談船舶在受限水域中操縱臨界點評價 參數研究及應用

摘? 要：在受限水域中航行的船舶其操縱性除與船舶本身的船型、噸位、裝載狀態有關外，還同受限水域的水深、寬度及風流等因素有著密切的關系，在船舶操縱實踐中船長較難運用某一項船舶操縱理論來判斷船舶當時所受到上述哪個因素的影響及其大小的。作者經過多年的調查、研究、實踐、總結得出，船舶在受限水域中航行時，影響其操縱的各種內外力作用的大小用受限水域船舶操縱臨界點評價參數（以下簡稱“臨界點評價參數”）來衡量，以便航海人員操縱船舶時可快速判斷是否即將處于或處于操縱困難狀態，能及時采取正確的措施減少或避免險情和事故的發生。

關鍵詞：受限水域;船舶操縱臨界點;評價參數;應用

0 引 言

多年來，船舶在長江上海段水域航行期間一旦操縱困難或航向把定不牢時，船長的第一反應往往是舵機失靈了（或故障了），其實除了有的船確實是舵機發生故障（本文不做研究）外，還有一些船是在受限水域中航行受到包括淺水效應、側壁效應、伴流、風、流等多種外力的作用引起的，其大小還與船舶本身的特性包括舵的性能、阻力、主機功率和推力、螺旋槳致偏以及吃水差、縱傾和橫傾等因素有關，由于部分操縱者對上述的淺水效應的反應有些遲鈍，甚至壓根兒沒有這概念，因此，錯失了挽回危險局面的時機。筆者使用調查法對近幾年的案例（除舵機故障外）進行分析研究得出用“臨界點評價參數”指標來衡量船舶是否處于或即將處于難以駕馭的臨界狀態，可幫助船舶操縱人員正確認識和快速評價船舶當時是否受到淺水效應的影響，可以使船舶提前化解風險，并且非常簡便實用。

1 定 義

（1）受限水域：受限水域是指相對不同吃水和船寬的船舶而言，水深相對較淺和航道寬度相對較窄的水域。

（2）受限水域操縱臨界點：在受限水域中，當船舶的舵轉船總力矩（Mx）與船舶所受外界的總力矩（Mo）方向相反時，且Mx與Mo的絕對值差接近零的過程中，船上的舵即將失去控向能力，即出現船舶操縱臨界點。

（3）淺水效應：由于水域的水深相對較淺而使船舶運動特點發生的變化，稱之為淺水效應。

（4）側壁效應：由于水道的寬度相對較窄而使船舶運動特點發生的變化，稱之為側壁效應。

2 受限水域中船舶操縱性以及影響的主要因素

某一艘特定的船舶其操縱性除了與船舶本身的舵力有關外，還與風、流、淺水效應和側壁效應等外力大小有關。一旦作用在船上外部的總力矩（Mo）大于或等于舵轉船總力矩（Mx）時，船舶就很難駕馭，反之，船舶操縱性尚可。

2.1 受限水域中影響船舶操縱的外力

作用在船體上的外力矩（Mo）等于風動壓力轉船力矩（Ma）、流壓力轉船力矩（Mω）、淺水效應的合力距（MQ）、側壁效應的合力距（MC）、船舶所受到的其他外力矩（MB）之和（見圖1）。

Mo=∑（ Ma+Mω+MQ+MC+MB）

式中：

Mo船舶所受外界的總力矩（N·m）;

Ma 風動壓力轉船力矩（N·m）;

Mω 流壓力轉船力矩（N·m）;

MQ淺水效應的合力矩（N·m）;

MC側壁效應的合力矩（N·m）;

MB船舶所受到的其他外力矩（N·m）;

2.1.1 船舶受風的影響

船舶航行時，其水上部分所受的空氣動壓力大小可用下列兩式計算：

Fa—水線以上船體所受的風動壓力（N）;

Ma--風動壓力轉船力矩（N·m）

ρa—空氣密度（1.226kg/m3）;

Ca—風動壓力系數;

Va—相對風速（m/s）;

θ—風舷角（°）;

Aa—水線以上船體正面投影面積（m2）;

Ba—水線以上船體側面投影面積（m2）;

其中Cma為風動壓力轉船力矩系數，Cma=Ca·sinα （lG-a），其中lG為重心至船艏的距離，一般近似為L/2。Cma值的大小也隨船舶種類、載況和船舶受風面積的大小與分布情況以及風舷角的變化而定。

2.1.2 船舶受流的影響

流對船舶運動的影響大小可用下列兩式計算：

式中：

Fω—流壓力（N）;

Mω—流壓力矩（N·m）;

ρω—水的密度（海水取1 025kg/m3，淡水取1 000kg/m3）;

Vω—相對流速（m/s）;

L—船舶兩柱間長（m）;

d—船舶吃水（m）;

Cω—流壓系數;

Cmω—流壓力矩系數。

2.1.3 船舶受淺水效應的影響

淺水效應通常用水深與船舶吃水之比H/d表示，該數值越小淺水效應越明顯。

船舶受淺水效應的影響，主要表現為：（1）附加質量附加慣矩增加;（2）興波發生變化;（3）船體下沉增加和縱傾變化;（4）船速下降等，影響的程度取決于船型、船長、船寬、船速、水深、吃水等有關。

2.1.4 船舶受側壁效應影響

受側壁效應的影響船舶出現整體吸向岸壁、船艏轉向中央航道的現象，即岸推和岸吸現象，影響的程度是：水道寬度越窄，航速越高、船型越肥大、水深越淺岸壁效應越明顯。

2.2 受限水域中舵力及影響舵力的主要因素

舵是船舶操縱的重要設備之一，是船舶控制方向的重要手段。舵的作用是操某一舵角后利用水流對舵的作用力使船舶保持或改變航向或進行旋回。因此，舵轉船總力矩（Mx）是特定舵的力矩（Mp）與影響舵效的其他合力矩（My）之和，見圖1。

Mx=∑（ Mp+My）

式中：

Mx舵轉船總力矩（N·m）;

Mp 特定舵的力矩（N·m）;

My影響舵效的其他合力矩（N·m）;

2.2.1 舵的性能

舵力的大小及其作用中心位置，受舵的面積、外形、尺度比、剖面形狀有關，這些在船舶設計和建造中就已經固定了，其實對特定船舶來說是一個常數，作為船長無法將其改變的。

舵力的大小，常采用Beaufoy公式：

式中：

PN—敞水試驗中，平板舵正壓力（N）;

AR—舵葉浸水面積（m3）;

VR—舵與水相對運動速度（m/s）;

δ—舵角或水對舵的沖角（°）;

g—重力加速度（m/s2）。

2.2.2 影響舵力的主要因素

影響舵力的主要因素包括船艉受伴流、滑失比及排出流的影響，日本的岡田、藤井等人給出了實驗表達式：

式中：VS—船速（m/s）;

ω—伴流系數，為伴流速度和船速之比，一般取0.4。

λ—舵的縱橫比;

Sr—滑失比;

ρω—水的密度;

PN—舵的正壓力（9.8N）;

影響舵力的大小還與主機的推力、舵角、船前進速度、伴流、螺旋槳排出流、船舶失速、阻力、單螺旋槳橫向力等有關。

小結：（1）當（Mx- Mo）遠大于零時，船舶受上述各種因素影響后船舶仍處于可控狀態;（2）當（Mx- Mo）接近零或時而大于零或時而小于零狀態，船舶受上述各種因素影響后屬船舶操縱臨界點狀態;（3）當（Mx- Mo）小于零時，船舶受各種影響后處于難以駕馭的狀態，甚至是失控狀態。

3 受限水域船舶操縱臨界點評價參數研究

船舶在受限水域中航行其操縱性大多情況下是可控的，不至于出現無法駕馭的情況，但也有些船舶出現“跑舵”后的確就很難把定，船長甚至會說“做了N年船長從未遇到過這種現象”，便懷疑舵機出問題了，那么如何判斷其當時的操縱性呢？通過對幾十艘次船舶相關案例的研究得出，船舶受上述各種因素影響后（Mx- Mo）值接近零或時而大于零或時而小于零狀態，此時船舶正處于操縱臨界點狀態，本文將出現這種狀態時的船速、舵角、主機使用等經驗值轉化為衡量指標即受限水域船舶操縱臨界點評價參數，幫助船舶操縱人員正確認識到船舶是否受到淺水效應的影響，判斷出船舶操縱性可控與否，以便能及時采取措施化解風險或避免事故的發生。以下是對幾十起類似案例研究中最典型的兩起案例：

實例1：2014年2月27日，散貨船“XX6”輪（船長189.99 m、船寬32.26 m、吃水12.69 m/12.85 m、總噸32 965、裝載煤炭55 000 t）約0530時過XX航道D3燈浮進口航行，船舶微速前進，船長感到舵效很差，0536時加車航速加至8 kn左右，仍很難把定航向，因此放棄追越前船的意圖，約0750時，前進二，航速7 kn左右，在D22燈浮下游出口航道邊線擱淺。

0536-0750時，船舶以7 kn左右速度呈蛇形前進，船長不斷使用滿舵或大舵角無法把定航向，這時作用在船上的（Mx- Mo）值接近零或小于零（已到了臨界點），最終使用滿舵也壓不住船艏的偏轉導致沖出航道擱淺。

實例2 ：2008年5月26日0445時，散貨船“XX11” 輪（船長185.0 m、船寬32.0 m、吃水9.43 m/9.84 m吃水、總噸26 358、載重噸38 271 t、裝煤35 126 t、上海外高橋電廠碼頭卸貨）0352時過圓圓沙燈船進口，0410時減車為前進二，速度降至6 kn，0414時因舵效差加車至前進三、以增加舵效，0423時車保持前進三、航速8 kn，滿舵才能扼制船艏偏轉，0436時航速8 kn左右、左滿舵，擬穿越航道去靠碼頭，0441時航速8 kn左右、車改前進二、航向258°，接著下令右滿舵、停車、后退二、距碼頭約600 m，0442時航速7.2 kn，船艏繼續左轉，后退三，0443時航向252°，航速6 kn，距碼頭約300 m，0445時左右碰撞碼頭。

0414-0441時，因航速低（6 kn左右）舵效差，采取加車以增加舵效航速8 kn，滿舵才能扼制船艏偏轉，這段時間作用在船上的（Mx- Mo）值趨于零（已到了臨界點）。

0441-0443時，航速從8 kn減至6 kn減速過程中，右滿舵仍無法克服船艏向左轉的趨勢，這時作用在船上的（Mx- Mo）值小于零，當時影響操縱的所有外力中，伴流明顯增大、排出流明顯減小、而作用在船體上的風流壓角也在改變，其外力的影響顯著增強，此時舵的轉船力矩明顯減小，幾乎無舵效。

通過以上典型案例的歸納分析可以看出，受限水域中船舶操縱性以及影響的主要因素：當船舶的舵轉船總力矩（Mx）與船舶所受外界的總力矩（Mo）方向相反時，且Mx與Mo的絕對值差接近零的過程中，船上的舵即將失去控向能力，即達到船舶操縱臨界點。受限水域中船舶操縱臨界點評價參數見表1。

4 受限水域中船舶操縱臨界點參數的驗證和應用

2020年2月25日，散貨船“XX212”輪（船長163.3 m、船寬25.6 m、吃水10.4 m/10.8 m、總噸17 167、載重噸27 279 t、裝載黃沙27 000 t），約2030時左右過XX航道3號燈浮進口、前進二、航速8 kn左右，舵角20°以上航向才能把定，船長感覺到操縱比平時困難（已到了臨界點），2126時減速、前進一，航速8.7 kn，船長感覺舵效特差左滿舵也壓不住船艏偏轉，2128時航速8 kn、加車已無法克服船艏的偏轉，導致碰撞長江口北槽深水航道9號燈浮。

本案例中“XX212”輪2030時左右參數1、參數2、參數4的特征反映出船舶已出現船舶操縱臨界點，2126時出現參數3的特征。如果“XX212”輪船長已經掌握了“受限水域中船舶操縱性評價參數”，并且能正確合理的應用到船舶操縱實踐中去，也就是在2030時左右船長采取以下措施，則可以避免事故的發生。

（1）迅速派人準備拋錨;

（2）如果水域足夠，可先掉頭駛離該水域;

（3）如果水域不允許掉頭的話，也可選擇相對合適的水域拋錨;

（4）聯系附近的拖輪協助繼續前行;

（5）選擇通航條件較好時機再駛入，如選擇緩流、風小、富余水深再大一些的時機進入。

5 總 結

航行在受限水域中的船舶應用好“受限水域中船舶操縱臨界點評價參數”，有助于船長果斷作出調整航行計劃，采取合理措施，以避免險情或事故的發生。受限水域中船舶操縱課題是一項復雜且長期的過程，其實踐性很強，衷心希望廣大的航海人員和研究人員在實踐中進一步論證和探討，由于研究資料有限，不妥之處敬請指正。

參考文獻

[1] 周東平.船舶操縱[M].北京：人民交通出版社，1996.8.

作者簡介：

錢衛忠，無限航區一等船長，從事通航管理研究，（E-mail）captain_qian@shmsa.gov.cn，15316565607