Условия и уравнения равновесия подводной лодки

Плавучесть — это способность подводной лодки плавать, т. е. находиться в равновесии без опоры при частичном или полном погружении в воду. Плавучесть является основным и самым необходимым мореходным качеством подводной лодки.

При изучении плавучести (а также остойчивости и надводной непотопляемости) рассматриваются только статические положения равновесия подводной лодки, неподвижной относительно воды. Для определения положения в пространстве отдельных элементов подводной лодки и точек приложения действующих на нее сил используется жестко связанная с подводной лодкой прямоугольная система координат охуz, образованная пересечением трех взаимно перпендикулярных плоскостей: диаметральной, мидель-шпангоута и основной (рис. 1).

Рис.1. Основная система координат подводной лодки

Диаметральная плоскость — продольная плоскость симметрии подводной лодки.

Плоскость мидель-шпангоута — поперечная плоскость, проходящая по середине длины непроницаемого корпуса подводной лодки (т. е. по середине между носовой и кормовой переборками концевых цистерн главного балласта) перпендикулярно диаметральной плоскости.

Основная плоскость — продольная плоскость, перпендикулярная диаметральной плоскости и плоскости мидедь-шпангоута и проходящая через нижние крайние точки теоретической поверхности корпуса подводной лодки (внутренней поверхности наружной обшивки корпуса).

Линия пересечения диаметральной плоскости с основной — ось ох с положительным направлением в нос подводной лодки; линия пересечения плоскости мидель-шпангоута с основной — ось оу с положительным направлением на правый борт; линия пересечения плоскости мидель-шпангоута и диаметральной — ось oz с положительным направлением к палубе надстройки. Таким образом, диаметральная плоскость является плоскостью xoz, плоскость мидель-шпангоута — плоскостью уоz и основная плоскость — плоскостью хоу, а положение любой точки на подводной лодке определяется тремя координатами: х,у,z.

В соответствии с принятыми положительными направлениями осей определяются знаки углов крена и дифферента, кренящих и дифферентующих моментов. Положительными считаются углы дифферента на нос и крена на правый борт, дифферентующие моменты на нос и кренящие на правый борт.

На плавающую без движения подводную лодку действуют две категории сил:

— силы тяжести (веса);

поверхностные силы гидростатического давления.

 Силы веса отдельных частей подводной лодки и находящихся на ней грузов приводятся к одной равнодействующей—силе веса подводной лодки Р (рис. 2). Эта сила всегда направлена вертикально вниз, и под ее влиянием подводная лодка стремится погрузиться. Точкой приложения этой силы является центр тяжести подводной лодки, обозначаемый буквой G. Для обеспечения плавания подводной лодки в прямом положении (без крена) центр тяжести ее должен находиться всегда в диаметральной плоскости. Центр тяжести подводной лодки перемещается и занимает новое положение при перемещении грузов на подводной лодке, а также при приеме и расходовании их. При наклонениях подводной лодки, если при этом не происходит перемещения грузов, центр тяжести остается на месте, не изменяет своего положения относительно принятой системы координат.

Рис.2. Силы, действующие на корпус подводной лодки в подводном и надводном положениях.

Силы гидростатического давления действуют на погруженную часть корпуса подводной лодки, направлены по нормали к поверхности корпуса и по величине пропорциональны глубине погружения. Равнодействующая этих сил направлена по вертикали вверх, по величине она равна весу воды в объеме погруженной части корпуса подводной лодки и обозначается γV, где V—объем погруженной части корпуса, м³; γ—удельный вес воды, тс/м³. Под влиянием силы γV подводная лодка стремится всплыть, поэтому называется она силой плавучести или силой поддержания. Точкой приложения силы плавучести является центр тяжести погруженного объема корпуса подводной лодки. Эта точка называется центром величины и обозначается буквой С. Положение центра величины зависит от величины и формы погруженного объема подводной лодки. При прямом положении подводной лодки центр величины находится в диаметральной плоскости, а при наклонениях перемещается в сторону наклонения, т. е. в том направлении, где происходит приращение погруженного объема.

Положение центра тяжести и центра величины определяется в прямоугольной системе координат oxyz: координатами центра тяжести G являются x_g, y_g, z_g, а координатами центра величины С — x_с, y_с, z_с. Центр тяжести подводной лодки в крейсерском положении всегда выше центра величины z_g > z_c, а в подводном положении центр тяжести ниже центра величины z_g < z_c.

Объем V погруженной части корпуса называется объемным водоизмещением подводной лодки, измеряется в м³. Вес воды в объеме погруженной части корпуса D= γV называется весовым водоизмещением подводной лодки, измеряется в тоннах-силах (тс).

Знание веса подводной лодки, объемного водоизмещения, координат центра тяжести и центра величины необходимо при решении практических вопросов по плавучести, остойчи­вости и непотопляемости подводной лодки.

Подводная лодка будет находиться в равновесии тогда, когда действующие на нее силы Р и γV уравновешиваются, т. е. равны по величине, и действуют по одной вертикали. Таким образом, равновесие подводной лодки определяется, двумя условиями:

— сила плавучести должна быть равна весу подводной лодки;

— центр величины и центр тяжести подводной лодки должны располагаться на одной вертикали.

Эти условия относятся как к надводному, так и к подводному положению подводной лодки.

Первое условие равновесия при любой посадке (положении подводной лодки относительно поверхности воды) записывается одним уравнением

P=γV, (1)

которое называется основным уравнением плавучести.

Второе условие равновесия в самом общем случае посадки подводной лодки записывается двумя уравнениями:

x_c - x_g = (z_g - z_c) tgφ;     y_c – y_g = (z_g — z_c) tgθ.

Рис.3. Равновесие подводной лодки плавающей с креном (а), дифферентом (б)

Эти уравнения выводятся при помощи геометрического построения, показанного на рис. 3.

В частных случаях посадки уравнения второго условия равновесия записываются следующим образом:

— при посадке подводной лодки прямо и на ровный киль (φ = 0; θ = 0):

x_c = x_g

y_c = y_g = 0

— при посадке подводной лодки прямо, но с дифферентом (рис. 3б: φ ≠ 0; θ = 0):                                               x_c - x_g = (z_g - z_c) tgφ;

y_c = y_g = 0

— при посадке подводной лодки на ровный киль, но с креном (рис. 3а: φ = 0; θ ≠ 0):                                                 x_c = x_g

y_c – y_g = (z_g — z_c) tgθ

Поскольку в подводном положении центр тяжести располагается ниже центра величины (z_g < z_c), то уравнения равновесия для подводного положения подводной лодки имеют вид:       x_g - x_c = (z_c - z_g) tgφ;

y_g - y_c = (z_c - z_g) tgθ

При нарушении второго условия равновесия подводная лодка будет наклоняться до тех пор, пока центр величины и центр тяжести не окажутся на одной вертикали.

Для того чтобы подводная лодка плавала без дифферента, необходимо обеспечить равенство абсцисс центра тяжести и центра величины, что достигается соответствующим размещением грузов по длине подводной лодки. Отсутствие крена обеспечивается симметричным расположением грузов относительно диаметральной плоскости и равномерным заполнением бортовых цистерн главного балласта при погружении подводной лодки.

Условия и уравнения равновесия используются для решения практических задач по расчету положения равновесия подводной лодки и элементов ее нагрузки. Так, по основному уравнению плавучести определяется вес подводной лодки, поскольку взвешивание ее практически невозможно. Для определения веса подводной лодки достаточно вычислить равную ему силу плавучести через объемное водоизмещение V и удельный вес воды γ.

Смотрите также

Порядок шлюзования торпедного аппарата

Порт Коччи (или Кочин) (Тихий океан)

Малинин Борис Михайлович