Техника и душа – новое в жизни человека и вечное ее начало, новая радость, рожденная их слиянием.
А. Сент-Экзюпери
Научно-исследовательские подводные лодки, отличающиеся от своих военных прародителей формой, конструкцией, возможностями и сферой применения, имеют много общих с ними механизмов и свойств. Поэтому, оценивая технические характеристики, придающие подводному судну качества исследовательского корабля, обратимся сначала к обычной (не атомной) подводной лодке.
В действительности она представляет собой ныряющую лодку, поскольку большую часть времени находится на поверхности моря и способна погружаться только на ограниченный срок. Поэтому при создании подводных лодок приходится учитывать не только условия подводного плавания, но и считаться с требованиями плавания в надводном положении. Ее форма, заимствованная от надводного корабля, обеспечивает ей остойчивость над водой. Лодка снабжена мостиком для визуальной навигации, двумя гребными винтами, двигателями внутреннего сгорания и обычным оборудованием для судовождения и связи. После погружения водоизмещение подводной лодки возрастает, и по условиям работы она становится больше похожей на самолет или дирижабль, чем на надводный корабль. «Оторвавшись» от поверхности моря, она движется в трех измерениях, и ее остойчивость и сохранение заданной глубины требуют постоянного внимания, Всплытие и погружение ее имеют много общего со взлетом и посадкой самолета. Носовые и кормовые горизонтальные рули при изменении глубины играют такую же роль, как рули высоты. И в том и другом случаях механические повреждения могут повлечь за собой последствия более тяжелые, чем при движении по земле или воде.
Работа под водой для нас, привыкших жить, двигаться и общаться в земной атмосфере, требует отрешения от многих навыков и представлений. Различия в химическом составе, плотности, сжимаемости и электропроводности воздуха и воды так велики, что предъявляют совершенно различные требования к устройству и оборудованию самолетов и подводных кораблей. Как только волны сомкнулись над лодкой, она вступает в новый и непривычный мир. Слегка увеличившееся давление на уши свидетельствует, что все отверстия герметически закрыты, и при достаточном удалении от поверхности воды всякое ощущение движения как бы утрачивается.
Плавание лодки напоминает полет самолета в тумане, с той разницей, что обеспечивающие подводный ход гребные электромоторы почти не производят шума. Обычный контакт с внешним миром теряется, и навигация, и маневрирование становятся «слепыми» и выполняются при помощи остроумных приспособлений, специально изобретенных для подводных лодок.
Подводная лодка перемещается в среде, почти в 800 раз более плотной, чем воздух. Давление воды растет с глубиной, и поэтому прочному корпусу лодки придается форма удлиненного эллипсоида, чтобы стальные пластины корпуса, благодаря своей кривизне, могли легче противостоять этому давлению.
При движении лодка с помощью горизонтальных рулей удерживает глубину и, таким образом, находится в состоянии динамического равновесия. Под водой лодка в отличие от надводного корабля не испытывает качки, но ее равновесие неустойчиво – она может удерживаться на глубине и в правильном положении только при определенной весовой нагрузке и строго зафиксированном ее распределении. Положительная плавучесть, необходимая для всплытия, осуществляется с помощью главных балластных цистерн, расположенных снаружи прочного корпуса, между ним и тонкой наружной обшивкой – легким корпусом. Эти цистерны продуваются сжатым воздухом, выгоняющим воду через находящиеся в их нижней части отверстия – кингстоны, а заполняются для погружения посредством открытия клапанов вентиляции вверху цистерн. Так как давление внутри цистерн главного балласта все время равно внешнему, они не требуют конструктивного усиления. Другая, совершенно независимая система уравновешивания подлодки и регулировки ее дифферента (Дифферент – угол продольного наклонения судна. Если углубление носа больше, чем углубление кормы, то судно имеет дифферент на нос, и наоборот) состоит из носовой и кормовой дифферентных цистерн и уравнительной цистерны в средней части. Уравнительная служит для поддержания нейтральной (нулевой) плавучести, изменяющейся по мере расходования горючего и других запасов.
Для управления лодкой идеальной была бы нейтральная плавучесть, но соблюсти это требование довольно трудно, так как и объем вытесняемой лодкой воды и ее плотность меняются с глубиной погружения. Как подводная лодка, так и вода сжимаемы и занимают на больших глубинах меньший объем. Кроме того, на плавучести сказывается и температура воды, изменяющаяся с глубиной.
Разница в температуре по вертикали, или, как говорят физики, температурный градиент (Градиент – мера возрастания или убывания в пространстве какой-либо физической величины при перемещении на единицу длины), для устойчивого равновесия лодки должна превышать примерно 0,05 градуса на метр глубины. Подобные градиенты часто встречаются на глубинах, меньших 100 метров, и в таких участках, получивших название «жидкий грунт», «термоклин» или слой скачка, подводная лодка может застыть в воде с неработающим двигателем.
Опасность может возникнуть и при горизонтальном температурном градиенте, когда лодка с ходу из холодной воды попадает в теплую и, следовательно, менее плотную массу, что приводит к мгновенному возрастанию погружающей силы. Температурный скачок в 7-8 градусов для подводной лодки большого водоизмещения даст возрастание погружающей силы на несколько тонн, и абсолютно исправная и герметичная подводная лодка может камнем пойти ко дну. Такой же эффект могут вызвать и так называемые внутренние волны, о которых мы скажем ниже. Кто знает, может быть, в этом и состоит причина гибели «Трешера» – американской атомной подлодки, затонувшей в Гольфстриме?
И еще одна особенность – плотность воды возрастает с соленостью. Это может оказаться опасным для подводной лодки, движущейся, скажем, к речному устью: если внимательно не наблюдать за глубиномером, лодка может внезапно оказаться на дне.
Много причин влияет на плавучесть, и поэтому лодки снабжаются не только указателями глубины, но и самопишущими термометрами, а иногда также и измерителями солености.
На управлении лодкой по глубине может сказаться и циркуляция вод в океане, вызванная совместным действием ветра (поверхностные слои передают напряжение подстилающим) и разностями температуры и плотности. Механизм этой циркуляции сводится к следующей схеме. Когда поверхность воды охлаждается при соприкосновении с холодным воздухом или в результате испарения (отбирающего тепло) или же когда из-за испарения или замерзания увеличивается соленость, то увеличивается и плотность воды. Если эти процессы достаточно интенсивны, то воды в поверхностном слое становятся тяжелее, чем подстилающие, и опускаются. Относительно более легкие воды поднимаются на их место, и, таким образом, возникает вертикальная циркуляция. Едва заметные изменения температуры и солености могут вызвать перепады давления, которые приводят в вертикальное и горизонтальное движение целые океаны.
Уже говорилось, что подводную лодку точнее было бы назвать ныряющей, поскольку под водой она может передвигаться ровно столько, насколько хватает энергии аккумуляторных батарей. В подводном положении работа двигателя внутреннего сгорания невозможна: он сразу «съест» весь запас кислорода, и экипажу станет нечем дышать. Правда, с появлением на лодках (пока – военных) атомных двигателей все изменилось. Теперь время движения под водой – не проблема.
Проблемой до сих пор остается скорость. Современная аккумуляторная лодка может давать 15 узлов (это около 28 километров в час) подводного хода, и то на короткое время. На какие только ухищрения не идут инженеры и конструкторы, но скорость растет медленно, в то время как в авиации за недолгий сравнительно срок достигнут колоссальный рост скоростей.
Интересно отметить, что одна из помех движению надводного судна отсутствует у подводных лодок – это поверхностная волна, расходящаяся при движении от каждого борта. На создание двух таких волн уходит большая часть (до нескольких сотен лошадиных сил) общей мощности судна, а это, конечно, не проходит бесследно: скорость заметно снижается. А вот лодке такие потери не угрожают: если ей придана хорошо обтекаемая форма, то при той же мощности она может двигаться в подводном положении быстрее, чем в надводном.
Наконец, связь. Для нее вода как физическая среда создает ряд специфических трудностей. Даже в самой прозрачной океанической воде (она имеет зелено-голубой цвет) можно увидеть предмет на расстоянии всего в несколько десятков метров. Применение радио и, стало быть, радиолокации чрезвычайно ограниченно из-за непроницаемости воды для электромагнитных волн. Ведутся работы по применению для подводного обнаружения и связи квантовых генераторов (лазеров), но они еще не вышли из стадии эксперимента.
Остается звук. Пока это единственно надежное средство для передачи информации под водой, хотя и тут есть свои трудности. Во всяком случае, экипаж подводной лодки принимает решения и действует при гораздо меньшем объеме информации, чем, например, экипаж самолета.
Скорость звука в воде близка к 1500 метров в секунду. Это много ниже скорости распространения электромагнитных волн, так что сведения об удаленных событиях заметно запаздывают. Кроме того, звуковая волна в воде по сравнению с волной в воздухе характеризуется высокими давлениями и малыми смещениями. Это совершенно меняет характер микрофонов и излучателей, заставляя применять магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Звук весьма слабо передается через поверхность раздела вода – воздух, в другую среду переходит ничтожная часть падающей волны. Следовательно, поверхность моря является почти идеальным отражателем звуковых волн.
Источник: