Как работают подводные лодки

Подводная лодка — это не просто корабль, который иногда прячется под воду. Это машина, которая сознательно нарушает естественное равновесие между весом и силой Архимеда. На поверхности она ведёт себя почти как обычное судно, а под водой становится «тяжелее» или «легче» окружающей среды за считанные минуты. Именно умение управлять этой плотностью и является главным секретом.

Большинство людей представляет себе подводную лодку как продолговатую сигару с винтом сзади. На самом деле всё значительно сложнее. Здесь одновременно работают несколько независимых систем: балластная, двигательная, навигационная, жизнеобеспечения. Если хотя бы одна из них даёт сбой, лодка может просто не выйти из-под воды. На практике я не раз видел, как даже небольшая ошибка в дифферентовке заставляла экипаж тратить лишнее время и воздух на выравнивание.

Разберёмся по порядку, без лишней романтики, но со всеми важными деталями.

Как подводная лодка погружается и всплывает

Основа всего — закон Архимеда. Тело плавает, когда вес вытесненной им воды равен его собственному весу. На поверхности балластные цистерны заполнены воздухом. Общая плотность лодки меньше плотности морской воды — положительная плавучесть. Чтобы уйти вниз, нужно эту плавучесть уничтожить.

Открываются клапаны на верхней части главных балластных цистерн (вентиляционные клапаны). Воздух выходит, а через отверстия снизу (кингстоны или шпигаты) заходит забортная вода. Лодка становится тяжелее и начинает тонуть. Это отрицательная плавучесть. Когда достигнута нужная глубина, часть воды вытесняют сжатым воздухом, и лодка переходит в нейтральную плавучесть — ни тонет, ни всплывает.

Для точного удержания глубины используют дифферентные (трим) цистерны. Они меньше и расположены в носу и корме. Перекачивая воду между ними, можно изменить дифферент — угол наклона носа относительно кормы. Если нос тяжелее, лодка естественно идёт вниз. Если корма тяжелее — поднимается. Дополнительно помогают горизонтальные рули (гидропланы). Они работают как крылья самолёта: при движении вперёд создают подъёмную или погружающую силу в зависимости от угла атаки.

Всплытие — процесс обратный. Закрывают вентиляционные клапаны и подают в цистерны сжатый воздух высокого давления (иногда до 200–250 атмосфер в баллонах). Вода вытесняется, лодка становится легче и поднимается. В аварийной ситуации можно продуть все цистерны сразу — тогда подъём происходит очень быстро, иногда даже опасно быстро.

Интересно, что современные лодки редко идут на полное погружение с полной скоростью. Обычно сначала принимают воду в цистерны быстрого погружения, а затем уже выравнивают дифферент. Так экономят сжатый воздух, которого на борту всегда ограниченное количество.

Корпус: что держит давление

Морская вода давит со всех сторон. Каждые 10 метров глубины добавляют примерно одну атмосферу. На 300 метрах это уже 30 атмосфер. Корпус должен выдержать это давление и не смяться.

Большинство современных подводных лодок имеют двухкорпусную конструкцию. Внутренний — прочный (pressure hull). Именно он держит давление, и в нём живут люди. Внешний — лёгкий. Между ними расположены балластные цистерны, топливные ёмкости, часть оборудования. Лёгкий корпус придаёт обтекаемую форму и защищает от механических повреждений.

Прочный корпус делают из специальных высокопрочных сталей (HY-80, HY-100) или, реже, из титановых сплавов. Титан легче и позволяет идти глубже, но значительно дороже и сложнее в сварке. Поэтому большинство флотов мира по-прежнему работают со сталью. Рабочие глубины современных атомных лодок обычно превышают 300–400 метров, а испытательные — ещё больше. Точные цифры часто засекречены.

Форма прочного корпуса — почти идеальный цилиндр с полусферическими или торосферическими окончаниями. Это наилучшая геометрия для сопротивления внешнему давлению. Внутри корпус разделён водонепроницаемыми переборками на отсеки. Если один отсек затопит, остальные остаются сухими.

Чем движется подводная лодка

Здесь начинается настоящая разница между типами.

Дизель-электрические лодки

Классика. На поверхности или под шноркелем (РДП — работа дизелей под перископом) работают дизель-генераторы. Они заряжают огромные аккумуляторные батареи. Под водой дизели глушат, и движение идёт только от электродвигателей, питающихся от батарей. Тихо, но время ограничено. На полной скорости батареи садятся за час-полтора. На экономичном ходу можно продержаться несколько суток.

Современные аккумуляторы (литий-ионные на новейших лодках) значительно лучше старых свинцово-кислотных, но всё равно требуют периодической подзарядки.

Атомные подводные лодки

Здесь реактор нагревает воду, пар крутит турбины, турбины — гребной вал или генераторы. Кислород не нужен. Теоретически такая лодка может не всплывать месяцами. Ограничивает лишь запас пищи и психологическое состояние экипажа. Скорость под водой часто выше, чем на поверхности — обтекаемая форма лучше работает, когда вода со всех сторон.

Воздухонезависимые установки (AIP)

Компромисс для тех, кто не хочет или не может строить атомные лодки. AIP позволяет дизель-электрической лодке работать под водой неделями без подъёма шноркеля. Наиболее распространённые варианты:

• двигатели Стирлинга (Швеция, Япония) — внешнее сгорание дизельного топлива с жидким кислородом;
• топливные элементы (Германия, Южная Корея) — электрохимическая реакция водорода и кислорода, очень тихо и эффективно;
• система MESMA (Франция) — паротурбинная установка на этаноле и кислороде.

Каждая имеет свои плюсы и минусы по шуму, расходу кислорода и мощности. На практике AIP значительно повышает скрытность в прибрежных водах, где атомная лодка иногда слишком велика и «шумная».

Навигация под водой

GPS под водой не работает. Радиоволны почти не проходят через толщу воды. Поэтому основной инструмент — инерциальная навигационная система. Гироскопы и акселерометры постоянно измеряют ускорение и углы поворота. Компьютер интегрирует эти данные и выдаёт текущие координаты относительно точки старта.

Со временем накапливается ошибка. Поэтому периодически (когда безопасно) лодка поднимается на перископную глубину, берёт GPS-фикс или сверяет положение по картам рельефа дна с помощью сонара. Сонар бывает активный (посылает импульс и слушает эхо) и пассивный (просто слушает шумы). Пассивный значительно лучше для скрытности.

Перископ и антенны — отдельная история. Современные непроникающие перископы (фотонные) передают изображение через оптоволокно, поэтому не нужно пробивать прочный корпус классической трубой. Это снижает риск разгерметизации.

Что ещё нужно для жизни под водой

Воздух. Кислород производят электролизом воды или берут из баллонов. Углекислый газ поглощают специальными установками с гидроксидом лития или молекулярными ситами. Влажность и температуру контролируют кондиционерами. Пресную воду получают опреснением.

Шум — враг номер один. Все механизмы ставят на амортизаторы, винты делают с особой геометрией, чтобы избегать кавитации. Даже разговор экипажа в определённых режимах может быть слышен на большом расстоянии.

Питание. На атомных лодках запасов хватает на 70–90 суток. На дизельных — меньше. Кухня работает, но меню ограничено.

Сравнение основных типов

Каждый тип имеет свою нишу. Дизельные и AIP отлично работают на мелководье и в прибрежных зонах. Атомные — для океанских просторов и длительных патрулирований.

Подводная лодка — это всегда компромисс между скрытностью, скоростью, автономностью и безопасностью. Технологии не стоят на месте: появляются новые материалы корпуса, лучшие батареи, более тихие винты, более точные инерциальные системы. Но базовый принцип остаётся тем же — управляемая плавучесть и умение двигаться там, где обычные корабли не могут.

Если вас интересует конкретный тип лодки или отдельная система (скажем, как именно работает сонар или топливные элементы), стоит копнуть глубже именно в этом направлении. Техническая литература и открытые материалы военно-морских флотов дают достаточно деталей для понимания без секретов.