Уравнения весов и объемов подводной лодки

Необходимым условием плавания подводной лодки, как и любого другого корабля, является равенство суммы всех весов, составляющих его нагрузку, и весового водоизмещения, т. е. веса воды в погруженном объеме. Математически это условие выражается равенствами

b^^D; (4) D = fV. (5)

где D — весовое водоизмещение, г; V —погруженный объем, Л^; , "г —веса, составляющие нагрузку, т; Л^ —число разделов весовой нагрузки; у — удельный вес воды, зависящий от солености, температуры и глубины погружения.

Удельный вес морской и океанской воды колеблется в пределах 1,005—1,038 т/м^ (среднее значение у= 1,025 т/м^).

В иностранной технической литературе различают следующие виды весового водоизмещения подводных лодок:

— водоизмещение порожнем (light displacement) — вес подводного корабля, оборудованного всеми механизмами, устройствами, системами и вооружением, готовыми к действию, но без личного состава, боезапаса, продовольствия, пресной воды, топлива, масла, питательной воды и остаточной воды в цистернах вспомогательного балласта;

— водоизмещение стандартное (standart displacement) — вес полностью готового подводного корабля, укомплектованного личным составом, снабженного боезапасом, продовольствием, пресной питьевой и мытьевой водой, но без запасов топлива^ масла, питательной воды и остаточной воды в цистернах вспомогательного балласта;

— нормальное (надводное) водоизмещение (surface displacement) — вес полностью готового подводного корабля, снаб женного всеми необходимыми запасами, укомплектованного личным составом и удифферентованного;

— подводное водоизмещение (submerged displacement) — равняется нормальному водоизмещению, увеличенному на вес воды в цистернах главного балласта.

Кроме общих условий, выраженных формулами (4), (5), для подводной лодки должно соблюдаться также равенство ее нормального водоизмещения и веса воды в объеме всех непроницаемых частей: прочного корпуса, прочных наружных цистерн, ракетных шахт и т. п. (так называемый постоянный плавучий объем), т. е.

где £)н —нормальное весовое водоизмещение, т; V'nno — постоянный плавучий объем, м^.

В практике американского кораблестроения принято разли^ чать следующие укрупненные разделы весовой нагрузки:'

1. Корпус (прочный и легкий корпус; цистерны; оконечности; надстройка; ограждение выдвижных устройств; прочные переборки; фундаменты; подкрепления; легкие переборки; платформы и выгородки; покрытия; окраска и цементировка).

2. Механизмы (главные и вспомогательные; линия вала; гребной винт; системы энергетической установки; жидкие грузы в механизмах и трубопроводах).

3. Электрооборудование (аккумуляторная батарея; распределительные щиты; системы канализации тока и пр.).

4. Радиоэлектронное оборудование (гидроакустическая, радио- и радиолокационная аппаратура; штурманские приборы; приборы управления подводной лодкой).

5. Системы и устройства (системы погружения и всплытия, дифферентная, осушительная, сжатого воздуха, гидравлики, кондиционирования; рулевое, якорное, швартовное и буксирное устройства; выдвижные устройства и т. п., жидкие грузы в механизмах и трубопроводах систем).

6. Оборудование и снабжение (трапы, оборудование помещений, камбузное оборудование, дельные вещи, запасные части и т. п.).

7. Вооружение (стартовые установки; торпедные аппараты; приборы управления стрельбой; штатные устройства для погрузки и хранения боезапаса; ракетный и торпедный боезапас).

8. Топливо и питательная вода (топливо для резервной дизель-электрической установки; смазочное масло; питательная вода; остаточная вода в цистернах вспомогательного балласта).

9. Команда и запасы (личный состав с багажом; запасы продовольствия, питьевой воды и т. п.).

' Bureau of Ships Journal, 1962, т. 11, № 7; Д. Мани и г, Теория н техника проектирования кораблей (перевод с английского), Воениздат, I960.

10. Запас водоизмещения.

11. Твердый балласт.

Сохраняя указанную последовательность нумерации разделов, выражение (4) может быть раскрыто в виде

0, = Р, + Р^ + Р, + Р, + Р^ + Р^^Р^ + р^ +

+ Р9 + Р10 + РП. (7)

Применительно к подводным лодкам, первая составляющая уравнения (7) может быть определена

^1 = рА, (8)

где р1— коэффициент пропорциональности, называемый измерителем веса (или относительным весом) корпуса, зависит от выбранного архитектурного типа, запаса плавучести, материала корпусных конструкций, глубины погружения и имеет одинаковые значения для близких по конструкции кораблей.

В табл. 7 приведены измерители веса корпусов некоторых боевых подводных лодок капиталистических стран

Таблица 7

Измерители веса корпусных конструкций боевых подводных лодок капиталистических государств

Тип подводной

ьиое ещение,

в* >. а

<яч я CQ

глуби-ужеиия,

t Я ок S S W

0)

о

0) 03

р ^

Й -

ель веса э корпу-

лодки (страна)

Ч S

§ и

 

5 о

 

Нормі водой: т

Запас сти %

о с я « D. к =S

Преде, сти прочие пуса,

Измер корпу

щ= о? * о "am Sc S

Дизель-

э л е к тр И ч еск И е т 0 р п е д и ы е лодки

 

\ис (Германия)

770

13

100

36

0,34

0,14

«Балао» (США)

1850

30

150

35

0,36

0,16

«Лартер» (США)

~2000

20

210

 

0,37

0,19

«Барбел» (США)

-2100

26

210

 

0,37

0,20

«Оясио» (Япония)

1420

 

150

0,34

А

томные

торпедные лодки

   

сНаутилус» (США)

3250

16

210

41

0,39

0,20

«Скейт» (США)

2500

14

210

41

0,37

0,19

«Скипджек» (США)

3100

15

^ 210

56

0,35

0,13

еТрешер» (США)

3750

14,5

360

56

0,38

0,19

Для повышения точности расчетов вес корпуса подводной лодки может быть представлен в виде суммы весов отдельных корпусных конструкций

Pi = P'l + +Pi+ • • • = P'P„ + P'Pn + рГ^н + . • • . (8a)

где P'i, P'\ P'," — соответственно веса прочного и легкого корпусов, межотсечных поперечных переборок и т. п.; p'i, р'\, р'," — измерители соответствующих весов, зависящие от расчетной Кдубины погружения, предела текучести материала, запаса плавучести, расчетной нагрузки на межотсечные переборки.

Вес механизмов атомной подводной лодки пропорционален их мощности. Определяя мощность по известной формуле адмиралтейских коэффициентов, молено записать

p^^q^Jl^, , (9)

^ ^" юоос '

где Vs — требуемая скорость полного подводного хода, узл.; С — адмиралтейский коэффициент (отнесенный к нормальному водоизмещению подводной лодки); (/м—-относительный вес энергетической установки, кг/л. с.

Величина адмиралтейского коэффициента в формуле (9) составляет 170—200 и 250—300 для современных двухвальных и одновальных атомных подводных лодок соответственно (см. раздел «Ходкость»).

Относительный вес атомных энергетических установок уменьшается с увеличением их мощностиЗависимость величиныот мощности на валу (для лодочных установок с реакторами водо-водяного типа) показана на рис. 12. Относительный вес энергетической установки первой американской атомной Подводной лодки «Наутилус» (13400—15000 л. с.) составляет 64—66 кг/л. с, э новых подводных лодок (15 ООО—20 000 л. с.) — 52—58 кг/л. с. В зарубежной печати появлялись сообщения ^ что в США ведутся работы, направленные на снижение относительного веса лодочных атомных энергетических установок до 20—25 кг/л. с.

Относительные веса атомных энергетических установок, которые предусмотрены в проектах транспортных подводных' судов, составляют 60—150 кг/л. с.

Вес электрооборудования атомной подводной лодки определяется по одной из следующих формул:

Яз = РзО„ или Рз=^з-^, (10)

где рз — измеритель веса электрооборудования; ^'з —относительный вес электрооборудования (на 1 л. с. мощности энергетической установки).

При рещении уравнения весов в первом приближении чаще всего используется первая из приведенных формул. Величина Рз для американских атомных подводных ракетоносцев равна 0,03—0,05, а для атомных торпедных подводных лодок — 0,04—0,06.

Уравнения весов и объемов подводной лодки

В случае использования второй зависимости,, связывающей вес электрооборудования и мощность энергетической установки, величина дз = 7—10 кг/л. с. (для американских боевых атомных подводных лодок).

Вес радиоэлектронного оборудования,'зависящий'от состава гидроакустического, радиотехнического и штурманского вооружения проектируемой подводной лодки, при решении уравнения весов принимается

^4 = const. (11)

В зарубежной печати сообщалось', что на атомных подводных лодках типа «Скейт» вес радиоэлектронного оборудования равен 25 г, в том числе, г: гидроакустическая аппаратура— 19,8, средства радиосвязи — 2,5, радиолокационная аппаратура—1,8, штурманские приборы, вычислительные машины и аппаратура контроля — 0,9. На торпедных подводных лодках типа «Тре шер» вес радиоэлектронного оборудования достигает 62 т, его составляющие равны соответственно 54; 4; 2 и 2 г.

Вследствие повышения требований к точности навигационного обеспечения при стрельбе баллистическими ракетами (см. раздел «Штурманское вооружение») вес навигационной аппаратуры американских подводных ракетоносцев достигает 55 г.

Два следующих раздела — «Системы и устройства» и «Оборудование»— могут быть определены по формулам

Рь = РьО,\ (12) Р.-Рь^п- (13)

Как показывает анализ весовых нагрузок подводных лодок иностранной постройки, а также спроектированных подводных транспортных судов, суммарная величина измерителей весов систем, устройств и оборудования для атомных подводных лодок лежит в пределах 0,05—0,10 (меньшие значения относятся к кораблям большего водоизмещения). ^

Вес вооружения при решении уравнения весов, как правило, принимается постоянным

P^ = const. (14)

Величина его зависит от типа и состава' принимаемого вд лодку оружия. Вес отдельных образцов вооружения американских атомных подводных лодок следующий, т: стартовая шахта 25—30; гидравлический торпедный аппарат — 4; баллистическая ракета—13—16; крылатая ракета — 6—10; торпеда—1,0—1,8'; мина—0,5—0,8; приборы управления ракетной стрельбой—24— 25. Кроме того, в состав этого раздела входят веса приборов управления торпедной стрельбой, стеллажей запасных торпед, устройств перезарядки, торпедопогрузочных устройств и воды кольцевого зазора торпедных аппаратов.

Вес топлива и питательной воды для атомных подводных лодок в" первом приближении можно считать величиной постоянной

Р8 = const. (15)

На современных атомных подводных лодках он достигает, 100—150 г, причем наблюдается тенденция к его дальнейшему увеличению (до 250—300 г), что связано с использованием аварийного запаса дизельного топлива в качестве одного из компонентов биологической защиты. Если в задании на проектирование указаны скорость хода под резервными двигателями и дальность плавания этой скоростью, вес топлива и питательной воды может быть определен как сумма весов топлива длярезервных дизель-генераторов и масла и питательной воды для атомной энергетической установкигде — расход топлива в кг на 1 л. с. в час при заданной скорости хода; R — дальность плавания под резервными двигателями, мили; v's — скорость хода под резервными двигателями, узл.; С — адмиралтейский коэффициент, соответствующий скорости v's', Р'н — прочие составляющие раздела (смазочное масло, питательная вода, остаточная вода в цистернах вспомогательного балласта), Р'8=const.

Вес команды и запасов зависит от численности личного состава подводной лодки, и при заданной комплектации его можно определить путем суммирования составляющих весов. При этом вес собственно команды определяется из расчета 150 кг на одного офицера и 100 кг на рядового, а запасы продовольствия принимаются на полную автономность. Запас пресной воды на атомных подводных лодках незначителен, так как на каждой из них установлены опреснительные установки большой производительности. Предусматриваются аварийные запасы провизии и пресной воды. В состав этого раздела входят также балласт для придания отрицательной плавучести пакетам с пищевыми отходами (чтобы всплывающие отходы не демаскировали подводную лодку) и некоторые другие виды довольствия. В целом, вес команды и запасов в расчете на одного члена экипажа достигает на американских атомных подводных лодках 1 т. При решении уравнения весов его величина принимается постоянной

Рэ = const. (16)

На всех стадиях проектирования, строительства и эксплуатации подводной лодки необходимо иметь некоторый резерв веса, называемый запасом водоизмещения. С помощью этого резерва решаются две принципиально различные задачи:

1) компенсируются возможные ошибки при определении весов различных технических средств в процессе проектирования корабля и отклонения в весе отдельных конструкций, узлов и механизмов от расчетных значений;

2) обеспечивается возможность замены устаревших технических средств вновь разработанными при постройке или в процессе эксплуатации.

Величина запаса водоизмещения

Рю^рЛ (17) зависит от стадии разработки проекта (уменьшается с продвижением разработки). На начальных этапах проектирования первых американских атомных подводных лодок измеритель за паса водоизмещения принимали 0,06 в связи с неточным знанием весов вновь разрабатываемого оборудования. По мере накопления опыта проектирования и постройки кораблей этого подкласса запас водоизмещения был уменьшен до нормальной величины (3—4% на стадии разработки эскизного проекта).

В соответствии с указанными выше назначениями запас водоизмещения может быть «запасом на проектирование» и «запасом на модернизацию». После постройки подводной лодки весь неиспользованный резерв весов становится «запасом на модернизацию» и погашается принятием на борт корабля дополнительного твердого балласта. На построенных американских атомных подводных ракетоносцах этот запас достигает 2% нормального водоизмещения, что позволяет, в частности, перевооружать их новыми модификациями ракетного оружия без существенных изменений первоначального проекта'. По рекомендациям Управления кораблестроения ВМС США^ запас водоизмещения на модернизацию у построенных подводных лодок с торпедным вооружением не должен быть менее 20 т.

Собственно твердый балласт принимается на подводные лодки для, обеспечения необходимой остойчивости в подводном положении, удифферентовки и погашения небольших расхождений между постоянным плавучим объемом и весовым водоизмещением при проектировании. Его величина определяется по формуле

Ріі = РпО,. (18)

На первых американских атомных подводных лодках измеритель веса твердого балласта равнялся 0,07—0,09 (твердый балласт служил, вероятно, дополнительным резервом на случай возможных ошибок при определении .составляющих весов). В дальнейшем количество твердого балласта на лодках было значительно снижено. Так, на подводных лодках типа «Трешер» его вес составляет 1,3% от нормального водоизмещения.

Подставляя значения составляющих весов из выражений (8) — (18) в уравнение (7), получаем

= + Ям +РзО„+Р,+р,0,+ р,0^ + Ру + Р,+

+ Р9 + РіоД. + РііО„. (19)

Сгруппировав подобные члены и обозначив

Рі + рз + Р5 + Рв + рю + Рп = р;

Р, + Р7 + Рв + Р,==Р,

Уравнения весов и объемов подводной лодки

Все приведенные выше значения входящих в состав уравнения измерителей дают лишь общее представление о весовых характеристиках современных атомных подводных лодок. При практическом применении уравнения весов величины измерителей определяются на основании анализа весовой нагрузки близкого прототипа или соответствующим образом подобранных и обработанных статистических материалов.

Для определения водоизмещения подводной лодки одного уравнения весов недостаточно; требуется также решение уравнения объемов, подобного по своей структуре уравнению весов

Уппо=^Уп , '(22)

где Уппо —постоянный плавучий объем подводной лодки; — составляющий объем, занимаемый /-м техническим средством.

Аналогично разделам весовой нагрузки, все составляющие объемы могут подразделяться на три группы: объемы, зависящие от 1^ппо (служебных и ЖИЛЫХ помещений, вспомогательных механизмов общелодочного назначения, систем и устройств, цистерн вспомогательного балласта, материала корпусных конструкций и т. п.); объемы, зависящие от Уто (энергетической установки), и независимые объемы (вооружения, средств наблюдения и связи, перевозимого груза и пр.).

Уравнение объемов в этом случае записывается в виде ■

У,,,-МУ'^и.~М = ^, . (23)

где М и Л^-—численные величины, содержащие измерители объемов и различные коэффициенты. Значения измерителей могут быть определены на основании детального анализа постоянного плавучего объема прототипа или по статистическим данным.

Приближенные величины измерителей объемов американских боевых атомных подводных лодок составляют: объемы пропорциональные Ущю —35—40% от 1^ппо; пропорциональные Уппо в степени 2/з —0,10—0,15 м?1л. С] независимые —40—

60 на один торпедный аппарат (включая приборы управления торпедной стрельбой, гидроакустическую аппаратуру и пр.) и 100—120 на одну стартовую шахту ракетного оружия (включая приборы управления огнем).

Объем грузовых помещений подводного транспортного судна ' должен равняться произведению его грузоподъемности Ргр и удельной погрузочной кубатуры |а.:

Угр = к1^Ргр- (24)

При проектировании подводных танкеров удобнее пользоваться зависимостью, в состав которой входит удельный вес перевозимых нефтепродуктов угр

= (25)

Тгр ,

Коэффициент к в формулах (24), (25) определяет собой отношение объема брутто к объему нетто грузовых отсеков или цистерн. Для подводных танкеров американские специалисты принимают его равным 1,05.

Решение уравнения (23) позволяет определить минимальную величину постоянного плавучего объема, при которой обеспечивается условие размещения всего необходимого оборудования. Найденная таким образом величина Уппо, как правило, отличается от величины, соответствующей нормальному весовому водоизмещению, определенному из уравнения (21), т. е.

При этом возможны следующие расчетные случаи:

1) Расхождение между весовым и объемным водоизмещением невелико; его можно компенсировать незначительным изменением составляющих весовой нагрузки или постоянного плавучего объема (главным образом, веса твердого балласта и запаса водоизмещения) на последующих стадиях разработки проекта без ухудшения качеств проектируемой подводной лодки.

2) Постоянный плавучий объем значительно превышает весовое нормальное водоизмещение лодки, т. е.

^ппо-^О„==Д1/>0,

где ЛУ — избыточная плавучесть.

3) Весовое нормальное водоизмещение значительно превышает постоянный плавучий объем лодки, т. е.

Где А£) — избыточный вес.

' Особенности уравнения объемов для случая проектирования транспортной подводной лодки более подробно рассмотрены в книге А. А.. Токмакова «Транспортные подводные суда», изд-во «Судостроение», 1965.

при проектировании современных атомных подводных лодок водоизмещение, как правило, определяется уравнением объемов. Поэтому перед проектировщиком чаще всего возникает задача компенсации избыточной плавучести АУ. По мнению зарубежных специалистов', эта задача лучше всего решается путем увеличения веса корпусных конструкций подводной лодки и, в первую очередь, прочного корпуса.

Поскольку большая часть веса прочного корпуса приходится на долю обшивки (а последняя находится вне теоретических обводов), утяжеление корпуса будет сопровождаться незначительным увеличением постоянного плавучего объема, определяемым приближенно по формуле

"Д^;=^: (26)

Тмгде — увеличение объема материала прочного корпуса; АР'1 — увеличение веса прочного корпуса; ум^—удельный вес материала прочного корпуса.

Таким образом, при компенсации избыточной плавучести АУ за счет прочного корпуса необходимо соблюдать следующее равенство:

Д1/ + Д1/; = ^АР; (27) или после преобразований

^v =:J^i:zJ-^p\, (28)

Откуда требуемое увеличение веса прочного корпуса

(29)

7м — 7

При ум = 7,8 г/л* (удельный вес стали) и у= 1,025 т/м^

ДР; = 1,18АУ.

В свою очередь повышение веса прочного корпуса позволяет увеличить расчетную глубину погружения подводной лодки при близительно в 1 Н--— раза или во столько же раз снизитьпредел текучести материала прочного корпуса. Переход на менее прочные, а следовательно, более дешевые и технологичные материалы оправдан в первую очередь при проектировании подводных транспортных судов.

С увеличением глубин погружения подводных лодок определяющими факторами могут стать не объемы, а веса принятыхв проекте технических средств и конструкций. Применительно к боевым атомным подводным лодкам подобное явление, по мнению иностранных специалистов', будет наблюдаться лишь при значительных глубинах погружения (рис. 13). В этом случае водоизмещение, определенное из уравнения весов, превышает плавучесть, соответствующую непроницаемому объему, т. е.

С„-т^ппо=ДО>0.

Для компенсации избыточного веса иностранные специалисты рекомендуют увеличивать объем прочного корпуса, исполь-

Уравнения весов и объемов подводной лодки

Рис. 13. Зависимость водоизмещения подводной лодки от расчетной глубины погружения. i, 2. 3-црочные корпуса из стали НУ-80, алюминиевого сплава и стеклопластикасоответственно.

зуя избыток свободного объема на улучшение условий обитаемости и обслуживания механизмов и оборудования.

Увеличение объема прочного корпуса на величину \V^ ведет к повышению его веса в соответствии с зависимостью

= д^^^г, (30)

где ^пк —объемный вес прочного корпуса,^ равный отношению веса прочного корпуса к его объему.

Необходимое увеличение объема прочного корпуса определяется уравнением

■i^Vг = ^D + ^p[, (31)

откуда, учитывая (30), имеем

А1/,= . (32)

7 —9пк

Как видно из последней формулы, в случае большого объемного веса прочного корпуса (что характерно для глубоководных подводных лодок и аппаратов) компенсировать избыток веса АС весьма сложно, так как разность у —<7пк при этом уменьшается. Поэтому при проектировании таких кораблей для компенсации величины АС рекомендуется ' применять заполнение проницаемых конструкций твердым материалом или жидкостью, удельный вес которой меньше удельного веса воды. Одно из основных требований к такому материалу — постоянство удельного веса под большим гидростатическим давлением и при длительном нахождении в морской воде.

Таким образом, решение уравнений весов и объемов и согласование полученных результатов по формулам (29) или (32) позволяют определить в первом приближении нормальное водоизмещение проектируемой подводной лодки, при этом погрешность результатов, по мнению иностранных специалистов 2, может достигать 4—5%.

Предыдущая глава Оглавление Следующая глава