| Скачать .docx |
Реферат: Динамика подводных лодок
И.Г. Захаров, доктор технических наук, профессор, контр-адмирал; В.В.Емельянов, кандидат технических наук, капитан 1 ранга; В.П. Щеголихин, доктор технических наук, капитан 1 ранга; В.В. Чумаков, доктор медицинских наук, профессор, полковник медицинской службы
Создание атомных энергетических установок в начале 50-х годов обусловило революционный скачок в подводном кораблестроении. Подводные лодки превратились в высокоскоростные корабли с большой автономностью подводного плавания. При этом возник и ряд сложных научно-технических задач, в частности, в области гидродинамики и динамики плавания. Большие скорости, длительные режимы подводного хода требовали изменений традиционной формы корпуса ПЛ, разработки более совершенной теории управляемости, новых подходов к обеспечению безопасности плавания в допустимом интервале глубин. К тому же время возможного достижения предельных глубин резко сокращалось при высокоскоростном маневрировании. Требовались новые средства и новые подходы к борьбе за живучесть и т.п.
Решение таких задач для проектируемых и перспективных лодок определяло направление работ в области динамики подводного плавания на протяжении всей второй половины XX в. Над их решением, при тесном взаимодействии с 1-м ЦНИИМО, продолжали трудиться коллектив филиала ЦАГИ под руководством Н.К.Федяевского (Д.В.Якушевич, И.Б.Федорова, А.В.Шарипов и др.), коллектив сотрудников при ЦКБ-18 (нынешний ЦКБМТ“Рубин”) во главе с А.П.Скобовым и А.В.Калачевой (В.Н.Квасников, В.В.Рождественский и др.), коллектив сотрудников ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова под руководством С.И.Девнина, а затем А.В.Герасимова, Е.Б.Юдина и М.Я.Мазора. К решению проблемы динамики лодок подключились ВВМИОЛУ им.Ф.Э.Дзержинского (А.Н.Патрашев) и ВМА им.Н.Г.Кузнецова (Я.Т.Пугачев). В 1-м ЦНИИМО эту работу возглавляли последовательно С.В.Козлов и С.И.Крылов.
В 50-х годах была проведена конференция по управляемости подводных лодок, в которой приняли участие организации ВМФ и промышленности. На ней были определены основные задачи и направления исследований. Выявилась недостаточность экспериментальной базы для проектирования атомных подводных лодок в части управляемости. Необходимо было проведение систематических натурных испытаний по определению гидродинамических характеристик и маневренных элементов для формирования и обоснования требований к управляемости. Проведение этих испытаний было возложено на 1-йЦНИИМО.
Для научно-технического сопровождения проектирования первой и последующих атомных подводных лодок потребовалось сооружение специальных аэро- и гидродинамических лабораторий в ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, поскольку существующие к тому времени гидроканалы не позволяли получать необходимые экспериментальные данные в нужном объеме. Было начато проектирование и строительство маневренно-мореходного бассейна. Создание его позволило на моделях изучать маневренные качества лодок в надводном положении в условиях искусственного волнения, а также определять на малых моделях (около 2 м) гидродинамические характеристики лодок при криволинейном движении в подводном положении. Имевшаяся большая аэродинамическая труба позволяла имитировать поступательное движение лодки в толще воды при наличии углов атаки и дрейфа. В крупнейшем в мире циркуляционном бассейне можно было проводить модельные испытания при криволинейном движении больших моделей (около 6,0 м) в широком диапазоне скоростей. В распоряжении исследователей находился ряд специальных установок и стендов.
Сооружение таких лабораторий в ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова поставило нашу страну на один уровень с наиболее развитыми судостроительными державами мира и позволило в ходе проектирования отработать такие проектные решения, которые обеспечивали отечественным ПЛ высокие маневренные качества и хорошую управляемость. Так, за более чем 40-летний период строительства и эксплуатации атомного подводного флота не было случаев неудовлетворительной управляемости отечественных подводных лодок.
В результате выполненных исследований и натурных испытаний разрабатывались критерии управляемости и обосновывались их нормативные характеристики, на базе которых формировались архитектура и геометрические элементы оперения и рулей.
Особое значение для атомных подводных лодок приобретали вопросы движения в таких специальных режимах, как малошумное маневрирование, при котором обеспечиваются акустическая скрытность, всплытие под поверхность моря в условиях морского волнения (для осуществления сеансов связи), аварийное всплытие с использованием продувания балластных цистерн, экстренное снижение скорости с осуществлением реверса гребными винтами, а также требовали решения вопросов гидродинамики подводных лодок при движении с большими углами атаки и дрейфа.
Были разработаны важные практические рекомендации, позволяющие обеспечивать безопасное плавание при высокоэффективных средствах управления и системах главного балласта.
Впервые в мировой практике на отечественных лодках проектов 671, 971 были применены автоматические противоаварийные системы, предотвращающие катастрофические последствия из-за ошибок в управлении, обусловленных неправильными действиями оператора или сбоями в автоматических системах, управляющих эксплуатационными маневрами, а также в случаях возможной заклинки горизонтальных рулей ПЛ. В качестве советчика командиру разработана автоматическая система, выдающая рекомендации по управлению при такой тяжелой аварии, как поступление воды внутрь прочного корпуса при нарушении его герметичности.
О кораблях с динамическими принципами поддержания (КДПП)
В интересах создания кораблей на подводных крыльях был проведен большой объем теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ по выявлению влияния параметров подводных крыльев на их гидродинамические характеристики с целью разработки подводных крыльев с наилучшими гидродинамическими качествами. Исследованы различные компоновочные схемы и их влияние на характеристики движения корабля, а также способы передачи мощности к движителям. На основании приведенных теоретических и экспериментальных исследований в конце 50-х годов были построены два катера проекта 125 с обычными и суперкавитирующими двухкрыльевыми схемами, на которых достигнута скорость 73уз.
Исследования по применению крыльев для катеров относительно большого водоизмещения выполнен в начале 60-х годов на катере водоизмещением 240 т, который был оснащен носовым крылом и расположенной в корме управляемой транцевой плитой. Специальные ходовые и мореходные испытания этого катера, проведенные с участием 1-гоЦНИИМО, показали существенное повышение скоростей на волнении, улучшение мореходности и снижение перегрузок. Это послужило основанием для создания в дальнейшем серийных кораблей, оборудованных указанной крыльевой схемой.
На натурных испытаниях корабля типа “Смерч” достигнута скорость более 100уз. На серийных ракетных катерах на подводных крыльях проекта скорость составляла около 60уз.
Объем исследований, проведенных за период до 1965г., позволил создать ряд боевых кораблей на подводных крыльях (КПК) и определить дальнейшие пути улучшения их мореходных свойств. Было определено, что принципиальным путем повышения мореходности КПК большого водоизмещения является переход на глубокопогруженные автоматические управляемые подводные крылья.
На пути создания кораблей на воздушной подушке (КВП) основные усилия направлялись на выявление наиболее перспективных способов формирования воздушной подушки; отработку обводов элементов КВП, находящихся в контакте с водой, с целью снижения гидродинамического сопротивления; определение наиболее рациональных типов движителей; выявление путей повышения ресурса воздушных винтов и вентиляторов; на поиск наилучших способов обеспечения мореходности, управляемости и остойчивости; уменьшение заливаемости и забрызгиваемости. В результате теоретических и экспериментальных исследований в начале 70-х годов были созданы амфибийные КВП “Скат”, “Кальмар”, “Джейран”. Накопленный научный задел и практический опыт эксплуатации этих кораблей позволили обосновать дальнейший путь повышения мореходных свойств КВП - создание КВП скегового типа. Силами СМКБ “Алмаз” и 1-гоЦНИИМО по инициативе А.Д.Круглова были созданы и испытаны крупномасштабные модели первых морских КВП, наиболее экономичных на скоростях выше 50 уз. В настоящее время ведутся теоретические, экспериментальные и опытно-конструкторские работы по обеспечению проектирования боевых скеговых КВП.
В 60-е годы ученые и специалисты страны по инициативе Р.Е.Алексеева приступили к разработке третьего направления в развитии кораблей с динамическими принципами поддержания -созданию экранопланов.
Проведен большой объем исследований по изучению физики явления экранного эффекта и перспективам его использования для создания реальных объектов, по обобщению и анализу опыта авиации в целях возможного использования различных решений применительно к разработке аэродинамических схем экранопланов. Специалисты судостроительной промышленности, МАП и ВМФ выполнили натурные испытания корабля-макета “КМ” (главный конструктор Р.Е.Алексеев), которые подтвердили техническую реальность создания экранопланов. В дальнейшем основные исследования направлялись на поиск форм и профилей крыльев, наиболее эффективно работающих вблизи экрана, на отработку аэродинамических компоновок такого аппарата. Определялись типы движителей, наилучшие способы обеспечения устойчивости движения, мореходности, управляемости, маневренности и остойчивости. Велась отработка взлетно-посадочных устройств, изучение и отработка амфибийных качеств.
В результате всего комплекса работ и исследований созданы и вступили в состав ВМФ транспортный экраноплан “Орленок” и боевой экраноплан “Лунь”. Ныне имеется научно-технический задел и определены пути дальнейшего развития экранопланостроения.
Для обеспечения исследований по аэрогидродинамике надводных кораблей, и в особенности КДПП, разработаны основные направления теоретических и экспериментальных работ для организаций ВМФ и промышленности, академической и вузовской науки, выполнение которых послужит основой для создания нового поколения кораблей начала XXIв.
Прочность и конструкционные материалы
Усиление вооруженности кораблей, их конструктивной защиты с одновременным повышением эксплуатационной скорости хода потребовали глубокого изучения внешних сил, действующих на корпус корабля, особенностей напряженно-деформированного состояния основных корпусных конструкций, нормирования общей и местной прочности, разработки новых конструкционных материалов и технологий строительства кораблей. Анализ и обобщение опыта боевого использования кораблей во второй мировой войне и задач, поставленных перед промышленностью по созданию нового отечественного флота, позволили разработать программу научных исследований, обеспечивающих запросы промышленности и ВМФ. В разработке и реализации этой программы активное участие принимали ЦНИИ им.А.Н.Крылова, 1-йЦНИИМО, ЦНИИКМ “Прометей”, конструкторские бюро, институты и заводы судостроительной отрасли. В интересах подводного кораблестроения в начале 50-х годов проводились углубленные исследования устойчивости и напряженного состояния оболочки корпуса с различными вариантами системы набора, прочных цистерн, рубок, сферических переборок. Большое внимание было уделено уточнению запасов прочности, норм допускаемых напряжений, оценке влияния начального прогиба на прочность корпуса, рационализации конструкций. На основе исследований созданы нормы прочности, отвечающие повышенным глубинам погружения проектируемых кораблей по сравнению с довоенными.
Материалы исследований вошли в монографии Ю.А.Шиманского “Строительная механика подводных лодок” (1948г.), П.Ф.Папковича “Строительная механика корабля” (1947г.), В.В.Новожилова “Теория тонких оболочек” (1951г.), Н.С.Соломенко “Строительная механика подводных лодок”.
Увеличение глубины погружения подводных лодок было невозможно без использования стали с повышенными прочностными свойствами. Работы по созданию такой стали велись в ЦНИИ-48 (ныне ЦНИИКМ “Прометей”) и завершились разработкой и промышленным освоением сталей типа АК. Однако освоение этих сталей встретило ряд существенных трудностей. Так, для исключения возможности хрупких разрушений шпангоутов пришлось предусматривать специальную их термообработку. Большое внимание уделялось сварке высокопрочных сталей с тем, чтобы избежать неблагоприятного влияния на прочность околошовных зон. Были внесены конструктивные изменения в ответственные узлы корпуса. При решении всех этих вопросов и проверке работоспособности сталей большую роль играли поставленные впервые в широком объеме испытания натурных опытных отсеков подводных лодок в специально созданных док-камерах (А.И.Кудрин, Л.М.Бунич, О.М.Палий, С.К.Родионова, Ю.П.Шишалов). Натурные испытания были дополнены систематическими испытаниями образцов и малых моделей конструкций.
Результаты испытаний по совокупности подтвердили корректность теоретических исследований и расчетных схем, позволили получить опытные данные по устройству и несущей способности оболочек, ввести поправочные коэффициенты к формулам критического давления, обосновать запасы прочности основных элементов корпусов. Путевка в жизнь была дана и новой стали АК-25. Испытания подтвердили ее достаточную работоспособность при принятой технологии постройки кораблей.
На основе обобщения результатов проведения теоретических и экспериментальных исследований, участием накопленного опыта проектирования, постройки и эксплуатации подводных лодок в 1954г. ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, с участием предприятий и организаций промышленности и 1-гоЦНИИМО, разработал новый нормативный документ “Правила выполнения расчетов прочности конструкций прочного корпуса подводных лодок” и типовые расчеты к ним (авторы В.В.Новожилов, В.Ф.Сегаль и др.). Наряду с совершенствованием аналитических методов расчета начали внедряться численные методы, создавались алгоритмы для получения более точных решений с помощью ЭВМ все усложняющихся задач теории оболочек (В.С.Чувиковский, В.Е.Спиро, В.М.Рябов, И.Л.Дикович, О.М.Палий). Расчетные проработки подтверждали эффективность предложенных алгоритмов.
В подводное кораблестроение внедрялись более прочные материалы, в том числе (наряду со сталями) титановые сплавы, обладающие рядом преимуществ (меньший удельный вес, коррозионная стойкость, немагнитность, не подверженность ползучести). Проведенные в течение ряда лет в ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова многоплановые работы по анализу влияния на работоспособность разнообразных конструктивных и технологических факторов позволили установить общие положения, обеспечивающие надежность корпусов подводных лодок, и разработать “Требования к механическим свойствам корпусных материалов и их сварных соединений для подводного кораблестроения”.
Внедрение титановых сплавов потребовало пересмотра части принципиальных положений, связанных с нормированием прочности корпусов (учет текучести материала, пониженная цикличная прочность, ограниченные пластические свойства). Был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных работ, в которых обоснованы новые принципиальные подходы к обеспечению прочности и надежности конструкций из этих сплавов (О.М.Палий, В.С.Чувиковский, В.Е.Спиро, И.Г.Гуревич, А.И.Шитов). На основе исследований и испытаний крупномасштабных отсеков в 1977г. изданы “Правила проектирования подводных лодок из титановых сплавов” (В.В.Новожилов, Н.С.Соломенко, А.И.Кудрин).
Внедрение новых методов расчета и высокопрочных материалов завершилось контрольными испытаниями натурных и опытных конструкций новых проектов подводных лодок. Эти испытания служили прямой экспериментальной проверкой принятых конструктивных решений и готовности заводов-строителей к реализации разработанной технологии сварки.
На рубеже 70-х годов, в расчете на перспективу создания глубоководных кораблей, ЦКБ МТ “Рубин” с участием ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова и ЦНИИКМ “Прометей” под руководством главных конструкторов В.Н.Перегудова, С.Н.Ковалева, Н.Н.Исанина, И.Д.Спасского, И.В.Горынина и члена-корреспондента РАН В.М.Пашина, Б.И.Купенского и Г.Н.Чернышева был спроектирован и построен на ПО “Севмашпредприятие” уникальный стенд с док-камерами, в котором прошли испытания натурных и опытных отсеков всех основных типов подводных лодок, включая ПЛ “Комсомолец”.
В 70-е годы ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова совместно с 1-м ЦНИИМО исследовали проблемы циклической прочности конструкций корпусов подводных лодок. Постановка этих исследований была необходима, с одной стороны, для успешной разработки материалов еще большей удельной прочности (стали с пределом текучести до 100 кг/мм2 , титановых сплавов с пределом текучести до 80 кг/мм2 ), предназначенных для глубоководных подводных лодок нового поколения. с другой стороны, в связи с ужесточением требований ВМФ к числу погружений корабля на большие глубины. Была выполнена экспериментальная оценка ресурса циклической прочности находящихся в строю подводных лодок, внесены ограничения по применению конструкций, в которых возникают растягивающие напряжения - основной источник циклических разрушений.
Ресурсные испытания были продолжены в 80-е годы, в ходе которых установлены основные закономерности развития повреждений, выявлены неудачные конструктивно-технологические решения, рекомендованы принципиально новые варианты корпусных узлов, повышающих их долговечность. Исследования циклической долговечности проводились на грани смежных научных направлений - физики твердого тела и механики разрушений. На их базе, ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова и ЦНИИКМ “Прометей”, были выпущены документы, позволяющие дать расчетную оценку циклической прочности узлов прочного корпуса и оценить остаточный ресурс находящихся в эксплуатации и модернизируемых подводных лодок (1989 и 1993гг.).
Работы по обеспечению прочности и рациональному конструированию корпусов глубоководных аппаратов (ГА) приобрели самостоятельное значение в 60-х годах.
Накопленный к концу 70-х - началу 80-х годов опыт создания глубоководных аппаратов, анализ проведенных теоретических и экспериментальных исследований в области прочности позволили разработать “Основные положения по методам расчета и нормам прочности прочных корпусов глубоководных аппаратов” (1981г.). Исследования прочности, несущей способности и работоспособности корпусов объектов глубоководной техники, на базе уже имеющихся данных, продолжались на новом качественном уровне. Были решены задачи прочности, устойчивости и надежности корпусов, состоящих из цилиндрических и сферических оболочек с учетом фактической точности их изготовления, определены пределы снижения несущей способности корпусов в зависимости от принятых допусков, подтверждена эффективность обработки поверхности (В.Р.Ибнояминов, Ю.П.Шишалов, В.М.Греков).
Новое направление исследований в 90-е годы - обращение к малопластичным материалам с высокой удельной прочностью. Проблема их внедрения стала весьма актуальной, поскольку применяемые материалы исчерпали свою возможность, не позволяя рассчитывать на сколько-нибудь существенное снижение массы корпусов или увеличение глубины погружения. Выполненные в 1990-1993гг. исследования подтвердили принципиальную возможность получения приемлемых показателей надежности изделий к конструкции корпусов и технологии их изготовления, выявили круг основных вопросов, требующих дальнейшего решения.
Особенностью надводного судостроения в 50-е годы были: переход полностью на сварные корпуса, широкое применение высокопрочных легированных сталей, повышение мощности и скорострельности артиллерийского вооружения, создание и опытная эксплуатация корабельного реактивного оружия и высокие эксплуатационные скорости кораблей малого и среднего водоизмещения. Появилась новая архитектура кораблей с удлиненным корпусом, развитыми надстройками, чисто продольной системой наборов корпуса. Для обеспечения проектирования кораблей нового поколения был проведен большой объем исследовательских работ.
Прежде всего, были рассмотрены особенности деформирования цельносварного корпуса корабля при действии статических и динамических нагрузок. Для этой цели выполнен комплекс теоретических исследований и проведены натурные статические испытания кораблей проектов 50 и 68 на прогиб и перегиб при нагрузке на опорах в доке. Были проведены натурные мореходные испытания этих кораблей с измерением деформаций основных продольных связей корпуса при движении с различными скоростями на волнении различной бальности.
Исследования показали, что при расчетах общей прочности корабля необходимо учитывать динамическую составляющую изгибающих моментов, которая при высоких скоростях движения может быть сопоставима со статической составляющей и даже превосходить ее. Необходимость более полного учета работы несущих связей корпуса корабля при его общих деформациях предопределила проведение тщательного изучения работы отдельных связей в составе перекрытия при различных видах нагрузки, устойчивости пластин и жестких связей в составе сложных конструкций. Это дало существенный толчок к развитию строительной механики корабля (Ю.А.Шиманский, Г.О.Таубин, А.А.Курдюмов, Н.С.Соломенко).
Переход к более прочным сталям и соответствующее уменьшение размеров несущих связей и повышение их нагружености потребовало более детального исследования влияния концентрации напряжений в районах вырезов и окончания прерывистых связей. На основе теории Ю.А.Шиманского (“Проектирование прерывистых связей судового корпуса”, 1949г.), а также большого количества теоретических и экспериментальных работ и успешного опыта проектирования были разработаны “Положения по конструированию корпусов надводных кораблей”, 1957г. (Ю.А.Шиманский, Г.С.Чувиковский, Г.О.Таубин, Б.П.Кузовенков, Н.Л.Сивере, В.П.Белкин, А.А.Карпов).
Появление на кораблях ракетного оружия поставило перед судостроением ряд новых, нетрадиционных задач. При старте ракет на близлежащие конструкции корпуса от газовой струи ракетного двигателя действуют большие внешние давления (до 30 кгс/см2 ) при одновременном интенсивном тепловом воздействии (температура газовой струи 2000-4000°С), что принципиально отличает этот вид нагрузок от традиционных гидродинамических. Те же нагрузки, только более продолжительные во времени, воздействуют на конструкции погребов хранилищ ракетного оружия при несанкционированном срабатывании ракетного двигателя.
Требования, методы расчетов прочности, конструирования, а также защиты конструкций, расположенных в зоне действия газовых струй ракетных двигателей, были разработаны на основе исследования газо- и термодинамических особенностей таких струй и обобщения результатов систематических модельных и натурных испытаний (В.А.Никитин, Ю.А.Зимницкий, В.Г.Бессонов, А.А.Карпов).
В конце 50-х годов определилась необходимость создания кораблей противоминной обороны (тральщиков) водоизмещением 300-600т с корпусами из немагнитных материалов, что привело к идее использования стеклопластика. Этот материал является нетрадиционным для судостроения и обладает рядом специфических особенностей. Он создается одновременно с изготовлением конструкции, отличается существенной анизотропией механических свойств, относительно низким модулем упругости, склонностью к ползучести даже при нормальной температуре и т.д. В связи с этим необходимо было заново разрабатывать методы определения напряженно-деформированного состояния корпуса, нормы опасных и допустимых напряжений, принципы конструирования.
Первый в мире тральщик из стеклопластика водоизмещением 280 т был спущен на воду в 1964г. и вступил в строй в 1965г. Корабль находился в строю до конца 80-х годов.
В 90-е годы велись исследования по оценке ресурса кораблей, находящихся в эксплуатации более 15-20 лет, разрабатывались концепция обеспечения прочности кораблей нетрадиционной архитектуры (катамараны, корабли с малой площадью ватерлинии, корабли с усиленной ледовой защитой), комплексный подход к оценке прочности корпуса корабля по результатам мореходных испытаний и др.
Опыт создания первых отечественных КПК и экранопланов показывает, что для КДПП характерно многообразие архитектурных форм, компоновочных, конструктивных и технологических решений. Они до настоящего времени еще окончательно не установились и претерпевают значительные изменения от проекта к проекту. Расчетные методы, используемые для проверки прочности конструкций, в значительной мере носят сопоставительный характер и поэтому не могут гарантировать безопасность и ресурс конструкций при наличии нетрадиционных конструктивных и технологических решений и изменений условий эксплуатации. По этим причинам НИИ и КБ вынуждены были по примеру авиастроителей обратиться к широкому проведению экспериментальных работ для обеспечения прочности КДПП. Такой подход нашел отражение в требованиях к конструкции и прочности корпусов, разработанных под руководством Б.П.Кузовенкова в положениях по расчетно-экспериментальной проверке прочности конструкций КПК, СВП и кораблей-экранопланов (1976г.).
В 80-х годах акцент в развитии КДПП делался на создании кораблей большого водоизмещения (СВП “Зубр”, “Сивуч”). Для этого потребовалось использование новых высокопрочных материалов и решение проблем обеспечения прочности конструкций, испытывающих в эксплуатации высокие уровни напряжений.
В частности, были уточнены способы расчетного определения внешних сил, действующих на конструкции, с учетом динамики упругого пространственного деформирования конструкций (Ю.В.Бельгов, Г.Б.Крыжевич); созданы пакеты прикладных программ для расчета напряженно-деформированного состояния сложных конструкций (Е.Я.Вороненок, А.Ю.Бабурин, Е.А.Шишенин и др.); предложены новые нормы прочности и расчета конструкций, базирующиеся на теории надежности и механике разрушения (Ю.В.Головешкин, С.Д.Кноринг, Г.Б.Крыжевич, Н.И.Тузлукова); изучены особенности работы резинотканевых конструкций в эксплуатационных условиях и предложены на основе экспериментальной отработки рациональные конструктивные решения для узлов гибких ограждений больших КВП (М.В.Филиппео, М.Е.Алешин, Ю.Г.Ефимов, Д.С.Комиссаров и др.). Испытания этих кораблей и их эксплуатация подтвердили высокую надежность конструкций. По критерию весового совершенства они не уступают лучшим зарубежным, а по водоизмещению и некоторым другим параметрам превосходят их.
Вибрация
На первых цельносварных кораблях ВМФ, построенных в начале 50-х годов, вскоре после сдачи их флоту, наблюдалось массовое появление усталостных трещин в корпусных конструкциях машинных отделений и кормовой оконечности на протяжении до 1/4 длины корабля. На многих из них отмечалась также повышенная вибрация корпуса, препятствовавшая нормальной эксплуатации механизмов, точных приборов и вооружения.
Новизна возникшей проблемы и сложность физической картины происходящих при этом явлений обусловили многоплановый характер последующих исследований. С первых же шагов наметились два основных направления: исследование динамических характеристик и общей ходовой вибрации корпуса и исследование местной вибрации корпусных конструкций и обеспечение их вибрационной прочности. Для решения этих проблем требовалось прежде всего совершенствование виброизмерительной техники, создание специального оборудования, в частности, вибровозбудителей эксцентрикового типа, а также соответствующих стендов.
В результате проведенных исследований были изучены физическая природа, характер возбуждения и распространения вибрации по корпусу и его конструкциям. Для практических нужд надводного кораблестроения разработаны методы расчетного прогнозирования (на стадии проектирования корабля) уровней ходовой вибрации его корпуса, а также динамических характеристик таких корпусных конструкций, как стенки цистерн, переборок и наружной обшивки. Это потребовало создания и существенного развития общей теории вибрации корабля, основы которой были заложены академиками А.Н.Крыловым и Ю.А.Шиманским.
В работах Н.Н.Бабаева, С.Д.Дорофеюка, В.С.Чувиковского, В.Г.Лентякова, А.К.Сборовского и ряда других сотрудников ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, а также специалистов 1-гоЦНИИМО Я.Ф.Шарова, В.Д.Боярского и других исследованы характеры и закономерность распространения вибрации на ряде кораблей ВМФ, разработаны методы практических расчетов общей ходовой вибрации корпуса и корпусных конструкций, принципы их рационального проектирования. Одновременно установлены нормы, ограничивающие амплитуды колебаний корпуса надводного корабля, и нормы, обеспечивающие вибрационную прочность его корпусных конструкций. Были исследованы: особенности вибрации основных типов кораблей с динамическими принципами поддержания, завершившиеся разработкой рекомендаций по расчетной оценке параметров их ходовой вибрации; вибрация крыльевых устройств КПК; разработана схема определения критической скорости флаттера. По результатам исследований составлены методика и требования к выполнению расчетов вибрации корпуса и крыльевых устройств КПК.
В обеспечение проектирования надводных кораблей с развитым авиационным вооружением исследована вибрация большепролетных палубных перекрытий этих кораблей и разработаны рекомендации по выбору их конструкций, исходя из необходимости предотвращения возможности их повышенной вибрации.
Значительное место в комплексе работ по обеспечению необходимых вибрационных качеств надводных кораблей занимали также систематически проводившиеся вибрационные испытания головных кораблей. Были спроектированы и созданы ряд виброгенераторов большой мощности для лабораторных и натурных вибрационных исследований, стенды усталостных испытаний в агрессивной среде, имитирующей морскую воду, крупногабаритных образцов различных типов сварных соединений элементов корпусных конструкций, а также вибропреобразователи повышенной чувствительности в расширенном диапазоне частот. Руководителями и основными творческими исполнителями этих работ явились Е.Н.Щукина, Э.И.Иванюта, Ю.Н.Шавров, Ю.А.Никольский, О.Н.Лычев, В.И.Поляков, Ф.П.Щуйгин и др.
Необходимость активного воздействия на уровни вибрации корпусов подводных лодок обусловливалась увеличением скоростей их подводного хода, а также предъявлением к ПЛ повышенных требований в отношении их акустической скрытности. На начальном этапе для оценки ожидаемых уровней ходовой вибрации подводных лодок в процессе их проектирования использовались методы, разработанные для надводных кораблей, откорректированные с учетом наиболее существенных отличий.
С середины 60-х годов, в связи с общей проблемой повышения акустической скрытности ПЛ, выполнялись теоретические исследования распределения амплитуд ходовой вибрации совместности по длине корпуса одно- и двухвальных лодок, необходимые для оценки параметров их гидроакустических полей в инфразвуковом диапазоне частот и влияния на параметры этой вибрации совместности колебаний системы “гребной винт-валопровод-ГУЛ-корпус”. Были спроектированы и построены вибрационные машины специально для возбуждения колебаний лодочных корпусов при их акустических испытаниях, выполнена строгая расчетная оценка величин гидродинамических сил от работы гребных винтов и разработаны рекомендации по методам и средствам снижения ходовой вибрации.
В последующие годы изучалось влияние на вибрацию различных конструкций ПЛ скоростного потока, в частности, рассматривались вопросы возникновения гидроупругой неустойчивости обшивки наружного корпуса в потоке, на демпфирование колебаний корпусных конструкций, поведение в потоке выступающих частей и др. Одновременно продолжались исследования общей ходовой вибрации корпуса современных ПЛ и ее связи с их внешним гидроакустическим полем с учетом конструктивных особенностей лодок. Разрабатывались расчетные математические модели и программы практических расчетов.
Взрывостойкость
После окончания второй мировой войны были кардинально пересмотрены принципы защиты кораблей от поражающего действия морского оружия. В связи с появлением ядерного оружия основным видом защиты была признана противоатомная защита (ПАЗ), призванная обеспечить взрывостойкость корпуса корабля, защиту его оборудования от ударных нагрузок, защиту экипажа от светового излучения и радиоактивного заражения.
Исследования в области ПАЗ кораблей были развернуты в начале 50-х годов. Они проводились в ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова под руководством члена-корреспондента АНСССР В.В.Новожилова, в филиале 12-го НИИМО под руководством Ю.С.Яковлева, в 1-м ЦНИИМО под руководством Ф.С.Шлемова, а также в ряде других организаций промышленности и Минобороны. За короткий срок (5-7 лет) трудами перечисленных ученых и руководимых ими коллективов были разработаны теоретические основы воздействия основного поражающего фактора ядерного взрыва — ударной волны на корабельные конструкции, а также первые (временные) методики расчета динамической прочности и сотрясений корпусных конструкций кораблей от воздействия подводного и воздушного ядерного взрывов. Наибольший вклад в эти работы внесли, помимо вышеуказанных руководителей работ, А.А.Александрин, Ю.В.Горяинов, Б.В.Замышляев, И.И.Дехтяр, И.Л.Дикович, М.Н.Лефонова, К.В.Лопухов, Г.С.Мигиренко, И.Л.Миронов, И.Д.Пивен, А.К.Перцев, Л.И.Слепян, Л.В.Фремке.
Изучением параметров ударной волны ядерного взрыва, в том числе вблизи свободной поверхности, занимался Институт химической физики АН СССР (академики С.А.Христианович, М.А.Садовский). Результаты теоретических исследований в этой части были экспериментально проверены при проведении натурных испытаний кораблей на действие ядерных взрывов в 1955г.
В 1958-1959гг. были проведены уникальные испытания на взрывостойкость подводной лодки проекта 613 (С-45) под научным руководством Ф.С.Шлемова. При испытаниях впервые использовались шнуровые заряды; в последующих натурных испытаниях методика их использования для имитации ударной волны подводного ядерного взрыва неоднократно совершенствовалась. На основании результатов испытаний определен безопасный радиус для дизель-электрических лодок послевоенной постройки, выявлены их слабые места в корпусных конструкциях и оборудовании, откорректированы нормативно-методические материалы по оценке взрывостойкости при воздействии ударной волны подводного ядерного взрыва. Все это позволило при проектировании атомных подводных лодок первого поколения включать в тактико-техническое задание (ТТЗ) обоснованные требования по величине безопасного радиуса (по прочности корпуса) при действии подводного ядерного взрыва.
В 60-70-е годы был проведен комплекс теоретических исследований сотрясений оборудования и вооружения подводной лодки при подводном ядерном взрыве (Ю.С.Крючков, Н.Л.Мошенский, Н.С.Каратеев), а также натурных испытаний на взрывостойкость ПЛ и натурных стендов с комплексами ракетного оружия и энергетического оборудования. На основании результатов этих исследований и испытаний разработаны руководящие технические материалы (РТМ) по обеспечению взрывостойкости ПЛ, в частности:
требования ВМФ к противоатомной защите подводных лодок;
правила и методы расчета динамической прочности и сотрясений подводной лодки при действии ударной волны подводного ядерного взрыва;
конструктивные меры по защите ракетного оружия;
нормы ударостойкости механизмов и оборудования.
Использование РТМ, ОКР, выполненных в обеспечение конкретных проектов лодок, в практике проектирования атомных подводных лодок второго поколения позволило обеспечить определенный уровень взрывостойкости не только по корпусу, но и по кораблю в целом.
При проектировании третьего поколения подводных лодок в ТТЗ включался пункт о необходимости обеспечения безопасного радиуса. В связи с увеличением предельных глубин погружения, усложнением архитектуры и применением на ряде проектов новых корпусных материалов проведен большой объем НИОКР, в особенности по ПЛ проектов 941 и 945. В результате были разработаны методы расчета динамической прочности сложных узлов корпуса (крепление модулей, всплывающих камер и контейнеров, межкорпусные связи и др.), произведена их экспериментальная проверка на опытных крупномасштабных отсеках, предложены и проверены схемы конструктивной амортизации оборудования, подтверждена достаточная взрывостойкость корпусных конструкций из высокопрочных сталей и титановых сплавов.
Экспериментальные исследования проводились в основном на полигоне Ладожского озера в районе Лахденпохья. В 1982г. на территории ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова создан стенд для проведения испытаний масштабных конструкций на совместное воздействие гидростатичекого давления и взрывной нагрузки, что дало возможность отказаться от проведения глубоководных натурных испытаний (Н.С.Каратеев, В.А.Чернобыльский). Выполнение перечисленных работ и внедрение их результатов в практику проектирования ПЛ третьего поколения позволили решить задачу обеспечения их взрывостойкости на уровне требований ВМФ.
В целях обеспечения взрывостойкости НК исследования проводились применительно как к ядерному взрыву, так и к обычному (преимущественно для кораблей противоминной обороны). В 1957 г. 1-м ЦНИИМО с участием ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова проведены первые испытания на действие неконтактных подводных взрывов на тральщик проекта 254 (научный руководитель - А.Р.Миропольцев). Испытания позволили оценить фактическую взрывостойкость корабля в целом и его отдельных элементов, дали большой экспериментальный материал для разработки методов расчета взрывостойкости кораблей этого класса. В дальнейшем были проведены испытания на взрывостойкость натурных отсеков тральщиков с корпусом из дерева (проект 257Д, 1961г., научный руководитель - А.А.Александров) и стеклопластика (проект 1252, 1963г., научный руководитель - В.Г.Бессонов), испытания головного тральщика проекта 1256 (1976г., научный руководитель - В.М.Худов), а также испытания тральщика МТ-139 проекта 254 (1973 г., научный руководитель - К.Г.Абрамян) с большим объемом измерений параметров, характеризующих воздействие взрыва и реакцию на него корпуса и оборудования корабля. На основании результатов этих испытаний разрабатывались рекомендации по обеспечению взрывостойкости кораблей конкретных проектов, а также соответствующие методы расчета взрывостойкости. При исследовании подводного ядерного взрыва учитывалась отраженная от грунта ударная волна. Исследования выполнялись 1-м ЦНИИМО (разработка “Требований”), филиалом 12-го НИИМО (определение параметров внешних сил), ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова (разработка методов расчета и норм ударостойкости оборудования). Работы завершились составлением комплекса РТМ по обеспечению взрывостойкости надводных кораблей, аналогичного разработанным применительно к подводным лодкам, которые использовались при проектировании всех кораблей, включая авианесущие корабли проекта 1143.
Конструктивная защита
Опыт работы и появление в послевоенные годы новых видов противокорабельного оружия существенно повлияли на основные принципы, опытные работы и практическое применение на кораблях ВМФ конструктивной защиты от поражающих факторов морского оружия. Ушла в прошлое классическая броневая защита тяжелых кораблей от артиллерийских снарядов, противоминная конструктивная защита подводной части корабля стала противоторпедной (ТАВКР 1143.5). Большое внимание стало уделяться противоракетной защите кораблей среднего водоизмещения, а также противопульной защите десантно-высадочных средств.
Работы в области подводной конструктивной защиты (ПКЗ) проводились в 50-е годы применительно к тяжелым крейсерам проектов 69 и 82 и в 70-80-е годы - к авианесущим кораблям проектов 1153 и 11435 под руководством Ф.С.Шлемова.
В ходе этих работ исследовалось влияние отдельных элементов ПКЗ на ее сопротивляемость действию контактного подводного взрыва, а также проводилась опытная проверка различных вариантов ПКЗ на масштабных и натурных отсеках. В результате для строившегося проекта 82 были рекомендованы системы - бортовая ПКЗ с цилиндрической основной защитной переборкой и днищевая ПКЗ в виде тройного дна, сопротивляемость которых подтверждена масштабными испытаниями и соответствовала ТТЗ. Однако из-за прекращения строительства корабля эти системы ПКЗ не были реализованы.
В 60-е годы были рассмотрены принципы надводной конструктивной защиты кораблей применительно к воздействию крылатых ракет. Эти принципы сформулированы 1-м ЦНИИМО в виде общих требований ВМФ к противоракетной конструктивной защите. Выполнен большой комплекс теоретических и экспериментальных работ в обеспечение проектирования и строительства корабля проекта 1144 (главный конструктор В.Е.Юхнин).
В результате разработаны рекомендации по проектированию и расчету конструктивной защиты надводных кораблей от ракет с фугасно-осколочными БЧ, а также создан альбом типовых конструкций защиты. Большое внимание уделялось отработке композитных конструкций, применение которых, как показали испытания, приводит к уменьшению массы конструкции защиты. Наибольший вклад при этом внесли Ю.А.Артамонов, В.Г.Бессонов, В.Е.Никитин, Г.Л.Никифоров.
В дальнейшем работы выполнялись в рамках комплексной НИР (КНИР) “Бастион” (научные руководители В.В.Дмитриев, Н.С.Каратаев). Были исследованы вопросы моделирования взрывных и ударных процессов, сопровождающих воздействие ракет на конструкции защиты, проведен большой объем испытаний масштабных и натурных конструкций защиты на подрывных площадках, на судне-мишени и на разгонных треках. Для изучения процессов высокоскоростного взаимодействия осколков ракет с конструкциями защиты в ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова создан стенд с легкогазовой метательной установкой, на котором отрабатывались фрагменты защиты конструкций из различных материалов.
В рамках КНИР “Бастион” проводились также работы, направленные на создание противоосколочной и противопульной защиты кораблей с динамическими принципами поддержания. ВМФ были разработаны общие требования к уровню их защиты, которые конкретизировались в ТТЗ на проектирование отдельных кораблей, изысканы специальные материалы для защитных конструкций, обладающие повышенной осколочной и пулевой стойкостью по сравнению с традиционными корпусными материалами. Созданы схемы конструктивной защиты, обеспечивающие требуемый уровень стойкости и живучести защиты при характерном для кораблей этого класса жестком ограничении по нагрузке масс. В ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова эти работы выполнялись под руководством А.В.Агафонова, в ЦНИИТС - Б.И.Боброва, в ЦМКБ “Алмаз” - В.А.Булкина. Их выполнение позволило решить задачу обеспечения уровня защиты КДПП второго поколения в соответствии с требованиями ВМФ.
Пожаробезопасность
Актуальность обеспечения пожаробезопасности диктовалась все возрастающим количеством пожаров на кораблях ВМФ. Так, с 1952г. по 1989г. имело место 94 случая пожаров и возгораний на дизельных и около 175 случаев на АПЛ. На НК в этот период произошло около 480 пожаров. Оснащение кораблей ракетным оружием и появление атомной энергетики резко увеличивали степень их пожароопасности.
Ряд крупных аварий, связанных с пожарами и взрывами в машинных выгородках ПЛ проекта 615А, потребовал разработки и установки на ПЛ систем пенного тушения. Первые атомные подводные лодки оснащаются атомной системой пожаротушения реакторных отсеков.
Серьезное внимание обращено на обеспечение взрывопожароопасности ракетных погребов кораблей. С этой целью, например, на ракетном корабле проекта 56М предусматривалось оборудование погреба ингибиторной системой и системой автоматического орошения. Для снятия избыточного давления при аварии корпусные конструкции хранилищ оснащались “слабыми звеньями” в виде выхлопных крышек. Комплекс перечисленных систем срабатывал автоматически при повышениях температуры и давления в ракетном погребе, возникающих вследствие аварийного и боевого повреждения ракет.
На кораблях снижается доля горючих и трудногорючих материалов от общего количества неметаллических материалов, применяемых в кораблестроении. На подводных лодках горючая гидравлическая жидкость заменена на негорючую.
Разработаны и поставлены на снабжение надводных кораблей и подводных лодок индивидуальные переносные дыхательные аппараты (позже ПЛ снабжаются стационарными дыхательными системами). Это привело к увеличению времени защиты органов дыхания личного состава на кораблях.
Несмотря на возросшие возможности по обеспечению положительного исхода аварий при пожаре, ряд факторов требовал ужесточения условий пожаробезопасности. На кораблях возрастало в 2-3 раза количество взрывчатых веществ, в 8 раз выросла масса ракетных топлив, в 2-3 раза увеличился объем хранилищ боезапаса, который стал составлять 9-12% от всего корабельного объема, с учетом же помещений для летательных аппаратов он стал занимать от 15 до 31% объемов корабля, а по протяженности - от 40 до 70% всей длины корпуса корабля. При этом погреба из-за больших габаритов ракет не только не умещались ниже ватерлинии, что было непременным условием расположения артиллерийских погребов, но и выходили на верхнюю палубу, а это приводило к вероятности непосредственного воздействия средств поражения на боезапас.
Повышению опасности возникновения пожаров способствовало многократное увеличение энерговооруженности кораблей за счет использования новых видов энергетических установок, которые работают в условиях высоких температур, давлений, напряжений рабочих сред. Рост суммарной мощности электротехнических систем кораблей привел к усложнению схем распределения электроэнергии. Это десятки распределительных щитов, сотни электродвигателей, тысячи километров кабелей (силового и управления).
Объемные пожары, которые имели место на АПЛ первого поколения, потребовали разработки системы объемного пожаротушения. Огневые натурные испытания опытного образца системы объемного химического пожаротушения с огнегасителем (халдон 114В2 ) были проведены в 1969г. За короткий срок все находившиеся в строю ПЛ были оснащены этими системами.
Результаты данной работы, проведенной под руководством 1-гоЦНИИМО (И.И.Богдашев) при головном исполнителе СПМБ “Малахит” (В.А.Петлин, Г.Б.Шапот, Л.А.Тавдиашвили, И.Н.Павлова), позволили значительно усилить противопожарную защиту кораблей, 60% пожаров на ПЛ было потушено именно системой объемного химического пожаротушения. В 1968-1971 гг. системы пожаротушения были модернизированы.
На НК были установлены: системы автоматической индикации пожара в хранилищах боезапаса, модернизированная арматура на системах орошения, новые типы электрических пожарных водяных насосов, системы объемного химического пожаротушения, а также пенные системы. На ПЛ модернизировалась система пенного тушения и устанавливалась система объемного химического пожаротушения.
Большой объем исследований и экспериментальных работ по проверке достаточности и эффективности систем противопожарной и противовзрывной защиты хранилищ твердотопливных зенитных ракет был проведен 1-м ЦНИИМО. Огневые натурные испытания выполнены на натурном отсеке корабля проекта 61 межведомственной комиссией (председатель В.Н.Буров).
К сожалению, до 1976г. противопожарная и противовзрывная защита хранилищ создавалась без учета особенностей каждого комплекса оружия. На фактическую эффективность системы и средства в натурных условиях не проверялись. Гибель ВПК “Отважный” проекта 61 в 1974г. заставила резко ускорить работы в этом направлении.
На экспериментальной базе силами ряда организаций ВМФ и промышленности были проверены на фактическую эффективность в условиях огневых натурных испытаний все зенитные ракетные комплексы надводных кораблей постройки 70-80-х годов. Проведено 112 огневых опытов в условиях, практически полностью соответствовавших условиям возможных аварий оружия, как при несанкционированном запуске, так и при боевом осколочном поражении. Результаты проведенных исследований позволили выяснить основные опасные факторы аварий в хранилищах боезапаса, разработать и внедрить комплекс мероприятий по совершенствованию существенных систем и средств противопожарной и противовзрывной защиты корабельных хранилищ оружия. Эффективность проведенных работ была подтверждена в 1984г., когда на одном из кораблей Черноморского флота произошла авария, практически идентичная аварии на БПК “Отважный”. Все модернизированные системы и средства хранилища ЗРК “Волна-М” сработали по своему прямому назначению. Носовое хранилище ракетного боезапаса и корабль в целом повреждений не получили.
Впервые в отечественном кораблестроении были разработаны требования к конструктивной противопожарной защите для надводных кораблей. Они внедрены на кораблях проектов 1155.1, 1143, 10540, 11660 и др. Одним из основных путей совершенствования противопожарной защиты признана приоритетность конструктивной противопожарной защиты перед активной противопожарной защитой (АПЗ). Первая определяет максимальный размер возможного пожара, которому должен соответствовать минимально необходимый уровень АПЗ.
К середине 80-х годов специалистами ВМФ и промышленности были разработаны теоретические основы пожаро- и взрывобезопасности кораблей ВМФ, а также методики расчета опасных факторов пожара для различных по своему назначению корабельных помещений, экспериментально подтверждена эффективность применяемых на кораблях систем пожаротушения.
Катастрофа в Норвежском море в 1989г., широкий общественный резонанс вокруг причин гибели новейшей АПЛ “Комсомолец” заставили организации судостроительной промышленности в комплексе решать проблемы живучести ПЛ, в том числе и взрыво - и пожаробезопасности. Анализ причин катастрофы показал, что заложенный внутри прочного корпуса атомных лодок энергетический потенциал при определенных аварийных ситуациях способен выйти из-под контроля экипажа. Технические решения по локализации аварийных ситуаций, несмотря на резервирование, на возможности эффективного подавления аварии в нормальных условиях, не смогли предотвратить гибель ПЛ при определенном сочетании поражающих факторов.
На основании теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в 1989-1993гг., было определено, что локализация пожара, сопровождающегося разгерметизацией систем воздуха высокого давления в замкнутом объеме и повышением давления в нем (3-10 кгс/см2 ), известными на сегодняшний день системами пожароподавления невозможна. Результаты исследований позволили выработать комплекс технических предложений по улучшению живучести подводной лодки в целом, который реализуется при проектировании и строительстве перспективных кораблей ВМФ.