北極航道航行船舶操縱性設(shè)計(jì)需求分析

胡曉芳，蔡敬標(biāo)

1 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2 中國(guó)人民解放軍92537 部隊(duì)，北京100161

0 引 言

隨著全球變暖所引起的海冰大面積消退，使得北極海上通航逐漸成為可能。對(duì)我國(guó)而言，開(kāi)通北極航道具有明顯的距離優(yōu)勢(shì)，和傳統(tǒng)的航線相比，最多可以縮短50%的距離，其在促進(jìn)我國(guó)航運(yùn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，還可減少對(duì)傳統(tǒng)航線的過(guò)分依賴，具有重大的戰(zhàn)略意義［1］。然而，由于北極氣候環(huán)境惡劣，缺乏足夠的水文資料，且航運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施也不完善，使得船舶在北極地區(qū)航行十分危險(xiǎn)，即使是在夏季，該航區(qū)一半以上的海面上仍有浮冰。由于海冰的消融和風(fēng)、流的作用，海冰之間會(huì)形成曲折蜿蜒的冰區(qū)水道，并會(huì)不斷發(fā)生收縮、擴(kuò)散和位移等變化，造成船舶計(jì)劃航線需根據(jù)海冰的阻擋而隨時(shí)改變，同時(shí)船舶也需要頻繁改變航向航速以盡可能利用冰間水道和薄冰區(qū)［2］。由此可見(jiàn)，北極航道對(duì)通航船舶的操縱性要求遠(yuǎn)高于普通航區(qū)航行的船舶，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以特殊考慮。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于冰區(qū)安全航行方面的研究主要集中在冰區(qū)航行船舶的操作方法方面［3-6］，其中，Su 等［7-8］探究了冰壓力對(duì)旋回性能的影響，孫昱浩［9］開(kāi)展了冰區(qū)操縱的視景仿真研究。上述研究成果多是根據(jù)駕駛者的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)歸納得到，主要集中在對(duì)操船人員的實(shí)際使用要求方面，對(duì)于設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義不強(qiáng)。本文擬嘗試從北極航道的水域特點(diǎn)、氣象環(huán)境條件等方面著手，分析航行于北極航道、以舵為航向控制方式船舶的操縱性設(shè)計(jì)要求，為相關(guān)設(shè)計(jì)人員開(kāi)展該航道航行船舶的設(shè)計(jì)提供參考。

1 北極航道水域特點(diǎn)

國(guó)際上將北極航道分為“東北航道”和“西北航道”，如圖1 所示。

1.1 東北航道

東北航道（圖2）是指西起冰島，經(jīng)巴倫支海，沿歐亞大陸北方海域向東，直至白令海峽的航道，又稱為“北方海航道”（NSR）。

圖1 北極航道Fig.1 The Arctic Passage

圖2 東北航道Fig.2 The routes of the Northeast Passage

東北航道海域淺的特點(diǎn)是影響航運(yùn)的一個(gè)關(guān)鍵因素。其中，喀拉海40%海域的水深不足50 m，最小水深21 m；拉普捷夫海53%區(qū)域的水深在10～40 m 之間；東部拉普捷夫海峽最淺水深不到10 m，僅限吃水小于6.7 m 的船只通過(guò)［10］；東西伯利亞海的平均水深僅為45 m，較淺處的水深不足40 m；楚科奇海的平均水深為88 m，但一半以上的水深低于50 m；白令海峽的平均水深為42 m，最大水深僅52 m。沿途的桑尼科夫海峽有不足9 m的淺灘；尤戈?duì)柡{的寬度在2～12 km 之間，其海底崎嶇，最淺處僅12 m；維利基茨基海峽的最窄處寬度不足60 m，深度在40～230 m 之間；約戈?duì)査够に_海峽的水深在13～30 m 之間。

受地形要素的影響，東北航道的表層海流主要是自西向東流動(dòng)，呈逆時(shí)針環(huán)流的形態(tài)，大部分時(shí)間其流速小于0.5 kn。部分海峽由于寬度狹窄而使得潮流較大，如楊斯克海峽在遭遇東北氣流時(shí)的洋流最高時(shí)速可達(dá)6.9 kn，維利基茨基海峽可達(dá)5 kn，拉普捷夫海峽在強(qiáng)風(fēng)時(shí)也能達(dá)到3～4 kn［11］。

1.2 西北航道

西北航道（NWP）是指由格陵蘭島經(jīng)加拿大北部北極群島到阿拉斯加北岸的航道（圖3）。該水域島嶼眾多，星羅棋布，是地球上地形最為復(fù)雜的海域之一［12］。

圖3 西北航道Fig.3 The routes of the Northwest Passage

西北航道氣候惡劣、溫度很低、冰情嚴(yán)重，一半左右的航道全年被冰所阻塞。其中，波弗特海北部的麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽受到來(lái)自北冰洋流冰的侵襲，冰況多變；維多利亞海峽和富蘭克林海峽冰情嚴(yán)重，全年只有8月底才能開(kāi)通航線；拉森海峽是航線上的主要冰障流段，直接影響西北航線的通行；布希亞海域的冰情較為嚴(yán)重，夏季冰量可達(dá)70%［13］；巴羅海峽有巴芬灣漂來(lái)的冰山，航行時(shí)需要注意防范。

航道上，有多處航段航道窄、水深淺，給船舶航行帶來(lái)了不利影響。其中，辛普森海峽、詹姆斯羅斯海峽和雷伊海峽寬度窄、水深淺、暗礁多。辛普森海峽最窄處寬約3 km，多處水深小于5.5 m；雷伊海峽的水深僅為5～18 m；拜洛特海峽寬度較窄，且具有較強(qiáng)的流，其北部的淺灘水深僅為4.3 m；阿蒙森灣附近的多芬聯(lián)合海峽有多處水深小于10 m。

在該航線上，巴芬灣和戴維斯海峽存在逆時(shí)針環(huán)流，平均流速為2 kn，西部沿加拿大東岸有拉布拉多冷流，平均流速為0.5 kn；波弗特海為順時(shí)針環(huán)流，平均流速為0.5 kn［14］。

1.3 航道的共同特點(diǎn)

綜合東北航道和西北航道的水域特征，從船舶操縱性設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，認(rèn)為在設(shè)計(jì)中應(yīng)著重關(guān)注如下幾點(diǎn)：

1）淺水。航行于淺水中的船舶通常伴隨有顯著的下沉和縱傾，會(huì)對(duì)其快速性和操縱性產(chǎn)生明顯的不利影響，可能導(dǎo)致觸底和擱淺事故的發(fā)生［15］。東北航道全線海域較淺，西北航道上的辛普森海峽、多芬聯(lián)合海峽等處的水深也較淺，使得淺水效應(yīng)成為北極航道航行船舶操縱性設(shè)計(jì)中不可忽視的問(wèn)題。

2）狹航道。在狹航道中航行的船舶易受航道岸壁和周?chē)叫谢蛲２创?、橋墩及其他系泊物的水?dòng)力干擾作用，使得發(fā)生碰撞、擱淺等海難事故的危險(xiǎn)性更大［16］。無(wú)論是東北航道還是西北航道，航線上都有大量狹窄的海峽需要穿越，這些海峽形成了天然的狹航道，也成為北極航道航行船舶操縱性設(shè)計(jì)中必須考慮的要素。

3）海流。海流會(huì)引起船舶漂移而改變其速度和位置，使其偏離預(yù)定的航向和航跡［17］。北極地區(qū)水深較淺，整體流速較高。根據(jù)各國(guó)的觀測(cè)資料和基于觀測(cè)資料的分析結(jié)果可知，北極航線上長(zhǎng)期存在著較為穩(wěn)定的海流，其流速約為0.5 kn。實(shí)際操作時(shí)，0.5 kn 的流速是較為安全的，但仍應(yīng)給予必要的重視。

2 北極航道冰況

浮冰是北極航道區(qū)別于其他航道最為顯著的特征，也是影響該航道航行船舶操縱性的關(guān)鍵因素。船舶航行于大面積的冰區(qū)時(shí)，其航向穩(wěn)定性由于受船體兩邊冰的作用而有所改善，但轉(zhuǎn)向卻變得困難，會(huì)出現(xiàn)小舵角轉(zhuǎn)不動(dòng)，大舵角一旦轉(zhuǎn)動(dòng)若想回舵把定住航向又很難的現(xiàn)象，尤其是在航道的轉(zhuǎn)向點(diǎn)附近，轉(zhuǎn)向操作有可能會(huì)造成船舶擱淺［18］。

度量浮冰對(duì)船舶操縱性的影響最重要的參數(shù)為冰量，通常采用十分法來(lái)表示。根據(jù)視界范圍內(nèi)海面上浮冰覆蓋的比例量，冰量可以分為如表1所示的10 級(jí)。

表1 冰量等級(jí)表Tab.1 Grade of ice

當(dāng)冰量在1/10 以下時(shí)，船舶可以自由航行；冰量為1/10～5/10 時(shí)，船舶需根據(jù)冰況調(diào)整航向；冰量為5/10～8/10 時(shí)，將對(duì)船舶航行造成嚴(yán)重的障礙；當(dāng)冰量達(dá)到8/10 以上時(shí)，需在破冰船的協(xié)助下航行。

2.1 東北航道

根據(jù)對(duì)東北航道各海域歷史冰情的分析，可歸納東北航道的冰情如表2［19］所示。

表2 東北航道各海域冰情一覽表Tab.2 List of sea ice conditions in Northeast Passage

通過(guò)對(duì)歷年冰況的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)東北航道最適合通航的時(shí)間為每年的9月，8月次之。

2.2 西北航道

根據(jù)對(duì)西北航道各海域歷史冰情的分析，可歸納西北航道的冰情如表3［20］所示。

表3 西北航道各海域冰情一覽表Tab.3 List of sea ice conditions in Northwest Passage

通過(guò)對(duì)歷年冰況的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)西北航道最適合通航的時(shí)間為每年的8月和9月。

3 北極航道氣象環(huán)境條件

氣象環(huán)境條件是影響船舶航行安全的重要因素，而北極惡劣的氣候環(huán)境更是對(duì)船舶航行安全有著嚴(yán)重的威脅，主要包括氣溫、能見(jiàn)度和風(fēng)等［21］。

3.1 氣 溫

氣溫對(duì)航行船舶的影響主要表現(xiàn)在低溫會(huì)使海水結(jié)冰并依附于船體上，而船體上依附的冰層會(huì)增大船舶的慣性力和慣性力矩，從而影響船舶的操縱性能。

受溫室效應(yīng)的影響，近年來(lái)，北極地區(qū)的氣溫呈不斷上升的趨勢(shì)，但跟其他海域的環(huán)境溫度相比，北極地區(qū)仍然極其寒冷。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，北極的年平均氣溫為-23 ℃，冬季平均氣溫達(dá)到了-34 ℃，夏季的氣溫介于-2～0 ℃之間。在最寒冷的1月，北極航區(qū)的氣溫在-5 ℃（挪威北部沿海）至-35 ℃（格林蘭中部、加拿大群島北部和西伯利亞北部）之間［22］；在最溫暖的7月，航區(qū)主要海域的溫度可達(dá)0 ℃以上。在夏季，北冰洋中央的多年海冰區(qū)能保持在恒溫0 ℃左右，為該航區(qū)的通航帶來(lái)了可能。北極地區(qū)7月及1月的氣溫分布如圖4所示。

圖4 北極地區(qū)7月及1月氣溫分布圖Fig.4 The distribution of Arctic temperature in July and January

依附于船體上的冰層對(duì)船舶操縱性的影響與附連水的效果相似，但作用力要大得多，在進(jìn)行操縱性預(yù)報(bào)及評(píng)估時(shí)，可視情況參照附加質(zhì)量的表達(dá)方法來(lái)表示。

3.2 能見(jiàn)度

能見(jiàn)度是指船員在船舶上能夠分辨目標(biāo)輪廓的最大距離，對(duì)船舶的航行安全有著直接影響。

在北極地區(qū)，影響能見(jiàn)度的最主要因素是海霧。霧對(duì)能見(jiàn)距離的影響嚴(yán)重，大霧可以使能見(jiàn)距離下降至幾米，并持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。在溫暖的季節(jié)，隨著海冰的融化，開(kāi)闊水域、冰間水道和融池不斷增加，水氣交換就會(huì)形成平流霧。夏季的東西伯利亞海和楚科齊海，其50%～70%的時(shí)間為霧天；白令海的情況更為嚴(yán)重，夏季有60%～70%的時(shí)間為霧天。在寒冷的季節(jié)，冷空氣經(jīng)過(guò)開(kāi)放水域時(shí)會(huì)使洋面較暖的水汽凝結(jié)形成蒸汽霧。當(dāng)溫度低于-30 ℃時(shí)，高緯度地區(qū)還會(huì)產(chǎn)生由懸浮顆粒所形成的冰霧。

冬季的吹雪也是影響航行能見(jiàn)度的一個(gè)常見(jiàn)因素。在北極地區(qū)，積雪松散且呈顆粒片狀，易于被風(fēng)吹起而形成吹雪。當(dāng)風(fēng)速高于24 km/h 時(shí)，吹雪將使能見(jiàn)度降低至10 km 以內(nèi)；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)48 km/h 時(shí)，能見(jiàn)度將降低至5 km 以下。

相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)能見(jiàn)距離低于4 km時(shí)，船舶會(huì)產(chǎn)生一定的航行安全隱患，而當(dāng)能見(jiàn)距離降低至1 km 以內(nèi)時(shí)，事故發(fā)生的概率將急劇增大，船舶航行危險(xiǎn)度進(jìn)一步加大。由于在北極地區(qū)發(fā)生霧、雨、雪等影響能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象很常見(jiàn)，因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮能見(jiàn)度對(duì)船舶成功實(shí)現(xiàn)最終避讓所需操縱性能的影響。

3.3 風(fēng)

風(fēng)主要作用于水線以上的主船體和上層建筑，會(huì)使船在行駛過(guò)程中產(chǎn)生偏航。通常將6 級(jí)風(fēng)作為影響船舶航行安全的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)。

目前，能系統(tǒng)地說(shuō)明北極地區(qū)洋面上風(fēng)的情況的資料較少，主要風(fēng)向分布情況參見(jiàn)圖5?，F(xiàn)有的科考觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，在北極地區(qū)，冬季多風(fēng)，夏季少風(fēng)，大風(fēng)的概率較小，全年的平均風(fēng)速為4～6 m/s，最大風(fēng)速極少超過(guò)25 m/s。

圖5 北極地區(qū)風(fēng)向分布Fig.5 The distribution of Arctic wind

東北航道各海域洋面上的風(fēng)主要受來(lái)自亞洲大陸和北冰洋上季節(jié)性氣壓系統(tǒng)的影響而呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，每年的11月至次年的3月主要為南風(fēng)或西風(fēng)，4～8月主要為東北風(fēng)或東南風(fēng)。其中，喀拉海冬季的平均風(fēng)力為5 級(jí)，夏季為3～4 級(jí)；拉普捷夫海和東西伯利亞海冬季的平均風(fēng)力為3～4 級(jí)；白令海屬阿留申低壓常年控制的海域，風(fēng)力較大；受白令海氣旋活動(dòng)的影響，楚科奇海的風(fēng)力也較大。

西北航道各海域受過(guò)境氣壓系統(tǒng)的影響而多變，但大多數(shù)海域仍以西北風(fēng)為主。其中，加拿大附近的海域主要為西北風(fēng)；波弗特海以東南風(fēng)為主；戴維斯海峽和巴芬灣主要為東南風(fēng)或西北風(fēng)；由于氣旋活動(dòng)頻繁，巴芬灣海域的風(fēng)力較大；西格陵蘭沿岸有強(qiáng)烈的地方性風(fēng)。

船舶在風(fēng)中航行時(shí)，由于必須用一定的平衡舵角來(lái)克服風(fēng)力的作用，且在回轉(zhuǎn)時(shí)能提供回轉(zhuǎn)舵力的舵角比無(wú)風(fēng)時(shí)小，因而無(wú)法像無(wú)風(fēng)時(shí)那樣回轉(zhuǎn)自如。由于北極航區(qū)常年有風(fēng)，行駛于該海域的船舶需要有一定的壓舵角方能保持直航，因此在操縱性設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮留有一定的設(shè)計(jì)余量。

4 操縱性設(shè)計(jì)需求

從以上對(duì)北極航道的特點(diǎn)及氣象環(huán)境條件的分析可以看出，淺水、狹航道、浮冰、氣溫、能見(jiàn)度和風(fēng)等因素為開(kāi)展該航區(qū)航行船舶操縱性設(shè)計(jì)所必須考慮的因素。與此同時(shí)，由于上述因素同時(shí)還影響著船舶快速性，而航速對(duì)船舶操縱性具有直接影響，因此在北極航道航行船舶的操縱性設(shè)計(jì)中，還需考慮船舶以較低航速航行時(shí)對(duì)操縱性的影響。

4.1 影響因素分析

在上述各影響因素中，有的因素會(huì)直接降低船舶的操縱性能（如航速、淺水、狹航道、浮冰和氣溫），而有的因素則對(duì)船舶的操縱性能提出了更高的要求（如能見(jiàn)度和風(fēng)）。

1）航速。

航速對(duì)船舶操縱性的影響可以用傅汝德數(shù)Fr對(duì)回轉(zhuǎn)性指數(shù)K 和直線穩(wěn)定性T 的影響來(lái)反映。當(dāng)Fr增大時(shí)，由于興波以及隨之而來(lái)的船艉縱傾的變化，使得回轉(zhuǎn)阻力對(duì)慣性力或舵力矩的比例提高，即K，T 指數(shù)均減小，從而使直線穩(wěn)定性增加而回轉(zhuǎn)性下降；而當(dāng)Fr減小時(shí)，由于發(fā)生了使船艏擺動(dòng)或橫移的力，或者由于修正該力的舵力減小，所以使得航向穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性均降低［23］。

在設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際航行速度來(lái)估計(jì)船舶操縱性的變化情況，以便采取相應(yīng)的措施。

2）淺水。

圖6 戰(zhàn)術(shù)直徑與相對(duì)水深的關(guān)系Fig.6 The relationship of DT and h/T

在設(shè)計(jì)中，可將航道最淺處的水深作為目標(biāo)水深進(jìn)行淺水效應(yīng)對(duì)操縱性影響的計(jì)算。

3）狹航道。

狹航道除了會(huì)產(chǎn)生類似淺水效應(yīng)的現(xiàn)象外，還有可能會(huì)使船舶產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)和橫移。一般認(rèn)為，在水深較深的狹航道內(nèi)，當(dāng)航道有效寬度與船寬之比b/B＜20，航速（其中：V 為航速，kn；L為船長(zhǎng)，m）時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)狹航道效應(yīng)［25］。

在北極地區(qū)，由于除維利基茨基海峽的最窄處外，其他海峽的寬度一般都在2 km 以上，其寬度與船寬之比遠(yuǎn)大于20，而航速方面可以通過(guò)控制來(lái)避免狹航道效應(yīng)，因此，在設(shè)計(jì)中可以不用過(guò)多考慮狹航道對(duì)船舶操縱所帶來(lái)的不利影響。

4）海流。

由于海流作用于船體水線以下，因此通常只考慮定常和均勻流，其作用力可表達(dá)如下：

式中：Xc，Yc和Nc分別為沿船體x 軸和y 軸的流動(dòng)力以及繞z 軸的流動(dòng)力矩；CX(β)，CY(β)和CN(β)分別為沿船體x 軸和y 軸的流動(dòng)力系數(shù)以及繞z 軸的流動(dòng)力矩系數(shù)；AfW，AsW分別為船舶水線以下的正投影和側(cè)投影面積；LoA為總長(zhǎng)；Vc為流速。

北極地區(qū)由于水深較淺，會(huì)造成整體流速偏大，根據(jù)模式同化的SODA（Simple Ocean Data Assimilation 2.0.2）月平均資料得到的海流情況及部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［26］，可知北極航道的表層流速多在0.5 kn 左右，屬于可安全航行范圍。對(duì)于部分流速較高的航段，如楊斯克海峽、維利基茨基海峽等，由于其潮流主要為潮汐或風(fēng)生流，因而可以通過(guò)選擇時(shí)機(jī)來(lái)予以規(guī)避。所以，在設(shè)計(jì)中可按照0.5 kn 的流速進(jìn)行海流對(duì)操縱性影響的估算。

5）浮冰。

浮冰對(duì)船舶操縱性的影響與其密度和厚度相關(guān)，會(huì)因船艏兩側(cè)浮冰的厚薄不均而產(chǎn)生“厚冰效應(yīng)”?？衫门鲎材芰糠▽?duì)各種情況下浮冰對(duì)船的影響進(jìn)行估算。

式中：Ek為浮冰碰撞能量，N·m；k 為能量耗散折減系數(shù)；m=γitA，為浮冰質(zhì)量，kg，其中γi為冰密度，kg/m3，t 為海冰厚度，m，A 為浮冰面積，m2；v 為碰撞時(shí)的浮冰速度，m/s；Cm為附加質(zhì)量因數(shù)。

上述碰撞力用能量公式表示如下：

式中：Es為船體吸收碰撞能量，N·m；F 為碰撞力，N；D1為位移，m。

設(shè)計(jì)中，取Es=Ek即可根據(jù)航區(qū)航行季節(jié)的平均浮冰密度和厚度進(jìn)行浮冰對(duì)船舶操縱性影響的計(jì)算。

6）氣溫。

氣溫對(duì)船舶操縱性的影響是通過(guò)凝結(jié)在船體上的浮冰來(lái)體現(xiàn)的。

目前，針對(duì)不同氣溫、不同航速、不同形狀海洋結(jié)構(gòu)物在低溫下的結(jié)冰情況尚無(wú)有效的估算方法，因此，暫時(shí)無(wú)法就氣溫對(duì)船舶操縱性的影響提出有效的估計(jì)，只能在設(shè)計(jì)中留取一定的余量以作為儲(chǔ)備。

7）能見(jiàn)度。

能見(jiàn)度不會(huì)直接影響船舶的操縱性能，但其對(duì)船舶操縱的影響卻非常明顯。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，船舶發(fā)生的事故數(shù)與能見(jiàn)距離之間具有如式（4）所示的指數(shù)關(guān)系。

式中：K1為船舶事故數(shù)；D2為能見(jiàn)距離，km。

設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的能見(jiàn)度選取安全的航速，并進(jìn)行該航速下的操縱性計(jì)算預(yù)報(bào)，以核實(shí)該航速下航行的安全性，從而為駕駛?cè)藛T提供理論支撐。

8）風(fēng)。

風(fēng)主要作用于水線以上的主船體和上層建筑，其對(duì)船舶操縱運(yùn)動(dòng)的影響可用下式表示：

式中：Xa，Ya，Ka和Na分別為沿船體x 軸和y軸的氣動(dòng)力以及繞x 軸和z 軸的氣動(dòng)力矩；CXa，CYa，CKa和CNa分別為沿船體x 軸和y 軸的氣動(dòng)力系數(shù)以及繞x 軸和z 軸的氣動(dòng)力矩系數(shù)；AT，AL分別為船舶水線以上的正投影和側(cè)投影面積；HLm為相對(duì)船高，；Va，ρa(bǔ)分別為風(fēng)速和空氣密度。

設(shè)計(jì)中，可按照25 m/s 的風(fēng)速（即北極地區(qū)極少超過(guò)的風(fēng)速）對(duì)船舶所可能采用的最大壓舵角進(jìn)行估算，以留取設(shè)計(jì)舵角余量。

4.2 操縱性設(shè)計(jì)建議

由于北極航道所存在的各項(xiàng)影響因素均對(duì)船舶安全操縱產(chǎn)生不利影響，因此，應(yīng)對(duì)航行于該海區(qū)船舶的操縱性設(shè)計(jì)提出更高的要求，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）選取更大的舵面積系數(shù)。較之各類船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)舵面積系數(shù)的推薦值，北極航道航行船舶在進(jìn)行舵設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取更大的舵面積系數(shù)?？筛鶕?jù)所航行海區(qū)通常的能見(jiàn)度范圍、水深吃水比、岸壁距離、浮冰密度及氣溫等進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整原則為：能見(jiàn)度越低，所需的舵面積系數(shù)便越大；水深吃水比越小，所需的舵面積系數(shù)便越大；岸壁距離越小，所需的舵面積系數(shù)便越大；浮冰密度越大，所需的舵面積系數(shù)便越大；氣溫越低，所需的舵面積系數(shù)便越大。

2）留取一定的設(shè)計(jì)舵角余量。由于北極航區(qū)常年有風(fēng)，因此需留有一定的壓舵角以保證船舶具有所需的操縱性能。根據(jù)對(duì)幾型不同噸位船舶的理論計(jì)算，認(rèn)為在設(shè)計(jì)中留取5°～10°的舵角可滿足使用需求。

3）在設(shè)計(jì)階段應(yīng)開(kāi)展多個(gè)航速的操縱性計(jì)算預(yù)報(bào)。由于北極航區(qū)存在淺水、狹航道、浮冰以及能見(jiàn)度低等不利影響，其航區(qū)內(nèi)船舶的航行速度受到了限制，較之其正常航行速度可能會(huì)有一定幅度的降低。為保證船舶在整個(gè)航段內(nèi)的航行安全，建議在設(shè)計(jì)階段對(duì)各典型航速下的操縱性能進(jìn)行計(jì)算預(yù)報(bào)，以便船舶駕駛?cè)苏莆諣顟B(tài)。

5 結(jié) 論

1）淺水、狹航道、浮冰、氣溫、能見(jiàn)度和風(fēng)等因素為開(kāi)展北極航道航行船舶操縱性設(shè)計(jì)所必須考慮的因素。

2）極區(qū)環(huán)境影響了船舶的快速性，這一點(diǎn)在操縱性設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)關(guān)注。

3）在北極航道航行船舶操縱性設(shè)計(jì)中，建議選取更大的舵面積系數(shù)，并留取一定的設(shè)計(jì)舵角余量，以確保所設(shè)計(jì)船舶能充分適應(yīng)極區(qū)環(huán)境對(duì)操縱性的要求。

4）建議在北極航道航行船舶設(shè)計(jì)階段開(kāi)展多個(gè)典型航速的操縱性計(jì)算預(yù)報(bào)，以保證船舶在整個(gè)航段內(nèi)的航行安全。

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