Основи теорії підводного непотоплюваності підводного човна
У підводному положенні стійкість підводного човна забезпечується тільки стійкістю ваги, так як відсутня діюча площа ватерлінії, поздовжня метацентрична висота зменшується приблизно в 100 разів і стає рівною поперечній метацентричній висоті, запас плавучості погашений прийомом води в цистерни головного баласту і борь. .
Що ж відбуватиметься з підводним човном при надходженні води всередину міцного корпусу і який арсенал заходів може протиставити командир та екіпаж для запобігання її загибелі?
Сутність боротьби за підводну непотоплюваність полягає:
- у забезпеченні якнайшвидшого спливання на поверхню, а якщо випливання виключається тактичною обстановкою, утриманні підводного човна в заданому діапазоні глибин, що не перевищує граничну глибину занурення, з наступним випливанням на глибину гарантованої міцності перебірок аварійного відсіку;
— у запобіганні руйнуванню перебірок відсіку, що затоплюється, і поширенню води в суміжні відсіки з вжиттям заходів до зменшення та повного припинення надходження води.
Різке збільшення глибини занурення та наростання диферента можуть бути викликані надходженням води у відсік, заклинюванням кормових горизонтальних кермів та причинами випадкового характеру. При надходженні води у відсік або при заклиніванні кормових горизонтальних кермів на занурення швидкість занурення підводного човна під дією топлять сил може досягати мимовільне заповнення цистерн допоміжного баласту, ракетних шахт та контейнерів,торпедних апаратів Тому основне завдання полягає в тому, щоб за допомогою наявних засобів отримати підводний човен від провалу на глибину, більшу за граничну, а потім вивести її на поверхню або на безпечну глибину в балансувальному режимі руху. У цьому полягає сенс підводної непотоплюваності.
Підводною непотоплюваністю називається здатність підводного човна при надходженні води у відсіки міцного корпусу спливати в стійке надводне положення або за збереження ходу продовжувати плавання в межах глибин, безпечних за міцністю перебірок аварійного відсіку. Забезпечення підводної непотоплюваності є певною складністю, оскільки:
- у підводному положенні відсутній запас плавучості, що призводить при надходженні води в будь-який із відсіків до виникнення негативної залишкової плавучості та наростання диферента;
- Зі збільшенням глибини занурення збільшуються гідродинамічний напір, а, отже, і швидкість надходження води у відсік через пробоїну;
- Зі збільшенням глибини занурення зменшується продуктивність водовідливних засобів і збільшується витрата повітря високого тиску (ВВД) для продування цистерн головного баласту та створення протитиску у відсіках.
Метою конструктивного забезпечення непотоплюваності є надання підводного човна при його проектуванні та побудові властивостей та технічних засобів, що забезпечують заданий рівень непотоплюваності. При цьому враховуються такі фактори:
- Тиск, на який розраховані міцний корпус і водонепроникні перебирання;
- величина запасу ВВС, що є засобом продування цистерн головного баласту та створення протитиску в аварійному та суміжному відсіках;
- Швидкодія систем, призначених для ліквідаціїнаслідків аварії (головним чином системи аварійного продування цистерн головного баласту та осушувальної системи);
- Несуча здатність корпусу підводного човна;
- Автоматизація процесу боротьби за непотоплюваність.
Розглянемо коротко ці чинники.
Міцний корпус повинен забезпечити необмежену кількість занурень на робочу глибину. Водонепроникні перебирання за своєю конструкцією бувають плоскими і сферичними. В даний час застосовуються два варіанти розміщення перебірок - змішаний і однорідний, причому останній варіант, коли всі перебірки плоскі, прийнятий на всіх нових проектах підводних човнів.
При змішаному варіанті сферичними перебірками обмежуються перебірка ставиться опуклою частиною і розрахована на тиск 104 гПа (10 кгс/см 2 ) з боку увігнутості, тобто з зовнішнього боку коли матеріал перебирання працює на розтяг. Випукла сторона перебирання розрахована на тиск 2×10 3 гПа (2 кгс/см 2 ). Плоскі перебирання при однорідному варіанті розміщення розраховані на тиск 10 4 гПа з обох сторін. Міцність таких перебірок повинна забезпечити їх цілісність, якщо підводний човен, маючи хід рівний від максимального на глибині 500 м отримає пробоїну не більше 0,01 м 2 , своєчасно здійснить спливання на глибину 100 м до досягнення тиску в аварійному відсіку 10 4 гПа (10 кгс/см 2).
Величина запасу ВВС на підводному човні передбачає:
одне аварійне продування з робочої глибини,
спливання підводного човна з ґрунту із затопленим відсіком із глибини, що дорівнює половині граничної,
триразове продування всіх цистерн головного баласту при спливанні з перископної глибини в крейсерське положення,
час продування всіх цистерн головного баласту при спливанні з перископної глибиникрейсерське положення - не більше 90 секунд,
час продування середньої групи цистерн головного баласту з перископної глибини у позиційне становище — трохи більше 30 секунд.
Система аварійного продування транспортує повітря високого тиску для продування цистерн головного баласту. Однак транспортуючі здібності цієї системи недостатні для ефективної, малої часу подачі повітря в цистерни. Причинами цього є: недостатній прохідний переріз трубопроводів, велика кількість місцевих опорів у трубопроводах та арматурі. Це призводить до того, що продування цистерн головного баласту та створення протитиску в аварійному відсіку відбувається із запізненням порівняно з часом його затоплення. Основною причиною цього є недостатнє секундне надходження ВВС до цистерн головного баласту при продуванні їх на великих глибинах. У зв'язку з цим розроблено та впроваджено системи аварійного продування цистерн головного баласту за допомогою порохових газів.
Осушувальна система варта видалення за борт води, що потрапила всередину міцного корпусу. Вона складається з трубопроводів, арматури та водовідливних засобів. Сумарна продуктивність водовідливних засобів підводного човна залежить від їхньої кількості, глибини занурення та умов роботи насосів.
Несуча здатність корпусу підводного човна при великій швидкості ходу є основним засобом боротьби за підводну непотоплюваність практично незалежно від глибини занурення. При пробоїні в кормових відсіках, як правило, виходять з ладу енергетична установка і лінії валів, підводний човен втрачає хід і тим самим втрачає здатність корпусу, що несе. Таким чином, несуча здатність корпусу підводного човна більшою мірою активно використовується при надходженні води вносові відсіки.
Автоматизація процесів боротьби за непотоплюваність суттєво зменшує час запізнення у прийнятті рішення щодо боротьби за живучість та виключає його суб'єктивність. За відсутності автоматизації засоби боротьби за непотоплюваність можуть бути застосовані не раніше ніж через 25-30с після початку надходження води у відсік підводного човна, а за наявності засобів автоматизації - через 3,5с. Зміна кінематичних параметрів підводного човна під час аварії відбувається дуже швидко.
З вище викладеного випливає, що на підводну непотоплюваність впливають такі фактори:
глибина, на якій почала надходити вода у відсік, та розміри пробоїни,
початкова швидкість ходу та резерв потужності енергетичної установки для розвитку максимальної швидкості ходу,
- Об'єм і розташування відсіку, що затоплюється,
- Інтенсивність продування ЦМЛ,
- Наявність протиаварійної автоматики,
- Допустимі диференти на ділянці спливання.
Для оцінки впливу цих факторів на непотоплюваність будують діаграми зон безпеки для певного проекту підводного човна.
На діаграмі (рис. 9) зображені криві граничних значень глибини занурення та швидкості ходу в момент надходження води у відсік при різних розмірах пробоїн для атомного підводного човна проекту, де:
ήо - глибина занурення підводного човна перед аварією;
ήпред - гранична глибина занурення;
vо - швидкість підводного човна перед аварією;
vпр – максимальна швидкість ходу підводного човна.
Мал. 9. Зони безпеки підводного човна в залежності від площі пробоїни
На діаграмі ймовірність загибелі аварійного підводного човна виражатиметься відносною площею зони безпеки. Під зоноюБезпеки розуміється область гранично допустимих значенні глибини занурення та швидкості ходу підводного човна в момент аварії, при яких можливий його порятунок. Зона безпеки буде розташована під відповідною кривою площі пробоїни. Чим більша площа цієї зони, тим більша ймовірність не загибелі підводного човна під час проведення відповідних протиаварійних заходів. З діаграми випливає, що при великих площах пробоїн порятунок підводного човна можливий лише у разі знаходження його в момент надходження води на малих глибинах занурення та великої швидкості ходу.
Так, наприклад, ймовірність не загибелі атомного підводного човна дорівнюватиме 0,5 при знаходженні його на глибині ήо=200 м на швидкості ходу перед аварією vо = 15 вузлів при надходженні води через пробоїну площею 0,01 м 2 , так як ήо / ήпред = 200/400 = 0.5, v /vпр = 15узл/30 вузл = 0.5.
Точка перетину цих значень знаходиться під кривою площі пробоїни, що дорівнює 0,01 м 2 , тобто в зоні безпеки. Таким чином, у всіх випадках надходження води у відсіки міцного корпусу необхідно мати більшу швидкість ходу. За наявності резерву потужності енергетичної установки та можливості швидкого розвитку максимального ходу підвищується здатність корпусу підводного човна, що несе.
При аварії, пов'язаній із заклинкою горизонтальних кермів, спостерігається зворотний ефект - збільшення швидкості ходу погіршує можливості отримання підводного човна від провалу по глибині. Це тим, що кут диферент підводного човна при постійному куті перекладки горизонтальних кермів зросте пропорційно квадрату його швидкості. Діаграма зон безпеки для випадку заклинки великих горизонтальних кермів атомного підводного човна показано на рис. 10.
Аналіз діаграми показує, що зона безпеки тембільше, ніж менше кут заклинки горизонтальних кермів, а ймовірність загибелі підводного човна зростає зі зменшенням швидкості ходу.
Великий вплив на підводну непотоплюваність має час запізнення у проведенні протиаварійних заходів. Зона безпеки різко зменшується зі збільшенням часу прийняття рішення, віддачу команд та його виконання з отримання підводного човна від провалу велику глибину.
Рис.10. Зони безпеки підводного човна під час заклинення КМР
При надходженні води всередину міцного корпусу запізнення більше 120 є згубним для підводного човна. З діаграми (рис. 10) видно, що полегшити її стан може лише більша швидкість і мала глибина занурення на початку аварії. Зменшення глибини занурення у всіх випадках аварії збільшує ймовірність не загибелі підводного човна, що досягається створенням максимально допустимого диферента при випливанні. Ефективне отримання підводного човна від провалу без ходу при знаходженні його на великих глибинах занурення вимагає великої витрати ВВС в одиницю часу, що не завжди забезпечується здатністю, що транспортує, системи аварійного продування. В першу чергу повинні продуватися тільки ті цистерни головного баласту, які компенсують момент, що диференціює, і негативну плавучість, що виникли від надходження води у відсік.
Боротьба за підводну непотоплюваність може бути успішною лише в тому випадку, якщо всі засоби, призначені для боротьби за неї, будуть своєчасно та раціонально використані.