Teorie ponorek je odvětví teorie lodí , které studuje způsobilost ponorky (ponorky) a její vlastnosti ve srovnání s povrchovou lodí ( plavidlem ).
Stejně jako obecná teorie lodi zahrnuje hlavní části: vztlak , stabilita , pohon a klopení . Někdy, pro odkaz na obecnou fyziku, jsou zobecněny do dynamiky a statiky lodi. Kromě toho má sekce: nepotopitelnost , způsobilost k plavbě , manipulace , spouštění. Vzhledem k tomu, že ponorka je charakterizována dvěma hlavními polohami - povrchovou a podvodní, dělí se tato způsobilost k plavbě, s výjimkou spouštění, také na povrchovou a podvodní.
Základy teorie přístrojového potápění byly poprvé publikovány v roce 1578 v díle Angličana Williama Burnea . [jeden]
Hladinový vztlak ponorky, podobný vztlaku hladinové lodi, je charakterizován rezervou vztlaku . To znamená poměr vodotěsných objemů nad vodoryskou (WL) k celému vodotěsnému objemu a je vyjádřen v procentech.
Například, pokud je celkový objem ponorky 3000 m³ a povrchová část je 600 m³, pak rezerva vztlaku:
W = 600/3000 * 100 = 20 %Stejný poměr lze vyjádřit v posunech . V tomto příkladu bude výtlak v destilované vodě (1 m³ = 1 t).
D n \u003d 3000 - 600 \u003d 2400 t,a výtlak jeho celkového objemu je D p = 3000 t. Potom
W \u003d (D p - D n ) / D p * 100Vztlak pod vodou se zásadně liší od vztlaku na hladině. Chcete-li loď zcela ponořit do vody, musíte její váhu přenést na váhu vody vytlačenou jejím plným objemem. Jinými slovy, uhasit rezervu vztlaku na 0% přijetím dalšího nákladu ( balastu ), v praxi - vnější vody. Z hlediska fyziky lze také uvažovat o tom, že loď zmenšuje svůj objem a pouští okolní moře dovnitř trupu . V teorii ponorek je přijat první přístup - balastní voda je považována za vlastnost lodi, tedy nákladu. A říkají, že povrchový posun je menší než podvodní. V našem příkladu - 2400/3000 t. Jak můžete vidět, vztlakovou rezervu lze vyjádřit jako poměr povrchových a podvodních výtlaků.
Pokud však vezmete více nákladu, než váží zcela ponořená ponorka (vytvoří záporný vztlak ), nebude plavat pod vodou, ale potopit se - pokračujte v klesání, dokud nedosáhne na zem nebo se nezhroutí. Proto je životně důležité, aby teoretický vztlak pod vodou byl přesně neutrální – 0 %. U hladinové lodi se tento hraniční stav rovná ztrátě vztlaku, u ponorky je to denní norma.
Vztlak je zjevně ovlivněn hmotností ponořeného tělesa a hustotou vody. Protože v praxi ani jedno ani druhé nezůstává konstantní (člun má zbytkový vztlak ), udržování neutrálního vztlaku ponorky pod vodou vyžaduje korekce. Vyrábějí se čerpáním/přijímáním balastu, kterému se říká podmořské znamení nebo stabilizace hloubky.
V praxi vyžaduje příjem balastu čas a energii. Proto zlaté pravidlo hladinové lodi: „čím větší rezerva, tím lépe“ je v rozporu s technickými požadavky. Snaží se omezit konstruktivní vztlakovou rezervu. Obvykle je to 8-30 % u ponorek (v závislosti na projektu), ve srovnání s 50-60 % nebo více u hladinových lodí. Menší rezerva je v rozporu s požadavky na nepotopitelnost, větší - rychlost klesání / stoupání a omezení konstrukčních rozměrů.
Principy povrchové stability ponorky jsou také podobné jako u povrchové lodi. Stejně tak se rozlišuje statická a dynamická stabilita.
Charakteristickým rysem boční stability ponorky je, že její trup má z důvodů pevnosti kruhový průřez. Proto s nárůstem náklonu jsou změny v oblasti efektivní vodorysky nevýznamné (to znamená, že se stabilita formy nezvyšuje). Obnovovací moment s rostoucím náklonem se mění jen málo. Počáteční metacentrická výška h je také malá .
Příčná i podélná povrchová stabilita ponorky je ovlivněna přítomností velkého množství kapalného nákladu, který má zpravidla volné povrchy - v pomocném balastu a speciálních nádržích. Všechny snižují hranici dynamické stability. Na rozdíl od hladinové lodi, kde se snaží umožnit co nejméně volných ploch, je ponorka svou konstrukcí nucena je mít.
Z tohoto důvodu je rozsah dynamické stability povrchu ponorky menší než u povrchové lodi. To znamená, že ponorky jsou zpravidla více válcované na povrchu.
Stabilita ponorky se zásadně liší od stability povrchu. Pod vodou je ponořený objem obecně konstantní. CV se nehýbe. Nemůže tedy vzniknout vratný moment plošného typu. V ponořené poloze je vyžadována stabilní rovnováha. To znamená, že těžiště by mělo být pod těžištěm . Pak jakýkoli náklon nebo trim vytvoří dvojici sil , které narovnají loď. V tomto případě neexistuje stabilita tvaru, existuje pouze stabilita hmotnosti . Jakékoli posunutí těžiště však ovlivňuje polohu lodi při přistání na vodě .
Zejména loď pod vodou je citlivá na podélné síly, které způsobují trimování. Překlopné momenty vznikající v tomto případě ( m kr ) při absenci tvarové stability často překračují vzpřimovací momenty a jsou pro loď nebezpečné. Archimédské síly k jejich kompenzaci nestačí a je nutný umělý zásah. Provádí se podélným posunem nákladu, nazývaným trim . [2]
Stabilita při ponoření (výstupu) je speciální případ, kdy jsou hlavní parametry určující stabilitu proměnné. Dochází k přechodu z nestabilní rovnováhy (poloha na hladině) do stabilní (poloha pod vodou). Je doprovázena dočasným snížením stability. Výška CV (Z c ) nad hlavní rovinou roste s hloubkou, výška CG (Z g ) nejprve klesá, pak roste, výška metacentra (Z m , nezaměňovat s metacentrickou výškou) roste, pak klesá a zase roste.
Jejich společný vliv je popsán diagramem vztlaku a počáteční stability ponorky. Dva singulární body diagramu: I - shoda CV a CG. Vratný moment je určen pouze momentem tvarové stálosti. II - jít pod vodu odolného trupu . Metacentrum splývá s CV, metacentrická výška je minimální.
Při potápění a výstupu je více než kdy jindy (kromě případů poškození) volných ploch – v nádržích hlavního balastu. Proto je rezerva dynamické stability ponorky minimální.
Povrchový a podvodní pohon ponorek se výrazně liší. Pro ponorku, stejně jako pro hladinovou loď, platí závislosti odporu na rychlosti. Odpor je úměrný druhé mocnině rychlosti:
X = f* V2kde V je rychlost, f je faktor úměrnosti.
Potřebný výkon je úměrný třetí mocnině otáček vrtule ( charakteristika šroubu ):
N e \ u003d m * w³kde m je koeficient, w je rychlost otáčení.
Povrchový pohon je charakterizován přítomností vlnového odporu ( X in ), tvarového odporu ( X f , viz tvarový odporový koeficient ) a třecího odporu ( X t ). Při plné rychlosti na povrchu dosahuje vlnový odpor 50 - 60 % celkového. Podvodní pohon se liší v tom, že neexistuje žádný vlnový odpor X v \u003d 0 (počínaje hloubkou rovnající se polovině délky lodi).
Není tedy možné vytvořit pouzdro, které by vyhovovalo oběma režimům. Navíc je také nemožný uspokojivý kompromis. Proto je tvar trupu optimalizován pro charakteristický režim.
Historicky existují dvě období. První, kdy byly podvodní a povrchové motory zcela odděleny. Ponorky byly většinou dieselelektrické a většinu času trávily na hladině. Ponorky této doby měly nástavbu a lehký trup s obrysy, které přibližovaly loď k hladinové lodi. Povrchová rychlost těchto ponorek byla v typickém případě spíše pod vodou.
S příchodem šnorchlu (RDP) se hranice mezi podvodními a povrchovými motory stírá a s příchodem jaderné energie dostávají lodě jeden motor. Povrchová poloha se stává netypickou. Proto je tvar trupu plně optimalizován pro podvodní cestování. Od 60. let 20. století se blíží ideálnímu hydrodynamickému – kapkovitému, s relativním prodloužením L / B = 6 ÷ 7. Tvarový odpor je minimalizován. Hlavní podíl (85 - 90 %) má třecí odpor. Takové lodě jsou schopny dosáhnout větší rychlosti pod vodou než na hladině.
Ponorky se vyznačují především sklonem hladiny. V poloze na hladině platí pro ponorku všechny úvahy použitelné pro kutálení hladinové lodi. Přestože má loď, stejně jako povrchová loď, všech 6 stupňů volnosti , největší vliv na ni má náklon a klopení .
Rozdíl mezi rolováním ponorky je velká amplituda . Podle provozních zkušeností může dosahovat Θ = 60°, s vlnami 5 - 6 bodů. [3]
Podmořský sklon ponorky je poněkud patrný pouze v připovrchové vrstvě. Ovlivňuje provoz ponorek používajících zatahovací zařízení, především RDP, a podmínky pro odpalování raket z ponořené pozice. Hovoříme tedy o hloubkách potápění od 10 m ( hloubka periskopu ) do 45 m (výchozí hloubka).
Zaplavení hlavy RDP výrazně ovlivňuje ventilaci ponorky a klade požadavky na vybavení závislé na proudění vzduchu. Ale pro teorii ponorek je sklon v hloubce periskopu podobný povrchu.
Od 60. let 20. století byly prováděny studie o povrchovém válcování ponorek. [4] Výsledky se scvrkají na následující: