Как подводная лодка погружается и всплывает

Подводная лодка тонет и всплывает, не меняя ни формы, ни размера. Она меняет вес: чтобы погрузиться, впускает в цистерны забортную воду, а чтобы всплыть, выдувает её сжатым воздухом. Перед вами модельная лодка длиной 100 метров и диаметром 10 метров, размером примерно с атомную многоцелевую лодку. Номера глав — глубина: мы будем погружаться вместе с ней, а закончим на дне самой глубокой впадины океана.

Главное здесь — два корпуса. Внутри — прочный корпус, стальной цилиндр, который держит давление воды. В нём живёт экипаж и стоят механизмы. Снаружи — лёгкий корпус, тонкая обтекаемая оболочка. Пространство между ними разделено на цистерны главного балласта: внизу у них отверстия, через которые входит вода, наверху — клапаны вентиляции. Пока цистерны полны воздуха, лодка плавает. Откройте клапаны — воздух выйдет, снизу войдёт вода, и лодка уйдёт под воду.

Кубометр стали весит 7,85 тонны и, конечно, тонет. Почему же не тонет лодка весом в тысячи тонн? Всё решает закон Архимеда: на тело в воде действует выталкивающая сила, равная весу воды в объёме этого тела.

Откуда она берётся? Вода давит на тело со всех сторон, и чем глубже, тем сильнее: каждый метр морской воды добавляет давление 1025 килограммов на квадратный метр. Нижняя грань куба на метр глубже верхней, на неё давят сильнее, и эта разница толкает куб вверх. Для кубометра она равна 1025 килограммам на любой глубине.

Сделаем из той же стали не сплошной куб, а пустой ящик того же размера со стенками толщиной 2 сантиметра. Он весит всего 905 килограммов, меньше кубометра воды, и плавает, погрузившись на 88 %. Нальём в него 117 литров воды, и ящик повиснет в толще воды. Чуть больше — утонет. Подводная лодка устроена так же: она меняет вес, не меняя объёма.

На поверхности лодка вытесняет меньше воды, чем может: часть корпуса над водой. Объём цистерн главного балласта, заполненных воздухом, называют запасом плавучести. У двухкорпусных лодок, какие традиционно строят в России, он около 25–30 % от веса лодки, у однокорпусных, как у американских, где цистерны есть только в носу и в корме, — около 10–15 %. Большой запас плавучести помогает лодке не утонуть с пробоиной, а маленький позволяет быстрее погрузиться.

Чтобы погрузиться, открывают клапаны вентиляции наверху цистерн. Воздух вырывается наружу, а снизу, через открытые отверстия или кингстоны, входит вода. Лодка тяжелеет, садится глубже, и над ней смыкается море. С полными цистернами она весит почти столько же, сколько вода в её объёме, и дальше её уводят на глубину горизонтальные рули на ходу. Первая остановка — перископная глубина, около 18 метров: над водой остаются только перископ и антенны.

Чтобы всплыть, клапаны закрывают и подают в цистерны воздух высокого давления из баллонов. Он выдавливает воду через нижние отверстия, лодка становится легче и поднимается.

Под водой лодке мало стать тяжелее: её вес должен точно сравняться с весом вытесненной воды. Тогда она зависает на глубине: это нейтральная плавучесть. За поход расходуются топливо, продукты и пресная вода, выпускаются торпеды, меняется плотность забортной воды. Каждую такую перемену компенсирует уравнительная цистерна: в неё принимают забортную воду или откачивают её за борт.

Важно и равновесие вдоль лодки. Под водой центр тяжести лодки должен быть ниже точки, к которой приложена выталкивающая сила, — центра величины. Но ниже совсем немного, у нашей лодки на 35 сантиметров, поэтому лодку легко наклонить. Если двадцать моряков перейдут из кормы в нос, лодка наклонится на нос на два градуса. Такой наклон называют дифферентом, его выравнивают, перекачивая воду между носовой и кормовой дифферентными цистернами.

На ходу лодка меняет глубину, как самолёт высоту. Для этого у неё есть горизонтальные рули: носовые и кормовые. Кормовые наклоняют всю лодку, и она идёт вниз или вверх под углом, носовые толкают нос вверх или вниз. Рули работают на набегающем потоке воды, и их сила растёт как квадрат скорости: вдвое быстрее — вчетверо сильнее.

На скорости в несколько узлов рули почти бесполезны, и глубину держат только цистернами. А на большой скорости лодка слушается малейшего движения рулей, поэтому рулевые на ней работают очень плавно.

Нейтральная плавучесть — хрупкое равновесие, потому что морская вода неодинакова. Тёплая и пресная вода легче, холодная и солёная тяжелее. Часто под прогретым верхним слоем лежит слой скачка, где температура резко падает, а плотность растёт. Лодка, уравновешенная над ним, опускается в более плотную воду, становится легче неё и останавливается. Подводники называют такой слой жидким грунтом: на нём можно повиснуть без хода.

Бывает и наоборот. В воде полегче, например у устья большой реки, лодка вдруг тяжелеет и проваливается вниз. А ещё прочный корпус под давлением немного сжимается, причём сильнее, чем сама вода. Поэтому с глубиной лодка тяжелеет, и, погружаясь, из уравнительной цистерны откачивают воду.

Каждые 10 метров воды добавляют к давлению примерно одну атмосферу. На глубине 300 метров давление уже около 31 атмосферы: на каждый квадратный метр корпуса давят 300 тонн, как десяток гружёных самосвалов.

С глубиной меняется и воздух. По закону Бойля — Мариотта объём газа обратно пропорционален давлению: на 10 метрах воздух сжимается вдвое, на 300 метрах — в 31 раз. Поэтому продуть цистерны на глубине трудно. Чтобы вытеснить кубометр воды на 300 метрах, нужно в 31 раз больше воздуха, чем у поверхности, а воздух высокого давления хранится в баллонах под давлением 200–300 атмосфер, и его запас ограничен.

Если в лодку поступает вода, экипаж делает аварийное продувание: пускает воздух высокого давления сразу во все цистерны главного балласта. На глубине воздух сжат, и сначала лодка получает лишь небольшую плавучесть. Но по мере подъёма воздух расширяется и выдавливает всё больше воды, поэтому всплытие ускоряется, и лодка вылетает на поверхность, порой выпрыгивая из воды носом.

От этой системы зависит жизнь экипажа. 10 апреля 1963 года американская атомная лодка «Трешер» погибла на испытаниях глубоководного погружения. Вероятно, в машинном отделении лопнул трубопровод, остановился реактор, а продуть цистерны не удалось: воздух, расширяясь, сильно охлаждается, и влага в нём замёрзла в фильтрах. Погибли 129 человек. После этого в США ввели программу безопасности SUBSAFE.

Чем глубже лодка должна погружаться, тем толще стенки прочного корпуса. Но толстый корпус тяжёлый, а вся лодка не может весить больше воды, которую вытесняет. Для цилиндра выходит простое правило: доля веса корпуса растёт пропорционально глубине и плотности металла и обратно пропорциональна его прочности. Стальной корпус, рассчитанный на несколько километров, весил бы больше вытесненной воды, и на всё остальное веса не осталось бы.

Поэтому для глубоководных лодок берут титан: при той же прочности он почти вдвое легче стали. Советская лодка К-278 «Комсомолец» с титановым корпусом была рассчитана на 1000 метров, а 4 августа 1985 года погрузилась на 1027 метров. Это рекорд для боевых подводных лодок. Рабочие глубины большинства лодок — несколько сотен метров.

Ещё выгоднее форма шара: при той же прочности он легче цилиндра. Поэтому обитаемые отсеки глубоководных аппаратов — сферы.

Самое глубокое место океана — впадина Челленджера в Марианском жёлобе, около 10 935 метров. Давление там больше тысячи атмосфер. Продуть цистерны воздухом на такой глубине нельзя, поэтому глубоководные аппараты всплывают иначе: они сбрасывают груз.

23 января 1960 года Жак Пикар и Дон Уолш опустились на дно впадины на батискафе «Триест». Их стальная гондола-шар диаметром 2,2 метра со стенками толщиной от 12,7 до 17,8 сантиметра висела под поплавком примерно со 130 тысячами литров авиационного бензина. Бензин легче воды и, в отличие от газа, сжимается совсем немного, но всё же сильнее воды. Поэтому по пути вниз батискаф понемногу тяжелел, и пилоты сбрасывали стальную дробь, которую держали электромагниты, — около тонны на каждые 900 метров. Чтобы начать погружение, в балластные отсеки поплавка впустили воду, а чтобы всплыть, сбросили ещё около двух тонн дроби. Спуск занял почти пять часов, на дне они провели 20 минут, подъём — три с половиной часа.