Каплевидный корпус

Каплевидный корпус — это конструкция корпуса подводной лодки , в которой характеристики подводного плавания больше, чем надводные. Он широко использовался на ранних этапах разработки подводных лодок, но в начале 20 века от него постепенно отказались в пользу конструкций, оптимизированных для высоких характеристик на поверхности, в результате изменений в оперативной доктрине. Хотя военно-морская доктрина изменилась, практика проектирования сохранялась до конца Второй мировой войны, когда немецкая Кригсмарине понесла постоянно растущие потери подводных лодок в битве за Атлантику .

В попытке противостоять растущей угрозе противолодочных усилий союзников в существующий процесс проектирования подводных лодок были включены экспериментальные концепции проектирования, относящиеся к позднему межвоенному периоду , в результате чего появилось небольшое количество подводных лодок, работающих на перекиси водорода , а также Elektroboot. семейство классов дизель-электрических подводных лодок. Хотя было слишком поздно и слишком мало, чтобы переломить ход войны, обследование этих лодок в сразу послевоенный период серьезно подорвало институциональную инерцию, которая удерживала военно-морские силы мира в сосредоточении внимания на «ныряющих торпедных катерах» в предыдущие десятилетия, и привело к повышенному вниманию к погруженной производительности. Это привело в конечном итоге к повторному внедрению каплевидного корпуса на подводных лодках, который сегодня используется в различных формах практически на всех крупных подводных военных кораблях.

История

Поскольку этот термин относится не к какой-либо точной форме, а скорее к абстрактной концепции формы корпуса, оптимизированной для подводных путешествий, а точнее к физическому проявлению этой идеи на реальных подводных лодках, ограниченному материаловедением и требованиями к проектированию, предъявляемыми к судну. , имеет ли какое-либо конкретное судно каплевидный корпус, зависит от субъективной интерпретации самого этого термина. В зависимости от этой интерпретации, некоторые из показанных ниже подводных лодок можно считать «первой попыткой» или «вехой» того или иного описания.

• Коллекция подводных лодок, расположенных примерно в хронологическом порядке, чтобы показать развитие конструкции корпусов подводных лодок.
• 
  Эта копия Ictíneo II середины-конца 1860-х годов может представлять собой одну из первых попыток создания формы корпуса, оптимизированной для подводных путешествий.
• 
  Модель одного из проектов Джона Филлипа Холланда конца 19 или начала 20 века, демонстрирующая очень чистый корпус и относительно современное расположение руля направления.
• 
  Менее чем через 10 лет после того, как HMS Holland 1 вступила в строй, британская подводная лодка класса B демонстрирует переход по форме корпуса от подводной лодки к ныряющему надводному кораблю. Носовая часть слегка приподнята, как и корма над двумя гребными винтами.
• 
  Поступившие на вооружение в 1917 году паровые британские подводные лодки класса «К» можно рассматривать как вершину оптимизированных надводных лодок Первой мировой войны. Они развивали скорость 24 узла (44 км/ч) и в случае чрезвычайной ситуации могли погрузиться под воду всего за пять минут, хотя при нормальной эксплуатации полчаса было более разумным сроком. Имея длину 103 м и предполагаемую максимальную глубину погружения 61 м, им не хватало 4 м для того, чтобы достичь глубины раздавливания, не отрываясь от поверхности. В сочетании с экстремальным радиусом поворота, плохим контролем глубины погружения и привычкой подавать воду через воронки котла неудивительно, что они завоевали репутацию «К для Каламитов», поскольку несколько лодок погибли из-за затопления котельных. , столкновения, достижение глубины раздавливания, и один из них, как было зафиксировано, затонул без помощи человека у причала посреди ночи.
• 
  Первая в мире охотник-убийца , британская подводная лодка R-класса 1918 года, стала радикальным возвратом к концепции высокоскоростного подводного военного корабля. Созданные для охоты на подводные лодки противника, они отличались значительной обтекаемостью, практически отсутствующим корпусом и способностью развивать скорость 14 узлов (26 км/ч) в течение полного часа. Только ножевидная форма носа выдает ожидания проектировщика, что эти лодки не будут работать постоянно под водой, а будут лишь всплывать на поверхность для зарядки своих батарей. Вместо этого они должны были медленно перемещаться по поверхности, используя свой дизельный двигатель, и погружаться под воду только после того, как достигли зон патрулирования.
• 
  Не имеющая отношения к более поздней немецкой программе Elektroboot, японская подводная лодка №. 71 этот показатель превосходили только небольшие японские сверхмалые подводные лодки Ko-hyoteki была спущена на воду в 1937 году и достигла скорости чуть более 21 узла (39 км/ч) под водой. В то время , пока немецкая V-80 , работающая на перекиси водорода , не достигла скорости 28 узлов. (52 км/ч) на испытаниях 1940-1941 гг.
• 
  Универсально оптимизированные для надводного плавания, большинство подводных лодок, использовавшихся во Второй мировой войне, имели высокие, несколько расширяющиеся носы , а также расположение гребных винтов и рулей, аналогичное конструкции современных крейсеров, хотя и с дополнительным набором рулей для управления глубиной и тангажем. ВМС США «Балао» класса Здесь подводная лодка начала 1940-х годов, переоборудованная в музей.
• 
  Немецкие лодки, такие как Type VII , в целом внешне напоминали Balao , но были значительно меньше (~750 тонн вместо ~1500). подводной лодки На модели четко виден прочный корпус лодки , его носовая и кормовая части заключены в более легкий корпус, в котором расположены носовая и кормовая цистерны главного балласта . Длинный сигарообразный выступ вдоль верхнего борта подводной лодки представляет собой внешний топливный бак. Поступив на вооружение в 1936–1937 годах, «Тип VII» и более крупный «Тип IX» следовали одной и той же концепции «ныряющего торпедного катера», которая также породила катера и патрульные подводные лодки американского и британского флота, и, столкнувшись со все более эффективными патрульными кораблями и самолетами союзников, они были оперативно устаревшими к середине 1941–1942 годов, но оставались опорой все более отчаявшихся немецких подводных сил на протяжении всей войны.
• 
  Поскольку устойчивое улучшение противолодочной войны союзников привело к быстрому увеличению потерь Германии на протяжении второй половины Второй мировой войны, были предприняты попытки построить подводные лодки с на перекиси водорода турбинной силовой установкой . Хотя турбина была еще далека от готовности к вводу в эксплуатацию, подводные лодки были запущены в производство как обычные дизель-электрические лодки со значительно увеличенной емкостью аккумуляторов, заменяющих баки с перекисью. (21) конца войны был сильно обтекаемым, он по- Хотя корпус немецкого Type XXI прежнему оставался под влиянием предыдущих конструкций, и явно предполагалось, что он будет работать на надводном положении в ограниченных возможностях. Тем не менее, он установил новый стандарт подводной скорости, дальности и заметности для подводных лодок в послевоенном мире.
• 
  Из-за пренебрежения торговым флотом в пользу увеличения численности крупных надводных боевых кораблей, отчасти вызванного американской тенденцией преуменьшать успехи своих подводных лодок и преувеличивать эффективность японских противолодочных усилий, американская «Тихая служба» столкнулась со сравнительно скромными трудностями. Сопротивление Японии, приведшее к большим успехам против японского торгового флота. Из-за этого лодки американского флота не претерпели серьезных улучшений в общей конструкции на протяжении всей войны, вместо этого упор был сосредоточен на технических деталях, таких как улучшение прочности прочного корпуса и электроники, в конечном итоге включая более тихие электродвигатели, а также улучшение комфорта экипажа на долгое время. патрули в Тихом океане. Таким образом, американские лодки типа « Тенч » покинули войну, выглядя почти неотличимыми от тех классов, которые находились на вооружении в ее начале.
• 
  Поступившие в производство в 1950 году советские патрульные подводные лодки проекта 613 находились под сильным влиянием Типа XXI . На более поздних версиях отсутствовали палубное орудие и зенитная автопушка. Несмотря на то, что он был сильно обтекаемым, как и у Типа XXI, в его конструкции были сделаны уступки по эксплуатации на надводном положении, такие как острые ножеобразные нос и корма.
• 
  Масштабная модель военного корабля США «Альбакор», проходящего испытания в аэродинамической трубе. За исключением расположения руля направления на корме и паруса , его общая форма аналогична форме Ictineo II, несмотря на то, что конструкции различаются почти столетием.
• 
  в мире атомная подводная лодка USS Первая Nautilus (SSN-571) 1954 года имеет очень чистую кормовую часть, а носовая часть явно в некоторой степени вдохновлена ​​типом XXI. Ее испытательная глубина 210 м была сопоставима с немецкой лодкой, но на скорости 23 узла (43 км/ч) под водой она была намного быстрее, даже быстрее, чем любая предыдущая лодка флота США на поверхности. К сожалению, серьезные конструктивные недостатки носовой части и паруса привели к сильной вибрации на высокой скорости, которая со временем ухудшалась. В конце ее жизни скорости 4 узлов (7 км/ч) хватило, чтобы оглушить ее гидролокатор, а шум резко увеличил риск обнаружения.
• 
  Введенная в строй 17 января 1959 года первая советская ПЛА проекта 627 развивала скорость 30 узлов (56 км/ч) при глубине испытаний 300 м. Насколько это было возможно, отличаясь от « Наутилуса», оставаясь одновременно подводной лодкой с ядерной установкой и полезными в качестве боевых кораблей, они имели гораздо более эффективную форму носа и паруса, но при этом сохраняли рыбий хвост Типа XXI, и где « Наутилус» использовался ядерный реактор, советские лодки устанавливали два в тандеме. Помимо улучшенной гидродинамики, закругленная форма носа также обеспечивала достаточно места для очень большой гидроакустической установки над торпедными аппаратами.
• 
  Введенный в строй менее чем через три месяца после первого проекта 627, USS Skipjack стал первым боевым кораблем ВМС США, использовавшим «чистый» каплевидный корпус с тех пор, как он был заброшен почти полвека назад. Из-за высокой стоимости ковки больших секций прочного корпуса сложной формы последующие лодки постепенно «отходили» от этой конструкции.
• 
  один из нескольких новых классов советских подводных лодок, поступивших на вооружение в 1967 году, Проект 671, был одним из первых основных советских классов подводных лодок, в которых «рыбий хвост» был заменен на более торпедоподобную форму, что стало признаком особого внимания к подводным характеристикам.
• 
  Поскольку проекты 611 («Зулу») и пр. 641 («Фокстрот») подходили к моральному устареванию, в начале 1970-х годов в СССР началось строительство серии из 18 лодок проекта 641б. Они унаследовали трехвинтовую конструкцию с ножевым хвостовиком, которая была перенесена в 641 от 611 и возникла в Type XXI. В отличие от устаревшей схемы двигательной установки, они были оснащены безэховыми панелями и гидроакустическим оборудованием, аналогичным тому, которое используется на современных советских атомных подводных лодках.
• 
  Эта немецкая подводная лодка типа 212 имеет одинарный корпус вдоль части своей длины, но имеет двойной корпус по всей задней половине, чтобы обеспечить безопасное пространство для хранения за пределами прочного корпуса для баков с водородом, используемых ее топливных элементах на воздушно-независимой силовой установкой .
• 
  На пути к спуску на воду в конце 2000-х или 2010-х это Astute судно класса ясно демонстрирует компромисс, на который пошли большинство современных западных проектов. Вместо полной оптимизации корпуса для работы под водой к переднему и заднему концам прочного корпуса постоянного диаметра привариваются гидродинамически эффективные носовая и кормовая секции, изготовленные из более тонкой и легкой по форме стали. Такие конструкции практически по своей сути являются модульными, поскольку новые секции корпуса можно сравнительно дешево и легко вставить в любом месте по длине прочного корпуса, чтобы обеспечить дополнительное пространство и грузоподъемность, не оказывая серьезного влияния на гидродинамические характеристики конструкции.

В современном использовании

Хотя основной темой каплевидного корпуса является максимизация характеристик в подводном положении за счет надводных характеристик, точный результат этого процесса зависит от нескольких факторов, не в определенном порядке, поскольку порядок важности этих проблем сам по себе варьируется:

• Размер подводной лодки зависит от требований, предъявляемых проектировщиком к эксплуатационной выносливости, мощности вооружения и оснащению датчиками.
• Расположение внешнего и внутреннего оборудования.
• Экономические факторы, в первую очередь связанные с дорогостоящим процессом проектирования, формирования и сборки секций корпуса с использованием 3D-кривых, а затем установки внутри оборудования.

Одинарный или двойной корпус

Начиная с конца Второй мировой войны, западные и восточные подводные лодки в целом были похожи, представляя собой конструкции с двойным или частично двойным корпусом, с большими топливными и балластными цистернами между внутренним и внешним корпусами, а внутри прочных корпусов резервировались большие объемы для хранения нечувствительного к давлению топлива. топливо считалось неэкономичным. Использование двойного корпуса обеспечивает большую степень свободы в формировании внешнего вида лодки и дает место для размещения нечувствительного оборудования за пределами прочного корпуса, что позволяет получить прочный корпус меньшего размера и, как следствие, меньшую лодку. Однако это влечет за собой высокие затраты на строительство и обслуживание.

Атомные лодки в силу своей двигательной установки мало используют это промежуточное пространство и поэтому с большей вероятностью будут либо использовать одиночные корпуса, либо, как это было в случае с советскими подводными лодками, использовать «свободное» пространство для расширенных балластных цистерн. и оборудование. Из-за этого западные атомные подводные лодки имеют тенденцию выглядеть как длинные трубы, закрытые носом и кормой, в то время как восточные атомные подводные лодки, как правило, имеют в целом более гидродинамически эффективную форму и экстремальный запас плавучести, при этом некоторые цифры указывают на то, что запас плавучести составляет долю >45% для проекта 941 ( «Акула» ПЛАРБ ). Существует также вариант гидродинамически оптимизированной атомной подводной лодки с одним корпусом, такой как класс Skipjack , но создание больших трехмерно-изогнутых пластин из толстого высокопрочного металла остается непомерно дорогим.

Форма банта

Помимо выбора между одно- и двухкорпусным корпусом, существует также несколько вариантов размещения гидроакустического оборудования, торпедных аппаратов и передних пикирующих самолетов. На небольших прибрежных лодках, обычно с двумя палубами внутри прочного корпуса, торпедные аппараты и помещение для управления торпедами располагаются на нижней палубе, а гидролокатор установлен выше в носовой части, потенциально над ватерлинией, как на немецком типе 206 и шведском Sjöormen , Västergötland. и более поздние классы обеспечивают легкий доступ к эхолоту для обслуживания. Другой вариант - разместить торпедный отсек на верхней палубе с установкой в ​​нижней половине носовой части, как на британском Upholder классе и советском/российском Kilo , с сохранением места за носовой частью для больших аккумуляторных батарей и может позволить облегчение пополнения запаса торпед за счет их загрузки через верхние торпедные аппараты, а не через специальный люк для загрузки торпед. Оба этих варианта, как правило, приводят к несколько тупым лукам, а первый вариант может потребовать перемещения лука вперед. пикируйте самолеты от корпуса вверх к парусу , чтобы уменьшить шум потока, который в противном случае мог бы помешать работе гидролокатора.

По мере увеличения размеров большая ширина лодки позволяет использовать наклонные торпедные аппараты, стреляющие через борта корпуса, оставляя при этом место в носовой части для гораздо большей гидроакустической установки. Этот вариант был выбран для многих американских атомных подводных лодок с середины «холодной войны», а также используется на новых российских «Ясень» лодках класса . Как и раньше, стремление минимизировать шум потока может способствовать перемещению передних плоскостей пикирования к парусу, но это может быть недостатком при всплытии через арктический лед, требуя усиления и механизмов наклона под большим углом для предотвращения изгиба плоскостей. Более сложное решение состоит в том, чтобы скопировать немецкий тип XXI , складывая передние пикирующие плоскости заподлицо с корпусом, когда они не используются, желательно использовать дополнительный набор дверей, чтобы закрыть проемы в бортах корпуса. Третий вариант, обычно используемый британцами, - это просто оставить передние пикирующие самолеты навсегда в верхней части носовой части, иногда с возможностью складывания вверх, чтобы не засорять портовые конструкции, и изменить форму носовой части в точке пикирования самолета. крепления так, чтобы создать минимально возможную турбулентность.

Двигательная установка и кормовые поверхности управления

Что касается силовой установки, западные подводные лодки этого типа имеют один гребной винт, чтобы минимизировать сопротивление; Советский флот медленнее внедрял эту практику, в их конструкциях по-прежнему использовались два гребных винта, чтобы обеспечить либо большую мощность, либо безопасность. Тип 206 имеет длинный и тонкий конус позади паруса, опять же для минимизации сопротивления, но британский Upholder класс имеет более экономичную конструкцию, имеющую короткий конус в крайней кормовой части корпуса, чтобы максимизировать внутренний объем и, возможно, обеспечить большая прочность корпуса. У немецкой подводной лодки типа VII, изображенной на этой странице, для этой цели кормовая часть корпуса резко сужается, хотя ось ее винта повторяет ось остального корпуса.

« Альбакор» изучил несколько положений кормовых самолетов. Американские дизайнеры остановились на модифицированной версии крестообразной конструкции «Дельфина» ( греческий крест , вид сзади); они отвергли альтернативу X-образного расположения из-за ее сложности, но она была принята и использовалась военно-морскими силами Нидерландов, Швеции, Австралии и Германии, среди других, из-за ее способности прижиматься ближе к мелководному морскому дну, не затрагивая руль направления на морском дне. . Советы часто повторяли традиционную схему, аналогичную конструкции подводной лодки типа XXI .

«Корпус Альбакора»

Первого августа 1953 года США спустили на воду экспериментальное судно « Альбакор» , имевшее форму корпуса, во многом основанную на «форме Лиона», названной в честь Хильды Лион . После успешных маневренных испытаний и испытаний различных рулей и гребных винтов одна и та же общая форма корпуса использовалась для классов Skipjack и Barbel , а также для большинства современных подводных лодок США. используйте вариант этой формы с центральным удлиненным цилиндром, составляющим основной прочный корпус. уделялось большое внимание Поскольку « Альбакору» еще до того, как появление Интернета сделало информацию по истории подводных лодок более доступной для широкой публики, вполне вероятно, что любая конструкция, хоть сколько-нибудь напоминающая его, может быть отнесена к нему. как «корпус Альбакора», независимо от того, был ли он вдохновлен Альбакором , был разработан независимо в аналогичный момент времени или вообще предшествовал Альбакору .