К вопросу о глубине погружения АПЛ

Всем известно что максимальная глубина океана 11 километров в Марианской впадине, однако в океанах и морях имеется много мелководных районов. Какой должна быть глубина погружения будущих подводных лодок? На этот вопрос можно ответить, если проанализировать распределение глубин по площади Мирового океана. Такой анализ показывает, что подводная лодка с глубиной погружения 5500 метров может достичь дна на 90% площади океанов и морей, а с глубиной погружения 4600 метров – на 60% площади. Возможность достичь дна в любой точке океана открывает возможность применять новую тактику, превращающую АПЛ в решающий фактор действий на океанских ТВД.

В практике подводного кораблестроения используются следующие понятия глубин погружения: рабочая, предельная и расчётная (разрушающая). Отношение расчётной глубины к рабочей называется коэффициентом запаса, обычно он 1,5 – 2. Рабочая глубина погружения подводных лодок времён WW2 составляла 100 – 150 метров. У американских подводных лодок постройки 1950-х 200 – 250 метров, у АПЛ построенных в 1960-е увеличена до 350 – 400 метров.

Дальнейший рост глубины зависит от возможности повышения прочности корпуса. На АПЛ имеются два корпуса: прочный и лёгкий. В прочном корпусе размещается внутреннее оборудование, экипаж, а лёгкий образуют балластные цистерны погружения и всплытия.

На современных ракетных неглубоководных АПЛ на долю корпусных конструкций приходится 40% весового водоизмещения, из них доля прочного корпуса 20% массы лодки. В отличие от других видов техники, рост массы корпуса АПЛ не является только издержкой, поскольку более массивный корпус одновременно увеличивает стойкость к действию средств поражения, в том числе ядерных.

В качестве материала прочных корпусов АПЛ в 1960-е применялась высокопрочная сталь с пределом текучести 70 кг/мм2. По прочностным качествам она вдвое превосходит сталь, широко используемую в общем машиностроении. 

Глубина погружения экспериментальной подводной лодки ВМФ США «Дельфин» 1200 метров, применена сталь с пределом текучести 70 кг/мм2, на долю прочного корпуса приходится 60% массы данной лодки.

Каковы же перспективы повышения механических характеристик корпусных материалов? Ещё в начале 1960-х в качестве материала ракет «Поларис» использовалась сталь с пределом текучести 140 кг/мм2. Интересно, что в ракетостроении такая сталь не выдержала конкуренции со стеклопластиком. Для конструкций водоизмещением менее 1000 тонн перспективны также алюминиевые сплавы. Однако подводники США долгое время продолжали использовать сталь старых сортов с высокой усталостной прочностью.

В СССР широкое распространение получили титановые сплавы плотностью 4500 кг/м3 с пределом текучести 120 кг/мм2, они эквивалентны стали с б(0.2) = 210 кг/м3. Вопрос усталостной прочности титановых сплавов во многом решается тем, что на глубине более 200 метров подводная лодка не испытывает качки даже при штормовых условиях на поверхности океана.

К какому времени будет решена задача создания боевых атомных подводных лодок с рабочими глубинами до 5000 метров, трудно сказать. АПЛ «Комсомолец» имела рабочую глубину 2000 метров, позволившую с уверенностью совершить рекордное погружение на 1020 метров вскоре после спуска лодки на воду.

Итак, вопрос в следующем:
Нужны ли SCWR для перспективных АПЛ с рабочей глубиной погружения 5000 метров?

 

SCWR должен иметь давление выше критических 225 атмосфер. При 300 атмосферах фазовый переход вода-пар, растягиваясь на десятки градусов, не имеет характера скачка плотности, чем открывает возможность спектрального регулирования. Кроме того, если нельзя на глубоководной АПЛ иметь во внутренних трубопроводах давление меньше внешнего, SCWR на перспективных АПЛ нужны.

В первом контуре реактора АПЛ 200 атмосфер соответствует внешнему давлению на двухкилометровой глубине. Целесообразность перехода на SCWR зависит и от того, насколько реалистичным представляется в АПЛ нового поколения существенно превысить эту величину. 
Рассмотрим цилиндр радиусом R, длиной L и толщиной оболочки d из материала плотностью p_w. Пусть АПЛ имеет запас плавучести S, доля массы прочного корпуса в общей массе пусть X. Предел текучести материала корпуса обозначим б_02. Запишем условие плавучести:
(2*Pi*(R^2)*d*p_w + 2*Pi*R*d*L*p_w) = (p_H2O)*Pi*(R^2)*L*(1-S)*X;
Слева масса корпуса, справа вытесняемая масса воды. Сокращаем Pi*R:
2*d*(p_w)*(R+L) = R*(p_H2O)*L*(1-S)*X; Выделяем слева знака равенства d/R:
(d/R) = (p_H2O * L* (1-S)*X) / (2*p_w *(R+L));
Теперь вспоминаем что гидростатическое давление P = (p_H2O)*g*H, а для цилиндра если толщина стенки многоменьше радиуса, то выдерживаемое давление P = (б_02)*(d/R) поэтому максимальная глубина погружения по условиям прочности плавучего корпуса H = ( (б_02) / (p_H2O *g))*(d/R)). Подставляя сюда найденное (d/R) сокращаем плотность воды и получаем выражение для H:
H_max = ((б_02) / (2*g*p_w))* (L/(L+R))*(1-S)*X
Хотя для АПЛ это не разрушающая глубина, поскольку предел прочности материалов выше предела текучести, рабочую глубину принимаем в 1,4 раза меньше. Отношение длины к диаметру пусть L/(2R) = 1:6. Применяя обычную корабельную сталь с плотностью p_w = 7800 кг/м3 и прочностью б_02 = 700 МПа, выбрав большой запас плавучести 30% (S=0,3) и массу прочного корпуса 20% от полной массы (это не ухудшает скоростных и других качеств), получаем 
H_max = 580 метров. Это легко достижимая величина для стратегических БРПЛ.
Тактические АПЛ логично делать более глубоководными. Применив титановый сплав с прочностью б_02 = 1200 МПа, плотностью 4500 кг/м3, увеличив массу прочного корпуса до 40% общей массы, получаем глубину погружения H_max = 3450 метров.
Примерно такие же цифры получаются для алюминиевых корпусов, а также для стеклопластика, эти варианты актуальны при водоизмещении менее 1000 тонн.

Вывод: отношение прочности к плотности у существующих материалов не позволяет делать скоростные АПЛ на разрушающую глубину 7 километров, необходимую для рабочей глубины 5 километров. Позволяющей достигать дна океана в любой точке на 90% его площади. 
Вместе с тем, замысел SCWR легко осуществим при давлении в первом контуре 300 и более атмосфер, когда переход вода-пар перестаёт иметь скачок плотности с ростом температуры. Давление в существующих АЗ реакторов АПЛ, до 200 атмосфер, меньше рабочего забортного давления нового поколения АПЛ. Из этих соображений, SCWR на АПЛ нового поколения нужен. На первом этапе до 300 атмосфер. Можно надеяться, когда-нибудь появятся и АПЛ на 5-километровую рабочую глубину, SCWR которых будет работать при 500 атмосферах.