Скрытность подводных лодок

Современное состояние и перспективы развития противолодочного оружия и систем обнаружения ПЛ предъявляют особенно жесткие требования к такому тактическому качеству, как скрытность. Скрытность является необходимым условием успешного решения подводной лодкой своей основной задачи: поиска и уничтожения кораблей противника, а также уклонения от контакта с его силами противолодочной обороны (ПЛО), т.е. победы в дуэльной ситуации. С потерей скрытности теряется смысл создания ПЛ как важнейшего стратегического и тактического оружия.

Естественно, повышению скрытности ПЛ уделяется большое внимание. Сформированы требования, близкие к предельно достижимым: перспективные ПЛ должны превратиться в малошумные точки Мирового океана. Примером такого достижения может служить ДПЛ проекта 877 «Варшавянка», которую западные специалисты назвали «черной дырой в океане».

Ведутся теоретические исследования, направленные на снижение полей ПЛ, уменьшение их следности и вероятности обнаружения активными средствами. Полученные рекомендации тщательно проверяются в модельных экспериментах и служат основой для принятия проектных решений, разработки новых конструкций и оборудования.

Скрытность — способность ПЛ выполнять боевые задачи, не будучи обнаруженной противником [56], [129].

Очевидно, что главное в этом определении словосочетание — «не будучи обнаруженной противником». Теперь для полного понимания проблемы скрытности остается разобраться с понятием «обнаружение».

Обнаружение включает в себя несколько фаз:

— выделение полезного сигнала цели на фоне естественных и искусственных помех;

— классификация цели, т.е. определение типа, национальной принадлежности, класса;

— определение координат и параметров движения цели.

Следовательно, ясны направления обеспечения скрытности:

— снижение уровней физических полей (сокращение дальности распространения поля, снижение его энергетического уровня);

— неклассифицируемость, т.е. стирание классификационных признаков и маскировка под ложные цели (естественные или искусственные);

— затруднение определения координат и параметров движения цели, т.е. создание помех (прицельных или заградительных).

Любую движущуюся в воде ПЛ сопровождает целый набор физических полей (акустическое, поля электромагнитной группы, поля кильватерного следа, оптическое поле, радиолокационное и др.), по каждому из которых ее можно обнаружить. Высокие уровни полей приводят к тому, что ПЛ могут обнаруживаться при выходе из районов базирования, отслеживаться в период несения боевой службы, лишаться возможности первого залпа и находиться под угрозой уничтожения до использования своего оружия. Скрытность — важнейшее тактическое свойство ПЛ.

Акустическое поле делится на первичное и вторичное. Первичное акустическое поле — излучения звуковых колебаний ПЛ в окружающую среду. Особенность этого поля состоит в том, что оно обладает наибольшей дальностью распространения и наибольшей информативностью. Вторичное акустическое поле представляет собой отраженный от ПЛ сигнал при работе активных гидроакустических средств противника.

Поля электромагнитной группы: магнитное, электрическое, низкочастотное электромагнитное. С точки зрения противолодочных сил, особо важным из них является магнитное поле.

Поля кильватерного следа:

— тепловое поле (особенно ярко выражено у атомных ПЛ); как известно, КПД атомного реактора составляет всего лишь 20...35%, остальная энергия выделяется в виде тепла [134]; 

— гидродинамическое поле — при движении ПЛ возникают возмущения окружающей среды; как известно из курса гидродинамики, происходит турбулизация потока, возникновение вихрей на корпусе ПЛ;

— радиационное поле (особенно актуально для атомных ПЛ).

Важно добавить, что время жизни полей кильватерного следа достигает 10...20 часов.

Оптическое, радиолокационное и химическое поля (выхлоп дизелей при движении под РДП). Современные радиолокаторы способны обнаруживать поднятые над поверхностью выдвижные устройства быстро и с высокой точностью.

Первичное гидроакустическое поле. Первичное акустическое поле включает шум механизмов, шумы гидродинамической природы, шумы винтов.

Основные причины шумообразования механизмов:

— дисбаланс вращающихся частей;

— неравномерность потока проводимой среды (для насосов);

— возвратно-поступательные движения деталей;

— электромагнитные силы.

Распространение звуковой энергии от механизмов на корпус ПЛ и далее в водное пространство происходит путем передачи вибрации через опорные и неопорные связи, передачи пульсаций давления по рабочей среде, заполняющей присоединенные трубопроводы, а также по окружающему воздуху (рис. 2.4).

Спектр вибрации механизмов, помимо сплошной части, содержит ряд дискретных составляющих, соответствующих основным частотам вращения.

Основные пути уменьшения шума механизмов:

1) снижение шума в источнике (снижение уровня вибраций). Это направление связано с повышением требований к точности изготовления оборудования, оно весьма перспективно. Начиная с лодок третьего поколения, снижение уровней шумоизлучения достигают путем монтажа механизмов в амортизированных зональных блоках, благодаря чему обеспечивается двухкаскадная амортизация;

2) защита неопорных связей. На ПЛ проложено огромное количество кабелей довольно большой толщины, которые, безусловно, обладают определенной жесткостью, следовательно, могут частично передавать колебания. Поэтому необходимо делать петли, которые гасили бы эти колебания. Так же дело обстоит и с трубопроводами, только в этом случае применяют резиновые вставки в трубах (рис. 2.5).

Для снижения воздушного шума применяют так называемое капотирование механизмов; это — различные кожухи, полностью накрывающие тот или иной механизм и, тем самым, изолирующие его от окружающего воздуха. Применяются и специальные гидроакустические покрытия: внутри корпуса — специальные мастики, снаружи — специальная облицовка, предназначенная для гашения энергии колебаний корпуса при передаче в окружающую среду. В междубортном пространстве используются низкочастотные глушители [95].

Шумообразование в трубопроводах корабельных систем имеет гидродинамическую природу и обусловлено движением рабочей среды, турбулизацией потока и вихреобразованием в местах погибов трубопроводов, дросселированием потока в путевой арматуре. Спектр шума систем, как правило, не содержит выраженных дискретных составляющих, однако в случае совпадения лопастной или оборотной частоты насоса с собственной частотой участков трубопроводов возможно возникновение интенсивных резонансных колебаний на этих частотах. Особое место среди источников шума занимают системы внешней охлаждающей воды, имеющие непосредственный выход за борт (циркуляционные трассы). Например, на АПЛ к главному конденсатору подается забортная вода по трубам большого диаметра. В данном случае очень сложно снизить шум в этом источнике, так как ничто не мешает передаче звука течения воды наружу. Но и здесь есть способы снижения шума: вставка арморезины, способной выдерживать нагрузки наравне с прочным корпусом, создание развязок.

Для уменьшения шума в других трубопроводах существуют следующие способы:

1) снижение скорости потоков;

2) выполнение требований к форме трубопроводов (радиусы закруглений и изгибов);

3) использование глушителей гидродинамического шума.

Один из основных источников шума — гребной винт. Различают четыре основные составляющие шума, вызываемого работой гребного винта [56].

Первая из них — кавитационный шум, связанный с образованием, пульсацией и схлопыванием пузырьков и каверн. Интенсивность этого шума существенно зависит от скорости хода (частоты вращения гребного винта) и глубины погружения ПЛ (чем ниже частота вращения винта и больше глубина погружения, тем позже на-ступает кавитация). К мероприятиям, снижающим кавитационный шум, можно отнести все способы снижения кавитации — снижение частоты вращения, применение специальной формы лопастей (винты с саблевидной откидкой лопасти), использование насадок.

Вторая составляющая — звук вращения винта. Гребной винт, работающий вблизи корпуса ПЛ, создает в воде периодические разрежения и сжатия, что приводит к возникновению звуковых волн с частотами, кратными произведению частоты вращения на число ло-пастей гребного винта. Спектр звука вращения имеет дискретный характер.

Уровень звука вращения существенно зависит от степени окружной неоднородности поля скоростей натекающего на винт потока, определяемой формой и размерами выступающих частей корпуса ПЛ и ее кормовой оконечности (кормовое оперение, ограждение выдвижных устройств). При движении на стабилизаторах и рулях образуются вихри, которые, если рули находятся вблизи винта, срываясь, попадают в винт, приводя к усилению шума. Для уменьшения неравномерности поля скоростей в диске винта необходимо уменьшить влияние корпуса. Следовательно, необходимо располагать стабилизаторы по возможности дальше от винта. Снижение уровней шума вращения возможно только за счет уменьшения номинальной частоты вращения гребного винта.

Третья составляющая — шум, появляющийся при вынужденных колебаниях конструкций, вызванных работой гребного винта. Для его снижения используется амортизация в системе «движитель - валопровод - главный упорный подшипник (ГУП) - корпус».

Четвертая составляющая — «пение» винта, т.е. интенсивное тональное излучение в звуковом диапазоне частот, причиной которого служат автоколебания лопасти под воздействием вихрей, срывающихся с выходящей кромки лопасти. Изучение этого явления показало, что для его устранения необходимо заострять выходящую кромку. Использование этого простого и эффективного приема практически сняло с повестки дня вопрос о «пении» гребных винтов.

С первичным акустическим полем связано создание акустических помех работе собственного гидроакустического комплекса (ГАК). Они формируются несколькими составляющими, отличающимися путями распространения звуковой энергии:

шумовая составляющая помехи обусловлена распространением шума от работающих механизмов, систем и гребного винта ПЛ по воде с последующим проникновением звуковой энергии к приемнику ГАК. Уровни этой составляющей на докавитационных скоростях хода возрастают пропорционально первой степени скорости хода;

гидродинамическая составляющая обусловлена возбуждением обшивки обтекателя ГАК турбулентным набегающим потоком воды и пропорциональна третьей степени скорости хода;

вибрационная составляющая обусловлена вибрациями, распространяющимся по корпусу ПЛ с последующим переизлучением звука в камеру обтекателя окружающими корпусными конструкциями. Эта составляющая практически не зависит от скорости движения ПЛ.

Очевидно, что внедрение на ПЛ комплекса мероприятий, направленных на снижение уровней шума, приводит и к снижению уровней помех работе ГАК.

К числу специфических мероприятий, направленных только на снижение уровней помех, относится применение обтекателей антенны ГАК из материалов с увеличенным коэффициентом потерь, а также установка акустических экранов в носовой оконечности ПЛ.

Вторичное гидроакустическое поле. Напомним, вторичное акустическое поле — это звук, отражаемый корпусом ПЛ. Это поле возникает при работе ГАК противника в активном режиме, который излучает сигнал и регистрирует отраженный эхосигнал. Для того чтобы отраженный сигнал не попал обратно, существуют два пути:

первый — не дать отраженному импульсу достигнуть приемника. Для этого применяют специальные наружные гидроакустические покрытия, частично поглощающие или резонирующие пришедший сигнал, вследствие чего отраженный сигнал, потеряв свою первоначальную энергию, просто не доходит обратно;

второй — изменить направление его отражения. В данном случае необходимо, чтобы отраженный сигнал как можно сильнее рассеивался при отражении. В этом помогает правильная профилировка обводов корпуса, выступающих частей. Иначе говоря, это направление можно назвать «уход от плоскостей» или технологией «стеле» [42].

И, конечно, для достижения лучшего эффекта необходимо сочетать оба этих решения.

Другие поля. Ни одна подводная лодка не выходит из базы без замеров уровня магнитного поля и, при необходимости, размагничивания корпуса. Кроме этого, на некоторых ПЛ имеется штатное размагничивающее устройство, обеспечивающее выполнение данной операции непосредственно во время нахождения лодки в море.

В снижении турбулентности кильватерного следа свою роль может сыграть улучшение архитектуры корпуса, но современные ПЛ имеют форму, которая десятилетиями оттачивалась и выверялась, и, следовательно, ее можно признать близкой к оптимальной. Поэтому возможные изменения в данном случае ограничены.

Повысить скрытность ПЛ можно также конструктивными и организационно-техническими мероприятиями.

В частности, применение сточных цистерн, цистерн грязной воды, различных устройств позволяют предотвратить появление масляных следов, пищевых и других отходов, которые могут выдать нахождение ПЛ в данном районе.

Все ПЛ имеют определенные режимы работы технических средств. Основной режим движения ПЛ — малошумный, со скоростью 3...8 узлов. Как дополнительный, на ПЛ может применяться режим особой скрытности: скорость менее 8 узлов, часть оборудования отключена (шумоизлучение ПЛ минимально).

На скрытных режимах накладываются ограничения на маневрирование ПЛ. На рис 2.6 показаны уровни шумности и тенденции их изменения для дизельных и атомных подводных лодок различных стран [64].

Необходимо также отметить, что динамика изменения затрат на средства снижения шумности ПЛ свидетельствует о все более существенных затратах, которые будут приводить ко все менее значительному уменьшению уровня подводного шума, однако и это обеспечит достаточное повышение боевой эффективности ПЛ [4], [49].

Говоря об обесшумливании кораблей как о проблеме, следует иметь в виду, что ее решение не ограничивается рамками интересов только военного значения. Вибрации и шум являются функциональными, конструктивными и технологическими критериями энергетического оборудования вообще, а уровни создаваемого шума по существу могут рассматриваться как важнейший качественный критерий инженерно-технических изделий и сооружений.