Главная > Развитие подводных лодок

На что затрачивается мощность?

Подводные лодки доказали, что способны играть более важную роль, чем та, которая им отводилась накануне войны. В ходе боевых действий у них выявились и недостатки. Попытки организовать действия лодок тактическими группами, а также их тактическое взаимодействие с надводными кораблями и самолетами из-за несовершенства средств наблюдения и связи успехом не увенчались. Эти и некоторые другие недостатки отразились на отношении к подводным лодкам. Забыв уроки войны, их снова начали считать "оружием слабых", родом сил, случайно выдвинувшихся во время войны. Упускалось из виду, что молодой вид сил флота впервые прошел по-настоящему боевую проверку, выявившую его недостатки, над устранением которых надо было работать.

При анализе действий подводных лодок морские ведомства расходились в выводах и, соответственно, во взглядах на подводные корабли будущего. Так, англичане видели в них, главным образом, оружие противолодочной обороны и морской блокады. В США главной задачей подводных лодок считали уничтожение надводных кораблей противника, особенно таких, как линкоры, авианосцы и крейсеры. Япония склонялась к созданию подводных лодок, способных действовать в составе эскадр, господствующих на море. Соответственно формировались кораблестроительные программы. Появлялись лодки, претендовавшие на открытие совершенно нового направления в подводном кораблестроении.

В Англии на подводных лодках типа М водоизмещением 1456/1950 т со скоростью 15,5/9,5 уз наряду с четырьмя торпедными аппаратами было установлено 305-мм орудие. Правда, позднее орудие сняли и лодки модифицировали в разных вариантах. Так, головной корабль серии - М-1 оборудовали ангаром для самолета и таким образом превратили в подводный авианосец.

Увлечение артиллерийскими подводными кораблями в послевоенные годы коснулось ряда стран, связывавших определенные надежды с так называемыми подводными крейсерами. В зарубежных источниках указывается, что первой попыткой создать подобный корабль является упоминавшаяся германская подводная лодка U-139. Однако еще в 1910-1911 гг. идея подводного крейсера впервые была воплощена в конкретный проект флагманским корабельным инженером дивизиона подводных лодок Черноморского флота Б. М. Журавлевым. По тактико-техническим элементам подводный крейсер Журавлева водоизмещением 4500/5435 т превосходил крейсеры, созданные после первой мировой войны. Его скорость составляла 26/14 уз, дальность плавания 15 000/250 миль, глубина погружения - 125 м. Лодка была вооружена 30 торпедными аппаратами с 60 торпедами, 120 минами заграждения и пятью 120-мм орудиями в башнях, которые для уменьшения сопротивления на подводном ходу опускались внутрь корпуса. Морское министерство, лишившееся после Цусимы доверия Государственной думы, сократившей кредиты на строительство флота, отклонило проект. Сметная стоимость корабля составляла 8,5 млн. руб. На такие средства можно было построить пять подводных лодок типа Барс, что с точки зрения обороны страны выглядело предпочтительнее. И вот, по прошествии более десяти лет, к идее подводного крейсера обратились во флотах ряда стран.

В 1923 г. англичане построили подводный крейсер Х-1 водоизмещением 2824/3658 т, скоростью 19,5/9 уз, вооруженный шестью торпедными аппаратами и четырьмя 132-мм орудиями, попарно расположенными в башнях. При испытаниях выявились существенные конструктивные недостатки, и в 1930 г. лодку вывели в резерв.

В Японии на конструктивной базе трофейной немецкой подводной лодки U-139 в 1926-1929 гг. было построено 5 подводных крейсеров типа I водоизмещением 2135/2791 т, скоростью 18/8 уз, вооруженных шестью торпедными аппаратами и двумя 140-мм орудиями.

Наиболее характерным из подводных крейсеров той поры являлся заложенный в 1922 г. во Франции Сюркуф водоизмещением 2880/4300 т, скоростью 18/10 уз, дальностью плавания 10000/105(5) миль, вооруженный 10 торпедными аппаратами и двумя 203-мм орудиями в башне, которые могли быть заряжены и наведены на цель при нахождении лодки на перископной глубине. В кормовой части ограждения рубки размещался герметичный ангар с разведывательным самолетом. Орудийная башня, рубка и палуба Сюркуфа были защищены броней. Но, подобно подводным крейсерам других стран, Сюркуф не избежал ряда серьезных недостатков, и Франция больше не строила корабли такого типа.

В послевоенный период успехи науки и техники создали предпосылки для совершенствования подводных i лодок. Применение прочных сталей и электросварки позволило значительно облегчить корабли. Англичане, начавшие в 30-х годах широко использовать сварку в подводном кораблестроении, держали в секрете не только технологию, но и сам факт ее применения. Достижения в дизелестроении привели к возрастанию агрегатной мощности двигателей и снижению их удельной массы. Совершенствовались боевые и технические средства.

Подводные лодки становились все сложнее. Безвозвратно уходили в прошлое времена, когда их создавали изобретатели-одиночки. В странах с развитым кораблестроением организуются конструкторские бюро по проектированию подводных лодок, в штат которых входят специалисты разного профиля. В столь сложном инженерном сооружении, каковым является подводная лодка, какое-либо качество нельзя рассматривать без взаимосвязи с другими, так как ее боевая эффективность определяется целым рядом тактико-технических элементов, таких как вооружение, ходкость, глубина погружения, маневренность, автономность, обитаемость и т. д. Все они в той или иной степени зависят друг от друга и, следовательно, не могут рассматриваться изолированно. Вот почему при создании подводной лодки, как и любого корабля, не обойтись без компромиссных решений, когда улучшение одного качества может быть достигнуто лишь за счет некоторого ухудшения других. Найти оптимальное соотношение качеств, значит, решить главную задачу. При проектировании подводных лодок все в большей мере приходится учитывать их перспективность. Так как подводная лодка создается относительно долго, а ее боевое применение может потребоваться через неопределенное время и она может устареть, в ее проект с самого начала должны закладываться решения, на несколько лет опережающие уровень развития техники, достигнутый к началу проектирования.

Успехи науки и техники в сочетании с более совершенной организацией проектирования принесли соответствующие результаты. Но улучшения, в основном, коснулись надводных тактико-технических элементов лодок, а подводные элементы, если и улучшились, то незначительно, особенно скорость и дальность плавания под водой. Проектировщики все отчетливее понимали, что увеличение энерговооруженности подводных лодок является хотя и необходимым, но не единственным условием на пути улучшения их ходовых качеств. Значительный резерв возможностей давало снижение сопротивления корпуса, на преодоление которого расходуется мощность энергетической установки. Чтобы понять, насколько это не просто, в самых общих чертах познакомимся с некоторыми вопросами ходкости подводной лодки, под которой понимается ее способность перемещаться в воде с заданной постоянной скоростью при определенной затрате мощности двигателя.

При движении подводной лодки на нее действуют две равные и противоположно направленные горизонтальные силы. Одна из них в направлении движения - тяга движителя, другая - сопротивление воды, которое возникает вследствие того, что корпус лодки испытывает сопротивление, состоящее из сопротивлений трения, формы, выступающих частей, волнового и воздушного. Полное сопротивление подводной лодки представляет собой сумму указанных составляющих.

Сопротивление трения связано с вязкостью воды. Частицы воды, соприкасаясь с поверхностью корпуса, прилипают к нему и движутся вместе с ним. Силы сцепления частиц воды друг с другом меньше, чем с твердым телом, поэтому второй слой воды, расположенный рядом с первым, несколько отстает от него по скорости, как бы цепляясь за него, но постепенно сползая. Каждый последующий слой будет двигаться по отношению к корпусу с несколько меньшей скоростью, чем предшествующий. Интенсивное проявление сил вязкости ограничивается небольшой частью потока, именуемого пограничным слоем. За пределами пограничного слоя силы вязкости утрачивают свою роль.

Возможно, читатель слышал о рыбе-лоцмане, сопровождающей акул и питающейся остатками их добычи. Маленькая рыбка (длиной не более 20 см) передвигается вблизи акулы, едва не касаясь ее туловища плавниками. Существует зависимость, согласно которой максимальная скорость рыб и морских животных зависит от их размеров. Согласно этой зависимости, акула может развивать скорость около 15 уз, в то время как рыба-лоцман - не более 5 уз. Загадка объясняется тем, что рыбки держатся в непосредственной близости от тела хищниц, внутри создаваемого ими слоя трения, как бы на буксире. Если же рыбка "не угадает", на каком участке туловища акулы эффект пограничного слоя будет максимальным, то эту разницу она легко покрывает за счет собственных мышц.

Английский исследователь О. Рейнольдс установил, что движение жидкости, обтекающей тело, может быть спокойным и плавным - ламинарным, а может быть беспорядочным, с завихрениями - турбулентным. Кроме того, ученый вывел безразмерное соотношение, названное в его честь числом Рейнольдса, характеризующее отношение сил инерции к силам вязкости. Турбулентность появляется тогда, когда силы инерции, определяемые скоростью жидкости, ее плотностью и характерным размером тела, превышают силу вязкости жидкости. Число Рейнольдса позволяет определять коэффициент сопротивления трения, который необходим при расчете сопротивления трения. При турбулентном режиме коэффициент сопротивления трения гораздо больше, чем при ламинарном. Поэтому, несмотря на то что вода не трется о поверхность корпуса корабля, его стремятся выполнить по возможности более гладким и периодически очищают в доке. Цель одна - снизить турбулентность пограничного слоя. Ведь любые неровности на корпусе, даже песчинки и грязь, являются источниками образования вихрей, а следовательно, турбулизаторами. Сопротивление трения зависит от площади смоченной поверхности корпуса и пропорционально ей. Вот почему у движущейся в подводном положении лодки оно намного больше, чем в надводном.

Сопротивление формы, как и сопротивление трения, обусловлено вязкостью воды и зависит от конфигурации движущегося в ней тела. Рассмотрим две подводные лодки, у одной из которых корпус удлиненный с плавными обводами, а у другой с полными обводами и притупленными оконечностями. При движении первой лодки пограничный слой простирается вдоль бортов с плавным переходом в попутный поток, а у второй частицы воды, находящиеся в слоях, ближайших к поверхности корпуса, движутся по отношению к нему с очень малой скоростью и, следовательно, приобретают небольшую кинетическую энергию. Двигаясь от носа к корме, где давление больше, чем в средней части, частицы из-за вязкости воды теряют часть своей кинетической энергии. Израсходовав всю энергию на преодоление повышенного давления в кормовой оконечности лодки, они останавливаются, а затем под воздействием повышенного встречного давления начинают двигаться назад, навстречу потоку, как бы отрывая пограничный слой от поверхности корпуса. За точкой отрыва зарождаются и образуются вихри - добавочное сопротивление.

Волновое сопротивление возникает как результат перераспределения давления при обтекании корпуса водой и образования при его движении корабельных волн, которые, двигаясь со скоростью корабля, как бы сопровождают его. Когда корабль стоит без движения, давление действует перпендикулярно (нормально) к поверхности корпуса в каждой данной точке. Горизонтальные составляющие давлений взаимно уравновешиваются, а вертикальные в сумме создают архимедову силу поддержания, равную массе корабля. Но как только корабль приходит в движение, частицы воды, выведенные из равновесия, начинают совершать колебания под воздействием силы тяжести воды, образуя систему волн. Таким образом, в отличие от сопротивлений трения и формы, обусловленных вязкостью воды, волновое сопротивление вызвано тем, что вода, обладая массой, оказывает давление на каждую точку погруженной поверхности корпуса.

При движении малым ходом хорошо заметны расходящиеся волны, зарождающиеся в носовой и кормовой оконечностях корабля. С увеличением скорости корабль сопровождают поперечные волны, располагающиеся между расходящимися перпендикулярно к направлению курса, которые также зарождаются в носовой и кормовой оконечностях. При значительном развитии поперечных волн расходящиеся теряют рельефность. В результате возникновения волн распределение давления воды на корпус резко изменяется по сравнению с тем, каким оно было при неподвижном корабле. Горизонтальные составляющие давлений уже не уравновешивают друг друга, а их результирующая - волновое сопротивление - оказывается направленной навстречу движению корабля. Из рассмотренного механизма волнового сопротивления видно, что непременным его условием является расположение корпуса корабля на границе двух сред - воды и воздуха. Поэтому у подводной лодки, погруженной на достаточную глубину, отсутствует волновое сопротивление.

Сопротивление выступающих частей включает в себя сопротивление трения и сопротивление формы. На корпусе подводной лодки неизбежны конструктивные элементы, которые выступают за плавные очертания его поверхности. К ним относятся ограждение рубки, кронштейны гребных валов, рули, артиллерийские орудия и т. п. Сопротивление выступающих частей в подводном положении лодок конца 20 - начала 30-х годов достигало 30-50 % полного сопротивления.

Возрастание сопротивлений выступающих частей и трения при движении лодки в подводном положении является причиной того, что при одной и той же скорости полное сопротивление в подводном положении значительно больше, чем в надводном. Вспомним французские чисто электрические подводные лодки, у которых при одной и той же мощности гребного электродвигателя надводная скорость существенно превышала подводную. В рассматриваемый период времени для снижения сопротивления выступающих частей существовали неиспользованные возможности. Имея это в виду, один из авторитетных кораблестроителей, уже знакомый нам М. Лобеф, писал:

При желании получать большую подводную скорость необходимо пересмотреть идеи, положенные в основу перечисленных выше устройств (выступающих частей на корпусе подводной лодки. - Л. Ш.), довести их размеры до минимума, убрать пушки, повести борьбу со всеми неровностями корпуса, добиться непрерывности обводов, в противном случае невозможно будет перейти за пределы современных скоростей, равных самое большее 10-11 узлам.

Одновременно отметим, что к существенному увеличению сопротивления приводит наличие на корпусе подводной лодки вырезов и шпигатов, через которые забортная вода интенсивно перетекает в пространство между прочным и легким корпусами, вызывая усиленные вихреобразования и местные нарушения плавности обтекания корпуса в районе отверстий. Забегая вперед, укажем, что для локализации этого вредного явления на атомных подводных лодках США сокращают площади вырезов и шпигатов, а оставшиеся при погружении лодки автоматически закрываются.

Воздушное сопротивление имеет место при движении подводной лодки в надводном положении и зависит от величины и формы надводной части корпуса (ограждения рубки, надстройки и т. п.), а также скорости лодки, силы и направления ветра. Оно не превышает на подводных лодках 1-2 % полного сопротивления.

Узнать величину полного сопротивления воды движущейся в ней подводной лодки позволяет метод, разработанный в 1869 г. талантливым английским кораблестроителем Уильямом Фрудом на основе закона механического подобия Ньютона, которому подчиняется волновое сопротивление, поскольку оно, будучи связанным с массой воды и гравитационными силами, не может быть выражено какой-либо аналитической функцией и вычислено. В то же время сопротивление трения, обусловленное вязкостью воды, хотя и не подчиняется закону механического подобия, но может быть выражено математической зависимостью, а следовательно, вычислено. Фруд сформулировал закон подобия: сопротивления формы двух геометрически подобных судов относятся между собой как кубы их линейных измерений, в то время как их скорости будут находиться в отношении корня квадратного из их измерений. Исходя из этого, Фруд предложил уже на стадии проектирования корабля испытывать в опытовом бассейне его модель, выполненную в полном соответствии с теоретическим чертежом, геометрически подобную натуре, и по результатам испытаний определять полное сопротивление корабля.

В основу метода пересчета испытаний модели на корабль Фруд положил разделение полного сопротивления модели и корабля на составляющие: сопротивление трения и остаточное сопротивление, в котором объединялись сопротивления формы и волновое. Для определения сопротивления подводной лодки в надводном положении пере- счет осуществляется в такой последовательности. Из замеренного в опытовом бассейне полного сопротивления модели вычитается рассчитанное по формуле сопротивление трения. Полученное таким образом остаточное сопротивление модели пересчитывается по кубу масштаба модели на натуру, в результате чего определяется остаточное сопротивление лодки. Чтобы узнать полное сопротивление лодки, нужно к остаточному сопротивлению прибавить вычисленное по формуле сопротивление трения.

Задача выбора оптимальных размеров и формы корпуса подводной лодки усложняется условиями плавания в надводном и подводном положении с неизбежной противоположностью гидромеханических требований для каждого из этих режимов. Так, если в надводном положении на большом ходу полное сопротивление в значительной мере определяется волнообразованием, то в подводном положении оно отсутствует и сохраняются только сопротивления трения, формы и выступающих частей, причем последнее значительно возрастет, так как в воде находятся ограждение рубки, все выступающие части надстройки и орудия. Для увеличения скорости в надводном положении желательно увеличивать отношение длины корпуса лодки к ширине, но это влечет за собой возрастание смоченной поверхности корпуса и, соответственно, сопротивления трения в подводном положении. Затрудняется выбор размеров и формы корпуса подводной лодки в связи с условиями внутреннего размещения оборудования и обеспечения остойчивости. Дело в том, что для надводной остойчивости подводной лодки необходимо иметь сечение по ватерлинии достаточной ширины и площади. Для быстроходных подводных лодок это требование вступает в противоречие с требованием наименьшего сопротивления. Даже из этих немногочисленных примеров противоположных требований, предъявляемых к размерам и форме подводного корабля, можно представить, какие сложные задачи приходится решать его проектировщикам.

Но выбор оптимального корпуса и определение сопротивления, преодолеваемого подводной лодкой, лишь частично решают задачу. Ведь ее необходимо оснастить энергетической установкой соответствующей мощности и бортовым запасом топлива.