Станки «Toshiba» и шумность советских атомных подводных лодок. Часть 5
В 1976 году в состав ВМС США вошла подводная лодка “Лос-Анджелес” – первая в мире многоцелевая АПЛ третьего поколения. В течение следующих 20 лет было введено в строй суммарно 62 субмарины класса “Лос-Анджелес”, что делает их наиболее многочисленным типом АПЛ в истории. Пожалуй, эти лодки, являются наиболее узнаваемыми и наверняка их силуэт знаком людям даже очень сильно далёким от тематики подводного флота.
Также, с 1976 года в США начинается строительство и подводных ракетоносцев нового поколения класса “Огайо”. Они начнут пополнять боевой состав американского флота с конца 1981 года и в восьмидесятых выведут морские ядерные силы США на качественно новых уровень.
В Советском Союзе активные работы по созданию подводных лодок третьего поколения начались в начале 1970 годов. В июле 1975 закладывается первая советская АПЛ 3 поколения – подводная лодка с крылатыми ракетами проекта 949. Почти год спустя, в июне 1976 года закладывается первый советский подводный ракетоносец нового поколения пр.941. В 1979 году закладывается и новая многоцелевая АПЛ – проекта 945. А в 1980 начинается фактическое строительство первой многоцелевой АПЛ проекта 971.
Чем же принципиально отличаются АПЛ третьего поколения от второго? Для ответа на данный вопрос, рассмотрим основные конструктивные решения, применённые на советских АПЛ третьего поколения.
Как говорилось ранее, одним из главных источников шума атомной подводной лодки является сам атомный реактор, точнее его циркуляционные насосы, прокачивающие через него теплоноситель и создающие крайне сильный шум. Ключевой особенностью АПЛ третьего поколения является атомный реактор с высокой степенью естественной циркуляции теплоносителя – т.е. когда циркуляция теплоносителя осуществляется при помощи конвекции за счёт разницы температур на “входе” и “выходе” реактора даже при его работе на достаточно высоком уровне мощности.
В Советском Союзе, к середине 1970-х был создан такой реактор – ОК-650, различные модификации которого устанавливались на все советские АПЛ третьего поколения. Реакторы серии ОК-650 имели более чем вдвое большую мощность по сравнению с самыми мощными реакторами серии ВМ-4, которыми оснащались все АПЛ второго поколения – 190 Мегаватт против 90. Это позволило обеспечить высокие скорости хода новых советских многоцелевых АПЛ (до 35 узлов) при использовании только одного реактора, при том, что их водоизмещение по сравнению с АПЛ второго поколения существенно возросло. На подводных ракетоносцах пр.941 и подводных лодках с крылатыми ракетами пр.949/949А из-за их монструозных размеров применялась силовая установка с двумя реакторами. Существенно возросла надёжность и ремонтопригодность реактора. Но самое главное, если реакторы ВМ-4 имели совсем мизерный уровень естественной циркуляции, то ОК-650 в таком режиме мог работать на мощностях до 30% от номинальной. Схожий уровень мощности в режиме естественной циркуляции обеспечивался на реакторах S6G, которыми оснащались американские АПЛ класса “Лос-Анджелес”. Это позволяет на вышеуказанных уровнях мощности реактора не использовать циркуляционные насосы. Во многом благодаря этому АПЛ третьего поколения имеют возможность движения в так называемом “бесшумном режиме” на скоростях до 8-10 узлов.
Кроме того, высокая степень естественной циркуляции позволяет уменьшить количество циркуляционных насосов для работы на высоких уровнях мощности и/или снизить их мощность, что обеспечивает уменьшение уровня шумности на высоких скоростях хода лодки.
Важность реактора в обеспечении скрытности подводной лодки достаточно хорошо можно рассмотреть на примере американских подводных лодок третьего поколения. Подводные ракетоносцы класса “Огайо” имеют значительно меньший уровень шумности, чем многоцелевые АПЛ класса “Лос-Анджелес”. Хотя последние считались едва ли не эталонными лодками-“охотниками”, при создании которых делалось всё для обеспечения как можно меньшего уровня шумности. Ради уменьшения шумности на нескольких дополнительных децибел, “Лос-Анджелес” спроектировали полностью однокорпусной, сознательно пожертвовав живучестью лодки.
На подводных ракетоносцах “Огайо” устанавливался более совершенный реактор S8G, который имел значительно более высокий уровень естественной циркуляции (по разным оценкам до 70-80%), чем S6G, устанавливаемый на “Лос-Анджелесах”. На малых и средних скоростях хода реактор работает в режиме естественной циркуляции, турбины отключаются, а винт вращается мощным гребным электродвигателем, питаемым от турбогенераторов, и лишь на больших скоростях хода подключаются турбины и вращение винта производится при помощи турбозубчатого агрегата. Это обеспечивает минимизацию уровня шумности и существенный рост скоростей “бесшумного хода”. Такая же конструкция силовой установки, к слову, применяется на современных АПЛ 4 поколения. И по сути, “Огайо” гораздо ближе к четвёртому поколению АПЛ, чем к третьему.
Как минимум в восьмидесятых годах “Огайо” были самыми тихими атомными подлодками в мире. Лишь в 1990-х по уровню скрытности “Огайо” превзошли новые французские подводные ракетоносцы класса “Триумфан” и возможно, британские ракетоносцы класса “Вэнгард” (но это не точно). Даже сейчас уровень скрытности “Огайо”, остаётся на крайне высоком уровне. На базе реактора S8G были созданы реакторы S6W, которыми оснащаются американские АПЛ 4 поколения классов “Си Вулф” и “Вирджиния”.
Реактор с полной естественной циркуляцией является одним из ключевых требований к АПЛ 4 поколения. Главным образом благодаря этому на АПЛ 4 поколения обеспечивается повышение скоростей “бесшумного хода” до 15-20 узлов, что в свою очередь обеспечивает огромные тактические преимущества.
Важность реактора в обеспечении скрытности подлодки также можно рассмотреть на примере российских АПЛ 4 поколения. На момент написания данного текста (январь 2021) в боевом составе ВМФ России находится 5 АПЛ 4 поколения – 1 многоцелевая АПЛ проекта 885 (“Северодвинск”), 3 подводных ракетоносца проекта 955 “Борей” (“Юрий Долгорукий”, “Александр Невский” и “Владимир Мономах”) и 1 ракетоносец проекта 955А (“Князь Владимир”). Ещё одна многоцелевая АПЛ проекта 885М (“Казань”) построена, но официально не принята в состав флота. При этом лишь “Князь Владимир” и “Казань” являются “полноценными” АПЛ 4 поколения. Как на “Северодвинске”, так и на первых трёх “Бореях” установлены реакторы третьего поколения ОК-650. “Князь Владимир” и “Казань” уже оснащаются реакторами нового поколения КТП-6. Данный реактор и его первый контур монтируются в едином корпусе, что обеспечивает радикальное снижение диаметра трубопроводов (до 40 мм против 675 мм у ОК-650), и обеспечивает режим естественной циркуляции во всём диапазоне мощности.
Помимо новых реакторов ОК-650 на советских АПЛ третьего поколения была внедрена принципиально новая схема “двухкаскадной амортизации”. Всё основное оборудование и механизмы, командный пост и боевые посты стали размещать в так называемых зональных блоках. Зональный блок представляет собой, по сути, корпусную цилиндрическую конструкцию, размещаемую внутри прочного корпуса подводной лодки (фактически уже третий корпус) в габаритах определённого отсека. Внутри него располагаются палубы и размещённые на них различные механизмы, которые крепятся к своим “фундаментам” или напрямую к корпусу при помощи амортизаторов. Сами “фундаменты” также амортизированы. Затем сам блок крепиться при помощи резинокордовых пневматических амортизаторов к прочному корпусу. Такая конструкция обеспечивала многократное снижение уровня вибрационных шумов даже по сравнению с подлодками “переходного” поколения.
Кроме того, использование зональных блоков давало огромные производственные преимущества. Всё оборудование монтировалось в зональный блок внутри цеха, что значительно облегчало монтажные работы, а также более рационально компоновать оборудование, что в, свою очередь, тоже вносит свой вклад в снижении шумности лодки.
Для снижения шумности пришлось вносить и изменения в движительную установку. Для начала частота вращения гребного винта должна была быть уменьшена. На современных АПЛ 3 поколения максимальная частота его вращения не превышает 100-200 оборотов. Это требовало установки дополнительного понижающего редуктора, и увеличения диаметра винта для обеспечения необходимых пропульсивных характеристик. Но эти задачи серьёзных проблем не вызвали. Однако, обнаружилась проблема посерьёзнее...
Уже в процессе работ по созданию АПЛ 3 поколения выяснилось, что помимо прочих мер по снижению шумности, требуется создание винтов принципиально новой формы. Что бы ответить на вопрос, зачем эти винты понадобились надо вкратце рассмотреть элементы гидроакустического комплекса подводной лодки.
Задача обнаружения подводной лодки сводится к приёму звука, создаваемого подводной лодкой и выделение его на фоне помех, которые образует фоновый шум вокруг лодки. Обнаружение цели производится преимущественно при помощи автоматического линейного интегрирования. Суть его сводится к тому, что сигнал принимается в течении определённого времени, и когда его усреднённая по времени мощность превышает некий заданный порог это воспринимается как обнаружение цели.
Основным элементом гидроакустического комплекса подводной лодки является расположенная в носовой части гидроакустическая антенна, также называемая «фиксированным сонаром». Она представляет собой большой массив гидрофонов, расположенных на сферической или цилиндрической поверхности. Рассмотрим это на примере гидроакустической антенны BQS-13 гидроакустического комплекса BQQ-5, которыми оснащались американские многоцелевые АПЛ класса «Лос-Анджелес». Данная антенна имеет 1241 гидрофон, которые расположены на сфере диаметром около 4 метров. Сигналы, принимаемые гидрофонами суммируются, а затем обрабатываются квадратичным детектором, в результате по сравнению с единичным приёмником (например с гидроакустическим буем, сбрасываемым с самолёта или вертолёта) суммарный уровень сигнала увеличивается в N в квадрате раз. В тоже время уровень шума возрастает только в N раз. Поэтому соотношение сигнал/шум в в гидроакустической антенне будет расти пропорционально количеству гидрофонов. Увеличение уровня сигнала (в децибелах) многоэлементного приёмника по сравнению одноэлементным составляет 10 * lg(N), где N количество приёмных элементов гидроакустической антенны.
Как видно, чем больше гидрофонов имеет антенна, тем лучше, и поэтому её стремятся сделать, как можно больше. Именно для этого на американских АПЛ под сферическую антенну отдаётся вся носовая часть подлодки, даже в ущерб другим элементам лодки.
Наиболее эффективным с точки зрения обнаружения подводных лодок является низкочастотный диапазон — 10-300 Гц. Именно в низкочастотном диапазоне наиболее сильный уровень шума, создаваемый подлодкой. Кроме того, в низкочастотном диапазоне наблюдаются хорошо различимые и выделяемые узкополосные или дискретные составляющие шумов лодки, создаваемые различными механизмами, вибрациями, работой винта и т.д.
Однако фиксированный сонар не эффективен на низких частотах, так как требуется антенна, размеры которой сопоставимы с длиной волны, которая для данного диапазона превышает любые разумные размеры антенны, пригодной для размещения внутри корпуса корабля или подводной лодки.
Поэтому для работы в низкочастотном диапазоне применяют гибкие протяжённые буксируемые антенны (ГПБА). Данная антенная представляет собой набор линейно расположенных и соединённых друг с другом гидрофонов и буксируемых за кораблём или подводной лодкой при помощи кабель-троса. Рассмотрим устройство её устройства на примере буксируемой антенны TB-16 гидроакустического комплекса BQQ-5 американских многоцелевых АПЛ класса «Лос-Анджелес». Данная антенна имеет длину в 75 метров на которой распределены 50 гидрофонов и буксируется кабель-тросом длиной до 830 метров.
Помимо носовой и буксируемой антенны, в состав гидроакустического комплекса современных подводных лодок входят также т.н. конформные антенны, располагаемые в виде пояса на поверхности корпуса лодки. Так, вышеуказанный комплекс BQQ-5 включает в себя также конформную антенну из 104 гидрофонов, огибающий в виде пояса новую часть подлодки почти до рубки.
Гибкая протяжённая буксируемая антенна является наиболее эффективным средством поиска подводных лодок. Помимо работы в низкочастотном диапазоне, где наиболее сильный уровень звукового излучения, создаваемого подлодками/кораблями противника, использование ГПБА даёт целый ряд очень полезных возможностей:
— Возможность отвести саму антенну на значительное расстояние за подводной лодкой, что бы значительно снизить влияние на её работу создаваемых подлодкой или кораблём шумов.
— Возможность эффективного прослушивания кормовых секторов, которые для антенн, находящихся на борту корабля/подлодки находятся в зоне так называемой «гидроакустической тени».
— Возможность опускания антенны под слой температурного скачка, «непроницаемого» для звуковых волн.
Наиболее эффективна ГПБА при использовании на подводных лодках и специальных судах гидроакустической разведки, т.к. они имеют очень малый уровень собственных шумов.
Тем не менее, ГПБА не является «абсолютным» средством обнаружения и не заменяет прочих средств обнаружения. Зона обнаружения ГПБА представляет собой несколько «колец», как зон «освещённости», так и зон «акустической тени», где цель не обнаруживается.
К середине 1970-х годов ГПБА получили массовое распространение как на надводных кораблях, так и на подводных лодках. На американских АПЛ класса «Лос-Анджелес» появился рассмотренный выше гидроакустический комплекс BQQ-5. Впоследствии данным комплексом в ходе ремонта и модернизации была оснащена часть многоцелевых АПЛ класса «Пермит» и класса «Стерджен».
В советском флоте первым ГАК подводных лодок, имеющим протяжённую буксируемую антенну стал комплекс МГК-500 «Скат», которым оснащались многоцелевые АПЛ пр.671РТМ, подводные лодки с крылатыми ракетами пр.670М и подводные ракетоносцы пр.667БДРМ. Также данным комплексом оснащались «ранние» АПЛ третьего поколения. С конца 1980-х советские АПЛ стали оснащаться новым гидроакустическим комплексом МГК-540 «Скат-3» с цифровой обработкой информации.
Таким образом, скрытность подводной лодки в низкочастотном диапазоне стала играть огромное значение. И при создании АПЛ третьего поколения выявилась весьма важная проблема, связанная с движителем. Как говорилось в предыдущих частях, при создании АПЛ второго поколения, основным требованием, предъявляемом к винтам было обеспечение как можно больших критических скоростей, т.е. скоростей, при которых винт ещё не кавитирует. Прочие шумы, создаваемые винтом, никакого практического интереса не представляли, так как полностью подавлялись куда более сильными шумами силовой установки, механизмов и прочего оборудования.
Однако существенное снижение уровня вышеуказанных шумов, привело к тому, что в низкочастотном диапазоне стало проявляться сильное широкополосное излучение создаваемое винтом. При этом на фоне резко сниженных негидродинамических шумов подлодок, именно винт стал основным демаскирующим фактором даже на малых скоростях хода. Главным источником низкочастотного излучения винта стали силы, возникающие на лопастях винта, вследствие неоднородности потока жидкости в следе за корпусом подводной лодки и наличием в нём турбулентных пульсаций скорости.
Первой проблемой было то, что необходимо было создавать новый раздел в гидродинамике винтов. При этом натурных данных о шумах винтов некавитационной природы практически не было по вышеуказанным причинам. Однако, к счастью, на рубеже 1960-70 годов специалистами-гидродинамиками начали изучаться данные вопросы, что облегчило решение задачи снижения шумов винта.
В 1979 году на основе различных исследований и расчётов был предложен целый комплекс мер по снижению уровня шумоизлучения движителя в низкочастотном диапазоне. Самой значимой мерой было создание винтов новой конструкции. Наибольшее снижение шума обеспечивали семилопастные винты с саблевидными лопастями.
И для их изготовления и понадобились новейшие на тот момент металлообрабатывающие станки фирмы «Toshiba»…
Подписывайся на телеграм-канал Cat_Cat, чтобы не пропустить интересные посты
НА КОРМ КОТИКАМ ---> 💰