Что такое осадка подводной лодки

Надводная непотопляемость и продольная остойчивость подводной лодки

При повреждениях подводной лодки, связанных с поступлением воды внутрь прочного корпуса в надводном положении наибольшую опасность представляет потеря подводной лодкой продольной остойчивости. Несмотря на то, что в надводном положении продольная остойчивость в сотню раз превышает перечную, в первую очередь возникает угроза потери именно продольной остойчивости.

При тяжелых повреждениях подводная лодка теряет продольную остойчивость раньше, чем плавучесть. Потеря плавучести, как правило, лишь следствие потери продольной остойчивости.

Все три наши погибшие в мирное время атомные подводные лодки утонули от потери продольной остойчивости:

8 апреля 1970 года пожар на К-8 (627 пр.) в результате пожара нарушена герметичность прочного корпуса и отсеков, 12.04. К-8 в надводном положении потеряла продольную остойчивость и затонула;

3 октября 1986 года затонула К-219 (667АУ пр.) в результате потери запаса плавучести и продольной остойчивости;

7 апреля 1989 года затонула К-278 «Комсомолец» (685 пр.) в результате потери запаса плавучести и продольной остойчивости.

Это объясняется тем, что при поступлении воды в подводную лодку:

1) увеличивается ее осадка, следовательно, уменьшается запас плавучести;

2) возникает дифферент, в результате чего резко уменьшается площадь действующей ватерлинии и момент ее инерции относительно поперечной оси (продольный восстанавливающий момент не способен противодействовать дифферентующему моменту, который образуется при затоплении отсека и цистерн главного балласта аварийной оконечности).

Угроза потери поперечной остойчивости является менее вероятной, так как появление больших кренящих моментов на подводной лодке возможно лишь при заполнении почти всех цистерн главного балласта с одного борта, а уменьшение момента инерции площади действующей ватерлинии относительно продольной оси, характеризующего поперечную остойчивость является относительно небольшим.

При повреждении корпуса подводной лодки ее продольная остойчивость уменьшается одновременно и запаса плавучести и дифферента.

При меньшем запасе плавучести подводная лодка имеет меньшую величину продольного восстанавливающего момента.

У кингстонных подводных лодок продольный момент достигает своего максимального значения при угле дифферента 18-20 ° независимо от величины запаса плавучести. У безкингстонных с уменьшением запаса плавучести уменьшается не только величина восстанавливающего момента, но и угол дифферента при котором продольный восстанавливающий момент имеет максимальное значение (рис. 1).

На рис. 1 показано как меняются диаграмма продольной остойчивости с учетом бескингстонности при последовательном возрастании водоизмещения подводной лодки от V до значений V ₁ и V ₂.

При увеличении осадки и дифферента происходит дополнительное поступление воды в неповрежденные цистерны главного балласта, находящиеся в погружающейся оконечности. Это приводит к дополнительному погружению подводной лодки, увеличению ее дифферента и уменьшению запаса плавучести. С уменьшением запаса плавучести продольная остойчивость подводной лодки уменьшается и сохраняется до тех пор, пока угол дифферента будет меньше предельного для данного запаса плавучести.

Рис. 1. Характер изменения диаграммы продольной остойчивости бескингстонной подводной лодки при возрастании ее водоизмещения

Для общей характеристики остойчивости поврежденной подводной лодки, также как и для неповрежденной, обычно используются диаграммы поперечной и продольной остойчивости. Их особенности в случае повреждения подводной лодки обусловлены уменьшением запаса плавучести и наличием угла крена и (или) дифферента.

При наличии у подводной лодки крена и дифферента эти диаграммы имеют вид кривых m ` <sub>Θ</sub> ( Θ ) и M `_ψ(ψ), приведенных на рис. 2 сплошными линиями, а диаграммы остойчивости m_Θ ( Θ ) и M _ψ(ψ), неповрежденной подводной лодки пунктирными.

Для оценки состояния и определения основных характеристик поврежденной подводной лодки строится диаграмма продольной статической остойчивости.

Рис. 2. Диаграммы поперечной и продольной остойчивости подводной лодки при наличии наклонения (сплошная линия) и плавающей на ровном киле (пунктирная линия).

Основными параметрами диаграммы продольно статической остойчивости поврежденной подводной лодки являются:

ψ_Р – равновесный угол дифферента – точка пересечения оси Х;

ψ_max – предельный угол дифферента, при наклонении до которого под действием статического дифферентующего момента аварийная подводная лодка сохраняет продольную остойчивость. Величина углового интервала ψ_Р … ψ_max определяет предельное нарастание статического угла дифферента;

ψ₃ – угол заката – угол дифферента, при превышении которого аварийная подводная лодка теряет продольную остойчивость даже при отсутствии дифферентующего момента;

l _max – максимальное плечо диаграммы, которое определяет величину максимального дифферентующего момента, воздействие которого способна выдержать аварийная подводная лодка, величина l _max – запас продольной статической остойчивости поврежденной подводной лодки.

На поврежденной подводной лодке реально ощущается лишь ψ_Р. По одному Ψ_Р невозможно правильно оценить состояние подводной лодки, так как при малом запасе плавучести она может потерять продольную остойчивость даже при незначительном нарастании угла дифферента.

Источник

Основы теории подводной непотопляемости подводной лодки

В подводном положении остойчивость подводной лодки обеспечивается только остойчивостью веса, так как отсутствует действующая площадь ватерлинии, продольная метацентрическая высота уменьшается приблизительно в 100 раз и становится равной поперечной метацентрической высоте, запас плавучести погашен приемом воды в цистерны главного балласта и борьба за непотопляемость принимает совершенно другой характер.

Что же будет происходить с подводной лодкой при поступлении воды внутрь прочного корпуса и какой арсенал мер может противопоставить командир и экипаж для предотвращения ее гибели?

Сущность борьбы за подводную непотопляемость заключается:

— в обеспечении быстрейшего всплытия на поверхность, а если всплытие исключается тактической обстановкой, в удержании подводной лодки в заданном диапазоне глубин, не превышающем предельную глубину погружения, с последующим всплытием на глубину гарантированной прочности переборок аварийного отсека;

— в предотвращении разрушения переборок затапливающегося отсека и распространения воды в смежные отсеки с принятием мер к уменьшению и полному прекращению поступления воды.

Резкое увеличение глубины погружения и нарастание дифферента могут быть вызваны поступлением воды в отсек, заклиниванием кормовых горизонтальных рулей и причинами случайного характера. При поступлении воды в отсек или при заклинивании кормовых горизонтальных рулей на погружение скорость погружения подводной лодки под действием топящих сил может достигать К случайным причинам, по которым подводная лодка может погрузиться на глубину, превышающую рабочую можно отнести неумелое, управление горизонтальными рулями на больших скоростях хода, непроизвольное заполнение цистерн вспомогательного балласта, ракетных шахт и контейнеров, торпедных аппаратов. Поэтому основная задача состоит в том, чтобы при помощи имеющихся средств одержать подводную лодку от провала на глубину, большую предельной, а затем вывести её на поверхность или на безопасную глубину в балансировочном режиме движения. В этом заключается смысл подводной непотопляемости.

Подводной непотопляемостью называется способность подводной лодки при поступлении воды в отсеки прочного корпуса всплывать в остойчивое надводное положение или при сохранении хода продолжать плавание в пределах глубин, безопасных по прочности переборок аварийного отсека. Обеспечение подводной непотопляемости представляет собой определенную сложность, так как:

— в подводном положении отсутствует запас плавучести, что приводит при поступлении воды в любой из отсеков к возникновению отрицательной остаточной плавучести и нарастанию дифферента;

— с увеличением глубины погружения увеличиваются гидродинамический напор, а, следовательно, и скорость поступления воды в отсек через пробоину;

— с увеличением глубины погружения уменьшается производительность водоотливных средств и увеличивается расход воздуха высокого давления (ВВД) для продувания цистерн главного балласта и создания противодавления в отсеках.

Целью конструктивного обеспечения непотопляемости является придание подводной лодке при её проектировании и постройке свойств и технических средств, обеспечивающих заданный уровень непотопляемости. При этом учитываются следующие факторы:

—давление, на которое рассчитаны прочный корпус и водонепроницаемые переборки;

— величина запаса ВВД, являющегося средством продувания цистерн главного балласта и создания противодавления в аварийном и смежном отсеках;

— быстродействие систем, предназначенных для ликвидации последствий аварии (главным образом системы аварийного продувания цистерн главного балласта и осушительной системы);

— несущая способность корпуса подводной лодки;

— автоматизация процесса борьбы за непотопляемость.

Рассмотрим кратко эти факторы.

Прочный корпус должен обеспечить неограниченное число погружений на рабочую глубину. Водонепроницаемые переборки по своей конструкции бывают плоскими и сферическими. В настоящее время применяются два варианта расстановки переборок — смешанный и однородный, причем последний вариант, когда все переборки плоские, принят на всех новых проектах подводных лодок.

Величина запаса ВВД на подводной лодке предусматривает:

одно аварийное продувание с рабочей глубины,

всплытие подводной лодки с грунта с затопленным отсеком с глубины, равной половине предельной,

трёхкратное продувание всех цистерн главного балласта при всплытии с перископной глубины в крейсерское положение,

время продувания всех цистерн главного балласта при всплытии с перископной глубины в крейсерское положение — не более 90 секунд,

время продувания средней группы цистерн главного балласта с пери­скопной глубины в позиционное положение — не более 30 секунд.

Система аварийного продувания транспортирует воздух высокого давления для продувания цистерн главного балласта. Однако транспортирующие способности этой системы недостаточны для эффективной, малой по времени подачи воздуха в цистерны. Причинами этого являются: недостаточное проходное сечение трубопроводов, большое количество местных сопротивлений в трубопроводах и арматуре. Это приводит к тому, что продувание цистерн главного балласта и создание противодавления в аварийном отсеке происходит с запозданием по сравнению со временем его затопления. Основной причиной этого является недостаточное секундное поступление ВВД в цистерны главного балласта при продувании их на больших глубинах. В связи с этим разработаны и внедрены системы аварийного продувания цистерн главного балласта с помощью пороховых газов.

Осушительная система предназначена для удаления за борт воды, попавшей внутрь прочного корпуса. Она состоит из трубопроводов, арматуры и водоотливных средств. Суммарная производительность водоотливных средств подводной лодки зависит от их количества, глубины погружения и условий работы насосов.

Несущая способность корпуса подводной лодки при большой скорости хода является основным средством борьбы за подводную непотопляемость практически вне зависимости от глубины погружения. При пробоине в кормовых отсеках, как правило, выходят из строя энергетическая установка и линии валов, подводная лодка теряет ход и тем самым утрачивает несущую способность корпуса. Таким образом, несущая способность корпуса подводной лодки в большей степени активно используется при поступлении воды в носовые отсеки.

Автоматизация процессов борьбы за непотопляемость су­щественно уменьшает время запаздывания в принятии реше­ния по борьбе за живучесть и исключает его субъективность. При отсутствии автоматизации средства борьбы за непото­пляемость могут быть применены не ранее, чем через 25-30с после начала поступления воды в отсек подводной лодки, а при наличии средств автоматизации — через 3,5с. Изменение кинематических параметров подводной лодки при аварии происходит очень быстро.

Из выше изложенного следует, что на подводную непотопляемость оказывают влияние следующие факторы:

глубина, на которой начала поступать вода в отсек, и размеры пробоины,

начальная скорость хода и резерв мощности энергетической установки для развития максимальной скорости хода,

— объём и расположение затапливаемого отсека,

— интенсивность продувания ЦГБ,

— наличие противоаварийной автоматики,

— допустимые дифференты на участке всплытия.

Для оценки влияния этих факторов на непотопляемость строят диаграммы зон безопасности для определенного проекта подводной лодки.

На диаграмме (рис. 9) изображены кривые предельных значений глубины погружения и скорости хода в момент поступления воды в отсек при различных размерах пробоин для атомной подводной лодки проекта, где:

ή_о — глубина погружения подводной лодки перед аварией;

ή_пред — предельная глубина погружения;

v_о — скорость подводной лодки перед аварией;

v_пр — максимальная скорость хода подводной лодки.

Рис. 9. Зоны безопасности подводной лодки в зависимости от площади пробоины

На диаграмме вероятность негибели аварийной подводной лодки будет выражаться относительной площадью зоны безопасности. Под зоной безопасности понимается область предельно допустимых значении глубины погружения и скорости хода подводной лодки в момент аварии, при которых возможно ее спасение. Зона безопасности будет расположена под соответствующей кривой площади пробоины. Чем больше площадь этой зоны, тем больше вероятность негибели подводной лодки при проведении соответствующих противоаварийных мероприятий. Из диаграммы следует, что при больших площадях пробоин спасение подводной лодки возможно только в случае нахождения её в момент поступления воды на малых глубинах погружения и большой скорости хода.

При аварии, связанной с заклинкой горизонтальных ру­лей, наблюдается обратный эффект — увеличение скорости хода ухудшает возможности одержания подводной лодки от провала по глубине. Это объясняется тем, что угол дифферент подводной лодки при постоянном угле перекладки горизонтальных рулей возрастет пропорционально квадрату её скорости. Диаграмма зон безопасности для случая заклинки больших горизонтальных рулей атомной подводной лодки показана на рис. 10.

Анализ диаграммы показывает, что зона безопасности тем больше, чем меньше угол заклинки горизонтальных рулей, а вероятность негибели подводной лодки возрастает с уменьшением скорости хода.

Большое влияние на подводную непотопляемость оказывает время запаздывания в проведении противоаварийных мероприятий. Зона безопасности резко уменьшается при увеличении времени на принятие решения, отдачу команд и их исполнение по одержанию подводной лодки от провала на большую глубину.

Рис.10. Зоны безопасности подводной лодки при заклинивании КГР

При поступлении воды внутрь прочного корпуса запаздывание более 120 с является гибельным для подводной лодки. Из диаграммы (рис. 10) видно, что облегчить ее состояние может только большая скорость и малая глубина погружения в начале аварии. Уменьшение глубины погружения во всех случаях аварии увеличивает вероятность негибели подводной лодки, что достигается созданием максимально допустимого дифферента при всплытии. Эффективное одержание подводной лодки от провала без хода при нахождении ее на больших глубинах погружения требует большого расхода ВВД в единицу времени, что не всегда обеспечивается транспортирующей способностью системы аварийного продувания. В первую очередь должны продуваться только те цистерны главного балласта, которые компенсируют дифферентующий момент и отрицательную плавучесть, возникшие от поступления воды в отсек.

Борьба за подводную непотопляемость может быть успешной только в том случае, если все средства, предназначенные для борьбы за неё, будут своевременно и рационально использованы.

Источник

Теория подводной лодки

Теория подводной лодки — отрасль теории корабля, изучающая мореходные качества подводной лодки (ПЛ) и её особенности по сравнению с надводным кораблём (судном).

Как и общая теория корабля, включает основные разделы: плавучесть, остойчивость, ходкость и качку. Иногда, для привязки к общей физике, их обобщают в динамику и статику корабля. Кроме того, имеет разделы: непотопляемость, мореходность, управляемость, спуск на воду. Поскольку ПЛ характеризуется двумя основными положениями — надводным и подводным, эти мореходные качества, за исключением спуска на воду, также подразделяются на надводные и подводные.

Впервые основы теории подводного плавания были опубликованы в 1578 году в труде англичанина Уильяма Бэрна. [1]

Содержание

Плавучесть

Надводная плавучесть

Надводная плавучесть ПЛ, аналогично плавучести надводного корабля, характеризуется запасом плавучести. То есть, отношением водонепроницаемых объёмов выше ватерлинии (ВЛ), ко всему водонепроницаемому объёму, и выражается в процентах.

Например, если общий объём ПЛ — 3000 м³, а надводной части — 600 м³, то запас плавучести:

W = 600/3000 * 100 = 20 %

То же отношение можно выразить в водоизмещениях. Для данного примера в дистиллированной воде (1 м³ = 1 т) водоизмещение будет

D_н = 3000 — 600 = 2400 т,

а водоизмещение ее полного объёма D_п = 3000 т. Тогда

Подводная плавучесть

Подводная плавучесть принципиально отличается от надводной. Чтобы полностью погрузить лодку в воду, нужно довести её вес до веса воды, вытесняемой её полным объёмом. Иначе говоря, погасить запас плавучести до 0 % приёмом дополнительного груза (балласта), на практике — забортной воды. С точки зрения физики можно также считать, что лодка уменьшает свой объём, впуская окружающее море внутрь корпуса. В теории ПЛ принят первый подход — балластная вода считается собственностью лодки, то есть грузом. И говорят, что надводное водоизмещение меньше подводного. В нашем примере — 2400/3000 т. Как видим, запас плавучести можно выразить отношением надводного и подводного водоизмещений.

Однако, если принять больше груза, чем весит полностью погруженная ПЛ (создать отрицательную плавучесть), она будет не плавать в подводном положении, а тонуть — продолжать погружаться, пока не достигнет грунта или не разрушится. Поэтому жизненно важно, чтобы теоретическая подводная плавучесть была именно нейтральна — 0 %. Для надводного корабля это пограничное состояние приравнивается к потере плавучести, для ПЛ оно — повседневная норма.

На плавучесть, очевидно, влияют вес погруженного тела и плотность воды. Поскольку на практике ни то, ни другое не остается постоянным (лодка имеет остаточную плавучесть), поддержание нейтральной плавучести ПЛ под водой требует коррекций. Они производятся откачкой / приемом балласта, что называется вывеской ПЛ, или стабилизацией глубины.

На практике прием балласта требует затрат времени и энергии. Поэтому золотое правило надводного корабля: «чем больше запас, тем лучше» противоречит техническим требованиям. Конструктивный запас плавучести стараются ограничивать. Обычно он составляет у ПЛ 8−30 % (в зависимости от проекта), по сравнению с 50−60 % и более у надводных кораблей. Меньший запас противоречит требованиям непотопляемости, больший — скорости погружения / всплытия и ограничению по конструктивным размерам.

Остойчивость

Надводная остойчивость

Принципы надводной остойчивости ПЛ также аналогичны остойчивости надводного корабля. Точно так же различают статическую и динамическую остойчивость.

Особенностью поперечной остойчивости ПЛ является то, что её корпус, по соображениям прочности, имеет круглое сечение. Поэтому, с увеличением крена, дополнительные объёмы, входящие в воду, незначительны (то есть остойчивость формы не растет). Восстанавливающий момент с нарастанием крена меняется мало. Невелика и начальная метацентрическая высота h.

Как на поперечную, так и на продольную надводную остойчивость ПЛ влияет наличие большого количества жидких грузов, как правило, имеющих свободные поверхности, — во вспомогательных балластных и специальных цистернах. Все они уменьшают запас динамической остойчивости. В отличие от надводного корабля, где стараются свободные поверхности допускать как можно меньше, ПЛ по самому своему устройству вынуждена их иметь.

По этой причине запас динамической надводной остойчивости у ПЛ меньше, чем у надводного корабля. То есть ПЛ, как правило, получаются более валкими на поверхности.

Подводная остойчивость

Подводная остойчивость ПЛ принципиально отличается от надводной. Под водой погруженный объём в целом постоянен. ЦВ не смещается. Поэтому восстанавливающий момент по типу надводного возникнуть не может. В подводном положении требуется устойчивое равновесие. То есть ЦТ должен находиться ниже ЦВ. Тогда любой крен или дифферент создаёт пару сил, спрямляющих лодку. Остойчивость формы при этом отсутствует, имеется только остойчивость веса. Однако любое смещение ЦТ влияет на положение лодки в воде — посадку.

Особенно лодка под водой чувствительна к продольным усилиям, вызывающим дифферент. Возникающие при этом опрокидывающие моменты (m_кр), при отсутствии остойчивости формы, часто превышают спрямляющие, и опасны для лодки. Архимедовых сил для их компенсации недостаточно, и требуется искусственное вмешательство. Его осуществляют продольным смещением груза, называемым дифферентовкой. [4]

Остойчивость при погружении (всплытии)

Остойчивость при погружении (всплытии) представляет особый случай, при котором основные параметры, определяющие остойчивость, переменны. Происходит переход от неустойчивого равновесия (надводное положение) к устойчивому (подводное). Он сопровождается временным уменьшением остойчивости. Высота ЦВ (Z_c) над основной плоскостью с глубиной растёт, высота ЦТ (Z_g) сначала уменьшается, затем растёт, высота метацентра (Z_m, не путать с метацентрической высотой) растёт, затем уменьшается, и снова растёт.

Их совместное влияние описывается диаграммой плавучести и начальной остойчивости подводной лодки. Две особые точки диаграммы: I — совпадение ЦВ и ЦТ. Восстанавливающий момент определяется только моментом остойчивости формы. II — уход под воду прочного корпуса. Метацентр сливается с ЦВ, метацентрическая высота минимальна.

При погружении и всплытии имеются большие чем когда-либо (кроме случаев повреждения) свободные поверхности — в цистернах главного балласта. Поэтому запас динамической остойчивости ПЛ минимален.

Ходкость

Надводная и подводная ходкость ПЛ резко различаются. Для ПЛ, как для надводного корабля, справедливы зависимости сопротивления от скорости хода. Сопротивление пропорционально квадрату скорости:

где V — скорость, f — коэффициент пропорциональности.

Потребная мощность пропорциональна кубу частоты вращения винта (винтовая характеристика):

где m — коэффициент, w — частота вращения.

Надводная ходкость характеризуется наличием волнового сопротивления (X_в), сопротивления формы (X_ф, см. коэффициент сопротивления формы) и сопротивления трения (X_т). На полном ходу в надводном положении волновое сопротивление достигает 50 — 60 % общего. Подводная ходкость отличается тем, что волновое сопротивление отсутствует X_в = 0 (начиная с глубины, равной половине длины лодки).

Таким образом, создать корпус, удовлетворяющий обоим режимам, невозможно. Более того, невозможен и удовлетворительный компромисс. Поэтому форму корпуса оптимизируют на более характерный режим.

Исторически наблюдаются два периода. Первый, когда подводный и надводный двигатели были полностью раздельны. ПЛ были в основном дизель-электрическими и проводили большую часть времени в надводном положении. ПЛ этого времени имели надстройку и лёгкий корпус с обводами, сближающими лодку с надводным кораблём. Надводная скорость этих ПЛ была, в типичном случае, больше подводной.

С появлением шноркеля (РДП) граница между подводным и надводным двигателем смазывается, а с появлением атомной энергетики лодки получают единый двигатель. Надводное положение становится не характерным. Поэтому форма корпуса полностью оптимизирована для подводного хода. С 1960-х гг она близка к идеальной гидродинамической — каплевидная, с относительным удлинением L/B = 6 ÷ 7. Минимизируется сопротивление формы. Основную долю (85 − 90 %) составляет сопротивление трения. Такие лодки способны развивать под водой большую скорость, чем на поверхности.

Качка

Надводная качка

Для ПЛ характерна в основном надводная качка. В надводном положении к ПЛ применимы все соображения, действующие при качке надводного корабля. Хотя лодка, как и надводный корабль, имеет все 6 степеней свободы, наибольшее влияние на нее оказывают бортовая и килевая качка.

Подводная качка

Подводная качка ПЛ сколько-нибудь заметна только в приповерхностном слое. Она оказывает влияние на эксплуатацию ПЛ использующих выдвижные устройства, прежде всего РДП, и на условия пуска ракет из подводного положения. Таким образом, речь идет о глубинах погружения от 10 м (перископная глубина) до 45 м (стартовая глубина).

Заливаемость головки РДП заметно влияет на вентиляцию ПЛ и накладывает требования на оборудование, зависящее от притока воздуха. Но для теории ПЛ качка на перископной глубине сходна с надводной.

Начиная с 1960-х годов проводились исследования приповерхностной качки ПЛ. [6] Результаты сводятся к следующему:

Источник