Какое давление воздуха в подводной лодке
Содержание статьи
Как работает подводная лодка?
Подводные лодки — невероятные технологии. Не так давно военно-морская сила полностью работала над водой; с добавлением подводной лодки к стандартному военному арсеналу, мир под поверхностью стал полем битвы.
Адаптации и изобретения, позволяющие матросам не только сражаться, но и жить в течение месяцев или даже лет под водой, являются одними из самых ярких событий в военной истории.
В этой статье вы узнаете, как подводная лодка погружается и движется под водой, как поддерживается жизнеобеспечение, как получает свое военное превосходство, как ориентируется в глубоком океане и как подводные лодки могут быть спасены при аварийных ситуациях.
ПОГРУЖЕНИЕ И ДВИЖЕНИЕ
Подводные лодки или корабли могут плавать, потому что вес воды, которую они вытесняют, равен весу судна. Это разность уровней воды создает выталкивающую силу, называемую силой Архимеда. Действует эта сила против силы тяжести, которая тянет корабль вниз. В отличие от корабля, подводная лодка может управлять своей плавучестью, что позволяет ей погружаться и всплывать по своему усмотрению.
Для управления плавучестью на подводной лодке имеются балластные и вспомогательные цистерны, которые могут быть поочередно заполнены водой или воздухом. Когда подводная лодка находится на поверхности, балластные цистерны заполнены воздухом, а общая плотность подводной лодки меньше, чем у окружающей ее воды. Для погружения подлодки балластные цистерны заполняются водой, а воздух выгоняется, пока общая плотность судна не станет больше, чем у воды, и подводная лодка начинает погружаться (отрицательная плавучесть). Сжатый воздух хранится на борту подводной лодки в специальных емкостях и используется для жизнеобеспечения и закачки в балластные цистерны. Кроме того, у подводной лодки есть подвижные наборы коротких «крыльев», называемых гидропланами, на корме, которые помогают контролировать угол погружения. Когда гидропланы расположены под углом, вода перемещается по корме, заставляя корму двигаться вверх; при этом носовая часть подводной лодки смотрит вниз – происходит погружение.
Чтобы поддерживать уровень подводной лодки на любой заданной глубине, подводная лодка поддерживает баланс воздуха и воды в цистернах, чтобы общая плотность была равна плотности воды (нейтральная плавучесть). Когда подводная лодка достигает своей крейсерской глубины, гидропланы выровняются так, что подводная лодка перемещается в воде. Для управления используют хвостовой руль, чтобы повернуть направо или налево и гидропланы для управления передним углом лодки. Кроме того, некоторые субмарины оснащены подвижным вторичным двигателем, который может поворачиваться на 360 градусов.
Для поднятия на поверхность, сжатый воздух вытекает из воздушных емкостей в балластные цистерны, и вода вытесняется из подводной лодки, пока ее общая плотность не будет меньше чем у окружающей воды (положительная плавучесть), и подводная лодка всплывает. Гидропланы располагают под углом, так чтобы вода поднималась над кормой, что заставляет корму двигаться вниз; при этом нос субмарины направлен вверх. В аварийной ситуации балластные цистерны могут быстро заполняться воздухом высокого давления, чтобы очень быстро вывести подводную лодку на поверхность.
ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ
В закрытой среде подводной лодки существуют три основные проблемы жизнеобеспечения: воздух, пригодный для дыхания; наличие пресной воды; поддержание температуры.
Поддержание качества воздуха
Воздух, которым мы дышим, состоит из четырех газов: азот (78%), кислород (21%); аргон (0,94%); двуокись углерода (0,04%).
Когда мы дышим воздухом, наши тела потребляют его кислород и превращают его в двуокись углерода. Выдыхаемый воздух содержит около 4,5% углекислого газа. Наши тела ничего не делают с азотом или аргоном. Подводная лодка — это запечатанный контейнер, содержащий людей и ограниченный запас воздуха. Есть три вещи, которые должны происходить, чтобы воздух на подводной лодке был пригоден для дыхания:
— Кислород нужно периодически пополнять, поскольку он потребляется. Если процент кислорода в воздухе уменьшается, человек задыхается;
— Углекислый газ необходимо удалять из воздуха. По мере того, как концентрация углекислого газа повышается, он становится токсином;
— водяные пары, которые мы выдыхаем, должны быть удалены.
Кислород поставляется либо из емкостей под давлением, или из генератора кислорода (который может образовывать кислород при электролизе воды), или какого-то «кислородного контейнера», который выделяет кислород очень горячей химической реакцией. Кислород либо непрерывно выпускается компьютеризированной системой, которая измеряет процентное содержание кислорода в воздухе или периодически выпускается партиями в течение дня.
Двуокись углерода может быть удалена из воздуха химически, используя газированную известь (гидроксид натрия и гидроксид кальция) в устройствах, называемых скрубберами. Двуокись углерода задерживается в газированной извести химической реакцией и удаляется из воздуха. Другие подобные реакции могут достигать той же цели.
Влага может быть удалена с помощью осушителя или химических веществ. Это предотвращает конденсацию на стенах и оборудовании внутри корабля.
Кроме того, другие примеси, такие как окись углерода или водород, которые генерируются оборудованием или сигаретным дымом, могут быть удалены с помощью горелок. Наконец, фильтры используются для удаления частиц грязи и пыли из воздуха.
Поддержание снабжения пресной водой
Большинство подводных лодок имеют дистилляционный аппарат, который может из морской воды производить пресную. Дистилляционная установка нагревает морскую воду до состояния водяного пара, в котором нет солей, а затем охлаждает водяной пар в сборный резервуар пресной воды. Дистилляционная установка на некоторых подводных лодках может производить от 40 000 до 150 000 литров пресной воды в день. Эта вода используется в основном для охлаждения электронного оборудования (например, компьютеров и навигационного оборудования) и для поддержки экипажа (например, питья, приготовления пищи и личной гигиены).
Поддержание температуры
Температура океана, окружающего подводную лодку, обычно составляет около 4 градусов Цельсия. Металл субмарины хорошо проводит внутреннее тепло к окружающей воде. Таким образом, для поддержания комфортной температуры внутри лодки используют электрические нагреватели. Электричество для нагревателей получают от ядерного реактора, дизельного двигателя или батарей (аварийного).
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
На атомных подводных лодках используются ядерные реакторы, паровые турбины и редукторы для привода главного карданного вала, который обеспечивает прямое и обратное движение в воде (электродвигатель управляет одним и тем же валом при движении или в аварийной ситуации).
Подводные лодки также нуждаются в электроэнергии для управления оборудованием на борту. Для обеспечения этой мощности подводные лодки оснащены дизельными двигателями, которые сжигают топливо или ядерные реакторы, которые используют ядерное деление. На подводных лодках также есть аккумуляторы для подачи электроэнергии. Электрооборудование часто запускается от батарей, а питание от дизельного двигателя или ядерного реактора используется для зарядки батарей. В чрезвычайных ситуациях батареи могут быть единственным источником электроэнергии для запуска подводной лодки.
Дизельная подводная лодка — очень хороший пример гибридного устройства. Большинство дизельных субмарин имеют два или более дизельных двигателя. Дизельные двигатели могут работать с гребными винтами или могут запускать генераторы, которые перезаряжают очень большой аккумуляторный блок. Или они могут работать в комбинации, один двигатель управляет винтом, а другой — генератором. Используют дизельный двигатель для движения и зарядки батарей, когда лодка находится на поверхности (либо на небольшой глубине – воздух в двигатель подают через специальную кишку, один конец которой находится на поверхности). Как только батареи будут полностью заряжены, подводная лодка может погружаться под воду. Батареи питают электрические двигатели, управляющие винтами. Работа от батареи — единственный способ передвижения лодки под водой. Пределы технологии батареи серьезно ограничивают время, в течение которого дизель может оставаться под водой – периодически необходимо всплывать для подзарядки.
Из-за этих ограничений, было признано, что ядерная энергия на подводной лодке принесет огромную пользу. Ядерным реакторам не нужен кислород, поэтому ядерная субмарина может оставаться под водой в течение нескольких недель. Кроме того, поскольку ядерное топливо работает намного дольше, чем дизельное топливо (годы), атомная подводная лодка не должна выходить на поверхность или в порт для дозаправки и может оставаться в море гораздо дольше.
Ядерные подводные лодки и авианосцы оснащены ядерными реакторами, которые почти идентичны реакторам, используемым на электростанциях. Реактор производит тепло для генерирования пара, который приводит в действие паровую турбину. Турбина на судне непосредственно управляет винтами, а также электрогенераторами. Два основных различия между реакторами на электростанции и корабле: реактор на ядерном судне меньше и использует высокообогащенное топливо, чтобы выделять большое количество энергии при меньших размерах.
НАВИГАЦИЯ
Свет не проникает глубоко в океан, поэтому подводные лодки должны перемещаться в воде практически вслепую. Однако они оснащены сложным навигационным оборудованием. Если на поверхности сложная глобальная система позиционирования точно определяет широту и долготу, то эта система не может работать, когда подводная лодка погружена. Под водой субмарина использует инерционные системы ведения (электрические, механические), которые отслеживают движение судна с фиксированной начальной точки с помощью гироскопов. Инерционные системы ведения должны быть точными и синхронизированными с другими навигационными системами, зависящими от поверхности. С помощью этих систем на борту подводная лодка может точно перемещаться и находиться в пределах ста метров от намеченного курса.
Чтобы найти цель, на подводной лодке используется активный и пассивный сонар. Активный сонар испускает импульсы звуковых волн, которые проходят через воду, отражаются от цели и возвращаются на корабль. Зная скорость звука в воде и время, перемещения звуковой волны к цели и обратно, компьютеры могут быстро рассчитать расстояние между подводной лодкой и мишенью. Киты, дельфины и летучие мыши используют ту же технику для обнаружения добычи (эхолокация). Пассивный сонар включает в себя прослушивание звуков, генерируемых мишенью. Системы сонара также могут использоваться для перестройки инерциальных навигационных систем путем определения известных характеристик океанского дна.
ВЫЖИВАНИЕ
Когда подводная лодка тонет из-за столкновения с чем-то или бортового взрыва, экипаж будет вещать радиосигнал бедствия или запускать буй, который будет передавать сигнал бедствия и местоположение лодки. В зависимости от обстоятельств катастрофы ядерные реакторы будут остановлены, а подводная лодка может работать только на батарее.
Если это так, то экипаж подводной лодки сталкивается с четырьмя основными опасностями:
— Наполнение водой субмарины должно быть сведено к минимуму;
— Использование кислорода должно быть сведено к минимуму, чтобы доступное количество кислорода хватило до возможных попыток спасения;
— Уровни углекислого газа повысятся и могут вызвать опасные токсические эффекты;
— Если батареи разрядятся, тогда системы отопления не работают, и температура внутри лодки понизится.
Спасение с поверхности должно происходить быстро, обычно в течение 48 часов после аварии. Попытки, как правило, связаны с попыткой получить какой-либо тип спасательного транспортного средства, чтобы вывезти экипаж, или прикрепить какой-либо тип устройства для подъема подводной лодки с морского дна. Аварийные транспортные средства включают мини-подводные лодки и спасательные колокола.
Мини-субмарина может самостоятельно подплыть к затонувшей подводной лодке, пристыковаться со спасательным люком, создать воздухонепроницаемое уплотнение, чтобы люк можно было открыть и загрузить часть экипажа. Колокола обычно опускается с судна поддержки до подводной лодки, где происходит аналогичная операция.
Чтобы поднять подводную лодку, как правило, после того, как экипаж был извлечен, понтоны могут быть размещены вокруг субмарины и раздуты, чтобы выплыть на поверхность.
Есть и другие способы спасения экипажа. Важными факторами успеха спасательной операции являются глубина, очертание морского дна, течения вблизи лодки, положение субмарины, море и погодные условия на поверхности.
Источник
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 (Naval 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