текст
Обрести равновесие: что помогает кораблю держаться на воде
Единственный непревзойденный специалист в вопросах равновесия — это природа. Человеку ее не догнать! Но догонять необходимо. Например, очевидно, что экипажу корабля, раскачиваемого волнами, надо четко представлять положение судна, из которого его выводит качка. Такое положение называется равновесной посадкой. Контролировать ее «на глазок» в штормовом море невозможно, но без контроля кораблю не выжить. А приборов, которые бы этим занимались, еще недавно не существовало. Разработать их заставили трагедии на отечественном флоте.
8 АПРЕЛЯ 1970 ГОДА в третьем отсеке К-8, атомной подводной лодки первого поколения, раздался аварийный сигнал. Экипаж принял его за учебную тревогу, но вскоре сигнал повторился в седьмом отсеке — там загорелся патрон регенерации воздуха. Возгорание быстро переросло в пожар. Матросы из соседних помещений бросились задраивать люки, слыша крики товарищей, которые уже задыхались от угарного газа. В седьмом отсеке добровольно остались четверо офицеров, чтобы заглушить реакторы — на АПЛ их два — и избежать атомной катастрофы. После этого остановились турбины и генераторы — корабль оказался обесточен. Продув балласт, лодка всплыла на поверхность океана. Но открыть люк из восьмого отсека на верхнюю палубу не могли несколько часов — почти все его заложники отравились газом. Четверо суток моряки боролись с огнём, который охватывал один отсек за другим. Болгарское торговое судно «Авиор» пришло на помощь и эвакуировало 43 человека, затем подоспели теплоходы «Комсомолец Литвы» и «Касимов». В ночь с 10 на 11 апреля начался шторм, взять подлодку на буксир не смогли — канаты рвались. Когда эвакуировали последних желающих, из воды торчал только нос с рубкой. После того, как в двух кормовых отсеках выгорели уплотнения забортных кабелей, в корпус хлынула вода. Лодка наклонилась на корму — возник так называемый отрицательный дифферент, который быстро увеличивался, — и устремилась под воду. Вместе со своим кораблём погибли 52 моряка.
К-8 – атомная подводная лодка (АПЛ) первого поколения. Фото: www.novosti-n.org
ОСТОЙЧИВОСТЬ — это способность возвращаться в положение равновесия после того, как прекратится воздействие внешних сил. Поперечным колебаниям судна (крену) противостоит поперечная остойчивость, а отклонениям в продольной плоскости корабля (дифференту) — продольная. Особенно чувствительны к дифферентам длинные подводные лодки: дополнительная весовая нагрузка, возникающая при затоплении носового или кормового отсеков, действует на большом плече относительно центра тяжести корабля и существенно нарушает общий баланс. И чем глубже погружаются концевые отсеки, тем интенсивнее они затопляются. Поэтому продольная остойчивость для ПЛ имеет первостатейную важность.
ДИФФЕРЕНТЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПЛ, компенсируются перекладкой горизонтальных гидродинамических рулей. На лодке, не имеющей хода, эти рули не способны воздействовать на пространственное положение. В этом случае противостоять дифференту можно, лишь манипулируя балластными цистернами, которые находятся в носу, корме и вдоль бортов. Одни цистерны прокачиваются, другие заполняются забортной водой, и ПЛ приводится к состоянию равновесной посадки — как при спокойном море. Такой посадке соответствуют нулевые значения углов крена и дифферента, а погружение корпуса в воду должно соответствовать расчетному значению, т. е. по конструктивную ватерлинию.
Казалось бы, все несложно. А если фактическая посадка лодки даже при отсутствии качки не соответствует равновесной из-за повреждений? В этом случае углы крена и дифферента не равны нулю, а осадка (уровень погружения) оказывается не по конструктивную ватерлинию. Борясь за выживание ПЛ в аварийной ситуации, необходимо постоянно отслеживать возможные изменения параметров посадки, чтобы не допустить их выхода за критические значения, после которых восстановить равновесие уже невозможно. Сделать это, находясь внутри корпуса лодки, которая раскачивается одновременно в трех направлениях, очень непросто — вестибулярный аппарат человека в подобной ситуации подводит, а средств объективного контроля пространственного положения ПЛ не было.
Подводная лодка «Комсомолец» на глубине 1685 м в Норвежском море. Иллюстрация: Richard Schlecht, www.defence.ru
Стартовая платформа «Одиссей». Фото: www.danielmarin.naukas.com
ДИФФЕРЕНТЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПЛ, компенсируются перекладкой горизонтальных гидродинамических рулей. На лодке, не имеющей хода, эти рули не способны воздействовать на пространственное положение. В этом случае противостоять дифференту можно, лишь манипулируя балластными цистернами, которые находятся в носу, корме и вдоль бортов. Одни цистерны прокачиваются, другие заполняются забортной водой, и ПЛ приводится к состоянию равновесной посадки — как при спокойном море. Такой посадке соответствуют нулевые значения углов крена и дифферента, а погружение корпуса в воду должно соответствовать расчетному значению, т. е. по конструктивную ватерлинию.
Казалось бы, все несложно. А если фактическая посадка лодки даже при отсутствии качки не соответствует равновесной из-за повреждений? В этом случае углы крена и дифферента не равны нулю, а осадка (уровень погружения) оказывается не по конструктивную ватерлинию. Борясь за выживание ПЛ в аварийной ситуации, необходимо постоянно отслеживать возможные изменения параметров посадки, чтобы не допустить их выхода за критические значения, после которых восстановить равновесие уже невозможно. Сделать это, находясь внутри корпуса лодки, которая раскачивается одновременно в трех направлениях, очень непросто — вестибулярный аппарат человека в подобной ситуации подводит, а средств объективного контроля пространственного положения ПЛ не было.
После гибели «Комсомольца» на одно из судостроительных предприятий возложили разработку комплекса аппаратных средств для объективного контроля параметров посадки аварийной ПЛ, находящейся в штормовом море.
ПРЕЖДЕ ЧЕМ ПРИСТУПИТЬ к конструированию будущих приборов, разработчикам предстояло найти алгоритм решения непростой задачи: как из огромного массива показаний датчиков вычленить те равновесные значения, относительно которых происходят колебания.
Опытно-конструкторская работа стартовала в 1993 году. По итогам расчетов и экспериментов к использованию был принят алгоритм, предложенный профессором Севастопольского Приборостроительного института Ю. И. Нечаевым. Согласно принятому алгоритму, следовало в реальном времени непрерывно измерять текущие значения всех трех параметров посадки корабля. В бушующем море все они носят случайный характер, поэтому Нечаев предложил накапливать значения за определенный период, усреднять их, а потом дополнять результаты поправками, вычисляемыми с учетом угловых и линейных ускорений.
КОМПЛЕКТ ПРИБОРОВ, функционирующий в соответствии с принятым алгоритмом, включает в себя датчики значений крена, дифферента и осадки. Датчики, предназначенные для измерения углов крена и дифферента, унифицированы между собой. Датчик крена размещается в плоскости мидель-шпангоута лодки (вертикальная поперечная плоскость, проходящая посередине длины судна), а датчик дифферента — в ее диаметральной плоскости. Оба датчика измеряют значения избыточного давления либо разрежения, возникающих при изменениях пространственного положения приборов, жестко связанных с элементами конструкции корабля.
ПРЕЖДЕ ЧЕМ ПРИСТУПИТЬ к конструированию будущих приборов, разработчикам предстояло найти алгоритм решения непростой задачи: как из огромного массива показаний датчиков вычленить те равновесные значения, относительно которых происходят колебания.
Опытно-конструкторская работа стартовала в 1993 году. По итогам расчетов и экспериментов к использованию был принят алгоритм, предложенный профессором Севастопольского Приборостроительного института Ю. И. Нечаевым. Согласно принятому алгоритму, следовало в реальном времени непрерывно измерять текущие значения всех трех параметров посадки корабля. В бушующем море все они носят случайный характер, поэтому Нечаев предложил накапливать значения за определенный период, усреднять их, а потом дополнять результаты поправками, вычисляемыми с учетом угловых и линейных ускорений.
КОМПЛЕКТ ПРИБОРОВ, функционирующий в соответствии с принятым алгоритмом, включает в себя датчики значений крена, дифферента и осадки. Датчики, предназначенные для измерения углов крена и дифферента, унифицированы между собой. Датчик крена размещается в плоскости мидель-шпангоута лодки (вертикальная поперечная плоскость, проходящая посередине длины судна), а датчик дифферента — в ее диаметральной плоскости. Оба датчика измеряют значения избыточного давления либо разрежения, возникающих при изменениях пространственного положения приборов, жестко связанных с элементами конструкции корабля.
Подводная лодка «Комсомолец» на глубине 1685 м в Норвежском море. Иллюстрация: Richard Schlecht, www.defence.ru
НАДО ОТДАТЬ ДОЛЖНОЕ нашим ученым — они нашли довольно простое решение. Датчики реагируют на изменение давлений жидкости и воздуха. Чувствительный элемент приборов — мембранная коробка, с внутренней полостью которой герметично соединена трубка, имеющая на противоположном конце эластичную диафрагму. Все пространство между диафрагмой и мембранной коробкой под вакуумом заполнено жидкостью. В горизонтальном положении трубки ни давления, ни разрежения в мембранной коробке не возникает.
Когда при крене (или дифференте) корабля конец трубки, ограниченный диафрагмой, оказывается выше мембранной коробки. В ее полости в этот момент появляется избыточное давление столба жидкости, а при наклоне в противоположную сторону конец трубки оказывается ниже мембранной коробки, в полости которой создается разрежение. Эластичная диафрагма, практически лишенная жесткости, компенсирует тепловое расширение жидкости и колебания давления воздуха в отсеках ПЛ. Упругий прогиб мембранной коробки под воздействием давления (либо разрежения) приводит к линейному перемещению сердечника электрического преобразователя. Если сердечник в исходном положении, датчик показывает нулевое значение. При перемещении сердечника на выходе преобразователя возникает сигнал соответствующей полярности. Датчики крена и дифферента отличаются друг от друга лишь длиной заполненной жидкостью трубки (в случае с дифферентом она длиннее).
Когда при крене (или дифференте) корабля конец трубки, ограниченный диафрагмой, оказывается выше мембранной коробки. В ее полости в этот момент появляется избыточное давление столба жидкости, а при наклоне в противоположную сторону конец трубки оказывается ниже мембранной коробки, в полости которой создается разрежение. Эластичная диафрагма, практически лишенная жесткости, компенсирует тепловое расширение жидкости и колебания давления воздуха в отсеках ПЛ. Упругий прогиб мембранной коробки под воздействием давления (либо разрежения) приводит к линейному перемещению сердечника электрического преобразователя. Если сердечник в исходном положении, датчик показывает нулевое значение. При перемещении сердечника на выходе преобразователя возникает сигнал соответствующей полярности. Датчики крена и дифферента отличаются друг от друга лишь длиной заполненной жидкостью трубки (в случае с дифферентом она длиннее).
Стартовая платформа «Одиссей». Фото: www.danielmarin.naukas.com
ОСАДКА ПЛ КОНТРОЛИРУЕТСЯ парой датчиков перепадов давления с разными пределами измерения. Динамическая полость каждого из них связана с забортным пространством под днищем лодки, а статическая — с атмосферой. Датчики установлены на разных уровнях в одной вертикальной плоскости. В зависимости от фактического значения осадки перепад давления в обоих датчиках изменяется с учетом уровня их размещения. По мере увеличения или снижения осадки показания снимаются с верхнего или нижнего датчика. При пересчете перепада давления в осадку учитываются текущие значения углов крена и дифферента.
Также в комплект приборов входят блок вторичных преобразователей всех четырех датчиков и информационно-вычислительный блок (ИВБ) — мини-ЭВМ, запрограммированная для реализации алгоритма перехода от измеренных текущих к равновесным значениям параметров посадки корабля.
ПЕРВЫМ МЕСТОМ СЛУЖБЫ комплекса КПОРП стал головной корабль из серии АПЛ IV поколения. Для адаптации приборов к конкретному кораблю в память ИВБ загрузили необходимые фактические значения параметров корабля, а выходные сигналы КПОРП завели в автоматику управления общекорабельными системами этой АПЛ. Учитывая, что КПОРП должен надежно функционировать именно в аварийных ситуациях (возгорание или затопления отдельных отсеков АПЛ), они включены в корабельную сеть бесперебойного электропитания, а приборы комплекта дублированы и разнесены по разным отсекам. Хотя в повседневных условиях КПОРП находится в «спящем» режиме, его приборы постоянно остаются под питанием, а электрические цепи подвергаются периодическому контролю.
После стендовых, а затем и заводских швартовных испытаний в составе корабля функционирование КПОРП проверялось в реальных морских условиях при штормовом воздействии (только без создания аварийной ситуации). По результатам всего комплекса испытаний принято решение о создании модификации КПОРП, адаптированной к другому проекту АПЛ также IV поколения. Сейчас разрабатывается техническое задание на разработку аналога КПОРП для надводных кораблей, где условия эксплуатации существенно отличны от таковых на АПЛ. В будущем аналогичные комплексы должны стать непременным атрибутом проектируемых кораблей различных классов — ведь море остается морем, иногда бушующим.
Также в комплект приборов входят блок вторичных преобразователей всех четырех датчиков и информационно-вычислительный блок (ИВБ) — мини-ЭВМ, запрограммированная для реализации алгоритма перехода от измеренных текущих к равновесным значениям параметров посадки корабля.
ПЕРВЫМ МЕСТОМ СЛУЖБЫ комплекса КПОРП стал головной корабль из серии АПЛ IV поколения. Для адаптации приборов к конкретному кораблю в память ИВБ загрузили необходимые фактические значения параметров корабля, а выходные сигналы КПОРП завели в автоматику управления общекорабельными системами этой АПЛ. Учитывая, что КПОРП должен надежно функционировать именно в аварийных ситуациях (возгорание или затопления отдельных отсеков АПЛ), они включены в корабельную сеть бесперебойного электропитания, а приборы комплекта дублированы и разнесены по разным отсекам. Хотя в повседневных условиях КПОРП находится в «спящем» режиме, его приборы постоянно остаются под питанием, а электрические цепи подвергаются периодическому контролю.
После стендовых, а затем и заводских швартовных испытаний в составе корабля функционирование КПОРП проверялось в реальных морских условиях при штормовом воздействии (только без создания аварийной ситуации). По результатам всего комплекса испытаний принято решение о создании модификации КПОРП, адаптированной к другому проекту АПЛ также IV поколения. Сейчас разрабатывается техническое задание на разработку аналога КПОРП для надводных кораблей, где условия эксплуатации существенно отличны от таковых на АПЛ. В будущем аналогичные комплексы должны стать непременным атрибутом проектируемых кораблей различных классов — ведь море остается морем, иногда бушующим.
Технологии
Константин Ришес
Машины и Механизмы
Всего 0 комментариев
Первые на Марсе
Загадки Венеры: что мы знаем о второй планете Солнечной системы
В небо из-под воды 
