Минно-торпедный комплекс подводных лодок

Пусковые установки и методы пуска оружия. Минно-торпедный комплекс подводных лодок состоит из пусковых установок, представляющих собой сложные технические устройства с автоматизированными системами пуска и обслуживания боезапаса (рис. 5.14 — см. с. 220-221) [128].

Термин «пусковая установка» обычно вызывает представление о трубе торпедного аппарата, однако в действительности подразумевает намного больше. Хотя и торпедные аппараты (ТА) как таковые гораздо более многофункциональны, чем предполагает название. Правильнее было бы использовать термин «система пуска оружия», т.к. с помощью современных технологий эти установки стреляют торпедами и ракетами, ставят мины, выпускают средства противодействия, обеспечивают выход водолазов и включают различное специальное оборудование [92].

Пусковая установка предназначена, прежде всего, для безопасного выпуска оружия из ПЛ.

Под безопасностью понимают:

для оружия (после его выхода за обводы ПЛ) — успешное самостоятельное выполнение начального пространственного маневрирования с решением в дальнейшем траекторных задач атаки цели;

для подводного носителя — исключение несанкционированных соударений с оружием после потери им контакта с направляющими пусковой установки.

Не менее важными проблемами выпуска оружия для разработчиков пусковых установок следует назвать:

— скрытность одиночного и залпового использования оружия;

— экономия энергоресурсов подводной лодки и оружия;

— длительное хранение оружия в режиме боевой готовности;

— быстрое приготовление оружия и его залповое применение с заданным темпом стрельбы;

— совместная работа узлов ТА с погрузочными приспособлениями и устройствами быстрого заряжания в тактически обоснованное время, а также многое другое.

Следует отметить, что схемно-техническое решение торпедных аппаратов во многом определяется способом хранения на его направляющих оружия в течение похода. Обычно рассматривают: «мокрое» хранение оружия, когда оно постоянно находится в жидкости (иногда в ингибиторе) под забортным давлением;

«сухое» хранение в герметичном контейнере (чаще всего в пусковой трубе ТА), что обуславливает необходимость шлюзования оружия перед его пуском.

При этом пусковая труба может быть либо частично врезанной в прочный корпус подводной лодки для обеспечения перезарядки изнутри корпуса (рис. 5.15), либо находиться полностью в междубортном пространстве ПЛ.

Независимо от вида хранения оружия необходимо конструктивное оформление отверстий (волнорезных ниш) в легком корпусе ПЛ для выхода оружия, закрываемых волнорезными щитами.

Проектирование подводных ТА основано на комплексном рассмотрении взаимосвязей в системе «корабль - пусковая установка - оружие», функционирующей в единой внешней среде (рис. 5.16), что требует большого количества данных по боезапасу, пусковой установке и ПЛ [44]:

по боезапасу: калибр, длина, масса, отрицательная плавучесть, обводы, допустимое наружное давление, допустимое ускорение, необходимая абсолютная скорость выхода;

по торпедному аппарату: глубина стрельбы, начальное давление воздуха в боевом баллоне, длина аппарата, зазоры в обтюрации;

по подводной лодке: скорость, обводы корпуса, размеры волнорезной ниши, объем торпедного отсека, допустимая скорость нарастания давления в отсеке после торпедного залпа, допустимое повышение давления в отсеке.

Каждый элемент этой системы зависит от других ее составляющих и, в свою очередь, влияет на систему в целом. Рассмотрим более подробно указанные взаимосвязи.

Калибр и длина торпеды определяют объем трубы аппарата и в конечном счете, количество сжатого воздуха для выстрела.

Масса торпеды и ее плавучесть оказывают влияние на скорость выхода и траекторию движения.

Обводы торпеды сказываются на величине гидродинамического сопротивления. Кроме того, длина и форма кормового конуса влияют на характер изменения давления в трубе торпедного аппарата в конце выхода торпеды.

Допустимое наружное давление на торпеду и ускорение ограничивают величину выталкивающей силы, создаваемой избыточным давлением в трубе торпедного аппарата.

Глубина стрельбы (имеется в виду наибольшая глубина) определяет величину главной противодействующей силы.

Начальное давление воздуха в боевом баллоне влияет на общее количество воздуха, используемого для одиночного или залпового пуска оружия.

Обводы корпуса носовой части ПЛ определяют боковые силы, действующие на боезапас при его выходе из аппарата.

Размеры волнорезной ниши влияют на скорость торпеды, необходимую для безопасного отделения от ПЛ.

Объем торпедного отсека или объем подводной лодки определяет величину повышения давления в нем после срабатывания системы беспузырной стрельбы.

Допустимая скорость нарастания давления и величина избыточного давления, возникающего в отсеке после выстрела, определяют возможное число торпед в залпе, т.к. лимитируется физическими возможностями экипажа.

Кроме того, стравливание воздушно-водяной смеси в отсеки ПЛ вызывает резкое повышение давления и падение температуры отсечного воздуха, что может вызвать образование тумана. Поэтому в практике мирового подводного кораблестроения разрабатываются и используются различные системы стрельбы, в том числе и на неатомных ПЛ с их жесткими ограничениями на массогабаритные характеристики минно-торпедного комплекса [18].

Конструктивное исполнение конкретного проекта торпедных аппаратов определяется:

— номенклатурой используемого оружия;

— способом пуска оружия;

— местом расположения торпедных аппаратов на ПЛ;

— диапазоном скоростей и глубиной хода ПЛ.

Как отмечалось выше, номенклатура используемого оружия весьма широка: это различного типа оружие (прежде всего, торпеды), имеющее свою двигательно-движительную установку, которую в общем случае можно включить еще в пусковой трубе; оружие, включение двигательно-движительных комплексов которого в пусковой трубе нежелательно (пример — подводная ракета с твердотопливным двигателем); оружие, не имеющее средств для создания тягового усилия, влияющего на его движение вблизи корпуса ПЛ (типичный пример — мины).

Различают три типа пуска: статический, динамический и комбинированный.

Статический пуск. Основная его особенность — нет динамического воздействия на запускаемое оружие со стороны силовой установки пускового устройства. К статическому пуску следует отнести:

Сброс (метание) оружия. Расположение таких сбрасывающих установок и положение оружия относительно потока выбирают таким образом, чтобы исключался «присос» оружия к ПЛ, т.е. в зоне положительного избыточного давления на ее корпус. Одновременно (или несколько раньше) с раскрытием захватов, удерживающих оружие, откидывается его курок, т.е. запускается движительный комплекс торпеды. Для мин достаточно снятия последних предохранительных «запретов». Примером реализации такого пуска могут служить торпедные аппараты С.К. Джевецкого, которые применялись на первых российских ПЛ. При большой отрицательной плавучести возможен самостоятельный выход вниз оружия из труб, располагаемых вертикально (или под небольшим углом к вертикали). Известны варианты схемно-технических решений с использованием специально закрепленной на оружие положительной плавучести, обеспечивающей его всплытие и отбрасываемой после отхода изделия на безопасное от ПЛ расстояние.

Самовыход торпед. Под самовыходом торпеды понимают ее выход из пусковой трубы (ТА) под действием упора, развиваемого собственным движителем (примеры: немецкий S-206, тип 209, шведский класс Ф-19). Такой метод пуска оружия влечет за собой значительное снижение массогабаритных характеристик пусковых установок. Вследствие этого открывается возможность увеличения их количества на носителе и решение вопросов залпа.

При самовыходе создаются условия более простого решения проблем, связанных с выносом пусковых труб в междубортное пространство ПЛ. Существенно изменяются и характеристики шумоизлучения при выходе торпеды под действием упора гребного винта. Пусковые установки реализующие самовыход торпед, оказывают наименьшее влияние на корабль и являются самыми дешевыми из всех возможных типов пусковых устройств. Кроме того, им не требуется такая сложная система трубопроводов, как для пусковых устройств других типов.

Существуют и негативные последствия самовыхода торпед:

— существенно увеличивается внутренний диаметр врезаемых в прочный корпус пусковых труб, что создает дополнительные трудности с их компоновкой на ограниченной площади переборки подводной лодки;

— малая скорость ПЛ и невозможность маневрирования в течение длительного отрезка времени при залповом пуске самовыходящих торпед;

— невозможность использования «инертных», не имеющих собственного движительного комплекса типов оружия.

Динамический пуск, при котором начальная скорость и направление (кинематические характеристики) движения оружия обеспечиваются работой энергетических устройств (силовых установок) ТА. В этом случае говорят о катапультировании оружия. Реализация динамического пуска оружия предполагает создание необходимого импульса силы, действующей на оружие, т.е. соответствующих энергетических систем, чтобы обеспечить требуемые параметры его отделения от носителя:

— регламентируемый минимум выходной скорости;

— выполнение требований по ограничениям на величины перегрузки и давления на оболочку изделия.

Различают пуск оружия с приложением к нему сосредоточенной силы (механические пусковые устройства) или распределенной нагрузки (пневматические, гидравлические, электрические пусковые устройства — ТА).

Комбинированный пуск предусматривает согласованную реализацию статической и динамической составляющих пуска. Направленное целевое комплексное проектирование системы «оружие - пусковая установка - носитель» с реализацией комбинированного пуска оружия может привести к созданию технических решений, объединяющих положительные стороны статического и динамического пусков [44].

В настоящее время наиболее распространен динамический пуск оружия, осуществляемый с помощью энергетических устройств, с приложением к нему распределенной нагрузки (пневматические, гидравлические пусковые устройства — ТА), однако в некоторых странах используются и механические пусковые устройства.

Простейший случай воздушных пусковых устройств — широко распространенные пневматические торпедные аппараты. Пневматические ТА, представляющие собой однотактную расширительную машину, где торпеда — поршень, применяются на ПЛ уже более 100 лет.

Это вызвано, прежде всего, следующими основными достоинствами таких устройств:

— наличие системы воздуха высокого давления (ВВД) на борту ПЛ и возможность восстановления его запасов;

— экологическая и физиологическая безвредность, что имеет исключительное значение для замкнутых объемов ПЛ;

— сравнительная простота технической реализации пускового устройства, а также высокая надежность и простота обслуживания.

Однако следует отметить, что несмотря на отмеченные достоинства, воздушные системы имеют и ряд существенных недостатков, которые особенно проявляются с повышением глубины стрельбы и существенно ограничивают возможность их применения. К числу таковых следует отнести:

— зависимость расхода воздуха от глубины пуска оружия и, как следствие, ограниченность применения таких систем с ростом глубины;

— воздействие на личный состав воздуха, выпускаемого в отсек при утилизации остаточной энергии (работа системы беспузырной торпедной стрельбы — БТС).

Создание глубоководных пусковых устройств может решаться в направлениях, устраняющих указанные недостатки воздушных систем.

Можно отметить два важных направления, в пределах которых возможны те или иные решения задачи обеспечения пуска оружия с больших глубин:

— замена сжатого воздуха более эффективным источником энергии, позволяющим создавать большую выталкивающую силу;

— устранение (уменьшение) влияния забортного давления на работу пускового устройства и, соответственно, снижение величины выталкивающей силы.

Укрупненно пусковое воздушное устройство состоит из следующих составных частей: трубы торпедного аппарата, грузовых устройств, стеллажей и устройства быстрого заряжания (УБЗ).

Труба торпедного аппарата обеспечивает:

— связь корабельных систем с оружием, находящимся в торпедном аппарате;

— ввод данных в оружие, находящееся в торпедном аппарате;

— контроль состояния устройств торпедных аппаратов с помощью системы автоматизированного дистанционного управления комплексом;

— связь с общекорабельными системами (клапаны вентиляции, осушения, продувания и т.д.).

Грузовое устройство обеспечивает прием и размещение оружия на подводной лодке.

Стеллажи предназначены для хранения боезапаса и крепления его по-походному (рис. 5.17) [128].

Чтобы не допустить повреждения оружия, размещенного на стеллажах, при всех возможных эксплуатационных и боевых на грузках, последние устанавливаются на систему амортизаторов. Выбранная схема амортизации должна обеспечивать быстрое затухание колебаний и их малую амплитуду, а также исключать возможность возникновения резонанса.

Устройство быстрого заряжания предназначено для подачи оружия, лежащего на стеллажах в ТА при заряжании. Это устройство обеспечивает и амортизацию оружия в продольном направлении при хранении на стеллажах.

В комплекс минно-торпедного вооружения входят также системы, обеспечивающие подготовку ТА к стрельбе, производство стрельбы принятым на ПЛ оружием из ТА, его хранение в ТА и на стеллажах, а также приведение ТА в исходное положение после производства выстрела.

Перечисленные системы включают в себя:

— систему воздушной стрельбы ТА;

— систему заполнения-осушения и уравнивания давления;

— систему гидравлики исполнительных механизмов;

— систему орошения запасного боезапаса на стеллажах. Система воздушной стрельбы ТА предназначена для подачи в трубу торпедного аппарата сжатого воздуха, который выталкивает боезапас из ТА, и приема воздуха из ТА в цистерну БТС в процессе выстрела, для исключения выхода сжатого воздуха за срез ТА и демаскировки ПЛ при стрельбе в торпедном режиме. При этом устройства системы автоматически (в зависимости от глубины стрельбы) регулируют количество сжатого воздуха, подаваемого в ТА.

Система заполнения-осушения и уравнивания давления ТА предназначена:

— для заполнения кольцевых зазоров ТА водой из ЦКЗ перед выстрелом;

— для выравнивания давления в ТА с забортным давлением перед открыванием передней крышки ТА;

— для обеспечения беспузырной стрельбы путем приема стрельбового воздуха и воды, замещающей отрицательную плавучесть оружия, в цистерну БТС через клапан БТС;

— для осушения ТА в ЦКЗ и далее в ТЗЦ после выстрела для подготовки ТА к повторному выстрелу.

Система гидравлики исполнительных механизмов предназначена для приведения в движение посредством рабочей среды под давлением устройств ТА и дистанционно управляемой арматуры, входящей в состав систем комплекса МТБ.

Система орошения запасного боезапаса на стеллажах предназначена для охлаждения боезапаса, находящегося на стеллажах, при достижении в отсеке определенной температуры в случае пожара или по другим причинам; для охлаждения межотсечной переборки при пожаре в отсеке-хранилище запасного боезапаса или в соседнем отсеке.

В систему орошения запасного боезапаса на стеллажах входят следующий основные элементы (рис. 5.18):

— Цистерна орошения, предназначенная для хранения запасов пресной воды, необходимой для работы системы орошения боезапаса с заданными параметрами;

— трубопроводы воздушные, с запорной и регулирующей арматурой, предназначенные для подачи сжатого воздуха в цистерну орошения и вытеснения воды в оросительную сеть с требуемыми расходом и давлением;

— трубопроводы водяные с запорной арматурой, предназначенные для транспортирования воды из ЦО к распылителям;

— трубопроводы водяные с распылителями, предназначенные для подачи распыленной воды на межотсечную переборку и запасной боезапас с заданным расходом, при этом распылители должны орошать всю поверхность боезапаса и межотсечной переборки;

— трубопроводы слива воды с настила, предназначенные для слива воды орошения с настила отсека в трюм и дальнейшего ее использования при работе системы орошения по замкнутому циклу.

Торпедный аппарат представляет собой трубу с установленными на ней приводами для открывания и закрывания передней и задней крышек, герметично закрывающих ТА со стороны заднего и переднего срезов, а также волнорезных щитов (рис. 5.19).

Передняя крышка с приводом предназначена для герметичного закрывания ТА со стороны его переднего среза. Привод открывания передней крышки связан с волнорезным щитом и имеет устройства, обеспечивающие блокировку отдельных частей привода между собой, а также между крышками трубы ТА и соответствующими механизмами аппарата. Задняя крышка предназначена для герметичного закрывания ТА со стороны его заднего среза. Приводы крышек обеспечивают открывание и закрывание их как дистанционно — гидравликой, так и вручную.

Труба торпедного аппарата состоит из трех частей — передней, средней и задней, и проектируется с учетом погружения подводной лодки на предельную глубину. На наружной поверхности передней и средней частей трубы для увеличения жесткости устанавливаются шпангоуты.

На задней части трубы торпедного аппарата имеются горловины и наварыши, на которых устанавливаются устройства ввода данных в боезапас и стопор, фиксирующий его в трубе ТА в определенном положении и удерживающий от продольных смещений до выстрела, а также контрольно-измерительная аппаратура ТА.

К горловинам также присоединяются судовые трубопроводы осушения, вентиляции и уравнивания давления.

Внутри трубы по всей длине приварены направляющие дорожки: верхние, боковые и нижние. Для удержания боезапаса от разворота во время заряжания и выхода из ТА при стрельбе, в верхней дорожке предусмотрен П-образный паз, в котором движутся направляющие наделки оружия.

Для создания обтюрации боезапаса при выстреле из ТА внутри средней и передней частей ТА предусмотрены обтюрирующие кольца, состоящие из отдельных секторов, приваренных к трубе ТА между направляющими дорожками.

Принцип действия пневматического торпедного аппарата следующий. Производится загрузка боезапаса в торпедные аппараты устройством быстрого заряжания со стеллажей при открытых задних крышках ТА (рис. 5.20) [128].

Загруженный в ТА боезапас закрепляется стопором, шпиндели приборов ввода данных сопрягаются с торпедой, задняя крышка закрывается.

В процессе подготовки ТА к выстрелу происходит:

— наполнение боевого баллона системы стрельбы сжатым воздухом;

— ввод данных в боезапас;

— заполнение кольцевого зазора;

— уравнивание давления в трубе ТА с забортным, путем открывания аппаратного клапана уравнивания давления (КУД);

— открывание передней крышки ТА.

Пуск боезапаса из торпедного аппарата производится сжатым воздухом, который в процессе выстрела поступает из боевого баллона через боевой клапан в трубу ТА, сообщая боезапасу необходимую скорость для выхода за пределы подводной лодки. Структурная схема системы стрельбы приведена на рис. 5.21 [128].

При стрельбе из торпедных аппаратов обеспечивается беспузырность выстрела, т.к. отработанный воздух не выходит из трубы ТА вслед за боезапасом, а принимается через клапан БТС в цистерну БТС, из которой поступает в отсек.

Замещение отрицательной плавучести выпущенной торпеды обеспечивается приемом в цистерну БТС через клапан БТС определенного количества воды. Моменты открывания, закрывания и время открытого положения клапана БТС определяются автоматически, в зависимости от глубины погружения подводной лодки во время стрельбы.

Осушение ТА после выстрела производится при закрытых передней и задней крышках. Вода из ТА сначала поступает в ЦКЗ, а затем через захлопку цистерны перетекает в ТЗЦ.

После полного осушения ТА все устройства торпедного аппарата приводятся в исходное положение.

Отличительная особенность гидравлических систем стрельбы — то, что скорость выхода боезапаса из торпедного аппарата не зависит от глубины погружения ПЛ. Применяются две схемы гидравлических систем стрельбы: первая — с созданием стрельбового им-пульса при перемещении поршня, вытесняющего воду в ТА, и вторая — за счет подачи воды в заторпедное пространство турбонасосом. Выполненная по первой схеме система гидравлической стрельбы (рис. 5.22) использует ВВД для приведения в движение поршня импульсной цистерны [18].

Процесс стрельбы производится в следующем порядке. После заполнения кольцевого зазора ТА сравнивают давление в нем с забортным и открывают переднюю крышку ТА и волнорезный щит, при этом поршень цилиндра импульсной цистерны находится в крайнем переднем положении. Перемещением поршня в крайнее заднее положение вытесняют воду из импульсной цистерны в заторпедное пространство, сообщая боезапасу необходимое ускорение.

Передний срез импульсной цистерны открыт для сообщения с забортной водой и поэтому не препятствует движению поршня. После выстрела закрывается передняя крышка, и ТА осушается в заместительную цистерну. Поршень в это время возвращается в крайнее переднее положение, и система готова к очередному выстрелу, а ТА — к перезарядке.

Принцип, положенный в основу работы системы, состоит в том, чтобы в заторпедное пространство было подано воды не меньшее объема боезапаса. Это приводит к большим размерам цилиндров импульсных цистерн, варьировать которые можно в достаточно узких пределах. Еще один недостаток этой системы — достаточно длительное время, затрачиваемое на возврат поршня в исходное положение, что замедляет темп стрельбы. Именно поэтому и были разработаны гидравлические системы с использованием турбонасосов, которые свободны от упомянутых выше недостатков (рис. 5.23).

Такие устройства можно классифицировать по типу насоса, обеспечивающего подачу в ТА воды под давлением.

В этих конструкциях насос, устанавливаемый, как правило, за бортом, обеспечивает увеличение давления в трубе аппарата по отношению к забортному. Поэтому работа гидравлической системы пуска практически не зависит от глубины, и в этом ее главное преимущество. В зависимости от первичного источника энергии, обеспечивающего работу приводного двигателя насоса, они могут быть пневматическими, гидравлическими, электрическими.

Механические системы пуска могут иметь разнообразную конструкцию: от телескопических толкателей, устанавливаемых с внутренней стороны задних крышек торпедных аппаратов, до толкателей, размещенных непосредственно в трубе аппарата. Механические системы имеют, ряд ограничений, в том числе, пониженную скорость пуска оружия, что связано с допустимыми контактными нагрузками на элементы оружия. В зависимости от первичного источника энергии, они могут быть пневматическими, гидравлическими и электрическими.

На рис. 5.24 [45] показан принцип действия пускового устройства с пневматическим телескопическим толкателем.

Телескопический толкатель механически воздействует на хвостовую втулку оружия. При пуске оружия открывается клапан ВВД, и воздух из баллона ВВД поступает в полость телескопического толкателя, который раздвигается и выталкивает оружие из трубы торпедного аппарата. Давление воздуха во внутренней полости телескопического толкателя регулируется таким образом, чтобы оружие развило необходимую выходную скорость на заданных глубинах.