77417-1 (Динамика подводных лодок)

Динамика подводных лодок

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

Создание атомных энергетических установок в начале 50-х годов обусловило революционный скачок в подводном кораблестроении. Подводные лодки превратились в высокоскоростные корабли с большой автономностью подводного плавания. При этом возник и ряд сложных научно-технических задач, в частности, в области гидродинамики и динамики плавания. Большие скорости, длительные режимы подводного хода требовали изменений традиционной формы корпуса ПЛ, разработки более совершенной теории управляемости, новых подходов к обеспечению безопасности плавания в допустимом интервале глубин. К тому же время возможного достижения предельных глубин резко сокращалось при высокоскоростном маневрировании. Требовались новые средства и новые подходы к борьбе за живучесть и т.п.

Решение таких задач для проектируемых и перспективных лодок определяло направление работ в области динамики подводного плавания на протяжении всей второй половины XX в. Над их решением, при тесном взаимодействии с 1-м ЦНИИМО, продолжали трудиться коллектив филиала ЦАГИ под руководством Н.К.Федяевского (Д.В.Якушевич, И.Б.Федорова, А.В.Шарипов и др.), коллектив сотрудников при ЦКБ-18 (нынешний ЦКБМТ“Рубин”) во главе с А.П.Скобовым и А.В.Калачевой (В.Н.Квасников, В.В.Рождественский и др.), коллектив сотрудников ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова под руководством С.И.Девнина, а затем А.В.Герасимова, Е.Б.Юдина и М.Я.Мазора. К решению проблемы динамики лодок подключились ВВМИОЛУ им.Ф.Э.Дзержинского (А.Н.Патрашев) и ВМА им.Н.Г.Кузнецова (Я.Т.Пугачев). В 1-м ЦНИИМО эту работу возглавляли последовательно С.В.Козлов и С.И.Крылов.

В 50-х годах была проведена конференция по управляемости подводных лодок, в которой приняли участие организации ВМФ и промышленности. На ней были определены основные задачи и направления исследований. Выявилась недостаточность экспериментальной базы для проектирования атомных подводных лодок в части управляемости. Необходимо было проведение систематических натурных испытаний по определению гидродинамических характеристик и маневренных элементов для формирования и обоснования требований к управляемости. Проведение этих испытаний было возложено на 1-йЦНИИМО.

Для научно-технического сопровождения проектирования первой и последующих атомных подводных лодок потребовалось сооружение специальных аэро- и гидродинамических лабораторий в ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, поскольку существующие к тому времени гидроканалы не позволяли получать необходимые экспериментальные данные в нужном объеме. Было начато проектирование и строительство маневренно-мореходного бассейна. Создание его позволило на моделях изучать маневренные качества лодок в надводном положении в условиях искусственного волнения, а также определять на малых моделях (около 2 м) гидродинамические характеристики лодок при криволинейном движении в подводном положении. Имевшаяся большая аэродинамическая труба позволяла имитировать поступательное движение лодки в толще воды при наличии углов атаки и дрейфа. В крупнейшем в мире циркуляционном бассейне можно было проводить модельные испытания при криволинейном движении больших моделей (около 6,0 м) в широком диапазоне скоростей. В распоряжении исследователей находился ряд специальных установок и стендов.

Сооружение таких лабораторий в ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова поставило нашу страну на один уровень с наиболее развитыми судостроительными державами мира и позволило в ходе проектирования отработать такие проектные решения, которые обеспечивали отечественным ПЛ высокие маневренные качества и хорошую управляемость. Так, за более чем 40-летний период строительства и эксплуатации атомного подводного флота не было случаев неудовлетворительной управляемости отечественных подводных лодок.

В результате выполненных исследований и натурных испытаний разрабатывались критерии управляемости и обосновывались их нормативные характеристики, на базе которых формировались архитектура и геометрические элементы оперения и рулей.

Особое значение для атомных подводных лодок приобретали вопросы движения в таких специальных режимах, как малошумное маневрирование, при котором обеспечиваются акустическая скрытность, всплытие под поверхность моря в условиях морского волнения (для осуществления сеансов связи), аварийное всплытие с использованием продувания балластных цистерн, экстренное снижение скорости с осуществлением реверса гребными винтами, а также требовали решения вопросов гидродинамики подводных лодок при движении с большими углами атаки и дрейфа.

Были разработаны важные практические рекомендации, позволяющие обеспечивать безопасное плавание при высокоэффективных средствах управления и системах главного балласта.

Впервые в мировой практике на отечественных лодках проектов 671, 971 были применены автоматические противоаварийные системы, предотвращающие катастрофические последствия из-за ошибок в управлении, обусловленных неправильными действиями оператора или сбоями в автоматических системах, управляющих эксплуатационными маневрами, а также в случаях возможной заклинки горизонтальных рулей ПЛ. В качестве советчика командиру разработана автоматическая система, выдающая рекомендации по управлению при такой тяжелой аварии, как поступление воды внутрь прочного корпуса при нарушении его герметичности.

О кораблях с динамическими принципами поддержания (КДПП)

В интересах создания кораблей на подводных крыльях был проведен большой объем теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ по выявлению влияния параметров подводных крыльев на их гидродинамические характеристики с целью разработки подводных крыльев с наилучшими гидродинамическими качествами. Исследованы различные компоновочные схемы и их влияние на характеристики движения корабля, а также способы передачи мощности к движителям. На основании приведенных теоретических и экспериментальных исследований в конце 50-х годов были построены два катера проекта 125 с обычными и суперкавитирующими двухкрыльевыми схемами, на которых достигнута скорость 73уз.

Исследования по применению крыльев для катеров относительно большого водоизмещения выполнен в начале 60-х годов на катере водоизмещением 240 т, который был оснащен носовым крылом и расположенной в корме управляемой транцевой плитой. Специальные ходовые и мореходные испытания этого катера, проведенные с участием 1-гоЦНИИМО, показали существенное повышение скоростей на волнении, улучшение мореходности и снижение перегрузок. Это послужило основанием для создания в дальнейшем серийных кораблей, оборудованных указанной крыльевой схемой.

На натурных испытаниях корабля типа “Смерч” достигнута скорость более 100уз. На серийных ракетных катерах на подводных крыльях проекта скорость составляла около 60уз.

Объем исследований, проведенных за период до 1965г., позволил создать ряд боевых кораблей на подводных крыльях (КПК) и определить дальнейшие пути улучшения их мореходных свойств. Было определено, что принципиальным путем повышения мореходности КПК большого водоизмещения является переход на глубокопогруженные автоматические управляемые подводные крылья.

На пути создания кораблей на воздушной подушке (КВП) основные усилия направлялись на выявление наиболее перспективных способов формирования воздушной подушки; отработку обводов элементов КВП, находящихся в контакте с водой, с целью снижения гидродинамического сопротивления; определение наиболее рациональных типов движителей; выявление путей повышения ресурса воздушных винтов и вентиляторов; на поиск наилучших способов обеспечения мореходности, управляемости и остойчивости; уменьшение заливаемости и забрызгиваемости. В результате теоретических и экспериментальных исследований в начале 70-х годов были созданы амфибийные КВП “Скат”, “Кальмар”, “Джейран”. Накопленный научный задел и практический опыт эксплуатации этих кораблей позволили обосновать дальнейший путь повышения мореходных свойств КВП - создание КВП скегового типа. Силами СМКБ “Алмаз” и 1-гоЦНИИМО по инициативе А.Д.Круглова были созданы и испытаны крупномасштабные модели первых морских КВП, наиболее экономичных на скоростях выше 50 уз. В настоящее время ведутся теоретические, экспериментальные и опытно-конструкторские работы по обеспечению проектирования боевых скеговых КВП.

В 60-е годы ученые и специалисты страны по инициативе Р.Е.Алексеева приступили к разработке третьего направления в развитии кораблей с динамическими принципами поддержания -созданию экранопланов.

Проведен большой объем исследований по изучению физики явления экранного эффекта и перспективам его использования для создания реальных объектов, по обобщению и анализу опыта авиации в целях возможного использования различных решений применительно к разработке аэродинамических схем экранопланов. Специалисты судостроительной промышленности, МАП и ВМФ выполнили натурные испытания корабля-макета “КМ” (главный конструктор Р.Е.Алексеев), которые подтвердили техническую реальность создания экранопланов. В дальнейшем основные исследования направлялись на поиск форм и профилей крыльев, наиболее эффективно работающих вблизи экрана, на отработку аэродинамических компоновок такого аппарата. Определялись типы движителей, наилучшие способы обеспечения устойчивости движения, мореходности, управляемости, маневренности и остойчивости. Велась отработка взлетно-посадочных устройств, изучение и отработка амфибийных качеств.

В результате всего комплекса работ и исследований созданы и вступили в состав ВМФ транспортный экраноплан “Орленок” и боевой экраноплан “Лунь”. Ныне имеется научно-технический задел и определены пути дальнейшего развития экранопланостроения.

Для обеспечения исследований по аэрогидродинамике надводных кораблей, и в особенности КДПП, разработаны основные направления теоретических и экспериментальных работ для организаций ВМФ и промышленности, академической и вузовской науки, выполнение которых послужит основой для создания нового поколения кораблей начала XXIв.

Прочность и конструкционные материалы

Усиление вооруженности кораблей, их конструктивной защиты с одновременным повышением эксплуатационной скорости хода потребовали глубокого изучения внешних сил, действующих на корпус корабля, особенностей напряженно-деформированного состояния основных корпусных конструкций, нормирования общей и местной прочности, разработки новых конструкционных материалов и технологий строительства кораблей. Анализ и обобщение опыта боевого использования кораблей во второй мировой войне и задач, поставленных перед промышленностью по созданию нового отечественного флота, позволили разработать программу научных исследований, обеспечивающих запросы промышленности и ВМФ. В разработке и реализации этой программы активное участие принимали ЦНИИ им.А.Н.Крылова, 1-йЦНИИМО, ЦНИИКМ “Прометей”, конструкторские бюро, институты и заводы судостроительной отрасли. В интересах подводного кораблестроения в начале 50-х годов проводились углубленные исследования устойчивости и напряженного состояния оболочки корпуса с различными вариантами системы набора, прочных цистерн, рубок, сферических переборок. Большое внимание было уделено уточнению запасов прочности, норм допускаемых напряжений, оценке влияния начального прогиба на прочность корпуса, рационализации конструкций. На основе исследований созданы нормы прочности, отвечающие повышенным глубинам погружения проектируемых кораблей по сравнению с довоенными.

Материалы исследований вошли в монографии Ю.А.Шиманского “Строительная механика подводных лодок” (1948г.), П.Ф.Папковича “Строительная механика корабля” (1947г.), В.В.Новожилова “Теория тонких оболочек” (1951г.), Н.С.Соломенко “Строительная механика подводных лодок”.

Увеличение глубины погружения подводных лодок было невозможно без использования стали с повышенными прочностными свойствами. Работы по созданию такой стали велись в ЦНИИ-48 (ныне ЦНИИКМ “Прометей”) и завершились разработкой и промышленным освоением сталей типа АК. Однако освоение этих сталей встретило ряд существенных трудностей. Так, для исключения возможности хрупких разрушений шпангоутов пришлось предусматривать специальную их термообработку. Большое внимание уделялось сварке высокопрочных сталей с тем, чтобы избежать неблагоприятного влияния на прочность околошовных зон. Были внесены конструктивные изменения в ответственные узлы корпуса. При решении всех этих вопросов и проверке работоспособности сталей большую роль играли поставленные впервые в широком объеме испытания натурных опытных отсеков подводных лодок в специально созданных док-камерах (А.И.Кудрин, Л.М.Бунич, О.М.Палий, С.К.Родионова, Ю.П.Шишалов). Натурные испытания были дополнены систематическими испытаниями образцов и малых моделей конструкций.

Результаты испытаний по совокупности подтвердили корректность теоретических исследований и расчетных схем, позволили получить опытные данные по устройству и несущей способности оболочек, ввести поправочные коэффициенты к формулам критического давления, обосновать запасы прочности основных элементов корпусов. Путевка в жизнь была дана и новой стали АК-25. Испытания подтвердили ее достаточную работоспособность при принятой технологии постройки кораблей.

На основе обобщения результатов проведения теоретических и экспериментальных исследований, участием накопленного опыта проектирования, постройки и эксплуатации подводных лодок в 1954г. ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, с участием предприятий и организаций промышленности и 1-гоЦНИИМО, разработал новый нормативный документ “Правила выполнения расчетов прочности конструкций прочного корпуса подводных лодок” и типовые расчеты к ним (авторы В.В.Новожилов, В.Ф.Сегаль и др.). Наряду с совершенствованием аналитических методов расчета начали внедряться численные методы, создавались алгоритмы для получения более точных решений с помощью ЭВМ все усложняющихся задач теории оболочек (В.С.Чувиковский, В.Е.Спиро, В.М.Рябов, И.Л.Дикович, О.М.Палий). Расчетные проработки подтверждали эффективность предложенных алгоритмов.

В подводное кораблестроение внедрялись более прочные материалы, в том числе (наряду со сталями) титановые сплавы, обладающие рядом преимуществ (меньший удельный вес, коррозионная стойкость, немагнитность, не подверженность ползучести). Проведенные в течение ряда лет в ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова многоплановые работы по анализу влияния на работоспособность разнообразных конструктивных и технологических факторов позволили установить общие положения, обеспечивающие надежность корпусов подводных лодок, и разработать “Требования к механическим свойствам корпусных материалов и их сварных соединений для подводного кораблестроения”.

Внедрение титановых сплавов потребовало пересмотра части принципиальных положений, связанных с нормированием прочности корпусов (учет текучести материала, пониженная цикличная прочность, ограниченные пластические свойства). Был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных работ, в которых обоснованы новые принципиальные подходы к обеспечению прочности и надежности конструкций из этих сплавов (О.М.Палий, В.С.Чувиковский, В.Е.Спиро, И.Г.Гуревич, А.И.Шитов). На основе исследований и испытаний крупномасштабных отсеков в 1977г. изданы “Правила проектирования подводных лодок из титановых сплавов” (В.В.Новожилов, Н.С.Соломенко, А.И.Кудрин).