第六章恶劣气象条件下的船舶操纵.docx

1、第六章恶劣气象条件下的船舶操纵第六章恶劣气象条件下的船舶操纵说课笔记知识与技能掌握要点：通过学习，了解波浪理论知识。为航海学等课程的深入学习打好基础。为岗位操作船舶技能，提供理论依据;掌握大风浪中操船措施及避离台风的操船措施;工学结合：挪威船东协会教学录象，以及 深入理解波浪理论;原上海海运局朱熹船长抗台案例介绍.课程教学特色：通过学生接触大量案例，触类旁通；提供原始素材，让学生沿阅读、思考、理解、执笔程序写抗台报告。加深对知识的理解。船舶在复杂多变的海上航行，遇到狂风巨浪的袭击是在所难免的。那么，怎样才能战胜自然，克服因难呢？一方面，要求船舶要有良好的适航性；另一方面，要求船舶驾驶人员了解风

2、浪，熟悉船舶在风浪中运动规律，并针对客观规律，采取正确的操船措施，从而确保船舶在恶劣气象条件下安全航行。第一节海浪知识概述一、海浪的形成海浪是发生在海洋中的一种波动，是海水运动的主要形式之一。海浪按其形成的原因可分成风浪和涌浪、潮汐浪、气压浪、地震浪（海啸）及船舶兴波等很多种类，但船舶航行时最常遇到的是风浪和涌浪。风浪是由风的直接作用，将能量传给海洋引起的水面波动。风浪离开风区传到远处或风区里风停息后所存在的波浪，称为涌浪。海上风浪要得以发展，与风速、风时、风区有关。风速越大，产生的风浪也越大；风时越长，海水获得的动能越大，风浪也就越大；风区越大，浪在风区内移动越远，风浪就越发展。涌浪在传播过

3、程中，随着传播距离的增加，波高逐渐降低，周期不断增大。我们知道，涌浪传播速度往往比海上风暴系统的移速快得多，常把涌浪作为预测台风或风暴来临的征兆。二、规则波波面可用简单函数表达的波浪称为规则波。规则波不仅能近似地表示涌，而且也是研究不规则波的基础，规则波的要素如下：如图61所示，图中波高H：波面最高点与最低点之间的垂直距离（m）；波长：两个相邻的波峰或波谷间的水平距离（m）；波速Vw：波形向前传播的速度（m/s）；波浪周期Tw：水质点每回转一周所需的时(s），即波形向前传播一个波长所需的时间。波面角（wave slope angle）；波面上某一点的切线与水平线间的夹角，用来表示波表面的倾斜度

4、。陡度（wave steepness）：波高与波长之比H/，用来表示波的陡峭程度。图61这些波浪要素之间存在如下的相互关系：波速Vw1.25（m/s）波浪周期Tw0.80（s）波长1.56T2w（m）此外，最大波面角m=有关各海区不同季节的波浪要素可以从航路指南等有关资料中找出。大洋中最容易产生的波浪的波长是80140m，波浪周期为710s，陡度最大的为1/10，一般大洋波的陡度为1/301/40。三、不规则波海上波浪实际上是不规则的，它们是由各种不同波长、波高和陡度的波组成的，而且由于海区地形的关系，波浪的不规则性更为复杂。但不规则波是由无数单元规则波迭加而成的，经过大量的统计观察表明，如果

5、外界条件没有显著变化，波浪的出现有其一定的规律性。为了简便，常以一种波高来说明波浪的状况，通常使用的几种方法有：平均波高：即所有波高的平均值；均方根波高：即将所有波高平方相加，求平均值后再开方；合成波高：海上风浪和涌浪并存时，可采用合成波高表示海面状况。部分大波的平均波高：有时将观测到的波高按大小排列起来，并就最大的一部分波高计算平均值，称为部分大波的平均波高。例如：对于最高的1/100，1/10，1/3的波，其平均波高分别以符号H1/100，H1/10，H1/3表示。它们的意义是如果共观测1000个波，则分别代表最高的10、100、333个波的平均波高。部分大波平均波高反映出海浪的显著部分或

6、特别显著部分的状态。习惯上还将H1/3称为有效波高，其周期称为有效波周期，具有这种波高的波称为有效波，有效波是一个统计量，它非常接近于有经验的驾驶人员直接目测的波高。波浪预报部门通常是用有效波来作波浪预报的。故常把有效波高H1/3设为1，并用统计法求得平均波高Hm为0.63，1/10最大波的波高H1/10为1.27，1/100最大波高H1/100为1.61。通常采用部分大波的波高来表示波浪的要素，1/10最大波的波高H1/10为平均波高的2倍（1.27/0.632），1/3最大波的波高H1/3为平均波高的1.6倍（1/0.631.6）。有效波波高可以用来确定最大有效波的波长以及最大能量波的波长

7、：最大有效=60H1/3最大能量=40H1/3根据这两个波长可以估计出某船在该不规则波中航行时的摇荡情况。所谓最大有效波的波长是指波长超过一定范围的波，它在整个单元波中所占比例很小，不具备使船舶产生很大摇摆的能量，这个波长界线称为最大有效波长。四、波形的变化规律当水深大于/2时为深水波，当水深小于/2时为浅水波。在深水中的波浪，波长长，波速大而周期长。因海浪是各种不同周期浪的组合，所以每一组波浪中，大浪与小浪总是有秩序的重复出现，即每组连续的浪都是逐渐增大，然后又逐渐减小，周而复始。一般情况下，连着三四个大浪之后，接着是七八个小浪，俗称三大八小。每组浪的具体周期，浪的强度以及大浪和小浪的数目，

8、则因各种风型、风速和海区而异，在航行中可通过观察来确定当时海浪的规律。在浅水中，由于波浪底部受海底摩擦，速度减慢，所以波峰速度要比波谷快，这样波形就起了变化，波峰向前弯曲，波长变短，波高越来越大，浪变得陡而且高，然后在行进中破碎，俗称开花浪。在海岸附近，这些开花浪为海岸所阻，又产生反拍浪，这些浪对船舶冲击力较大，对近岸航行的船舶有一定的威胁。第二节船舶在波浪中的运动一、船舶在波浪中各种运动的名称船舶在风浪中航行时，其运动情况比较复杂，通常将船舶的复杂运动简化分解成六个自由度的运动。如图62所示，将重心G取为固定于船体的直角坐标系的原点，则船舶运动可分解成沿三个坐标的运动和绕三个坐标轴的转动。其

9、运动名称如表61所示。表61种类名称坐标轴直线运动（translation）回转运动（rotaion）单向运动往复移动单向回转往复回转 X 轴进/退(ahead/astern)纵荡 (sruge)横倾（heel）横摇（roll） Y 轴横移 (drift)横荡 (sway）纵倾（trim）纵摇（pitch） Z 轴升/沉 (float/sink)垂荡 (heave)旋回（turn）首摇（yaw）在上表的所有运动中，运动显著而且与船舶安全操纵密切相关的是横摇、纵摇垂荡和首摇。横摇涉及船舶的稳性，有时会引起货物移动，致使船舶横倾，过大的横倾可能导致船舶倾覆（capsizing）。纵摇会导致降速，还

10、会引起船首上浪而使甲板货、甲板设备损坏，同时纵摇使船体特别是其前部因受到浪的冲击力而受损，此外纵摇引起螺旋桨空转将给主机运转造成障碍。垂荡也是一种有害于船舶航行的运动，往往与纵摇同时产生，造成船舶失速，主机功率得不到充分利用，垂荡相位若与纵摇相位相差不多，二者共同作用下将会引起船舶激烈的拍底、上浪、螺旋桨空转。首摇对船舶在风浪中航行时的保向性有重大影响，尤其在斜顺浪航行时，首摇明显，危险时会导致船体打横。图62二、波浪对船舶运动的影响1.横摇(rool)船舶在风浪中绕X轴横向的摇摆运动称为横摇。大幅度的横摇对保持稳性来说是不利的，在波浪中操船，必须预先妥善配载并根据风流情况来选择航向和航速，以

11、力求减轻横摇。1)横摇摆幅与周期横摇状态主要用摆幅和周期T来表示。摆幅是船舶自正浮向一舷横倾时的横倾角。船舶在规则波中的强制横摇摆幅可以近似地用下式表示：（61）式中: max最大波面角，； T船舶横摇周期（rolling period）(s)； TE波浪遭遇周期（period of encounter）(s)。横摇周期是船舶自一舷横倾到另一舷，又自另一舷回到初始横倾位置所需的时间。表62是各类船舶横摇周期的数值范围。一般船舶横摇周期可用下式估算：（62）式中：T横摇周期（s）； B船宽（m）； GM初稳心高度（m）； C横摇周期系数，客船为0.750.85,货船为0.70.8,油轮为0.70

12、.94,估算T时常把C简单地定为0.8。2)波浪遭遇周期TE波浪相对于航行中船舶的周期称为波浪遭遇周期。如图63所示,设船舶航行时其前进方向与波浪传播方向成一夹角(即遭遇角),则波浪遭遇周期TE为:TE = （63）VW + VS cos式中：VW波速（m/s）； VS航速（m/s）；波长(m)；船首遭遇波浪的夹角。图633)影响横摇大小的因素最大波面角max:max越大，波浪能量越大，波长短而波高大，横摇摆幅就成正比增加。主要取决于横摇周期T与波浪遭遇周期（Period of encounter）TE的比值。 T当 1时，横摇较快，很少上浪，但船体受惯性力大。 TE T当 1时，横摇较慢，角

13、度不大，但甲板上浪较多。 TE T当 1时，横摇最激烈，横摇角越摇越大，船舶横摇将出现最大横摇摆幅，严重时 TE将导致船舶倾覆。这种现象称为谐摇（synchronize rolling）. 4)减轻横摇的措施调整船舶的横摇周期船舶航线确定后，应根据本航次各海区季节可能经常遭遇的波浪周期，在配载时调整初稳心高度GM，使其避免与波浪周期一致而谐摇。在稳性允许条件下，尽量使之避开谐摇区，即0.71.3改变航向、航速以减轻横摇由(63)式可知，改变航速或航向，或者同时改变航速与航向，就能改变波浪的遭遇周期，避免谐摇。这种方法是航行中船舶减轻横摇的简便而有效的方法。但应注意:当=90或270，即正横受浪

14、时，船舶横摇剧烈，若仅改变航速是无效的，只有改变航向才能取得减轻横摇的效果。2.纵摇(pitch)与垂荡(heave)当波浪通过船体时，随着船体附近波形的变化，浮心作前后方向的周期性移动，将引起船舶纵摇；因船体浸水面积变动，使得浮心上下移动，从而导致船舶重心在其垂直轴上的上下运动就是垂荡运动。由于船首尾形状不对称，一般船在迎浪航行时，同时发生纵摇和垂荡，纵摇能引起垂荡，垂荡也能引起纵摇。1)船舶纵摇、垂荡周期船舶纵摇周期可用下列近似公式估算:TP = CP（64）式中:TP-船舶纵摇周期(s)； L船长(m)； CP-纵横周期系数，其中客船取0.450.55；客货船取0.540.64；货船取0

15、.540.72；油船（尾机型）取0.800.91 。船舶垂荡周期可用下列近似公式估算：（65）式中：TZ船舶垂荡周期（s ）； dM船舶平均吃水（m）。可以证明，船舶垂荡周期和纵摇周期比较接近，后者略大于前者，它们约为船舶横摇周期的一半。一般船舶均具有T TP TZ的关系。船舶固有纵摇和垂荡周期的范围为：货船46 s；客船（1000t以下）57s；渔船34s。2）影响纵摇摆幅的因素：波长与船长之比对纵摇摆幅影响最大，当/L 1.3时，纵摇角较小，船长越大，越趋平稳。L纵摇摆幅急剧增大，正如小船遇长波，不论航速如何，无法避免纵摇。纵摇周期TP与波浪遭遇周期TE的比值: TP当 1时，即船首迎短浪

16、航行或航速大时，纵摇较小。 TE TP当 1时，发生谐摇，纵摇激烈，容易发生打空车、甲板上浪或拍底现象。 TE船速：纵摇摆幅一般随航速增大而增大，但船长波短，航速快时反而减小，V0时纵摇较小，船身的波浪周期纵摇。航向：船舶顶浪航行，纵摇剧烈。货载相对集中船首、尾时，使纵摇激烈。 3）影响垂荡强度的主要因素：船舶垂荡周期TZ与波浪遭遇周期TE的比值。当TZ/ TE较小时，垂荡运动也小，船舶随波作周期性的升降；当TZ/ TE1时，产生谐摇，垂荡位移最大；当TZ/ TE1时，垂荡运动再度变小。波长与船长之比：当/L0.75时，即使谐摇，垂荡振幅也是很小的；当/L1时，即小船遇到长波，不论是否发生谐摇

17、，都不可避免地发生较大的垂荡。航速：/L 3/4时，船速影响较小；当/L 1时，船速越高，垂荡越激烈。波高：波高越大，垂荡越激烈。 4）纵向受浪时产生的危险现象。拍底(slamming)在激烈的纵摇和垂荡中，当船首升起后下落而与波的向上运动相撞击时，船体发生急剧振动的现象称为拍底。它使船首底部，特别是从船首起至1/101/4船长处的范围内产生很大的应力，将导致船首部船体结构的损伤。航速越大，损伤范围越向后扩大。容易产生拍底的条件：a /L 1：遇到与船长相当的波长时拍底激烈。大风浪中顶浪航行均有拍底的可能，而大船长为80140cm的船舶易发生拍底。b d/L5%：吃水与船长比值小时易产生拍底。

18、一般空船时拍底严重，2/3载以上则不易拍底，而满载船几乎不拍底。c 尾倾严重，上层建筑物庞大的船舶易产生拍底。d 方形系数Cb及棱形系数CP：Cb及CP大的船舶拍底冲击力大；U型船首比V型船首遭受拍击的次数多，强度大。e 遭遇周期与航速：当TPTZTE时，船舶发生纵摇和垂荡谐摇，纵摇和垂荡剧烈，拍底也就剧烈。船速越高，纵摇和垂荡剧烈，拍底也就剧烈。航速在傅汝德数Fr =0.140.21范围列为危险速度区。f 气候与海况：当风力达5级（10m/s）以上时，中型船就易发生拍底，而且波高越大，波的能量越大，拍底也越激烈。减少拍底措施：a 减速，保持航速在Fr=0.1左右，即0.6 L kn左右，对减

19、轻拍底极为有效；b 保持首吃水大于1/2满载吃水；c 调整航向和航速，改变波浪遭遇周期，避免纵摇和垂荡的谐摇。甲板上浪（ship water on deck）航行中甲板上浪，海水不易排出，打在甲板上的海水可看作是自由液面对稳性的影响；严寒时还会结冰，将使GM减小。同时浪的冲击还会使甲板设备、上层建筑遭受破坏。特别是装有甲板货时，易造成货损和货物移动，将危及船舶安全。甲板上浪与船首干舷高度、航速及波高等因素有关。船首干舷越低，波高越高，航速越快，上浪越厉害，其中航速影响非常严重。因此，为了减少甲板上浪，首先要降低航速。尾淹（pooping）顺浪航行中，当船尾陷入波谷，而波速高于航速时，波浪打上船

20、尾甲板，称为尾淹。顺浪时，船与流的相对速度很小，波通过船的时间较长，尾上浪的机会越多。当L及波速约等于航速时，尾淹最为激烈，且易打横。打横（broaching）顺浪航行时，当船尾处于追波的前倾斜面时，会出现航向不稳定状态，甚至突然产生首摇而横于波浪中，称为打横。打横时船舶横摇激烈，将出现危险横倾，甚至倾覆。航速接近等于波速及航向稳定性较差的船容易出现打横。顺浪航行时，如出现尾淹、打横现象，应果断采取变速措施，使航速与波速产生较大差异，同时，应尽可能采取措施，以提高航向稳定性。螺旋桨空转（racing）剧烈的纵摇和垂荡会使螺旋桨部分或全部周期性地露出水面，发生螺旋桨空转现象，俗称打空车。空转时，

21、螺旋桨效率下降显著，航速下降且螺旋桨、轴系和船体产生很大的震动，同时受到极大的冲击应力，随时有受损的可能。空载船较重载船容易打空车。为了减轻空转现象，螺旋桨应保持上桨叶的叶梢也没入水中，其在水下深度不低于螺旋桨直径的20%30%。操船时，应尽可能减低转速，以免主机、轴系产生过大的应力，并且调航向和航速以减轻船舶纵摇和垂荡，减轻空转现象。3.首摇大风浪中船舶的首摇会造成航向偏摆，自动舵用舵频繁，严重时会造成舵机的损坏。其原因：1) 首尾两舷的水压力不同，首尾处交互出现的横向压力产生使船首转向顺浪或顶浪的回转力矩，当船首以45角左右迎浪时最甚。这是波浪中首摇的主要原因。2) 海水质点在波浪中的轨圆

22、运动：如图64所示。3) 横摇与纵摇的牵连运动。4) 横摇。图64第三节大风浪中的船舶操纵一、大风浪来临前的一般准备工作航行中的船舶根据预报在预计可能有大风浪来临前，除应使船舶处于适航状态外，还必须采取相应措施。检查并保证做好以下各项工作。1确保水密（1）检查甲板各开口处封闭设施的水密性，必要时进行加固，并于风浪来临前予以关闭。（2）检查各水密门是否良好，暂不需使用的应一律关闭拴紧。（3）关闭通风口，并加盖防水布。（4）关闭舷窗和天窗，并旋紧铁盖。（5）盖好锚链管，防止海水灌入锚链舱。2确保排水畅通1）检查排水管系、抽水机、分路阀等，保证处于良好工作状态。2）清洁污水沟（井），保证黄蜂巢畅通。

23、3）甲板上的排水孔应保持畅通。3固定活动物体，确保船舶稳性1）装卸设备、锚、舷梯、救生艇筏以及一切未固定或绑牢的甲板物件都要绑牢固定。2）散装货在离港前应平舱，并作必要处理。3）各水舱及燃油舱应尽可能注满或抽空，以减少自由液面。4）舱内或甲板装有重件货时，应仔细检查加固，必要时加绑。4空船压载空船在大风浪中航行有很多不利之处，如：风压增大了倾覆力矩，保向性能下降，拍底严重，横向漂移增大，空转加剧，失速严重，易产生大角度横摇谐摇等。为确保航行安全，应进行适当的压载，调整吃水和吃水差以及合适的GM值。空船压载量可参考下列数值：夏季：为夏季满载排水量的50%冬季：为夏季满载排水量的53% 在吃水差方

24、面，既要防止打空车，又要减轻拍底，一般货船以尾倾1%船长左右为最理想。万吨级以上船舶以尾倾吃水差1.52.0m为最理想。5做好应急准备：1）保证驾驶台和机舱、船首、舵机室在应急情况下通信联系畅通。2）检查应急电机、天线、舵设备等，并使它们处于良好状态。3）检查消防、堵漏设备，保证随时可用。4）保证人身安全，如拉扶手绳、结冰时甲板铺砂等。5）加强全船巡视检查，勤测各液舱及污水沟的情况。6气象预报及时收听气象预报，接收气象传真图，分析沿途可能遇到的天气情况。二、大风浪中的操船船舶在大风浪航行，不论以何种相对位置受风，都会给船舶操纵带来困难和存在有一定的危险。因此，必须采取有效的操船措施，减轻船舶的

25、摇摆，缓和波浪的冲击，或等待海面恢复平静，或设法尽早驶离大风浪海区。下面介绍几种广大海员在长期的航海实践中总结出的大风浪中操船方法，以供读者参考。1.偏顶浪与Z字航行在大风浪中航行时，为了避免船首受过大的冲击和减轻横摇与纵摇，而且又能使船回到计划航线上来，可依波浪遭遇周期公式求出合适的航向与航速，采用偏顶浪Z字航行的方法。即先以船左（右）侧前方对浪，与波浪成一交角（通常以23个罗经点斜向迎浪）航行一段时间后，再用另一侧前方对浪，如此反复进行Z字航进。但要注意此时风流压将显著增大。因此，偏顶浪航行的条件是：风浪不太大，且船舶有一定的前进速度并能保持舵效，以防船首被压向下风而造成横浪局面。2.滞航

26、（heavingto）在通常情况下，压载状态下航行的大型船舶，当遇到67级风时就可认为属于大风浪航行，而当风力达89级时，则可考虑采用斜顶风或滞航方法。对于满载状态时的大型船舶，8级风以上可认为大风浪航行，风力若增强至910级时，顶浪航行感到困难，若风力进一步提高，出于安全考虑可由顶浪斜顶浪改为滞航。所谓滞航，是指以保持舵效的较低航速将风浪放在船首左或右舷23个罗经点方位上斜迎浪进车的操船方法。此时，船舶实际上多处于慢进状态，个别船由于轻载或受风面积较大等原因处于不进甚至是微退的状态。滞航有利于缓解船舶纵摇、横摇、拍底和甲板上浪等现象，滞航时容易保持船首对波浪的姿势，以等待海况好转。由于船首迎

27、浪，不能完全避免拍底和甲板上浪。如船长较长或船首干舷较高，且下风处海域不太充裕时，采用此法最为有利。滞航中采取的航速和航向，应根据风浪的变化进行调整，保持最佳的风浪舷角，保证有足够的舵效，有效控制首向，以免被打成横浪。3顺航（scudding）当满载大型船舶在滞航中仍经不起波浪冲击时，或者压载状态下的大型船舶当风力超过9级时，宜改用顺航的方法。所谓顺航，就是船舶在大风浪中以船尾斜向受浪航行的方法。顺航时，降低了波对船的相对速度，大大缓解波浪对船舶的冲击。而且，由于可以保持较高的航速有利于摆脱风浪区。但顺航时，对于尾部干舷较低的船舶，常因波速大于船速，易产生尾淹。此外，顺航时航向不稳，保向性差，

28、小型船或船长小于等于波长的船舶尤为严重，甚至产生打横状态。因此，此法对于船尾干舷高、快速、保向性能好的大型船尤为合适，小型船舶不宜采用，船尾较低，尾倾较大的船舶，应也避免顺航。4漂滞（lie to）船舶停止主机随风浪漂流，称为漂滞。主机或舵发生故障将被迫漂滞。滞航中不能顶浪、顺航中保向性差以及船体衰老的船可采取主动漂滞。漂滞中，波浪的冲击力大为减小，甲板上浪不多。由于船体向下风有一定的漂移速度，所以下风侧必须有足够的水域，空载或压载时尤其应注意。船舶一旦漂航，极易陷入横浪或接近横浪的状态，横摇剧烈，会引起货物移动，丧失稳性。因此，只有当船舶具有良好的稳性且水密性能好时，方可主动采取漂滞方法。漂

29、滞时应采取措施避免横浪，可在船首送出锚链或大缆尽可能保持船首顶浪。5大风浪中掉头（turning in heavy sea）大风浪中掉头，当船身转至横浪时，若回转中的横倾与波浪引起的横倾相位一致，则过大的横倾角危及船舶的安全，并且横向受浪时，容易出现横摇谐摇。因此，必须经过深思熟虑和充分准备，特别要注意本船的稳性（包括货物的积载及其移动的可能性，自由液面的影响等），谨慎操纵。掉头时必须做到：1)仔细观察波浪的规律，选择适当时机掉头。一般情况下几个大浪过后，随着就有几个较小的浪。当前面一组的最后一个大浪刚刚过去就立即开始掉头，要抓紧海面比较平静的一段时间，度过横风横浪的危险阶段，并争取在下一组第

30、一个大浪到来之前掉头完毕。2)若无法在两组大浪之间的较平静海面完成掉头，则从顶浪转向顺浪时，转向应在较平静海面到来之前开始，以求较平静海面来临时正好转至横向受浪。此后，可适时用短暂快车满舵，加速完成后半段掉转。从顺浪转向顶浪比较困难且危险，主要是后半段掉转较困难。因此必须先降速等待时机，以求后半段在较平静的海面进行，以便加速掉转。3)操舵时应力求使操舵引起的横倾角与波浪强迫横摇角相位错开，避免相位一致而引起过大的横倾而危及船舶安全。4)开始时慢车中舵，掉转中适时用短暂的快车满舵。可增加舵效以缩短掉头时间，特别是船身横向受浪的时间。5)顺浪转顶浪时使用倒车掉头十分危险，会造成船尾受波浪的猛烈冲击，从而损伤舵和螺旋桨，且不利于掉头，应保持必要的航速才有利于掉转。双桨船在顶浪转顺浪时，如为了减小掉头海域，可使回转侧的主机停车或倒车，但这样做只能减小回转半径，并不能缩短掉头时间，所以，有时为提高舵效，需短时间用双车快进来达到目的。6)若由于判断错误，在掉转中大浪来临而处于危急局面时，应注意不能强行掉头，不能急速回舵甚至操相反方向的满舵。正确的措施是减速并缓慢地回舵。第四节避台船舶操纵避台的核心