В. Жуков - Физика в бою

Развитие теории проектирования подводных лодок связано с анализом напряженного состояния цилиндрических и конических оболочек, подкрепленных кольцевыми ребрами-шпангоутами. Если обшивка воспринимает основную часть нагрузки, т. е. обеспечивает прочность, то шпангоуты увеличивают жесткость оболочки, создают ее устойчивость. Повышают устойчивость прочного корпуса и поперечные межотсечные переборки, устанавливаемые для непотопляемости.

Когда подводная лодка идет в глубину, с ростом глубины увеличивается давление на цилиндрический прочный корпус и трубопроводы забортной воды, охлаждающей различные агрегаты и механизмы. На современном этапе развития подводных лодок наиболее слабым местом считают трубопроводы.

Вот к каким выводам о возможных причинах гибели «Трешера» пришла специальная комиссия, несколько месяцев занимавшаяся этим вопросом. Вблизи предельной глубины погружения (400–500 м) в кормовом машинном отсеке разорвало один из трубопроводов. Вода под давлением в несколько десятков атмосфер (струя воды под таким давлением способна разрушать твердые породы грунта) начала поступать в отсек. Затопление отсека и короткие замыкания оборудования еще до его полного затопления повлекли за собой выход из Строя энергетической установки лодки. Это привело к потере ею хода. Лодка проваливалась все глубже, и на расчетной глубине погружения между шпангоутами появились сначала вмятины, затем отсеки начало коробить, и, наконец, вода через трещины хлынула во все отсеки и затопила их.

В качестве материала прочных корпусов современных боевых подводных лодок используется высокопрочная сталь с пределом текучести 70 кг/мм2. Это означает, что по прочностным качествам такая сталь приблизительно в два раза превосходит сталь, используемую в общем машиностроении. В настоящее время за рубежом признано, что дальнейший рост глубин погружения подводных лодок может быть обеспечен либо за счет утяжеления прочного корпуса, либо за счет дальнейшего повышения механических характеристик сталей, или посредством использования других высокопрочных материалов.

На современных подводных лодках на долю корпусных конструкций приходится около 40 % весового водоизмещения, причем на долю прочного корпуса — около 20 % веса лодки. В первом приближении можно считать, что при неизменном материале утяжеление прочного корпуса прямо пропорционально увеличению глубины погружения подводной лодки. Иностранные специалисты считают, что дальнейший рост глубин погружения лодок может быть обеспечен за счет увеличения толщины конструкционных элементов прочного корпуса.

Такой путь использован американскими специалистами при конструировании экспериментальной глубоководной подводной лодки «Дельфин» (рис. 14), строительство которой заканчивается на военно-морской верфи в Портсмуте. «Дельфин» — это подводная лодка, предназначенная для решения проблем, связанных со строительством атомных подводных лодок с увеличенными глубинами погружения.

Из-за отсутствия малогабаритных атомных энергетических установок, способных работать на большой глубине, на лодке будет смонтирована одновальная дизель-электрическая установка. Глубина погружения этой подводной лодки — около 1200 м, водоизмещение — порядка 1000 т, а в качестве материала цилиндрического прочного корпуса диаметром 5,8 м использована сталь с пределом текучести 70 кг/мм2. Поэтому у подводной лодки «Дельфин» на долю прочного корпуса приходится 50–60 % весового водоизмещения. Столь резкое уменьшение доли легких корпусных конструкций, фундаментов, механизмов, вооружения и оборудования стало возможным благодаря специальному назначению лодки, на которой энергетика не обеспечивает высокой скорости и большой дальности плавания, а вооружение состоит всего из одного экспериментального торпедного аппарата.

Однако есть и другой путь в глубину: повышение пределов текучести стали, из которой строится корпус лодки. Общепроектные требования развития подводных лодок медленно меняются в сторону увеличения доли прочного корпуса в общем весовом водоизмещении. Поэтому практически рост глубин погружения подводных лодок обычно следует за повышением предела текучести корпусной стали. Считается, что такое положение сохранится и в будущем.

Каковы же перспективы повышения механических характеристик корпусных сталей? Еще в начале этого десятилетия в качестве материала первой американской ракеты «Поларис» использовалась сталь с пределом текучести 140 кг/мм2. Подводники же до сих пор не перевалили за предел текучести 70 кг/мм2. Почему?

Дело в том, что толщина обшивки прочных корпусов современных подводных лодок превышает 40 мм. Сварка листов стали такой толщины — дело весьма сложное. Но не только трудности сварки листов препятствуют созданию сталей со значительно повышенными пределами текучести. Ограничения накладывают также специфические для подводных лодок требования взрывостойкости и усталостной прочности. И все же эти трудности постепенно преодолеваются. В настоящее время освоенной сталью для корпусов лодок иностранные специалисты считают сталь с пределом текучести 100 кг/мм2. Они не исключают возможности того, что к началу следующего десятилетия эта цифра удвоится.

Кроме строящейся экспериментальной глубоководной подводной лодки «Дельфин» со стальным корпусом в США построена экспериментальная океанографическая подводная лодка «Алюминаут», в качестве материала прочного корпуса которой использован высокопрочный несваривающийся алюминиевый сплав с пределом текучести 45 кг/мм2. Из-за несвариваемости этого сплава для основных корпусных конструкций использованы болтовые соединения со склеиванием стыков и пазов. Предельная глубина погружения «Алюминаута» — 4600 м, диаметр прочного корпуса — 2,14 м, толщина обшивки — 152 мм, вес научно-исследовательского оборудования — 2700 кг, скорость хода — 4,8 узла и дальность плавания 96 миль. Водоизмещение лодки — 68 т.

Оценивая эффективность использования алюминиевых сплавов для увеличения глубин погружения подводных лодок, надо иметь в виду, что строительство подводной лодки «Алюминаут» носит в значительной степени рекламный характер. Инициаторы ее постройки — руководители американской промышленности алюминиевых сплавов.

Иностранные специалисты изучают также проблемы освоения титановых, бериллиевых сплавов и стеклопластиков для корпусов глубоководных подводных лодок. Однако эти проблемы пока не находят практического решения в подводном кораблестроении.

Почему в последнее время внимание конструкторов-подводников привлечено к новому материалу — бериллию? Хотя стоимость этого материала еще выше стоимости титановых сплавов, но у него высокий модуль (мера) упругости (на 30 % выше, чем у стали) наряду с высоким пределом текучести.

Изучением проблемы использования стеклопластиков для корпусов подводных лодок заняты американские специалисты в Тейлоровском опытовом бассейне. Ими проведены модельные эксперименты со стеклопластиком с удельным весом порядка 2 г/см3, пределом прочности 50–60 кг/мм2 и модулем упругости в 4 раза меньшим, чем у стали. Интересно, что в ракетостроении сталь с пределом текучести 140 кг/мм2 не выдержала конкуренции со стеклопластиком. В настоящее время многие части корпуса ракеты «Поларис» изготовляются из стеклопластика. Характер распределения напряжений в цилиндрической оболочке, на которую действует гидростатическое давление, открывает большие возможности для стеклопластиков. Известно, например, что напряжения в продольных сечениях такой оболочки в два раза выше, чем в поперечных. Значит, если поперек цилиндра намотать в два раза больше стеклонитей, чем вдоль, материал конструкции будет использован наилучшим образом.

Таковы некоторые пути решения проблемы увеличения глубин погружения подводных лодок. К какому времени будет решена проблема создания боевых подводных лодок с глубинами до 5 тыс. м, трудно сказать. Пока же считается, что боевые лодки следующего десятилетия с прочными корпусами из стали с пределом текучести 210 кг/мм2 смогут погружаться на глубины до 1200 м.

«Движение есть явление, по-видимому, всем знакомое, но между тем, несмотря на то, что философы написали об этом предмете большое количество толстых томов, важнейшие свойства движения остаются неизвестными…» Эти слова написаны более трех веков тому назад одним из основоположников естествознания, великим итальянским ученым Галилеем. С тех пор наука многое сделала для изучения движения. Однако практика, и в частности военное дело, ставит в этой области все новые и новые задачи, и, оказывается, даже в такой простой, узкой области движения, как перемещение из одной точки в другую, еще есть над чем потрудиться ученым и инженерам.