Сколько весит подводная лодка?

Этот вопрос самый важный при разработке проекта подъема лодки. Именно с его решения инженер начинает подготовку необходимых данных.

В самом деле, чтобы поднять какой-либо груз, необходимо сначала определить его вес, т. е. силу, с которой груз притягивается к Земле. Только после этого можно выбрать соответствующие механизмы или приспособления.

С давних пор известны способы, с помощью которых можно взвесить, например, кита, не помещая его на весы. Примерно такие же способы применяют и при определении веса подводной лодки. Но прежде чем рассмотреть их, введем еще одно важное понятие - остаточная плавучесть.

Остаточная плавучесть - это равнодействующая сил плавучести и тяжести подводной лодки в подводном положении. Так как точки приложения этих сил находятся на одной вертикали и направлены в противоположные стороны, она равна разности (остатку) между ними. Когда лодка плавает на глубине, ее остаточная плавучесть близка к нулю. Такого состояния добиваются за счет приема воды в цистерны вспомогательного балласта или откачивания воды из них.

Но вот в результате аварии лодка затонула. В ее отсеки поступила вода. Сразу же равновесие лодки нарушилось, а следовательно, резко возросла остаточная плавучесть, которую надо компенсировать приложением внешних сил. Вот эту отрицательную остаточную плавучесть и называют подъемным весом затонувшей подводной лодки^*.

^* (Иногда вместо термина "отрицательная плавучесть" применяют термин "потерянная плавучесть".)

Подъемный вес затонувшей лодки можно определить, подсчитав количество воды, влившейся в отсеки и цистерны, расположенные внутри прочного корпуса, по формуле

где u_i - объем воды, влившейся в i-й отсек прочного корпуса или цистерну, м³; γ - удельный вес воды, кН/м³.

Координаты точки его приложения определяют по следующим формулам:

где x_p, y_p, z_p - координаты точки приложения подъемного веса, м; x_i, y_i, z_i - координаты ЦТ объема u_i, м; D=γV - сила плавучести, кН; a=z_c-z_g - возвышение ЦВ над ЦТ до аварии, м.

В уравнениях (7) и (8) основная неизвестная величина - объем u_i, который зависит от многих факторов: характера повреждения прочного корпуса, глубины затопления, прочности и герметичности межотсечных переборок, продолжительности нахождения лодки под водой, действий личного состава во время спасательных работ и др. Правильно оценить влияние этих факторов не всегда возможно, поэтому в расчетах обычно принимают, что поврежденные отсеки лодки затоплены полностью и объем u_i влившейся в них воды равен свободному объему (объему нетто) отсеков. Неповрежденные отсеки считают затопленными по уровень воздушной подушки, образуемой воздухом, находящимся в отсеках до аварии, и сжатым гидростатическим давлением воды на глубине затопления. Тогда искомый объем влившейся воды в эти отсеки может быть определен по формуле

где u_нi - свободный объем г-го отсека, м³; H - глубина затопления лодки, м.

Подъемный вес затонувшей подводной лодки можно определить и другим способом, применяемым обычно в расчетах по подъему надводных кораблей. В этом случае нагрузку корабля, включая массу корпуса, разделяют на группы, в которых объединены однородные грузы с одинаковыми или близкими по значению плотности материалами. Каждый из таких грузов при погружении в воду в соответствии с законом Архимеда теряет часть своего веса. Поэтому вводится еще одно понятие - "вес в воде", который можно определить по формуле

где p - сила тяжести, или вес, груза в воздухе, кН; γ_в - удельный вес воды, кН/м³; γ_i - удельный вес груза, кН/м³.

Отношение γ_в/γ_i называется коэффициентом потери веса в воде, а сомножитель (1-γ_в/γ_i) - коэффициентом веса в воде. В выражении (10) отношение удельных весов γ_в/γ_i можно заменить отношением плотностей морской воды и материала груза ρ_в/ρ_i.

Значения коэффициента потери веса различных веществ в воде, принятые в практике судоподъема, приведены ниже:

Для дерева, топлива и масла этот коэффициент принимается равным 1,00 с учетом намокания дерева и частичной замены топлива и масла водой при продолжительном нахождении затонувшего корабля на грунте.

Определив "вес в воде" каждой группы нагрузки, находим подъемный вес корабля по формуле

а координаты точки его приложения по формулам

где x_j, y_j, z_j - координаты ЦТ соответствующих разделов нагрузки.

Вычисление подъемного веса лодки по формулам (10) - (12) дает завышенное значение этой величины, так как при этом не учитываются силы плавучести, создаваемые воздушными объемами отсеков и цистерн прочного корпуса. Поэтому в практических работах его чаще всего считают по формулам (7) - (9), по которым можно определить, кроме того, подъемный вес лодки на различных этапах подъема.

Если отсутствуют данные по нагрузке и свободному объему отсеков, как, например, при подъеме подводной лодки противника, то подъемный вес можно приближенно найти из выражения

где D_к - крейсерское водоизмещение лодки, кН.

Теперь предположим, что подъемный вес затонувшей лодки одним из рассмотренных способов (или всеми вместе) определен достаточно достоверно и к ней приложены соответствующие подъемные усилия. Однако их оказывается недостаточно для всплытия подводной лодки, так как на нее кроме подъемного веса действует еще одна сила - сопротивление грунта отрыву, или отрывное сопротивление.

Влияние этой силы (иногда ее называют силой присоса грунта) отмечали еще при первых подъемах судов, но до сих пор определение ее остается одной из самых сложных задач в теории судоподъема. Большой вклад в ее решение внесли советские ученые Б. Ю. Калинович, А. Н. Патрашев, В. Н. Герасимов и др. [28]. Проведенные ими теоретические и экспериментальные исследования показали, что физическая природа отрывного сопротивления различается в зависимости от того, с какого грунта поднимают корабль. При подъеме судна с сыпучих (песчаных) грунтов отрывное сопротивление возникает в результате образования под днищем зоны пониженного давления во время приложения к кораблю подъемных усилий. По мере просачивания (фильтрации) воды между частицами грунта эта зона сокращается и величина отрывного сопротивления уменьшается.

Теоретические расчеты показывают, что если подъемные усилия прикладывают в течение достаточно продолжительного периода времени, то отрывное сопротивление может быть сведено к минимальному.

Если корабль поднимают со связных грунтов (глинистых, илистых), то на величину отрывного сопротивления влияют в первую очередь силы сцепления; грунта с корпусом судна. Отрыв его начинается только при значительном превышении подъемных усилий над подъемным весом и сопровождается разрушением грунта. После подъема корабля на его днищевой части можно обнаружить налипший грунт. Силу сцепления грунта определяют, как правило, в лабораторных условиях, а ее предельное значение может достигать половины подъемного веса.

Практика показала, что отрывное сопротивление связных грунтов может быть значительно уменьшено, если перед подъемом корпус корабля подвергался сотрясениям, например, от произведенных поблизости подводных взрывов. Предлагается уменьшить силы сцепления между грунтом и корпусом судна, например, путем электролиза грунтовых вод под его днищем. В результате выделения водорода частички грунта как бы отлипают от металла. Того же результата можно достичь в ходе химической реакции с образованием водорода. Однако все указанные способы на практике пока не проверены [7, с. 337].

В состав отрывного сопротивления входят и другие силы, имеющие иную физическую природу. К таким силам относят сопротивление частей корпуса корабля, выступающих за его обводы: винтов, рулей, кронштейнов и т. п., а также сопротивление трения корпуса корабля о грунт. Обычно они не превосходят 10-15% силы присоса, и поэтому их рассчитывают вместе с отрывным сопротивлением, за исключением особых случаев^*.

^* (При подъеме эсминца "Керчь" в 1928 г. отрывное сопротивление за счет вошедших в грунт надстроек составило 150% подъемного веса [42, 60].)

Большой недостаток расчетного метода определения отрывного сопротивления заключается в том, что он не учитывает неоднородность грунта как по глубине, так и по площади. Кроме того, для расчетов требуются серьезные исследования физико-механических свойств грунтов в каждом отдельном случае. Поэтому до настоящего времени используется приближенный метод оценки отрывного сопротивления, основанный на опыте проведенных ранее судоподъемных работ. В соответствии с этим методом отрывное сопротивление определяют по формуле

где k₀ - коэффициент силы присоса, значения которого для различных грунтов приведены ниже:

Точку приложения отрывного сопротивления в этом случае условно принимают приложенной на одной вертикали с подъемным весом корабля. Сумму подъемного веса и отрывного сопротивления называют отрывным весом корабля и вычисляют по формуле

Таким образом, для подъема затонувшей подводной лодки необходимо приложить подъемные усилия, равные ее отрывному весу.

Явление присоса к грунту можно наблюдать не только у затонувших подводных лодок. В январе 1914 г. во время тренировочных погружений в Витсандском заливе пропала английская подводная лодка "А-7". После длительных поисков она была обнаружена на глубине 45 м погруженной в плотный ил, из которого, по мнению специалистов, ей не удалось выбраться. Запас плавучести лодок этого типа составлял 15%, а коэффициент силы присоса для плотного ила более 0,20, т. е. 20% подъемного веса. Судя по этим цифрам, предположения специалистов имели под собой достаточное основание.

Другой случай, к счастью, закончившийся благополучно, произошел в конце первой мировой войны с американской подводной лодкой "L-4" (запас плавучести 13%). Эта лодка несла боевое дежурство у берегов Англии в проливе Ла-Манш. Из-за ошибки рулевого она внезапно провалилась на глубину почти 100 м и легла на грунт. Прочный корпус, рассчитанный на погружение до 60 м, все же выдержал давление, но лодка оказалась в цепких объятиях глинистого ила. Работая винтами и непрерывно продувая цистерны главного балласта, экипаж пытался поднять лодку на поверхность, но прошло более часа, прежде чем им это удалось. При всплытии дифферент лодки на корму составлял около 50°, что чрезвычайно опасно. Поэтому при проектировании судоподъемных работ значение дифферента должно быть предусмотрено и определено заранее. Почему возникает дифферент при подъеме, рассмотрим ниже.