Форма обводов наружного корпуса и выступающих частей подводных лодок

На формирование обводов корпуса ПЛ и расположение выступающих частей, так называемой внешней архитектуры корабля, доминирующее влияние оказывают гидродинамические и акустические факторы.

Эволюция формы обводов наружного корпуса подводных лодок наглядно отражает тенденции их развития и представляет собой показательный пример усилий проектантов, направленных на то, чтобы добиться диалектического единства между техническим содержанием и формой, в которую это содержание облекается (рис. 4.2).

В этом отношении характерна точка зрения известного американского специалиста в области проектирования корабля Т.К. Гилмера, считающего, что «при всем многообразии и сложности различных корабельных систем и подсистем и их функциональной значимости для корабля нет более важной характеристики, чем геометрическая форма его корпуса» [28].

Для характеристики формы корпуса подводной лодки используется целый ряд критериев, которые могут быть разбиты на две группы[97]:

— первая группа описывает обводы корпуса ПЛ в целом;

— вторая характеризует форму его составных частей (ограждение выдвижных устройств, кормовое оперение, носовые, средние или рубочные рули) и их положение на корпусе.

К основным критериям первой группы относятся:

К локальным критериям, определяющим форму отдельных частей корпуса второй группы, относятся:

Анализируя развитие подхода к проектированию формы корпуса и выступающих частей, можно выделить несколько этапов, на которых состав факторов, влияющих на нее, и связанные с ними критерии существенно изменялись.

На первом этапе форма обводов диктовалась, в основном, требованиями ходкости, маневренности и мореходности в надводном положении. Это было прямым следствием ограниченной мощности энергетических установок, обеспечивающих подводное плавание, диктовавшим тактику использования ПЛ [68]. Другим важным моментом было слабое развитие средств противолодочной обороны, позволявшее ПЛ эффективно действовать в надводном положении.

Теоретической основой для выбора параметров формы корпуса ПЛ на данном этапе служили многочисленные труды по ходкости и управляемости быстроходных надводных кораблей и, как следствие, применение характерных для них обводов корпуса (рис. 4.3).

Основными архитектурными особенностями такой формы были:

Такая форма позволяла снизить волновое сопротивление и обеспечить надлежащие условия работы гребных винтов в надводном положении. Развитие средств противолодочной борьбы заставили ПЛ уйти с поверхности, а развитие энергетических установок дало им возможность эффективно действовать в подводном положении.

Однако переход на новые формы корпуса был произведен не сразу. В течение определенного периода проектировщики пытались сбалансировать ходовые и маневренные качества ПЛ в надводном и подводном положениях. Примером такого подхода являются обводы ПЛ проекта 641Б (см. рис. 1.29 в главе 1). На ней еще применена трехвальная установка и крейсерские обводы кормовой оконечности при большом удлинении корпуса, однако носовой оконечности придана округлая форма, благоприятная для размещения более мощной гидроакустической станции и снижения сопротивления воды в подводном положении.

В результате скорость подводного хода превысила скорость надводного хода, хотя абсолютные значения скоростей оказались близкими.

Переломным моментом в превращении подводной лодки из ныряющего в истинно подводный корабль стало внедрение на ней атомных энергетических установок. Открывшиеся при этом широкие возможности по улучшению ходовых и маневренных качеств в полной мере могли быть реализованы только на подводных лодках, форма корпуса которых в максимальной степени приспособлена к условиям подводного плавания. В последующем этот подход был применен и при проектировании неатомных подводных лодок III и IV поколений, так как в современных условиях нахождение ПЛ в надводном положении означает ее неминуемую гибель.

Таким образом, дальнейшее развитие подводного кораблестроения еще более изменило проектные приоритеты в пользу достижения высоких скоростей и дальностей плавания в подводном положении [2].

Одновременно появились требования по снижению шумности ПЛ, в том числе и от источников гидродинамической природы. Кроме этого, форма корпуса должна была обеспечить минимальный уровень гидродинамической помехи работе гидроакустической станции [97].

Таким образом, на современном этапе об оптимальности формы можно судить по тому, насколько обводы ПЛ соответствуют достижению максимально высоких характеристик скорости и дальности плавания в подводном положении при обеспечении оптимальных условий для работы движителя и минимальной шумности.

Оптимальная форма для подводного плавания специалистам-гидромеханикам известна давно (рис. 4.4).

Как российские, так и за-рубежные исследователи рассчитали, что наименьшим сопротивлением обладает тело вращения Н/В = 1 с удлинением ЫВ = 6...7, имеющее носовую оконечность в виде эллипсоида вращения длиной Lно/L= 0,3...0,35 и кормовую оконечность в виде эллиптического конуса длиной Lко /X = 0,7...0,65 с углом кормового заострения αко порядка 8°.

Однако нарисовать идеальную форму, обеспечивающую наименьшее сопротивление при движении в подводном положении, значительно проще, чем спроектировать корпус реальной подводной лодки. При практическом проектировании боевых ПЛ реализация оптимальных параметров формы в полном объеме трудно достижима [87].

Иллюстрацией сказанному служат данные, приведенные в табл. 4.1, из которой видно, что оптимальные значения отношений главных размерений и коэффициентов полноты не достигались на подводных лодках за всю историю их проектирования.

Неслучайно близкие к оптимальным обводы были реализованы только на опытных ПЛ: американской «Альбакор» и российской «Белуга». Тому есть несколько причин.

Во-первых, при оптимальном удлинении корпуса возникают трудности с расположением оборудования в отсеках.

Во-вторых, узкое пространство в кормовой оконечности создает затруднения в расположении приводов рулей и линии вала.

Кроме того, при затоплении кормовых отсеков возникает трудность в компенсации отрицательной плавучести, так как узкое междубортное пространство в корме приводит к малому объему ЦГБ.

Наружный корпус подводной лодки обычно имеет местные наделки, такие как ограждение выдвижных устройств, надстройка, оперение, которые искажают общие закономерности обводов (рис. 4.5) [62].

Их присутствие на корпусе вызвано тем, что при проектировании необходимо решить целый комплекс частных задач, таких как размещение гидроакустических станций, выдвижных устройств, комплексов вооружения, рулей и т.д.

Все это, естественно, приводит к снижению скорости движения подводной лодки, ухудшает параметры скрытности, но это необходимо для ее нормальной эксплуатации. Поэтому для проектанта важно знать не только сами значения оптимальных параметров, но и те изменения скорости и дальности плавания, которые сопровождаются неизбежными отступлениями от оптимальных обводов.

В практике проектирования подводных лодок встречаются два основных формообразующих типа ограждения выдвижных устройств (рис. 4.6) [42]:

1) крыловидная форма;

2) объемная форма, которую иногда называют «лимузинной».

Для крыловидной формы характерна большая высота, минимальная ширина и наличие вертикальных или наклонных стенок. Она в наибольшей степени отвечает своему функциональному назначению — быть опорой выдвижным устройствам и обеспечивать их устойчивую работу при плавании в перископном положении, особенно в условиях волнения.

В условиях волнения на корпусе, оперении и ограждении ПЛ возникают переменные силы, результирующая которых стремится вы-бросить ПЛ на поверхность. Величина этой результирующей силы зависит от перископной глубины и степени волнения. Для неатомных подводных лодок, проводящих значительное время на перископной глубине под РДП, скрытность и безопасность этого режима имеет большое значение, что и определяет широкое применение на них крыловидного типа ограждения.

Ограждение выдвижных устройств объемного типа проигрывает крыловидному в эксплуатационных качествах, но обладает несколько меньшим сопротивлением. Применение этого типа ограждения оправдано на тех ПЛ, где основным проектным приоритетом является максимальная скорость при длительном плавании в подводном положении.

Еще два специфических архитектурных элемента корпуса подводной лодки — надстройка и выступающий киль, которые необходимы для размещения и обслуживания систем и устройств, но также искажают форму корпуса. Поэтому важно, чтобы их главные формообразующие линии были максимально плавными и располагались по траекториям частиц воды обтекающего потока.

При выборе параметров формы выступающих частей обычно необходимо решить следующие принципиальные задачи.

Во-первых, необходимо выбрать архитектурный тип оперения и его конструктивное исполнение.

В мировой практике проектирования подводных лодок исследовались различные архитектурные типы оперения, но в настоящее время наиболее часто применяются крестообразное и иксобразное (рис. 4.7) [21].

Крестообразное оперение более распространено, так как обеспечивает простое и логичное управление подводной лодкой. Учитывая соображения безопасности плавания, управление по курсу не должно нарушать стабильности движения по глубине, а управление по глубине — стабильность выдерживания курса

Применение иксообразного оперения приводит к необходимости одновременного управления всеми параметрами. Существенное усложнение управления и снижение безопасности не компенсируется никакими существенными гидродинамическими или акустическими преимуществами. В российской практике иксобразное оперение применяется редко.

При проектировании носовых горизонтальных рулей необходимо сделать выбор: между рулями, расположенными в надстройке и выдвигающимися за обвод корпуса в режимах управления, и стационарными рулями, расположенными на ограждении выдвижных устройств. Первые обеспечивают снижение сопротивления и некоторое повышение максимальной скорости хода, вторые проще в конструктивном исполнении и, будучи расположенными дальше от носовой оконечности, меньше влияют на помеху собственной гидроакустике.

Примером рационального проектирования формы корпуса могут служить обводы подводной лодки проекта 877 (см. рис. 1.32 в главе 1).

Архитектура корпуса этой ПЛ характеризуется:

— оптимальным по ходкости удлинением: ЫВ = 7,2;

— отсутствием овальности: Н/В = 1;

— оптимальной по ходкости и работе гидроакустической станции формой носовой оконечности, близкой к эллипсоиду вращения;

— кормовой оконечностью, отвечающей критериям ходкости и малошумности гребного винта;

— рациональной формой и необходимыми размерами ограждения выдвижных устройств крыловидного типа с закрытым мостиком, что обеспечивает плавание в перископном положении и в режиме РДП в условиях волнения моря до 5-6 баллов при минимальном сопротивлении;

— тщательно отработанными обводами надстройки, главные формообразующие линии которой ориентированы по траектории частиц воды обтекающего потока.