Дрейф судна и учёт дрейфа при прокладке.

Дрейфом судна называется отклонение движущегося судна с линии намеченного курса под совокупным действием ветра и вызываемого им волнения.

Направление ветра определяется наименованием той точки горизонта, откуда дует ветер (“ветер дует в компас”) и выражается в румбах или градусах. Дрейф судна возникает под действием силы давления потока воздуха на надводную часть судна. Скорость и направление этого потока определяются формулой

, (4.11)

Рис. 4.12. Векторы кажущегося и истинного ветра

Под действием порывов ветра, ударов волн, отклонения руля судно получает несимметричные отклонения от курса, т.е. получает дополнительное отклонение от курса, на угол называемый зарыскиванием. Зарыскивание может быть как под ветер, так и на ветер (при кормовых курсовых углах ветра или при больших кормовых надстройках). При практическом определении и учёте дрейфа зарыскивание отдельно не определяется из-за сложности решения задачи и считается неотъемлемой частью дрейфа. Следовательно при учёте дрейфа под термином “дрейф” понимается результирующее отклонение судна с линии истинного курса.

Рис. 4.13. Воздействие ветра на судно

, (4.12)

где С_q -коэффициент сопротивления надводной части судна, зависящий от обтекаемости корпуса судна и его надстроек (он зависит от курсового угла кажущегося ветра q по закону близкому к синусоидальному); r- плотность воздуха, зависящая от атмосферного давления, температуры и влажности; W- скорость кажущегося ветра; S_q-площадь проекции надводной части судна, на вертикальную плоскость, перпендикулярную направлению кажущегося ветра.

Рис. 4.14. Путь судна при дрейфе от ветра

Под действием ветра и волнения судно будет смещаться с линии курса OD и двигаться относительно дна по линии пути ОВ, имея ДП параллельно ИК (Рис.4.14).

Угол между северной частью истинного меридиана и линией пути при дрейфе называется путём при дрейфе (ПУ_a).

Угол между линией истинного курса и линией пути при дрейфе называется углом дрейфа (a):

a = ПУ_a - ИК. (4.13)

Угол a имеет знак “+”, если дрейф левого галса, т.е. ветер дует в левый борт, и знак “-”, если дрейф правого галса, т.е. ветер дует в правый борт.

Связь между ИК и ПУ_a выражается формулами:

ПУ_a = ИК + ( ± ) (4.14)

ИК = ПУ_a - ( ± ) (4.15)

В выражении (4.14) a называется углом дрейфа, а в выражении (4.15) - поправкой на дрейф.

Определение величины угла дрейфа вызывает большие трудности из-за многих факторов, от которых он зависит:

- размеров и форм надводной части корпуса и надстроек. Чем выше борт и больше парусность надстроек, тем больше угол дрейфа;

- осадки, размеров и формы обводов подводной части судна. У коротких судов с малой осадкой угол дрейфа больше, чем у длинных с большой осадкой;

- курсового угла и скорости кажущегося ветра. Угол дрейфа максимален при ветре с траверза и равен нулю при КУ=0° или 180°;

- скорости судна. Чем меньше скорость судна, тем больше угол дрейфа.

При прокладке необходимо учитывать дрейф, для чего надо знать угол дрейфа, который можно определить из наблюдений или вычислить по формулам, специальным таблицам или номограммам.

Определение угла дрейфа по кильватерной струе. Кильватерная струя это след фактического перемещения судна относительно воды, т. е. ПУ_a, который можно определить пеленгуя удалённую часть кильватерной струи. Взяв несколько компасных пеленгов или отсчетов курсового угла, получают угол дрейфа:

a = ГКП_ср ± 180° - ГКК = ОКП_ср - КК = ОКУ_ср - 180°. (4.16)

Этот способ самый простой, но недостаточно точный, поэтому он может применяться при больших углах дрейфа.

Определение угла дрейфа по створу. Плавание по створу даёт возможность весьма просто определить угол дрейфа. Для этого ложатся на такой курс, чтобы судно следовало точно по створу. В этом случае направление створа и есть путь судна. При отсутствии течения это будет ПУ_a:

a = ИП_ств - ИК. (4.17)

Определение угла дрейфа по обсервациям. Это самый распространённый и надёжный способ. Сущность его заключается в измерении угла между линией истинного курса и линией, соединяющей серию из нескольких обсерваций, полученных наиболее точными методами. Линия, осредняющая обсервованные точки и является линией пути. Угол между линией пути и линией курса и есть суммарный угол сноса, а при отсутствии течения в районе наблюдений, это угол дрейфа. Наибольшая точность достигается при наличии 4 - 6 обсерваций.

Рис. 4.15. Определение угла дрейфа по пеленгам и расстояниям до свободноплавающего ориентира

Если в районе плавания предполагается наличие течения, то можно определить угол дрейфа по свободноплавающему ориентиру, не имеющему значительного дрейфа. Положение ориентира может быть и неизвестным.

В секторе курсовых углов 50° -70° измеряются пеленги и расстояния до ориентира. На карте или планшете из произвольной точки М нанести полученные точки и соединить их осредняющей прямой линией (рис.4.15). Направление этой линии относительно истинного меридиана даст ПУ_a. Угол дрейфа рассчитывается по формуле (4.13).

Определение угла дрейфа по пеленгам свободноплавающего ориентира. Этот способ основан на следующем: при равномерном и прямолинейном движении судна отрезки пройденных расстояний между тремя пеленгами S₁ и S₂, должны быть пропорциональны промежуткам времени плавания между этими пеленгами t₁ и t₂ и поэтому должны вмещаться между линиями соответствующих пеленгов.

Рис. 4.16. Определение угла дрейфа по пеленгам свободноплавающего ориентира и времени

Рис. 4.17. Определение угла дрейфа по пеленгам свободноплавающего ориентира, измеренным через равные промежутки времени

Если пеленги измерять через равные промежутки времени (t₁ = t₂), то построение упрощается: из произвольной точки на втором пеленге В¢ проводят прямые параллельные первому и третьему пеленгам (рис.4.17). Линия, соединяющая полученные точки a и с, будет линией параллельной пути судна. С карты снимают угол ПУ_a и по формуле (4.13) определяют угол дрейфа.

Определение угла дрейфа по курсовым углам на ориентир.

Рис. 4.18. Определение угла дрейфа по курсовым углам на ориентир

q₁ = (ИП₁-ИК) < 90°,

q₂ = (ИП₂ -ИК) = 90°,

q₃ = (ИК₃ -ИК) > 90° (рис.4.18).

Промежутки времени фиксируются секундомером. Тогда угол дрейфа в градусах рассчитывается по формуле

,

где t_^ - промежуток времени между первым и траверзным пеленгами; t - промежуток времени между первым и третьим пеленгами.

Если угол a £ 5°, то вместо tga можно принять

(4.18)

Определение угла дрейфа с помощью дрейфомера.

Этот прибор служит для систематического определения угла дрейфа. Он состоит из чувствительных элементов двух индукционных лагов, один из которых измеряет скорость V_л по направлению диаметральной плоскости судна, а другой V_a- скорость движения в перпендикулярном направлении. Геометрическая сумма V_л и V_a даёт угол дрейфа a и скорость судна по линии пути

, . (4.19)

Возможны и другие варианты дрейфомеров. Дрейфомеры позволяют автоматизировать счисление судна.

Кроме способов определения угла дрейфа существуют приёмы вычисления углов дрейфа, основанные на анализе модельных испытаний и статистических материалов, полученных во время плавания судна.

Способ Н.Н. Матусевича. Н.Н. Матусевич вывел приближённую формулу, определяющую зависимость угла дрейфа от условий плавания и конструктивных особенностей судна. В основу способа вычисления угла дрейфа положено, что при установившемся дрейфе проекция силы А (рис. 4.13) на направление, перпендикулярное диаметральной плоскости

равна противоположно направленной силе сопротивления воды

,

где H¢ и H¢¢ - коэффициенты, r и r_o -соответственно плотность воздуха и воды, S и S_o - соответственно площадь надводной и подводной частей корпуса судна; W и V - соответственно скорость кажущегося ветра и путевая скорость судна в м/с, q_w- курсовой угол кажущегося ветра, град.

Из равенства Z = Z₀ можно определить

или при малых углах дрейфа:

_. (4.20)

Считая величину постоянной и, обозначив её К, формулу (4.20) можно написать в виде

, (4.21)

где К называется коэффициентом дрейфа и выражается в градусах.

Эта формула и предложена автором для практического вычисления угла дрейфа.

Все величины, стоящие в правой части уравнения кроме К могут быть измерены. Однако коэффициент К из-за особенности каждого судна рассчитать трудно. Поэтому его надо вычислить из обработки натурных наблюдений большого числа (не менее 30) значений угла дрейфа, определённых навигационным методом при замеренных q_w, V и W с достаточной точностью (скорость - до 0,1 уз, q_w с точностью ± 5°).

Обозначим ,

и тогда формулу (4.21) можно написать

a = К с. (4.22)

Значение К может быть получено решением по способу наименьших квадратов уравнения

[сa] = К [cc], (4.23)

где [сa] = c₁a₁ +c₂a₂ + . . . +c_na_n; [cc]= c²₁ +c²₂+ . . . +c²_n.

Из уравнения (4.23) коэффициент дрейфа вычисляется по формуле

. (4.24)

Схема вычисления приведена в таблице 4.1

Таблица 4.1

Такие вычисления выполняются для двух вариантов загрузки: в грузу и в балласте.

Исследование способа Н.Н. Матусевича показало, что формула (4.21) справедлива только для углов дрейфа до 10°. Коэффициент дрейфа К не является постоянной величиной, а является функцией (W/ V)² , т.е.

,

и только при отношениях W/ V ³ 6, его можно считать постоянным. Для повышения точности необходимо для каждого значения W/ V произвести 8 - 10 определений К.

Способ С.И. Дёмина. Для вычисления угла дрейфа С.И. Дёмин предложил формулу

, (4.25)

где с, b - коэффициенты; Т - осадка судна, м; q - курсовой угол, град; V - скорость судна, уз; W -скорость кажущегося ветра, уз.

Коэффициенты с и b различны для каждого судна и зависят от отношения площади надводной части судна к площади подводной части S_н / S_п для различных осадок судов Т. Эти коэффициенты вычисляются заранее. Для их вычисления, задаваясь осадкой с интервалом в 1 м, из чертежа выбирают значения L - длины судна, В - ширины, S_н / S_п - отношения площадей и j - коэффициент продольной полноты. По выбранным данным для различных значений Т_i вычисляют

(4.26)

По отношениям S_н / S_п вычисляют .

Значения К_i получаются в функции Т и обычно имеют вид

К_i = се^-bT. (4.27)

Построив график, выбирают два значения К, например, для осадок Т₁ = 5м и Т₂ = 10м. Прологарифмировав выражения (4.27), получают два уравнения

lnК₁ = lnс - bТ₁

(4.28)

lnК₂ = lnc - bT₂

Решив эти уравнения получают значения коэффициентов с и b. Измерив W и q и, зная с и b, можно вычислить угол дрейфа a по формуле (4.25) для данной осадки. Для облегчения вычислений могут быть составлены таблицы или номограммы.

Учёт дрейфа при прокладке.

Все относительные лаги учитывают только составляющую скорости судна относительно воды, направленную по диаметральной плоскости судна, а при наличии дрейфа на линии ПУ_a надо откладывать расстояния, фактически проходимое судном по линии пути, т.е.

S = S_л sec a = РОЛ´ К_л´ sec a. (4.29)

Рис. 4.19. Прокладка с учетом угла дрейфа более 6°

Учёт S, полученного по формуле (4.29), производится при a > 6°.

Рис. 4.20. Прокладка с учетом угла дрейфа менее 6°

Если лаг не работает и скорость судна определяется по оборотам, необходимо использовать таблицы и графики, характеризующие потерю скорости в зависимости от силы и курсового угла ветра. Такие таблицы должны быть на каждом судне.

Счислимые точки наносятся на линии пути. При учёте дрейфа также решают две задачи: прямую и обратную. При прямой задаче, зная ИК, рассчитывают ПУ_a и прокладывают линию ПУ_a на карте: ПУ_a = ИК + a = ГКК + DГК + a. При обратной задаче рассчитывают ГКК, который надо задать рулевому: ГКК = ПУ_a -a -DГК.

Рис. 4.21. Траверз и кратчайшее расстояние при учете дрейфа

Учёт дрейфа при использовании автоматического счислителя координат сводится к введению дополнительной поправки курса, равной углу дрейфа. Для этого на приборе устанавливается поправка курса DК_a, равная алгебраической сумме поправки компаса и угла дрейфа

DК_a = D ГК + a. (4.30)

При каждом изменении курса или скорости судна, скорости и направлении ветра поправка курса должна вычисляться и устанавливаться заново.

Определение и учёт дрейфа с застопоренными машинами.

Судно в этом случае перемещается по направлению ветра со скоростью

V_др =K_v W, (4.31)

гле К_v - коэффициент дрейфа без хода, W - скорость наблюденного ветра, уз.

Для определения скорости дрейфа рекомендуется произвести испытания. При различных скоростях W с помощью РЛС по измеренным расстояниям до объекта S_др = D₂ - D₁ в милях и замеченному промежутку времени t в секундах рассчитать скорость в узлах:

. (4.32)

S_др может быть также получено, если расстояния D₁ и D₂ измерены секстаном по углу снижения.

При наличии 30 - 40 наблюдений коэффициент дрейфа без хода вычисляется по формуле

, (4.33)

где [V_дрW] = V_др1W₁ + V_др2W₂ + .... + V_дрnW_n; [WW] = W²₁ + W²₂ + .... + W²_n.

Зная К_v вычисляют V_др, а затем и расстояние S_др = V_дрt, которое откладывают от исходной точки по направлению ветра.

Судоводитель обязан использовать приведённые методы для регулярного определения угла дрейфа и коэффициента дрейфа без хода, чтобы накопить опытные данные о дрейфе своего судна при различных условиях плавания.

Если К_v находится в пределах 0,056-0,062, то измерив скорость ветра, можно скорость ветрового дрейфа без хода, вместо расчета по формуле (4.31) выбрать из таблицы 2.22 МТ – 2000.