеризуется углом рыскания и периодом рыскания. По мере увеличения неравномерности характеристик ледяного покрова угол и период рыскания ледокола при прочих равных условиях увеличиваются. Для поддержания первоначального направления движения ледокола рулевому приходится периодически перекладывать руль, причем угол перекладки руля в значительной степени зависит от величины угла рыскания. При ходе ледокола в неравномерном ледяном покрове руль используется для противодействия возмущающим силам и моментам этих сил. Чем эффективнее руль, тем меньше угол рыскания. Таким образом, угол рыскания ледокола зависит не только от неравномерности льда, но и также от управления рулем (т. е. от качества работы рулевого).

Установлено, что, несмотря на теоретическую неустойчивость на курсе, ледоколы при автономном плавании во льдах обладают эксплуатационной устойчивостью на курсе. Последняя оценивается среднестатистическими значениями периодов и амплитуд рыскания судна, периодов и углов перекладки руля. Наиболее важной характеристикой эксплуатационной устойчивости на курсе является средняя частота и средний угол перекладки руля в различных ледовых условиях, В табл. 5 приведены данные наблюдений, полученные при непрерывном движении ледокола типа Василий Прончищев в ровном сплошном льду различной толщины и при ходе на чистой воде. Как следует из таблицы, при непрерывном движении в ровном сплошном льду амплитуды рыскания ледокола сравнительно невелики.

В настоящее время не существует норм для оценки эксплуатационной устойчивости на курсе ледоколов при их движении во льдах. Если условно принять в качестве такой нормы критерий, применяющийся для оценки устойчивости на курсе обычных судов (частота перекладки руля — не более 4—6 1/мин, угол — не свыше 3—5° на борт в условиях слабого волнения), то ледокол при движении в ровном сплошном льду толщиной меньше h_пр может быть отнесен к числу судов с удовлетворительной управляемостью.

Анализ данных табл. 5 показывает также, что какой-либо связи между характеристиками устойчивости на курсе и толщиной льда не обнаруживается. К аналогичному выводу теоретическим путем пришел Д. Е. Хейсин, который исследовал задачу об устойчивости ледокола на прямом курсе во льду с помощью вероятностных методов. Им получено следующее выражение для средней частоты рыскания:

и связанная с ним формула безразмерного критерия устойчивости

В неравномерном по толщине и прочности торосистом льду, а также в дрейфующем крупно- и мелкобитом льду эксплуатационная устойчивость ледокола на курсе значительно хуже, чем в ровном сплошном льду. В таких ледовых условиях угол рыскания ледокола достигает 40—50°.

Ледокол, оборудованный одним носовым винтом, в любых условиях обладает худшей устойчивостью на курсе, чем ледокол с двумя винтами в носу или ледокол без носовых винтов.

Удовлетворительная устойчивость на курсе присуща ледоколам не при всех эксплуатационных режимах работы во льдах. В частности, при буксировках во льдах вплотную отдельных судов и составов, превосходящих ледокол-буксировщик по размерениям и водоизмещению, ледокол неустойчив на курсе и часто не слушается руля.

Поворотливость ледокола при работе во льдах отличается от его поворотливости на свободной воде. Это отличие обусловлено особенностями взаимодействия корпуса ледокола с ледяным покровом. Так, при движении ледокола по криволинейной траектории во льду наблюдается асимметрия в силовом контакте льда с правым и левым бортами: «внешний» по отношению к центру поворота борт почти на всем своем протяжении от носа до кормы входит в контакт с ледяным покровом, тогда как «внутренний» борт соприкасается с ледяным покровом лишь частью длины носового заострения (рис. 56, а). 

Таким образом, сила ледового сопротивления создает при криволинейном движении ледокола вращающий момент, который приложен к корпусу на некотором расстоянии в нос от центра тяжести.

В соответствии с этим в систему уравнений движения ледокола по криволинейной траектории во льдах, помимо сил и моментов сил, учитываемых обычно в теории поворотливости, войдут составляющие силы ледового сопротивления и их моменты. При современном уровне знаний эти уравнения не могут быть решены аналитически, так как они содержат большое число величин, зависимость которых от скорости, угла перекладки руля и угла дрейфа неизвестна.

Общий характер циркуляции ледокола во льду мало отличается от наблюдаемого на свободной воде: при циркуляции во льду также различают три периода, последовательно переходящих один в другой (маневренный I, эволюционный II и установившийся III — рис. 56, б). По сравнению со свободной водой продолжительность первых двух периодов циркуляции (маневренного и эволюционного) в ледовых условиях сокращается, а их характерные особенности становятся менее ярко выраженными. Практическое значение этих периодов циркуляции при плавании во льдах невелико, и поэтому их можно не рассматривать. На рис 57 показано записанное в натурных условиях В. А. Трониным изменение во времени основных параметров циркуляции речного ледокола типа Волга. Нетрудно заметить, что ледяной покров значительно снижает скорость поступательного V_ц и вращательного w_ц движения ледокола и, следовательно, увеличивает период циркуляции.

Относительный радиус установившейся циркуляции r_ц при заданном угле перекладки руля б_р практически не зависит от основных характеристик ледяного покрова (толщины льда, сплоченности, разрушенности и т. п.) и от скорости, при ее изменении во всем диапазоне реальных скоростей ледокола (т. е. при числе Фруда F_п <= 0,25). Средняя величина r_ц во льду примерно равна радиусу циркуляции на свободной воде при соответствующих углах перекладки руля (табл. 6, рис. 58).

Крен ледокола при циркуляции во льду незначителен (не более 1—2°). Линейная и угловая скорость установившейся циркуляции зависит от угла перекладки руля и характеристик ледяного покрова. 

Так, линейная скорость циркуляции V_ц уменьшается с увеличением толщины льда и угла перекладки руля (рис. 59). Это приводит к тому, что во льду, толщина которого близка к h_пр, перекладка руля на угол свыше 20—30° может привести к остановке ледокола. Например, ледокол Волга в ровном сплошном льду толщиной h = 30 см (предельная толщина льда для этого ледокола составляет 35 см) при перекладке руля на 30° снижает скорость и останавливается (на рис 59, а отрезки кривых, изображенных пунктиром, соответствуют работе ледокола набегами).

Угловая скорость на установившейся циркуляции w_ц с увеличением толщины льда быстро уменьшается. Во льду заданной толщины угловая скорость увеличивается при увеличении угла перекладки руля. Эта закономерность нарушается в тех случаях, когда толщина льда становится близкой к предельной для данного ледокола. В последнем случае увеличение угла перекладки руля более чем на 20—30° приводит к снижению w_ц (рис. 59, б), что объясняется резким возрастанием гидродинамической силы на руле.

Попытка создать теоретически обоснованный метод оценки параметров поворотливости судна при движении во льду была предпринята В. А. Трониным [27]. Ему удалось аналитически выразить составляющие силы ледового сопротивления и ледовый момент, действующие на ледокол, который совершает циркуляцию в сплошном льду, и произвести их численное определение с помощью расчетов на электронной вычислительной машине (ЭВМ). Полученные В. А. Трониным расчетные формулы отличаются, на наш взгляд, неоправданной сложностью. При выводе этих формул принят ряд сравнительно грубых допущений. В первую очередь это относится к предположению, что силы ледового сопротивления на циркуляции не зависят от скорости. Такое допущение приемлемо только для случая движения ледокола во льду толщиной, близкой к h_пр. Однако в общем случае скорость ледокола во льду изменяется в довольно широком диапазоне (от 1—2 до 10—15 уз). Разворот циркуляцией на практике выполняют в основном во льдах, толщина которых значительно меньше h_пр, т. е. при сравнительно высокой скорости. Поэтому для решения практических задач управляемости подобное допущение непригодно.

 

Приближенную оценку основных параметров установившейся циркуляции ледокола (относительный радиус циркуляции, период циркуляции, линейная и угловая скорость хода на циркуляции) с достаточной для практических целей степенью точности можно произвести с помощью приведенной ниже эмпирической методики. Эта методика базируется на установленном экспериментальным путем положении о том, что средняя величина относительного радиуса циркуляции в различных ледовых условиях стабильна и приблизительно равна радиусу циркуляции на свободной воде. Благодаря этому величину r_ц можно определять по известным формулам теории управляемости судов на свободной воде.

 

Анализ экспериментальных данных показывает также, что при заданных значениях угла перекладки руля б_р зависимость Vц = f(h), как и при прямолинейном движении ледокола во льду (см. § 6), сохраняет линейный характер (см. рис. 59, а). Поэтому скорость ледокола на циркуляции в ровном сплошном льду может быть приближенно оценена с помощью выражения

При расчете V_Цл по формуле (23) толщина льда h является величиной заданной, предельная толщина льда h_пр может быть найдена с помощью формулы (1), а величина скорости V_цв может быть определена расчетом по известным формулам теории управляемости либо заимствована из данных натурных или модельных испытаний.

Угловую скорость w_ц и период нетрудно определить, зная величины V_Ц и r_ц:

Очевидно, влияние главных размерений и формы ледокола на радиус установившейся циркуляции во льду будет таким же, как и на свободной воде, а их влияние на скорость циркуляции во льду в первом приближении может быть учтено с помощью формул (1) и (3).

Для суждения о поворотливости ледокола недостаточно знать параметры установившейся циркуляции. Как отмечалось, основным практическим способом разворота ледокола во льду является «елочка». Этот способ разворота, в отличие от разворота циркуляцией, требует меньшей площади для маневрирования и меньших затрат времени. Он эффективен в любых ледовых условиях, особенно в тяжелых, которые ледокол не в состоянии преодолеть непрерывным ходом. Отстояние крайней точки разворота «елочкой» от линии прямого курса ледокола (т. е. от центра разворота) не превышает, как правило, 1,0—1,5 длины корпуса. Параметры разворота зависят от поворотливости ледокола, его инерционных характеристик и маневренности энергетической установки. Немаловажное значение имеет также способность ледокола закалываться в кромку льда («закалываемость»). Эта способность позволяет ледоколу выходить из канала под острым углом к его оси. Наилучшей закалываемостью обладают ледоколы, имеющие малый радиус циркуляции, острые носовые образования и специальную форму сечения форштевня в районе действующей ледовой ватерлинии. Переднюю грань форштевня ледокола выполняют вогнутой, с тем чтобы его боковые ребра при заданном угле входа ватерлинии а'_Е были более острыми. На рис. 111,6 (см. § 23) приведено сечение форштевня ледокола Василий Прончищев, обладающего хорошей закалываемостью.

Эффективность разворота ледокола «елочкой» в каждом конкретном случае зависит от особенностей ледяного покрова вблизи корпуса ледокола и от мастерства судоводителя. Поэтому объективная оценка этого способа поворота затруднена. Основным параметром разворота «елочкой» является время (период) поворота на 180°, который служит важным эксплуатационно-техническим показателем маневренности ледокола (табл. 7).

Важное значение для ледокола имеет управляемость на малом ходу, а также при буксировке судов и при работе задним ходом. При движении в тяжелом льду (когда скорость хода мала, а энергетическая установка работает на полную мощность) руль трехвинтового ледокола сохраняет эффективность за счет того, что скорость потока, набрасываемого на него средним кормовым винтом, достаточно высока. Управляемость ледокола, оборудованного двумя кормовыми винтами, хуже. При движении малым ходом на чистой воде или в легких ледовых условиях (когда энергетическая установка работает неполной мощностью) управляемость многовинтовых ледоколов удовлетворительна благодаря возможности маневрирования движителями. Так, для обеспечения хорошей управляемости трехвинтового ледокола при движении малым ходом в сравнительно легких ледовых условиях применяется схема, при которой средний винт работает полной мощностью, обеспечивая полезную тягу для продвижения судна и создавая благоприятные условия для работы руля, а бортовые винты используются либо для одерживания ледокола, либо для увеличения вращающего момента, создаваемого рулем. Момент, создаваемый бортовыми винтами при их вращении в противоположные стороны, можно оценить с помощью выражения

Расчеты по формуле (24) показывают, что величина момента, создаваемого бортовыми винтами при их работе на полную мощность в противоположные стороны, соизмерима с моментом, создаваемым рулем (например, для ледокола типа Москва это — 510 и 750 тм соответственно). Маневрирование винтами таким образом существенно улучшает управляемость ледокола, однако оно снижает полезную тягу и приводит к потере скорости хода во льдах, поэтому его используют лишь в особых случаях (при работе вблизи судов, портовых сооружений и т. п.).

При работе во льдах задним ходом управляемость ледокола обеспечивают исключительно за счет маневрирования бортовыми гребными винтами, так как руль, во избежание ледовых повреждений, всегда фиксируют в нулевом положении. Поэтому управляемость ледокола на заднем ходу, как правило, значительно хуже, чем на переднем. Исключение в этом отношении составляют ледоколы, оборудованные двумя винтами в носу и в корме, у которых управляемость на переднем и заднем ходу практически равноценна.

Инерционные характеристики в значительной степени определяют маневренность ледокола и оказывают влияние на безопасность плавания во льдах. Для оценки инерции ледокола при работе в ледовых условиях принято использовать те же параметры и характеристики, что и при измерении инерции судна на свободной воде: длину и время пробега, необходимое судну при выполнении ряда стандартных маневров. К числу этих маневров относятся: останов (т. е. случай когда режим работы гребной установки изменяется с «полного вперед» на «стоп»), торможение («полный вперед»—«полный назад») и разгон («стоп» — «полный вперед»). О характере изменения скорости ледокола при выполнении указанных маневров можно судить с помощью диаграммы рис. 60, построенной на основании данных натурных испытаний.

Кроме того, для эксплуатации ледокола представляет интерес процесс его движения после разбега во льду, толщина которого превышает предельную, преодолеваемую непрерывным ходом. Этот процесс можно характеризовать временем пробега и длиной пути, проходимого ледоколом с момента входа в лед до полной остановки, когда энергетическая установка развивает полную мощность.

Методика расчета характеристик неустановившегося прямолинейного движения судна во льдах впервые была опубликована Д. Е. Хейсиным и Е. Ю. Петровым в работе [18]. Эта методика основана на анализе дифференциального уравнения движения судна, которое записывается следующим образом:

При допущении о квазистационарности рассматриваемых процессов, сопротивление R_л, входящее в правую часть уравнений (25) и (26), можно определять в помощью общепринятых методов (аналитических или экспериментальных), а тягу винтов полагать постоянной, равной тяге на швартовом режиме Т_шв (такое допущение подразумевает тождественность характера взаимодействия корпуса со льдом, наблюдаемого при непрерывном движении ледокола и при работе набегами). С учетом сказанного правая часть уравнения (26) может быть представлена в общем виде:

Уравнения (25) и (26) в этом случае приводятся к нелинейным дифференциальным уравнениям первого порядка с разделяющимися переменными и могут быть решены любым из известных способов. В частности, в работе [18] рекомендуется использовать для этой цели графическое решение путем построения ломаных Эйлера. Окончательные расчетные зависимости для определения характеристик указанных выше нестационарных процессов нетрудно получить, подчиняя общие решения уравнений (25) и (26) соответствующим начальным условиям. Для расчета длины пробега при останове будем иметь

Длина пробега при разгоне ледокола и при движении во льду с разбега может быть определена с помощью следующего уравнения:

при условии, что пробег за время, в течение которого производится реверс гребного двигателя, учитывается отдельно с помощью формулы (28) и суммируется с (30).

Практически длину и время пробега ледокола по уравнениям (28)—(30) определяют следующим образом: в правую часть соответствующего уравнения подставляют начальные значения F_n = F_n0 и определяют величину

Затем из точки (0, F_n0) проводят прямую под углом у к оси абсцисс (с учетом знака) до пересечения с линией, параллельной оси ординат и отстоящей от нее на расстоянии A£ (или At). Затем графически определяют значение F_nl, служащее начальным отсчетом для дальнейшего построения, которое продолжают до пересечения ломаной линии с осью абцисс.

С помощью натурных наблюдений удалось установить, что характер движения ледокола и взаимодействия его со льдом при отмеченных неустановившихся процессах принципиально не отличается от движения, имеющего место при непрерывном стационарном прямолинейном движении ледокола во льду, которое подробно описано в работе [16]. Это обстоятельство служит косвенным подтверждением справедливости гипотезы о квазистационарности рассматриваемых процессов. Сопоставление результатов натурных испытаний ледоколов различных типов с данными расчетов, охватывающих все виды интересующих нас маневров (остановы, торможения, разгоны и работа с разбега), показывает их удовлетворительное совпадение. Уравнения (28)—(30) могут быть использованы для определения характеристик инерции проектируемого ледокола и для оценки влияния на них различных факторов. К числу этих факторов относятся, с одной стороны, элементы ледокола и, с другой — параметры ледовой среды. Как правило, абсолютное значение длины пробега судна при останове, торможении и разгоне во льду значительно меньше, чем при выполнении аналогичных маневров на чистой воде (рис. 61, табл. 8). В сравнительно легких ледовых условиях (малая толщина и сплоченность льда) длина пробега при останове намного больше, чем при торможении. В тяжелых ледовых условиях (особенно при толщине льда, близкой к h_пр) длина пробега при останове и торможении практически одинакова.

Из числа параметров, относящихся к судну, существенное влияние на характеристики неустановившегося движения оказывают начальная скорость V_Q и водоизмещение, которые входят в расчетные зависимости в явном виде. При разгоне, торможении и продвижении во льду с разбега к указанным факторам добавляется тяга гребных винтов. Характеристики неустановившегося движения зависят также и от других элементов судна, таких, как главные размерения, коэффициенты формы обводов корпуса и прочие, так как они входят в выражения для определения ледового сопротивления.

Влияние начальной скорости на длину пробега иллюстрирует график рис 62. При толщине льда, близкой к h_пр пробег как при останове, так и при торможении составляет всего 5—10 м (т. е. пренебрежимо мал по сравнению с пробегом на свободной воде) и практически не зависит от элементов ледокола. Время останова и торможения также мало. Оно соизмеримо с временем реверса

гребной электрической установки ледокола, которое составляет обычно 8—12 сек. На основании рис. 62 можно судить также о влиянии водоизмещения на длину пробега при останове ледокола

в сплошных льдах. Анализ формул (28)—(30) и результаты расчета показывают, что в среднем длина пробега ледокола в ровном сплошном льду при останове и торможении пропорциональна его водоизмещению в степени, несколько меньшей единицы. Однако влияние водоизмещения трудно представить в чистом виде, так как сравниваемые ледоколы отличаются, помимо водоизмещения, также тягой винтов, начальной скоростью и рядом других элементов.

Резюмируя, отметим следующее. Устойчивость на курсе у большинства современных морских ледоколов удовлетворительна. Поворотливость является важнейшим качеством ледокола, и на новых ледоколах следует добиваться ее повышения за счет

выбора оптимальных соотношений главных размерений и формы обводов корпуса, а также в основном за счет повышения эффективности работы рулевого устройства и движительного комплекса. Наилучшей управляемостью во льду обладают ледоколы, оборудованные двумя носовыми и двумя кормовыми винтами, а также ледоколы с тремя винтами в корме. У последних эффективность работы руля повышается при передаче большей части мощности на средний винт. Поэтому схема распределения мощности между гребными винтами в пропорции 1:2:1 на трехвинтовом ледоколе, с точки зрения управляемости, выгоднее, чем схема 1:1:1. Управляемость ледокола на заднем ходу и особенно при буксировках нуждается в улучшении.

Улучшения характеристик инерции новых ледоколов можно добиться в основном за счет повышения мощности их энергетических установок при заданном водоизмещении.