Прочный корпус

Прочный корпус, предназначенный для размещения экипажа, электронного и некоторого другого оборудования обитаемого подводного аппарата, является его основным конструктивным элементом. В процессе эксплуатации он подвергается воздействию огромных гидростатических давлений, влиянию перепада температур, вибрации, ударам о грунт, коррозии, воздействию микроорганизмов и т. д.

Решающее требование, определяющее выбор формы корпуса, - обеспечение минимальной массы при заданных объеме и прочности. Прочный корпус может быть сферическим, эллипсоидальным, цилиндрическим с полусферическими оконечностями или состоять из нескольких сфер, соединенных цилиндрическими переходами. Сферическая форма прочного корпуса обеспечивает минимальное соотношение его массы и объема При одинаковых водоизмещении, рабочей глубине погружения и материалах масса прочного корпуса сферической формы на 15% меньше, чем у цилиндрического. Кроме того, сферическая конструкция корпуса обладает наибольшей устойчивостью и принципиально не требует подкреплений.

Конструкции, состоящие из нескольких соединенных между собой тел вращения, создаются при необходимости увеличения полезного объема для размещения экипажа и аппаратуры без значительного увеличения диаметра прочного корпуса. Как правило, в этом случае носовая сфера является отсеком управления, а остальные - энергетическим, водолазным и другими.

Прочный корпус, предназначенный для экипажа, может быть выполнен в виде модуля, способного в случае аварии отделяться от несущей рамы аппарата с остальным оборудованием и самостоятельно всплывать на поверхность. Так, прочный сферический корпус аппарата "Элвин" освобождается при аварии от несущей конструкции и легкого корпуса посредством отдачи креплений в нижней части сферы и благодаря своей положительной плавучести устремляется к поверхности. Отсоединение выполняется вручную силами экипажа из прочного корпуса посредством поворота оси механизма отдачи. Для устранения возможности заедания трущихся деталей привода механизма отдачи одна из соприкасающихся поверхностей каждой взаимодействующей пары имеет вставки из фосфористой бронзы. Отдача и аварийное всплытие прочного корпуса с экипажем предусмотрены также на аппаратах "Си Клиф" и "Тартл".

В прочном корпусе аппарата всегда имеется ряд вырезов и отверстий различных форм и размеров. К ним относятся люки для экипажа, грузовые люки, иллюминаторы, отверстия для электрокабелей и трубопроводов, гидравлических и пневматических устройств. Повреждение этих элементов может привести к таким же критическим последствиям, как и повреждение основных конструкций прочного корпуса. При проектировании, изготовлении и эксплуатации прочного корпуса аппарата следует тщательно учитывать влияние отклонений от точной геометрии формы, концентрацию напряжений в районе вырезов и усиленных шпангоутов, герметичность уплотнений вводов.

Для обеспечения безопасности экипажа предусматривается программа испытаний прочного корпуса. Следует особо подчеркнуть, что окончательная оценка максимальной рабочей глубины погружения прочного корпуса аппарата основывается, как правило, не на анализе расчетов прочности конструкции, а именно на результатах проверочных испытаний [63].

Применение новых материалов наряду с созданием оптимальных конструкций прочных корпусов подводных аппаратов позволяет существенно увеличить рабочие глубины погружения. Для этой цели выбирают материалы, имеющие высокую удельную прочность (отношение предела текучести к плотности материала) и другие высокие характеристики, например ударную вязкость, усталостную прочность, пластичность, свариваемость, обрабатываемость, коррозионную стойкость в морской воде и т. д. Чаще всего при постройке современных аппаратов в качестве материалов для прочного корпуса используют высокопрочные стали, реже - титановые, затем алюминиевые сплавы и стеклопластики. Для большинства построенных и строящихся американских аппаратов основным конструкционным материалом являются стали марки НУ-80 и НУ-100, технология производства и обработки которых наиболее освоена. Прочные швы корпусов подвергаются стопроцентной рентгено и ультразвуковой дефектоскопии, которые позволяют выявить раковины и другие дефекты.

Корпуса некоторых аппаратов изготовляют из сплавов на основе титана с добавкой алюминия, молибдена, ванадия, хрома, марганца, железа, олова и других элементов. Они обладают плотностью 4,5 т/м³ и в 1,8 раза большей удельной прочностью по сравнению со сталью, более низким коэффициентом линейного расширения, высокой коррозионной стойкостью и маломагнитностью. При модернизации аппарата "Элвин" его стальной сферический прочный корпус был заменен корпусом из титанового сплава, что увеличило рабочую глубину погружения до 3600 м, т. е. вдвое по сравнению с тем, что было раньше.

Корпуса аппаратов, изготовленных из титановых сплавов, благодаря высокой удельной прочности этого материала имеют меньшую массу, чем стальные аналогичных размеров, а следовательно, позволяют нести большую полезную нагрузку. Однако еще более легким, чем титан, материалом, пригодным для изготовления прочных корпусов, является алюминий и его сплавы. Известно, что прочный корпус "Алюминаута" изготовлен из алюминиевого сплава 7079-Т6. Конструкция корпуса цилиндрической формы с полусферическими оконечностями собрана из обечаек, которые после штамповки подвергались механической обработке до необходимой точности, а затем соединялись друг с другом с помощью болтов и клея. Кормовая и носовая оконечности прочного корпуса были изготовлены и соединены с обечайками аналогичным образом.

Но все же сложность выполнения прочных сварных соединений, низкий модуль упругости алюминиевых сплавов привели к тому, что в США и других странах интерес к изготовлению прочных корпусов из этих материалов заметно снизился.

Все большее внимание проявляется к неметаллическим конструкционным материалам - гомогенным или композитным. Два аппарата с прочными корпусами из стеклопластика для работы в Северном море на нефтепромыслах построила английская фирма "Виккерс". В этих аппаратах теплее, чем в металлических, внутренняя поверхность отсеков из стеклопластика меньше "отпотевает" благодаря конденсации влаги. А ведь именно от переохлаждения погибли два гидронавта в аппарате "Джонсон Си Линк". Напомним, что температура воды в океане с глубиной постепенно понижается (за исключением поверхностного слоя) и в глубинных слоях независимо от района Мирового океана устанавливается в пределах от -1,5 до + 2,0°С. Стеклопластик, обладающий меньшей плотностью по сравнению с металлами, имеет к тому же высокую удельную прочность (в три раза выше, чем у стали, и в два раза, чем у титановых сплавов). К преимуществам стеклопластика относятся также высокая коррозионная стойкость, хорошие антимагнитные свойства и др. Дальнейшая разработка этого материала идет в направлении выяснения причин снижения прочностных характеристик и возникновения усталостных явлений при нахождении его в морской воде под большим давлением.

Стекло имеет наибольшую удельную прочность из всех других конструкционных материалов, применяемых в аппаратостроении, прекрасно работает на сжатие. Немалое значение имеет и прозрачность этого материала. Известны положительные результаты применения стекла при строительстве аппаратов зарубежными фирмами. Для ВМС США построен аппарат "Дип Вью" со стеклянной передней полусферой прочного корпуса. В 1975 г. построен аппарат "Джонсон Си Линк II" (США) с носовым сферическим прочным корпусом из акрила. В 1977 г. западногерманской фирмой "Брукер физик" построен аппарат "Мермэйд IV" с носовой прозрачной полусферой из акрилового стекла. Отличные условия для визуального наблюдения экипажем окружающей обстановки - существенное преимущество этих аппаратов перед конструкциями из непрозрачных материалов. К сожалению, стекло как материал для прочных корпусов обладает все же недостаточно высокой ударной вязкостью и прочностью на изгиб. Кроме того, изготовление из стекла конструкционных деталей - достаточно сложный технологический процесс.

Еще две очень сложные проблемы встают перед конструктором подводного аппарата - коррозия и воздействие морских организмов.

Процент кислорода, растворенного в морской воде, играет решающую роль в развитии коррозии. Действие волн на поверхности океана создает насыщенный и даже пересыщенный раствор кислорода. С глубиной концентрация кислорода снижается и в некоторых придонных слоях падает до нуля. Соли, выделившиеся из различных материковых пород, придали морской воде специфический состав, который сохраняется относительно стабильным. Соли в значительной степени способствуют коррозии металлических конструкций, и лишь очень немногие материалы выдерживают длительное пребывание в морской воде, не разрушаясь при этом. Кроме того, определенное влияние на скорость протекания коррозии оказывают гидростатическое давление и температура среды.

Обычно конструкции, попавшие в морскую воду, становятся также объектом нападения различных прикрепленных (сидячих) биологических форм. Известны случаи, когда кабели, трубопроводы и другие плавающие предметы буквально провисали или тонули под тяжестью поселившихся на них беспозвоночных. Морские организмы залезают в отверстия, набиваются в механические части и даже пожирают некоторые детали за очень короткое время. Специальные покрытия для подводных конструкций в какой-то степени ограничивают коррозию и обрастание морскими организмами. Однако большинство таких покрытий имеют лимитированный срок действия. Некоторые биологические формы могут прикрепляться практически к любой окрашенной поверхности и интенсивно разрушают целостность защитного покрытия, истирая его, просверливая отверстия, ускоряя тем самым химические реакции и в том числе коррозию конструкции.

На протяжении всего срока службы аппарата следует строго по расписанию производить его осмотр. В такой осмотр входят: визуальный осмотр всего корпуса, включая корпусные вводы электрокабелей, трубопроводов и механических устройств, иллюминаторы, люки, сварные швы, болтовые соединения с уплотнениями, подъемные планки с проушинами и др.; испытания сварных швов и всех отверстий в корпусе; проверка сферичности (или другой геометрической формы) прочного корпуса.

В сообщениях об условиях и результатах эксплуатации аппарата должны быть подробные данные, по которым можно судить, продолжает ли аппарат функционировать как надежная водонепроницаемая система.