Ubåtsteori är en gren av fartygsteorin som studerar sjödugligheten hos en ubåt (ubåt) och dess egenskaper jämfört med ett ytfartyg ( fartyg ).
Liksom den allmänna teorin om fartyget inkluderar den huvudsektionerna: flytkraft , stabilitet , framdrivning och stigning . Ibland, för hänvisning till allmän fysik, generaliseras de till skeppets dynamik och statik. Dessutom har den sektioner: osänkbarhet , sjöduglighet , hantering , sjösättning. Eftersom ubåten kännetecknas av två huvudpositioner - yta och under vatten, är dessa sjödugligheter, med undantag för sjösättning, också uppdelade i yta och under vatten.
För första gången publicerades grunderna för teorin om dykning 1578 i engelsmannen William Burnes arbete . [ett]
Ytflytkraften hos en ubåt, liknande flytkraften hos ett ytfartyg, kännetecknas av en flytkraftsmarginal . Det vill säga förhållandet mellan vattentäta volymer ovanför vattenlinjen (WL) och hela den vattentäta volymen, och uttrycks i procent.
Till exempel, om den totala volymen av ubåten är 3000 m³ och ytdelen är 600 m³, då flytkraftsmarginalen:
W = 600/3000 * 100 = 20 %Samma förhållande kan uttryckas i förskjutningar . För detta exempel, i destillerat vatten (1 m³ = 1 t), blir förskjutningen
D n \u003d 3000 - 600 \u003d 2400 t,och förskjutningen av dess totala volym är Dp = 3000 ton
W \u003d (D p - D n ) / D p * 100Undervattensflytförmåga skiljer sig fundamentalt från flytförmåga på ytan. För att helt sänka en båt i vatten måste du föra dess vikt till vikten av vattnet som förskjuts av dess fulla volym. Med andra ord, att släcka reserv av flytkraft till 0% genom att ta emot ytterligare last ( barlast ), i praktiken - utombordsvatten. Ur fysikens synvinkel kan det också anses att båten minskar sin volym, vilket låter det omgivande havet inuti skrovet . I teorin om ubåtar antas det första tillvägagångssättet - ballastvatten anses vara båtens egendom, det vill säga last. Och de säger att ytförskjutningen är mindre än den under vattnet. I vårt exempel - 2400/3000 ton. Som du kan se kan flytkraftsmarginalen uttryckas som förhållandet mellan yt- och undervattensförskjutningar.
Men om du tar mer last än vad en helt nedsänkt ubåt väger (skapar negativ flytkraft ) kommer den inte att flyta under vattnet, utan sjunka - fortsätt att sjunka tills den når marken eller kollapsar. Därför är det viktigt att den teoretiska undervattensflytkraften är exakt neutral - 0%. För ett ytfartyg är detta gränstillstånd likställt med förlust av flytkraft, för en ubåt är det en daglig norm.
Flytkraften påverkas uppenbarligen av vikten av den nedsänkta kroppen och vattnets densitet . Eftersom varken det ena eller det andra i praktiken förblir konstant (båten har kvarvarande flytförmåga ), kräver det korrigeringar för att upprätthålla neutral flytförmåga för ubåten under vatten. De produceras genom att pumpa/ta emot ballast, vilket kallas en ubåtsskylt , eller djupstabilisering.
I praktiken kräver mottagandet av ballast tid och energi. Därför strider den gyllene regeln för ett ytfartyg: "ju mer reserv, desto bättre" mot tekniska krav. De försöker begränsa den konstruktiva flytkraftsmarginalen. Vanligtvis är det 8-30 % för ubåtar (beroende på projekt), jämfört med 50-60 % eller mer för ytfartyg. En mindre marginal strider mot kraven på osänkbarhet, en större - hastigheten för nedstigning / uppstigning och begränsningen av strukturella dimensioner.
Principerna för ytstabilitet hos en ubåt liknar också de för ett ytfartyg. På samma sätt särskiljs statisk och dynamisk stabilitet.
Ett kännetecken för ubåtens laterala stabilitet är att dess skrov , av hållfasthetsskäl, har ett cirkulärt tvärsnitt. Därför, med en ökning av rullningen, är förändringar i området för den effektiva vattenlinjen obetydliga (det vill säga stabiliteten i formen ökar inte). Det återställande ögonblicket med ökande roll förändras lite. Den initiala metacentriska höjden h är också liten .
Både den tvärgående och längsgående ytstabiliteten hos ubåten påverkas av närvaron av en stor mängd flytande last, som i regel har fria ytor - i hjälpballast och specialtankar. Alla minskar marginalen för dynamisk stabilitet. Till skillnad från ett ytfartyg, där de försöker tillåta så få fria ytor som möjligt, tvingas en ubåt, genom sin design, att ha dem.
Av denna anledning är den dynamiska ytstabilitetsmarginalen för en ubåt mindre än den för ett ytfartyg. Det vill säga ubåtar visar sig som regel vara mer rullade på ytan.
Ubåtsstabilitet skiljer sig fundamentalt från ytstabilitet. Under vatten är den nedsänkta volymen i allmänhet konstant. CV:t rör sig inte. Därför kan ett återställande moment av yttyp inte uppstå. I nedsänkt läge krävs stabil balans. Det vill säga att CG ska vara under CG . Då skapar varje roll eller trim ett par krafter som rätar ut båten. I det här fallet finns det ingen formstabilitet, det finns bara viktstabilitet . Varje förskjutning av tyngdpunkten påverkar dock båtens position i vattenlandningen .
Speciellt en båt under vatten är känslig för längsgående krafter som orsakar trimning. De vältmoment som uppstår i detta fall ( m kr ), i avsaknad av formstabilitet, överstiger ofta de rätande momenten och är farliga för båten. Arkimediska styrkor räcker inte för att kompensera för dem, och konstgjorda ingrepp krävs. Det utförs genom längsgående förskjutning av lasten, kallad trim . [2]
Stabilitet under nedsänkning (uppstigning) är ett specialfall där huvudparametrarna som bestämmer stabiliteten är variabla. Det sker en övergång från instabil jämvikt (ytläge) till stabilt (undervattensläge). Det åtföljs av en tillfällig minskning av stabiliteten. Höjden på CV (Z c ) över huvudplanet ökar med djupet, höjden på CG (Z g ) minskar först, sedan växer höjden på metacenter (Z m , inte att förväxla med den metacentriska höjden) växer, minskar sedan och växer igen.
Deras gemensamma inflytande beskrivs av ubåtens flytkraft och initiala stabilitetsdiagram. Två singulära punkter i diagrammet: I - sammanfallande av CV och CG. Återställningsmomentet bestäms endast av ögonblicket för formstabilitet. II - gå under vattnet i ett hållbart skrov . Metacentret smälter samman med CV:t, den metacentriska höjden är minimal.
Vid dykning och uppstigning finns det mer än någonsin (förutom i fall av skada) fria ytor - i huvudballastens tankar. Därför är marginalen för dynamisk stabilitet för ubåten minimal.
Yt- och undervattensframdrivningen av ubåtar skiljer sig kraftigt åt. För en ubåt, som för ett ytfartyg, är motståndets beroende av hastighet giltiga. Motståndet är proportionellt mot kvadraten av hastighet:
X = f* V²där V är hastigheten, f är proportionalitetsfaktorn.
Kraften som krävs är proportionell mot kuben av propellerhastigheten ( skruvkarakteristik ):
N e \ u003d m * w³där m är koefficienten, w är rotationshastigheten.
Ytframdrivning kännetecknas av närvaron av vågmotstånd ( X in ), formmotstånd ( X f , se form dragkoefficient ) och friktionsmotstånd ( X t ). Vid full hastighet på ytan når vågmotståndet 50 - 60% av det totala. Undervattensframdrivning är annorlunda genom att det inte finns något vågmotstånd X i \u003d 0 (med början från ett djup som är lika med halva båtens längd).
Det är alltså omöjligt att skapa ett fall som uppfyller båda lägena. En tillfredsställande kompromiss är dessutom omöjlig. Därför är formen på skrovet optimerad för ett mer karakteristiskt läge.
Historiskt sett finns det två perioder. Den första, när undervattens- och ytmotorerna var helt åtskilda. Ubåtarna var mestadels dieselelektriska och tillbringade större delen av sin tid på ytan. Ubåtar från denna tid hade en överbyggnad och ett lätt skrov med konturer som förde båten närmare ett ytfartyg. Ythastigheten på dessa ubåtar var, i ett typiskt fall, mer under vattnet.
Med tillkomsten av snorkeln (RDP) är gränsen mellan undervattens- och ytmotorerna suddig, och med tillkomsten av kärnkraft får båtar en enda motor. Ytläget blir okaraktäristiskt. Därför är formen på skrovet helt optimerad för undervattensresor. Sedan 1960-talet har den varit nära idealisk hydrodynamisk - droppformad, med en relativ förlängning L/B = 6 ÷ 7. Formmotståndet är minimerat. Huvudandelen (85 - 90%) är friktionsmotstånd. Sådana båtar kan nå högre hastighet under vattnet än på ytan.
Ubåtar kännetecknas främst av stigning på ytan. I ytläge gäller alla överväganden som gäller för rullning av ett ytfartyg för ubåten. Även om båten, precis som ett ytfartyg, har alla 6 frihetsgrader , har roll och pitching störst inflytande på den .
Skillnaden mellan rullande av en ubåt är en stor amplitud . Enligt driftserfarenhet kan den nå Θ = 60°, med vågor på 5 - 6 punkter. [3]
Ubåtens stigning under vattnet är något märkbar endast i det ytnära lagret. Det påverkar driften av ubåtar som använder infällbara enheter, främst RDP, och villkoren för att skjuta upp missiler från en nedsänkt position. Vi talar alltså om dykdjup från 10 m ( periskopdjup ) till 45 m (startdjup).
Översvämningen av RDP-huvudet påverkar avsevärt ventilationen av ubåten och ställer krav på utrustning som beror på luftflödet. Men för teorin om ubåtar liknar pitching på periskopdjup som yta.
Sedan 1960 -talet har studier utförts på ubåtars ytrullning. [4] Resultaten kokar ner till följande: