Теория подводной лодки — отрасль , 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 .

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 её полного объёма D _п = 3000 т. Тогда

W = (D _п — D _н ) / D _п * 100

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 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

Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения.

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, изменения площади действующей ватерлинии незначительны (то есть 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 . Однако любое смещение ЦТ влияет на положение лодки в воде — .

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 .

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:

X = f * V ²

где V — скорость, f — коэффициент пропорциональности.

пропорциональна кубу частоты вращения винта ( винтовая характеристика ):

N _e = m * w³

где m — коэффициент, w — частота вращения.

Надводная ходкость характеризуется наличием волнового сопротивления ( X _в ), сопротивления формы ( X _ф , см. коэффициент сопротивления формы ) и ( 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 неё оказывают бортовая и килевая качка .

Отличием бортовой качки ПЛ является большая амплитуда . По опыту эксплуатации, она может доходить до Θ = 60°, при волнении 5 - 6 баллов.

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. Результаты сводятся к следующему:

• качка у поверхности заметно влияет на ориентацию ракет при выходе из воды
• качка на стартовой глубине влияет на ориентацию ракет при выходе из шахт / торпедных аппаратов, но незначительно
• начиная с глубины 100 м, влияние качки отсутствует

См. также

• Бубнов, Иван Григорьевич
• Крылов, Алексей Николаевич

Примечания

Ссылки