Остойчивость и борьба за живучесть

Предварительные требования

Этот урок предполагает знания уровня Yachtmaster Coastal по управлению яхтой в тяжёлую погоду, базовое знание конструкции яхты (киль, балласт, подводная арматура, кингстоны) и умение пользоваться трюмными помпами. Он напрямую связан с уроками Offshore о действиях в тяжёлую погоду (лежание в дрейфе, уваливание под ветер, плавучие якоря и восстановление после кренения до мачты) и об оставлении судна. Математика не выходит за рамки умножения и деления. Если у вас есть буклет по остойчивости, категория проектирования RCD/ISO 12217 или номер STIX, держите их под рукой: вы узнаете, что означают эти цифры.

Цели обучения

К концу этого урока вы должны уметь:

• Определить центр тяжести (G), центр величины (B), метацентр (M), метацентрическую высоту (GM) и плечо восстанавливающего момента (GZ).
• Читать диаграмму GZ и определять начальную остойчивость, максимальное GZ, угол исчезающей остойчивости, угол заливания и площадь под кривой.
• Объяснить, как загрузка, палубные грузы и частично заполненные цистерны (эффект свободной поверхности) меняют остойчивость, и рассчитать эффект перемещения груза.
• Объяснить, почему волны и обрушивающиеся валы могут опрокинуть яхту, которая статически устойчива.
• Объяснить длину затопления, остойчивость при повреждении и пределы контрзатопления.
• Провести последовательность борьбы за живучесть: найти течь, остановить или замедлить поступление воды, откачать, оценить остойчивость и принять решение.
• Оценить поступление воды через пробоину и сравнить его с реальной производительностью помп.
• Сопоставить свои знания с пунктами программы RYA Yachtmaster Offshore (G158) по остойчивости и борьбе за живучесть: факторы, влияющие на остойчивость и мореходность яхты, риск опрокидывания в тяжёлую погоду, влияние грузов и свободной поверхности, затопление и борьба за живучесть, использование помп, остановка течей и решение об оставлении судна, в том виде, в каком экзаменатор проверяет их на устной части и в практических аварийных учениях.
• Использовать формулу скрининга опрокидывания и значения остойчивости с заводской таблички, чтобы оценить пригодность яхты для работы в открытом море.
• Различать крен на борт (list) и угол лолла (angle of loll) и правильно действовать в каждом случае.
• Рассчитать влияние силы ветра на кренящий момент и объяснить, почему раннее взятие рифов — это решение, касающееся остойчивости.

Основные силы

Плавающая яхта испытывает действие двух равных и противоположно направленных сил:

• Вес, действующий вертикально вниз через центр тяжести, G. Положение G зависит от распределения массы: корпус, балластный киль, такелаж, двигатель, цистерны, запасы и экипаж.
• Плавучесть, действующая вертикально вверх через центр величины, B, геометрический центр подводного объёма.

В прямом положении G и B лежат на одной вертикали, и судно находится в равновесии. Когда яхта кренится, форма подводной части меняется: на низком борту погружается больший объём, поэтому B смещается к низкому борту. G не смещается (если только что-то внутри не сдвинулось). Теперь две силы образуют пару, разнесённую по горизонтали на расстояние, которое называется плечом восстанавливающего момента, GZ. Восстанавливающий момент равен водоизмещению, умноженному на GZ.

Восстанавливающий момент = водоизмещение × GZ

Яхта водоизмещением 8 тонн с GZ 0,5 м при крене 30 градусов имеет восстанавливающий момент 4 тонно-метра. Всё, что пытается накренить её сильнее (ветер в парусах, волна, экипаж у наветренного фальшборта), должно преодолеть этот момент.

Метацентр и GM

При малых углах крена (примерно до 10–15 градусов) вертикаль через новый центр величины пересекает диаметральную плоскость в почти неизменной точке, которая называется метацентром, M. Расстояние от G до M называется метацентрической высотой, GM.

Click to zoom

При малых углах GZ примерно равно GM, умноженной на синус угла крена. Поэтому GM определяет начальную остойчивость: насколько жёсткой или мягкой ощущается лодка, когда она только начинает крениться.

• Большое GM: жёсткая лодка, сопротивляется крену, но имеет резкую, рывковую качку, которая неприятна, утомляет и нагружает такелаж.
• Малое GM: мягкая лодка, легко кренится, с медленной и комфортной качкой.
• Отрицательное GM (G выше M): лодка не будет держаться прямо, а станет лоллировать на один борт. В нормальном состоянии это не должно происходить на яхте; если это случилось, произошло что-то серьёзное (затопление, лёд, большой груз, добавленный высоко).

Широкая плоскодонная современная крейсерская яхта получает значительную часть начальной остойчивости за счёт формы (форма корпуса: B далеко смещается в сторону при крене). Узкая глубокосидящая классическая яхта получает бо́льшую часть остойчивости за счёт массы (низкий G). Это важно при больших углах, как вы увидите дальше.

Диаграмма GZ

Диаграмма GZ (диаграмма статической остойчивости) показывает зависимость плеча восстанавливающего момента от угла крена — от прямого положения до опрокидывания. Её рассчитывает конструктор для заявленного состояния загрузки, обычно «минимальная эксплуатационная» (пустые цистерны, минимальный экипаж), что является худшим случаем.

По диаграмме можно считать следующие характеристики:

Угол исчезающей остойчивости

AVS — самая часто приводимая отдельная цифра, и именно о ней спрашивают экзаменаторы.

Click to zoom

Как общее правило, яхта для открытого моря должна иметь AVS не менее 120 градусов, а океанская яхта — 130 градусов и более. Категории проектирования по Директиве о рекреационных судах (RCD) и ISO 12217-2 используют сочетание AVS, водоизмещения и числа STIX (индекс остойчивости):

Обратите внимание: минимальный AVS для категории зависит от водоизмещения лодки: лёгкая лодка в категории A нуждается в большем AVS, чем тяжёлая. Широкая, лёгкая лодка с высоким надводным бортом может иметь очень большое максимальное GZ, но сравнительно малый AVS и большую отрицательную площадь, а значит, может оставаться перевёрнутой некоторое время после опрокидывания.

Площадь под кривой: динамическая остойчивость

Статическая остойчивость (высота кривой) показывает, какой установившийся кренящий момент лодка может выдержать. Но опрокидывание в тяжёлую погоду вызывается ударом обрушивающейся волны, который передаёт энергию, а не постоянное давление. Энергия, которую яхта может поглотить до опрокидывания, равна площади под кривой GZ, умноженной на водоизмещение.

Click to zoom

Две лодки с одинаковым максимальным GZ могут иметь очень разное сопротивление опрокидыванию: та, у которой кривая остаётся положительной в более широком диапазоне углов, имеет бо́льшую площадь и поглотит больше энергии волны. Важно также водоизмещение: при одной и той же кривой GZ более тяжёлая лодка имеет больший восстанавливающий момент и поглощает больше энергии.

Угол заливания

Кривая GZ предполагает, что корпус водонепроницаем. На деле при некотором угле крена вода начинает поступать через открытые проёмы: трап из каюты, открытые люки, ящики в кокпите, вентиляторы, забор воздуха для двигателя. Это и есть угол заливания.

Click to zoom

За этим углом вода заливает внутрь, добавляя вес высоко и создавая свободную поверхность, и реальная остойчивость падает намного быстрее, чем предполагает кривая. Практические последствия:

• В тяжёлую погоду закройте и закрепите все люки, установите дверные (вставные) доски (закреплённые так, чтобы они не выпали при переворачивании), закройте вентиляторы и неиспользуемые кингстоны, заприте крышки кокпитных ящиков.
• Яхта, положенная на 90 градусов с открытым главным люком, может принять сотни литров за секунды. Несколько яхт в гонках Fastnet 1979 и Sydney Hobart 1998 были потеряны или почти потеряны из-за заливания после кренений до мачты.
• Люки, которые нельзя закрыть и изнутри и снаружи, или незакреплённые дверные доски фактически снижают угол заливания.

Как загрузка меняет остойчивость

Груз высоко и груз низко

Любой поднятый груз поднимает G, что укорачивает GZ при каждом угле. Влияние на кривую показано ниже.

Click to zoom

Типичные виновники на переходе:

• Надувная лодка или подвесной мотор на шлюпбалках или на носовой палубе.
• Солнечные панели, радар и ветрогенераторы на арках и мачте.
• Запасное топливо и вода в канистрах, закреплённые на леерах.
• Грот с мачтовым рифлением, тяжёлое оборудование рулонного рифления и дополнительные фалы наверху (вес наверху имеет очень большое влияние из-за плеча).
• Якоря и цепь, уложенные в форпиковый ящик (высоко и в оконечности судна, что также увеличивает килевую качку).
• Члены экипажа, сидящие на рубке.

Практические правила: тяжёлые вещи укладывайте низко и ближе к центру лодки; запасной якорь и запасную цепь храните в трюме возле мачты; держите палубу свободной перед тяжёлой погодой; никогда не ставьте тяжёлые запасы на высокие полки.

Расчёт смещения G

Когда груз перемещается внутри лодки, G смещается параллельно направлению перемещения груза:

Смещение G (GG1) = (перемещённый груз × перемещённое расстояние) / полное водоизмещение

Та же формула, с добавленным или снятым грузом, даёт хорошее приближение, если груз мал по сравнению с водоизмещением.

Эффект свободной поверхности

Когда цистерна наполнена частично, поверхность жидкости остаётся горизонтальной при крене лодки. Жидкость перетекает к низкому борту, смещая её центр тяжести наружу, что имеет тот же эффект, что и подъём G. Это называется виртуальным подъёмом G из-за свободной поверхности.

Click to zoom

Ключевые положения:

• Эффект зависит от ширины свободной поверхности в кубе, а не от количества жидкости. Наполовину заполненная широкая цистерна гораздо опаснее узкой и глубокой. Разделение цистерны продольной перегородкой на две половины уменьшает эффект в четыре раза.
• Цистерна, полностью заполненная («запрессованная») или полностью пустая, не имеет свободной поверхности.
• Трюмная вода, плещущаяся по широкому мелкому трюму, — худший случай из всех: широкая, ничем не ограниченная и часто с мусором.

Для прямоугольной цистерны виртуальный подъём G примерно равен:

Виртуальный подъём = (длина × ширина в кубе / 12) × плотность жидкости / водоизмещение

Пример. Водяная цистерна длиной 1,0 м и шириной 1,2 м под полом салона, наполовину заполненная, на яхте водоизмещением 8 тонн: (1,0 × 1,2 × 1,2 × 1,2 / 12) × 1,0 / 8 = 0,144 / 8 = 0,018 м. Теперь представьте 500 литров забортной воды в трюме шириной 2,0 м и длиной 3,0 м: (3,0 × 8,0 / 12) × 1,025 / 8 = 2,0 × 1,025 / 8 = 0,26 м. Это треть GM типичной яхты, потерянная ещё до учёта веса воды.

Управление цистернами в море:

1. Перед тяжёлой погодой держите цистерны либо полными, либо пустыми: перекачайте топливо или воду, чтобы запрессовать одну цистерну и опустошить другую.
2. Расходуйте воду или топливо из парных левой и правой цистерн поровну, чтобы не допустить крена, либо полностью опустошайте одну цистерну, прежде чем начинать следующую.
3. Откачивайте трюм досуха; следите, чтобы шпигаты были свободны, и вода доходила до помпы.
4. Не держите большие количества топлива или воды в гибких ёмкостях или канистрах на палубе.

Пример расчёта: остойчивость

Схема ниже кратко показывает расчёт, который следует.

Click to zoom

Яхта длиной 12 м имеет водоизмещение 8 000 кг (включая надувную лодку) и GM 0,80 м. Для перехода в открытом море владелец поднимает 100-килограммовую надувную лодку с пола кокпита на кормовые шлюпбалки, поднимая её центр тяжести на 2,5 м.

1. Смещение G: GG1 = (100 × 2,5) / 8 000 = 0,031 м.
2. Новое GM = 0,80 − 0,031 = 0,769 м.
3. Водяные цистерны наполовину заполнены, что даёт дополнительный виртуальный подъём G на 0,05 м.
4. Эффективное GM = 0,769 − 0,05 = 0,719 м, снижение на 10 процентов.

Что это значит? При крене 10 градусов GZ примерно равно GM × sin 10 градусов (0,174):

Тот же подъём G укорачивает GZ при каждом угле, поэтому вся кривая сжимается, максимальное GZ падает, а AVS приближается. Добавьте канистры на релинге, мокрый грот с мачтовым рифлением и тяжёлый якорь в форпике, и потери накопятся. Каждое решение само по себе кажется незначительным; вместе они могут превратить AVS 125 градусов в AVS 110 градусов.

Кренящие моменты: почему так важен ветер

Остойчивость — только половина картины. Другая половина — то, что пытается накренить лодку. Кренящий момент от ветра на парусах приблизительно равен:

Кренящий момент = сила на парусах × высота центра парусности над центром бокового сопротивления

Сила на парусах пропорциональна квадрату скорости ветра. Удвоение скорости ветра означает вчетверо большую силу.

Пример расчёта. Крейсерская яхта длиной 10 м несёт 55 квадратных метров парусов. При ветре 15 узлов (7,7 м/с, сила 4) сила на парусах при лавировке около 0,5 × 1,2 × 7,7² × 1,0 × 55 = около 1 960 Н (примерно 200 кгс). При центре парусности на 5 м выше центра бокового сопротивления кренящий момент составляет около 1 000 кг·м. При 30 узлах (15,4 м/с, сила 7) те же паруса, если они остаются поставленными, дадут в четыре раза большую силу, около 4 000 кг·м. Если максимальный восстанавливающий момент яхты равен 8 тонн × 0,65 м = 5 200 кг·м, то сила 7 при полном парусе доводит её до 77 процентов от максимума, без запаса на порыв, волну или ошибку. Уменьшение площади парусов вдвое рифлением вдвое снижает кренящий момент и одновременно опускает центр парусности: эффект больше, чем подсказывает одна лишь площадь парусов.

Равновесие. Яхта кренится до тех пор, пока восстанавливающий момент не станет равен кренящему. Посмотрите на кривую GZ: установившийся угол крена находится там, где GZ, умноженное на водоизмещение, равно кренящему моменту. Жёсткая лодка (большое GM) при том же ветре кренится меньше. Лодка, уже накренённая на 35–40 градусов в порывах, находится близко к вершине своей кривой и имеет мало запаса: берите рифы раньше.

Порывы и шквалы. Порыв — это внезапное усиление ветра, часто на 50 процентов и более, и кренящий момент растёт пропорционально квадрату отношения: увеличение ветра на 50 процентов даёт в 2,25 раза большую силу. Яхта, близкая к максимальному восстанавливающему моменту при установившемся ветре, будет положена порывом. Рифы нужно брать до шквала, а не во время него. Травление шкотов, поворот против ветра и отдача гика или траверзной тележки снимают силу крена за секунду; экипаж должен быть готов это сделать.

Влияние крена на паруса

По мере крена яхты паруса подставляют ветру меньшую площадь, а центр парусности смещается под ветер, поэтому кренящий момент немного падает, пропорционально косинусу угла крена. Это помогает, но не намного. При крене 60 градусов грот почти горизонтален, яхта почти положена, и сила резко падает, поэтому положенные яхты часто выравниваются, когда паруса «выбивает» ветром. Не полагайтесь на это.

Пример кривой GZ и динамическая остойчивость

В таблице ниже приведены значения GZ для типичного крейсера для открытого моря водоизмещением 8 тонн в минимальном эксплуатационном состоянии.

• Максимальное GZ равно 0,65 м при 45 градусах. Максимальный восстанавливающий момент составляет 8 000 × 0,65 = 5 200 кг·м.
• AVS равен 130 градусам.
• Начальное GM примерно равно GZ при 15 градусах, делённому на синус 15 градусов (0,259): 0,30 / 0,259 ≈ 1,16 м. Это приблизительно, поскольку GZ при 15 градусах уже немного ниже касательной из начала координат.
• Площадь под кривой. Используйте правило трапеций на каждом интервале: 15 × (0 + 0,30)/2 = 2,25; 15 × (0,30 + 0,55)/2 = 6,4; 15 × (0,55 + 0,65)/2 = 9,0; 15 × (0,65 + 0,60)/2 = 9,4; 30 × (0,60 + 0,30)/2 = 13,5; 20 × (0,30 + 0,10)/2 = 4,0; 20 × (0,10 + 0)/2 = 1,0. Итог составляет около 45,5 метро-градусов, или 45,5 × 0,01745 = 0,79 метро-радиан.
• Энергия для опрокидывания (до AVS) равна водоизмещению × ускорение свободного падения × площадь = 8 000 × 9,81 × 0,79 ≈ 62 000 Дж (62 кДж). Это звучит много, но обрушивающаяся волна несёт на длине корпуса гораздо больше энергии. Именно поэтому статическая остойчивость яхты не делает её невосприимчивой к опрокидыванию в обрушивающемся волнении.

Теперь рассмотрим эффект добавления 300 кг на верхушку мачты и такелаж (например, тяжёлый радар, мачтовое рифление и мокрый грот), на 9 м выше G. GG1 = 300 × 9 / 8 300 = 0,33 м подъёма G. GZ при каждом угле падает на GG1, умноженное на синус угла: при 45 градусах на 0,33 × 0,707 = 0,23 м, что снижает GZ с 0,65 примерно до 0,42 м. При 90 градусах GZ падает с 0,30 примерно до 0 (0,30 − 0,33). AVS снижается с 130 градусов почти до 90. Этот упрощённый расчёт (поправка GG1 × sin(крен) для вертикального смещения G) показывает, почему вес наверху так опасен и почему скромное на вид добавление может превратить безопасную океанскую лодку в пограничную. Используйте это как верхнюю оценку, поскольку другие эффекты, например изменение водоизмещения, не учтены, но суть урока остаётся.

Скрининг опрокидывания и цифры на табличке

Формула скрининга опрокидывания

Быстрый показатель сопротивления яхты опрокидыванию в обрушивающемся волнении, используемый в правилах океанских гонок, — это формула скрининга опрокидывания (CSF):

CSF = максимальная ширина (м) / (объём водоизмещения в кубических метрах)^(1/3)

Объём водоизмещения равен массе водоизмещения в тоннах, делённой на 1,025 (плотность морской воды). Значение 2,0 или меньше считается приемлемым для работы в открытом море; широкие, лёгкие яхты имеют большие значения и большую восприимчивость к опрокидыванию и к тому, чтобы оставаться перевёрнутыми.

Пример. Яхта водоизмещением 8 тонн имеет максимальную ширину 3,8 м. Объём = 8 / 1,025 = 7,8 кубического метра; кубический корень равен 1,98. CSF = 3,8 / 1,98 = 1,92. Это ниже 2,0, поэтому яхта проходит скрининг. Более лёгкая и широкая яхта шириной 4,0 м и водоизмещением 6 тонн имеет объём 5,85 кубического метра, кубический корень 1,80 и CSF 2,2: менее пригодна для тяжёлых условий открытого моря.

CSF — инструмент скрининга, а не гарантия. Он не учитывает балласт, глубину киля и AVS.

Другие цифры

• Индекс остойчивости (STIX) по ISO 12217-2 объединяет длину, ширину, водоизмещение, AVS, высоту заливания, балласт и другие факторы в одно число, определяющее категорию проектирования. Сверьтесь с заводской табличкой и руководством владельца.
• Коэффициент балласта — масса киля, делённая на полное водоизмещение, — обычно составляет 30–40 процентов для крейсерской яхты. Это показатель остойчивости за счёт массы, но не мера.
• Восстанавливающий момент на градус крена при 1 градусе, указанный в руководстве некоторых яхт, позволяет сравнивать лодки.
• Категории проектирования от A до D говорят о том, для каких условий яхта спроектирована, а не о том, что она способна выдержать при перегрузке.

Крен, лолл и отрицательное GM

Яхта, накренённая там, где она должна быть прямо, либо имеет список, либо лоллирует, и лечение в этих случаях различно.

Угол лолла опасен, потому что лодка почти не имеет остойчивости вблизи прямого положения. Это признак того, что случилось что-то серьёзное: затопление со свободной поверхностью, сильное обледенение или огромный груз наверху. Проверяется медленным покачиванием: яхта, лоллирующая на левый борт, медленно перекатится на правый борт, пройдя вертикаль, и устоится под похожим углом на правом борту. Относитесь к этому как к аварийной ситуации, немедленно уменьшите свободную поверхность и опустите G.

Практическая подготовка к переходу в открытом море

Перед выходом шкипер должен провести проверку остойчивости в рамках инструктажа по безопасности:

1. Знайте цифры. Категорию проектирования, AVS и CSF (если доступны) вашей яхты. Если вы их не знаете, найдите их.
2. Укладывайте низко и по центру. Тяжёлые предметы — на полу каюты, над килем и как можно ближе к центру лодки.
3. Держите палубу свободной. Надувная лодка надёжно закреплена и как можно ниже (если не на шлюпбалках), канистры — в кокпитных ящиках или внизу, ничего не болтается.
4. Проверьте проёмы, через которые возможно заливание. Люки, иллюминаторы, вентиляторы, кокпитные ящики. Дверные доски закреплены фалинями. Кингстоны закрыты, когда не используются.
5. Спланируйте цистерны. Полные или пустые. Если сначала используется правая цистерна, переключитесь на левую перед длинным галсом.
6. Проверьте схему рифления и будьте готовы взять рифы до усиления ветра. Настройте паруса под нужды яхты.
7. Следите по мере перехода. По мере расхода топлива и воды яхта становится легче, и G может подняться. Мокрые паруса, лёд и брызги добавляют вес наверху. Рассмотрите запасные полбака топлива в низкой цистерне как балласт.

Потеря мачты и повреждения корпуса

Потеря мачты — это событие остойчивости в той же мере, что и событие такелажа. Такелаж, упавший за борт, всё ещё крепится вантами и становится тараном против корпуса. Море его двигает и может пробить борт за несколько минут.

• Действуйте немедленно. Отрежьте его болторезами, ножовкой или вынув клевисные штифты, в зависимости от того, что быстрее. Не медлите в надежде спасти его: жизнь экипажа важнее. Убедитесь, что весь экипаж на месте и никто не ранен.
• Защитите винт и руль. Не запускайте двигатель, пока не убедитесь, что в воде нет концов. Запутавшийся винт — обычная причина того, что яхта, потерявшая мачту, не может идти на моторе.
• Установите временный такелаж из гика, спинакер-гика или остатков мачты, если сможете, и положите на якорь или выставьте плавучий якорь, если яхта дрейфует на подветренный берег.
• Вызовите помощь (Pan-Pan) и сообщите позицию и намерения.
• Проверьте корпус на повреждения в месте удара такелажа и на течи у вантовых путенсов и в палубе там, где стояла мачта.

Аварийный набор

Хорошо подготовленная океанская яхта хранит следующее в известном, сухом месте:

Работоспособность всего этого обеспечивается тренировкой (каждый член экипажа должен знать, где пробки, кингстоны и помпы) и отработкой кингстонов: обойдите лодку и потрогайте каждый кингстон, назовите его арматуру и способ его закрыть.

Пример разбора: кренение до мачты и заливание

В 2300, при шторме силы 8, ваша яхта длиной 12 м идёт фордевинд без парусов, когда обрушивающийся вал ударяет её в кормовой квадрат и кладёт на 100 градусов. Мачта на несколько секунд уходит в воду. Яхта выпрямляется. Дверные доски трапа были вынуты для вентиляции, и 200 литров воды попали внутрь. Экипаж потрясён, один ранен, аккумуляторы намокли. Вода плещется из борта в борт в салоне.

1. Первоочередные задачи. Проверьте, все ли на месте, выведите их в кокпит с пристёгнутыми карабинами и остановите поступление воды: вставьте дверные доски и закройте люк. Включите свет.
2. Оцените свободную поверхность. 200 литров — это около 0,2 тонны: 2,5 процента водоизмещения. Но на широком полу салона свободная поверхность имеет большой эффект: для поверхности 3 м на 2 м виртуальный подъём G равен (3 × 2³ / 12) × 1,025 / 8 = 2,0 × 1,025 / 8 = 0,26 м, что составляет треть типичного GM. Второе кренение до мачты может оказаться намного хуже. Откачайте воду быстро.
3. Откачивайте и вычерпывайте. Используйте ручную и электрическую помпы и вёдра. Проверьте сетки-фильтры.
4. Снизьте подверженность ударам. Выставьте плавучий якорь, чтобы держать корму к волнам и замедлить яхту, или ложитесь в дрейф, если есть место для маневра.
5. Проверьте повреждения. Такелаж, корпус, трап и электрику. Проверьте экипаж на травмы.
6. Сообщите береговой охране. Pan-Pan с позицией, повреждениями и намерениями. Рассмотрите просьбу о том, чтобы спасательная шлюпка находилась в готовности.
7. Пересмотрите тактику. Волна обрушивалась размером, сопоставимым с длиной корпуса, а яхта шла быстро. Замедлитесь ещё больше и держите корму к волнам.

Ключевой урок в том, что запас остойчивости складывается из кривой и герметичности корпуса, и оба должны поддерживаться до прихода волны.

Ожидания экзаменатора

• Уметь определить и нарисовать G, B, M, GM и GZ, а также диаграмму GZ с отмеченным AVS.
• Ответить на вопросы: «Что будет с остойчивостью, если заполнить эту наполовину пустую цистерну?» (свободная поверхность исчезает, остойчивость растёт) и «Где ваш диапазон положительной остойчивости?» (до AVS, цифру которого вы должны знать для своей лодки).
• Назвать последовательность борьбы за живучесть по памяти и объяснить каждый шаг. RYA ожидает системного ответа: найти пробоину, остановить воду, откачать, оценить остойчивость, принять решение.
• Знать, где находятся все кингстоны и трюмные помпы на экзаменационной лодке, и показать это.
• Трезво оценивать производительность помп и пределы лодки.

Остойчивость на волнении

Диаграмма GZ рассчитывается для спокойной воды. В море:

• Гребень волны на миделе: нос и корма меньше погружены, а ватерлиния посередине на многих формах корпуса сужается, поэтому остойчивость может заметно упасть именно тогда, когда яхта находится на вершине волны и наиболее открыта ветру и обрушивающемуся гребню.
• Обрушивающиеся волны дают внезапный удар. Обрушивающийся вал выше примерно 55 процентов длины корпуса, ударяющий в борт, может положить большинство яхт независимо от их статической кривой. Именно поэтому лежание в дрейфе без хода на обрушивающемся волнении так опасно и почему предпочитают активную тактику (уваливание под ветер с плавучим якорем, лежание в дрейфе, ход против волн на моторе).
• Развороты: спускаясь по склону волны, яхта может рыскнуть бортом к волне и быть положена, после чего её ударит следующий гребень.
• Резонанс качки: если период волн совпадает с собственным периодом качки лодки, качка нарастает. Изменение курса или скорости меняет период встречи и разрывает цикл.
• Вода на палубе и в кокпите добавляет вес наверху со свободной поверхностью. Шпигаты кокпита должны быть достаточно большими, чтобы быстро опорожнить затопленный кокпит.

Остойчивость при повреждении

Длина затопления

Если отсек затапливается, яхта оседает и дифферентуется в его сторону. Длина затопления — это длина корпуса, которая может быть затоплена без того, чтобы судно погрузилось за предел безопасности (линия предела, линия чуть ниже кромки палубы). Водонепроницаемые переборки делят корпус на отсеки; если любой отсек не длиннее своей длины затопления, яхта переживёт затопление этого отсека.

Click to zoom

У большинства крейсерских яхт нет настоящих водонепроницаемых переборок: вода из пробоины в носу стекает в корму по трюму ко всей лодке. У некоторых океанских и гоночных яхт есть водонепроницаемая носовая переборка (crash box), а у некоторых — водонепроницаемые двери в форпик и румпельное отделение. Если на вашей лодке они есть, держите двери закрытыми на переходе: они покупают время.

Допущения об остойчивости при повреждении

Коммерческие суда и суда с кодом MCA в некоторых категориях должны показать расчётом, что они переживают определённые повреждения.

Click to zoom

Ключевые идеи переносятся на любую яхту:

• Проницаемость — это доля отсека, которую вода может реально заполнить. Пустое пространство проницаемо примерно на 95 процентов; пространство, забитое запасами, парусами и механизмами, менее проницаемо, поэтому полный форпик затопится до более низкого уровня, чем пустой.
• После затопления яхта должна обладать остаточной остойчивостью: положительной кривой GZ с достаточной площадью, чтобы пережить состояние моря, пока вы занимаетесь повреждением.
• Крен после повреждения должен быть ограничен, обычно 15–25 градусами, чтобы экипаж мог работать, а помпы и люки функционировать.
• Забортная вода внутри лодки имеет большую свободную поверхность. Даже если яхта остаётся на плаву, её остойчивость сильно снижена.

Контрзатопление

Большие суда иногда намеренно затапливают отсек на противоположном борту, чтобы исправить список. На яхте это почти никогда не уместно. Это уменьшает крен, но добавляет вес, понижает надводный борт повсюду, снижает запас плавучести и добавляет вторую свободную поверхность. Рассматривайте его, только если вы рассчитали итоговое водоизмещение и надводный борт и уверены, что сам список — главная опасность. Исправить список перемещением запасов, экипажа или перекачкой топлива обычно лучше.

Борьба за живучесть

Источники воды

Выясните, откуда поступает вода, прежде чем решать, что делать. Типичные источники в приблизительном порядке вероятности:

1. Кингстоны, шланги и хомуты (гальюны, забор для двигателя, сливы кокпита, мойка на камбузе).
2. Сальник кормового вала и гребного вала или уплотнение сайдрайва.
3. Подшипник баллера руля или потеря руля.
4. Течи через палубу, иллюминаторы, люки, вантовые путенсы и якорный ящик в штормовом море.
5. Болты киля после посадки на мель (удар о киль может треснуть корпус вокруг корня киля).
6. Столкновение с контейнером, плавающим предметом или другим судном.
7. Течь цистерн, отказ водной системы (пресная вода перекачивается в трюм).

Попробуйте воду на вкус: пресная вода указывает на цистерну или водную систему; солёная — на корпус или палубу.

Как быстро поступает вода

Поток через пробоину зависит от её площади и глубины воды над ней (напор). Приблизительно:

Расход в секунду = 0,6 × площадь пробоины × квадратный корень из (2 × 9,81 × глубина)

Зависимость от глубины важна: пробоина вдвое глубже пропускает примерно на 40 процентов больше. Крен, поднимающий пробоину над водой (переход на другой галс, перемещение груза), может быть самым эффективным первым действием.

Производительность помп

Паспортная производительность помп измеряется без подъёма и на чистой воде. На яхте помпа поднимает воду на метр или больше к выпускному отверстию через длинный узкий шланг из сетки-фильтра, которая забивается мусором. Считайте, что реальная производительность составляет около половины паспортной.

Сравните с таблицей выше. Даже однодюймовая пробоина может перегрузить трюмные помпы типичной крейсерской яхты. Поэтому остановка воды всегда в приоритете, а откачка лишь покупает время.

Последовательность борьбы за живучесть

1. Поднимите тревогу и распределите задачи. Один человек держит штурвал и ведёт навигацию; один запускает помпы; остальные ищут течь. Рассмотрите Pan-Pan (или Mayday, если тонем) заранее, чтобы помощь была в пути, если ситуация ухудшится.
2. Найдите течь. Поднимите настил, откройте ящики, идите за водой вверх по течению. Проверьте каждый кингстон и сальник кормового вала.
3. Остановите или замедлите её. Закройте кингстон. Забейте конусную деревянную пробку в вышедшую из строя арматуру (держите по одной, привязанной к каждому кингстону). Для больших пробоин заткните подушками, парусами или одеждой и укрепите половицей и клином или спинакер-гиком. Подводную эпоксидную шпаклёвку и листы фанеры или неопрена можно привинтить или подпереть изнутри над пробоиной. Снаружи коллизионный мат или парус, протянутый под корпусом на линях, будет прижат водяным давлением к пробоине и может значительно уменьшить поступление.
4. Снизьте давление. Замедлитесь, положите лодку на крен, чтобы поднять пробоину, или измените курс, чтобы поставить повреждённый борт вверх и под ветер.
5. Откачивайте. Все помпы и вёдра. Держите сетки-фильтры чистыми. Работайте двигателем как можно дольше для зарядки, но следите, чтобы вода не добралась до воздухозаборника и генератора.
6. Оцените остойчивость и плавучесть. Уровень воды растёт, стабилен или падает? Яхта имеет список или дифферент? Стабильны ли поступление и производительность помп? Закройте водонепроницаемые двери. Закрепите сдвинувшиеся грузы.
7. Решите. Идите к ближайшему безопасному убежищу, запросите сопровождение или спасательную помпу (береговая охрана и RNLI могут доставить помпы), или готовьтесь оставить судно. Не переходите в спасательный плот, пока яхта ещё на плаву и вы можете её удержать: «перейти в спасательный плот» означает покидать судно только тогда, когда оно действительно тонет под вами.

Пример разбора: посадка на мель и затопление

В 0200 ваша яхта длиной 11 м на 6 узлах ударяется о камень в 15 милях от ближайшего порта, при умеренном волнении. Экипаж из четырёх человек. Вода поступает в носу, по оценке, 50 литров в минуту. Суммарная реальная производительность помп составляет около 80 литров в минуту (ручная плюс электрическая). Нос дифферентуется вниз примерно на 5 градусов.

Немедленные действия.

1. Остановите лодку в стороне от камня и проверьте глубину: вы не хотите ударить снова.
2. Распределите роли: шкипер на палубе командует, один член экипажа качает вручную, один ищет в носу, один работает с радио.
3. Отправьте Pan-Pan с позицией, характером проблемы, намерениями и людьми на борту. Попросите береговую охрану быть на связи и рассмотрите задание спасательной шлюпке с спасательной помпой.

Оценка. Помпы превышают поступление примерно на 30 литров в минуту, поэтому уровень воды должен падать, при условии, что помпы продолжают работать и течь не растёт. Но дифферент на нос показывает, что вода накапливается в носу быстрее, чем доходит до помпы, вероятно, потому что носовые шпигаты забиты.

Действия.

1. Найдите источник: трещина в корпусе в районе форштевня. Заткните её подушкой и укрепите половицей и багром.
2. Переместите экипаж и тяжёлые грузы (запасной якорь, ящик с инструментами, канистры с водой) в корму, чтобы поднять нос и уменьшить давление на пробоину.
3. Если у вас есть водонепроницаемая переборка или носовой crash box, закройте его.
4. Если условия позволяют, поставьте парус как коллизионный мат над носом.
5. Идите в порт на сниженной скорости (3–4 узла), чтобы уменьшить давление воды в носу. На 3,5 узлах 15 миль займут около 4 часов 20 минут. При чистом выигрыше 30 литров в минуту помпы побеждают, но забитая сетка-фильтр или утомлённый экипаж на ручной помпе могут изменить ситуацию. Меняйте качающих каждые 15 минут.
6. Контролируйте уровень в трюме и поступление каждые 15 минут и докладывайте береговой охране через согласованные интервалы.
7. Держите спасательный плот и аварийную сумку наготове. Если вода начнёт прибывать, рассмотрите посадку на берег в защищённом месте, а не затопление на глубокой воде.

Типичные ошибки

• Переоценка производительности помп. Считайте половину паспортной, которая падает с усталостью экипажа и засорением.
• Качать, не найдя течь. Помпы покупают время; остановка воды спасает лодку.
• Оставлять цистерны наполовину заполненными в тяжёлую погоду. Запрессуйте их или опустошите до прихода погоды.
• Накопление веса: надувные лодки на шлюпбалках, канистры на релингах, тяжёлые якоря в носу, снаряжение на рубке.
• Открытые люки и незакреплённые дверные доски в тяжёлую погоду, которые снижают угол заливания.
• Контрзатопление для исправления списка без расчёта влияния на надводный борт и остойчивость.
• Оставление судна слишком рано. Многие экипажи были потеряны с плотов, в то время как их яхты позже находили на плаву.
• Нет пробок: деревянные конусные пробки должны быть привязаны к каждому кингстону, и экипаж должен знать, где кингстоны.
• Незнание характеристик своей лодки: AVS, категория проектирования и расположение каждого сквозного отверстия.

Итоги

• Остойчивость возникает из пары сил между весом (через G) и плавучестью (через B). Плечо восстанавливающего момента — GZ; восстанавливающий момент равен водоизмещению, умноженному на GZ.
• GM определяет начальную жёсткость; кривая GZ показывает всю картину: максимальное GZ, AVS, диапазон остойчивости и площадь (энергию) под кривой.
• Яхта для открытого моря должна иметь AVS не менее 120 градусов; категория проектирования и число STIX суммируют пригодность.
• Подъём груза, палубное снаряжение и частично заполненные цистерны уменьшают GZ при каждом угле. Эффект свободной поверхности зависит от ширины в кубе: держите цистерны полными или пустыми.
• Волны, обрушивающиеся гребни и заливание делают реальную остойчивость хуже, чем кривая для спокойной воды.
• Приоритеты борьбы за живучесть: поднять тревогу, найти течь, остановить её, снизить давление, откачать, оценить остойчивость, решить.
• Небольшая пробоина впускает много воды; реальная производительность помп составляет около половины паспортной.

Проверьте себя

1. Определите GZ и объясните, как рассчитывается восстанавливающий момент.

Ответ: GZ — это горизонтальное расстояние между линией действия веса через G и линией действия плавучести через B, когда яхта накренена. Восстанавливающий момент равен водоизмещению, умноженному на GZ.

1. Что такое угол исчезающей остойчивости и какой минимум вы хотели бы для яхты для открытого моря?

Ответ: Угол крена, при котором GZ становится равным нулю; за ним яхта продолжит опрокидываться. Не менее 120 градусов для плавания в открытом море, в идеале 130 градусов и более для океанских переходов.

1. Почему площадь под кривой GZ важнее максимального GZ при рассмотрении опрокидывания от обрушивающихся волн?

Ответ: Обрушивающаяся волна передаёт энергию в виде удара. Площадь под кривой (умноженная на водоизмещение) представляет энергию, которую яхта может поглотить до опрокидывания; лодка с более широкой кривой поглощает больше энергии, даже если её максимальное GZ такое же.

1. Яхта водоизмещением 10 тонн: 200 кг цепи перенесли из якорного ящика в трюм рядом с мачтой, на 1,5 м ниже. На сколько и в каком направлении смещается G?

Ответ: GG1 = (200 × 1,5) / 10 000 = 0,03 м вниз (а также в корму, если цепь перемещена в корму), что увеличивает GM на 0,03 м.

1. Почему наполовину заполненная широкая цистерна опаснее наполовину заполненной узкой цистерны той же ёмкости?

Ответ: Эффект свободной поверхности зависит от ширины свободной поверхности в кубе. Удвоение ширины увеличивает виртуальный подъём G в восемь раз, независимо от количества жидкости.

1. Что такое угол заливания и как экипаж может его увеличить в тяжёлую погоду?

Ответ: Угол крена, при котором проёмы, такие как трап, люки и вентиляторы, уходят под воду и вода начинает поступать внутрь. Экипаж фактически увеличивает его, закрывая и закрепляя все люки, устанавливая и закрепляя дверные доски, закрывая вентиляторы и запирая кокпитные ящики.

1. Кингстон диаметром 25 мм выходит из строя на 0,5 м ниже ватерлинии. Примерно с какой скоростью поступает вода и как это соотносится с типичной ручной трюмной помпой?

Ответ: Около 55 литров в минуту. Большая ручная помпа с паспортом 60–70 литров в минуту на практике может дать только 30–40 литров в минуту, поэтому одна помпа не справится. Приоритет — закрыть кингстон или забить деревянную пробку.

1. Перечислите последовательность борьбы за живучесть по порядку.

Ответ: Поднять тревогу и распределить задачи (включая Pan-Pan или Mayday по обстоятельствам); найти течь; остановить или замедлить её; снизить давление (замедлиться, положить на крен, чтобы поднять пробоину); откачивать всем, что есть; оценить остойчивость, дифферент и тенденцию уровня воды; решить, идти ли в порт, запросить помощь, сесть на берег или готовиться оставить судно.

1. Почему контрзатопление редко уместно на яхте?

Ответ: Хотя оно уменьшает список, оно добавляет вес, понижает надводный борт повсюду, уменьшает запас плавучести и добавляет ещё одну свободную поверхность, поэтому общая остойчивость и живучесть могут ухудшиться. Обычно лучше переместить запасы и экипаж или перекачать топливо.

1. Почему яхта может быть более уязвима к опрокидыванию на гребне волны, чем на спокойной воде при том же угле крена?

Ответ: Когда гребень находится на миделе, ватерлиния и подводная форма корпуса меняются, снижая остойчивость, в то время как яхта подвергается полной силе ветра и обрушивающейся части волны. Кривая GZ для спокойной воды переоценивает доступный восстанавливающий момент.

11. Яхта имеет максимальную ширину 3,6 м и водоизмещение 6,5 тонны. Рассчитайте значение скрининга опрокидывания и скажите, проходит ли она.

Ответ: Объём = 6,5 / 1,025 = 6,34 кубического метра; кубический корень = 1,85. CSF = 3,6 / 1,85 = 1,95, чуть ниже 2,0, поэтому она проходит скрининг, но с небольшим запасом.

12. В чём разница между списком и углом лолла и как действовать в каждом случае?

Ответ: Список — это установившийся крен на один борт при положительном GM, вызванный смещённым от оси грузом; переместите груз в диаметральную плоскость. Угол лолла — это крен, вызванный отрицательным GM; яхта может переметнуться на другой борт. Исправляйте, понижая G (убрать груз наверху, откачать свободную поверхность, добавить низкий балласт на диаметральной плоскости), и никогда не перемещайте груз на высокий борт.