ерживать давление на большой глубине, не давая трещин.
Корпус сделан из стальных пластин толщиной 5 сантиметров сваренных друг с другом. Но вам напрасно кажется, что нужно просто изготовить трубу диаметром 96 сантиметров и этим ограничиться. В корпусе имеются десятки отверстий, в том числе те, которые ведут во внутренние трубы для морской воды. Некоторые трубы для морской воды имеют очень большой диаметр — до 50 сантиметров. Морская вода используется для охлаждения оборудования в машинном отделении или в системе охлаждения в передней части подлодки. Это необходимо. Морская вода также поступает в ёмкости, используемые для выравнивания осадки судна.
Выравнивание происходит путём перегонки воды из передних балластных ёмкостей в задние и наоборот, или путём закачивания в них воды извне, или, наоборот, выкачивания воды наружу. Если операция произведена успешно, то судно будет иметь 1/3 распределения балласта. Это значит, что оно будет сохранять глубину погружения при угле наклона носовых и хвостовых плавников 0 градусов и скорости вперёд 1/3. Распределение балласта для вертикального подъёма производится более точно, чтобы судно могло полностью остановиться и оставаться неподвижным в море.
Гидродинамика играет очень важную роль в дизайне подлодок. Это наука о том, как уменьшить усилие, для того чтобы обеспечить движение корпуса подлодки в воде. Это подводный эквивалент аэродинамики. В обеих науках главная задача — уменьшить лобовое сопротивление (силу, препятствующую движению).
Во время Второй мировой войны нос дизельных подлодок напоминал по форме нос обычного корабля. Это было сделано для увеличения скорости движения на поверхности воды. Современные атомные подлодки спроектированы, чтобы двигаться с максимальной скоростью под водой. Их скорость на поверхности ограничена. Больше мощности необходимо для преодоления сопротивления на поверхности из-за волн. При полном погружении вода обтекает судно со всех сторон легко и ровно, что обеспечивает движение с максимальной скоростью (до 35 узлов, или морских миль в час (при фиксированной мощности подлодки (30 000 л/с для подлодок класса «Лос-Анджелес»).
Дизайн подлодки испытывается с применением компьютерных симуляторов и буксирных ёмкостей. Буксирная ёмкость представляет собой бассейн с находящимся наверху мотором на рельсах. Мотор способен тянуть корпус подлодки в воде, а специальные тросы натяжения измеряют сопротивление модели. Сложные вычисления проводятся для соотнесения сопротивления и реального размера судна. Эти силы соотносят с мощностью, необходимой для движения корабля.
Корпус подлодки спроектирован таким образом, что никакие элементы конструкции не должны выступать из цилиндрической поверхности. Кронштейны, к которым привязываются канаты, удерживающие судно у пирса, смонтированы на шарнирах и убираются внутрь отверстий в корпусе.
Ёмкости для хранения канатов позволяют использовать их, когда судно в следующий раз будет находиться в порту. Количество открытых отверстий на поверхности сведено к минимуму, потому что каждое из них способно породить резонанс, причиной которого может стать набегающий поток воздуха (вспомните музыкантов, которые воспроизводят свист, поднося к губам горлышко пустой бутылки).
Это очень важно, потому что главное оружие подлодки — скрытность, или беззвучность под водой.
Гидродинамика предполагает, что корпус подлодки должен быть тупым и округлым спереди и конусообразный в том месте, где поток стекает с корпуса. Даже парус подлодки сделан обтекаемым.
Если вы посмотрите на парус подлодки сверху, вы увидите, что он имеет форму крыла: округлый спереди и заострённый сзади. Корпус подлодки имеет форму эллипса в районе носа, цилиндра — в средней части, и заострённую в районе винта, что позволяет подлодке аккуратно рассекать набегающий поток воды и ещё более аккуратно возвращать его на место.
Великий изобретатель и художник Леонардо Да Винчи разработал план подводного боевого судна, но хранил его в секрете, потому что боялся, что эта машина сделает будущие войны ещё более смертоносными. Из него бы вышел хороший дизайнер подлодок.
Один факт о сопротивлении жидких тел: оно возрастает пропорционально квадрату скорости. Это означает, что его значение возрастает пропорционально скорости, возведенной в квадрат. Если скорость судна возрастает в два раза, сопротивление возрастает вчетверо. Это означает, что если даже мощность двигателя подлодки возрастет в два раза, то в результате судно может получить прибавку в скорости, равную 10 процентам, а то и вовсе всего лишь 5 процентам.
Одно из правил гидродинамики гласит: если тело выглядит обтекаемым, то оно является таковым.
Корпус подлодки — это 80-сантиметровые пластины из стали HY-80 или HY-100 толщиной около 5 сантиметров, которым придана форма кривой, точно соответствующей диаметру подлодки, и которые затем размещены поверх обручей каркаса судна. Каркас также состоит из стальных балок, которым тоже придана форма корпуса подлодки.
Для того чтобы узнать, насколько точно сваренный стальной каркас судна повторяет форму круга, необходимо придерживаться допусков. Стальным обручам стараются максимально придать форму цилиндра, образуемого пластинами. После этого два элемента сваривают между собой. В тех местах, где пластины и обручи просто касаются друг друга, используется электросварка с частичным проваром. А там, где пластины образуют стык, применяется технология сварки с полным проваром. В последнем случае две пластины укладываются и отрезаются таким образом, чтобы соединение по форме напоминало английскую букву V.
При сварке используется ток высокого напряжения с применением инертной среды, для того чтобы металл перешёл в жидкое состояние и испарился, а жидкий металл застывает по форме стыка. Когда металл остывает, он снова возвращается в твердое состояние.
Сварка производится послойно подобно тому, как вы мажете масло на хлеб (как если бы вы захотели нанести на кусок хлеба слой масла толщиной 5 сантиметров). Чтобы убедиться в том, что все швы и стыки проварены хорошо, проводят рентген или радиографию мест сварки.
Если сварка проходит контроль, то всю поверхность подлодки подвергают закаливанию, во время которого её температура достигает 65 % температуры плавления стальных пластин. Это помогает укрепить сварные швы.
Вы можете предположить, что потребуется целая неделя, чтобы приварить все пластины корпуса подлодки. Но когда эта процедура закончена и рентген показал положительный результат, экипаж подлодки может быть уверен в том, что корпус выдержит давление на больших глубинах.
Откуда берётся такое давление? Оно происходит от веса воды над головой. Кубический метр морской воды имеет массу примерно 930 кг. Представьте на минуту, что вы ничего не весите. Если вы поместите себя в стеклянный куб 1 × 1 × 1 метр, а затем поместите куб в воду так, что над поверхностью куба будет 1 метр воды, то сверху на куб будет действовать сила тяжести, равная 930 кг.
Если куб заполнить не водой, а воздухом, то на куб будет действовать сила, пытающаяся вытолкнуть куб на поверхность. Давление происходит из массы двух метров воды над головой, что составляет 1860 кг. (Минутку, — скажете вы, — на дно куба давит лишь 930 кг, потому что это вся масса куба. Это неправильно, нижняя поверхность куба испытывает на себе такое же давление, как и окружающая вода на глубине 2 метра, что составляет 1860 кг на квадратный метр.) Так как воду невозможно сжать, каждая молекула воды испытывает одинаковое давление, вот почему давление на дно куба равно давлению окружающей воды.
Несоответствие давления на верхнюю часть куба, которое тянет куб вниз (930 кг на квадратный метр), и давления на дно куба, которое выталкивает куб на поверхность (1860 кг на квадратный метр) порождает выталкивающую силу равную 930 кг на квадратный метр. Эта свойство названо плавучестью. Ваш куб вылетит из воды, как надувной мяч, если в него не положить никакого груза. Если вы положите в куб груз в 930 кг, то он не вылетит из воды. На глубине 1 метр на куб действуют одинаковые силы — тяжести и выталкивающая сила, и он плывет на глубине 1 метра под поверхностью воды.
Как плавучесть достигается весом воды.
Поместите стеклянный куб на глубину 1 метра в океан:
Силы, действующие на стеклянный куб:
Сила давления на стеклянный куб:
Нейтральная плавучесть:
Теперь давайте поместим куб гораздо глубже, на глубину 300 метров под воду. Сила, выталкивающая куб на поверхность, все равно осталась на 930 кг сильнее, чем сила тяжести, тянущая куб на дно. Но теперь на верхнюю часть куба давит 930 × 300 = 27 900 кг, а на дно действует сила, равная 27 930 кг, которая выталкивает куб на поверхность. Боковые стенки куба испытывают давление 279 465 кг. Будем надеяться, что ваш куб достаточно прочный, чтобы выдержать подобное давление, иначе он просто расплющит вас.
Подобная форма корпуса подлодки является идеальной для того, чтобы выдержать давление океанских глубин. Если вы попытаетесь сжать в руке сырое яйцо, то вам потребуется приложить некоторое усилие, прежде чем оно расколется. При строительстве подлодок используется тот же принцип, когда изогнутая поверхность способна выдержать весь отведенный ей вес. Тем не менее точечная сила, например иголка, способна без особых усилий проткнуть скорлупу. Это справедливо и для корпуса подлодки — он спокойно выдерживает давление морских глубин, но не выдержит точечног