Стратегическая ПЛ «Алабама» (большая) и многоцелевая ПЛ «Сан-Франциско» (меньшая)
Уровень шумов, создаваемых подводной лодкой, в значительной мере зависит от формы ее корпуса. Поэтому корпусу стремятся придавать более обтекаемый вид с соотношением длины к ширине, равным 6–7, со съемными или убирающимися внутрь межбортного пространства выступающими частями. Неровности корпуса, такие как сварные швы и шероховатость окраски, должны сводиться к минимуму, все отверстия должны по возможности закрываться, а обтекатели гидроакустических станций должны совмещаться с легким корпусом. Для уменьшения шумов от перекладки рулей их располагают впереди или вокруг винта.
Имеется тенденция к увеличению размеров винтов и увеличению количества лопастей. Медленно вращающийся винт большого диаметра с малой периферийной скоростью вызывает меньшую турбулентность потока воды, что ведет к уменьшению уровня шумов.
Увеличение числа гребных валов ведет к большей интенсивности шумов. Поэтому отмечается тенденция к проектированию подводных лодок всего с одним валом, несмотря на снижение при этом маневренных качеств. Исследуется целесообразность применения двух соосно расположенных винтов, вращающихся в разные стороны. Уменьшение шумности при этом объясняется тем, что воде, отбрасываемой винтами, не сообщается вращательное движение. Изучаются возможности создания винтов с лопастями из новых, неметаллических материалов, которые, возможно, будут иметь улучшенные акустические показатели. Ведется борьба с таким существующим на современных лодках нежелательным явлением, как «пение» винта. Из-за недостаточной изученности его природы пока проходят главным образом исследовательские работы.
Борьба с воздушными шумами механизмов внутри подводной лодки осуществляется нанесением шумопоглощающих покрытий и установкой шумопоглощающих экранов. Ведутся работы в направлении совершенствования технологии изготовления механизмов, широкого внедрения гидравлических приводов, усовершенствования систем смазки и амортизации механизмов, создания механизмов и устройств, в которых должны отсутствовать движущиеся части. Для уменьшения шумности главной энергетической установки проектируются атомные двигатели с непосредственным преобразованием атомной энергии в электрическую, что кроме других преимуществ значительно уменьшит шумность главной энергетической установки.
Для уменьшения гидролокационной заметности подводной лодки разрабатываются различные покрытия корпуса, поглощающие излученную энергию поисковых гидролокационных станций противника.
Одним из основных элементов, определяющих скрытность и неуязвимость подводной лодки, является глубина погружения. Современные подводные лодки могут плавать на глубинах 400–600 м, тогда как средняя глубина Мирового океана составляет 6000 м. Освоение субмаринами больших глубин снижает возможности их обнаружения устройствами, способными фиксировать физические поля, которые излучает лодка, находясь в водной среде, или возмущения, вызываемые в ней движением подводной лодки. С увеличением глубины погружения уменьшается вероятность поражения подводных лодок противолодочным оружием, возрастают их собственные возможности по поиску противника за счет использования звуковых подводных каналов, залегающих на больших глубинах. Есть основания полагать, что в сравнительно недалекой перспективе подводные лодки достигнут глубины погружения до 2000 м и более.
Дальнейший рост глубины погружения зависит в первую очередь от повышения прочности корпуса. На глубине 2000 м подводная лодка будет испытывать давление 200 атмосфер. Выдержать его сможет либо очень толстый (и тяжелый) корпус, либо имеющий оптимальную конструкцию из высокопрочных материалов. На современных подводных лодках США на долю прочного корпуса приходится около 20 % массы лодки. Грубо можно считать, что при использовании одного и того же материала утяжеление прочного корпуса прямо пропорционально увеличению глубины погружения подводной лодки. Следовательно, увеличение относительной массы прочного корпуса за счет других составляющих нагрузки позволит увеличить глубину погружения подводных лодок. По мнению американских специалистов, только за счет отказа от ограждения выдвижных устройств (перископов, антенн и т. д.) глубина погружения может возрасти на 4 %. Замена поперечных переборок корпуса рамными шпангоутами позволит увеличить предельную глубину на 7 — 10 %.
Для очень больших глубин придется использовать конструкции в виде многосферных корпусов, состоящих из нескольких сопряженных между собой сферических оболочек. Такой корпус при одной и той же относительной массе будет выдерживать большие гидростатические давления, чем цилиндрический корпус. Однако сложность технологии изготовления сферических многослойных конструкций не позволяет пока реализовать ее промышленным способом.
Кроме улучшения конструкции корпуса подводных лодок важным направлением является разработка новых высокопрочных сталей и других конструкционных материалов. В обозримом будущем предел текучести новых марок стали рассчитывают увеличить в два раза, что при соответствующих конструкциях корпуса позволит подводным лодкам опускаться на километровые глубины.
Гораздо лучшие, чем сталь, характеристики имеют титановые и бериллиевые сплавы, которые, кроме того, устойчивы к воздействию морской воды. Но высокая цена этих материалов не позволяет использовать их в массовом масштабе.
Все более возрастает применение неметаллических конструкционных материалов, обладающие малой плотностью, сравнительно высокой механической прочностью, антикоррозийной стойкостью, не-магнитностью и т. п. Изготовление прочных корпусов подводных лодок из материалов, основанных на стеклопластике, возможно уже в настоящее время.
Одним из важнейших качеств подводной лодки является ее скорость в подводном положении. Существуют два главных направления повышения скоростных качеств подводных лодок. Первое из них — это повышение эффективности энергетических установок подводных лодок, второе — совершенствование гидродинамических свойств их корпуса с целью снижения его сопротивления.
Основным путем повышения эффективности энергетических установок сейчас является увеличение их мощности при снижении удельного веса. В этом смысле перспективными считаются газоохлаждаемый реактор, который при одинаковых энергетических мощностях примерно на одну четверть легче водо-водяного, а также одноконтурные энергетические установки с высокотемпературными реакторами и газовыми турбинами. Проводятся поиски новых способов превращения атомной или химической энергии топлива в механическую. Практическая реализация таких методов сможет значительно повысить подводную скорость.
В более далеком будущем предполагается создание единых движительных установок, работающих по принципу гидрореактивных двигателей с паровой струей или за счет непосредственного использования ядерной энергии для ускорения протекающих через движитель масс воды.
Важным путем увеличения скорости является уменьшение сопротивления воды движению субмарины с помощью улучшения гидродинамических свойств ее корпуса. Это возможно за счет уменьшения шероховатости поверхности корпуса и придания ему рациональных обводов. Но здесь уже почти достигнут предел возможных усовершенствований.
Поэтому сейчас активно ищут пути улучшения гидродинамических свойств корпуса подводной лодки на биотехнической основе. Расчетами установлено, что дельфины развивают скорость, в 8—10 раз превышающую их мускульные возможности, если сопротивление их движению принмать равным обычному в кораблестроении. Этому способствует строение кожного покрова у дельфина и физиологический механизм его регулирования, который приводит кожу дельфина в особое состояние, способное превращать турбулентный (вихревой) поток жидкости, обтекающей тело, в ламинарный (слоистый). Ламинарный режим обтекания жидкостью поверхностей движущихся в ней тел резко уменьшает энергетические затраты на преодоление ее сопротивления.
Перемещение подводной лодки происходит в турбулентном режиме обтекания корпуса водой, и образующиеся при этом вихри оказывают сопротивление движению. Специалисты предлагают способы повышения скорости подводной лодки путем искусственной ламинаризации обтекающего ее корпус турбулентного потока.
Один из методов ламинаризации предполагает удаление или отсос из потока, обтекающего корпус, некоторой части жидкости из области, непосредственно прилегающей к корпусу. Ожидается, что применение отсоса повысит скорость при той же мощности механизмов в 1,5 раза. Предложены также способы, основанные на введении в пограничный слой особых растворов полимерных веществ, обладающих высоким молекулярным весом. Особая структура молекул этих веществ снижает сопротивление трению в 2,5 раза. Возможно также создание между корпусом и водой тонкой воздушной прослойки с замкнутой циркуляцией воздуха, т. е. применение воздушной смазки. Исследуется возможность применения особых покрытий корпуса, близких по строению к коже дельфина.
В современной военной науке подводным лодкам отводится роль грозной наступательной силы, которая будет способна эффективно поражать как морского, так и берегового противника своим торпедным и ракетным оружием.
Несмотря на широкое внедрение ракет, торпеда сохраняет свое значение как эффективное средство поражения морских целей. Развитие торпедного оружия будущего будет идти по направлениям универсализации его по целям и носителям, увеличения скорости, глубины и дальности хода, уменьшения массы и габаритов, дальнейшего совершенствования систем наведения. Зарубежные специалисты считают, что скорость перспективных торпед может возрасти по сравнению с современными в несколько раз и достигнуть 200–300 узлов.
Более перспективным направлением является разработка ракето-торпед, которые первую и последнюю часть пути проходят под водой, как обычные торпеды, а среднюю, основную часть — по воздуху как крылатые ракеты. Этот метод одновременно является и наиболее перспективным путем увеличения дальности действия торпед.