A tengeralattjáró-elmélet a hajóelmélet egyik ága , amely egy tengeralattjáró (tengeralattjáró) tengerjárhatóságát és tulajdonságait vizsgálja egy felszíni hajóhoz ( hajóhoz ) képest.
A hajó általános elméletéhez hasonlóan ez is a fő részeket tartalmazza: felhajtóerő , stabilitás , hajtás és dőlésszög . Néha az általános fizikára hivatkozva a hajó dinamikájára és statikájára általánosítják. Ezen kívül vannak részei: elsüllyeszthetetlenség , tengeri alkalmasság , kezelés , vízre bocsátás. Mivel a tengeralattjárót két fő pozíció jellemzi - felszíni és víz alatti, ezért ezek a tengeralkalmasság, az indítás kivételével, szintén fel vannak osztva felszíni és víz alatti.
A búvárkodás elméletének alapjait először 1578 -ban publikálták az angol William Burne munkájában . [egy]
A tengeralattjárók felszíni felhajtóerejét, a felszíni hajók felhajtóképességéhez hasonló, felhajtóerő-különbözet jellemzi . Ez azt jelenti, hogy a vízvonal (WL) feletti vízzáró térfogatok aránya a teljes vízzáró térfogathoz viszonyítva, és százalékban van kifejezve.
Például, ha a tengeralattjáró teljes térfogata 3000 m³, és a felszíni része 600 m³, akkor a felhajtóerő:
W = 600/3000 * 100 = 20%Ugyanez az arány kifejezhető elmozdulásokban is . Ebben a példában desztillált vízben (1 m³ = 1 t) az elmozdulás a következő lesz
D n \u003d 3000 - 600 \u003d 2400 t,és teljes térfogatának kiszorítása D p = 3000 tonna.. Ekkor
W \u003d (D p - D n ) / D p * 100A víz alatti felhajtóerő alapvetően különbözik a felszíni felhajtóerőtől. Ahhoz, hogy egy csónakot teljesen vízbe merítsen, súlyát a teljes térfogatával kiszorított víz súlyához kell igazítania. Más szóval, a felhajtóerő tartalékának 0%-ra történő kioltása további rakomány ( ballaszt ) fogadásával, a gyakorlatban - külső víz. Fizikai szempontból az is megfontolható, hogy a hajó csökkenti a térfogatát, beengedve a környező tengert a hajótestbe . A tengeralattjárók elméletében az első megközelítést alkalmazzák - a ballasztvizet a hajó, azaz a rakomány tulajdonának tekintik. És azt mondják, hogy a felszíni elmozdulás kisebb, mint a víz alattié. Példánkban - 2400/3000 tonna Amint látja, a felhajtóerő-határ a felszíni és a víz alatti elmozdulások arányában fejezhető ki.
Ha azonban több rakományt visz magával, mint amennyi egy teljesen alámerült tengeralattjáró súlya ( negatív felhajtóerőt hoz létre ), akkor az nem lebeg a víz alatt, hanem elsüllyed – folytassa a süllyedést, amíg el nem éri a talajt vagy össze nem omlik. Ezért létfontosságú, hogy az elméleti víz alatti felhajtóerő pontosan semleges legyen – 0%. A felszíni hajók esetében ez a határállapot a felhajtóerő elvesztésével egyenlő, a tengeralattjáróknál ez a napi norma.
A felhajtóerőt nyilvánvalóan befolyásolja az elmerült test súlya és a víz sűrűsége . Mivel a gyakorlatban sem az egyik, sem a másik nem marad állandó (a hajónak van maradék felhajtóereje ), a tengeralattjáró víz alatti semleges felhajtóerejének fenntartása korrekciókat igényel. Előállításuk ballaszt szivattyúzásával / fogadásával történik, amit tengeralattjáró jelnek vagy mélységstabilizálásnak neveznek.
A gyakorlatban a ballaszt vétele időt és energiát igényel. Ezért a felszíni hajó aranyszabálya: "minél több tartalék, annál jobb" ellentétes a műszaki követelményekkel. Megpróbálják korlátozni a konstruktív felhajtóerőt. Általában 8-30% a tengeralattjárók esetében (a projekttől függően), míg a felszíni hajók esetében 50-60% vagy több. A kisebb határ ellentétes az elsüllyeszthetetlenség követelményeivel, a nagyobb - a süllyedés/emelkedés sebességével és a szerkezeti méretek korlátozásával.
A tengeralattjárók felszíni stabilitásának elvei is hasonlóak a felszíni hajókéhoz. Ugyanígy megkülönböztetünk statikus és dinamikus stabilitást.
A tengeralattjáró oldalstabilitásának sajátossága , hogy a hajótest szilárdsági okokból kör keresztmetszetű. Ezért a gördülés növekedésével a tényleges vízvonal területének változásai jelentéktelenek (vagyis a forma stabilitása nem növekszik). A visszaállítási pillanat a növekvő hengerrel alig változik. A kezdeti h metacentrikus magasság is kicsi .
A tengeralattjáró keresztirányú és hosszirányú felületi stabilitását egyaránt befolyásolja a nagy mennyiségű folyékony rakomány jelenléte, általában szabad felülettel - a kiegészítő ballasztban és a speciális tartályokban. Mindegyik csökkenti a dinamikus stabilitás határát. Ellentétben a felszíni hajókkal, ahol a lehető legkevesebb szabad felületet próbálják megengedni, a tengeralattjárónak már a tervezésénél fogva is kénytelen megleni.
Emiatt egy tengeralattjáró dinamikus felszíni stabilitási határa kisebb, mint egy felszíni hajóé. Vagyis a tengeralattjárók általában jobban gördültek a felszínen.
A tengeralattjáró stabilitása alapvetően különbözik a felszíni stabilitástól. Víz alatt a víz alatti térfogat általában állandó. Az önéletrajz nem mozdul. Emiatt felülettípusú helyreállító momentum nem jöhet létre. Elmerült helyzetben stabil egyensúlyra van szükség. Vagyis a CG-nek a CG alatt kell lennie . Ezután minden gördülés vagy trimmelés olyan erőpárt hoz létre , amely kiegyenesíti a csónakot. Ebben az esetben nincs formastabilitás, csak súlystabilitás van . Azonban a CG bármilyen elmozdulása befolyásolja a csónak helyzetét a vízparton .
Különösen a víz alatti csónak érzékeny a hosszirányú erőkre, amelyek trimmeket okoznak. Az ilyenkor ( m kr ) fellépő borulási nyomatékok formastabilitás hiányában gyakran meghaladják az egyengetőt, és veszélyesek a hajóra. Az archimédeszi erők nem elegendőek ezek kompenzálására, mesterséges beavatkozásra van szükség. Ezt a terhelés hosszirányú elmozdulásával hajtják végre, amelyet trimnek neveznek . [2]
A bemerülés (emelkedés) alatti stabilitás egy speciális eset, amikor a stabilitást meghatározó fő paraméterek változóak. Az instabil egyensúlyból (felszíni helyzet) átmenet van a stabilba (víz alatti helyzet). A stabilitás átmeneti csökkenése kíséri. A CV (Z c ) fősík feletti magassága a mélységgel nő, a CG magassága (Z g ) először csökken, majd nő, a metacentrum magassága (Z m , nem tévesztendő össze a metacentrikus magassággal) nő, majd csökken, és újra nő.
Közös hatásukat a tengeralattjáró felhajtóereje és kezdeti stabilitási diagramja írja le. A diagram két szinguláris pontja: I - CV és CG egybeesése. A helyreállító nyomatékot csak az alakstabilitás pillanata határozza meg. II - egy tartós hajótest víz alá kerülése . A metacentrum összeolvad a CV-vel, a metacentrikus magasság minimális.
Búvárkodás és emelkedés során minden eddiginél több szabad felület van (kivéve a sérüléseket) - a fő ballaszt tartályaiban. Ezért a tengeralattjáró dinamikus stabilitásának határa minimális.
A tengeralattjárók felszíni és víz alatti hajtása élesen különbözik. Egy tengeralattjáróra, akárcsak egy felszíni hajóra, az ellenállás sebességtől való függősége érvényes. Az ellenállás arányos a sebesség négyzetével:
X = f* V²ahol V a sebesség, f az arányossági tényező.
A szükséges teljesítmény arányos a légcsavar fordulatszámának kockájával ( csavar karakterisztikája ):
N e \ u003d m * w³ahol m az együttható, w a forgási sebesség.
A felszíni hajtást a hullámellenállás ( X in ), az alakellenállás ( X f , lásd formaellenállási együttható ) és a súrlódási ellenállás ( X t ) jelenléte jellemzi . Teljes sebességnél a felszínen a hullámellenállás eléri a teljes 50-60%-át. A víz alatti meghajtás abban különbözik, hogy nincs hullámellenállás X \u003d 0 értékben (a csónak hosszának felével egyenlő mélységtől kezdve).
Így lehetetlen olyan esetet létrehozni, amely mindkét módot kielégíti. Ráadásul a kielégítő kompromisszum sem lehetetlen. Ezért a hajótest formája karakteresebb módra van optimalizálva.
Történelmileg két korszak van. Az első, amikor a víz alatti és a felszíni motorok teljesen külön voltak. A tengeralattjárók többnyire dízel-elektromosak voltak, és idejük nagy részét a felszínen töltötték. Az akkori tengeralattjáróknak felépítményük és könnyű hajótestük volt, körvonalakkal, amelyek közelebb vitték a csónakot egy felszíni hajóhoz. Ezeknek a tengeralattjáróknak a felszíni sebessége jellemzően inkább a víz alatt volt.
A légzőcső (RDP) megjelenésével elmosódott a határ a víz alatti és a felszíni motorok között, és az atomenergia megjelenésével a hajók egyetlen motort kapnak. A felület helyzete jellegtelenné válik. Ezért a hajótest formája teljesen optimalizált a víz alatti utazáshoz. Az 1960-as évek óta az ideális hidrodinamikaihoz közeli - könnycsepp alakú, relatív nyúlással L / B = 6 ÷ 7. Az alakellenállás minimális. A fő részesedés (85-90%) a súrlódási ellenállás. Az ilyen hajók nagyobb sebességet képesek elérni a víz alatt, mint a felszínen.
A tengeralattjárókra elsősorban a felszíni hajlás jellemző. Felszíni helyzetben minden, a felszíni hajó gurulására vonatkozó szempont a tengeralattjáróra vonatkozik. Bár a csónak, mint egy felszíni hajó, rendelkezik mind a 6 szabadságfokkal , a legnagyobb hatással a gurulás és a dobás van rá .
A tengeralattjáró gurulása közötti különbség nagy amplitúdó . Az üzemeltetési tapasztalatok szerint Θ = 60°-ot érhet el, 5-6 pontos hullámokkal. [3]
A tengeralattjáró víz alatti dőlése csak a felszínhez közeli rétegben észlelhető valamelyest. Befolyásolja a behúzható eszközöket, elsősorban az RDP-t használó tengeralattjárók működését, valamint a rakéták merülő helyzetből történő kilövésének feltételeit. Így 10 m-től ( periszkópmélység ) 45 m-ig (kiindulási mélységig) terjedő merülési mélységről beszélünk .
Az RDP fejének elárasztása jelentősen befolyásolja a tengeralattjáró szellőzését, és követelményeket támaszt a légáramlástól függő berendezésekkel szemben. De a tengeralattjárók elmélete szempontjából a periszkóp mélységében történő dőlés hasonló a felszínhez.
Az 1960 -as évek óta végeznek tanulmányokat a tengeralattjárók felszíni gördüléséről. [4] Az eredmények a következőkre csapódnak le: