Конструкция и гидродинамика корпуса подводной лодки.

Введение

Структурный и гидродинамический компонент, окружающий судно

Корпус подводной лодки состоит из двух основных компонентов: легкого корпуса и корпуса, выдерживающего давление. Легкий корпус (оболочка в британской терминологии) подводной лодки – это внешний негерметичный корпус, обеспечивающий гидродинамически эффективную форму. Корпус, выдерживающий давление, – это внутренний корпус подводной лодки, который сохраняет структурную целостность при разнице между внешним и внутренним давлением на глубине.

Формы

Современные подводные лодки обычно имеют форму сигары. Эта конструкция, впервые появившаяся на самых ранних подводных лодках, называется "каплевидным корпусом". Она обеспечивает структурную прочность при выдерживании внешнего давления и значительно снижает гидродинамическое сопротивление при погружении, но ухудшает мореходные качества и увеличивает сопротивление при движении на поверхности.

История

Концепция внешнего гидродинамически обтекаемого легкого корпуса, отделенного от внутреннего корпуса, выдерживающего давление, была впервые реализована в ранней экспериментальной подводной лодке Ictineo I, спроектированной испанским изобретателем Нарсисом Монтуриолом в 1859 году. Однако, когда военные подводные лодки начали поступать на вооружение в начале 1900-х годов, ограничения их двигательных установок вынуждали их большую часть времени действовать на поверхности; конструкция их корпуса представляла собой компромисс: внешний корпус был выполнен в форме корабля для обеспечения хорошей надводной мореходности, а относительно обтекаемая надстройка – для снижения сопротивления под водой. Из-за невысоких подводных скоростей этих подводных лодок, как правило, значительно ниже , увеличение сопротивления при подводном движении, создаваемого внешним корпусом, напоминающим корпус судна, считалось допустимым. Лишь в конце Второй мировой войны, когда технологические улучшения позволили проводить более быстрые и продолжительные подводные операции, а усиление воздушной разведки со стороны противника вынудило подводные лодки проводить большую часть времени под водой, конструкция корпусов вновь стала каплевидной для уменьшения сопротивления и уровня шума. USS Albacore (AGSS 569) была уникальной исследовательской подводной лодкой, которая стала пионером американской версии каплевидной формы корпуса (иногда называемой "корпусом Альбакора") современных подводных лодок. На современных военных подводных лодках внешний корпус (а иногда и винт) покрыт толстым слоем специальной звукопоглощающей резины или анехоическим покрытием, чтобы затруднить обнаружение подводной лодки с помощью активного и пассивного гидролокатора.

Типы

Все современные подводные лодки и батискафы, а также самые старые модели, имеют одинарный корпус. Однако для крупных подводных лодок применяются различные подходы. Все советские тяжёлые подводные лодки строятся с двойным корпусом, в то время как американские подводные лодки обычно имеют одинарный корпус. Они по-прежнему оснащены лёгкими секциями корпуса в носовой и кормовой частях, в которых размещаются главные балластные цистерны и обеспечивается гидродинамически оптимизированная форма, но основная, как правило цилиндрическая, секция корпуса состоит из одного слоя обшивки.

Легкий корпус

Двойной корпус подводной лодки отличается от двойного корпуса корабля. Внешний корпус, который фактически формирует обводы подводной лодки, называется внешним корпусом, обшивкой или легким корпусом. Он определяет гидродинамические характеристики подводной лодки, что влияет на мощность, необходимую для ее движения в воде. Этот термин особенно уместен в российском подводном судостроении, где легкий корпус обычно изготавливается из тонких стальных листов, поскольку давление с обеих сторон на него одинаково. Легкий корпус может использоваться для крепления оборудования, установка которого непосредственно на корпус, выдерживающий давление, могла бы создать излишнее напряжение. Конструкция с двойным корпусом также позволяет экономить место внутри корпуса, выдерживающего давление, так как кольцевые шпангоуты и продольные балки могут быть размещены между корпусами. Эти меры помогают минимизировать размеры корпуса, выдерживающего давление, который значительно тяжелее легкого корпуса. Кроме того, в случае повреждения подводной лодки, легкий корпус принимает на себя часть повреждений, не ставя под угрозу целостность судна, при условии, что корпус, выдерживающий давление, остался неповрежденным.

Корпус под давлением

Внутри внешнего корпуса находится прочный корпус, или корпус, рассчитанный на давление, который выдерживает внешнее давление и поддерживает нормальное атмосферное давление внутри. Корпус, рассчитанный на давление, обычно изготавливается из толстой высокопрочной стали со сложной системой усиления и значительным запасом прочности и разделен водонепроницаемыми переборками на несколько отсеков. Легкий и прочный корпуса разделены зазором, в котором многочисленные стальные конструктивные элементы соединяют легкий корпус и корпус, рассчитанный на давление, образуя трехмерную структуру, обеспечивающую повышенную прочность и устойчивость к потере устойчивости. Межкорпусное пространство используется для оборудования, способного выдерживать высокое внешнее давление на максимальной глубине и воздействие воды. Это оборудование значительно различается в зависимости от типа подводной лодки и обычно включает в себя различные резервуары для воды и воздуха. В подводной лодке с единым корпусом легкий корпус не является сплошным и существует в основном в носовой и кормовой частях. Корпуса, рассчитанные на давление, имеют круглое поперечное сечение, поскольку любая другая форма была бы значительно слабее. Изготовление корпуса, рассчитанного на давление, требует высокой точности, независимо от его размера. Даже отклонение всего в один дюйм (25 мм) от идеальной круглости поперечного сечения приводит к снижению несущей способности на более чем 30 процентов. Незначительные отклонения компенсируются усиливающими кольцами, а общая сила давления в несколько миллионов тонн, направленная вдоль корпуса, должна быть равномерно распределена по корпусу с использованием круглого поперечного сечения. Эта конструкция наиболее устойчива к сжимающим нагрузкам, и без нее ни один материал не смог бы противостоять давлению воды на глубинах, достижимых подводными лодками. Конструкция корпуса подводной лодки требует дорогостоящего поперечного набора, с близко расположенными кольцевыми шпангоутами для повышения устойчивости к потере устойчивости. Ни одна часть корпуса не должна иметь дефектов, и все сварные соединения проверяются несколько раз различными методами. Подводные лодки класса "Тайфун" имеют несколько корпусов, рассчитанных на давление, что упрощает внутреннюю компоновку и делает судно значительно шире, чем обычная подводная лодка. В основном корпусе субмарины параллельно друг другу расположены два длинных корпуса, рассчитанных на давление, над ними и частично между ними – третий, более короткий корпус (который выступает чуть ниже рубки), а также два центральных корпуса, рассчитанных на давление, для торпед в носовой части и рулевого механизма в кормовой части. Это также значительно повышает их живучесть – даже если один корпус, рассчитанный на давление, будет пробит, экипаж в других будет относительно в безопасности, если удастся предотвратить затопление подводной лодки, и снизится вероятность затопления.

Inside the outer hull there is a strong hull, or pressure hull, which withstands the outside pressure and has normal atmospheric pressure inside. The pressure hull is generally constructed of thick high strength steel with a complex stiffening structure and high strength reserve, and is divided by watertight bulkheads into several compartments. The pressure and light hulls are separated by a gap in which numerous steel structural elements connect the light hull and pressure hull and form a three dimensional structure which provides increased strength and buckling stability. The interhull space is used for some of the equipment which can tolerate the high external pressure at maximum depth and exposure to the water. This equipment significantly differs between submarines, and generally includes various water and air tanks. In a single hull submarine, the light hull is discontinuous and exists mainly at the bow and stern. Pressure hulls have a circular cross section as any other shape would be substantially weaker. The construction of a pressure hull requires a high degree of precision. This is true irrespective of its size. Even a one inch (25 mm) deviation from cross sectional roundness results in over 30 percent decrease of hydrostatic load capacity. Minor deviations are resisted by the stiffener rings, and the total pressure force of several million longitudinally oriented tons must be distributed evenly over the hull by using a hull with a circular cross section. This design is the most resistant to compressive stress and without it no material could resist water pressure at submarine depths. A submarine hull requires expensive transverse framing construction, with ring frames closely spaced to stiffen against buckling instability. No hull parts may contain defects, and all welded joints are checked several times using different methods. Typhoon class submarines feature multiple pressure hulls that simplify internal design while making the vessel much wider than a normal submarine. In the main body of the sub, two long pressure hulls lie parallel side by side, with a third, shorter pressure hull above and partially between them (which protrudes just below the sail), and two other centreline pressure hulls, for torpedoes at the bow, and steering gear at the stern. This also greatly increases their survivability – even if one pressure hull is breached, the crew members in the others are relatively safe if the submarine can be prevented from sinking, and there is less potential for flooding.

Глубина погружения

Глубину погружения увеличить непросто. Простое увеличение толщины корпуса увеличивает вес и требует снижения веса бортового оборудования, что в конечном итоге приводит к созданию батискафа. Это допустимо для гражданских исследовательских подводных лодок, но не для военных, поэтому их глубина погружения всегда ограничивалась текущим уровнем технологий. Подводные лодки времен Первой мировой войны строились из углеродистой стали и обычно имели испытательные глубины не более чем. Во время Второй мировой войны была введена высокопрочная легированная сталь, что позволило достигать глубин до ; послевоенные расчеты показали, что предельные глубины разрушения превышали для немецких подводных лодок типа VII U позднего периода войны. Высокопрочная легированная сталь по-прежнему является основным материалом для подводных лодок, с предельной глубиной, которую нельзя превысить на военной подводной лодке без ущерба для других характеристик. Для преодоления этого предела несколько подводных лодок были построены с титановыми корпусами. Титан обладает лучшим соотношением прочности к весу и долговечностью, чем большинство сталей, и является немагнитным. Титановые подводные лодки особенно ценились Советским Союзом, поскольку они разработали специализированные высокопрочные сплавы, создали промышленность по производству титана с доступной стоимостью и построили несколько типов титановых подводных лодок. Титановые сплавы позволяют значительно увеличить глубину, но необходимо перепроектировать и другие системы, поэтому испытательная глубина была ограничена для советской подводной лодки "Комсомолец", самой глубоководной военной подводной лодки. Несмотря на преимущества, высокие затраты на строительство титановых подводных лодок привели к отказу от них после окончания холодной войны.

Другие виды

Есть примеры подводных лодок с более чем двумя корпусами внутри. Легкий корпус подводных лодок класса "Тайфун" содержит два основных корпуса, выдерживающих давление, меньший третий корпус, составляющий большую часть надстройки, два других – для торпед и рулевого управления, а между основными корпусами размещены 20 баллистических ракет с разделяющимися головными частями, а также балластные цистерны и некоторые другие системы. Подводные лодки классов "Dolfijn" и "Potvis" Королевского военно-морского флота Нидерландов имели три основных корпуса, выдерживающих давление. Российская подводная лодка "Лошарик" способна погружаться на глубину более 2000 метров благодаря своему многосферному корпусу.