Стійкість підводного човна при зануренні та спливанні
Занурення підводного човна здійснюється прийомом води в цистерни головного баласту, а випливання - його видаленням. І в тому, і в іншому випадку змінюються вага підводного човна, його об'ємна водотоннажність, площа діючої ватерлінії. При цьому відбувається зміна положення центру тяжіння, центру величини, поперечного та поздовжнього метацентрів, тобто тих точок, відносне положення яких визначає стійкість підводного човна. Тому стійкість підводного човна при зануренні та спливанні істотно змінюється.
Для того, щоб мати можливість оцінити поперечну стійкість під час занурення та спливання, необхідно знати характер зміни положень центру тяжіння, центру величини, поперечного метацентру, знати величину поперечної метацентричної висоти на всіх етапах занурення та спливання. Оскільки визначальним параметром, що характеризує положення підводного човна щодо поверхні води є осаду Т, то залежно від її зміни при зануренні та сплиту розглядаються положення точок С, G і m за висотою від основної площини та будуються графіки zc = f(T), zg = f(T), zm=zc+r=f(T).
Сукупність зазначених графіків дозволяє визначати поперечну метацентричну висоту в різних положеннях, займаних підводним човном у процесі занурення та спливання і називається діаграмою початкової стійкості підводного човна при зануренні та випливанні (рис. 6).
Мал. 6. Діаграма плавучості та початкової стійкості підводного човна при зануренні.
На діаграмі по вертикальній осі відкладається осад підводного човна в метрах, а по горизонтальній - координати точок С, G і m за висотою від основної площини для різних положень підводного човна (від крейсерського до занурення). Для наочностіпозначені: крейсерська ватерлінія - ВкрЛкр, ватерлінія, що відповідає догляду під воду верхньої кромки міцного корпусу - ВпкЛпк; та ватерлінія повного занурення підводного човна ВпЛп. Діаграма будується за умови, що підводний човен немає крену і диферента, занурюється і спливає без ходу, проте цистерни головного баласту заповнюються і продуваються рівномірно.
Діаграма наочно показує переміщення центру ваги, центру величини та поперечного метацентру при зміні осаду підводного човна. Центр величини підводного човна в процесі його занурення переміщається вгору, оскільки відбувається збільшення зануреного обсягу у верхній частині. Центр тяжкості підводного човна на першій фазі занурення, коли вода заповнює нижні частини цистерн головного баласту, переміщається вниз, а потім при заповненні середньої та верхньої частин цистерн головного баласту переміщається вгору і при повному зануренні підводного човна займає певне постійне положення.
Положення поперечного метацентру визначається величиною поперечного метацентричного радіусу та положенням центру величини. При зануренні поперечний метацентричний радіус постійно зменшується внаслідок зменшення площі діючої ватерлінії, а відстань центру величини від основної площини зростає. У першій фазі занурення збільшення zc перевищує зменшення r і тому поперечний метацентр переміщається вгору. Потім він знижується і при зануренні підводного човна під воду, коли діюча ватерлінія зникає, зливається з центром величини, поперечний метацентричний радіус при цьому стає рівним нулю.
Зміна поперечної метацентричної висоти і моменту, що відновлює, при зануренні підводного човна відбувається наступним чином. На початку занурення, коли вода приймається внижні частини цистерн головного баласту, центр тяжіння G переміщається вниз, поперечна метацентрична висота збільшується. При цьому відновлюючий момент складається з позитивного моменту стійкості форми і негативного моменту стійкості ваги: mθ = Pr sinθ - P a sinθ = γ Ix sin θ - Pa sin θ.
При досягненні опади ТА центр тяжкості і центр величини зливаються в одну точку, величина а стає рівною нулю, h = r, а момент, що відновлює, визначається тільки моментом стійкості форми: mθ = γ Ix sin θ.
Збіг центру тяжіння з центром величини відбувається приблизно при заповненні ¼ обсягу цистерн головного баласту.
При подальшому заповненні цистерн головного баласту центр ваги буде нижчим від центру величини, тобто стійкість ваги стає позитивною і підвищує стійкість підводного човна:
mθ = Pr sinθ + Pа sinθ = γ Ix sin θ + Pa sin θ.
Поперечна метацентрична висота при осаді Тм, що відповідає найнижчому положенню центру ваги, має максимальну величину. Подальше занурення підводного човна призводить до підвищення центру тяжкості підводного човна та зниження його метацентру, що зумовлює зменшення стійкості підводного човна. Поперечна метацентрична висота різко скорочується під час відходу у воду дахів цистерн головного баласту. Відповідна звужена ділянка діаграми в районі ватерлінії ВпкЛпк образно називається «шийкою». У цьому положенні підводний човен має найменшу стійкість, тому що внаслідок різкого зменшення площі діючої ватерлінії різко зменшується стійкість форми.
Коли підводний човен зануриться повністю (осаду Тп), ватерлінія, що діє, зникне, Ix і r звернуться в нуль, і стійкість підводного човна буде забезпечуватися тільки стійкістюваги mθ = Pа sinθ. Поперечна метацентрична висота збільшується до цього моменту за рахунок того, що при зануренні від осідання Тпк до осідання ТА zc росте швидше, ніж zg.
З розгляду процесу занурення випливає, що стійкість ваги постійно збільшується, змінюючи знак з негативного на позитивний, а стійкість форми зменшується і зникає.
При випливі підводного човна переміщення центру тяжкості, центру величини та поперечного метацентру відбувається у зворотних напрямках, відповідно до цього змінюється і стійкість.
Таким чином, в крейсерському положенні стійкість підводного човна забезпечується позитивною стійкістю форми, а в підводному положенні - позитивною стійкістю ваги. Центр тяжкості підводного човна в підводному положенні повинен бути нижче центру величини, тоді при її нахилі сили γVп і Рп створюють пару сил, момент якої завжди протидіє моменту, що хрещує (рис. 7а). Слід зазначити, що при способах підводного човна в підводному положенні центр величини не переміщається, оскільки форма і величина зануреного обсягу залишаються постійними.
Мал. 7. Стійкість підводного човна в підводному положенні
Зміна поздовжньої стійкості при зануренні і спливанні підводного човна відбувається так само, як і зміна поперечної стійкості. У підводному положенні поздовжня стійкість підводного човна визначається лише стійкістю ваги Мψ = Pa sin ψ.
Отже, мірою поперечної та поздовжньої стійкості підводного човна в підводному положенні є та сама метацентрична висота, що дорівнює відстані між центром тяжкості і центром величини Нп = hп = ап (рис. 7б). Величина метацентричної висоти підводних човнів у підводномуположенні знаходиться в межах від 0,3 до 0,4 м. Таким чином, при зануренні підводного човна поперечна метацентрична висота зменшується всього на 20 - 30%, а поздовжня - більш ніж у 100 разів, тобто при зануренні відбувається дуже велике зменшення поздовжньої стійкості підводного човна.
Цю обставину слід враховувати під час підготовки підводного човна до занурення і під час занурення. Якщо підводний човен перед зануренням має надмірний диференціюючий момент (внаслідок помилок при розрахунку диферентування або при неправильно прийнятому розрахунковому диферентуванні), то в надводному положенні він практично не впливає на посадку підводного човна і може бути не виявлений особовим складом, а при зануренні з зникненням діючої ватерлінії створить значний диферент. Наприклад, момент, що диференціює на один градус, у підводного човна в надводному положенні дорівнює 17500 тс м/градус, а в підводному положенні - 65 тс м/градус. Це означає, що при дії моменту, що диференціює величиною 400 тс м в надводному положенні підводний човен практично не буде мати диферента (ψ = 0,023 °), а в підводному положенні отримає диферент 6 °.
При розгляді зміни стійкості в процесі занурення підводного човна була прийнята умова, що цистерни головного баласту заповнюються одночасно, тобто занурення здійснюється в один етап. Насправді підводний човен може занурюватися у два етапи, коли спочатку заповнюються кінцеві групи цистерн головного баласту, та був — середня. При такому зануренні характер переміщення центру величини і метацентру не змінюється, тобто криві zc(T) і zm(T) мають той же вигляд, що і при одноетапному зануренні, а центр тяжіння переміщається по кривій z(g), координати якої вище за відповідні ординат кривої zg (T).Це пояснюється тим, що для досягнення певної осідання в обох випадках занурення приймається однакова кількість баласту, але при двоетапному зануренні цей баласт міститься в меншому числі цистерн головного баласту, ніж одноетапному. Центр тяжкості баласту, що приймається, розташовується вище, що призводить до переміщення вгору центру тяжіння підводного човна. На рис. 6 позиційне положення підводного човна показано ватерлінією Впп Лпп.
Таким чином, при зануренні (а також спливу) в два етапи стійкість підводного човна менше, ніж при одноетапному зануренні (спливу).