8449-1 (Скрытность и защита кораблей по физическим полям)

Скрытность и защита кораблей по физическим полям

И.Г. Захаров, доктор технических наук, профессор, контр-адмирал; В.В.Емельянов, кандидат технических наук, капитан 1 ранга; В.П. Щеголихин, доктор технических наук, капитан 1 ранга; В.В. Чумаков, доктор медицинских наук, профессор, полковник медицинской службы

К наиболее известным физическим полям кораблей относятся гидроакустическое, магнитное, гидродинамическое, электрическое, низкочастотное электромагнитное, поле кильватерного следа, проявляющиеся в основном в морской среде, а также тепловое, вторичное радиолокационное, оптико-локационное и другие поля, проявляющиеся, как правило, в пространстве над кораблем. Физические поля используются при срабатывании неконтактных взрывателей в минах и торпедах, а также для обнаружения подводных лодок, находящихся в подводном положении. Опыт второй мировой войны показывает, что большая часть потопленных кораблей подорвалась на минах.

Совершенствование шумопеленгаторов и гидролокаторов, появление минного и торпедного оружия, реагирующего на шум корабля, с особой остротой поставили вопрос об уменьшении звукоизлучения кораблей и снижении величины гидролокационного отражения, что повышает их акустическую скрытность, защиту от поражения оружием и улучшает условия работы собственных гидроакустических средств.

Во время Великой Отечественной войны ученые институтов ВМФ, ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, специалисты проектных организаций и судоверфей искали пути уменьшения шума подводных лодок и тральщиков за счет установки виброактивных механизмов на амортизаторы и применения глушителей для дизельных двигателей (И.И.Клюкин, О.В.Петрова). Война выявила явную недостаточность и несовершенство существовавших в то время средств акустической защиты отечественных кораблей. Поэтому уже в первые послевоенные годы начали создаваться специальные лаборатории и научные коллективы, назначение которых определялось необходимостью уменьшения акустических параметров кораблей (М.Я.Минин, Ю.М.Сухаревский). Появились первые относительно малошумные гребные винты. Наиболее шумные механизмы устанавливались на амортизаторы, применялись резинометалические соединения.

Начало проектирования и строительства первых атомных подводных и быстроходных противолодочных кораблей, оснащенных гидроакустическими станциями, дало импульс развитию корабельной акустики. Изучение физической природы шумообразования корабля, разработка первых приближенных расчетных схем для оценки звукоизлучения корпуса корабля, его гребных винтов, создание более эффективных средств звуко- и виброизоляции и вибропоглощения, изучение природы и источников виброактивности корабельных механизмов и систем, разработка и создание приборов и методик для замеров и исследований шумов кораблей и вибраций их механизмов явились основными направлениями корабельной акустики. Ими занимались в ЦНИИ им.А.Н.Крылова, 1-м ЦНИИМО, Акустическом институте АНСССР. Первые научные школы создавались под руководством Л.Я.Гутина, Я.Ф.Шарова, А.В.Римского-Корсакова, Б.Д.Тартаковского, Б.Н.Машарского, Н.Г.Беляковского, И.И.Клюкина. А.Д.Перника. В 1956-1958гг. 1-м ЦНИИМО и ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова проведены первые специализированные натурные акустические испытания надводных кораблей с использованием измерительных гидроакустических судов. Результаты испытаний и исследований характеристик и источников гидроакустического поля кораблей позволили сформулировать обоснованные рекомендации по проектированию акустической защиты первых атомных подводных лодок и снижению акустических помех работе гидроакустических станций надводных кораблей. Одновременно шла подготовка научных кадров, велось обучение специалистов по акустической защите кораблей для проектных организаций, судоверфей и флотских подразделений.

С начала 60-х годов стали формироваться и реализовываться комплексные программы НИОКР, направленные на совершенствование акустических характеристик подводных лодок и надводных кораблей. Курирование этих программ осуществлялось Научным советом по комплексной программе “Гидрофизика” при Президиуме АНСССР (руководитель - президент АНСССР А.П.Александров). Непосредственное руководство выполнением этих программ осуществляли ведущие ученые и организаторы научных исследований - Я.Ф.Шаров, Б.А.Ткаченко, Г.А.Хорошев, Л.П.Седаков, А.В.Авринский, В.Н.Пархоменко, Э.Л.Мышинский, В.С.Иванов.

В последующие годы работами ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, 1-м ЦНИИМО, институтов АН СССР, проектно-конструкторских организаций и заводов-судоверфей были достигнуты значительные успехи в решении задач снижения подводной шумности подводных лодок и надводных кораблей. За последние 30лет уровни подводного шума отечественных подводных лодок уменьшились более чем на 40дБ (в 100 раз).

Это стало возможным в результате многочисленных теоретических и экспериментальных исследований физической природы распространения вибрации по корпусным конструкциям кораблей и их звукоизлучения в воду. Была создана физико-математическая модель для подводной лодки и надводного корабля как сложного многоэлементного излучателя подводного шума, на базе которой не только выполняются прогнозные оценки ожидаемых уровней шумоизлучения корабля, но и разрабатываются рекомендации по архитектуре и конструкции корпуса и его элементов, по размещению механизмов и систем корабля. К решению проблемных вопросов теории вибрации и звукоизлучения корпусов кораблей и их конструкций привлекались ученые Ростовского государственного университета, Института проблем механики АНСССР, Института машиноведения АНСССР (И.И.Ворович, А.Л.Гольденвейзер, А.Я.Ционский, А.С.Юдин, Г.Н.Чернышев, А.З.Авербух, Г.В.Тарханов), которые внесли важный вклад в развитие представлений о виброакустике оболочечных конструкций, аппроксимирующих корпус подводной лодки. Для снижения вибровозбудимости и уменьшения звукоизлучения корпусных конструкций были созданы и применены на кораблях специальные вибропоглощающие звукоизолирующие и звукопоглощающие покрытия. Их применение обеспечило уменьшение шума внутри помещений корабля и улучшило условия жизни и работы экипажа. Нанесение покрытий снаружи корпуса уменьшило отражение от корпуса гидролокационных сигналов.

При разработке и создании покрытий был решен ряд физических и технических задач по рациональному подбору материалов покрытий и их конструкций, позволившему обеспечить наряду с требуемыми акустическими характеристиками покрытий их прочность и надежность.

Существенный прогресс достигнут в области создания малошумных гидравлических и воздушных систем. На основе теоретического обобщения многих экспериментов, проведенных на гидро- и аэродинамических стендах, были разработаны принципы создания малошумных дроссельно-регулирующих устройств и других механизмов (Я.А.Ким, И.В.Малоховский, В.И.Голованов, А.В.Авринский).

Работы по снижению вибрации и шума корабельных механизмов и систем касались, прежде всего, турбозубчатых агрегатов, насосов, вентиляторов, электромеханизмов и другого оборудования. Важные работы проводились по роторным системам, кривошипно-шатунным механизмам, подшипникам. Изучались электромагнитные источники шума и вибрации в электродвигателях, электромашинах и статических преобразователях. В этих работах, наряду со специалистами ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова и 1-гоЦНИИМО (К.И.Селиванов, А.П.Головнин, Х.А.Гуревич, Э.Л.Мышинский, С.Я.Новожилов, Е.Н.Афонин и др.), активное участие принимали ученые Института машиноведения АНСССР и инженеры машиностроительной отрасли (Р.М.Беляков, Ф.М.Диментберг, Э.Л.Позняк, И.Д.Ямпольский, Б.В.Покровский и другие).

На основании теоретического анализа и обработки большого количества экспериментальных данных были определены зависимости акустических характеристик основных типов механизмов от энергетических параметров и тем самым обеспечено проектирование оптимальной энергетической установки. Практически для каждого поколения подводных лодок и надводных кораблей разрабатывались средства виброизоляции: амортизаторы, гибкие рукава, патрубки, мягкие подвески трубопроводов и муфт. От поколения к поколению их виброизолирующая способность удваивалась. Разрабатывались специальные виброизолирующие фундаменты, двухкаскадные схемы виброизолирующих креплений. В итоге работ, проводившихся под руководством специалистов ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, 1-го ЦНИИВМФ (Г.Н.Белявский, Я.Ф.Шаров, В.И.Попков, Н.В.Капустин, К.Я.Мальцев, И.Л.Орем, В.Р.Попинов), отечественное судостроение располагает широким набором амортизирующих и виброизолирующих конструкций, способных обеспечить значительное снижение вибрации и шума. Из уникальных конструкций следует отметить пневматические и низкочастотные амортизаторы на нагрузку 0,5-100т, гибкие рукава для трубопроводов с давлением рабочей среды до 10000кПа и некоторые другие.

Хороший эффект получен от применения средств вибропоглощения в судовом энергетическом оборудовании, трубопроводах, рамных и фундаментальных конструкциях. Так, выполненные из составных балок (типа сэндвич) пространственные рамы для агрегатных сборок механизмов обеспечили снижение шума на величину до 15дБ при полном сохранении несущей способности. Составные структуры с внутренними вязкоупругими слоями нашли применение в конструкциях трубопроводов, пиллерсов и гребных винтов. Специальные кожухи для механизмов, глушители для воздушных магистралей и трубопроводов систем забортной воды также способствовали снижению шума.

Системы активного подавления вибрации механизмов и шума были созданы коллективом ученых и специалистов ЦНИИ судовой электротехники под руководством А.В.Баркова и В.В.Малахова. В Институте машиностроения СССР (РАН) проведены исследования и разработки активных устройств для снижения вибрации механизмов и в системе движитель-вал-корпус (В.В.Яблонский, Ю.Е.Глазов, С.А.Тайгер).

Большой цикл исследований был выполнен учеными и специалистами ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова и машиностроительных предприятий с целью создания компактных энергоустановок с высокой удельной энергонапряженностью, обладающей эффективной системой подавления акустической энергии на всех путях ее распространения - по корпусным конструкциям, по жидкой среде в трубопроводах и по окружающему воздушному пространству. Осуществлен поиск и найдены варианты рационального размещения виброактивных механизмов с учетом их взаимодействия, оптимального использования невиброактивных конструкций, исключения резонансных режимов агрегатированных сборок и многое другое. В этой связи необходимо отметить многолетние плодотворные работы В.И.Попкова и его научной школы.

Внедрение результатов этих исследований в блочные энергетические установки, созданные на Ленинградском Кировском заводе (главный конструктор - М.К.Блинов) и Калужском трубном заводе (главный конструктор - академик В.И.Кирюхин), позволило создать машины, обеспечивающие постройку малошумных подводных лодок.

Сформулированы принципы “равнопрочной” акустической защиты энергоустановок (ЭУ), при которой передача звуковой энергии по различным путям ее распространения оказывается приблизительно одинаковой. Огромная информация о виброакустическом состоянии механизмов, накопленная в период стендовых и натурных акустических испытаний механизмов и ЭУ, позволила предложить ряд методов контроля вибрации и шума, диагностики технического состояния механизмов.

Неравномерность поля скоростей в диске гребного винта, другие гидродинамические причины обусловливают появление нестационарных усилий на гребном винте, которые через валопровод и подшипники передаются на корпус корабля, вызывая его интенсивные колебания (и как следствие, ухудшая условия обитаемости на корабле), значительное звукоизлучение в воду на низких частотах.

Для решения проблемы снижения низкочастотного излучения были развернуты работы по виброизоляции гребного винта от корпуса за счет включения упругих элементов в систему связей винта с валом и корпусом, представляющей сложную научную и инженерную задачу. Под руководством С.Ф.Абрамовича, М.Д.Генкина, К.Н.Пахомова, Ю.Е.Глазова специалистами ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова и проектных организаций найден ряд эффективных конструктивных решений этой задачи.

Параллельно с разработкой пассивных средств акустической защиты (виброизолирующие устройства, акустические покрытия и др.) проводились работы по исследованию возможностей применения активных методов гашения (компенсации) гидроакустического поля корабля. В этом направлении велись работы в Акустическом институте АН СССР (Б.Д.Тарковский, Г.С.Любашевский, А.И.Орлов), реализовались идеи М.Д.Малюжинца (работами руководили В.В.Тютекин, В.Н.Меркулов). В ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова предложены и исследованы активно-пассивные устройства гашения шума в трубопроводах (В.Л.Маслов, Л.И.Соловейчик), а также системы компенсации корабельных помех работе гидроакустических средств.

Решение проблемы снижения корабельных помех работе гидроакустических средств потребовало проведения исследований: по распространению звука и вибрации от источников на корабле к местам расположения приборов гидролокации; по статическим характеристикам турбулентного пограничного слоя на обтекателе антенн ГАС и излучению звука конструкциями обтекателей ГАС под действием сил турбулентного пограничного слоя, а также по созданию обтекателей антенн ГАС, обладающих требуемыми помехозащитными свойствами, звукопрозрачностью, прочностью и устойчивостью. Необходимо было изучить дифракцию звуковых волн на телах произвольной формы.

Для проведения исследований был разработан комплекс специализированных экспериментальных установок, макетов и стендов. На этой экспериментальной базе, а также в натурных условиях велись работы, в результате которых удалось создать теорию образования корабельных акустических помех. На ее основе созданы методики расчетной оценки уровней этих помех и прочности обтекателей, а также разработаны рекомендации и мероприятия по снижению помех. На подводных лодках внедрены помехозащитные безнаборные конструкции обтекателей основных антенн ГАС, обеспечивающие не только снижение помех гидродинамического турбулентного происхождения, особенно проявляющихся на больших скоростях, но и удовлетворяющие требованиям по звукопрозрачности и прочности.

Решение задачи снижения помех на надводных кораблях шло по пути использования экранирующих устройств корпуса судна и разработок и внедрения помехозащитных экранов (коффердамов) различной формы в т.ч. и напряженных. Выполнение комплекса теоретических и экспериментальных исследований, внедрение в проекты кораблей новых типов обтекателей и других технических решений и средств позволило, как показали натурные испытания, обеспечить снижение собственных акустических помех на подводных лодках в 40 раз, а на надводных кораблях - в 20 раз.

Решение проблемы уменьшения подводного шума кораблей невозможно без исследований и измерений энергетических, спектральных, пространственных, статистических и других характеристик шумов и вибрации. В связи с этим ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова и 1-й ЦНИИМО провели цикл работ по созданию практических методик измерений и исследований по поиску источников шума кораблей, по разработке требований к соответствующим комплексам аппаратуры. В итоге этих работ, выполнявшихся при участии предприятий Госстандарта ВНИИМ им. Д.И.Менделеева, ВНИИ ФТРИ и др., измерительные суда и измерительные полигоны были оснащены современными приборами. На кораблях и заводских испытательных стендах размещены системы вибро- и шумоизмерений для контроля механизмов и агрегатов кораблей. Метрологическая база, включающая оригинальные методы и методики, а также средства измерений и исследований шумовых и виброакустических характеристик кораблей и их механизмов, созданы под научным руководством и при активном участии Б.Н.Машарского, Г.А.Сурина, Г.А.Розенберга, А.Е.Колесникова, Г.А.Чуновкина, В.А.Постникова, В.И.Попкова, А.Н.Новикова, А.К.Квашенкина, М.Я.Пекального, В.П.Щеголихина, В.И.Теверовского, В.А.Киршова, В.К.Маслова и других.