Как работают подводные лодки?

Худшее, что может случиться
с вами на корабле посреди океана, — это
затопление водой и то, что вы утонете. Но если вы на борту подводной лодки , то утонуть — это именно то, чего вы
хотите! В отличие от кораблей, которые качаются и качаются, борясь с
волнами, подводные лодки быстро и бесшумно скользят по более спокойным водам
внизу. Это поджарые, подлые, военные машины, и они могут оставаться
под водой неделями или даже месяцами. Давайте подробнее рассмотрим,
как они работают!

Фото: Атомная подводная лодка класса «быстрый удар» USS Newport News (SSN-750) мчится по морю. Фото Аарона Чейза предоставлено ВМС США и Wikimedia Commons.

Что такое подводная лодка?

Океаны наиболее бурны там, где ветер встречается с водой: на их поверхности. Волны, которые мчатся по
морю, являются признаком энергии, изначально переданной Солнцем и превращенной в ветер,
мчащийся с одной стороны планеты на другую. Корабли сражаются и кренятся по суровым морям, где ни одна рыба — стоящая своей соли — никогда не заплывет.
Парусные суда хорошо используют ветер, используя порывы воздуха для создания очень эффективной формы движения.
Дизельные суда остаются на поверхности по другой причине: их двигателям требуется
постоянный приток кислорода для сжигания топлива. Теоретически судам должно быть намного легче плыть под волнами,
где вода спокойнее и оказывает меньшее сопротивление; на практике это создает другой набор проблем.

Если вы когда-либо занимались подводным плаванием с маской и трубкой или
подводным плаванием с аквалангом, вы знаете, что жизнь под водой сильно отличается от
жизни на поверхности. Там темно и трудно что-либо разглядеть, нет воздуха для
дыхания, а сильное давление воды заставляет все чувствовать себя неуютно
и клаустрофобно. Подводные лодки — это гениальные образцы инженерии,
предназначенные для безопасной перевозки людей в этой очень суровой среде.
Хотя изначально они были изобретены как военные машины, и большинство
крупных подлодок по-прежнему строятся для военно-морских сил мира, несколько подлодок поменьше
работают в качестве научно-исследовательских судов. Большинство из них —
подводные аппараты
(как правило, небольшие, безмоторные, одно- или двухместные подводные лодки, привязанные к
научно-исследовательским судам во время работы).

Фото: Подводная лодка, привет! Когда мы видим фотографии подводных лодок, плавающих на поверхности,
трудно представить, насколько они на самом деле велики: как и айсберги, практически вся плавучая подлодка находится под водой.
На этой очень необычной фотографии подводной лодки в сухом доке для обслуживания вы можете ясно увидеть, насколько велика подводная лодка на самом деле — и что она на самом деле представляет собой почти идеальный цилиндр. Фотография USS City of Corpus Christi на военно-морской верфи Перл-Харбор, сделанная Дастаном Лонгини, предоставлена ​​ВМС США и
Wikimedia Commons.

Части подводной лодки

Фото: Несмотря на многочисленные технологические достижения,
основная концепция подводной лодки мало изменилась за столетие
с тех пор, как Джон Холланд спроектировал USS ​​Holland, первую подводную лодку ВМС США
. Фото предоставлено Военно-морским историческим центром.

Вот некоторые из ключевых частей типичной подводной лодки.

Прочный корпус

Давление воды, толкающей внутрь, является самой большой проблемой для
тех, кто хочет погрузиться глубоко под поверхность океана. Даже с аквалангами
мы можем погружаться только до определенной глубины, потому что огромное давление вскоре делает
невозможным дыхание. На глубине 600 м (2000 футов), максимальной
глубине, на которую когда-либо погружались субмарины, давление воды более чем в 60 раз больше, чем
на поверхности!

Как подводные лодки выживают там, где люди не могут? Корпус стандартного корабля
— это металл снаружи, который не пропускает воду. Большинство подводных лодок имеют два
корпуса, один внутри другого, что помогает им выживать. Внешний корпус
водонепроницаем, а внутренний (называемый корпусом высокого давления ) намного
прочнее и устойчив к огромному давлению воды. Самые прочные
подводные лодки имеют корпуса, изготовленные из прочной стали или титана.

Самолеты

Так же, как у акул есть плавники на теле, которые помогают им плавать и нырять,
так и у подводных лодок есть плавники, называемые ныряющими плоскостями или гидропланами .
Они работают немного как крылья и поверхности управления (поворотные закрылки)
на самолете, создавая восходящую
силу, называемую подъемной силой.
Плавучесть — это тенденция чего-либо
тонуть, подниматься или всплывать на определенной глубине. Пока она находится под водой, подводная лодка имеет
отрицательную плавучесть, что означает, что она имеет тенденцию тонуть, предоставленная самой себе, если она не движется.
Но когда винты подводной лодки толкают ее вперед, вода устремляется
по плоскостям, создавая восходящую силу, называемую подъемной силой, которая помогает ей оставаться на определенной глубине,
создавая состояние нейтральной плавучести (плавучести).
Плоскости можно наклонять, чтобы изменять подъемную силу,
таким образом заставляя подводную лодку подниматься или нырять в море по мере необходимости. Плоскости обеспечивают большую часть
контроля глубины подводной лодки, большую часть времени. Величина подъемной силы, которую они
создают, зависит как от угла, под которым они наклонены, так и от скорости подводной лодки (так же, как подъемная сила, создаваемая крыльями,
зависит от скорости самолета и «угла атаки»).

Фото: Ныряющие плоскости по обе стороны башни подводной лодки создают подъемную силу, когда она движется вперед, как крылья самолета. Две фотографии USS Alabama, сделанные
Рэем Наримацу и Марком А. Корреа, предоставлены ВМС США и Wikimedia Commons
(оригинальные фотографии
здесь
и
здесь).

Балластные цистерны

Между двумя корпусами есть пространства, которые могут быть заполнены
либо воздухом, либо водой. Они называются балластными
цистернами , и вместе с ныряющими самолетами они дают подлодке контроль над ее
плавучестью, особенно во время первой части погружения или возвращения на поверхность
с глубины. Когда балластные цистерны заполнены воздухом, подлодка поднимается на поверхность,
поскольку у нее положительная плавучесть. С водой внутри цистерн подлодка имеет отрицательную плавучесть, поэтому она погружается глубже в океан.
Цистерны спереди (известные как передние дифферентные цистерны ) обычно сначала заполняются водой или воздухом, поэтому
передняя часть подлодки (нос) опускается или поднимается раньше, чем ее задняя часть (корма).
Балластные цистерны также могут использоваться, чтобы помочь подлодке очень быстро всплыть на поверхность в чрезвычайной ситуации.

Фото: Подводная лодка выпускает воздух из балластных цистерн, готовясь к погружению. Фото Майкла Мерфи предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Двигатель

Бензиновые и
дизельные двигатели, используемые в
автомобилях и грузовиках, а также реактивные двигатели, используемые в
самолетах, нуждаются в подаче кислорода из воздуха для работы.
С подводными лодками все по-другому, они работают под водой,
где нет воздуха. Большинство подводных лодок, за исключением атомных, имеют
дизель-электрические двигатели. Дизельный двигатель работает нормально, когда
подводная лодка находится вблизи поверхности, но он не приводит в действие винты подводной лодки
напрямую. Вместо этого он приводит в действие электрогенератор, который заряжает
огромные батареи. Они приводят в действие электродвигатель, который, в свою очередь, приводит в действие
винты. После того, как дизельный двигатель полностью зарядит батареи,
подводная лодка может выключить свой двигатель и уйти под воду, где она
полностью полагается на энергию батареи.

Ранние военные подводные лодки использовали дыхательные трубки, называемые шноркелями, для
подачи воздуха в двигатели из воздуха над морем, но это означало, что
им приходилось действовать очень близко к поверхности, где они были
уязвимы для атак с самолетов. Большинство крупных военных подводных лодок
теперь работают на атомных двигателях. Как и атомные электростанции, они имеют небольшие ядерные реакторы, и, поскольку им не нужен воздух для работы, они могут вырабатывать энергию для приведения в действие электродвигателей
и винтов, независимо от того, находятся ли они на поверхности или глубоко
под водой.

Башня

Фото: Башня или парус могут также использоваться в качестве наблюдательной
платформы, когда подлодка движется по поверхности. Обратите внимание на различные
антенны связи и навигации. Фото Джеффри М. Ричардсона предоставлено
ВМС США.

Подводные лодки имеют сигарообразную форму, чтобы плавно скользить по воде
, но в самом центре находится высокая башня. На старых подводных лодках
башня была заполнена навигационным и другим оборудованием
и иногда называлась боевой рубкой
(потому что исторически в ней находились органы управления подводной лодкой ).
Ее также называют просто башней или парусом,
потому что на современной подводной лодке органы управления и навигационное оборудование
занимают больше места и, как правило, располагаются в корпусе.

Навигационные системы

Фото: Перископы полезны, если вы находитесь у поверхности
и ищете вражеские корабли, но они бесполезны под водой. Фото
Джеффри С. Виано предоставлено
ВМС США.

Свет плохо проходит через воду, поэтому
чем глубже вы погружаетесь, тем темнее становится
. Большую часть времени
пилоты подводных лодок даже не видят, куда они плывут! У подводных лодок есть
перископы (смотровые трубы, которые можно
выдвинуть через башню), но они полезны только тогда, когда подводные лодки находятся на
поверхности или прямо под ней. Подводные лодки ориентируются, используя целый ряд
электронного оборудования. Для начала, есть спутниковая
навигация GPS, которая
использует космические спутники, чтобы сообщать
подводной лодке ее местоположение. Есть также SONAR, система, похожая на радар, которая посылает звуковые импульсы в море
и слушает эхо, отражающееся от морского дна или других близлежащих
подводных лодок. Другая важная навигационная система на борту подводной лодки известна
как инерциальное наведение . Это способ использования гироскопов для отслеживания того, как далеко и в каком направлении прошла
подводная лодка , без обращения к какой-либо внешней информации. Инерциальное наведение остается точным только в течение ограниченного времени ( около 10 дней) и время от времени нуждается в корректировке с использованием GPS, радара или других данных.

Фото: гидроакустический аппарат типичной подводной лодки.
Фото Брэндона Шеландера предоставлено ВМС США.

Системы жизнеобеспечения

На борту большой военной подводной лодки находятся десятки людей. Как
они могут есть, спать и дышать, находясь глубоко под водой, в ледяной
воде, месяцами? Подводная лодка — это полностью герметичная
среда. Ядерный двигатель обеспечивает тепло и вырабатывает электричество, а электричество питает все
системы жизнеобеспечения, необходимые подводникам. Он производит кислород для
дыхания людей, используя электролиз для химического разделения молекул воды (превращая H2O в _H2
и _O2 ) _, и очищает
воздух от нежелательного углекислого газа. Подводные лодки могут даже производить собственную питьевую воду из
морской воды, используя электричество для удаления соли. Мусор прессуется в стальные банки, которые выбрасываются через
систему шлюза (водонепроницаемый выход в корпусе) и сбрасываются на морское дно.

Кто изобрел подводную лодку?

Первые дни

• 1620: Англичанин Корнелис
  Дреббл (1572–1633) строит первую подводную лодку, обшив
  кожуй деревянную лодку яйцевидной формы и покрыв ее воском
  . Ученые не уверены, отправилась ли когда-либо в плавание лодка Дреббла.
• 1776: Во время Американской революции Дэвид
  Бушнелл (1742–1824) строит одноместную подводную лодку с ручным приводом
  под названием «Черепаха», чтобы атаковать британские военные корабли. 

  Иллюстрации: Два вида подводной лодки «Черепаха» Дэвида Бушнелла.
  Иллюстрации из книги «История морской мощи» Уильяма Оливера Стивенса и Аллана Ф. Уэсткотта, George H. Doran Co., 1920, стр. 294, предоставлены Архивом Интернета.

• 1800: Американский инженер-паровоз Роберт
  Фултон (1765–1815) проектирует трансформируемое судно со складными
  парусами, которое может превращаться в подводную лодку для путешествий под водой. 

  Иллюстрация: Подводная лодка «Наутилус» Роберта Фултона.
  Иллюстрация из книги «История морской мощи» Уильяма Оливера Стивенса и Аллана Ф. Уэсткотта, George H. Doran Co., 1920, стр. 295, предоставлено Архивом Интернета.

• 1863: Американский инженер Хорас Лоусон Ханли (1823–1863) разрабатывает
  подводную лодку с ручным приводом, которая в конечном итоге становится известной как
  CSS HL Hunley
  (часто просто «Hunley» для краткости). Она тонет один раз во время испытаний в августе 1863 года,
  убив пять членов экипажа, затем снова тонет в октябре 1863 года, убив самого Ханли и всю его команду.
  Позже поднятая, она становится первой подводной лодкой, потопившей военный корабль
  (во время Гражданской войны в США) — настоящая веха в истории подводных лодок.
• 1888: Испанский инженер Исаак Пераль (1851–1895) строит первую
  электрическую (работающую от батарей) подводную лодку. Несмотря на успешные испытания, она так и не пошла в
  производство, хотя идеи Пераля оказали влияние на других инженеров по всему миру.
• 1897: Американский изобретатель Саймон Лейк (1866–1945) спускает на воду «Аргонавт» — первую подводную лодку,
  работающую в открытом море.

Практические подводные лодки

• 1900: ВМС США спускают на воду свою первую подводную лодку USS
  Holland, названную в честь ее ирландско-американского изобретателя Джона
  Холланда (1840–1914). Хотя
  Холланд предлагал подводные лодки ВМС в течение многих лет,
  изначально он не проявил никакого интереса.На фото: USS Holland (подводный торпедный катер № 1) на ходу, около 1900 года. Фото предоставлено Военно-морским историческим центром.
• 1908: Почтовый из России стал одним из
  пионеров воздухонезависимого движения (ВНД) — эксплуатации подводной лодки без частых подъемов на поверхность с использованием бензинового двигателя, работающего на сжатом воздухе.

От мировых войн к холодной войне

• 1914–18: Во время Первой мировой войны немецкий флот управлял флотом
  высокоэффективных военных подводных лодок, называемых U-boats (сокращение от
  Unterseeboot, что означает подводный корабль). В 1930-х годах немцы
  начали использовать трубки-шноркели (изобретенные голландским инженером) для подачи
  воздуха в дизель-электрические двигатели своих подводных лодок, что увеличило их
  дальность и эффективность.
• 1930-е: немецкий инженер Хельмут Вальтер
  создает двигатели высокой тяги на перекиси водорода для использования на подводных лодках и ракетах. Это
  еще один шаг вперед для воздухонезависимого движения.
• 1952: Французский подводный фотограф
  Димитрий Ребиков спускает на воду «Пудель» — первый привязной дистанционно управляемый подводный аппарат (ROV).
• 1955: ВМС США спускают на воду USS Nautilus — первую атомную подводную лодку.
• 1964: Alvin, научно-исследовательский подводный аппарат, эксплуатируемый Океанографическим институтом Вудс-Хоул, начинает свою долгую и выдающуюся историю подводных исследований.
  Его основные успехи включают открытие черных курильщиков (гидротермальных источников — немного похожих на дымоходы на дне океана)
  и исследование обломков Титаника.
• 1968: Советский Союз (Россия и ее бывшие союзники) спускает на воду
  К-162 — первую подводную лодку с титановым корпусом и самую быструю в мире.
• 1969: Советы спускают на воду первую из своих изящных, быстрых атомных подводных лодок класса «Альфа» с титановым корпусом.

Современное время

• 1990-е годы: Атомные подводные лодки, ставшие ненужными к концу холодной войны, используются для
  океанографических и климатических исследований в Арктике в рамках проекта под названием
  Science Ice Exchange (SCICEX).
• 1990-е годы: конструктор подводных лодок британского происхождения Грэм Хоукс обещает произвести революцию в проектировании подводных лодок,
  создав небольшие, похожие на самолеты подводные аппараты под названием Deep Flight, которые «летают» под водой.
• 1990-е годы: Как и во многих других отраслях, Китай становится крупным поставщиком недорогих, но эффективных
  дизель-электрических военных подводных лодок, включая отремонтированные версии старых подводных лодок класса «Мин» 1960–1980-х годов (тип 035) и более современных подводных лодок класса «Сун» (тип 039).
• 2023 год: «Титан», крошечный подводный аппарат из углеродного волокна, предназначенный для доставки туристов к затонувшему «Титанику»,
  катастрофически взрывается на глубине около 3,5 км (2,1 мили) под водой, в результате чего погибают все пять членов экипажа на борту.

Фото: Что будет в будущем? Более двух третей нашей планеты занимает вода, поэтому подводные лодки всегда будут иметь место в армии. Но когда дело доходит до научных исследований, все большую важность приобретают небольшие роботизированные подводные аппараты, такие как этот дистанционно управляемый аппарат (ROV) Super Scorpio. Обратите внимание на видеокамеры спереди и большие серебристые роботизированные захватные руки. Фотографии Джеффри Патрика предоставлены ВМС США и Wikimedia Commons (оригинальные фотографии здесь и здесь).

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Самолеты
• Судно на воздушной подушке
• Атомная энергия
• Корабли и лодки
• Плавание наука
• Титан

Книги

Для читателей старшего возраста

• Иллюстрированный всемирный путеводитель по подводным лодкам Джона Паркера. Anness Publishing, 2013. Подробный фотографический путеводитель по 140 наиболее известным подводным лодкам мира.
• Подводные лодки: иллюстрированная история их влияния Пола Э. Фонтеноя. ABC-CLIO, 2007. Хронологический отчет о технологии подводных лодок.
• «Подводная лодка Бушнелла: самый тщательно охраняемый секрет американской революции» Артура С. Лефковица. Scholastic, 2006. Увлекательный взгляд на одну из самых первых подлодок.
• «The Submarine Book» Чака Лоулисса. Burfood Books, 2000. Еще один исторический отчет о развитии подводных лодок, от Drebble до атомной подлодки.

Для юных читателей

• «Корабли и подводные лодки» Криса Вудфорда. Факты в деле, 2004. Мое собственное краткое (96 страниц) введение охватывает историю судоходства в хронологическом порядке. Для детей 9–12 лет.
• «Подводные лодки» Ребекки Стефофф. Маршалл Кавендиш, 2006. Краткое введение, рассчитанное на возраст 9–12 лет (но подходит и для более старших читателей).

Статьи

• Ученые исследуют подводные квантовые связи для подводных лодок Чарльза К. Чоя. IEEE Spectrum, 20 апреля 2020 г. Изучение разработки безопасной квантовой связи между подводными лодками.
• Знакомьтесь с Aquanaut, подводным трансформером Эвана Акермана. IEEE Spectrum, 25 июля 2019 г. Это человек… это подводная лодка? Нет, это и то, и другое!
• Компания Houston Mechatronics привлекла $20 млн для привлечения экспертов NASA к трансформации подводных роботов Эвана Акермана. IEEE Spectrum, 26 апреля 2018 г. Что произойдет, если скрестить робота с подводным аппаратом?
• Самый большой в мире рой миниатюрных роботизированных подводных лодок Эвана Акермана. IEEE Spectrum, 5 мая 2015 г. Как рои автономных подводных аппаратов (AUV) могут сотрудничать для выполнения сложных миссий.
• Россия запускает самую тихую подводную лодку в мире Закари Кек. The National Interest, 29 апреля 2015 г. Все о новой дизель-электрической подводной лодке «Краснодар», типе подводной лодки класса «Кило», настолько тихой, что она получила прозвище «черная дыра».
• Как заставить подводные лодки летать со сверхзвуковой скоростью, Джордан Голсон. Wired, 25 августа 2014 г. Китайские исследователи разрабатывают подводные лодки, которые могут летать быстрее большинства реактивных самолетов, используя технологию, называемую суперкавитацией.
• Вопрос-ответ с Грэмом Хоуксом, человеком, который построил подводный аппарат Deep Flight Challenger: Popular Mechanics, 8 апреля 2011 г. Грэм Хоукс объясняет концепцию подводных лодок Deep Flight, которые летают под водой как самолеты.
• Спущена на воду новая атомная подводная лодка Великобритании: BBC News, 8 июня 2007 г. Путеводитель по самой современной подводной лодке Великобритании HMS Astute.
• «Первые советские гиганты» Нормана Полмара, Undersea Warface (официальный журнал подводных сил США), осень 2001 г. Интригующая статья о развитии гигантских советских грузовых подводных лодок после Второй мировой войны. [Архивировано через Wayback Machine.]
• Разгадка тайны холодной войны: Библиотека ЦРУ, 1993. Увлекательная рассекреченная статья, объясняющая, как ЦРУ пыталось выяснить последние достижения в области проектирования советских подводных лодок во время холодной войны.
• История подводной лодки Исаака Пераля в Картахене: Мурсия сегодня, без даты. Увлекательная история новаторской электрической подводной лодки Пераля.