4.4航向稳定性
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2010年11月21日星期日 武汉理工大学航运学院 8
4.4.2判断航向稳定性的方法 判断航向稳定性的方法
4.4.2.1经验判断 经验判断
1、根据船舶线型系数判断：
L/B大，方型系数小，航向稳定性好。 L/B小，方型系数大，航向稳定性差。 船尾钝材，水中船尾侧面积大，航向稳定性好。
2、根据装载状态判断
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2、逆螺旋试验
试验方法：与正螺旋试验相反，选定一系列回转角速度值， 通过操舵使船舶保持各角速度值定常回转，然后求取对应于 各角速度所需操舵的舵角平均值，从而得出r-δ曲线。 特点：该法比较省时，省力，抗外界干扰能力较强，结果较 准确。 必须有测定船舶转头角速度的角速度仪(gyro rate)。 试验得到的r-δ曲线如果成单值对应，曲线近似于一条直线， 线上各点的斜率均为正，说明船舶具有良好的航向稳定性； 相反如果r-δ曲线呈S形，在临界舵角范围内（ -δc～δc ）rδ曲线成多值对应关系，则说明船舶不具备航向稳定性，(即： 通过操舵无法得到定常的角速度，船可能向右旋转也可能向 左旋转)。且多值对应的宽度越宽则表示船舶的航向不稳定性 越强，这与螺旋试验所求出的不稳定环的宽度所表示的含义 是完全一致的。
干扰过后的任意时刻角速度(+) 干扰过后的任意时刻角速度(+) ɺ 一阶近似操纵方程 T ⋅ r + r = Kδ 正舵，干扰消失时刻（t=0）获得的初始回转角 速度为r0，则此后任意时刻船舶偏离航向的角速 t − 度r为 r = r0 ⋅ e T (1) 解算过程
T⋅ dr 1 1 +r =0 dr = − dt dt r T t 1 1 ∫ r dr = ∫ − T dt ln r = − T + C
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首倾越大，船首水中侧面积分布越多，航向稳定性越差。 超大型船：航向稳定性差，旋回性好。
3、根据r-T值判断
由（1）式，干扰消失后任意时刻的角速度：
− t T
r = r0 ⋅ e
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T＞0，且T较小时，角速度很快趋向于0，船舶很快稳定在新 航向上，航向稳定性好； T＞0，且T较大时，角速度较慢趋向于0，船舶较慢稳定在新 航向上，航向稳定性差； T＜0，角速度不断增大，船舶不具备航向稳定性。
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r(右)
δ(左)
δ(右)
不稳定环宽度
-δc
δc
r(左)
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4.5保向性（+） 保向性（ ） 保向性
1、概念
由舵工（或自动舵），通过操舵抑制或纠正首摇并使 船舶驶于预定航向上的能力。 保向性的好坏与航向稳定性有关，也与操舵人员的技 能和熟练程度有关，还与自动舵、舵机的性能有关。 自动装置：
航向自动舵（普遍）：使船舶沿着给定的航向航行 航迹自动舵：使船舶沿着给定的航线航行
控制稳定性，是控制情况下保持在规定航向上的能力。 其衡量指标为：在正常气象条件下，为维持直航所操 的平均舵角应不超过5°，平均操舵次数每分钟不多于 6次。
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2、影响保向性的因素
C
r(右) B
a A
δ(左)
o E
δ(右)
A′ a′
D r(左)
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动航向稳定：曲线aoa′oa，舵角与角速度呈单值对应 关系； 动航向不稳定：曲线ABCDA′——A′DEBA，舵角与角 速度呈多值对应的环形； 环高、环宽越大，动航向稳定性越差。 经验：大型船舶螺旋试验环形的舵角范围大于20°时， 操纵感到困难。 试验特点：固定各舵角被动地等待回转角速度稳定， 而且需进行多次小舵角的旋回运动，尤其对于航向不 稳定的船舶而言，试验时所需水域大，费时长。
4.4 航向稳定性
航运学院 陈厚忠
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4.4.1航向稳定性的概念 航向稳定性的概念
是船舶固有的运动特性。 是船舶固有的运动特性。 船舶在正舵直航时，受外界干扰产生后，偏离了 船舶在正舵直航时，受外界干扰产生后， 直航运动状态。当干扰消失后，不经操纵， 直航运动状态。当干扰消失后，不经操纵，船舶 转头运动将如何变化的性质。 转头运动将如何变化的性质。 自行恢复到原航线、原航向或稳定于新航向—— 自行恢复到原航线、原航向或稳定于新航向—— 具有稳定性 不能自行恢复—— ——不具有稳定性 不能自行恢复——不具有稳定性
是非自动舵/操舵等手段控制的
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4.4.1.1当外力消失后船舶最终平衡状态分类 当外力消失后船舶最终平衡状态分类
（1）位置稳定性（一般不具备）
（2）方向稳定性（一般不具备）
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静航向不稳定性的原因（+）
船舶受外力而偏离原航向，但重心仍在原航向上斜航前进， 有关该斜航漂角将如何变化的性能。 漂角出现→水动力转首力矩↑→漂角继续增大→重心很难 沿原航向上继续前进。所以：静航向通常不稳定。
− t T
r = C ⋅e
t = 0时, r = r0 , 代入左式 所以r = r0 ⋅ e
− t T
得C = r0
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由 （ 1） 式
r = r0 ⋅ e
−
t T
(1)
可计算此后船舶转首惯性角为 可计算此后船舶转首惯性角为： 船舶转首惯性角
ϕ=∫
∞
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4.4.2.2实船试验判断 实船试验判断
1、螺旋试验
试验过程 由右向左操舵：右满舵， 得定常旋回角速度→右舵 （逐渐减小舵角），得定 常旋回角速度→正舵，得 定常旋回角速度→左舵 （逐渐增大舵角），得定 常旋回角速度→左满舵， 得定常旋回角速度 由左向右操舵：与以上过 程相反。
r
T 0
干 扰 造 成
T 0
r0
T T 大
r = r0 ⋅ e
−
t T
(1)
0
t
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4、根据惯性转头角ψ-T判断
由（2）式：
ϕ == r0 ⋅ T
(2)
船舶由于干扰而造成的惯性转首角将由干扰的大小（干扰造 成的初始回转角速度的大小）和指数T的大小来决定。 T越小，航向稳定性越好。
0
r ⋅ dt = ∫
∞
0
r0 ⋅ e
−
t T
⋅ dt = r0 ⋅ T
(2)
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（4）不稳定（不能恢复直线运动，称航向不稳定或动航向不稳 定）
船舶不具有直线运动稳定性的后果： 船舶不具有直线运动稳定性的后果： 在小舵角情况下， 在小舵角情况下，可能出现反操现象 保向比较困难； 保向比较困难； 在海上航行时，可能自动舵打不上； 在海上航行时，可能自动舵打不上； 操舵者难以掌握操舵技术； 操舵者难以掌握操舵技术； 操舵者劳动强度增大，注意力高度集中； 操舵者劳动强度增大，注意力高度集中； 可能出现失误。 可能出现失误。
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（3）直线稳定性（动航向稳定性，一般具备）
动航向稳定性（+）
外界干扰消失后，船舶转首作用在不用舵纠正的情况下， 能尽快稳定于新航向的性质。 动航向稳定性即指：船舶直线运动稳定性。 船舶恢复直线运动中两个重要要素： 任意时刻的角速度r 惯性转头角ψ
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船型：方型系数、长宽比、船体水下首尾侧面积分布 等。 载态：轻载好于满载时的保向性（受风另论），尾倾 好于首倾。 舵角：航向稳定性好，小舵角即可保向；航向稳定性 差，大舵角才可保向。 船速：船速提高，保向性变好。 船速提高， 船速提高 保向性变好。 其它：浅水变好，顺风浪流变差。
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4.4.2判断航向稳定性的方法 判断航向稳定性的方法
4.4.2.1经验判断 经验判断
1、根据船舶线型系数判断：
L/B大，方型系数小，航向稳定性好。 L/B小，方型系数大，航向稳定性差。 船尾钝材，水中船尾侧面积大，航向稳定性好。
2、根据装载状态判断
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2、逆螺旋试验
试验方法：与正螺旋试验相反，选定一系列回转角速度值， 通过操舵使船舶保持各角速度值定常回转，然后求取对应于 各角速度所需操舵的舵角平均值，从而得出r-δ曲线。 特点：该法比较省时，省力，抗外界干扰能力较强，结果较 准确。 必须有测定船舶转头角速度的角速度仪(gyro rate)。 试验得到的r-δ曲线如果成单值对应，曲线近似于一条直线， 线上各点的斜率均为正，说明船舶具有良好的航向稳定性； 相反如果r-δ曲线呈S形，在临界舵角范围内（ -δc～δc ）rδ曲线成多值对应关系，则说明船舶不具备航向稳定性，(即： 通过操舵无法得到定常的角速度，船可能向右旋转也可能向 左旋转)。且多值对应的宽度越宽则表示船舶的航向不稳定性 越强，这与螺旋试验所求出的不稳定环的宽度所表示的含义 是完全一致的。
干扰过后的任意时刻角速度(+) 干扰过后的任意时刻角速度(+) ɺ 一阶近似操纵方程 T ⋅ r + r = Kδ 正舵，干扰消失时刻（t=0）获得的初始回转角 速度为r0，则此后任意时刻船舶偏离航向的角速 t − 度r为 r = r0 ⋅ e T (1) 解算过程
T⋅ dr 1 1 +r =0 dr = − dt dt r T t 1 1 ∫ r dr = ∫ − T dt ln r = − T + C
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首倾越大，船首水中侧面积分布越多，航向稳定性越差。 超大型船：航向稳定性差，旋回性好。
3、根据r-T值判断
由（1）式，干扰消失后任意时刻的角速度：
− t T
r = r0 ⋅ e
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T＞0，且T较小时，角速度很快趋向于0，船舶很快稳定在新 航向上，航向稳定性好； T＞0，且T较大时，角速度较慢趋向于0，船舶较慢稳定在新 航向上，航向稳定性差； T＜0，角速度不断增大，船舶不具备航向稳定性。
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r(右)
δ(左)
δ(右)
不稳定环宽度
-δc
δc
r(左)
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4.5保向性（+） 保向性（ ） 保向性
1、概念
由舵工（或自动舵），通过操舵抑制或纠正首摇并使 船舶驶于预定航向上的能力。 保向性的好坏与航向稳定性有关，也与操舵人员的技 能和熟练程度有关，还与自动舵、舵机的性能有关。 自动装置：
航向自动舵（普遍）：使船舶沿着给定的航向航行 航迹自动舵：使船舶沿着给定的航线航行
控制稳定性，是控制情况下保持在规定航向上的能力。 其衡量指标为：在正常气象条件下，为维持直航所操 的平均舵角应不超过5°，平均操舵次数每分钟不多于 6次。
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2、影响保向性的因素
C
r(右) B
a A
δ(左)
o E
δ(右)
A′ a′
D r(左)
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动航向稳定：曲线aoa′oa，舵角与角速度呈单值对应 关系； 动航向不稳定：曲线ABCDA′——A′DEBA，舵角与角 速度呈多值对应的环形； 环高、环宽越大，动航向稳定性越差。 经验：大型船舶螺旋试验环形的舵角范围大于20°时， 操纵感到困难。 试验特点：固定各舵角被动地等待回转角速度稳定， 而且需进行多次小舵角的旋回运动，尤其对于航向不 稳定的船舶而言，试验时所需水域大，费时长。
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4.4.1航向稳定性的概念 航向稳定性的概念
是船舶固有的运动特性。 是船舶固有的运动特性。 船舶在正舵直航时，受外界干扰产生后，偏离了 船舶在正舵直航时，受外界干扰产生后， 直航运动状态。当干扰消失后，不经操纵， 直航运动状态。当干扰消失后，不经操纵，船舶 转头运动将如何变化的性质。 转头运动将如何变化的性质。 自行恢复到原航线、原航向或稳定于新航向—— 自行恢复到原航线、原航向或稳定于新航向—— 具有稳定性 不能自行恢复—— ——不具有稳定性 不能自行恢复——不具有稳定性
是非自动舵/操舵等手段控制的
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2
4.4.1.1当外力消失后船舶最终平衡状态分类 当外力消失后船舶最终平衡状态分类
（1）位置稳定性（一般不具备）
（2）方向稳定性（一般不具备）
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3
静航向不稳定性的原因（+）
船舶受外力而偏离原航向，但重心仍在原航向上斜航前进， 有关该斜航漂角将如何变化的性能。 漂角出现→水动力转首力矩↑→漂角继续增大→重心很难 沿原航向上继续前进。所以：静航向通常不稳定。
− t T
r = C ⋅e
t = 0时, r = r0 , 代入左式 所以r = r0 ⋅ e
− t T
得C = r0
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由 （ 1） 式
r = r0 ⋅ e
−
t T
(1)
可计算此后船舶转首惯性角为 可计算此后船舶转首惯性角为： 船舶转首惯性角
ϕ=∫
∞
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4.4.2.2实船试验判断 实船试验判断
1、螺旋试验
试验过程 由右向左操舵：右满舵， 得定常旋回角速度→右舵 （逐渐减小舵角），得定 常旋回角速度→正舵，得 定常旋回角速度→左舵 （逐渐增大舵角），得定 常旋回角速度→左满舵， 得定常旋回角速度 由左向右操舵：与以上过 程相反。
r
T 0
干 扰 造 成
T 0
r0
T T 大
r = r0 ⋅ e
−
t T
(1)
0
t
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4、根据惯性转头角ψ-T判断
由（2）式：
ϕ == r0 ⋅ T
(2)
船舶由于干扰而造成的惯性转首角将由干扰的大小（干扰造 成的初始回转角速度的大小）和指数T的大小来决定。 T越小，航向稳定性越好。
0
r ⋅ dt = ∫
∞
0
r0 ⋅ e
−
t T
⋅ dt = r0 ⋅ T
(2)
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（4）不稳定（不能恢复直线运动，称航向不稳定或动航向不稳 定）
船舶不具有直线运动稳定性的后果： 船舶不具有直线运动稳定性的后果： 在小舵角情况下， 在小舵角情况下，可能出现反操现象 保向比较困难； 保向比较困难； 在海上航行时，可能自动舵打不上； 在海上航行时，可能自动舵打不上； 操舵者难以掌握操舵技术； 操舵者难以掌握操舵技术； 操舵者劳动强度增大，注意力高度集中； 操舵者劳动强度增大，注意力高度集中； 可能出现失误。 可能出现失误。
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4
（3）直线稳定性（动航向稳定性，一般具备）
动航向稳定性（+）
外界干扰消失后，船舶转首作用在不用舵纠正的情况下， 能尽快稳定于新航向的性质。 动航向稳定性即指：船舶直线运动稳定性。 船舶恢复直线运动中两个重要要素： 任意时刻的角速度r 惯性转头角ψ
2010年11月21日星期日 武汉理工大学航运学院 5
船型：方型系数、长宽比、船体水下首尾侧面积分布 等。 载态：轻载好于满载时的保向性（受风另论），尾倾 好于首倾。 舵角：航向稳定性好，小舵角即可保向；航向稳定性 差，大舵角才可保向。 船速：船速提高，保向性变好。 船速提高， 船速提高 保向性变好。 其它：浅水变好，顺风浪流变差。
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