Какое давление в подводной лодке на глубине
Содержание статьи
Наибольшая глубина погружения подлодок ВМФ России, ВМС США и Японии
Факт существования батискафа, сумевшего покорить глубочайшую бездну, свидетельствует о технической возможности создания обитаемых аппаратов для погружений на любые глубины.
Почему же ни одна из современных подлодок и близко не способна погрузиться — даже на 1000 метров?
Полвека назад собранный из
подручных средств
стандартной стали и плексигласа батискаф достиг дна Марианской впадины. И мог бы продолжить свое погружение, если бы в природе встречались большие глубины. Безопасная расчетная глубина для «Триеста» составляла 13 километров!
Свыше 3/4 площади Мирового океана приходится на абиссальную зону: океанское ложе с глубинами свыше 3000 м. Подлинный оперативный простор для подводного флота! Почему никто не использует эти возможности?
Покорение больших глубин никак не связано с прочностью корпуса «Акул», «Бореев» и «Вирджиний». Проблема заключается в другом. И пример с батискафом «Триест» здесь совершенно ни при чем.
Они похожи, как самолет и дирижабль
Батискаф — это «поплавок». Цистерна с бензином, с закрепленной под ней гондолой экипажа. При принятии на борт балласта конструкция обретает отрицательную плавучесть и погружается в глубину. При сбрасывании балласта — возвращается на поверхность.
В отличие от батискафов, подводным лодкам требуется в течение одного погружения многократно изменять глубину нахождения под водой. Иначе говоря, подводный корабль обладает способностью многократно изменять запас плавучести. Это достигается путём заполнения забортной водой балластных цистерн, которые при всплытии продуваются воздухом.
Обычно на лодках применяются три воздушные системы: воздух высокого давления (ВВД), среднего (ВСД) и низкого давления (ВНД). К примеру, на современных американских атомоходах запасы сжатого воздуха хранятся в баллонах под давлением 4500 фунтов на кв. дюйм. Или, по-человечески, примерно 315 кг/см2. Однако ни одна из систем-потребителей сжатого воздуха не использует ВВД напрямую. Резкие перепады давления вызывают интенсивное обмерзание и закупорку арматуры, одновременно создавая опасность компрессионных вспышек паров масла в системе. Повсеместное применение ВВД под давлением свыше 300 атм. создало бы недопустимые опасности на борту субмарины.
ВВД через систему редукционных клапанов поступает к потребителям в виде ВСД под давлением 3000 фн. на кв. дюйм (примерно 200 кг/см2). Именно таким воздухом продуваются цистерны главного балласта. Для обеспечения работы остальных механизмов лодки, запуска оружия, а также продувания дифферентных и уравнительных цистерн применяется «рабочий» воздух под еще более низким давлением около 100-150 кг/см2.
И здесь в действие вступают законы драматургии!
С погружением в морские глубины на каждые 10 метров давление возрастает на 1 атмосферу
На глубине 1500 м давление составляет 150 атм. На глубине 2000 м давление 200 атм. Это как раз соответствует максимальному значению ВСД и ВНД в системах подводных лодок.
Ситуация усугубляется ограниченными объемами сжатого воздуха на борту. Особенно после продолжительного нахождения лодки под водой. На глубине 50 метров имеющихся запасов может быть достаточно для вытеснения воды из балластных цистерн, но на глубине 500 метров этого хватит лишь для продувания 1/5 их объема. Большие глубины — всегда риск, и там требуется действовать с предельной осторожностью.
В наши дни существует практическая возможность создания подлодки с корпусом, рассчитанным на глубину погружения 5000 метров. Но для продувания цистерн на такой глубине потребовался бы воздух под давлением свыше 500 атмосфер. Сконструировать трубопроводы, клапаны и арматуру, рассчитанные под такое давление, при сохранении их разумной массы и исключения всех связанных опасностей на сегодняшний день является технически неразрешимой задачей.
Современные подлодки строятся по принципу разумного баланса характеристик. Зачем делать высокопрочный корпус, выдерживающий давление километровой толщи воды, если системы всплытия рассчитаны на гораздо меньшие глубины. Погрузившись на километр, подлодка будет обречена в любом случае.
Однако в этой истории имеются свои герои и отверженные.
Традиционными аутсайдерами в области глубоководных погружений считаются американские подводники
Корпуса американских лодок на протяжении полувека делаются из одного сплава HY-80 с весьма посредственными характеристиками. High-yield-80 = сплав повышенной прочности с пределом текучести 80 000 фунтов на кв. дюйм, что соответствует значению 550 МПа.
Многие эксперты выражают сомнения в адекватности такого решения. Из-за слабого корпуса лодки неспособны в полной мере использовать возможности систем всплытия. Которые позволяют продувание цистерн на значительно больших глубинах. По оценкам, рабочая глубина погружения (глубина, на которой лодка может находиться длительное время, совершая любые маневры) для американских субмарин не превышает 400 метров. Предельная глубина — 550 метров.
Применение HY-80 позволяет удешевить и ускорить сборку корпусных конструкций, среди преимуществ всегда назывались хорошие сварочные качества этой стали.
Для ярых скептиков, которые немедленно заявят, что флот «вероятного противника» массово пополняется небоеспособным хламом, нужно заметить следующее. Те различия в темпах кораблестроения между Россией и США обусловлены не столько применением более качественных сортов стали для наших подлодок, сколько другими обстоятельствами. Ну да ладно.
За океаном всегда полагали, что супергерои не нужны. Подводное оружие должно быть максимально надежным, тихим и многочисленным. И в этом есть доля правды.
«Комсомолец»
Неуловимый «Майк» (К-278 по классификации НАТО) установил абсолютный рекорд глубины погружения среди подводных лодок — 1027 метров.
Предельная глубина погружения «Комсомольца» по расчетам составляла 1250 м.
Среди главных отличий конструкции, несвойственных другим отечественным подлодкам, — 10 бескингстонных цистерн, размещенных внутри прочного корпуса. Возможность стрельбы торпедами с больших глубин (до 800 метров). Всплывающая спасательная капсула. И главная изюминка — аварийная система продувания цистерн с помощью газогенераторов.
Реализовать все заложенные преимущества позволил корпус, изготовленный из титанового сплава.
Сам по себе титан не являлся панацеей при покорении морских глубин. Главным при создании глубоководного «Комсомольца» были качество сборки и форма прочного корпуса с минимумом отверстий и ослабленных мест.
Титановый сплав 48-Т с пределом текучести 720 МПа лишь незначительно превосходил по прочности конструкционную сталь HY-100 (690 МПа), из которой изготавливались подлодки «СиВулф».
Другие описываемые «преимущества» титанового корпуса в виде малых магнитных свойств и его меньшей подверженности коррозии сами по себе не стоили затраченных средств. Магнитометрия никогда не являлась приоритетным способом обнаружения лодок; под водой все решает акустика. А проблема морской коррозии уже лет двести решается более простыми методами.
Титан с точки зрения отечественного подводного кораблестроения обладал ДВУМЯ реальными преимуществами:
а) меньшей плотностью, что означало более легкий корпус. Появившиеся резервы тратились на другие статьи нагрузки, например, ГЭУ большей мощности. Неслучайно подлодки с титановым корпусом (705(К) «Лира», 661 «Анчар», «Кондор» и «Барракуда») строились как покорители скорости.;
б) Среди всех высокопрочных сталей и сплавов титановый сплав 48-Т оказался наиболее технологичным в обработке и при сборке корпусных конструкций.
«Наиболее технологичный» — не значит простой. Но сварочные качества титана хотя бы позволяли производить сборку конструкций.
За океаном имели более оптимистичный взгляд на применение сталей. Для изготовления корпусов новых подлодок XXI века была предложена высокопрочная сталь марки HY-100. В 1989 году в Штатах заложили головной «СиВулф». Спустя два года оптимизма поубавилось. Корпус «СиВулфа» пришлось разобрать на иголки и начинать работу заново.
В настоящее время многие проблемы решены, и стальные сплавы, эквивалентные по свойствам HY-100, находят более широкое применение в кораблестроении. По некоторым данным, подобная сталь (WL = Werkstoff Leistungsblatt 1.3964) применяется при изготовлении прочного корпуса немецких неатомных подлодок «Тип 214».
Существуют еще более прочные сплавы для изготовления корпусов, например, стальной сплав HY-130 (900 МПа). Но из-за плохих сварочных свойств корабелы считали применение HY-130 невозможным.
Пока не поступили новости из Японии.
耐久 значит предел текучести
Как утверждает старая пословица: «Что бы вы ни умели делать хорошо, всегда найдется азиат, который делает это лучше».
В открытых источниках присутствует крайне мало информации о характеристиках японских боевых кораблей. Однако экспертов не останавливают ни языковой барьер, ни параноидальная секретность, свойственная вторым по силе ВМС в мире.
Из доступной информации следует, что самураи наряду с иероглифами широко используют английские обозначения. В описании подлодок присутствует сокращение NS (al Steel — военно-морская сталь), сочетаемая с цифровыми индексами 80 или 110.
В метрической системе счисления «80» при обозначении марки стали, скорее всего, означает предел текучести 800 МПа. Более прочная сталь NS110 имеет предел текучести 1100 МПа.
С точки зрения американца, стандартная для японских подлодок сталь носит обозначение HY-114. Более качественная и прочная — HY-156.
Немая сцена
«Кавасаки» и «Мицубиси Хэви Индастриз» без всяких громких обещаний и «Посейдонов» научились изготавливать корпуса из материалов, ранее считавшихся несваримыми и невозможными при постройке подлодок.
Приведенные данные соответствуют устаревшим субмаринам с воздухонезависимой установкой типа «Оясио». В составе флота 11 единиц, из которых две самые старые, вступившие в строй в 1998-1999 гг., переведены в разряд учебных.
«Оясио» имеет смешанную двухкорпусную конструкцию. Наиболее логичное предположение — центральная секция (прочный корпус) изготовлена из наиболее прочной стали NS110, в носовой и кормовой частях лодки применяется двухкорпусная конструкция: легкая обтекаемая оболочка из NS80 (давление внутри = давлению снаружи), прикрывающая цистерны главного балласта, вынесенные за пределы прочного корпуса.
Современные японские субмарины типа «Сорю» считаются улучшенными «Оясио» с сохранением основных конструктивных решений, доставшийся им от предшественников.
При наличии прочного корпуса из стали NS110 рабочая глубина «Сорю» оценивается как минимум в 600 метров. Предельная — 900.
С учетом представленных обстоятельств ВМС самообороны Японии на сегодняшний день обладают самым глубоководными флотом боевых подлодок.
Японцы «выжимают» всё возможное из доступного. Другой вопрос, насколько это поможет в морском конфликте. Для противостояния в морских глубинах необходимо наличие ядерной силовой установки. Жалкие японские «полумеры» с увеличением рабочей глубины или созданием «лодки на батарейках» (удивившая мир подлодка «Орю») похожи на хорошую мину при плохой игре.
С другой стороны, традиционное внимание к мелочам всегда позволяло японцам иметь преимущество над противником. Появление ядерной силовой установки для ВМС Японии — вопрос времени. Но у кого в мире еще имеются технологии изготовления сверхпрочных корпусов из стали с пределом текучести 1100 МПа?
Источник
Глубина погружения подводной лодки
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 17 апреля 2021; проверки требует 1 правка.
Зависимость радиуса обнаружения от глубины погружения ПЛ. Самолет обнаруживает лодку у поверхности (прерывистые линии), но не обнаруживает лодку на глубине (при h < h’ , имеем R > R’ )
Глубина погружения подводной лодки — важнейшая тактическая характеристика и основной параметр подводной лодки, определяющий её возможности действий под водой, скрытность и неуязвимость. Чем выше глубина погружения, тем меньше вероятность обнаружения подводной лодки и поражения её соответствующим противолодочным оружием. Глубина определяется характеристиками прочного корпуса подводной лодки, а также сложностью и габаритами системы погружения и всплытия.
Параметры глубины[править | править код]
Экипаж подводной лодки может подвергнуться серьёзным физиологическим проблемам, если давление воздуха внутри будет равняться давлению воды снаружи корпуса: при высоком давлении кислород станет токсичным и опасным. Поэтому если внутри поддерживается нормальное атмосферное давление, корпус должен выдерживать любую силу давления, создаваемую толщей воды — намного большую, чем атмосферное давление — и избегать возникновения остаточных деформацией. Давление воды снаружи возрастает с глубиной, а следовательно, вероятность возникновения деформаций также возрастает. На каждые 10 метров погружения давление возрастает на одну атмосферу (100 кПа), отсюда давление будет составлять 31 атмосферу (учитывая давление на поверхности) на глубине 300 метров.
Перископная глубина[править | править код]
Подводная лодка на перископной глубине, вид с поверхности воды.
Подводная лодка на перископной глубине. Вид с вертолёта.
Перископная глубина погружения (англ. periscope depth) — глубина погружения, на которой возможно использование перископа подводной лодки для наблюдения за обстановкой на поверхности воды. Как правило, для использования на перископной глубине рассчитаны и остальные выдвижные устройства подводных лодок, такие, как шноркель, навигационные комплексы, антенны радиосвязи. Исторически перископная глубина определялась длиной выдвижной части перископа и постепенно увеличивалась до 8-15 метров во второй половине XX века[1].
Испытательная глубина[править | править код]
Испытательная глубина погружения (англ. test depth) — глубина, на которой подводная лодка может без ограничений находиться в обычных мирных условиях. Она определяется на ходовых испытаниях подводной лодки. Согласно требованиям ВМС США, эта глубина должна составлять две трети от проектной глубины, согласно требованиям ВМС Великобритании — 4/7 от проектной глубины, согласно требованиям ВМС Германии — ровно половину от проектной глубины[2].
Рабочая глубина[править | править код]
Рабочая глубина или Максимальная оперативная глубина (англ. maximum operating depth) — максимальная глубина, длительное пребывание на которой не нарушает работы систем и устройств подводной лодки. Как правило, составляет 80-85% предельной глубины погружения[3].
Увеличение рабочей глубины подводных лодок являлось насущной проблемой для кораблестроителей XX века, так как напрямую влияло на скрытность и живучесть подводных лодок. Прогресс в этой области напрямую зависел от прогресса в создании высокопрочных материалов и технологий их обработки. От обычных конструкционных сталей корабелы перешли к высокопрочным сталям, а в СССР — ещё и к титановым сплавам, превосходящим любую сталь как по удельной прочности, так и по стоимости.
В начале XX века и в Первой мировой войне рабочая глубина большинства подводных лодок составляла 30-50 метров, во Второй мировой войне рабочие глубины выросли до 200 метров. Первые атомные подводные лодки проектировались для работы на глубине в 300 метров. В СССР увеличение глубины было одним из главных приоритетов, вследствие чего К-278 «Комсомолец» в 1985 году установила действующий рекорд глубины погружения подводных лодок в 1027 метров.
Достоверно известно, что американские подводные лодки типа «Трешер» имели рабочую глубину погружения 1300 футов (около 400 метров). Рабочая глубина погружения подводных лодок типа «Сивулф» официально составляет «более 800 футов», предположительно вдвое больше этой величины (порядка 480 метров)[2].
Расчётная глубина[править | править код]
Расчётная глубина (проектная глубина, англ. de depth) — номинальная глубина, указываемая в тактико-технических требованиях к подводной лодке. На её основе конструкторское бюро рассчитывает толщину металлического корпуса, водоизмещение субмарины и прочие параметры. Поскольку конструкторы в свои расчёты включают коэффициенты запаса прочности, расчётная глубина всегда меньше предельной глубины. Отношение предельной глубины к расчётной называют коэффициентом безопасности, обычно этот коэффициент равен 1,4 .. 2,2[3][4].
Предельная глубина[править | править код]
Хвостовая оконечность провалившейся за предельную глубину (и погибшей) USS Scorpion (SSN-589) с ясно видимыми деформациями от избыточного давления. Глубина более 3000 метров.
Предельная глубина (англ. crush depth) — максимальная глубина, погружение на которую не сопровождается остаточными деформациями прочного корпуса подводной лодки[3]. Предельная глубина вычисляется конструкторами, но не всегда является точной. В официальных отчётах Второй мировой войны нередко сообщалось, что подлодки при достижении «предельной глубины» вынуждены были откачивать воду и затем успешно всплывали: предполагается, что авторы отчётов могли перепутать предельную глубину с испытательной.
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Букалов В.М. Нарусбаев А.А. Проектирование атомных подводных лодок (по материалам иностранной печати). — Ленинград: Судостроение, 1968.
- Военно-морской словарь / Гл. ред.: Главнокомандующий Военно-Морским Флотом адмирал флота В. Н. Чернавин. — М.: Воениздат, 1990. — 511 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-203-00174-x.
- Norman Friedman, Submarine De and Development [al Institute Press, Annapolis MD, 1984]
Источник
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