船舶操縱性能要點(diǎn)

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1、第一章船舶操縱性能 第一節(jié)船舶變速運(yùn)動(dòng)性能 船舶出于避碰、狹水道及港內(nèi)航行或駛往泊地的需要而改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速和方向，進(jìn)行啟動(dòng)、變速、停車(chē)、倒 車(chē)操縱。轉(zhuǎn)速和方向改變后直至達(dá)到新的定常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之前，存在著一段加速或減速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，該段過(guò)程稱為變 速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，也稱船舶慣性。衡量船舶變速運(yùn)動(dòng)特性有兩個(gè)重要指標(biāo)，一是船舶完成變速運(yùn)動(dòng)所航進(jìn)的路程，稱為 沖程；另一是完成變速運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間，稱為沖時(shí)。 一、船舶啟動(dòng)性能 船舶在靜止?fàn)顟B(tài)中開(kāi)進(jìn)車(chē)，直至達(dá)到與主機(jī)輸出功率相應(yīng)的穩(wěn)定船速前的變速運(yùn)動(dòng)，稱為船舶起動(dòng)變速運(yùn)動(dòng)。 在起動(dòng)變速過(guò)程中，螺旋槳推力T與船舶阻力R之差，是船舶產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)因。 由于

2、啟動(dòng)后推力增加較快， 而船速增加則較為緩慢，因此要注意合理用車(chē)。即分段逐級(jí)加車(chē)，待達(dá)到相應(yīng)轉(zhuǎn)速的船速時(shí)，再提高用車(chē)的級(jí)別， 以免主機(jī)超負(fù)荷工作。 完成啟動(dòng)變速運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間 t和航進(jìn)的路徑s可用下列關(guān)系式估算。 W - Vo t 弋 0.004 Ro W - Vo2 s y 0.101 Ro 式中，Vo為最終定常速度，單位為 kn； W為船舶實(shí)際排水量，單位為 t; Ro為達(dá)到最終定常速度 Vo時(shí)的船舶 阻力；計(jì)算出的t單位為min;計(jì)算出的S單位為m。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，從靜止?fàn)顟B(tài)逐級(jí)動(dòng)車(chē)，直至達(dá)到海上速度，滿載船舶約需航進(jìn) 2oL左右的距離，輕載時(shí)約為滿載的 1/2~2/

3、3。 二、船舶減速性能 船舶以一定常速度（全速或半速）行駛中采取停車(chē)措施后，直至降到某一余速（ 2kn~4kn）前的變速運(yùn)動(dòng)稱為 船舶停車(chē)變速運(yùn)動(dòng)。 主機(jī)停車(chē)后，推力急劇下降到零。開(kāi)始時(shí)，船速較高，阻力也大，速降很快；但當(dāng)速度減小后，阻力也隨之減 小，速降越來(lái)越慢，船很難完全停止下來(lái)，且在水中亦很難判斷。所以，通常以船速降至維持舵效的最小速度作為 計(jì)算所需時(shí)間和船舶航進(jìn)路程的標(biāo)準(zhǔn)。 主機(jī)停車(chē)后的時(shí)間、速度及航進(jìn)路程存在如下關(guān)系。 達(dá)到速度V時(shí)所需的時(shí)間： W - Vo2 1 1 t = o.oo1o5 （—————） Ro V Vo 達(dá)到速度V時(shí)所航進(jìn)的路程： W - V

4、o2 Vo s = o.o75 ? n - ） Ro V 式中：Ro為速度Vo時(shí)船舶所受阻力，單位為 t; W為船舶實(shí)際排水量，單位為 t; t的單位為min； S為m； 速度單位為kn。 計(jì)算停車(chē)沖程還可采用 Topley船長(zhǎng)提出的經(jīng)驗(yàn)估算式 S = 0.024 C ? Vo 式中：C為船速減半時(shí)間常數(shù)， 單位為min; Vo為船舶停車(chē)時(shí)初速，單位為kn。C值隨船舶排水量不同而不同。 一般船舶在以常速航進(jìn)中，從主機(jī)停車(chē)到降至余速 2kn時(shí)，其停車(chē)沖程約為 8~20L;而VLCC滿載時(shí)，在以海 上常速航進(jìn)中停車(chē)至余速降至 3kn,則停車(chē)沖程約為 23L,沖時(shí)近30min。當(dāng)然

5、，正常的進(jìn)出港或接近泊地仍以逐 級(jí)降速為妥，以利于主機(jī)的養(yǎng)護(hù)。 三、倒車(chē)制動(dòng)性能 船舶在全速前進(jìn)中開(kāi)后退三，從發(fā)令開(kāi)始至船舶對(duì)水停止移動(dòng)所需的時(shí)間和航進(jìn)的路程，以及相應(yīng)的偏航量和 偏航角，統(tǒng)稱為倒車(chē)制動(dòng)性能。倒車(chē)沖程又稱為緊急停船距離（ crash stopping distance）或最短停船距離（shortest stopping distance）。 全速前進(jìn)的船舶在進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，為不致造成主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)大的情況，在關(guān)閉主機(jī)油門(mén)后，通常 要等航速降至全速的 60%~70%,轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的 25%~35%時(shí)，方可將壓縮空氣持續(xù)充入汽缸使主機(jī)停轉(zhuǎn)，然 后進(jìn)行反向起動(dòng)

6、。 1.緊急停車(chē)距離（C、S、D）和停船時(shí)間的估算 1） Lovett式估算法 W - Vo t 弋 0.00089 Ro W - Vo2 s 弋 0.0121 Ro 式中：s——最短停船距離（m）; t 所需時(shí)間（min）; W 船舶實(shí)際排水量（t）; Ro——船速為Vo時(shí)的船舶阻力（t）; Vo——倒車(chē)前的船舶速度（kn）。 2）緊急停船距離經(jīng)驗(yàn)估算法 從主機(jī)倒車(chē)后的船速隨時(shí)間變化關(guān)系看，可近似認(rèn)為是一個(gè)勻減速過(guò)程，如圖 1--14所示。緊急停船距離的大 小就是速度曲線與時(shí)間軸圍成的面積。即 ts S = /0 vdt = CV k , ts 式

7、中： Vk——倒車(chē)時(shí)船速（kn）; ts——倒車(chē)使用時(shí)間（s）； C ——緊急停船距離系數(shù)，一般貨船取 0.25~0.27,大型油輪取0.27~0.29; S——緊急停船距離（m）。 大型油輪如時(shí)間按分（min）計(jì)算，也可按下式求取緊急停船距離 S = 16 Vk ? tm 使用上述兩公式時(shí)，可不考慮船舶主機(jī)種類(lèi)和吃水狀態(tài)。 圖 1--14 3）低速航進(jìn)時(shí)倒車(chē)沖程及沖時(shí)的估算 1 w kx S = Vo 2 g Tp w kx Vo g Tp 式中： S——倒車(chē)沖程（m）; ts——所需時(shí)間（s）; g 重力加速度（9.8m/s2）； W——船舶

8、排水量（t）; kx——船舶前進(jìn)方向虛質(zhì)量系數(shù)，可經(jīng)實(shí)驗(yàn)取得，象 VLCC或肥大型船舶可取1.07。 Tp——螺旋槳倒車(chē)?yán)Γ╰）,估算時(shí)可用Tp=0.01N拉（后退倒車(chē)功率）來(lái)估算； V0——船舶倒車(chē)時(shí)船速（m/s）。 當(dāng)船舶駛向泊地并要求船舶能在一倍船長(zhǎng)的距離內(nèi)用倒車(chē)把船停住，則船舶所用余速為 2g . L ? Tp V0 = W - kX 4） 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般情況下各類(lèi)船舶的緊急停船距離大致為（如表 1-5所示）： 表1 — 5 載重量 船 種 主機(jī)種類(lèi) 緊急停船距離 1萬(wàn)t 普通貨船 內(nèi)燃機(jī) 6 ~ 8 L 1萬(wàn)t 高速貨船 集裝箱船

9、 滾裝船 內(nèi)燃機(jī) 7 ~ 8 L 5萬(wàn)t 油 輪 內(nèi)燃機(jī) 8 ~ 11 L 5萬(wàn)t 貨 船 內(nèi)燃機(jī) 8 ~ 10 L 10萬(wàn)t 油 輪 汽輪機(jī) 10 ~ 13 L 15~20 萬(wàn) t 油 輪 汽輪機(jī) 13 ~ 16 L 2 .船舶停船性能 船舶的停船性能是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下以海上船速行駛的船舶，經(jīng)自力制動(dòng)操縱后，可在允許偏航范圍內(nèi)(偏航量 和偏航角)迅速停船的性能。 由于沉深橫向力和排出流橫向力的作用，倒車(chē)制動(dòng)時(shí)，船舶在減速的同時(shí)船首將發(fā)生劇烈的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng) 軌跡是一條曲線，如圖 1 — 15所示。 在圖中曲線的長(zhǎng)度即最短停船距離， 也稱之為

10、制動(dòng)行程 Rt (track reach)。船舶重心沿原航向方向移動(dòng)的距離稱 為制動(dòng)縱距Rh (head reach),它是用車(chē)緊急停船能讓開(kāi)前方物標(biāo)的最短距離。倒車(chē)制動(dòng)時(shí)，船首向偏離原航向的角 度，稱為偏航角。而船舶重心偏離原航向的橫向距離，稱為偏航量 Dl。壓載時(shí)，停船距離短，偏航角和偏航量較 ?。粷M載時(shí)，停船時(shí)間長(zhǎng)，偏航角和偏航量大，有時(shí)竟高達(dá) 200左右。 具有良好停船性能的船舶應(yīng)滿足，在開(kāi)闊水域具有相應(yīng)其船長(zhǎng)的最小停船距離，而在水深、航道寬度受限制的 水域不僅要具有最小停船距離，而且要具有較小的偏航量和偏航角。 3 .影響緊急停船距離的主要因素 1)主機(jī)倒車(chē)功率、換向時(shí)間

11、 主機(jī)倒車(chē)功率越小，緊急停船距離越大。此外，單位排水量功率( MCR/DWT )越小，緊急停船距離越大，這 就是大型船倒車(chē)功率較小型船舶大，但緊急停船距離一般較大的原因所在。 主機(jī)換向時(shí)間越短，緊急停船距離越小。主機(jī)換向時(shí)間因主機(jī)類(lèi)型不同而不同，一般從前進(jìn)三到后退三換向所 需時(shí)間蒸汽機(jī)船約需 60~90s；內(nèi)燃機(jī)船約需90~120s；汽輪機(jī)船約需120~180s。另外，內(nèi)燃機(jī)倒車(chē)功率占常用功率 的比例也較氣輪機(jī)為高。 2)推進(jìn)器種類(lèi) 與定距槳相比，調(diào)距槳只需改變槳葉方向便可達(dá)到換向目的。操作時(shí)間短，在調(diào)整螺距的同時(shí)即可產(chǎn)生較大乃 至最大的倒車(chē)?yán)Γ示o急停船距離較短。 若其他條件相同，

12、一般CPP船的緊急停船距離約為 FPP船的60%~80%。 3)排水量和船型 在船速和倒車(chē)?yán)ο嗤瑫r(shí)，排水量越大，緊急停船距離越長(zhǎng)。通常壓載時(shí)的停船沖程約為滿載時(shí)的 80%,而倒 車(chē)沖程約為yt載時(shí)的 40%~50%左右。此外，Cb大的肥大型船舶的附加質(zhì)量大，故其停船距離較瘦型船舶為長(zhǎng)。 4 ) 船速 若其他條件相同，船速越大，沖程越大。 5)外界條件 順風(fēng)流時(shí)沖程增大；反之則減小。淺水中船舶阻力增加，沖程略有減小。 6)船體污底 船體污底嚴(yán)重，則阻力增加，船舶緊急停船距離將相應(yīng)減小。 4.各種制動(dòng)方法及其運(yùn)用 1)倒車(chē)制動(dòng)法 通過(guò)螺旋槳倒轉(zhuǎn)或改變螺距，使之產(chǎn)生強(qiáng)大拉力

13、進(jìn)行制動(dòng)的方法稱為倒車(chē)制動(dòng)。該法因其制動(dòng)拉力大，操縱方 便而被各類(lèi)船舶廣泛采用。但因存在控向困難，不利于船舶保位的缺陷，因而大型船舶在港內(nèi)應(yīng)謹(jǐn)慎使用。 2) 蛇航制動(dòng)法 ( Zig zag stop manoeuvre) 這是英國(guó)造船研究協(xié)會(huì)(BSRA)提出的緊急停船制動(dòng)方法。該法通過(guò)船舶自身操舵、換車(chē)，不僅可利用主機(jī) 倒車(chē)?yán)?、船舶斜航阻力和舵阻力使船舶快速停住，而且能保證船舶偏航方向明確、較少的偏航距離。此外，由于 采用分階段逐級(jí)平穩(wěn)降速，避免了主機(jī)超負(fù)荷工作等情況的出現(xiàn)。該法適用較開(kāi)闊水域，對(duì)于大型船舶、方型系數(shù) Cb較大的船舶，深水域中初速度較高時(shí)尤為有效。其缺點(diǎn)是在較窄水域或航

14、道內(nèi)不宜使用，操縱較復(fù)雜。 3）滿舵旋回制動(dòng)法 船舶滿舵旋回一周，當(dāng)航向復(fù)原時(shí)，可使船速減為原來(lái)速度的 70%左右，大型油輪甚至降至原船速的 50%左右。 該法操作簡(jiǎn)便，無(wú)需機(jī)艙動(dòng)車(chē)，大型船舶抵港前常用此法減速。 4）拖錨制動(dòng)法 該法僅適用于萬(wàn)噸及萬(wàn)噸以下船舶， 而且拋錨時(shí)的船舶對(duì)地速度僅限于 2~3kn以下。大型船舶由于其錨機(jī)的剎 車(chē)力不足，拖錨制動(dòng)將會(huì)損壞錨設(shè)備或使制動(dòng)失敗，故不宜采用此法。 5） 拖輪制動(dòng)法 當(dāng)本船船速低于6~7kn時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)的吃水情況使用相應(yīng)數(shù)量的拖輪，利用拖輪的推力作用，有效地控制本船 航速。該法多用于大型船舶在港內(nèi)航道中的制動(dòng)。 6）輔助裝置制動(dòng)

15、法 該法是通過(guò)在船體上增設(shè)一些輔助裝置，在需要時(shí)予以啟動(dòng)，以增加船舶運(yùn)動(dòng)阻力，消耗船舶動(dòng)能，使船舶盡 快減速。該法在船速較高時(shí)制動(dòng)效果明顯。 5.停船沖程的測(cè)定 1）測(cè)定條件 測(cè)定應(yīng)選擇在無(wú)風(fēng)、流影響的水域進(jìn)行，水深一般應(yīng)不小于 3，京 （B為船寬，d為吃水），船舶保持正舵。 2）測(cè)定內(nèi)容 通常是在空船和滿載時(shí)，分別測(cè)定主機(jī)處于主機(jī)轉(zhuǎn)速為前進(jìn)一、前進(jìn)二、前進(jìn)三時(shí)使用停車(chē)和倒車(chē)的沖程和所 需時(shí)間，至少應(yīng)測(cè)定船舶前進(jìn)三至停車(chē)，前進(jìn)二至停車(chē)的停車(chē)沖程和前進(jìn)三至后退三及前進(jìn)二至后退三的倒車(chē)沖程。 3）測(cè)定方法 ①拋板法 采用此方法比較簡(jiǎn)便且實(shí)用，停船距離可由下式求得： 停船距離=

16、（n - 1） L +最后一塊木板移動(dòng)的距離 式中： n為拋出木板總數(shù)； L為首尾觀測(cè)組的距離（m）。 ②定位法 多采用無(wú)線電定位法和 GPS定位法，通過(guò)連續(xù)測(cè)定船位求得沖程。大型船舶多用此法。 第二節(jié)船舶旋回性能 在船舶操縱中，就舵的使用而言，大致可分為小舵角的保向操縱、一般舵角的轉(zhuǎn)向操縱及大舵角的旋回操縱三 種，船舶旋回性是船舶操縱中極為重要的一種性能。 一、船舶旋回運(yùn)動(dòng)的過(guò)程 船舶以一定航速直線航行中，操某一舵角并保持之，船舶將作旋回運(yùn)動(dòng)。根據(jù)船舶在旋回運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力特 點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，可將船舶的旋回運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)階段，如圖 1—1所示。 1 .第一階段一一轉(zhuǎn)舵階段

17、 船舶從開(kāi)始轉(zhuǎn)舵起至轉(zhuǎn)至規(guī)定舵角止（一般約 8~15s）,稱為轉(zhuǎn)舵階段或初始旋回階段。 如圖1 — 1所示，該階段中，船速開(kāi)始下降但幅度甚微；漂角也已出現(xiàn)但量較?。恍亟撬俣炔淮?，但旋回角 加速度最大。由于船舶運(yùn)動(dòng)慣性的原因，船舶重心 G基本上沿原航向滑進(jìn)，在舵力轉(zhuǎn)船力矩 Ms的作用下，船首有 向操舵一側(cè)回轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，重心則有向操舵相反方向的微量橫移，與此同時(shí)，船舶因舵力位置比重心位置低而出現(xiàn)少 量?jī)?nèi)傾。因此，該階段也稱為橫移內(nèi)傾階段。 2 .第二階段一一過(guò)渡階段 操舵后，由于船舶出現(xiàn)向操舵相反一側(cè)橫移而使其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，形成了漂角 3。越來(lái)越明顯的斜航運(yùn)動(dòng) 將使船舶進(jìn)入加速旋回

18、階段，同時(shí)伴有明顯的降速。 如圖1—2 （a）所示，該階段中，船舶的旋回角速度、橫移速度和漂角均逐步增大，水動(dòng)力 Fw的作用方向由第 一階段來(lái)自正前方，逐漸改變?yōu)閬?lái)自船首外舷方向。由于水動(dòng)力 Fw作用點(diǎn)較重心更靠近船首，因而產(chǎn)生水動(dòng)力轉(zhuǎn)船力矩Ms,方向與舵力轉(zhuǎn)船力矩 MJ 一致，使船舶加速旋回；與此同時(shí)，隨著旋回角速度的不斷提高，又會(huì)產(chǎn)生 不斷增大的船舶旋回阻矩，從而使旋回角加速度不斷降低，角速度的增加受到限制。 該階段中船舶的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是： 1）船舶降速明顯。其首要因素是船舶斜航時(shí)水動(dòng)力 Fw的縱向分力Fwx的增加，其次是舵力 Pn的縱向分力Pnx, 旋回運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力 Q的縱向

19、分力Qx以及旋回中推進(jìn)效率的下降。 2）由反向橫移變成向操舵一側(cè)正向橫移。原因是船舶在旋回中，隨著漂角 3的增大，水動(dòng)力Fw不斷增大，而 舵力卻有所下降，以致 Fw的橫向分力大于Pn的橫向分力。 3）船舶出現(xiàn)外傾并逐漸增大。其原因是舵力橫向分力 Pny、水動(dòng)力橫向分力 Fwy以及旋回中產(chǎn)生的離心力的橫 向分力Qy作用于船舶垂直方向的不同位置，構(gòu)成了力矩，從而使船舶由初始階段的內(nèi)傾變?yōu)橥鈨A。如圖 1 — 2 （b） 所示。 4）船舶加速旋回，但旋回加速度逐漸減小。 3 .第三階段一一定常旋回階段 隨著旋回運(yùn)動(dòng)的不斷發(fā)展，一方面，舵力的下降使舵力轉(zhuǎn)船力矩 Ms減小，水動(dòng)力Fw的作用

20、點(diǎn) W隨著漂角的 增大不斷后移，水動(dòng)力轉(zhuǎn)船力矩 Mb減小。另一方面，隨著船舶旋回角速度的增加，由阻止船舶回轉(zhuǎn)的阻力 Rf、Ra 所構(gòu)成的水阻，力轉(zhuǎn)船力矩 Mf、Ma也同時(shí)增大。如圖1 — 3所示，當(dāng)漂角3增加到一定值時(shí)，作用于船體的諸力 及其力矩達(dá)到平衡，即船舶進(jìn)入定常旋回。該階段中，船體所受合力矩為零，船舶旋回角加速度為零，轉(zhuǎn)頭角速度 達(dá)到最大并穩(wěn)定于該值，船舶降速達(dá)到最大值（一般可降速 1/4—1/2）,外傾角、橫移速度也趨于穩(wěn)定。船舶以穩(wěn)定 的線速度、角速度作旋回運(yùn)動(dòng)，故又稱第三階段為穩(wěn)定旋回運(yùn)動(dòng)階段。不同載況的船舶進(jìn)入定常旋回狀態(tài)的時(shí)間也 各不相同?？蛰d船大約在轉(zhuǎn)首 60o左右，

21、滿載船大約在轉(zhuǎn)首 100 o ~120 o左右進(jìn)入定常旋回階段。 (\ 圖1—1 圖1—3 (fl) 圖1—2 二、旋回圈及其要素 定速直航(一般為全速)的船舶操一定舵角(一般為滿舵)后，船舶將作旋回運(yùn)動(dòng)，其重心所描繪的軌跡叫做 旋回圈。在“船舶操縱性臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)”中，將旋回圈定義中白^試驗(yàn)速度規(guī)定為至少達(dá)到主機(jī)最大輸出功率 85%時(shí)所對(duì) 應(yīng)的速度的90%。旋回圈及其要素如圖 1—20所示。 1. 進(jìn)距 Ad a advance) 進(jìn)距是指開(kāi)始操舵到航向轉(zhuǎn)過(guò)任一角度時(shí)重心所移動(dòng)的縱向距離。進(jìn)距又稱縱距，通常所說(shuō)的進(jìn)距是指航向轉(zhuǎn) 過(guò)90o時(shí)的進(jìn)距。在此基礎(chǔ)上，如

22、再轉(zhuǎn)過(guò)相當(dāng)于漂角的度數(shù)，則船舶在原航向上將達(dá)到最大縱移距離，稱為最大進(jìn) 品巨(Max advance)。 2. 橫距 Tr (transfer) 橫距是指開(kāi)始操舵到航向轉(zhuǎn)過(guò)任一角度時(shí)船舶重心向操舵一側(cè)移動(dòng)的橫向距離。 通常所說(shuō)的橫距是指當(dāng)航向轉(zhuǎn) 過(guò)90 o時(shí)的橫距。 3. 旋回初徑 Dt (tactical diameter) 旋回初徑是指開(kāi)始操舵到航向轉(zhuǎn)過(guò) 180 o時(shí)重心所移動(dòng)的橫向距離。在此基礎(chǔ)上，如再轉(zhuǎn)過(guò)相當(dāng)于漂角的度數(shù)， 則將出現(xiàn)船舶重心偏離原航向線達(dá)到最大的橫移距離，稱為最大橫距( Max transfer)。 4. 旋回直徑 D (final diameter)

23、旋回直徑是指船舶作定常旋回運(yùn)動(dòng)時(shí)，重心軌跡圓的直徑。 5. 滯距 Re (reach) 滯距是指從操舵開(kāi)始時(shí)的重心位置至定常旋回曲率中心的縱向距離。又稱心距。 ? ~ ——Tf maj( 圖1—4 上述五個(gè)尺度從不同的角度規(guī)定了旋回圈的形狀和大小，因而被稱為船舶旋回圈要素。旋回圈的大小一般用旋 回初徑Dt或旋回初徑與其船長(zhǎng)之比 Dt/L （即相對(duì)旋回初徑）表示。 根據(jù)IMC提出的操縱性臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， Dt必須滿足不應(yīng)大于 5L。實(shí)船在深水中滿舵旋回時(shí)，象油輪之類(lèi)的肥 大型船舶，Dt/L 高速貨船之類(lèi)的瘦削型船， Dt/L%4。在上述比值為3?4的范圍內(nèi)，進(jìn)距、橫距與

24、旋回初徑之 比，旋回直徑與旋回初徑的比值一般為： Ad/ Dt = 0.85 ~ 1.0; Tr / Dr = 0.55; D / Dt= 0.9 為了更完整地表述旋回運(yùn)動(dòng)的特性，通常還應(yīng)考慮以下幾個(gè)參數(shù)。 1 .反移量（kick） 指操舵后，船舶重心從原航向向操舵相反一側(cè)橫移的距離。又稱偏距。 在滿舵旋回時(shí)，當(dāng)船舶回轉(zhuǎn)達(dá)到一個(gè)羅經(jīng)點(diǎn)時(shí)，反移量達(dá)到最大值，約為船長(zhǎng)的 1%左右，而船尾反移量的最 大值可達(dá)船長(zhǎng)的10%---20%。 2 . 漂角 3 （ drift angle ） 船舶旋回時(shí)，船舶首尾線與首尾線上某一點(diǎn)的旋回圈的切線速度方向之間的夾角，稱為該點(diǎn)的漂角。一般所說(shuō)

25、的漂角是指重心處的漂角，如圖 1 — 5所示。 V： 圖1—5 船舶首尾線不同點(diǎn)處的漂角值各不相等，船尾處的漂角最大。隨著回轉(zhuǎn)的加劇，重心處的漂角由小到大，最后 在定常旋回階段趨于穩(wěn)定。旋回中船舶所具有的漂角與舵角有關(guān)，一般船舶不同舵角時(shí)重心處的漂角不同，在定常 旋回階段約在3o?15 o之間。 如果把船體視為一個(gè)大面積的舵的話，則漂角越大，流向船體的水對(duì)船體產(chǎn)生的升力就越大，即水動(dòng)力 Fw越 大，水動(dòng)力轉(zhuǎn)船力矩越大，使船舶加速旋回。因此，漂角越大，其旋回性越好，旋回直徑也越小。大型油輪較一般 貨船的回轉(zhuǎn)性好，因此它在定常旋回中的漂角也較大。淺水中船舶的回轉(zhuǎn)性較深水中差，故漂

26、角也較深水中小。 3 . 轉(zhuǎn)心（pivoting point ） 由船舶旋回曲率中心 。點(diǎn)作船舶首尾線的垂線，垂足點(diǎn) P即為轉(zhuǎn)心。如圖1 — 21所示，P點(diǎn)處的線速度方向與 首尾線一致，故該點(diǎn)的漂角為零；同時(shí)由于船舶繞該點(diǎn)的豎軸作自轉(zhuǎn)，故該點(diǎn)的橫移速度為零。 在沒(méi)有進(jìn)入定常旋回時(shí)， 轉(zhuǎn)心P的位置不固定，再開(kāi)始操舵時(shí)轉(zhuǎn)心處于中心 G點(diǎn)稍前位置，隨著船舶旋回不斷 加快，轉(zhuǎn)心P的位置不斷前移，直到定常旋回階段才趨于穩(wěn)定。 一般商船在定常旋回時(shí)，轉(zhuǎn)心 P約在船首柱后1/3~1/5船長(zhǎng)處，漂角越大的船，轉(zhuǎn)心距首柱越近。而后退中旋 回的船舶，其轉(zhuǎn)心位于重心之后，約與前進(jìn)旋回時(shí)的轉(zhuǎn)心位置幾乎對(duì)

27、稱。 4 .旋回中的降速 船舶旋回中，由于斜航而使阻力增加，此外，舵力的縱向分力，慣性離心力的縱向分力引起的阻力增加以及推 進(jìn)器效率降低等原因都將引起船速下降。進(jìn)入定常旋回后，船速穩(wěn)定在一個(gè)定值上。 定常旋回時(shí)的船速 Vt與操舵前的船速 Vo的比值Vt/Vo（速降系數(shù)）與Dt/L （相對(duì)旋回初徑）有密切關(guān)系如圖1—6 所示。Dt/L越小，Vt/V0越小，即速降劇烈。也就是說(shuō)，旋回性越好，速降越明顯。肥大型船的 Dt/L較瘦削型小得 多，故旋回中的速度下降便要明顯得多，一般萬(wàn)噸貨船可降速 40%--50%,肥大型船舶甚至可降速 60%。同樣，由 于船舶在淺水中得旋回性變差，所以淺水中的

28、旋回速降就小一些。 圖1—6 5.旋回中的橫傾 在船舶操舵后，由于船舶的舵力橫向分力 Pny、水動(dòng)力橫向分力 Fwy以及旋回中產(chǎn)生的離心力的橫向分力 Qy作用于船舶垂直方向的不同位置，構(gòu)成了力矩，從而使船舶開(kāi)始出現(xiàn)少量?jī)?nèi)傾，隨后船舶由內(nèi)傾變?yōu)橥鈨A。 再由內(nèi)傾向外傾過(guò)渡的過(guò)程中，由于船舶橫向搖擺慣性的原因，會(huì)出現(xiàn)最大外傾角，這是旋回的過(guò)渡階段尤其 應(yīng)注意的危險(xiǎn)現(xiàn)象。進(jìn)入定常旋回階段，船舶將穩(wěn)定在一定常外傾角。 旋回中船舶出現(xiàn)的橫傾是一個(gè)應(yīng)予注意的不安全因素。一般貨船滿舵旋回時(shí)的外傾在靜水中可達(dá) 3o?5o左右。 超大型油輪因恢復(fù)力矩很大，所以滿載滿舵旋回時(shí)幾乎不發(fā)生橫傾。然而

29、恢復(fù)力矩較小的船舶高速航進(jìn)中操大舵角 時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較大橫傾，若再加上船內(nèi)自由液面影響或出現(xiàn)貨物移動(dòng)以及強(qiáng)橫風(fēng)或橫浪的影響，則船舶將有傾覆的 危險(xiǎn)。 為防止這種危險(xiǎn)，可采取如下措施： 1）在適當(dāng)增大初穩(wěn)性高度的同時(shí)，采取措施減小自由液面影響，防止貨物移動(dòng)； 2）降低船速，緩慢操舵，用較小舵角進(jìn)行旋回，以增大旋回半徑； 3）選擇使風(fēng)浪作用力矩與回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最大外傾力矩錯(cuò)開(kāi)的時(shí)機(jī)操舵； 4）旋回中若已出現(xiàn)較大外傾角而危及船舶安全時(shí)，切忌急速回舵或急操反舵，而應(yīng)逐漸降速，同時(shí)逐漸減小 所用舵角。 船舶以一定航速旋回中的外傾角大小可用下式估算： Vt2 BM Vt ? r ? GB tg

30、0 c = 1 （ -1 ） 或 tg 0 c = g ? R GM g ? gm 式中：Vt ——定常旋回切線速度（m/s）; R——定常旋回半徑（m）; g 重力加速度（m/s2）； BM——浮心至穩(wěn)心的高度（m）; GM ——初穩(wěn)性高度（m）; GB——重心浮心間距（m）。 所以，定常旋回外傾角的大小與船舶定常旋回切線速度，角速度，重心浮心間距成正比，與船舶初穩(wěn)性高度， 重力加速度成反比。 三、影響旋回圈大小的因素 船舶旋回圈的大小主要受水下船型、船舶吃水狀態(tài)、操船、外界環(huán)境（水深、風(fēng)流）等方面因素的影響。 1 .水線下的船型因素 1）方型系數(shù)Cb 方型系數(shù)較

31、小的瘦形高速船（Cb*0.6）較方型系數(shù)較大的肥大型船（ Cb*0.8）旋回性差得多。即 Cb越大，旋 回性越好，旋回圈也越小。 2 ） 水線下側(cè)面積 船首水線下側(cè)面積分布較多者有利于減小旋回圈，船尾水線下側(cè)面積分布較多者有利于提高航向穩(wěn)定性，而不 利于減小旋回圈。例如船首有球鼻首或船尾比較削尖得船，旋回時(shí)阻矩較小，旋回圈較小，但航向穩(wěn)定性變差。 3 ） 舵面積比（ARLppXd） 增加舵面積將會(huì)使舵的轉(zhuǎn)船力矩增大，使旋回性變好，旋回圈減小。但同時(shí)也增加了旋回阻矩，超過(guò)了一定值后， 旋回圈不能減小。因而一定類(lèi)型的船舶都有一個(gè)最佳的舵面積比值。 各類(lèi)船舶因其實(shí)際使用目的不同，對(duì)其應(yīng)具備

32、的旋回性在要求上也各不相同，同時(shí)還需綜合考慮舵機(jī)功率、船 舶阻力、與船尾形狀的配合、便于安全操船等多方面條件的制約。比如大型油輪由于具有易于旋回的肥胖船型，不 用很大的舵面積比；而旋回困難但又要求具有較高的機(jī)動(dòng)性的高速貨船則需要配備較大面積的舵；由于拖船和漁船 需要優(yōu)良的操縱性，所以舵面積比也較大。 4 .船舶吃水狀態(tài) 1） 吃水 在船舶其他條件（吃水差、主機(jī)轉(zhuǎn)速和船速）不變的情況下，一般船舶均有舵面積比隨吃水變深而降低的趨勢(shì)， 舵力轉(zhuǎn)船力矩減小，而且隨著吃水的增加，船舶繞重心 G的垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也將增加，所以船舶初始旋回緩慢。 因此，若其他條件相同，吃水大的滿載船的進(jìn)距將有較大增長(zhǎng)。

33、此外，由于隨著吃水的增大，斜航時(shí)轉(zhuǎn)船力矩較旋 回阻矩增加得明顯，從而導(dǎo)致旋回初徑和橫距某種程度的降低。 2）縱傾 船舶的縱傾變化，相當(dāng)于較大程度地改變了船舶水線下船體側(cè)面積的形狀分布，尾傾增大，重心后移，水動(dòng)力 作用點(diǎn)后移，使轉(zhuǎn)船力矩減小，旋回圈增大；相反首傾增大時(shí)則回轉(zhuǎn)加快，旋回圈減小。首傾每增加 1%船長(zhǎng)，旋 回初徑便可減小10%左右；尾傾量每增加 1%船長(zhǎng)，旋回初徑則增加 10%左右。 通常，滿載時(shí)尾傾不大，但吃水增加了，舵面積比減小了；而空載時(shí)尾傾相當(dāng)大，但吃水減小了，舵面積比增 加了。所以總的看來(lái)，空船與滿載時(shí)的旋回圈大小相差不多。 3）橫傾 總的來(lái)說(shuō)，橫傾對(duì)旋回圈影響

34、不大。船舶在前進(jìn)時(shí)如存在橫傾，船首受其影響會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。低速時(shí)，推力 一阻 力轉(zhuǎn)矩起主要作用，推首向低舷側(cè)偏轉(zhuǎn)，若向低舷側(cè)旋回，旋回圈??；高速時(shí)，首波峰壓力轉(zhuǎn)矩起主要作用，推首 向高舷側(cè)偏轉(zhuǎn)，若向高舷一側(cè)旋回，旋回圈小。 3.操船方面的影響 1）舵角 在極限舵角范圍內(nèi)，隨著舵角的減小，旋回初徑將會(huì)急劇增大，舵角越小，方形系數(shù)越小，舵的高寬比越小， 旋回圈的增大率就越大， 同時(shí)旋回時(shí)間也將明顯地增長(zhǎng)。 一般操15。舵角旋回時(shí)與操滿舵相比， 旋回初徑可能將增 加到130%~170%,而掉頭時(shí)間則可能增加到 140%左右。 2）操舵時(shí)間 我國(guó)船舶檢驗(yàn)局《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》關(guān)于操舵

35、裝置部分規(guī)定，主操舵裝置應(yīng)具有足夠能力，并足以在 船舶處于最深航海吃水并以最大營(yíng)運(yùn)航速前進(jìn)時(shí)進(jìn)行操縱，將舵自任何一舷的 35。轉(zhuǎn)至另一舷的 30。的時(shí)間應(yīng)不 超過(guò)28S。因此，在實(shí)際操船中一般認(rèn)為從正舵位置操舵至最大舵角 35。需要15S。如果操舵時(shí)間超過(guò) 15S,則所需 時(shí)間越長(zhǎng)，旋回圈變大，進(jìn)距將直接受其影響而變大，橫距所受影響較小，而旋回直徑幾乎不受影響。 3 ） 船速 船速對(duì)船舶旋回所需時(shí)間的長(zhǎng)短具有明顯的影響，船速越快，旋回時(shí)間大大縮短，然而，在商船速度范圍內(nèi)， 船速對(duì)旋回初徑的影響卻很小，這是因?yàn)榇霸谛刂兴艿降亩媪D(zhuǎn)船力矩、旋回阻矩等均大致與船速的平方成 正比。然而

36、，當(dāng)船速低于某一值（傅汝德系數(shù) Fr<0.18）時(shí)，旋回圈將會(huì)逐漸增大，這是由于低速時(shí)舵力轉(zhuǎn)船力矩 明顯減小，旋回性明顯變差所致。反之，當(dāng) Fr>0.3,即船速增快時(shí)，由于興波增加，尾傾加劇，使航向穩(wěn)定性得以 提高，與此同時(shí)旋回性也將惡化，旋回圈將增大。 值得注意的是，主機(jī)的使用方式對(duì)船舶旋回圈的大小有明顯的影響，如圖 1 — 7所示。船舶在航進(jìn)中減速旋回 時(shí)，旋回圈將增大；相反，船舶在靜止中或低速中加車(chē)進(jìn)行旋回，旋回圈將減小，同時(shí)旋回圈中心也將落在施舵旋 回時(shí)船舶重心位置的后方。 f停船一進(jìn)三） 圖1 —7 4 .外界環(huán)境的影響 1） 淺水 旋回圈在其他條件相同時(shí)隨

37、著水深的變淺而逐漸增大。當(dāng)水深與吃水之比小于 2時(shí)，旋回圈將明顯增大。 2） 污底和風(fēng)流 船體污底越多，摩擦阻力增加，旋回圈變大，但影響很小。 頂風(fēng)頂流將使縱距減小，順風(fēng)順流將使縱距增大。 四、旋回圈要素在實(shí)際操船中的應(yīng)用 1.反移量的應(yīng)用 反移量，尤其是船尾反移量，在操舵后初始階段出現(xiàn)最大值?，F(xiàn)舉例說(shuō)明其利用與防止的有關(guān)問(wèn)題。 1）本船航行中發(fā)現(xiàn)有人落水時(shí)，應(yīng)立即向落水者一舷滿舵，使船尾迅速擺離落水者，以免使之卷入螺旋槳。 2）在距船首較近的前方發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，應(yīng)立即操滿舵使船首讓開(kāi)，當(dāng)估計(jì)船首已可避開(kāi)時(shí)，再操相反一舷滿 舵以便讓開(kāi)船尾。 3）當(dāng)船首已擺出碼頭，擬進(jìn)車(chē)離泊時(shí)，

38、如很快操大舵角進(jìn)車(chē)離泊，則會(huì)因?yàn)榇餐鈹[較大而觸碰碼頭。所以 應(yīng)適當(dāng)減速，用小舵角慢慢駛離。 4）船舶過(guò)彎道時(shí)，如船速快，大舵角轉(zhuǎn)向，則會(huì)產(chǎn)生較大的船尾反移量，因此應(yīng)保持足夠的船岸間距。 2.其他要素的應(yīng)用 兩船對(duì)遇時(shí)，兩船進(jìn)距之和可用來(lái)估算最晚施舵點(diǎn)。即兩船距離大于或等于兩船進(jìn)距之和，若用舵緊急避讓?zhuān)?則在理論上不管用右滿舵還是左滿舵都能讓開(kāi)。然而在實(shí)際操縱中，還應(yīng)考慮操舵延遲，風(fēng)流漂移、尾反移量以及 安全余量等因素。 滯距可用來(lái)估算兩船對(duì)遇時(shí)用舵無(wú)法讓開(kāi)的距離。即兩船對(duì)遇時(shí)的距離小于兩船滯距之和，則不論如何操作， 用舵都無(wú)法讓開(kāi)。如對(duì)遇時(shí)兩船距離滯距之和而小于縱距之和，則理論上

39、可通過(guò)兩船間的協(xié)調(diào)行動(dòng)以避免碰撞。但 這在實(shí)際操作中極為困難。 旋回初徑和進(jìn)距可用來(lái)估算用舵旋回掉頭所需水域的大小。值得注意的是，駕引人員在估計(jì)船舶所需旋回水域 大小時(shí)，需將船尾偏出旋回圈外的長(zhǎng)度考慮進(jìn)去，這就要在最大縱距、最大橫距的基礎(chǔ)上再增加約 L/5的長(zhǎng)度，否 則會(huì)影響船舶的順利旋回。 第三節(jié)船舶的航向穩(wěn)定性與保向性 、航向穩(wěn)定性的概念 所謂航向穩(wěn)定性，指的是船舶在受外界干擾取得轉(zhuǎn)頭速度 r。后，當(dāng)干擾消除后，在保持正舵的條件下，船舶所 受的轉(zhuǎn)頭阻矩對(duì)船體轉(zhuǎn)頭運(yùn)動(dòng)有何影響，因而船舶轉(zhuǎn)頭運(yùn)動(dòng)將如何變化的性質(zhì)。 一艘航向穩(wěn)定性好的船舶，直進(jìn)航行中即使很少操舵也能較好地保向；而

40、當(dāng)操舵改向時(shí)，又能較快地應(yīng)舵；轉(zhuǎn) 向中回正舵，又能較快地把航向穩(wěn)定下來(lái)。其特點(diǎn)是對(duì)舵的響應(yīng)運(yùn)動(dòng)來(lái)得快，耗時(shí)短，因而舵效較好。 根據(jù)外界干擾消除后船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同可分為以下幾種情況，如圖 1 — 12所示。 f位?稔定） 實(shí)際航跡 圖 1 — 12 正舵直進(jìn)中的船舶，在受到風(fēng)、浪、流或其他因素干擾作用后，船舶將偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)干擾消失后， 在保持正舵條件下，若船舶能恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則具有位置穩(wěn)定性；若能恢復(fù)到原來(lái)的航向，則具有方向穩(wěn) 定性；若能在偏離原運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，迅速衰減這種偏離，而較快地穩(wěn)定在新的航向上，進(jìn)行新的直線運(yùn)動(dòng)，則具有直 線穩(wěn)定性；當(dāng)然，也可能在干擾消除后

41、，船舶最終將進(jìn)入一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這類(lèi)船舶則不具備航向穩(wěn)定性。 1 .靜航向穩(wěn)定性 靜航向穩(wěn)定性指的是船舶受外力作用稍微偏離原航向，而重心仍沿原航線運(yùn)動(dòng)時(shí)，船舶斜航漂角將如何變化的 性能。也就是說(shuō)，外力干擾消失后，若船舶不僅最終航向與初始航向相同，而且位置也在原航向延伸線上，則稱船 舶具有靜航向穩(wěn)定性（位置穩(wěn)定性） 。 一般船舶均不具備靜航向穩(wěn)定性，因?yàn)橐坏┌l(fā)生斜航，其漂角的出現(xiàn)將產(chǎn)生使漂角繼續(xù)增大的轉(zhuǎn)頭力矩，往往 不能自行回復(fù)到原航線上，故船舶常常表現(xiàn)為靜航向不穩(wěn)定。船首越首傾，船體側(cè)面積在船首分布越多，靜航向穩(wěn) 定性就越差。 2 .動(dòng)航向穩(wěn)定性 動(dòng)航向穩(wěn)定性指的是當(dāng)外界干擾消除后，船

42、舶在不用舵糾正的情況下，能盡快地穩(wěn)定于新航向的性能。也即船 舶直線穩(wěn)定性。穩(wěn)定于新航向較慢、慣性轉(zhuǎn)頭角較大的船，其動(dòng)航向穩(wěn)定性較差；穩(wěn)定得較快、慣性轉(zhuǎn)頭角較小的 船，其動(dòng)航向穩(wěn)定性較好；一直轉(zhuǎn)頭不停而偏轉(zhuǎn)下去的船，則不具備動(dòng)航向穩(wěn)定性。一般所說(shuō)的船舶航向穩(wěn)定性指 的就是動(dòng)航向穩(wěn)定性。大多數(shù)船舶都具有動(dòng)航向穩(wěn)定性。當(dāng)然，航向穩(wěn)定性差甚至航向不穩(wěn)定的船舶，為了保持航 向，就需頻繁操舵，且所用舵角也偏大。 二、船舶航向穩(wěn)定性的判別 在保持正舵條件下，一階操縱運(yùn)動(dòng)方程可寫(xiě)為： 求解上式，可得外界干擾消失后，初始轉(zhuǎn)頭角速度為 ％的任意時(shí)刻t的轉(zhuǎn)頭角速度r的表達(dá)式 r =「0 e " T （1-2

43、0 ） 由式（1-20）可知，當(dāng)T>0時(shí)，T值越小，則e s就很快地衰減趨于零，轉(zhuǎn)頭角速度也就衰減得較快，即航向 很快穩(wěn)定。若T為大的正值，則轉(zhuǎn)頭角速度 r衰減得慢，航向穩(wěn)定性就較差。相反，若 T<0,船舶不具備航向穩(wěn)定 性。如圖1 — 13所示。 如將式（1-20）對(duì)時(shí)間t積分，則可得到船舶因外界干擾具有轉(zhuǎn)頭角速度 r。，而當(dāng)干擾消除之后，船舶慣性轉(zhuǎn) 頭角度得表達(dá)式 W = f0 rdt = f0 r 0e-t/T dt = r 0T （1-21） 0 0 由上式可知，船舶受干擾后偏離原航向的角度大小由干擾造成的初始轉(zhuǎn)頭角速度 r0和航向穩(wěn)定性指數(shù) T來(lái)決定。 在同樣的干擾

44、情況下，T為小的正值，則偏航角度（慣性轉(zhuǎn)頭角）較??； T為大的正值，則偏航角度就大。若 T為 負(fù)值，則船舶將一直偏轉(zhuǎn)下去。由此可見(jiàn)，船舶的航向穩(wěn)定性可以用航向穩(wěn)定性指數(shù) T來(lái)衡量。 / T<0（航向不穩(wěn)定》 | 7〉。（航向穩(wěn)定） Q - __~ ~ _ t 圖 1 — 13 三、船舶保向性及其影響因素 1 .船舶保向性 船舶保向性與航向穩(wěn)定性并不是同一概念。航向穩(wěn)定性是具有一定初始轉(zhuǎn)頭角速度的船舶，僅在船體因轉(zhuǎn)頭而 受到的旋回阻矩作用下逐漸穩(wěn)定于新航向的能力。是船舶本身固有的性能。保向性則是指船舶在風(fēng)、浪、流等外力 作用下，由操舵水手（或自動(dòng)舵）通過(guò)羅經(jīng)識(shí)別船舶首搖情況，

45、并通過(guò)操舵抑制或糾正首搖使船舶駛于預(yù)定航向的 能力。船舶保向性的好壞不僅與航向穩(wěn)定性的好壞有關(guān)，同時(shí)取決于操舵人員的技能及熟練程度、自動(dòng)舵的控制能 力、舵機(jī)的響應(yīng)能力以及舵的控向能力。顯然，航向穩(wěn)定性越好的船舶，保向性也越好。 2） 影響保向性的因素 1）船型 方型系Cb較小，長(zhǎng)寬比L/B較高的瘦削型船舶，回轉(zhuǎn)時(shí)阻矩較大，航向穩(wěn)定性較好，保向性較好；肥胖型船 則較差。 2）水線下船體側(cè)面積形狀 水線下側(cè)面積在船尾分布較多的船舶，如船首較為削進(jìn)、船尾有較大鈍材的船舶，其航向穩(wěn)定性較好，保向性 也較好；而裝有球鼻首的船將使其航向穩(wěn)定性降低。 3） 載態(tài) 輕載較滿載時(shí)的航向穩(wěn)定性好，保

46、向性也好；尾傾較首傾時(shí)保向性好。但在受強(qiáng)風(fēng)影響時(shí)，船舶空載或輕載時(shí) 的受風(fēng)面積大，故保向性會(huì)下降。 4） 船速 對(duì)同一艘船舶而言，船速越高，保向性越好。 5）舵角 隨著舵角的增加，船舶的保向性將得到明顯改善。尤其對(duì)于超大型油輪常需使用大舵角才能保向。 6） 舵面積比 舵面積越大，航向穩(wěn)定性越好，保向性越好。 7）其他因素 水深變淺、污底增加，將使航向穩(wěn)定性變好， 保向性提高；順風(fēng)、 順流航行將使航向穩(wěn)定性變差，保向性下降。 第四節(jié)船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程及操縱性指數(shù) 一、船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程 1.船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程的由來(lái) 如果把船舶近似看成剛體，并假定船舶在旋回時(shí)只受到轉(zhuǎn)船力矩和水的

47、阻矩的作用，根據(jù)力學(xué)中有關(guān)定律，則 可得出： Ig , r =M s - M w 式中1G為船舶繞重心 G豎軸的慣性矩，7為回轉(zhuǎn)角加速度。由于 M產(chǎn)a - 8, MW^b?r,則 I g ? r = a 8 - br （1-11） 式中a為轉(zhuǎn)船力矩系數(shù)，b為阻尼力矩系數(shù)。 將上式（1-11 ）稍加整理，可得 Ig . a r + r = 8 11-12 ） b b Ig a 令： 一一=T , —— =K ,則式（1-12）可轉(zhuǎn)化為： b b T ? r + r = K ? 8 11-13 ） 式中：K一一旋回性指數(shù)（s-1）; T 一一追隨性指數(shù)（s）; r一一

48、旋回角速度（1/s）; r一一旋回角加速度（1/s2）； 8 舵角（ ） 式（1-13）就是野本謙作的一階近似操縱運(yùn)動(dòng)方程式。 顯然，T指數(shù)是船舶繞其重心豎軸的慣性矩與船舶旋回阻矩系數(shù)之比所決定的常數(shù)； K指數(shù)是操舵后轉(zhuǎn)船力矩 系數(shù)與船舶旋回阻矩系數(shù)之比所決定的常數(shù)。船舶 K、T值的大小將決定船舶在操舵后任意時(shí)刻所具有的轉(zhuǎn)頭角加 速、角速度、轉(zhuǎn)向角度的值， K、T指數(shù)可用來(lái)表示船舶操縱性的優(yōu)劣。因此，稱之為船舶操縱性指數(shù)。 2. K、T指數(shù)與船舶操縱性的關(guān)系 船舶直航中操舵，設(shè)初始條件 t=0時(shí)，r=0,則求解一階操縱運(yùn)動(dòng)方程可得船舶轉(zhuǎn)頭角速度的表達(dá)式： r = K 8 0

49、（1-e+"） （1- 14） r隨時(shí)間的變化情況如圖 1—8所示，當(dāng)T>0時(shí)，e”將隨時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減下去，轉(zhuǎn)頭角速度最終逐漸穩(wěn)定于 定彳t K 8 0,即定常旋回時(shí)，船舶以 r0=K 6 0的角速度作旋回， 而船舶定常旋回時(shí)的切線速度 Vt與r0的關(guān)系是：Vt = r0 R,故R = Vt / r0= Vt / K8o。因此，K值越大，則定常旋回角速度越大，旋回半徑也就越小，船舶的旋回性越好； 反之，K值越小，船舶旋回性越差。所以稱 K為船舶旋回性指數(shù)。 圖1 — 8 在式（1-14）中，設(shè)t =T則有 r = K 80 （1-e/"）= KS 0 （ 1-0.368）?0.

50、63 K 8 0 這說(shuō)明，T值是表示操舵后，船舶對(duì)舵角響應(yīng)的時(shí)間滯后的一種指數(shù)。在數(shù)值上等于操舵后船舶回轉(zhuǎn)角速度達(dá) 到0.63 K 8 0 （即63%定常旋回角速度）所需的時(shí)間。若 T為正值，則T值越小，eS趨于零的速度就越快，船舶進(jìn) 入定常旋回也就越快，即船舶追隨性越好；反之， T值越大，追隨性就差。所以稱 T為船舶追隨性指數(shù)。 此外，T值小，船舶慣性轉(zhuǎn)頭角就小，能較快地穩(wěn)定在新航向上，即航向穩(wěn)定性較好； T值大，則慣性轉(zhuǎn)頭角 較大，航向穩(wěn)定得較慢，即航向穩(wěn)定性差。若 T<0,則船舶不具備航向穩(wěn)定性。可見(jiàn)， T指數(shù)還可反映船舶航向穩(wěn) 定性的好壞，所以又稱其為航向穩(wěn)定性指數(shù)。 K、

51、T指數(shù)的無(wú)因次化與數(shù)值范圍 一般說(shuō)來(lái)，較大的船舶都具有應(yīng)舵較慢、旋回直徑較大的特點(diǎn)（絕對(duì)數(shù)值） ，這給比較大小不同的各類(lèi)船舶的 操縱性帶來(lái)不便。例如具有相同 K、T值的兩船，以船長(zhǎng) L大，航速Vs低者，操縱性好。為了便于比較不同種類(lèi) 船舶或同一船舶不同狀態(tài)下的操縱性，通常將 K、T指數(shù)作無(wú)因次化處理，即消去其量綱。其處理方式按以下公式 進(jìn)行： L Vs K，= K —— T，= T —— Vs L 式中： Vs ——回轉(zhuǎn)時(shí)初速度（m/s）; L 船長(zhǎng)（m）; K ——旋回性指數(shù)（1/s）; T ——追隨性指數(shù)（s）; K、T值多從Z形試驗(yàn)中求得，下表給出了一些實(shí)船的 K

52、、丁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。 表1 — 3 從上表可知，同一船舶條件不同， K、T值均不相同。在其他條件相同的情況下，同一船舶的 K、T, 隨Z型試驗(yàn)時(shí)所用舵角的增大而同時(shí)減??；隨吃水的增大而同時(shí)增大；隨水深的變淺而同時(shí)減?。浑S尾傾增加而同 時(shí)減小。此外，K、T還隨船型系數(shù) Cb/ （L/B）的增大而同時(shí)增大，也就是說(shuō)，豐滿而短粗的船舶 K、T值 較高，操舵后應(yīng)舵慢，旋回圈較小，航向穩(wěn)定性較差；然瘦削而修長(zhǎng)的船舶 K、T值較低，操舵后應(yīng)舵快，旋 回圈較大，航向穩(wěn)定性較好。 通常認(rèn)為，實(shí)船Z形試驗(yàn)（10。/10。）所測(cè)得的K、T值處于下列數(shù)值范圍內(nèi)，即可認(rèn)為該船具有一般的 操縱性能。 滿載貨船（

53、L = 100~150 m）: K = 1.5~2.0 , T = 1.5~2.5 ; 滿載油船（L = 150~250 m）: K = 1.7~3.0 , T = 3.0~6.0 ; K、 T指數(shù)在實(shí)際操船中的應(yīng)用  1.旋回圈部分要素的求算 1) 定常旋回半徑 R = Vt/r = Vs/K B 0 = L/K 8 0 (1-15) 2) 定常旋回直徑 D = 2R = 2 Vs / K S 0= 2 L / K 80 (1-16) 3) 心距： Re = Vs (T + t1 / 2) (1-17) 4) 進(jìn)距： Ad = Re + R = Vs (T +

54、t1 / 2) + Vs / K S 0 (1-18) 上述式中： K ——旋回性指數(shù)(1/s); T ——追隨性指數(shù)(s)； Vs——旋回時(shí)初速(m/s); 8。一一所操舵角，單位為弧度； t1一一操舵時(shí)舵角由正舵至 8所需的時(shí)間(s)。 計(jì)算出R、R后，即可近似地畫(huà)出類(lèi)似圖 1—9所示的旋回圈軌跡。 2.推算新航向距離 如圖1 — 10所示，原航線上應(yīng)提前操舵的施舵點(diǎn) A至轉(zhuǎn)向點(diǎn)C之間的距離，稱為到新航向距離。 Dnc = AB + BC = R e +R ? tg — 2 t1 Vs =V s ( T + ) + 2 KS 0 小0 tg 2

55、(1-19 ) 計(jì)算時(shí)應(yīng)注意式中各量的單位統(tǒng)一。旋回時(shí)初速 Vs單位為m/s； K指數(shù)單位為1/s； T指數(shù)單位為s t1單位為s；所操舵角8 0單位為弧度(1 = 1 / 57.3弧度)；轉(zhuǎn)向角Bo單位為度( ;新航向距離Dnc 操舵時(shí)間 單位為m。 新航同跑亶 圖 1 — 10 3.利用K、T指數(shù)對(duì)船舶操縱性進(jìn)行分類(lèi) 不同種類(lèi)、結(jié)構(gòu)和大小的船舶，其操縱性會(huì)有很大的不同。按照 K、T指數(shù)比較船舶的旋回軌跡，可將船舶操 縱性大致分為四類(lèi)，如圖 1--11所示。 A型：T小K大，該類(lèi)船舶旋回性、追隨性均好。操舵后，應(yīng)舵快，旋回圈也小。舵面積比較高的船即屬此類(lèi) 船

56、舶，其Re、Ad短，「、Dt和D也短。 B型：T小K小，該類(lèi)船舶旋回性差、追隨性好。操舵后，應(yīng)舵雖快，但旋回圈較大。淺吃水或空載狀態(tài)的船 屬此類(lèi)船舶，其 Re、Ad短，但Tr、Dt和D卻長(zhǎng)。 C型：T大K大，該類(lèi)船舶旋回性好、追隨性差。操舵后，應(yīng)舵慢，但旋回圈較小。深吃水或滿載狀態(tài)的船舶 常具有此種特點(diǎn)。滿載的超大型油輪，雖然舵面積比很小，但也具有這種特點(diǎn)。其 Re、Ad長(zhǎng)，但Tr、Dt和D卻短。 D型：T大K大，該類(lèi)船舶旋回性、追隨性均差。操舵后，應(yīng)舵慢且旋回圈較大。舵面積比較小的船舶、瘦型 船均屬此類(lèi)。其 Re、Ad長(zhǎng)，Tr、Dt和D也長(zhǎng)。 A B CD 圖 1—11

57、 第五節(jié) 實(shí)船操縱性試驗(yàn) 操縱性試驗(yàn)的目的是為了求得船舶操縱性衡準(zhǔn)及各運(yùn)動(dòng)要素，從而評(píng)價(jià)船舶操縱性的優(yōu)劣。實(shí)船操縱性試驗(yàn)通 常包括：旋回試驗(yàn)(turning test)、Z形試驗(yàn)(Zig -zag manoeuvre test)、螺旋試驗(yàn)(spiral test)和逆螺旋試驗(yàn) (reverse spiral test)、 改向試驗(yàn) (course change test)、停船試驗(yàn) (stopping test) 五項(xiàng)試驗(yàn)。 試驗(yàn)水域的狀態(tài)應(yīng)符合水面寬敞、具備不受淺水影響的水深、流微弱但流向需穩(wěn)定、無(wú)風(fēng)浪涌等要求；船舶的 狀態(tài)應(yīng)盡可能取滿載狀態(tài)，無(wú)條件者應(yīng)按適當(dāng)?shù)膲狠d狀態(tài)來(lái)要求； 槳葉

58、中心處水深即沉深應(yīng)大于 0.45倍的螺旋槳直 徑。 、旋回試驗(yàn) 1 .試驗(yàn)?zāi)康模? 測(cè)定船舶旋回圈，從而求得船舶的旋回諸要素，包括進(jìn)距、橫距、旋回初徑、旋回直徑、滯距、旋回時(shí)間等， 以便評(píng)價(jià)船舶旋回的迅速程度和所需水域的大小。 2 . 試驗(yàn)要求： 通常是在試驗(yàn)速度條件下，直進(jìn)中分別向左、右兩舷操滿舵進(jìn)行旋回，轉(zhuǎn)頭角達(dá)到 360。(有風(fēng)流輕微影響時(shí)應(yīng) 為540。)時(shí)，測(cè)定其旋回圈。也可根據(jù)實(shí)際工作需要，測(cè)定不同載況(滿載、半載、壓載) 、不同船速(全速、半 速、低速)、不同舵角(10、15、20、35 )情況下向左和向右的旋回資料。 3 .旋回試驗(yàn)過(guò)程 (1)測(cè)試人員就位后，在

59、預(yù)定的航線上保持船舶直航并穩(wěn)定航速。 (2)在開(kāi)始回轉(zhuǎn)前約一個(gè)船長(zhǎng)的航程范圍內(nèi)，測(cè)量船舶的初始參數(shù)，如航速 V。、初始航向角中、初始舵角8。 以及螺旋槳的初始轉(zhuǎn)速 m等。 (3)發(fā)出操舵口令，以盡可能快的轉(zhuǎn)舵速度操舵至規(guī)定舵角 800 (4)從轉(zhuǎn)舵開(kāi)始，首向角變化了 1。、5。、15。、30。、60。、90。以及以后每隔30。分別記下對(duì)應(yīng)的時(shí)間、 航速、船位、轉(zhuǎn)頭角、橫傾角及螺旋槳轉(zhuǎn)速。 (5)當(dāng)轉(zhuǎn)頭角變化達(dá)到 360 (或540 )以后，正舵并改為直進(jìn)狀態(tài)。 (6)根據(jù)上述觀測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)風(fēng)流引起的漂移進(jìn)行修正，然后在大比例尺海圖上連續(xù)繪出各個(gè)船位點(diǎn)，并把它 們圓滑地連結(jié)為曲線，

60、便可量出旋回圈各要素。從航速和角速度測(cè)量中可求得回轉(zhuǎn)速降 V/V0,及定常旋回角速度 「0。從橫傾角的測(cè)量中可得到定常外傾角 ec和最大突傾角Gmaxo 4 .測(cè)定旋回圈軌跡的方法 (1)使用GPS定位測(cè)旋回圈。 (2)使用航向、航速計(jì)算求旋回圈。 (3)使用浮標(biāo)方位測(cè)旋回圈。 (4)使用無(wú)線電定位測(cè)旋回圈。 不論采取何種方法， 均應(yīng)注意將測(cè)得的船位換算為重心 G處的船位，并進(jìn)行漂移修正，以提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確 性。 二、Z形試驗(yàn) 5 .試驗(yàn)?zāi)康模? 求船舶的操縱性指數(shù) K、「借以全面評(píng)價(jià)船舶的旋回性、追隨性和航向穩(wěn)定性等重要操縱性能。 6 . 試驗(yàn)要求： 通常在海上速度

61、情況下，采用 10。/10 (分子表示舵角，分母表示操反舵時(shí)的船首向改變量)試驗(yàn)。根據(jù)需 要也可進(jìn)行20。/20。、15。/15。、5 /5 等Z形試驗(yàn)，它們分別表示較強(qiáng)和較弱機(jī)動(dòng)下的操縱情況。 7 .試驗(yàn)方法(如圖1 — 32所示) (1)以規(guī)定航速保持勻速直航，操右舵 10。并保持之； (2)當(dāng)船首向右轉(zhuǎn)頭的角度達(dá)到 10。時(shí)，即與所操舵角相等的瞬間，立即回舵，改操左舵 10。并保持之； (3)待船首最終左轉(zhuǎn)，越過(guò)原航向并向左偏離原航向達(dá) 10。時(shí)，即再一次出現(xiàn)與所操舵角相等的瞬間， 立即回 舵，再操右舵10。 如此反復(fù)，既可按右 一左一右、也可按左一右一左的順序，連續(xù)進(jìn)行

62、三次蛇航運(yùn)動(dòng)(最好五次)即可。 對(duì)一些航向穩(wěn)定性差的船，如船型肥大的大型船，試驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)所操相反舵角抑制不住船舶轉(zhuǎn)頭運(yùn)動(dòng)的情況， 往往難于完成Z形試驗(yàn)，為此，常采用降低轉(zhuǎn)頭角度的辦法，即轉(zhuǎn)頭角度較所操舵角小 10 ~ 5 (或更多)的變 Z 形試驗(yàn)。 試驗(yàn)中應(yīng)準(zhǔn)確地記錄各舵角到位時(shí)間、特征轉(zhuǎn)頭角的時(shí)間及轉(zhuǎn)頭超越角的大小。將這些數(shù)據(jù)描繪成曲線 8 —t、 3一t (如圖1 — 16所示)，并據(jù)以計(jì)算操縱性指數(shù) K、To max 圖 1 — 16 三、螺旋試驗(yàn)和逆螺旋試驗(yàn) 8 .試驗(yàn)?zāi)康模? 用于評(píng)價(jià)船舶航向穩(wěn)定性的好壞。 9 .螺旋試驗(yàn)： 首先從右滿舵開(kāi)始求出其對(duì)應(yīng)的

63、定常旋回角速 r,而后逐步少量減小其右舵角再求其各對(duì)應(yīng)的定常旋回角速度； 然后順次求出正舵、左舵、直至左滿舵旋回時(shí)的定常旋回角速度；最后再?gòu)淖鬂M舵向右滿舵一步步過(guò)渡，分別求出 全部的定常旋回角速度 r與相應(yīng)舵角8的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并順次繪出 r—8曲線，如圖1 — 17所示。 任何船舶，其r— 8曲線不外乎兩種基本類(lèi)型。如屬于 aoa o裹型的，因r— 8具有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，則說(shuō)明船 舶具有航向穩(wěn)定性； 如r— 6曲線呈ABCDA DEBA 類(lèi)型，帶有BCDE環(huán)形范圍的，因r— 8在環(huán)形范圍內(nèi)具有多值 對(duì)應(yīng)關(guān)系，則說(shuō)明該類(lèi)船舶在環(huán)形范圍內(nèi)不具備航向穩(wěn)定性。該曲線的環(huán)形范圍越寬、面積越大，則船舶的航

64、向穩(wěn) 定性越差。這種船舶在大舵角旋回中即使改操小舵角時(shí)仍將保持相當(dāng)高的轉(zhuǎn)頭角速度，甚至在操反向小舵角時(shí)，只 要該舵角處于臨界舵角范圍之內(nèi)， 則船舶仍將維持原轉(zhuǎn)頭方向不變。 如果環(huán)寬大于20。，則操縱船舶就會(huì)變得很困 難了。 圖 1 — 17 此試驗(yàn)的旋回圈逐漸由小到大或由大到小，就其整個(gè)旋回過(guò)程而言，其運(yùn)動(dòng)軌跡極似一條螺旋線，故稱螺旋試 驗(yàn)。 10 逆螺旋試驗(yàn)： 螺旋試驗(yàn)需進(jìn)行多次小舵角回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要求試驗(yàn)水域面積大，且進(jìn)入定常旋回十分緩慢，整個(gè)試驗(yàn)費(fèi)時(shí)很長(zhǎng)， 此外，對(duì)海面環(huán)境的要求也很苛刻，一般要求選擇 2~3級(jí)海況以下。 為彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)，Bech提出了逆螺旋試驗(yàn)的方法。

65、 該法與螺旋試驗(yàn)相反， 它是預(yù)先選定幾個(gè)不穩(wěn)定環(huán)內(nèi)的可能 有的角速度r,再通過(guò)做舵使船舶保持各角速度值定?；剞D(zhuǎn)，然后求取對(duì)應(yīng)于各角速度所需操舵的舵角平均值，從 而求得如圖1 — 18所示的r— 8曲線。該法采用主動(dòng)操舵而保持 r值，故對(duì)海面環(huán)境要求不高，且大大縮短了試驗(yàn) 時(shí)間，一般僅需 30min。 圖 1 — 18 經(jīng)逆螺旋試驗(yàn)得到的r— 8曲線中，成單值對(duì)應(yīng)，航向穩(wěn)定性好的船舶，其 r— 8曲線仍近于直線，而航向不穩(wěn) 定度極強(qiáng)的肥大型船，其 r—8曲線多呈S型，在臨界舵角范圍內(nèi) r與8成多值對(duì)應(yīng)關(guān)系。中間曲線段的寬度越大， 則航向不穩(wěn)定度越強(qiáng)，這與螺旋試驗(yàn)的不穩(wěn)定環(huán)寬的含

66、義是完全一致的。 第六節(jié) IMO船舶操縱性衡準(zhǔn)的基本內(nèi)容 1978年IMO作出了有關(guān)提供和顯示船舶操縱資料的建議，其內(nèi)容包括引航卡( Pilot card)、駕駛臺(tái)張貼的有關(guān) 本船操縱性能的試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的明細(xì)圖表( Where horse poster)及操船小手冊(cè)(Mznoeuvring Booklet )三種。 引航卡應(yīng)記入引航員登船后可立即掌握的最低限度的重要性能資料， 駕駛臺(tái)張貼的性能明細(xì)表也是一種較詳盡的性 能資料，而操船小手冊(cè)則應(yīng)詳盡地記入本船操縱性能，使駕駛?cè)藛T能充分了解本船操縱性能的資料。 在IMO 1993年11月4日第18屆大會(huì)上通過(guò)的“船舶操縱性臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)”確定了船舶操縱性的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)適 用于1994年7月1日或之后建造的舵槳推進(jìn)方式， L> 100m的船舶?；瘜W(xué)品油輪及液化氣船不限長(zhǎng)度。 IMO 一方 面要求各國(guó)政府鼓勵(lì)那些承擔(dān)設(shè)計(jì)、建造、修理及操縱船舶的人員去應(yīng)用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面要求各國(guó)收集應(yīng)用后 的數(shù)據(jù)，整理并報(bào)告IMO ,以便海上安全委員會(huì)在此基礎(chǔ)上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)作出評(píng)