Как работает подводная лодка

Подводная лодка ныряет и всплывает, меняя собственный вес. Между прочным корпусом, в котором живут люди, и внешней оболочкой у неё расположены балластные цистерны - пустые объёмы, сообщающиеся с забортной водой. Пока в них воздух, лодка легче вытесненной ею воды и держится на поверхности. Стоит выпустить воздух через клапаны сверху, вода сама войдёт снизу, вес сравняется с выталкивающей силой, и корабль уйдёт под воду. Чтобы всплыть, воздух из баллонов высокого давления вытесняет воду обратно. Всё остальное - рули, ход, дифферентовка - лишь тонкая настройка над этой простой физикой.

Закон, на котором всё держится

Любое тело в воде выталкивается вверх с силой, равной весу вытесненной им воды. Если вес тела меньше этой силы, оно всплывает, если больше - тонет, если ровно равен, остаётся в равновесии на любой глубине.

Три состояния и получили названия. Положительная плавучесть - лодка стремится наверх, отрицательная - вниз, нулевая - висит в толще воды. Надводный корабль всегда имеет большой запас положительной плавучести, и это его страховка: пробоина отнимает часть запаса, но не топит. Подводная лодка по построению обязана уметь сводить свой запас в ноль, и в этом её принципиальное отличие от всех остальных судов. Отсюда же вся суровость её конструкции: у неё нет права на ошибку в расчёте веса.

Запас плавучести в надводном положении у лодки составляет обычно от десяти до тридцати процентов водоизмещения - это как раз тот объём, который занимают главные балластные цистерны.

Балластные цистерны: как впускают воду

Главные балластные цистерны расположены вне прочного корпуса, чаще всего в междубортном пространстве или в оконечностях. Внутрь корабля вода при погружении не заходит нигде.

Каждая цистерна имеет два отверстия. Снизу - кингстоны или просто открытые шпигаты, постоянно сообщающиеся с забортной водой. Сверху - клапаны вентиляции, выпускающие воздух наружу. Пока клапаны вентиляции закрыты, запертый воздух не даёт воде подняться, и цистерна остаётся пустой независимо от того, открыты кингстоны или нет. Команда на погружение - это открытие клапанов вентиляции: воздух с рёвом уходит вверх, вода без всяких насосов входит снизу под давлением столба, и лодка садится в воду.

Всплытие устроено обратным образом. Клапаны вентиляции закрываются, в цистерны подаётся воздух из баллонов высокого давления, где он хранится под давлением в сотни атмосфер, и вода выдавливается наружу через те же нижние отверстия. Запас воздуха на борту конечен, пополняется он компрессорами только на поверхности или под шноркелем, и потому расходуется экономно. Ещё один способ всплытия - продуть цистерны выхлопными газами дизеля или работать рулями на ходу, экономя воздух.

Тонкая настройка веса

Главные цистерны грубы: они бывают либо полными, либо пустыми. Но для нулевой плавучести нужна точность до сотен килограммов при водоизмещении в тысячи тонн, а вес лодки постоянно меняется - расходуются топливо, продукты и пресная вода, выпускается или принимается груз.

Для этого служат уравнительные цистерны внутри прочного корпуса. В них насосом принимают или откачивают воду небольшими порциями, добиваясь состояния, когда лодка висит неподвижно. Процедуру называют дифферентовкой, и выполняют её после каждого выхода в море.

Вес воды меняется и сам по себе. Пресная вода имеет плотность около 1000 килограммов на кубометр, морская - примерно 1025, и разница в два с половиной процента для лодки водоизмещением в несколько тысяч тонн означает десятки тонн выталкивающей силы. Переходя из моря в опреснённые воды реки или в холодный плотный слой, лодка мгновенно становится тяжелее или легче и требует перебалансировки. Существует и явление, известное морякам как жидкий грунт: слой воды пониженной плотности, на котором корабль проваливается вниз, будто под ним исчезла опора.

Отдельно от уравнительных работают дифферентные цистерны в носу и корме. Перекачивая воду между ними, лодку выравнивают по продольному наклону, чтобы она шла ровно, а не носом вниз.

Рули и ход

Балласт задаёт глубину только в неподвижном состоянии. На ходу главным инструментом становятся горизонтальные рули - небольшие крылья в носу или на рубке и в корме. Поворачиваясь, они работают точно как крыло: набегающий поток создаёт на них подъёмную или прижимающую силу, и лодка удерживается на глубине динамически, а не за счёт точного равенства весов.

Это гораздо быстрее и точнее балласта. Изменить глубину на десятки метров рулями можно за секунды, тогда как перекачка воды занимает минуты. Но у динамического управления есть очевидное условие: нужен ход. На малой скорости рули бесполезны, и всё возвращается к аккуратной дифферентовке.

Кормовые рули отвечают в основном за угол наклона корпуса, носовые - за плавное изменение глубины без задирания носа. Вертикальный руль поворачивает лодку по курсу, а движителем служит гребной винт, к которому здесь предъявляют особое требование бесшумности: кавитационный треск слышно за десятки миль, поэтому лодочные винты делают многолопастными, саблевидными и вращают медленно.

Прочный корпус и глубина

Давление воды растёт примерно на одну атмосферу каждые десять метров. На стометровой глубине снаружи давит одиннадцать атмосфер, на трёхсотметровой - тридцать одна. На каждый квадратный метр обшивки это сотни тонн.

Держит эту нагрузку прочный корпус - цилиндр из толстой стали со сферическими или коническими переборками на концах. Форма выбрана не случайно: цилиндр и сфера распределяют внешнее давление равномерно, работая на сжатие, а любой плоский участок пришлось бы подпирать мощным набором. Внутри цилиндр усилен шпангоутами, а корпус разделён прочными переборками на отсеки, чтобы поступление воды в один не погубило корабль.

Опасность здесь не в постепенной течи, а в потере устойчивости формы: сжатая тонкая оболочка схлопывается внезапно, поэтому у лодок различают рабочую глубину, предельную и расчётную глубину разрушения, между которыми держат солидный запас. Рабочие глубины современных лодок исчисляются сотнями метров.

Всё, что снаружи прочного корпуса, - лёгкий корпус, надстройка, обтекатели, цистерны, - давлению не сопротивляется. Оно свободно заполняется водой и служит только для обтекаемости и размещения оборудования.

Чем дышат внутри

Замкнутый объём с людьми быстро становится непригодным для дыхания по двум причинам сразу: кислород расходуется, а углекислый газ накапливается. Вторая проблема острее первой, потому что человек начинает плохо себя чувствовать от избытка углекислоты задолго до того, как ему не хватит кислорода.

Углекислый газ убирают химическим поглотителем: воздух прогоняют через раствор амина или через щелочные картриджи, которые связывают его. Кислород добавляют по-разному. На атомоходах, где электричество в избытке, ставят электролизёр: он разлагает пресную воду на кислород и водород, кислород идёт в отсеки, водород выбрасывают за борт. Там, где мощности нет, применяют регенеративные пластины на основе перекисных соединений, которые выделяют кислород, одновременно поглощая углекислый газ, и запас сжатого кислорода в баллонах.

Дополняют это фильтры для угарного газа, водорода и следов масел, установка опреснения морской воды и постоянный контроль состава атмосферы. По сути, обитаемая часть лодки - это маленькая замкнутая экосистема, и запас автономности определяется чаще всего не техникой, а продуктами.

Откуда берётся энергия

Здесь проходит главное деление всего подводного флота. Дизель-электрической лодке нужен воздух для работы дизеля, поэтому под водой она идёт на аккумуляторах, а заряжать их выходит на поверхность или на перископную глубину, выставив шноркель - трубу воздухозабора. Батарея даёт полный ход на считаные часы и экономический на несколько суток, после чего надо всплывать, и это её главная уязвимость.

Атомная лодка от воздуха не зависит вовсе. Реактор греет воду, пар крутит турбину, и энергии хватает и на ход, и на электролизёр, и на опреснитель. Ограничение здесь только в продовольствии и выносливости экипажа: первая атомная подводная лодка вышла в море в 1955 году и сразу изменила само представление о том, сколько корабль может находиться под водой.

Промежуточное решение - воздухонезависимые установки на неатомных лодках: двигатели Стирлинга, работающие на запасённом кислороде, или водородные топливные элементы. Они дают не мощность, а автономность: возможность идти малым ходом неделями, не всплывая.

Как лодка видит под водой

Под водой не работает почти ничего из привычного. Свет гаснет в первые десятки метров, радиоволны обычных диапазонов затухают почти сразу, спутниковая навигация недоступна. Единственное, что распространяется в воде отлично, - звук: он идёт со скоростью около 1500 метров в секунду, вчетверо быстрее, чем в воздухе, и на большие расстояния.

Поэтому главный орган чувств лодки - гидроакустика. В пассивном режиме она просто слушает: шум винтов, работу механизмов, биение волн. В активном посылает импульс и ждёт эха, но выдаёт этим своё присутствие, поэтому используется редко.

Звук в море идёт не по прямой. Скорость его зависит от температуры, солёности и давления, и на границах слоёв луч преломляется. Отсюда явление слоя скачка: лодка, ушедшая под резкий температурный перепад, для наблюдателя сверху становится почти неслышимой, а звуковой канал на определённой глубине, наоборот, уносит шум на сотни километров.

Собственное положение лодка считает инерциальной системой: гироскопы и акселерометры непрерывно интегрируют все повороты и ускорения от точки, координаты которой были известны. Ошибка такой системы медленно накапливается, и раз в какое-то время её приходится обнулять, поднимая антенну на поверхность. Связь идёт через сверхдлинные волны, единственные, что проникают на несколько десятков метров вглубь, либо через выпускаемую буксируемую антенну.

Что происходит в аварии

Главная угроза для лодки - неконтролируемое поступление воды: лишний вес быстро превращает нулевую плавучесть в отрицательную и утягивает корабль вниз, а с ростом глубины растёт и давление в пробоине. Отсюда деление на отсеки, способность герметизировать каждый и постоянная тренировка в борьбе за живучесть.

На случай, когда счёт идёт на секунды, есть аварийное продувание главного балласта: воздух высокого давления подаётся сразу во все цистерны, лодка получает большую положительную плавучесть и выскакивает на поверхность, иногда буквально выпрыгивая из воды носом вверх. Помогает и ход: полный передний с переложенными на всплытие рулями поднимает корабль динамически.

Первая лодка, потопившая боевой корабль, сделала это ещё в 1864 году и погибла сама. С тех пор к живучести подводного корабля относятся строже, чем к любому другому классу техники, и почти вся его конструкция объясняется не тем, как он погружается, а тем, что должно произойти, чтобы он гарантированно всплыл.