Evolution of submarine diving and surfacing systems

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Во второй половине XX в. После Второй мировой войны началось проектирование, строительство и эксплуатация атомных подводных лодок (ПЛ). Эти технические объекты эволюционировали так быстро, что через 10–15 лет ПЛ уже значительно отличались от начального варианта. Немногим позднее ввели понятие «поколение» — набор качественных и количественных характеристик изделия, описывающих ступень развития. К характеристикам относят: размерения, глубину погружения, скорость надводного и подводного хода, шумность, вооружение, параметры гидроакустического комплекса, боевую информационно-управляющую систему, конструкцию и материалы корпуса, особенности энергетической установки и т. Д. Принято разделять поколения ПЛ с ядерной и неядерной энергетической установкой.

В приведённом обзоре проанализировано развитие поколений ПЛ на примере комплекса систем погружения–всплытия (П-В). Такой комплекс характерен только для подводной техники и во многом определяет эффективность и безопасность ПЛ. Системы П-В эволюционировали на протяжении более столетия и прошли путь длиной в четыре поколения, между которыми условно дистанция в 15 лет. Ведутся работы по созданию ПЛ V поколения.

Комплекс систем П-В — важнейший элемент любой ПЛ, обеспечивающий кораблю надёжную эксплуатацию и боевое применение [1, 2]. В настоящее время проекты ПЛ, как правило, оборудованы системой П-В с пневмоуправляемой запорной арматурой цистерн главного балласта (ЦГБ) моноблочной конструкции¹. Принципиальная схема взаимодействия элементов системы П-В показана на рис. 1.

 

Рис. 1. Принципиальная схема элементов системы погружения–всплытия. 1 — прочный корпус; 2 — цистерна главного балласта; 3 — кингстон; 4 — клапан вентиляции.

Fig. 1. Schematic diagram of diving and surfacing system components. 1, pressure hull; 2, main ballast tank; 3, kingston; 4, ventilation valve.

 

Система П-В в общем случае состоит из:

• цистерн главного балласта;
• клапанов вентиляции² — запорных, нормально закрытых, со встроенным гидро- или пневмоприводом;
• кингстонов — запорных, нормально закрытых, со встроенным гидро- или пневмоприводом;
• трубопроводов и арматуры гидро- или пневмоуправления.

Система П-В предназначена для выполнения манёвров погружения и всплытия ПЛ. Система обеспечивает заполнение и вентиляцию ЦГБ при погружении, а также обеспечивает возможность продувания ЦГБ сжатым воздухом при всплытии ПЛ. При погружении вода в ЦГБ поступает самотёком через открытые кингстоны, а воздух выпускается в окружающую среду через открытые клапаны вентиляции. При всплытии запас плавучести восстанавливается после удаления воды из ЦГБ продуванием сжатым воздухом при открытых кингстонах и закрытых клапанах вентиляции [3]. Одним из основных требований к системе П-В является максимально достижимый уровень надёжности, так как данная система обеспечивает живучесть корабля. Эксплуатационный нормируемый параметр при проектировании системы П-В — время заполнения всех ЦГБ в заданных пределах крена и дифферента, что определяет общее время погружения ПЛ.

УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ПОГРУЖЕНИЯ–ВСПЛЫТИЯ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК II ПОКОЛЕНИЯ

Подводные лодки II поколения оснащались клапанами вентиляции и кингстонами с гидроприводами. Управление осуществлялось с помощью гидромашинок, устанавливаемых на вварыши прочного корпуса. В общем виде схема оснащения цистерны главного балласта представлена на рис. 2. Открытие и закрытие клапанов вентиляции и кингстонов осуществлялось с помощью гидравлических машинок, управляемых системой гидравлики ПЛ внутри прочного корпуса.

 

Рис. 2. Схема оснащения цистерны главного балласта гидроуправляемыми клапанами вентиляции и кингстонами.

Fig. 2. Scheme of equipping the main ballast tank with hydraulically controlled ventilation valves and kingstons.

 

Такая схема управления имела несколько существенных недостатков, основными из которых были:

• большое количество вварного насыщения большого диаметра на прочном корпусе, уменьшающее вероятность безотказной работы системы П-В и ПЛ в целом из-за существенных деформаций прочного корпуса при погружении и коррозии приводного механизма. Например, на ПЛ проекта 671 на прочном корпусе размещалось 84 стула (фундамента) внутренним диаметром 300 мм каждый для установки гидромашинок управления клапанами вентиляции и кингстонами;
• большие массогабаритные размеры гидромашинок, размещавшихся в отсеках ПЛ.

В результате дальнейшего совершенствования системы П-В появились новые направления, основными из которых стали:

• создание кингстонов и клапанов вентиляции со встроенными приводами, располагающимися вне прочного корпуса ПЛ;
• переход от гидравлического к пневматическому приводу для управления арматурой системы П-В.

УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ПОГРУЖЕНИЯ–ВСПЛЫТИЯ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК III ПОКОЛЕНИЯ

Для исключения указанных недостатков ПЛ III поколения стали оснащаться пневмоуправляемыми клапанами вентиляции и кингстонами новой разработки. Основные преимущества данной системы:

• клапаны вентиляции и кингстоны со встроенными пневматическими приводами забортного исполнения, которые не занимают внутренний объём отсеков;
• вварное насыщение прочного корпуса небольшого диаметра (Dу10) для трубопроводов пневмоуправления;
• независимость от гидравлической системы, которой необходима работа гидравлических насосов для поддержания давления в общесудовой системе гидравлики. Пневматические приводы клапанов вентиляции и кингстонов могут быть приведены в действие сжатым воздухом, хранящимся в баллонах, при этом управление системой П-В может быть обеспечено даже при полностью обесточенной ПЛ.

В общем виде схема трубопроводов пневмоуправления клапанами вентиляции и кингстонами одного из помещений ПЛ III поколения представлена на рис. 3.

 

Рис. 3. Принципиальная схема трубопроводов системы погружения–всплытия подводной лодки III поколения на примере одной цистерны главного балласта (ЦГБ).

Fig. 3. Schematic diagram of the diving and surfacing system pipelines of a third-generation submarine, shown for one main ballast tank.

 

Система П-В ПЛ III поколения состоит:

• из клапанов вентиляции³ — запорных, нормально закрытых, со встроенным пневмомеханическим приводом на открывание и пружинным на закрывание (рис. 4);
• кингстонов — трёхпозиционных (открыто, закрыто и упор), нормально закрытых, со встроенным пневмомеханическим приводом на открывание (и постановки на упор), пружинным или пневмопружинным на закрывание (рис. 5). Кингстоны в таких системах могли занимать три положения: открыто, закрыто и упор (приоткрытое положение служит для выравнивания давления в ЦГБ), поэтому такие кингстоны назывались трёхпозиционными;
• трубопроводов и арматуры пневмоуправления.

Однако такие системы П-В обладали и рядом недостатков:

• большое количество вварного насыщения малого диаметра для прохода трубопроводов пневмоуправления из прочного корпуса к пневмоприводам. Например, на проекте 971 для пневмоуправления клапанами и кингстонами системы П-В в прочный корпус вваривалось 90 стаканов Dy10;
• низкая ремонтопригодность кингстонов за счёт их вварки в лёгкий корпус;
• большая протяжённость трубопроводов в межбортном пространстве, повышающая вероятность нарушения их герметичности при повреждениях межбортного пространства.

 

Рис. 4. Клапан вентиляции цистерны главного балласта Dу300.

Fig. 4. Ventilation valve of the main ballast tank, DN300.

 

Рис. 5. Кингстон трёхпозиционный цистерны главного балласта Dy500.

Fig. 5. Three-position kingston of the main ballast tank, DN500.

 

В результате основным направлением совершенствования системы П-В было сокращение номенклатуры элементов системы и протяжённости трубопроводов пневмоуправления арматурой цистерн главного балласта за счёт упрощения конструкции кингстонов.

УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ПОГРУЖЕНИЯ-ВСПЛЫТИЯ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК IV ПОКОЛЕНИЯ

Для упрощения схемы пневмоуправления системой П-В ПЛ IV поколения был разработан новый двухпозиционный кингстон [4]. Он имеет только два положения (открытое и закрытое), при этом открытое положение достигается за счёт пневматического привода, а закрытое — за счёт пружинного привода. Установка на лёгкий корпус осуществляется за счёт шпилек, обеспечивая разъёмное соединение.

Давление между ЦГБ и внешней средой выравнивается за счёт самооткрывания клапанов вентиляции и кингстонов при маневрировании ПЛ по глубине.

Таким образом, было достигнуто значительное (примерно в 3 раза) сокращение протяжённости забортных трубопроводов и штуцерно-торцевых соединений, сокращение количества сварных соединений в межбортном пространстве и вварного насыщения на основном корпусе ПЛ (например, на проекте 08851 для пневмоуправления клапанами вентиляции и кингстонами системы П-В вваривалось 60 стаканов Dy10). Пример подобной схемы пневмоуправления приведён на рис. 6.

 

Рис. 6. Принципиальная схема трубопроводов системы погружения-всплытия подводной лодки IV поколения на примере одной цистерны главного балласта (ЦГБ).

Fig. 6. Schematic diagram of the diving and surfacing system pipelines of a fourth-generation submarine, shown for one main ballast tank.

 

Во вновь разработанном двухпозиционном кингстоне был учтён опыт проектирования и эксплуатации однополостных пневмоприводов в двухпозиционных клапанах вентиляции проектов ПЛ III поколения [4], длительный опыт эксплуатации которых подтвердил правильность принятых конструктивных решений. Основным элементом в конструкции кингстона является однополостной пневмопружинный привод, который обеспечивает заданные технические и ресурсные показатели (рис. 7, 8).

 

Рис. 7. Принципиальная схема пневмоуправления вновь разработанным двухпозиционным кингстоном цистерны главного балласта. ВСД — воздух среднего давления; ПЭМ — пневмо-электроманипулятор, ПК — прочный корпус.

Fig. 7. Schematic diagram of the pneumatic control for a newly developed two-position kingston of the main ballast tank.

 

Рис. 8. Кингстон двухпозиционный Dy500, Ру 0,17 МПа.

Fig. 8. Two-position kingston, DN500, PN 0.17 MPa.

 

Двухпозиционный кингстон устанавливается на обшивке ЦГБ с помощью разъёмных соединений, что обеспечивает их высокую ремонтопригодность при проведении заводского ремонта ПЛ.

ОБОБЩЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТОДАМИ НЕЧЁТКИХ МНОЖЕСТВ

Проблема отнесения того или иного проекта ПЛ к определённому поколению — задача, которая классическим математическим аппаратом не может быть решена. Относительно новые методы учёта неопределённости [5] можно применить для формализации процедуры отнесения подсистемы сложного изделия к определённому поколению. Введём для комплекса систем П-В функции принадлежности к i-тому поколению по двум критериям:

• надёжность системы, как вероятность безотказной работы в течение заданного срока эксплуатации;
• массогабаритные характеристики системы, отнормированные по размерениям ПЛ.

Разработан широкий спектр стандартных функций принадлежности, например функция Гаусса:

${\mathrm{\mu }}_{A\left(x\right)}=e^{-{\left(\frac{x-x_0}{\mathrm{\sigma }}\right)}^2}$ ,

где x₀ и σ — параметры функции.

Применяя статистику по отказам системы и её массогабаритные характеристики можно получить суммарную функцию принадлежности системы к i-му поколению ПЛ, используя правило суммирования отдельных критериальных функций принадлежности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей статье сделан обзор развития построения системы П-В, начиная с подводных лодок II поколения до современных подводных лодок IV поколения, строящихся и эксплуатирующихся в настоящее время. Развитие системы П-В ПЛ несомненно привело к повышению надёжности системы за счёт уменьшения количества вварного насыщения основного корпуса и к снижению стоимости её изготовления за счёт уменьшения количества трубопроводов, проложенных вне основного корпуса. Развитие систем П-В привело также к снижению акустической заметности ПЛ и повышению эксплуатационной надёжности.

В настоящее время продолжается систематизация опыта эксплуатации систем П-В ПЛ. Следует отметить, что принятые конструктивные решения подтвердили правильность их выбора, обеспечивая высокую надёжность работы системы П-В. Все современные строящиеся ПЛ оснащаются пневмоуправляемыми клапанами вентиляции и кингстонами системы П-В. Предложен математический аппарат формализации отнесения систем ПЛ к определённому поколению.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Д.Л. Аверьянов — работа с данными, анализ данных, написание черновика рукописи, пересмотр и редактирование рукописи; О.Я. Тимофеев — руководство исследованием, разработка методологии. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты настоящей работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими организациями), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При проведении исследования и создании настоящей статьи авторы не использовали ранее полученные и опубликованные сведения (данные, текст, иллюстрации).

Доступ к данным. Все данные, полученные в настоящем исследовании, представлены в статье.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали один внешний рецензент, член редакционной коллегии и главный редактор издания.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: D.L. Averianov: data curation, formal analysis, writing—original draft, writing—review & editing; O.Ya. Timofeev: supervision, methodology. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously obtained or published material (text, images, or data) was used in this study or article.

Data availability statement: All data obtained in this study are available in this article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer-review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review process involved one external reviewer, a member of the Editorial Board, and the Editor-in-Chief.

 

¹ РД5Р.5175–83 Система погружения и всплытия. Правила и нормы проектирования.

² ОСТ В5.5570–86 Клапан вентиляции со встроенным пневмоприводом. Технические условия.

³ ОСТ В5.5570–86 Клапан вентиляции со встроенным пневмоприводом. Технические условия.

About the authors

Dmitrii L. Averianov

Saint Petersburg Marine Engineering Bureau “Malakhit”; Saint Petersburg State Marine Technical University

Author for correspondence.
Email: averdim1978@yandex.ru
SPIN-code: 7323-9457

Specialization Chief designer

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Oleg Ya. Timofeev

Saint Petersburg State Marine Technical University

Email: oleg_timof@mail.ru
SPIN-code: 9238-8180

Dr. Sci. (Engineering), Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files