Навигационный комплекс контроля состояния моря,атмосферы и мореходности корабля
В.Н. Храмушин, Крыловские чтения 2007 г.
Дальневосточные морские рубежи России характеризуются высокой штормовой активностью, существенно повышающей требования по мореходности к океанскому кораблю. Актуальность исследований штормового мореходства обусловлена широкомасштабным освоением нефтегазовых ресурсов сахалинского шельфа. Отсутствие обустроенных портов-убежищ на северо-восточном побережье о-ва Сахалин повышает востребованность научных исследований в области создания систем оперативного контроля обстановки на море; повышения эффективности и безопасности штормового мореходства; оптимизации проектных решений для новых кораблей и судов улучшенной мореходности.
Board Navigation System for the Atmosphere, Ocean and Ship Seaworthiness Monitoring.Vasily Khramushin. Khram@Mail.ru
The Russia Far East maritime domain are specified as the high stormy sea activity, greatly raising requirements for the safety of ship seaworthiness. Necessity for the sea storming of ship researches is a condition to extensive development of oil and gas field resources on the Sakhalin shelf. The safe harbour deficiency on the Sakhalin isl northeasterly seaside will give raise to demand marine researches for a sea phenomena monitoring; for an efficiency and safety stormy sea navigating; for the optimization of design decisions for order a new improved seakeeping vessels.
Обозначения: [m], [s], h [m], A [°] – длина, период, высота и направление движения морской волны; L, B, H, D [m]– длина, ширина, высота борта и осадка морского гидрофизического модуля.
Предисловие
Дальневосточные моря России относятся к наиболее активным геоструктурным элементам земного шара, где непрерывно регистрируются землетрясения, действуют надводные и подводные вулканы, где море угрожает штормовыми волнами зыби и цунами, нагонами и экстремальными течениями вблизи побережья, частыми ураганами и тропическими тайфунами. Отсутствие должной навигационной и гидрометеорологической информации приводит к многочисленным прибрежным разрушениям и гибели судов с человеческими жертвами. Российский флот, работающий в морских акваториях Сахалинской области и Дальнего Востока России, должен обладать достаточной мореходностью и способностью к длительному автономному плаванию в условиях дальневосточных ураганных штормов, обледенения или тяжелых льдов, без надежды на возможность укрытия в надежных портах-убежищах. Такие условия освоения морских ресурсов существенно усложняют условия развития морских коммуникаций и морских работ на шельфе Сахалина и Курил, требуя повышенного внимания, как к обустройству морских акваторий, так и к навигационно-техническому оснащению морских судов.
Можно сформулировать актуальные направления морских исследований [1], нацеленных на повышение эффективности и безопасности мореплавания в дальневосточных морях России: 1) построение эффективной системы мониторинга морских акваторий, в том числе обеспечивающей ходовые вахты всех судов достоверной информацией о текущей обстановке на море, о прогнозах динамики изменения состояния моря и атмосферы; 2) создание специальной судовой измерительной и счетно-решающей аппаратуры, оценивающей состояние моря, атмосферы и их взаимодействие с движущимся кораблем, и способной выполнять роль бортовой экспертно-аналитической системы, рекомендующей судоводителю наиболее эффективные методы решения поставленных перед судном задач; 3) поиск новых непротиворечивых методов проектирования специализированных кораблей и судов, наилучшим образом приспособленных к выполнению морских работ в штормовых условиях Дальнего Востока России.
Внедрение в морскую практику автоматизированных систем мониторинга больших по площади морских акваторий и современных навигационных комплексов контроля состояния моря, атмосферы и мореходности корабля, является одним из ключевых условий повышения эффективности дальневосточных морских коммуникаций в целом, с непременным условием обеспечения безопасности штормового мореплавания на каботажных маршрутах у Сахалина и Курильских островов.
Навигационный комплекс контроля состояния моря, атмосферы и мореходности корабля
Корабельный вариант метеостанции в комплекте с датчиками регистрации динамики корабля на волнении может составить основу универсальной бортовой аппаратуры для определения состояния моря, атмосферы и динамики их взаимодействия с движущимся кораблем. Автоматически формируемый пакет гидрометеорологических данных, доставляемый по телеметрическим каналам связи в морские службы капитанов порта и в морские отделы управлений гидрометеослужбы, сможет образовать ключевой поток информации для использования в прогнозах опасных морских явлений вблизи побережья, а при необходимости и для выработки рекомендаций судоводителю о наиболее эффективных маршрутах и режимах плавания в открытом море. Эта же информация о динамике судна и состоянии моря в исходном виде, дополненная интегральными оценками условий плавания из береговых служб, может быть востребована судоводителем для решения навигационных задач; для повышения эффективности и безопасности штормовой эксплуатации корабля.
В 2001-2004 гг на борту гидрографических судов ГС-210 и ГС-47, при активном участии сахалинских гидрографов, а в 2006 г. на борту НИС «Профессор Богоров» при поддержке нефтепромысловой компании «Сахалинская энергия», проводились длительные по времени наблюдения за динамикой судна, поверхности моря и атмосферы.
Бортовой комплекс измерительной аппаратуры был образован современными, но вполне общедоступными измерительными датчиками, навигационными и гидрометеорологическими приборами, позволившими сформировать следующие массивы цифровых данных за весь период морской экспедиции:
ДК-1А
Измерение углов крена и дифферента датчиками DK-1 гравитационного типа с точностью до 0,01º и частотой записи порядка 10-12 отсчетов в секунду;
НMR-3300
Измерение углов рыскания и параметров качки с использованием магнитометров типа HMR-3300 в качестве безынерционных компаса и инклинометров, работающих c точностью до 0,1º и частотой записи до 10 отсчетов в секунду1;
WS-2300
Изменение относительных координат, скорости и направления движения судна с использованием приемников GPS c точностью до ± 1 м с интервалом 1 с;
Автоматическая метеостанция с цифровым выходом на ЭВМ обеспечивала ежеминутные записи скорости ветра с точностью ±0,1 м/с, его направления ±2 румба; давление атмосферы ±0,1 мб и др.
Бортовой навигационный или гидрографический эхолот с цифровым выходом, если таковой имелся на судне, обеспечивал регистрацию глубины моря с частотой от 2-3 до 0,5 отсч/с., в зависимости от глубины под килем судна.
Для сопоставления измеренных данных с реальным состоянием моря регулярно проводились визуальные наблюдения за параметрами морского волнения и зыби с периодичностью от 1 до 4 часов и только в дневное время. В экспедиции 2006 года также был собран полный комплект гидрометеорологических карт с приземным анализом и суточным прогнозом полей ветра и волнения по северо-западной части Тихого океана и Охотскому морю. За этот же срок позже поступили карты поверхностных течений и колебаний уровня моря по данным дистанционного мониторинга поверхности океана системы «Топекс-Посейдон», собранные сотрудниками кафедры океанологии Санкт-Петербургского университета.
В результате были собраны экспедиционные материалы, вполне достаточные для обоснованного анализа состояния моря; для изучения процессов взаимодействия корабля, океана и атмосферы, необходимые для поиска вариантов оптимального управления судном и обеспечения безопасного плавания в условиях интенсивного волнения, а также для поверки вычислительных экспериментов по моделированию длинноволновой динамики уровня моря с целью разработки прогноза опасных морских явлений в мелководных шельфовых акваториях.
Включение в непрерывное использование вышеперечисленных данных и анализ этой информации может позволить оперативно решать широкий круг навигационных и гидрофизических задач:
а) автоматический сбор, обработка и передача оперативной информации о состоянии моря и атмосферы по телеметрическим каналам связи на береговые центры, в соответствии с регламентом работы судовых гидрометеопостов;
б) применение измерительного комплекса и оборудования связи с береговыми метеоцентрами в качестве автоматизированной экспертной системы для анализа режимов безаварийного плавания и оптимизации хода судна в условиях штормового волнения;
в) автоматизированная подготовка начальных и граничных условий для проведения специализированных и адаптированных к конкретным акваториям вычислительных экспериментов по моделированию процессов взаимодействия атмосферы и океана, в том числе для прогноза развития опасных морских явлений;
г) анализ волнового режима вблизи морских портов и на удаленных морских акваториях с использованием сети прибрежных гидрофизических станций, сочетаемых с параллельными наблюдениями с борта морских судов, проходящих вблизи контролируемого побережья.
Первые три задачи могут со временем утверждаться Росгидрометом к регламентному использованию на прибрежных и судовых гидрометеостанциях. Последняя задача может эффективно применяться в гидрографических изысканиях при проектировании новых портов, при подготовке к проведению дноуглубительных работ и реконструкции морских портов и гаваней. Для морских научных исследований оптимально было бы применять опытные образцы усовершенствованных гидрометеостанций, что позволит испытать новое оборудование в реальных морских условиях, и создаст условия для более частого использования в научных изысканиях современнейшей техники, в том числе с целью изучения необычных морских явлений.
Групповая структура трохоидальных волн и зыби в открытом море
В практическом судовождении традиционно используются модели волнения, которые представляются в виде наложения нескольких независимых систем волн: 1) ветровое волнение совпадает с направлением действия ветра, а высота волн может быть предельно большой; 2) две-три системы волн зыби, являющихся отголосками ранее прошедших или отдаленных штормов, при этом длина волн зыби обычно существенно больше, чем у ветровых, а крутизна – меньше.
Геометрическая форма гравитационных волн на глубокой воде, в соответствии с теорией Герстнера, может быть оценена с помощью параметрического определения движущихся по циклоидам с переменным радиусом частиц жидкости:
(1)
где: xW, zW – расчетные аппликата и абсцисса частиц жидкости, включившихся в волновое движение из положения покоя с изначальными координатами x, z;a – коэффициент амплитуды, относительно теоретического максимума: A = a·1,134·/(4). Область определения аргументов а и х ограничена: 0
Библиографическая ссылка
Храмушин В.Н. Навигационный комплекс контроля состояния моря,атмосферы и мореходности корабля
// Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/6316 (дата обращения: 28.04.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF
ДК-1А
НMR-3300
WS-2300
(1)