Основные понятия остойчивости.

Что такое остойчивость?

Остойчивость - это “способность наклоненного судна выпрямляться” или “способность судна противодействовать наклонению”. Далее, говоря об остойчивости, будем подразумевать в первую очередь остойчивость в поперечном направлении – “поперечную остойчивость”, как имеющую непосредственное отношение к безопасности и обеспечению ходовых качеств.

Как возникает восстанавливающий момент?

Судно плавает на поверхности воды под действием двух основных сил:

• Сила тяжести - “тянет судно вниз” и равна его весу. Приложена к центру тяжести судна (ЦТ).
• Сила плавучести или Архимедова сила – “выталкивает судно из воды” и равна его водоизмещению. Приложена в центре подводного объема (“центре плавучести”) судна, называемом центром величины (ЦВ).

В “прямом” положении судна эти силы уравновешивают друг друга и лежат на одной вертикальной линии (Рис.1а). Если вывести судно из “прямого” положения, то форма подводной части корпуса изменится, и ЦВ сместится в сторону накрененного борта. Как результат, линии действия сил перестанут совпадать и возникнет так называемый восстанавливающий момент, который противодействует крену (Рис.1б). Плечо остойчивости l (в английских обозначениях - GZ) – это расстояние между линиями действия сил; чем оно больше, тем больше восстанавливающий момент.

Что такое метацентрическая высота?

При наклонении судна ЦВ как бы поворачивается вокруг условной точки, называемой метацентром m. Расстояние от метацентра m до центра тяжести ЦТ и есть метацентрическая высота h (в английских обозначениях - GM). Как оказывается, метацентрическая высота служит характеристикой остойчивости судна; для большинства современных килевых яхт начальная (т.е. при малых углах крена) метацентрическая высота лежит в пределах 0.75 … 1.5 м, для малых моторных судов – 0.5…1.2 м

Что такое диаграмма остойчивости?

Характеристику остойчивости судна принято представлять графически в виде диаграммы статической остойчивости. Диаграмма показывает, как изменяется плечо остойчивости судна l (или восстанавливающий момент Dl) в зависимости от угла крена q (Рис.2).

Свойства диаграммы:

• На диаграмме видны характерные точки: угол максимума qm, соответствует максимальному плечу остойчивости. Угол заката qv, называется еще "углом потери остойчивости" (по-английски обозначается AVS или LPS). Судно, накрененное больше угла заката, опрокидывается. Обычно у крейсерских парусных яхт этот угол лежит в диапазоне 110...140° .
• Угол наклона касательной к начальному участку диаграммы характеризует начальную остойчивость. Чем “круче” вверх поднимается диаграмма, тем больше метацентрическая высота. У валкого судна начальный участок диаграммы более пологий, а у неостойчивого судна диаграмма из начальной точки идет вниз. По аналогии, для остойчивости в перевернутом состоянии - чем круче диаграмма идет вниз, тем труднее восстановить судно.
• Площадь A под кривой характеризует работу, которую необходимо совершить, чтобы опрокинуть судно. Чем площадь A больше, тем труднее его опрокинуть. Площадь B соответствует работе по спрямлению судна. Чем меньше площадь B, тем легче оно восстанавливается. Площади под диаграммой А и В характеризуют динамическую остойчивость судна.

Остойчивость судов разных типов.

На Рис.3 в качестве примера приведены диаграммы статической остойчивости судов разных типов – от супертанкера до гребной шлюпки.

Рис.3 – Диаграммы остойчивости судов разных типов

Можно отметить следующую закономерность - чем меньше судно, тем больше должны быть углы заката диаграммы остойчивости и метацентрическая высота. Это понятно: ведь меньшее по размеру судно, как правило, сильнее подвержено неблагоприятному воздействию стихии. Если для крупнотоннажного танкера вполне достаточна метацентрическая высота 0.15 м (по требованиям IMO) или даже менее, то для малого моторного судна длиной менее 20 м требуется h =>0.5 м (по Правилам Регистра).

У гребной шлюпки - из практики безопасной эксплуатации - метацентрическая высота должна быть никак не менее 0.2 м, а значение h>0.3 м обеспечивает безопасную посадку и вставание людей в лодке.

Особенности остойчивости яхт.

В отличие от судов других типов, для парусной яхты остойчивость - более широкое понятие: произнося фразу “высокая остойчивость” зачастую не уточняют, что же именно имеют ввиду. Только сравнительно недавно стало общепризнано, что для парусной яхты оценивать остойчивость необходимо комплексно, во всем диапазоне углов крена 0…180° . Показательно, что например, в хорошо известной книге К.Рейнке диаграммы остойчивости яхт приведены только до угла 90° …

В настоящее время принято рассматривать:

• Начальная остойчивость на малых углах крена определяет способность яхты нести паруса. Высокой начальной остойчивости соответствует крутой подъем начального участка диаграммы. Валкость судна – это не что иное, как недостаточная начальная остойчивость.
• Остойчивость на больших углах крена характеризует поведение яхты при опрокидывании, т.е. ее живучесть в экстремальных условиях. Дело в том, что парусная яхта из-за сравнительно небольших размеров и свойственных ей принципов движения более подвержена воздействию неблагоприятных гидрометеорологических факторов и тяжелых условий эксплуатации. Современные исследования показывают, что опасной в плане возможности опрокидывания яхты считается обрушивающаяся волна с высотой, равной ширине яхты…

Полезно запомнить следующее:

• Начальная остойчивость (до углов 10…15° ) характеризуется метацентрической высотой.
• Остойчивость на больших углах (в т.ч. и при опрокидывании) характеризуется диаграммой остойчивости.

Как связана площади парусности с начальной остойчивостью яхты?

Ответ на этот вопрос можно проиллюстрировать, рассмотрев “конструкторский подход” к задаче. Например, в практике проектирования яхт для оценки взаимосвязи площади парусности с остойчивостью используется так называемый “угол Делленбуша” (Dellenbaugh). Фактически это условный угол крена, который получит яхта при ходе в бейдевинд и скорости ветра около 8 м/с:

В этой формуле SA – площадь парусности, м²; h – начальная метацентрическая высота, м; D – весовое водоизмещение, кг; l_КР – плечо кренящего момента, равное вертикальному расстоянию от ЦП до ЦБС, м. Числитель этой формулы представляет собой кренящий момент от действия ветра на паруса, а знаменатель называется “коэффициентом остойчивости”.

Часто в зарубежной яхтенной литературе в качестве индикатора начальной остойчивости используется величина RM - восстанавливающий момент в кгм при крене 1° . Перейти от RM к h можно по формуле:

Таким образом, увеличивая метацентрическую высоту (или RM) можно одновременно увеличить площадь парусности, а следовательно повысить “энерговооруженность” и скорость яхты.

Остойчивость на больших углах как мера безопасности яхты

Как же оценить, насколько безопасна яхта - по ее диаграмме остойчивости? В качестве наглядного критерия можно выделить соотношение площадей над и под диаграммой, т.е. отношение A к B. Именно оно хорошо характеризует вероятность восстановления яхты из положения “килем вверх” – для этого отношение должно быть 3:1, 4:1 и более. Этот фактор как бы сравнивает работу по опрокидыванию яхты с работой, необходимой для ее восстановления. При малой площади В, в случае полного опрокидывания даже небольшой случайной волны достаточно для того, чтобы яхта венулась в прямое положение.

Стоит также обратить внимание на углы максимума и заката диаграммы – чем они больше, тем безопаснее яхта. Из практических соображений, у крейсерской яхты восстанавливающий момент при крене 90° должен быть положительным.

Важно также, чтобы при накренении через люки и палубные отверстия во внутренние помещения яхты не попадала забортная вода. Этот фактор способен свести “на нет” преимущества от высокой остойчивости. Т.е. желательно, чтобы угол заливания q _f был больше 90° и больше угла заката q _v, для чего “потенциальные места течи” должны располагаться как можно ближе к диаметральной плоскости (ДП).

Способы повышения остойчивости

Принципиально метацентрическую высоту (а значит, и остойчивость) любого судна можно увеличить следующими способами (см. рис.1):

• Понижение ЦТ, при этом увеличивается остойчивость веса. Остойчивость веса возникает за счет отклонения ДП судна от вертикали при крене: максимальный эффект достигается при крене 90° .
• Повышение метацентра m, при этом увеличивается остойчивость формы. Остойчивость формы обеспечивается смещением ЦВ в сторону накрененного борта. Таким образом, более широкие и высокобортные суда имеют большую остойчивость формы.
• Кроме того, у парусной яхты имеется еще один очень эффективный способ повышения остойчивости – откренивание, т.е. перемещение веса экипажа, балласта, качающегося киля и т.д. по ширине судна.

Рассмотрим подробнее практическую реализацию этих способов, их достоинства и недостатки.

Обеспечение остойчивости за счет веса неподвижного балласта.

Остойчивость старых яхт “классического” типа во многом обеспечивалась низким расположением ЦТ, иногда даже ниже ЦВ. Среди положительных качеств “классических” яхт “абсолютная остойчивость”: она восстанавливается практически из любого положения (пример яхты “Contessa 32” рассмотрен далее).

При обеспечении начальной остойчивости неподвижный балластный киль неэффективен, так как на малых углах крена отклонение ДП судна от вертикали невелико, следовательно плечо веса мало. Поэтому старым яхтам классического типа соответствуют и более значительные ходовые углы крена: именно на такой режим рассчитана их форма корпуса, сбалансированная относительно миделя. По той причине “классические” яхты имели избыток балласта, и как следствие, получались более тяжелыми.

Из вышесказанного следует, что часто используемое в описаниях проектов “балластное отношение” (относительная доля балласта в водоизмещении) на самом деле слабо характеризует способность современных яхт к несению парусов.

Обеспечение остойчивости за счет формы корпуса

Остойчивость формы корпуса на малых углах крена пропорциональна квадрату ширины судна: чем оно шире, тем сильнее смещается ЦВ в сторону накрененного борта. Именно этим определяется высокая начальная остойчивость швертботов и многокорпусников (Рис.5). Достаточно сказать, что у катамарана максимальное плечо остойчивости примерно равно половине расстояния между корпусами, а у тримарана – расстоянию между корпусом и поплавком.

Рис.5 – Диаграммы остойчивости многокорпусных яхт:  катамарана “Alien II” и тримарана “F-27”.

Исходя из таких соображений и под влиянием правил обмера, в 1970-е годы возникла тенденция строить морские гоночные яхты очень широкими, легкими, но с более высоким расположением ЦТ и за счет этого обеспечивать высокую начальную остойчивость, не заботясь о поведении яхты при опрокидывании. Подобная практика привела к трагедии во время Фастнетской гонки 1979 года (см. “Катера и яхты” №84): для яхт “нового типа” это было пожалуй, одно из первых серьезных испытаний стихией на мореходность. Из 303 стартовавших финишировали только 85 яхт: 194 сошли с дистанции, 19 оставлены экипажем, 17 яхт опрокинуто, 5 затонуло; 15 яхтсменов погибли.

Рис.6 – Диаграммы остойчивости яхт “Contessa 32” и “Grimalkin”.

В ходе расследования причин Фастнетской трагедии в Саутгемптонском Университете были выполнены исследования остойчивости яхт. На Рис.6 приведены для сравнения диаграммы остойчивости двух яхт разного архитектурного типа примерно одинаковой длины: “Contessa 32” - “классическая” яхта и “Grimalkin” - экстремальный гоночный полутонник по IOR. Характеристики начальной остойчивости яхт обеих яхт примерно одинаковы: начальная метацентрическая высота составляет h=0.85 м. Тем не менее, очень существенные различия обнаруживаются при больших углах крена:

• “Grimalkin” обладает положительной остойчивостью в диапазоне 0…115° , в то время как для яхты “Contessa 32” потеря остойчивости наступает только при крене 155° .
• Оказалось, что будучи опрокинутой днищем вверх, “Grimalkin” очень остойчива в этом положении (что как раз нежелательно) и восстановить ее затруднительно. В то же время “Contessa 32” легко спрямляется.

Таким образом, был сделан вывод о недостаточной аварийной остойчивости и живучести яхт “нового типа”. Попытка исправить ситуацию нашла отражение в разработанных позднее подходах к обмеру и нормированию остойчивости морских яхт. В настоящее время диаграмма остойчивости яхты “Contessa 32” используется в качестве эталона для сравнения проектов.

Следует отметить, что и на больших углах крена остойчивость можно обеспечить не только за счет веса фальшкиля, но также за счет остойчивости формы (высоты надводного борта и архитектуры надводной части): суда с развитой водонепроницаемой надстройкой могут иметь очень высокую остойчивость на больших кренах. Именно на этом принципе основана идея неопрокидываемых спасательных шлюпок. За счет высокой надводной части угол заката диаграммы остойчивости “неваляшек” составляет более 140° .

В следующей части статьи мы продолжим разговор об остойчивости и ее нормировании.

Часть 2

Остойчивость яхт оборудованных средствами откренивания

Как уже отмечалось, неперемещаемый балласт нерационален при обеспечении начальной остойчивости, а ширина однокорпусной яхты как правило ограничена из соображений ходкости и т.д. Возникает идея противодействия крену перемещением веса поперек судна – открениванием.

В настоящее время нашли применение консоли, трапеции, бортовые балластные цистерны, перемещаемый балласт, качающиеся кили, а также такие “экзотические” приспособления, как управляемые подводные крылья и т.д.

Для дальнейшего рассмотрения выберем “самое модное” из средств - качающийся киль. Сама эта идея не нова: еще в начале XX века с такими килями экспериментировал знаменитый американский конструктор яхт Натаниэль Херрешофф. Известен опубликованный в 1981 г. проект океанского кеча с качающимся подъемным килем, спроектированного Д. Хаббардом…

Тем не менее, с использованием подобных систем откренивания на морских гоночных яхтах связано немало проблем. В гонке Vendee Globe 1996-97 зафиксировано 5 случаев опрокидывания яхт. Читатели вероятно помнят нашумевший случай опрокидывания яхты Изабель Отисье “PRB” в гонке Around Alone.

Рис.7 - Диаграмма остойчивости яхты класса Open 50.

На Рис.7 показано влияние качающегося киля и водяного балласта (2, 3) на остойчивость яхты класса Open 50 в сравнении с такой же яхтой, но без средств откренивания (1).

При откренивании (будь то трапеция, перемещаемый балласт или качающийся киль) происходит как бы сдвиг начального участка диаграммы (2) на величину момента откренивания. Заметим, что площадь A увеличивается, и яхта лучше противостоит крену в сторону подветренного борта (противоположного открениванию). В то же время динамическая остойчивость при крене в другую сторону (на наветренный борт) снижается - площадь диаграммы уменьшается (3). При углах крена, больших 90° наклоненный на наветренный борт киль, наоборот, провоцирует опрокидывание. При “броске на борт” киль может автоматически опускаться; диаграмма остойчивости при этом по изменяет свой вид.

Однако яхтам с системами откренивания присущи и недостатки. Зачастую в расчете на высокую эффективность средств противодействия крену, конструкторы таких судов сильно уменьшают массу балласта. Как результат - явно недостаточная остойчивость на больших углах крена. Можно заметить, насколько велика площадь B, соответствующая устойчивому положению яхты днищем вверх! Невозможность вернуть яхту в исходное положение усугубляется неблагоприятной комбинацией чрезмерной ширины корпуса по палубе (необходимой для разнесения бортовых балластных цистерн) и легкого водоизмещения (Рис.8).

Таким образом, можно утверждать, что качающийся киль решает вопрос начальной остойчивости, но в случае недостаточно обоснованного применения не решает, а подчас и усугубляет проблемы живучести яхты.

После упомянутой гонки авторы правил класса Open50/60 осознали необходимость внесения изменений, которые бы повысили безопасность яхт. Например, в последней редакции правил класса для океанских Open50/60 требуется обеспечить соотношение площадей над и под диаграммой A/B=5:1 и угол заката диаграммы не менее 127,5° . При этом начальный крен от перемещаемого балласта не должен превышать 10° .

В новой редакции правил класса экипаж яхты должен продемонстрировать спрямление из опрокинутого положения в ходе теста на опрокидывание (Рис.10). Для спрямления - наряду с наклоном киля - разрешается использовать заполнение отсеков водой, надувные емкости и т.д. По этой же причине в последнее время в классах Open вошли в моду развитые рубки, обеспечивающие неостойчивость в опрокинутом положении...

Очевидно, что применение средств откренивания оправдано для рекордных яхт, участвующих в маршрутных гонках большой протяженности в зонах постоянных ветров. А в условиях прибрежных гонок “с многочисленным экипажем на наветренном леере” это вряд ли целесообразно.

Нормирование остойчивости

Подходы к нормированию остойчивости

Давайте сначала разберемся, как же вообще нормируется остойчивость судов – любых. В общем, в большинстве нормативных документов существуют 3 группы требований:

• Критерий погоды – учитывает воздействие на судно гидрометеорологических факторов. Он представляет собой сравнение кренящего момента от действия ветра и волнения с опрокидывающим моментом или заливанием судна.
• Требования к элементам диаграммы остойчивости - фактически смысл этих требований сводится к прямому или косвенному нормированию размеров площади A диаграммы остойчивости.
• Специальные требования - для конкретных типов судов, случаев нагрузки и условий эксплуатации.

Нормирование остойчивости моторных и гребных судов

Для малых судов, в частности гребных, моторных, моторно-парусных и др. (в том числе и буксируемых надувных “бананов” ), существуют требования Регистра Судоходства Украины к остойчивости.

Учитывая значимость вопроса, рассмотрим эти правила несколько подробнее. Помимо “головного критерия” (фактически - критерия погоды), для моторных судов длиной L предъявляются следующие требования к диаграмме остойчивости:

Для моторно-парусных судов дополнительно к перечисленным вводятся требования к углам максимума и заката диаграммы остойчивости, нормируется восстанавливающий момент при крене 90° . Но заметим, что требования Регистра Судоходства Украины не распространяются на парусные и парусно-моторные яхты (с N / SA <0.65 кВт/м², где N - мощность двигателя; SA - площадь основных парусов).

Регистр предъявляет также требования к гребным лодкам, хорошо знакомые еще по ГОСТ 19105-79 “Суда прогулочные гребные и моторные”. Гребные суда требуется проверять, имитируя смещение экипажа весом 60% от максимальной грузоподъемности к борту в крайнее положение. При этом остальные 40% веса располагаются на пайолах в ДП или штатных местах для багажа. В таком положении не должен достигаться угол заливания лодки. Существуют требования к остойчивости затопленной гребной лодки с блоками плавучести…

В процессе эксплуатации судна, а особенно при ремонте и переоборудовании положение ЦТ и водоизмещение может изменяться, так что характеристики остойчивости судна могут быть нарушены. Поэтому после переоборудования судна, возможно, придется провести опыт кренования и заново выполнить расчет и оценку остойчивости по требованиям Регистра.

Таким образом, в распоряжении отечественных конструкторов, строителей и лиц, занятых эксплуатацией малых судов имеется совершенно четкий нормативный документ, регламентирующий вопросы остойчивости и многие другие аспекты безопасности. Этим документом, кстати, предписывается иметь на борту малого судна “Информацию об остойчивости и непотопляемости”, которая может отсутствовать только по согласованию с Регистром…

Это и некоторые другие требования отечественного Регистра к остойчивости малых судов представляются все-таки завышенными, взятыми с хорошим запасом. Например, в Российском Морском Регистре критерий погоды для судов длиной менее 20 м вообще не применяется. Хотя бы потому, что выполнить расчет качки “методами, принятыми в теории корабля” подчас невозможно из-за отсутствия таковых для малых судов некоторых типов.

Нормирование остойчивости яхт

Достаточно трудно сформулировать надежный критерий, пригодный для нормирования безопасности морских яхт с учетом сложного характера их взаимодействия со стихией. Тем не менее, в рамках Технического Комитета 188 “Малые суда” ISO (International Standards Organisation) выполнены работы по созданию международных норм остойчивости парусных яхт длиной менее 24 м; эти нормы являются обобщением наиболее удачных национальных стандартов.

Подход к нормированию остойчивости парусных яхт подразумевает оценку комплекса факторов, связанных с размерениями яхты и ее диаграммой остойчивости.

В настоящее время в мировой практике применяются критерии остойчивости яхт, имеющие следующую структуру:

Такая схема комплексной оценки остойчивости во всем диапазоне углов крена опробована в правилах SSS (Stability and Safety Screening) и STOPS (Sail Training Operational Stability), разрабатывавшиеся с начала 1980-х. Подобный же подход заложен и в современные нормы остойчивости яхт ISO 12217, где используется так называемый STIX (Stability Index – индекс остойчивости).

Наибольшее влияние на STIX оказывает фактор размера яхты. Именно длина считается важнейшим фактором безопасности, так как определяет масштаб взаимодействия с морским волнением: чем длиннее яхта, тем относительно меньше волнение. Большие по размеру и более тяжелые яхты полагаются наиболее надежными. Среди остальных факторов отметим плечо восстанавливающего момента при крене 90° : предполагается, что положенная парусами на воду яхта должна самостоятельно спрямляться из этого положения. Однозначно “штрафуются” также широкие яхты легкого водоизмещения, яхты с завышенной парусностью, и т.д. Кроме того, по новому стандарту ISO, нормируются углы заката диаграммы заката остойчивости. Правила предусматривают категории: океанская яхта A (STIX=>32), яхта открытого моря B (STIX=>23), яхта прибрежного плавания C (STIX=>14) и внутреннего плавания D (STIX=>5). Более подробно о формуле STIX - см. “Шкипер” №.5-2000 c.23. Несомненно, требованиям этих правил должны следовать и отечественные строители яхт и яхтсмены.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что остойчивость морской парусной яхты – комплексное понятие. Она достигается путем разумного компромисса между обеспечением ходовых качеств – т.е. начальной остойчивости, и одновременно безопасности в эксплуатации - остойчивости  на больших углах крена.

 Альберт Назаров