На дне океана. Часть третья

Анализ обобщенной формулы начнем в приложении к подводным лодкам. К таким аппаратам, как известно, предъявляются весьма высокие требования в отношении их функциональных возможностей, то есть к скорости хода, эффективности оружия, длительности пребывания в море, условиям обитаемости личного состава. По этим причинам вес всего, что должно находиться на подводной лодке, оказывается (при самом строгом его ограничении) весьма большим и, как правило, превышает вес корпуса. Естественно, стремясь уменьшить общий вес подводной лодки, конструкторы пытаются добиться этого и за счет снижения веса самого корпуса. Именно с целью получения наименьшей величины веса корпуса его делают в виде цилиндра со сферическими оконечностями, так как при такой форме корпус под действием внешнего давления работает только на сжатие при полном использовании всего материала. Сопротивляемость внешнему давлению определяется толщиной и диаметром корпуса, а также прочностными характеристиками материала. С другой стороны, от размеров корпуса, а также удельного веса материала, из которого он изготовлен, зависит и его вес.

Полный вес корпуса со всеми корпусными конструкциями обычно составляет 0,35—0,40 от общего веса подводной лодки. В этом случае при применении для корпусов подводных лодок высокопрочной легированной стали (с пределом текучести более 60 кг/мм2) они могут погружаться на глубину около 300 м (по зарубежным данным).

Если принять во внимание высокие функциональные возможности подводных лодок, то такие глубины погружения следует считать значительными.

При проектировании подводных лодок бывают случаи, когда улучшение условий размещения личного состава, создание для команды кают, столовых, медицинских и других помещений вызывает появление в корпусе избыточных объемов, а значит, избыточной плавучести. Нарушается основное уравнение равновесия, и вследствие превышения сил плавучести подводная лодка теряет способность погружаться.

Однако в этом случае задача компенсации избыточной плавучести не вызывает затруднений и решается, как правило, за счет увеличения толщины корпуса, а следовательно, и его веса, либо за счет приема твердого балласта.

Наибольшие трудности возникают при решении обратной задачи, когда в процессе проектирования устанавливается нарушение основного условия равновесия из-за превышения сил веса над силами плавучести, а полученная в проектных расчетах предельная глубина погружения подводной лодки оказывается недостаточной.

В этом случае решение задачи наиболее просто достигается за счет уменьшения веса энергоустановок, оружия и всей остальной «начинки» подводной лодки до такой степени, чтобы восстановить условие равновесия. Используя снижение веса оборудования подводной лодки для увеличения толщины и веса корпуса, можно существенно повысить и глубину ее погружения. При этом неминуемо соответствующее снижение других ее характеристик.

Этот путь привел к созданию экспериментальных подводных лодок. Так, например, на экспериментальной подводной лодке «Дельфин» (США), построенной в 1968 году, оставлен только один торпедный аппарат для глубоководных испытаний оружия, применена дизель-электрическая энергоустановка для кратковременного режима подводного хода с малой скоростью и сокращен личный состав. Полученная при этом экономия в весе использована для увеличения толщины корпуса, который был сделан двойным и уменьшенного диаметра. Хотя для корпуса подводной лодки «Дельфин» применена такая же сталь, как и для обычных подводных лодок, ее глубину погружения удалось увеличить примерно до 900 м.

Дальнейшие шаги в направлении увеличения прочности корпуса, а, следовательно, и его веса за счет снижения полезной нагрузки привели к созданию аппаратов с большими глубинами погружения, но с ограниченными функциональными возможностями их использования.

Этот путь имеет свой предел, определяемый тем состоянием, когда вес всего полезного оборудования становится равным нулю. Однако и в этом случае общий вес корпуса не должен превышать суммы сил плавучести.

Для каждого вида материала и конструкции корпуса подводного аппарата можно указать предел, исключающий физическую возможность дальнейшего увеличения глубины погружения, даже при отсутствии всякого оборудования внутри корпуса.

С целью решения проблемы увеличения предельных глубин погружения целесообразна разработка новых марок высокопрочных сталей. Но возможен и другой путь преодоления трудностей, использовать для изготовления корпуса более легкие материалы, удельная прочность которых, то есть отношение предела прочности к удельному весу, значительно превышает удельную прочность сталей. Эта идея была реализована в 1964 году при постройке малой исследовательской подводной лодки «Алюминаут» с глубиной погружения 4 500 м. Ее корпус (диаметром 2,1 м) выполнен из алюминиевого сплава с пределом текучести 45 кг/мм2.

По характеристикам удельной прочности для глубоководных подводных лодок весьма перспективными считаются титановые сплавы и стеклопластики, удельный вес которых соответственно в 1,7 и в 4,6 раза меньше, чем у стали. По зарубежным данным, технологическое освоение этих материалов позволит достигнуть для подводных лодок глубин около 2 000 м, а для глубоководных аппаратов — до 4 000 — 6 000 м. Однако поисковые работы, связанные с применением этих материалов для глубоководной техники, еще не вышли из стадии экспериментальных исследований.

 Еще большие перспективы в достижении предельных глубин океана связывают со стеклокерамическими материалами. Эксперименты на стеклянных сферах показывают, что хрупкие стеклянные и керамические материалы в условиях сильного сжатия характеризуются большой твердостью и высокой прочностью при сравнительно небольшом весе. При значительных напряжениях сжатия местные изгибающие или ударные нагрузки не приводят к появлению растягивающих напряжений и разрушению стеклокерамической конструкции, так как в этих условиях они вызывают только некоторую неравномерность в распределении напряжений сжатия. Преимуществом этих материалов считается также возможность создания из них прочных, прозрачных сфер глубоководного аппарата, обеспечивающих широкий обзор. (Любопытно, что, согласно легенде, впервые именно в прозрачном стеклянном сосуде, прикрепленном цепями к судну, на глубину до 90 м опускался Александр Македонский.)