Какое давление будет испытывать подводная лодка на той же глубине

Почему батискаф смог, а подводная лодка никак? Пределы подводной живучести.

• Интересно о технике и технологиях

Задумывались ли вы о том, на каких глубинах под водой плавают подводные лодки? Когда задаю такой вопрос ученикам, лишь малая часть дает верный ответ. Часто мнения скачут от «сто метров» до «5 километров».

В первую очередь, говоря о рабочей глубине* мы будем ориентироваться на военные подлодки. Погружение в глубину — дело непростое, поэтому до поры до времени создание подлодок было под силу лишь государствам, а они в свою очередь были заинтересованы такими аппаратами с военной точки зрения.

Итак, ко времени Первой Мировой войны глубина погружения подлодок составляла 30-60 метров. Всего. Вот подлодка Е-14 ВМФ Великобритании. Погружалась до 60 метров.

Е-14, 1915 год.

Главная проблема с глубиной погружения состоит в том, чтобы выдерживать растущее внешнее давление. На каждые 10 метров глубины давление воды растет на 1 атмосферу. Таким образом на 100 метровой глубине избыточное давление будет равно 10 атмосфер. Можете представить это так: на каждый квадратный метр лодки давит сила, равная весу двух железнодорожных цистерн, поставленных одна на другую. А глубже давление еще больше!

Однако военные требовали, инженеры трудились в поте лица и во Вторую Мировую войну у нас уже были подводные лодки, погружающиеся на 100-300 метров в глубину! При этом военные подводники находились в среде комфортного атмосферного давления, а снаружи на корпус давили уже сотни тонн воды.

Вот пример компоновки советской подводной лодки типа «Щ» или «Щука», ее модификации и фотографии:

Данная подлодка выпускалась до начала Второй мировой и имела глубину погружения до 90-100 метров.

Время шло, холодная война подливала масла в огонь, и в итоге в мире появились атомные субмарины, способные погружаться еще глубже, находиться под водой неограниченно долго и даже нести на борту ядерные ракеты…

Первые из них проектировались на глубины около 300 метров. Но постепенно запас прочности рос. И в 1985 году АПЛ «Комсомолец» установила до сих пор не побитый рекорд погружения в 1027 метров. В целом рабочие глубины атомных подводных лодок находятся в пределах 400-800 метров. То есть даже 1 километр глубины подлодке «не по зубам»!

И вот тут нам стоит обратить внимание на… батискафы!

Эти удивительные создания годятся для почти любых глубин. Особенно лучшие из них.

Одним из первых был создан FNRS-2, сконструированный Огюстом Пикаром в 1948. О семье Пикаров я уже писал здесь. Он погружался на глубины до 4 000 метров. Затем аппарат был доработан в FNRS-3.

А после те же Пикары создали батискаф «Триест». Именно на нем было совершено погружение в Марианскую впадину на глубину практически 11 километров под водой.

Существуют пилотируемые подводные аппараты, условно называющиеся беспоплавковыми, которые иногда не относят к батискафам, но по сути конструкционно они от батискафов мало отличаются. Просто вместо бензина используют для поплавка другой материал, например синтактическую пену. Таковы американские «Алвины», погружающиеся до 4500 метров.

Похожая конструкция у наших аппаратов «Мир», который способен опускаться под поверхность океана на глубины до 6500 метров.

Кстати, с помощью именно этих аппаратов исследовали затонувший «Титаник».

Так почему же подводные лодки опускаются до 800 метров, а батискафы гораздо ниже?

Дело тут вот в чем. Подводная лодка именно в силу своих функций и требований быстроходности имеет удлиненную цилиндрическую форму. А это значит, что в разных точках поверхности защищенного от давления корпуса она имеет разную кривизну. С одной стороны если мы посмотрим на сечение подводной лодки, то увидим вот какое распределение давления:

Это идеальная геометрия. Внешнее давление, равномерно распространяясь по кругу, превращается в материале в напряжение сжатия. Все металлы отлично работают на сжатие, но гораздо хуже на изгиб. И особенно конструкционные материалы чувствительны к так называемым концентраторам напряжения. К ним могут относиться и отверстия, и наплывы, и неравномерность толщины, и также изменение кривизны.

А если мы посмотрим на подводную лодку «в профиль», то увидим как раз эти зоны повешенных напряжений там, где цилиндр переходит в сферу. Ну, и конечно, топедные отсеки, элементы хвоста также имеют повышенное нагружение. Вот зоны повышенного напряжения на рисунке.

Рисунок очень приблизительный. Главная его идея в том, чтобы показать, что в зонах повышенных напряжений они могут в разы, а порой и в 10 раз превосходить номинальные. Именно из-за этого подводные лодки имеют ограниченную глубину погружения.

А что же батискаф?

Его жилая зона практически всегда — это идеальная сфера. Поэтому все внешнее давление превращается в идеальное напряжение сжатия, с которым отлично работают металлы. Именно это помогает батискафам удерживать огромное давление. Материалом сферы могут быть специальные сплавы, как у «Триеста», или даже особое стекло, как у «Тритонов».

Вот в чем главная разница в живучести на больших глубинах между батискафами и подводными лодками.

Есть и еще одно техническое различие между подводными лодками и батискафами. Оно касается того, как подводные аппараты меняют глубину, то есть опускаются или всплывают, и как они удерживают нужную глубину в течение длительного времени.

Подводные лодки имеют 2 способа это делать. Во-первых это заполнение балластных цистерн водой для погружения, либо их продувка сжатым воздухом для всплытия. А второй способ — это работа рулями глубины. Фактически подводные лодки зачастую идут глубже, чем уровень «равновесия» между силой тяжести и силой архимеда именно благодаря силам, создаваемым рулями. Их действие похоже на действие крыльев и рулей высоты у самолета, только направлены возникающие гидродинамические силы не вверх, а вниз. И частично всплывать подлодка также может при заполненных балластных цистернах, благодаря рулям глубины. Но делать это все она может только в движении.

У батискафа только один способ — либо заполнять балластные цистерны водой, либо продувать их. Плюс на борту батискафов часто есть запас балластных грузов. Например, на «Триесте», опускавшемся в Марианскую впадину, использовалась мелкая металлическая дробь. Если ее сбросить, аппарат начинает всплывать. Чтобы зависнуть на одной глубине, пилот батискафа обычно подбирает баланс между заполнением цистерн водой и сбросом части балластного груза.

Пожалуй, на этом всё.

Расскажите, что вы уже про это знали? Возможно, я упустил какие-то моменты? Буду рад дополнить статью.

Успехов вам и до новых встреч!

Источник