海警高专船艇操纵与避碰讲义

1第一章船、桨、舵的工作原理1.1船艇运动时的水作用力1.1.1水动力合力船艇运动时，将受到各运动方向上水的作用力。将这些力合成得到水动力合力R0。通常R0为空间矢量，如图1—1所示，其作用点O称为水动力合力作用点，简称水动力作用根据力平移原理，在船艇重心G处引入与R0平行、等值且方向相反的一对力R0'和R0''。将R0''投影到船艇附近的坐标系中，则得到Rx、Ry、Rz。水动力合力R0对船艇状态的影响如下：1.力偶R0、R0'对x轴的力矩使船艇绕x轴转动，当与横倾复原力矩平衡时，船艇便保持固定的横倾。RORORGRZRGRZOGRXOGO图1—1船艇运动时作用于艇体的水动力2.力偶R0、R0'对y轴的力矩使船艇绕y轴转动，当与纵倾复原力矩平衡时，船艇便保持固定的纵倾。3.力偶R0、R0'对z轴的力矩使船艇绕z轴转动，船艇偏离原航向。4.分力Rx与运动方向相反，当舰艇作匀速直线运动时，Rx为阻力；当船艇作变速直线运动时，Rx由水阻力和惯性力组成。5.分力Ry使船艇产生横移运动。6.分力Rz与运动方向垂直，称为动浮力，它与静浮力之和等于船艇的重量。由于船艇操纵运动主要是考虑平面运动情况，一般不考虑Rz，把空间矢量R0视为平面矢量RG。因此，通常水动力合力是指RG力。RG1.1.2船艇匀速运动时水的作用力船艇作匀速直线运动时，使附近的水质点获得加速度，而在艇体微湿面积dS上受到微水动力ΔRG，ΔRG可分解为法向压力ΔRP和切向应力ΔRτ(如图1—2)，作用在整个艇体湿表面由Rx和Ry合成，当船艇没有横移运动时，dsGPdsPG图1—2作用于微面积上水动力的分解2积上的切向应力的合力称为摩擦阻力Rf，法向压力的合力称为压差阻力Rr(又称剩余阻一、摩擦阻力船艇运动时，由于水的粘度，产生紧贴艇体运动、具有一定厚度的摩擦伴流，其速度由紧贴艇体为零逐渐向外增大，直到边界层与来流速度一致，则边界层内形成速度梯度。由于速度梯度的存在，船艇受到作用力中沿运动方向的分力，这就是摩擦阻力。影响摩擦阻力的因素有：航速、艇体湿表面积、艇体表面的光洁程度、流体密度和粘性。表面光洁艇体的摩擦阻力Rf可按下式估算：式中：式中：ρw---水的密度，kg/m；Cf---摩擦阻力系数，CfS---艇体湿表面积，m2,St---水温，℃;L---船长，m；V---船速，m/s；▽---排水量，m3。在低速时，摩擦阻力占总阻力的70%～80%，是总阻力的主要成份。二、涡流阻力由于水流具有粘性，造成艇体曲度骤变处(如艇尾部)常产生涡流；而涡流处的水压力下降，改变了沿艇体表面的压力分布情况，导致船艇首尾形成压力差而产生的阻力，称为涡流阻力Re可用下式表示：式中：Ce为涡流阻力系数。涡流阻力大小与流体水质点在船后部的速度变化，即速度梯度有很大关系。船艇中横剖面之后尾部急剧收缩，涡流阻力大。对于航速、湿表面积相同的船艇来说，粘压阻力的大小取决于艇型。长宽比大、艇体后半部分狭长的船艇，边界层较薄，涡流区不大，粘压阻力小。公边船艇水下部分呈流线型，因此，涡流阻力在总阻力中所占百分比较小。三、兴波阻力船艇在水中运动，艇体周围的水形成兴波。由于兴波产生，改变了艇体周围的压力分布情况，出现艇首高波峰，压力增加；船中波谷、艇尾低波峰压力降低，形成了首尾压力差，如图1—3所示。由兴波引起的压力分布改变所产?Ol图1—3兴波改变艇体压力分布3生的阻力称为兴波阻力。兴波阻力Rw可用下式表述：由此可见，Rw与船速的6次方成正比。因此，随着船速的增高，Rw将急剧增大。四、总阻力分析上面分析了艇体阻力，即基本阻力。另外，还有附加阻力ΔR，它包括污底阻力ΔRf，附体阻力ΔRa，空气阻力AX，汹涛阻力ΔRr，浅水附加阻力ΔRs。因此，船艇总阻力组成如摩擦阻力涡流阻力摩擦阻力、涡流阻力、兴波阻力都随航速增大而增大，但增长的快慢是各异的，摩擦阻力涡流阻力压差阻力{兴波阻力裸艇体阻力静水阻力船艇阻力附体阻力水阻力污底阻力附加阻力基本阻力压差阻力{兴波阻力裸艇体阻力静水阻力船艇阻力附体阻力水阻力污底阻力附加阻力基本阻力汹涛阻力空气阻力在不同的航速下各力在总阻力中所占的比例也不同，如表1—1所示。表1—1船艇阻力中各种阻力所占比例<0.20.2～0.40.4～0.6各种阻力百分比RfReRw船艇作匀速直线运动受到水作用力主要是裸艇体阻力。船艇设计主要考虑的是前进状态，因此，船艇用相同速度前进或后退，后退时的阻力大于前进时的阻力。41.1.3*船艇变速运动时水的作用力船艇变速运动包括加速运动和减速运动。我们以加速运动为例来说明船艇变速运动时的水的作用力。船艇变速运动时，除水阻力RX之外，还受到惯性力作用。后者的产生是由于船艇在水中作加速运动时，除克服艇体惯性外，还带动其周围一部分水作加速运动，这一部分可视为艇体增加了部分质量。船艇在水中加速运动受到的惯性力为：式中：m为艇体质量，m则为艇体质量惯性力；m'为附加质量，m为惯性水动力。惯性水动力具有方向性，艇体横向运动的附加质量就比纵向运动的附加质量大得多。由于艇体开始回转运动时存在角加速度，因此船艇会受到惯性力矩MJ的作用：J---艇体回转惯量；ΔJ--附加水回转惯量。如果不考虑外界因素，舰艇所受的惯性水动力、惯性水动力矩的大小，主要取决于舰艇排水量、艇体线型、浮态和船艇运动状态。1.2螺旋桨的工作原理推进器是指把主机发出的功率转换为推船运动功率的专用装置或系统。推进器种类很多，有明轮、平旋推进器、Z型推进器、喷水推进器、超导推进系统和螺旋桨等。目前船艇应用最为广泛的推进器是螺旋桨。1.2.1螺旋桨概述一、螺旋桨的结构螺旋桨安装在艇尾水下部分，通过尾轴与1.叶背：船艇前进时产生吸力的面，通常为朝艇首方面的一面。2.叶面：船艇前进时产生压力的面，通常为朝艇尾方面的一面。3.叶梢：距轴线最远的桨叶端部。4.螺旋桨半径：叶梢至螺旋桨轴线间的垂55.螺旋桨盘面：以螺旋桨中点为圆心，螺旋桨半径所构成的圆面。6.螺距：螺旋桨绕轴旋转一圈，沿轴向前进的几何距离。7.螺距P与螺旋桨直径D之比称螺距比。一般负荷大、速度慢的船，螺距比小；负荷小、速度快的船螺距比大。二、螺旋桨的配置螺旋桨根据其工作时旋转方向的不同，可分为左旋螺旋桨和右旋螺旋桨两种。由艇尾向前看，螺旋桨推艇前进时，其桨叶为顺时针旋向的称为右旋螺旋桨；反时针旋向的称为左旋螺旋桨。若将螺旋桨置于地面，右旋桨的叶片向右上方倾斜；左旋桨的叶片向左上方船艇的类型、性能和主机数量不同，螺旋桨安装的数量也不一样。不同数量螺旋桨船图1—5螺旋桨和舵的配置1.单车船艇。只有一个螺旋桨，安装在艇尾水下部分龙骨线上，多数采用右旋螺旋桨。2.双车船艇。有两个螺旋桨，对称地安装在艇尾水下部分中央龙骨两侧。双桨船的螺旋桨按其旋转方向，可分为外旋式和内旋式两种，如图1—6所示。外旋式两桨正转时，左舷螺旋桨左转，右舷螺旋桨右转；反之为内旋式。一般固定螺距的双车船采用外旋式，可调螺距的双桨船采用内旋式。图1—6外旋式和内旋式螺旋桨3.三车船艇。有三个螺旋桨，中间的螺旋桨与单车船艇安装位置相同，两舷两个安装在龙骨两侧，其位置较中间螺旋桨稍前一些。4.四车船艇。海警部队装备的218、318型艇有四个螺旋桨，其配置方法与双车船艇基本相同，内侧两个螺旋桨较外侧两个的位置稍靠后一些。三、螺旋桨工作时产生的水流船艇运动、螺旋桨工作时产生的水流如图1—7所示。1.顶流——是由于船艇运动而产生的，与船艇作相对运动的水流。前进时顶流流向艇6尾方向，摆舵时它作用于舵叶的前面(朝艇首的一面)；船艇后退时顶流流向艇首方向，摆舵时作用于舵叶的背面(朝艇尾的一面)。顶流的大小与航速有关，航速大，顶流大，航速小，顶流小。图1—7螺旋桨工作时的水流2.排出流——螺旋桨转动时所排出的螺旋状水流。其特点是：范围较窄，流速较快，流线具有螺旋性，且旋转激烈。螺旋桨进车转动时，排出流向艇尾方向，如果摆舵，它便作用于舵叶的背面；倒车时，排出流被排向艇首方向，打不到舵叶上。排出流的大小随轮转速而变。转速越高排出流越大，螺旋桨停止转动时，便没有排出流。图1—7螺旋桨工作时的水流3.吸入流——螺旋桨排水时，在桨叶的另一面产生空隙，从周围流来填补空隙的水流，称为吸入流。其特点是：范围较宽，流速较慢，流线几乎相互平行。螺旋桨进车转动时，吸入流在螺旋桨之前，方向是从艇首流向艇尾，和排出流一起作用到舵叶上；倒车时它位于螺旋桨之后，从艇尾流向艇首，当摆舵时，便作用于舵叶的背面。吸入流的大小与轮转速密切相关，转速高，吸入流大；转速低，吸入流小；转速为零时无吸入流。4.伴流——船艇前进时，艇体周围有一股水流也随船艇前进，这股水流即称为伴流。伴流主要由摩擦伴流和势伴流组成。在船艇前进时，其大小与厚度从艇首到艇尾逐渐扩大，艇首处为零，最大值位于艇尾附近；船艇后退时，则艇尾处为零，最大值位于艇首附近。1.2.2螺旋桨的工作原理一、螺旋桨的推力和转矩在主机的驱动处，螺旋桨正车旋转时推水向后，而被推动的水给桨叶一个反作用力，这个反作用力在艇首方向的分量就是推船前进的推力；倒车时则水对桨叶产生一个指向艇尾的反作用力，称为倒车推力或拉力。下面通过分析螺旋桨工作时一个桨叶切面的受力情况来说明产生螺旋桨推力和转矩的基本原理。图1—8所示为一距离螺旋桨轴心半径为r处的叶切面。在船艇航行时，叶切面一方面跟随船艇作前进运动，另一方面又作旋转运动。若螺旋桨进速为VP，转速为n，则叶切面相对于水的运动速度ur就是进速VP与旋转切线速度2πnr的矢量合成。uurdP图1—8螺旋桨的工作原理7根据流体力学知识，当叶切面以速度ur、冲角α与水流作相对运动时，将会产生与水流相对运动方向垂直的微升力dL和平行于水流相对运动方向的微阻力dD。dL和dD的大小与u成正比；此外，还与冲角α有关。在一定范围内，冲角α越大，dL和dD值越dL和dD的矢量和为叶切面的微水动力dP。将dP分解为沿螺旋桨轴向上的微推力dT和垂直于轴向的微旋转阻力dQ(相应的微阻矩dMQ=dQ.r)。对dT和dQ沿螺旋桨半径r积分，得到一个桨叶的推力和旋转阻力。综合每个桨叶的影响，即得到整个螺旋桨的推力T和旋转阻力Q(相应的螺旋桨旋转阻力矩MQ)。对于整个螺旋桨工作情况而言，由于安装在毂上各桨叶的推力方向相同，各桨叶推力合力就是整个螺旋桨的推力。但每个桨叶上的阻力大小和方向是不同的，其水平分力的合力是造成螺旋桨侧力的因素之一，使船艇产生偏转。由于旋转阻力产生相应的旋转阻力矩，因此，欲使螺旋桨产生推力，必须消耗主机功率以克服旋转阻力矩。显然，T和Q的大小决定于水流的速度及冲角的大小。通常螺旋桨转速越高、航速越低，T和Q越大。所以，船艇在静止中如以较高转速进车，由于冲角很大，虽然可以产生较大的推力，但旋转阻力矩也随之急增，对主机工作不利。二、滑失和滑失比如果螺旋桨不是在水中运动，而是像螺杆在螺母中运动一样，那么旋转一周后，它在轴线方向上移动的距离hP等于它的螺距P。但因为螺旋桨是在水中工作的，所以常会发生滑失现象，即螺旋桨旋转一周后前进的距离hP较螺距P小。同样，当螺旋桨转速为n，则其前进速度VP比理论上应能前进的速度nP小。螺旋桨旋转一周在轴向所前进的实际距离hP称为进程，hP。螺距P与进程hP之差称为滑失S，S=P−hP。滑失S与螺距P之比为滑失比Sr，Sr。如果用船速VS代替VP，则成为虚滑失S'和虚滑失比S，S滑失比Sr值与船艇运动状态、桨的转速与方向有密切关系。如果船艇前进时，螺旋桨正转，或船艇后退时，螺旋桨反转，Sr＜1；如果船艇进(退)速度越低，而螺旋桨正(反)转的转速又很高，使VP/nP值很小，则Sr→1；如果船艇前进，螺旋桨反转，或船艇后退，螺旋桨正转，Sr＞1；如果船艇进(退)速度越高，而螺旋桨反(正)转的转速越高，则Sr1。当船艇速度、伴流速度与桨的进速为零时，Sr=1。力取决于螺旋桨的滑失比Sr。当VP=nP时，Sr=0，则在该转速n时螺旋桨产生推力趋于零。而当Sr越高，螺旋桨产生的推VwVnPVSnPVS8匀速前进船艇具有VP=VS−VW的关系，则Sr>S；但船艇后退中或船速极低时，螺旋桨正转或反转，由于VW≈0(艇尾处)，则Sr≈S。1.2.3单螺旋桨船艇的致偏效应螺旋桨工作时，主要为船艇提供推力或拉力，但螺旋桨转动时，即使操正舵，艇首也会出现向左或向右的偏转现象，这就是螺旋桨的致偏作用。这是由于桨叶所受的作用力、螺旋桨流对艇体以及舵叶的作用力左右不对称等原因而产生横向力的结果。下面以右旋螺旋桨为例，分析螺旋桨的致偏作用。一、沉深横向力沉深横向力又称侧压力、侧推力或水面效应横向力。螺旋桨盘面中心距水面的垂直距离为螺旋桨的沉深h，它与螺旋桨直径之比h/D称为沉深比。实验表明，即使桨叶不露出水面，当h/D<0.65～0.75时，由于螺旋桨在其旋转过程中会出现空气吸入和产生空泡现象，将使其推力和转距下降，并出现上部桨叶所受的阻力较下部桨叶为小的现象，如图1—10所示。上下螺旋桨阻力的差值，构成了沉深横向力。右旋单车船进车时，该作用力推尾向右，使艇首向左偏转；倒车时使艇首向沉深横向力随着沉深比的减小明显增大。此外，沉深横向力在船艇起动或低速过程中加速时影响明二、伴流横向力船艇前进时，艇尾螺旋桨盘面处的伴流速度分布具有左右对称、上大下小的特点，如图1—11所示。因此，螺旋桨工作时，受伴流的影响，上部桨叶比下部桨叶进速较低，冲角较大，旋转阻力则增大。这种因伴流的影响而出现的上下桨叶的旋转阻力之差而构成的横向力称为伴流横向力。右旋单车船，前进中进车，伴流横向力推尾向图1—10螺旋桨的沉深横向力0.6WL0.70.6WL·i'"-'、-"'、-"一i,0.2i.'r0.1图1—11进车伴流横向力左，使艇首向右偏转。但总体而言，这种偏转不明显。船艇静止和后退时，艇尾处不存在伴流，所以没有该横向力。三、排出流横向力船艇正车前进时，如图1—12a所示，舵叶左上部与右下部分别受到排出流的有力冲击。如无伴流影响，则舵叶左右两侧所受排出流水动力相等，不存在排出流横向力。但若存在伴流时，由于伴流上大下小并与排出流反向，致使右下部排出流的冲角明显大于左上部，使右侧的水动力高于左侧，因此，舵叶两侧水动力产生差异，构成排出流横向力。9右旋单车船艇前进中进车，该力推尾向左，使艇首右偏，而且船速越高，伴流越大，该力越大。船艇后退中进车，舵叶处伴流极弱，该力可忽略不计。船艇进速较低或静止中或后退中倒车，如为艇尾线型上肥下瘦，所以打在艇尾右上方的排出流对艇体的冲角和作用面积均大于艇尾左下部，因此使艇首向右偏转。正舵艇尾外壳板a进车排出流横向力b倒车排出流横向力图1—12右旋式螺旋桨的排出流横向力倒车后退中，沉深横向力和排出流横向力方向一致，使艇首出现明显向右偏转，有时用舵也难以克服。表1—2右旋式单螺旋桨船的致偏影响运动状态影响效应静止中进车前进中进车静止中倒车后退中倒车沉深横向力艇首左偏艇首左偏艇首右偏排出流横向力艇首右偏艇首右偏艇首右偏伴流横向力——艇首右偏——综合影响艇首微左偏(或艇尾微右偏)艇首右偏艇首剧烈右偏(或尾剧烈左偏)1.2.4双车船艇的运动特点一、双车船艇的致偏作用为了充分发挥螺旋桨横向力在操纵中的效用，有助于船艇旋回，双车船艇通常采用外旋式配置。下面以外旋式配置为例说明双车船艇螺旋桨的致偏作用。1.当双车船艇的两车以同样转速同时进车或倒车时，左、右两舷的螺旋桨所产生的横向力互相抵消，船艇基本不发生偏转。2.当双车船艇两车的转速或旋转方向不同时(称为分车)，一方面由于两车推力大小、方向不同，形成转船力矩MT，如图1—13所示。MT=ΔT.ΔdΔT——两螺旋桨推力的代数和，转动方向MT图1—13分车操纵时的力矩排出流横向力排出流横向力一致时相减，转动方向相反时相加；Δd——螺旋桨轴线与船艇首尾线的距离。另一方面，两个螺旋桨的综合致偏作用方向也与上述转船力矩方向一致，有助于操纵。如当船艇右转时，采用左进右退，一方面，进车与倒车产生的推力和拉力构成转船力矩使艇首右转；另一方面，两螺旋桨的沉深横向力、左车吸入流的减压作用、右车排出流的增压作用(相当于倒车排出流横向力)三者共同作用使艇首右转，如图1—14所示。几乎可以使船艇在原地掉头。边防船艇由于排水量小，错车操纵(即一舷正车、一舷倒车且推力相等)时对艇体及装备有一定影响，所以旋回时一般不采用错车。推力拉力推力吸入流减压排出流横向力吸入流减压沉深横向力图1—14双车船艇的致偏作用二、双螺旋桨船艇的操纵特点1.由于左右舷螺旋桨的旋向相反，两个螺旋桨所产生的偏向力互相抵消，因此正车前进和倒车后退都不发生偏向。2.两个螺旋桨中损坏一个仍可继续航行，并且能保持2/3的航速。3.舵损坏甚至被卡住(舵角不大)时，调节左右主机的转速仍可能保持预定航向和转向。4.旋回性能好。用舵旋回时，左右旋回直径相等；而调整左右车的转速，可以改变回转力矩，调整旋回直径。1.3舵的工作原理舵是用来承受水作用力以产生船艇转动力矩的装置，它是操纵船艇的重要设备。船艇航行中保持或改变航向，主要通过舵来实现的。在船艇各种运动状态、主机不同工况的情况下，舵设备应具备轻便、灵活、准确和可靠的性能。1.3.1舵力产生船艇正舵航行时，舵叶两侧的流速对称相等，不产生舵压力。当摆过一个舵角后，如图1—15，在舵叶周围，除有平行流外，还存在附加环流。在舵叶迎流面，平行流和附加环流两者间的流向相反，使流速下降，压力增大，图中用(＋)表示；而在舵叶背流面，两者流向相同，使流速提高，压力减小，图中用(－)表示，而且舵叶背流面的压力下降比舵叶迎流面压力升高的绝对值大。这样，在舵叶两侧产生压力差，形成一个垂直于水流方向的舵升力PL和一个平行于水流方向的舵阻力PD，这两个力的合力为舵的水动力，即舵力P。舵力P可分解为垂直于舵叶剖面弦线的分力PN和平行于舵叶剖面弦线的分力PT。分力PN为舵压力，分力为PT舵叶表面的摩擦力。若不考虑水粘性的影响，舵力P与舵压力PN舵压力PN的大小受舵的面积、形状、展弦比、剖面形状、舵角和舵叶对水相对速度(舵速)的影响，可用下式进行估算：ρw——水的密度，kgm3；CN——舵压力系数，由舵角δ和舵叶形状决定；AR——浸水舵叶面积，m2；vR——舵速，m/s。二、舵压力转船力矩1.航行时舵压力转船力矩航行中的船艇操舵后，舵叶将产生舵压力PN，其支点是船艇重心G，如图1—16所示。由PN产生的转船力矩称为舵压力转船力矩，用MP表示。L——船长，m；δ——舵角。ll图1—16舵的转船力矩图/lG/l/lG/lN系泊时舵压力转船力矩2.系泊时舵压力转船力矩船艇系泊时，船速为零，但对螺旋桨后的舵，当螺旋桨正转时产生尾流作用在舵叶上，将产生舵压力PN。而系泊时舵压力转船力矩MP的计算则要根据具体情况确定支点。如果船艇利用首倒缆进车甩尾离泊，如图1—17所示，则支点位于艇首，此时MP为：MP=PN.L.cosδ三、影响舵力、转船力矩的因素1.与舵角的大小成正比在一定范围内，舵力随着舵角的增大而增大。但在前面我们讲过攻角存在临界攻角，当攻角超过临界攻角时，在舵叶背面的水流流线被破坏形成涡流，使背面压力骤降，阻力急增，使有效舵力和转船力矩下降。因此，我们把临界攻角时对应的舵角称为极限舵角。2.与舵面积的大小成正比舵的面积越大，舵力也就越大，舵的转船力矩也就越大。为提高舵效，可适当增大舵面积。但是，舵面积越大，要求转舵机构的功率也越大。为解决这一矛盾，可采用多舵配3.与作用在舵面上的水流流速平方成正比作用在舵面上的水流流速是由航速、伴流流速和螺旋桨排出流流速三部分组成的。作用在舵面上的水流流速越大，舵力也越大。因此，快车前进中，舵效较好，慢车前进中，舵效较差，慢车停车后，舵效更差。1.3.2船艇不同运动状态下舵的作用要正确用舵，必须掌握船艇不同运动状态下摆舵后流经舵叶的水流情况。为了便于分析，对流经舵叶的水流按其形成原因进行分解，把船艇不同运动状态下摆舵后舵叶受力，看成是螺旋桨排出流、吸入流、艇体运动所产生的顶流的不同组合的结果。至于伴流，它和顶流同时产生，其作用仅相当于削弱顶流，所以就不专门讨论了。一、正车前进时如图1—18所示，船艇在正车前进运动中摆舵，流经舵叶的水流有：螺旋桨正车的排出流，由船艇前进运动产生的顶流。两者方向一致，都是由前向后。因此，舵叶上水PVTVM顶流排出流M图1—18正车前进摆舵后艇首转动方向使艇首向摆舵舷转动。螺旋桨的排出流流速很高。一般说来，螺旋桨转速越高，排出流流速越大。前进中摆舵，由于排出流速度和顶流速度都较高，所以舵力大，舵效好。二、倒车后退时流经舵叶的水流有：船艇后退引起的顶流，螺旋桨倒车的吸入流。倒车时螺旋桨的排出流流向艇体，对舵不起作用。由于顶流和吸入流都是从艇尾流向艇首方向，因此舵力从后向前作用于舵叶，使艇尾向摆舵舷转动。TV吸入流顶流TV图1—19倒车后退时摆舵艇尾转动方向与前进的舵效比较，在同样舵角、轮转速条件下，后退的舵效要低得多。三、换车过程中舵的作用船艇由正车(倒车)中停车改为倒车(正车)称为换车。换车后船艇仍沿惯性前进(后退)，直至倒(正)车推力克服惯性，艇才静止，继之才后退(前进)。我们把从下令停车至船艇停止前进(后退)的过程，称为换车过程。1.前进中换车在正车前进中换车，如果摆舵，舵上受到的水流作用如下：船艇沿前进惯性引起的顶流，螺旋桨倒车产生的吸入流。顶流的方向与吸入流的方向相反，在刚倒车时船艇惯性大，顶流流速大于吸入流流速，因此，舵力从前向后作用于舵叶，艇首向摆舵舷转动。随着惯性逐渐减弱，顶流流速逐渐降低，船艇转动逐渐变缓，当船艇后退时，吸入流和顶流均从后向前作用于舵叶后面，艇首缓慢向摆舵相反一舷回转，如图1—20所示。一般说来，在前进换车的过程中，作用在舵上的顶流大于吸入流，且方向相反，因此互相抵消一部分，所以舵效差。2.后退中换车船艇后退中停车，并立即开进车和摆舵，在船艇仍按惯性后退过程中，流经舵上的水流有：螺旋桨进车产生的排出流，船艇惯性后退中产生的顶流。一般情况下，排出流流速比后退顶流流速要大得多，因此，舵力从前向后作用于舵叶，艇首向摆舵舷转动。这时排出流虽然被削弱一部分，但由于后退惯性一般不大，而排出流又很强，因此舵效高。当船艇开始前进时，排出流和顶流方向相同，故从前向后作用于舵叶，艇首加速向摆舵舷转动。顶流吸入流\y吸入流\\、P顶流\、P顶流吸入流22图1—20前进中换车舵的作用P2排出流1顶流P排出流排出流1P排出流P顶流3图1—21后退中换车舵的作用一、舵效概念船艇在各种不同的运动状态下，用舵设备操纵船艇所表现的综合效果称为舵效，包括正舵的稳向性、小舵角的保向性、一般舵角的改向性和大舵角的旋回性等。无论哪个方面，都反映了舵对船艇航向即艇首向的控制能力。通常，对改向性来说，舵效是指当操一舵角后，船艇因之回转某一角度所需的时间和纵、横距。船艇操舵后能在较短的时间和纵、横距内完成较大的改向角，则认为该船的舵效好；反之则较差。二、影响舵效的因素1.舵角。在极限舵角范围内，舵角越大，舵压力就越大，因而舵效也应越好。2.舵面积系数。舵面积系数大，舵效好；舵面积系数小，舵效差。3.舵速。舵压力与舵速平方成正比。由螺旋桨先停转或慢转，然后加大转速，能增大螺旋桨尾流中的轴向诱导速度，使舵速增加，提高舵效。4.舵性。舵性是指操舵设备操纵船艇时，舵设备的轻便、灵活、准确、可靠的性能。操舵所需时间越短，舵效越好。从实际使用来看，电动液压舵机性能好，舵来得快，回得也快；而电动舵机来得快，回得慢，不易稳舵。5.艇体水下侧面积。艇首水下侧面积分布多或首倾，舵效就差；而艇尾水下侧面积分布多，或适量尾倾，舵效变好。6.吃水。船艇满载时的舵效较轻载时差。7.横倾。船艇低速时，向低舷侧转向舵效好；高速航行时，向高舷侧转船舵效好。8.风、流、污底及浅水。风中航行，满载舵效比轻载好；流中航行，逆流舵效比顺流好，常流舵效比乱流好；船艇污底严重舵效变差；浅水中航行，舵效较深水中差。9.舵效与螺旋桨正转进航、反转倒航有关。螺旋桨正转且船艇进航时舵效好；螺旋桨反转且船艇倒航时舵效差。1.船艇运动时的总阻力主要包括哪些？其大小各与哪些因素有关？2.根据工作时旋转方向，螺旋桨可分为几种？如何进行辨别？3.简述螺旋桨产生推力和阻力的原理。推力和阻力的大小与哪些因素有关？4.船艇在码头试车时为什么只能用低速？用螺旋桨的工作原理加以说明。5.简要分析右(左)旋式螺旋桨的单车船艇的致偏效应。6.双(四)车船艇的操纵特点有哪些？7.影响舵力大小的因素有哪些？8.简要分析船艇在正车前进、倒车后退和换车过程中舵的作用，并画图示例。9.什么叫舵效？其影响因素有哪些？第二章船艇操纵性能船艇操纵性是指船、桨、舵等在水中运动所产生的水动力，使船艇保持或改变其运动状态(船速、航向和位置)的性能，或者说船艇对驾驶人员实施操纵的响应能力。船艇操纵性能可分为固有操纵性和控制操纵性两种。固有操纵性是指船艇不考虑外界环境条件、操舵装置性能、驾驶人员的技术水平等的差异所表现的自身固有的操纵性。控制操纵性则是考虑了上述因素的船艇，在具体操船环境下实操时所表现的操纵性。一般所指的船艇操纵性是狭义的固有操纵性，包括船艇追随性、定常回转性和航向稳定性。广义的船艇固有操纵性能则包括船艇控速性能，2.1船艇启动、制动性能2.1.1船艇启动性能船艇在静止状态中开动主机，使船艇达到与主机功率相应的速度所需的时间和航行距离的性能称为启动性能，如图2—1所示。图2—1船艇的启动性能船艇从静止状态开正车时，推力的增加较快，在短时间内就能达到规定的定值T0，而船速增加较为缓慢，必须经过一段时间t0才能增加到适应推力的速度V0。由于作用艇体的阻力随速度一起增加，所以，当经过时间艇的航行距离也随速度一起增大，当达到t0时，船艇航行距离为S0，并以V0作匀速运动。图2—1船艇的启动性能2.1.2船艇制动性能船艇的制动性能是指船艇在某船速下，主机停车或倒车后，船艇对主机工况反应的能力。一般用船艇冲程和冲时来衡量。一、停车冲程、冲时船艇在各种速度情况下，停车至船艇速度为零所需滑行的距离Ss为停车冲程，滑行过程所需的时间ts为停车冲时。二、倒车冲程、冲时为了紧急避开前方障碍物，避免船艇触礁或与他船碰撞，单靠停车是不够的，积极的措施是用倒车给予相反的推力，使船艇尽快停住。这种用倒车使船停下来的惯性称为倒车惯性。在各种速度下倒车至船艇完全停住所需滑行的距离为倒车冲程，又称紧急停船距离或最短停船距离；滑行全过程所需时间为倒车冲时，又称紧急停船时间。船艇紧急停船中，使船艇作减速运动的是船艇阻力和螺旋桨产生拉力，此时，航速和时间的关系曲线接近直线，如图2—2所示。三、影响船艇冲程的因素船艇的惯性冲程包括停车冲程和倒车冲程，它们一般受下列因素影响：1.排水量。在船速一定时，排水量越大，冲程就越大。通常冲程约与排水量的立方根成正比，压载时的冲程约为满载时3.主机倒车功率及类型。主机倒车功图2—2减速运动中航速与时间的关系率大，倒车冲程就小。4.推进器类型。调距螺旋桨与定距螺旋桨相比，换向操作时间短，它在调整螺距的同时，即可发出较大的倒车拉力。因此，调距桨船的最短停船距离较短，大约为定距桨船的5.艇型系数。艇型系数与船艇阻力有密切关系，其中方型系数影响较大。越大，最短停船距离就越大。6.外界因素。顺风流时冲程增大，反之减小；浅水域中船艇冲程较深水中小；艇体污底严重，船艇阻力增加，冲程相应减小。2.1.3停船性能上述在讨论船艇制动性能时，没有考虑船艇因制动而产生的偏航因素。船艇停船性能是指在额定艇速下，经制动操纵后，可在允许偏航范围内迅速停船的性能。衡量停船性能的指标除艇用冲程外，还有制动纵距、制动横距和制动偏航角等。如图2—3所示。一、制动纵距FL在全速前进时发出全速倒车令至船艇对水停止移动时，船艇重心位置在原航向上的纵二、制动横距FT在全速前进时发出全速倒车令至船艇对水停止移动时，船艇重心位置沿垂直于原航向上横向移动FT三、制动偏航角FT全速前进中发出全速倒车令至船艇对水停止移动时，艇首向一舷偏转的角度。压载时，停船需时FLFL航角大。排水量越大，制动偏航角就越大。倒车制图2—3船艇的停船性能动时，右旋单桨船艇首向右转；双螺旋桨倒车时，则无偏转现象。紧急制动效果的好坏直接关系到船艇安全，不同环境、不同条件下应采用不同的制动方法，方能取得好的效果。表2—1各种制动方法的适用范围制动方法制动类型有效速度域可使用的操纵环境倒车制动提高拉力型任意速度全部水域大舵角回转制动增加阻力型较宽水域，减速快拖锚制动港内操纵之字形航行制动混合型紧急停船，减速快(较宽水域)2.2航向稳定性与保向性2.2.1航向稳定性所谓航向稳定性，指的是船艇在受外界干扰取得转头角速度r0后，当干扰结束之后在船艇保持正舵的条件下，船艇所受的转头阻矩对艇体转头运动有何影响，因而船艇转头运动将如何变化的性质。一艘航向稳定性较好的船艇，直进航行中即使很少操舵也能较好地保向；而当操舵改向时，又能较快地应舵；转向中回正舵，还能较快地把航向稳定下来。其特点是对舵的响应运动来得快，耗时短，因而舵效比较好。根据外界干扰消除后船艇运动状态的不同可分为以下几种情况，如图2—4所示。图2—4船艇外界干扰消除后的运动状态正舵直进中的船艇，在受到风、浪、流或其他因素干扰后，船艇将偏离原来的运动状态。当干扰消失后，在保持正舵条件下，若船艇能恢复到原来的运动状态，则具有位置稳定性；若能恢复到原来的航向，则具有方向稳定性；若能在偏离原运动状态后，迅速衰减这种偏离，而较快地稳定到新的航向上，进行新的直线运动，则具有直线稳定性。当然，也可能在干扰消除后，船艇最终将进入一个回转运动，这类船艇则不具备航向稳定性。一、静航向稳定性静航向稳定性，是指当船艇因外力作用稍微偏离原航向，而重心仍沿原航线运动时，船艇斜航漂角将如何变化的性能。也就是说，外力干扰消失后，若船艇不仅最终航向与初始航向相同，而且位置也在原航向延伸线上，则称船艇具有静航向稳定性(位置稳定性)。一般船艇均不具备静航向稳定性，因为一旦发生斜航，其漂角的出现将产生使漂角继续增大的转头力矩，如图2—5所示，往往不能自行回复到原航线上，故常常表现为静航向不稳定。船艇越是首倾，艇体侧面积在艇首分布越多，其静航向稳定性就越差。原航原航0.04N(+)0.02GββCNv22wCNv22w.L.d.vCNN,G084图2—5船艇的静航向稳定性二、动航向稳定性动航向稳定性指的是当外界干扰过去之后，船艇在不用舵纠正的情况下，能尽快稳定于新航向的性能，即船艇直线稳定性。稳定于新航向较慢、惯性转头角较大的船艇，其动航向稳定性较差；稳定得较快、惯性转头角较小的船，其动航向稳定性较好；一直转头不停而偏转下去的船，则不具备动航向稳定性。一般所说的船艇航向稳定性指的就是动航向稳定性，即船艇直线运动稳定性。大多数船艇都具有直线稳定性。当然，航向稳定性差的船艇，甚至航向不稳定的船艇，为了保持航向，就需频繁操舵，且所用舵角也偏大。2.2.2船艇保向性一、船艇保向性与航向稳定性之不同船艇保向性与航向稳定性并不是同—概念。航向稳定性是具有一定初始转头角速度的船艇，仅在艇体因转头而受到的旋回阻矩作用下逐渐稳定于新航向的能力，是船艇本身固有的性能。保向性则是指船艇在外力作用下(如风、流、浪等)，由操舵水兵(或自动舵)通过罗经识别船艇首摇情况，并通过操舵抑制或纠正首摇并使船艇驶于预定航向的能力，如船艇保向性的好坏不仅与航向稳定性的好坏有关，同时取决于操舵人员的技能及熟练程度、自动舵的控制能力、舵机的响应能力，以及舵的控向能力。显然，航向稳定性越好的船艇，保向性也越好。图2—6船艇的保向性二、影响保向性的主要因素方形系数Cb较小、长宽比L/B较高的瘦削型船艇，回转时阻矩较大，航向稳定性较好，保向性较好；肥胖型船则较差。浅吃水的宽体船保向性较差。2.水线下艇体侧面积形状水线下侧面积在艇尾分布较多的船艇，如艇首较为削进、艇尾具有较大钝材的船艇，其航向稳定性较好，保向性也好；而装有球鼻首的船将使航向稳定性降低，从而也降低了3.载态载态的改变将导致水下和水上船型的改变，因而也影响到船艇保向性。对于同一艘船而言，通常轻载较满载时的航向稳定性好，保向性也好；尾倾较首倾时的保向性好。但在受强风影响时，船艇空载时的受风面积大，故保向性会下降。4.船速对于同一艘船而言，随着船速的提高，船艇的保向性将变好5.舵角随着舵角的增加，船艇的保向性将有明显改善。超大型油轮小舵角状态下有航向不稳定趋势，需用较大舵角才能保向。6.舵面积比舵面积比越大，航向稳定性越好，保向性越好。7.其他因素水深变浅、污底增加，将使航向稳定性变好，保向性提高；顺风、顺流航行将使航向稳定性变差，保向性降低。2.3船艇旋回性能2.3.1船艇旋回运动特征船艇以一定航速直线航行中，摆一定舵角后，船艇将作旋回运动。根据船艇在旋回过程中的受力特点及运动状态的不同，可将船艇旋回运动分为三个阶段。一、第一阶段——转舵阶段船艇开始转舵起至舵转到预定舵角，航向开始有明显变化之前为止，称为转舵阶段或初始旋回阶段。在该阶段，由于时间较短，船艇因运动惯性的仍保持直线前进，水动力R以及螺旋桨推力作用于首尾线上，艇体受力情况如图2—7所示。XMPPPYPYYGPTPPTPδ图2—7转舵阶段舵的作用图惯性力惯性力2—8转舵阶段艇体的横倾这一阶段船艇旋回运动有以下特征：1.船速下降。因为受舵力P的分量Px的影响，打破了原来水动力R和螺旋桨推力T之间的平衡，在船艇首尾运动方向上产生了负加速度。2.船艇重心有向操舵相反一侧横移的趋势。这是由于受舵力P的分量Py的作用。3.艇首有朝操舵一侧偏转的趋势。P、P'形成的力偶矩使船艇向摆舵一舷转动。4.船艇朝操舵一侧横倾(内倾)。由于惯性力与Py不在一个水平面上，而产生内倾力矩Mt1，如图2—8所示。二、第二阶段——过渡阶段操舵后，由于船艇出现向操舵相反一侧横移而使其运动方向发生改变，形成了漂角β。越来越明显的斜航运动将使船艇进入加速旋回阶段，同时伴有明显的降速。如图2—9所示，该阶段中，船艇的旋回角速度、横移速度和漂角均逐步增大，水动力的作用方向由第一阶段来自正前方逐渐改变为来自艇首外舷方向。由于水动力作用点较重心更靠近艇首，因而产生水动力转船力矩，方向与舵力转船力矩一致，使船艇加速旋回；与此同时，图2—9过渡阶段受力分析随着旋回角加速度的不断提高，又会产生不断增大的船艇旋回阻矩，从而使旋回角速度不断降低，角速度的增加受到限制。这一阶段船艇旋回运动有以下特征：1.艇速继续下降。其首要因素是船艇斜航时水动力的纵向分力增加；其次是舵力的纵向分力、旋回运动产生的离心力的纵向分力以及旋回中推进效率的下降。2.船艇重心由反向横移变成向操舵一舷正向横移。船艇在旋回中，随着漂角β的增大，水动力R不断增大，而舵力P却有所下降，以致R的横向分力大于P的横向分力。3.船艇出现外倾并逐渐增大。其原因是舵力横向分力Py、水动力的横向分力Ry，以及旋回中产生的离心力的横向分力Qy作用于船艇垂直方向的不同位置，构成力矩，从而使船用由初始阶段的内倾变为外倾。4.船艇加速向操舵一舷旋回。因为MP、MR方向一致，且大于回转阻矩，回转角加速度仍为正值。三、第三阶段——稳定阶段船艇作匀速圆周运动时即进入定常回转运动阶段，这一阶段称为稳定阶段，又称圆航随着旋回运动的不断发展，一方面，舵力的下降使舵力转船力矩减小，水动力的作用点随着漂角的增大不断后移，水动力转船力矩减小；另一方面，随着船艇旋回角速度的增加，由阻止船艇回转的阻力所构成的水阻力转船力矩也同时增大。如图所示，当漂角增加到一定值时，作用于艇体的诸力及其力矩达到平衡，即船艇进入定常旋回。该阶段中，艇体所受合力矩为零，角加速度为零，转头角速度达到最大并稳定于该值，船艇降速达到最大值，外倾角、横移速度也趋于稳定。这一阶段船艇旋回运动有以下特征：1.船艇以一定的漂角作匀速圆周运动。原航原航向开始操舵2.3.2旋回要素及其应用旋回圈是指船艇以固定的舵角、航速进行360°旋回时重心运动的轨迹，其形状如图2—10所示。一、旋回圈要素1.纵距Ad纵距是指开始操舵到航向转过任一角度时重心所移动的纵向距离。通常所说的纵距是指航向转过90°2.横距Tr横距是指开始操舵到航向转过任一角度时船艇重心向操舵一侧移动的横向距离。通常所说的横距是当战术直径是指开始操舵到航向转过180°时，重心所移动的横向距离。在此基础上，如再转过相当于漂角的度数，则将出现最大横距Trmax。4.旋回直径D旋回直径是指船艇作定常旋回运动时，重心轨迹圆的直径。5.反移量(偏距)Lf反移量指操舵后，船艇重心从原航向向操舵相反一侧横移的距离，又称偏距。在满舵旋回时，当船艇回转达到一个罗经点时，反移量达到最大值，约为船长的1%左右，而艇尾反移量的最大值可达船长的1/10～1/5。6.滞距Re/AF滞距是指操舵开始时的重心位置至定常旋回曲率中βG/AFGAG心的纵向距离，又称心距。PβFGAG7.漂角β船艇旋回时，船艇首尾线与首尾线上任一点的旋回切线速度方向之间的夹角，称为该点的漂角，如图2—βAβF11所示。一般所说的漂角是指船艇重心处的漂角。船艇首尾线上不同点处的漂角不相等，艇尾处漂角O最大。8.转心P由船艇旋回曲率中心O作船艇首尾线的垂线，垂足P即为转心。如图2—11所示，P点处的线速度方向与首尾线一致，故该点的漂角为零；同时由于船艇绕该点的竖轴自转，故该点的横移速度为零。一般船艇在定常旋回中，转心约在艇首柱后1/3～1/5船长处。漂角越大的船，转心距艇首柱越近。而后退中旋回的船艇，其转心位于重心之后，约与前进旋回时的转心位置对9.旋回时间t旋回360°所需的时间。它与旋回初始船速、船艇排水量有密切关系。船速越低、排水量越大，旋回所需时间越长。此外，不同船型、不同舵角旋回时间也不相同。10.旋回中的横倾角θ操舵后，船艇开始出现少量内倾，随后船艇由内倾变为外倾。在此期间由于横向摇摆惯性的原因，船艇会出现最大的外倾角θm，这是旋回的第二阶段尤其应注意的危险现象，在实际操纵中，应避免高速大舵角转向。进入定常旋回阶段后，将稳定在一定常外倾角θc。二、旋回要素在操纵中的应用(一)反移量的应用反移量，尤其是艇尾反移量，在操舵后的初始阶段达到最大值。在船艇操纵中必须注1.本船航行中发现有人落水，时，应立即向落水者一舷操满舵，使艇尾迅速摆离落水者，以免使之卷入螺旋桨。2.在距艇首较近的前方发现障碍物时，应立即操满舵使艇首让开；当估计艇首已可避开时，再操相反一舷的满舵以便让开艇尾。3.当艇首已摆出码头拟进车离泊时，如很快操大舵角进车离泊，则会因为艇尾外摆较大而触碰码头，所以应当避免打外舷大舵角，而用小舵角慢慢离开。4.船艇过弯道时，如船速快，大舵角转向，则会产生较大的艇尾反移量，因此应保持足够的船岸间距。(二)其它要素的应用安全距离图2—12船艇旋回的安全边界战术直径和进距可用来估算用舵旋回掉头所需水域的大小。值得注意的是，操纵人员在估算所需旋回水域大小时，需将艇尾偏出旋回圈外的长度考虑进去，这就要在最大纵距、最大横距的基础上，再增加约L/5的长度，否则会影响船艇的安全旋回，如图2—12安全距离图2—12船艇旋回的安全边界两船对遇时，两船进距之和可用来估算最晚施舵点，即两船距离大于或等于两船进距之和。若用舵紧急避让，则在理论上不管用右满舵还是左满舵，都能让开。然而，在实际操纵中，还应考虑操舵延迟、风流漂移、尾反移量以及安全余量等因素。2.3.3影响旋回圈大小的因素旋回圈大小主要受水下船型、船艇吃水状态、操船、外界环境等方面因素的影响。一、水线下的船型因素1.艇型系数。方形系数小的高速船(Cb≈0.6)的旋回性较肥大型(Cb≈0.8)的船差。在相同舵角情况下，前者旋回初径与船长之比几乎为后者的2倍左右。因此，Cb越大，旋回直径相对越小。2.艇体水线下侧面积形状。水线下艇首侧分布面积较大的船艇，旋回圈较小；艇尾分布面积较大的船艇，旋回圈较大。3.舵面积系数。舵面积系数越大，旋回圈就越小。但舵面积系数不宜太大，否则，在增加MP的同时，回转阻矩也增大，旋回圈反而不能减小。因此，不同的船艇有它各自的最佳舵面积系数。二、船艇吃水状态1.吃水。对同一艘船艇而言，吃水大、满载时的纵距有较大增加。2.纵倾。尾倾增大，旋回圈直径增大；首倾时，旋回圈直径将变小。3.横倾。艇体横倾时，由于左右浸水体积不等，低速时，受阻即推力矩作用，操舵向低舷侧旋回的旋回圈较小；而当高速时，受首波峰压力转船力矩的作用，向高舷侧旋回的旋回圈较小。三、操艇方面的影响1.舵角。在极限舵角的范围内，舵角增加，回转圈减小，15°舵角的旋回圈直径比满舵角时的旋回直径增加130%～170%；且舵角小于15°时，舵角增加引起旋回圈直径的减小值比舵角大于15°时旋回直径的减小值大得多。2.操舵时间。操舵时间越短，即操舵速度越快，纵距越小。根据1974年SOLAS公约规定，船艇主操舵装置应具备在船艇最大吃水和以最大营运船速前进时，将舵自一舷的35°转至另一舷的并且自任何一舷的35°转至另一舷的35°的时间应不超过28秒；一般情况下，由正舵至一舷35°为止的时3.艇速。船速除对旋回所需时间有明显影响外，对战术直径也有一定影响。0.18＜Fr＜0.3范围内的艇速对战术直径影响很小。当船速低于一定程度后(Fr<0.18)，战术直径将随艇速的降低而逐渐增大；当船速增加到Fr＞0.3时，旋回初径将增大。实际操纵中，可以通过控制增减速的时间来调整旋回圈的大小，如图2—减速回转减速回转（进三→停船）正常回转（进三）Tr加速回转Ad（停船→进三）图2—13艇速与旋回的关系四、螺旋桨转动方向对右旋式单桨船，由于前进中伴流效应横向力、排出流效应横向力均使艇首右偏，且大多能克服浅水效应横向力的作用，因此向右旋回时其旋回圈略小而向左略大。同理，左旋单桨船航行中的旋回情况正好相反。五、外界环境的影响1.浅水。旋回圈在其他条件相同时，随着水深的变浅而逐渐增大。当水深与吃水之比小于2时，旋回圈将明显增大。2.污底。艇体污底越多，摩擦阻力增加，旋回圈变大，但影响较小。3.风流。顶风顶流将使纵距减小，顺风顺流将使纵距增大。1.船艇的运动性能有哪些？各是如何定义的？2.船艇的旋回过程分为哪几个阶段？各有什么特点？3.船艇的旋回要素有哪些？主要有哪些应用？第三章影响操纵性能的因素3.1浮态对船艇操纵的影响船艇浮态对操纵性能的影响，是指船艇以各种不同浮态航行时，引起作用于艇体上各种力的变化和出现新的力，使船艇的操纵性能发生变化。3.1.1船艇吃水变化对操纵性能的影响船艇吃水减小时，螺旋桨距水面近，浅浸效应明显。对于右旋单螺旋桨船艇，在这样的情况下常须压右舵才能保持船艇稳定航行，且向右旋回运动时的旋回圈直径常比向左旋回时大。双车或四车船艇航行时，由于螺旋桨对称分布，且旋向相反，产生的横向力互相抵消，船艇吃水变化仅引起螺旋桨推力的变化。3.1.2横倾对操纵性能的影响当船艇存在横倾时，其入水体积形状的左右对称性被破坏，因而改变了左右舷各种作用力的对称性，使船艇偏转。一、阻力——推力转船力矩当船艇正浮时，船艇的水线面左右对称，所以船艇航行的水阻力与螺旋桨的推力大小相等方向相反且作用在同一条直线上，船艇作、匀速直线运动。当装载货物重心横移，使船艇发生横倾，船艇启动时，推力和惯性力转船力矩使艇首向横倾一舷偏转。当船艇以某一航速航行时，由于横倾一侧的入水面积增加，故水阻力向横倾一侧横移，于是，阻力与推力构成一力偶矩，使艇首向低舷一侧偏转，如图3—1所示。MRR图3—1横倾对船艇产生的偏转3—2兴波对船艇产生的偏转对于双螺旋桨船来说，这一转船力矩比单桨船要小一些。这是由于低舷一侧的螺旋桨因浸沉深度的增加，推力也增大；高舷一侧的螺旋桨因浸沉深度的减小，推力则降低。两螺旋桨的推力合力作用线也略偏于低舷一侧，故推力作用线与水阻力作用线的间距较小，阻力——推力转船力矩有所降低。二、艇首波峰压力转船力矩当船艇以横倾状态高速航行时，兴波增大。因低舷一侧的浸水形状较高舷一侧的丰满，因此低舷一侧的艇首波峰较高，高舷一侧的艇首波峰较低。由于两舷的总压力差额产生向高舷方向的转船力矩，使艇首向高舷一侧偏转。船速越高，这一转船力矩越显著，如图3—2所示。双桨船的这种情况比单桨船显著。由于上述两主要转船力矩的作用，横倾状态的船艇启动时，推力——惯性力或推力——阻力转船力矩起主要作用，船艇首先向低舷一侧偏转；随着船速增大，由于艇首波峰压力转船力矩的形成，而且艇首波峰压力差的作用点至船用重心间的垂距较大，转矩也较大，使艇首向高舷一侧偏转。另外，船艇横倾时，舷压力产生垂向分力，舵效也受影响。最后应注意，横倾会减小横倾一舷的干舷高度，增加船艇向高舷一侧掉头时倾覆的危3.1.3纵倾对操纵性能的影响纵倾与船艇的重心位置有关。重心在艇体前部产生首纵倾，重心在艇体后部产生尾纵倾。而船艇重心的位置在前或在后必然影响舵压力的转船力矩。首纵倾时，力臂大，转船力矩大；尾纵倾时，力臂短，转船力矩小，如图3—3所示。船艇的纵倾与艇体水线下侧面积的形状有关。尾倾时，可使旋回时的阻尼力矩增大，航向稳定性提高，旋回性能变差。从上述两方面可见，尾纵倾的船，舵压力转船力矩必然小些。尾部入水侧面积增加则旋回阻尼增大，航向稳定性好，旋回性差。但由于尾纵倾使舵的入水面积增加，螺旋桨浸沉深度增加等产生新的影响，对转船力矩起补偿作用，其结果反会使操纵性好些。因此，一般船艇航行时，常略尾倾。首纵倾的船，舵压力转船力矩大，艇尾入水侧面积则较小，阻尼力矩小。航行于川江的船艇，要求有较好的旋回性，因此常使船艇首纵倾。侧面积增加侧面积增加侧面积减少图3—3纵倾对操纵性能的影响3.2风对船艇操纵的影响3.2.1风动力及其转船力矩如图3—4所示，在相对风速Va作用下，船艇水线以上面积受风产生风动力Fa，N点为风动力的作用点，θ为风舷角，α为风动力角，a为艇首至风动力作用点N的距离，lG为艇首至重心的垂直距离，L为船长。船艇所受风动力的大小、方向、作用点与风速的大小、风舷角、受风面积的大小和形状(空载、满载、吃水差及上层建筑的布置情况)等因素有关。风动力Fa可近似地用下式估ρa——空气密度，其标准值0.123kg/m3；Ca——风动力系数；Va——相对风速，m/s；g——重力加速度，9.8m/s2；Aa——水线上艇体正面投影面积，m2；Ba——水线上艇体侧面投影面积，m2。ααlGLMaFaNGL__lI图3—4风动力及其转船力矩图3—5风动力Fa作用下船艇的运动根据船艇的风洞试验，风动力系数Ca、风动力角α和风动力作用点N随风舷角θ的变化具有如下特点：1.风动力系数Ca在艇首尾受风时最小；在θ=30°~40°及140°~160°附近具有极大值；在正横受风时Ca值低。由此可见，风动力系数Ca是随着风舷角θ的增大，由小到大，继而由大到一般，再由一般到大，最后由大到小变化。2.艇首至风动力作用点的距离a随风舷角θ的增大而增大，风动力作用点N自艇首逐渐移向尾部。3.风动力角α随风舷角θ增大而增大，θ自40°~140°区间内时，α约在80°~100°之间，变化不明显。为了说明在风动力Fa作用下船艇的运动情况，如图3—5所示，在船艇重心G点上加上一对与Fa大小相等且方向相反的力Fa'和F，Fa、F构成转船力矩Ma，使艇首偏转，而Fa'使船艇向下风漂移，同时还使船艇速度发生变化。转船力矩Ma可用下式近似估算：式中：Cna——风动力转船力矩系数，它随船艇类型、载况和受风面积的大小与分布3.2.2风对船艇操纵的影响船艇在风动力作用下，向下风漂移产生水动力，由于两力作用点在高度上不一致，构成横倾力矩，使船艇出现横倾，影响稳性；由于两力作用点沿首尾方向上不一致，构成转船力矩，使船偏转。风动力作用点N、船艇重心G和艇体水线下水动力作用点W三者间关系，决定船艇偏转方向。船艇重心约在船艇的中部稍前。风动力作用点在风舷角较小时靠近艇首，随风舷角的增大则向后移动。一般来说，风自正横前吹来，风动力作用点N在重心G之前；受横风作用时，N在重心G点附近；正横后来风，则在重心G之后，水动力作用点W，决定于相对水流的来向。船艇在前进中，其水动力作用点W后退时，在重心G之后，如图3—6所示。Fa1Fa2Fa3Fa4Fa5Rw1Rw2Rw3Rw4Rw5图3—6风压中心水压中心的分布规律了解了风压中心、水压中心的变化规律，就可以进而讨论船艇在风中的偏转。一、停车漂泊受风如图3—7a所示，风从正横前吹来，船艇向后漂移，风动力作用点在重心之前，水动力作用点在重心之后。此时，风、水动力转船力矩使艇首顺风偏转，直至风从正横附近吹来时，风、水动力作用点都接近重心点，船艇的偏转力矩消失。如图3—7b所示，风从正横后吹来时，风、水动力产生的转船力矩使艇首迎风偏转，直至正横受风为止。因此，船艇停车漂泊时，艇首将保持在风自正横附近吹来的方向上(即正横受风)，同时向下风漂移。GR水●MRWGR水●MRWR水GN,WR风R水\aMR▲R风WGN,WR水R风MaMR▲R风WGN,WR水R风Ma●●G./Nb图3—7船艇在风中漂浮时的偏转二、前进中受风如风从正横前吹来，则风、水动力作用点均在重心之前，如图3—8a所示，这时艇首偏转方向要看风、水动力转船力矩哪一个大而定。有的船艇MR＞Ma，艇首迎风偏转；有的船艇(一些上层建筑集中在前部的船艇)，MR＜Ma，艇首顺风偏转。当船艇受后侧风航行时，风压中心移至重心之后，风动力转船力矩与水动力转船力矩的方向一致，如图3—8b所示，均使艇首迎风偏转。三、后退中受风船艇在侧风中后退，水动力作用点在重心之后，MR总是使艇首偏向上风。当船艇在前侧风和横风中后退时，风动力转船力矩与水动力转船力矩方向一致，如图3—9a所示，艇首急剧偏向上风；当船艇在后侧风中后退时，虽然风动力转船力矩与水动力转船力矩方向相反，如图3—9b所示，但在一般情况下MR＞Ma，所以艇尾仍向上风偏转。由于后退舵效很低，往往用舵也克服不了这种偏转，操纵时应注意这一点。图3—8船艇在风中前进的偏转a图3—9船艇在风中后退的偏转3.3流对船艇操纵的影响船艇航行时，还受到海流、潮流等水流的影响。水流有均匀水流和非均匀水流之分。在均匀性水流水域中，船艇的航速等于船速与流速的矢量和，同时船艇受流影响易偏离计划航向，需作流压差修正。在非均匀性水流水域中，船艇会产生较大横移和(或)首摇。3.3.1均匀性水流对船艇操纵性影响一、航速和冲程的影响顺流航行时，船艇对岸速度(航速)约等于船速加流速；逆流航行时，航速约等于船速逆流时，冲程减小，流速越大，冲程减少越多；顺流时则相反，停车后减速非常缓慢，往往最后还需借助于倒车或抛锚，才能制止船艇对岸运动。二、水流对船艇漂移的影响如图3—10所示，当船艇受到流速为VW、流舷角为β的水流所产生的水动力作用时，船艇就要以VOW向下流侧方向运动，故船艇将沿Vs与V的矢量和VOK方向运动。VOK与船艇首尾线的交角γ,称为流压角。VOK在x轴和y轴上的分量V和VT'为有流影响时的航速和横漂速度。在正横前受流时，流速越快，流舷角越大，船速越慢，横漂速度就越大。操纵中应特别警惕横流的影响，尤其在通过急湾、浅滩及架桥等航段时，应特别注意流舷角的调整。图3—10水流对船艇漂移的影响三、水流对舵效的影响船艇在均匀流中航行，无论逆流还是顺流，当螺旋桨转速不变时，船艇对水运动速度约等于船速。就同一船艇而言，舵速基本一致，故舵压力和舵压力转船力矩不变，所以逆流或顺流航行，操相同舵角在相同时间，船艇旋回相同的角度，但逆流船的纵距小于顺流船，因此，逆流船的舵效较顺流时好。四、水流对旋回的影响由于水流的影响，使船艇的旋回圈变成近似椭圆，如图3—11所示。船艇顺流旋回360°,旋回圈长轴垂直于流向；逆流旋回360°,旋回圈长轴平行于流向。顺流旋回圈的纵距比静水中要大，逆流则相反。由于上述现象，船艇在有流水域内旋回或转向时，应注意：图3—11水流对旋回的影响1.流旋回掉头，图3—11水流对旋回的影响漂移距离可由以下经验公式求得：w×t)×80%D——顺流掉头漂移距离，m；Vw——流速，m/s；t——旋回180°所需时间，s。顺流掉头所需纵距为漂移距离加船最大纵距和安全富余距离。2.有流时掌握转向时机与静水时不同，静水中可在物标接近正横前转向，而顺流时应提前转向，在逆流时应延迟转向。3.由于船艇在水流中航行，对水速度基本不变，因此在舵角相同条件下，无论顺流、逆流航行，其舵压力基本相等。但因顺流时船艇的旋回纵距大，所以，对岸而言，使用相同的舵角在车速一致的条件下转过一个相等的航向角，顺流船所需水域比逆流船要大。若同一船在对岸速度相等的条件下，逆流船舵的对水速度大于顺流船，故舵压力大，舵效好。3.3.2非均匀性水流对船艇操纵性影响非均匀性水流的种类很多，有回流、横流、泡水、漩水等。这此水流对船艇的作用与均匀水流不同。船在均匀性水流中，在随水向下漂移时，对水速度的变化很小，甚至为零；但在非均匀性水流中，由于流速、流向的局部改变或突变，这些改变或突变作用在船艇上时，艇体因惯性作用，船的运动跟不上这种变化，或者水流只作用于艇体的局部，对艇体产生水动力作用，它可以增加或减小船的前进阻力，可以使螺旋桨的推力变大或变小，可以使舵压力增加或减少。如果非均匀性水流从船艇横向或成交角冲击，可使船艇迅速横移和因艇体前后部分受力不同而产生转船力矩，使船突然偏转而离开航线；有时甚至超过车、舵控制能力而失控导致事故。目前，对非均匀性水流的作用力大小难以做定量的估算。因为，它与水流的速度分布不均匀程度及船艇本身的运动状态都有关系，特别是运动的艇体反过来也会影响水流速度的重新分布。但是，非均匀性水流的冲击强度由流速、流舷角、艇体有效迎流面积等因素而定，其作用结果还因这类水流对艇体的具体冲击部位的不同而不同：冲击船艇中前部可使艇首急剧顺流偏转，必须操迎流舵防偏，如图3—12(左)所示；冲击船中后部中使艇首迎流偏转，必须操顺流舵防偏，如图3—12(右)所示；冲击船中部附近，则使船艇顺流横图3—12非均匀水流对船艇操纵的影响1.船艇浮态对操纵的影响有哪些？2.风压中心和水压中心的变化规律是怎样的？3.船艇在正车前进、倒车后退和停车漂浮时，风对船艇的影响如何？4.流对船艇操纵有哪些影响？第四章保持航线与转向操纵船艇长操纵船艇，实施系泊、海上航行、编队运动及执勤机动，都是一系列操纵行动的组合。然而，各种操纵都离不开转向、掉头和保持航线操纵。实践证明：在操纵船艇过程中，能否将船艇稳定地保持在计划航线上航行、准确地转入新航向和在受限水域中进行安全转向，是操纵成败与船艇安全的关键。因此，保持航线与转向操纵是各种复杂条件下船艇操纵的基础。4.1舵令与车钟令为了正确操纵船艇，首先必须熟悉边防船艇使用的舵令、车钟令及执行程序。船艇长在下达车舵口令时，必须口语清晰，态度沉着，即使在危急情况下也应有条不紊。指挥口令必须标准化、规范化，按照《船艇条令》规定的口令下达。4.1.1车舵口令的执行程序通常，车舵口令的执行程序为：下达→复诵→执行→报告。即当操车兵或操舵兵听到船艇长的车舵口令后，应立即准确、清晰地高声复诵，使船艇长知道命令已被正确理解；复诵车舵口令后，立即按命令执行；执行完毕后向船艇长报告，船艇长应回答“好”，并经常检查口令的执行情况。上述执行程序应认真、严格、一丝不苟，以保证船艇长的命令准确无误地得到执行。例如，当船艇长下令“左满舵”时，操舵兵要复诵“左满舵”，然后执行，当把舵转到左满舵位置后，报告“满舵左”，这时，船艇长应回答“好”。如未听清船艇长口令但又认为应该使用车舵时，应大声报告当时的车舵情况，以引起船艇长注意，切勿自作主张，擅自动用车舵。4.1.2舵令舵令是船艇长下达给操舵兵的操舵命令。边防船艇使用的舵令有以下几种：一、按舵角操舵口令：左(右)舵×、左(右)满舵、回舵、正舵、压舵、回到×等。二、按罗经操舵口令：航向×××、向左(右)×度、把定、不要偏左(右)、航向复原三、按目标操舵口令：跟前船(艇)走、对正××(目标)走、对正××叠标走等。四、询问口令：航向多少(罗经航向)、什么舵、舵偏多少、舵灵吗等。边防船艇使用的舵令，它们的含义以及复诵词和报告词如表4—1所示。操舵兵复诵操舵兵报告“左(右)舵五”“左(右)舵五”将舵转到指定的度数上“五度左(右)”“左(右)舵十”“左(右)舵十”将舵转到指定的度数上“十度左(右)”“左(右)舵十五”“左(右)舵十五”将舵转到指定的度数上“十五度左(右)”“左(右)舵二十”“左(右)舵二十”将舵转到指定的度数上“二十度左(右)”“左(右)满舵”“左(右)满舵”将舵转到规定的满舵度数上“满舵左(右)”“正舵”“正舵”迅速将舵转到零度“舵正”“回舵”“回舵”逐渐将舵转到零度“舵正”“回到×”“回到×”逐渐将舵回到指定度数上“×度左(右)”“把定”“把定”将船艇稳定在下命令时的航向上“航向×××”“航向×××”“航向×××”将船艇操纵到该航向上“航向×××到”“向左(右)×度”“向左(右)×度”操纵船艇，使航向按原航向向左(右)边×度(罗经度数)“航向×××到”“不要偏左(右)”“不要偏左(右)”保持航向，不要偏向所指的一边“航向复原”“航向复原”将船艇操纵到原航向上“航向×××到”“完舵”“完舵”用舵完毕，舵不用了“稳舵”“稳舵”操纵船艇，不要偏离航向“什么舵?”将当时舵角指示器所指的度数报告给船艇长“×度左(右)”“舵灵吗?”“不灵”“航向多少?”“航向×××”“压舵”“压舵”将舵转到另一舷，以迅速稳定航向“××度左(右)”“跟前船(艇)走”“跟前船(艇)走”由舵手自行操纵船艇，跟前行船(艇)保持纵队航行“对正××走”“对正××走”自行操纵船艇，对正××目标航行，并记下当时的罗经航向“××对正”“舵偏多少?”将保持航向所需的偏航度数报告给船艇长“×度左(右)”4.1.3车钟令一、速级划分船艇航速通常分为以下几个速级：(一)全速：主机可以长时间工作的最大功率(即额定功率)所对应的航速。(二)常速：通常规定为等于全速3/4的航速。(三)慢速：通常规定为等于全速1/2的航速。(四)微速：通常规定为可以正常操纵船艇的最小航速。(五)强速：比全速大2～6节的航速，一般只能短时间使用。公边船艇有时直接用主机的转速来划分速级。以218A型为例，通常上述速级的转速分别为2000、1600、1200、800、2350转/每分钟。编队航行时，编队全速一般由编队首长决定。如果参加编队的是同型船艇，则编队全速可采用单艇航行时的全速；如不是同型船艇，则以其中速度最低的船艇的全速作为编队全速。对于不宜按上述规定划分速级的编队，编队首长可根据实际情况规定全速以外的各个速级，即慢速可以不等于全速的1/2，常速可以不等于全速的3/4。二、车钟令车钟令是船艇长下达的用车命令，简称车令。一般由操车兵通过车钟向机舱传送，或直接控制主机工况。目前边防船艇已大多装备了遥控车钟，可以在驾驶室通过操纵车钟直接控制主机的工况。为了方便，边防船艇习惯以数字或主机转速作为划分速级的发令词，每一速级对应一定的主机转速。以218A型为例，三者之间的关系为：全速——前进四(2000转/每分钟)常速——前进三(1600转/每分钟)慢速——前进二(1200转/每分钟)、后退二微速——前进一(800转/每分钟)、后退一强速——前进五(2350转/每分钟)通常，船艇对高速倒车的使用都作了限制性的规定，主要原因有：一是高速倒车时船艇的总阻力显著增加，从而增加了主机负荷；二是由于高速柴油机倒车时离合器摩擦片数量少，承受力增大，容易损坏；三是高速倒车时，螺旋桨产生的水流汽泡进入柴油机冷却系列型艇艇体设备与使用保养条例》中明确规定，MTU12V183TE92型主机倒车转速为800转／分～1100转／分；《218型艇艇体设备与使用保养条例》中明确规定，轻12V180型主机倒车转速为750转／分。所以，边防船艇正常情况下采用后退一，如遇情况紧迫时，可由于通过驾驶台上的转速表，可以清楚地知道主机的实际转速。因此，车钟令有时也边防船艇常用的车钟令，它们的含义以及复诵词和报告词如表4—2所示。表4—2车钟令操车兵复诵操车兵报告左(右)进一(二)左(右)进一(二)将左(右)车钟手柄扳到指定的速级位置左(右)车进一(二)两进一(二、三、四)两进一(二、三、四)将两个车钟手柄同时扳到指定的速级位置四进一(二、三、四)将四个车钟手柄扳到指定的速级位置两(四)车800(1200，扳动两(四)个车钟，使主机转速表指针指示到指定转速的位置两(四)车800(1200，左(右)退一(二)左(右)退一(二)将左(右)车钟手柄扳到指定的速级位置左(右)车退一(二)两退一(二)两退一(二)将两个车钟手柄同时扳到指定的速级位置两车退一(二)左(右)停车左(右)停车将左(右)车钟手柄扳到停车位置左(右)车停两(四)停车两(四)停车将两(四)个车钟手柄扳