Ubådsteori er en gren af skibsteori, der studerer sødygtigheden af en ubåd (ubåd) og dens funktioner sammenlignet med et overfladeskib ( fartøj ).
Ligesom skibets generelle teori omfatter det hovedsektionerne: opdrift , stabilitet , fremdrift og stigning . Nogle gange, for henvisning til generel fysik, generaliseres de til skibets dynamik og statik. Derudover har den sektioner: usynkelighed , sødygtighed , håndtering , søsætning. Da ubåden er karakteriseret ved to hovedpositioner - overflade og undervand, er disse sødygtighed, med undtagelse af opsendelse, også opdelt i overflade og undervand.
For første gang blev grundlaget for teorien om dykning offentliggjort i 1578 i englænderen William Burnes arbejde . [en]
Overfladeopdriften af en ubåd, svarende til opdriften af et overfladeskib, er karakteriseret ved en opdriftsmargin . Det vil sige forholdet mellem vandtætte volumener over vandlinjen (WL) og hele vandtætte volumen, og er udtrykt i procent.
For eksempel, hvis ubådens samlede volumen er 3000 m³, og overfladedelen er 600 m³, så er opdriftsmarginen:
B = 600/3000 * 100 = 20 %Det samme forhold kan udtrykkes i forskydninger . For dette eksempel, i destilleret vand (1 m³ = 1 t), vil forskydningen være
D n \u003d 3000 - 600 \u003d 2400 t,og forskydningen af dets totale volumen er D p = 3000 tons
W \u003d (D p - D n ) / D p * 100Undervandsopdrift er fundamentalt forskellig fra overfladeopdrift. For helt at nedsænke en båd i vand, skal du bringe dens vægt til vægten af vandet, der er forskudt af dets fulde volumen. Med andre ord, at slukke reserven af opdrift til 0% ved at modtage yderligere last ( ballast ), i praksis - udenbords vand. Fra et fysisk synspunkt kan det også anses for, at båden reducerer sin volumen, og lader det omgivende hav inde i skroget . I teorien om ubåde er den første tilgang vedtaget - ballastvand betragtes som bådens ejendom, det vil sige last. Og de siger, at overfladeforskydningen er mindre end den undersøiske. I vores eksempel - 2400/3000 tons Som du kan se, kan opdriftsmarginen udtrykkes som forholdet mellem overflade- og undervandsforskydninger.
Men hvis du tager mere last end en fuldt nedsænket ubåd vejer (skaber negativ opdrift ), vil den ikke flyde under vandet, men synke - fortsætte med at synke indtil den når jorden eller kollapser. Derfor er det afgørende, at den teoretiske undervandsopdrift er præcis neutral - 0%. For et overfladeskib er denne grænsetilstand lig med tab af opdrift, for en ubåd er det en daglig norm.
Opdriften påvirkes naturligvis af vægten af det neddykkede legeme og vandets tæthed . Da hverken det ene eller det andet i praksis forbliver konstant (båden har resterende opdrift ), kræver det korrektioner at opretholde neutral opdrift af ubåden under vand. De fremstilles ved at pumpe/modtage ballast, som kaldes et ubådsskilt eller dybdestabilisering.
I praksis kræver modtagelse af ballast tid og energi. Derfor er den gyldne regel for et overfladeskib: "jo mere reserve, jo bedre" er i strid med tekniske krav. De forsøger at begrænse den konstruktive opdriftsmargin. Normalt er det 8-30% for ubåde (afhængigt af projektet), sammenlignet med 50-60% eller mere for overfladeskibe. En mindre margin er i modstrid med kravene om synkefrihed, en større - hastigheden for nedstigning / opstigning og begrænsningen af strukturelle dimensioner.
Principperne for overfladestabilitet for en ubåd ligner også dem for et overfladeskib. På samme måde skelnes der mellem statisk og dynamisk stabilitet.
Et træk ved ubådens laterale stabilitet er, at dens skrog af styrkemæssige årsager har et cirkulært tværsnit. Derfor, med en stigning i rullen, er ændringer i området af den effektive vandlinje ubetydelige (det vil sige, at formens stabilitet øges ikke). Gendannelsesmomentet med stigende rulle ændrer sig lidt. Den indledende metacentriske højde h er også lille .
Både den tværgående og langsgående overfladestabilitet af ubåden påvirkes af tilstedeværelsen af en stor mængde flydende last, som som regel har frie overflader - i hjælpeballast og specielle tanke. Alle reducerer marginen for dynamisk stabilitet. I modsætning til et overfladeskib, hvor de forsøger at tillade så få frie overflader som muligt, er en ubåd, ved selve sit design, tvunget til at have dem.
Af denne grund er den dynamiske overfladestabilitetsmargin for en ubåd mindre end den for et overfladeskib. Det vil sige, at ubåde som regel viser sig at være mere rullede på overfladen.
Ubådsstabilitet er fundamentalt forskellig fra overfladestabilitet. Under vand er det nedsænkede volumen generelt konstant. CV'et flytter sig ikke. Derfor kan der ikke opstå et genopretningsmoment af overfladetypen. I en neddykket stilling kræves stabil balance. Det vil sige, at CG skal være under CG . Så skaber enhver rulning eller trim et par kræfter , der retter båden op. I dette tilfælde er der ingen formstabilitet, der er kun vægtstabilitet . Enhver forskydning af CG påvirker dog bådens position i landingen .
Især en båd under vand er følsom over for langsgående kræfter, der forårsager trim. De i dette tilfælde opståede væltningsmomenter ( m kr ), i mangel af formstabilitet, overstiger ofte de rette momenter og er farlige for båden. Arkimediske styrker er ikke nok til at kompensere for dem, og kunstig indgriben er påkrævet. Det udføres ved langsgående forskydning af lasten, kaldet trim . [2]
Stabilitet under nedsænkning (opstigning) er et særligt tilfælde, hvor de vigtigste parametre, der bestemmer stabiliteten, er variable. Der er en overgang fra ustabil ligevægt (overfladeposition) til stabil (undervandsposition). Det er ledsaget af et midlertidigt fald i stabiliteten. Højden af CV (Z c ) over hovedplanet stiger med dybden, højden af CG (Z g ) falder først, derefter vokser højden af metacenteret (Z m , ikke at forveksle med den metacentriske højde) vokser, falder derefter og vokser igen.
Deres fælles indflydelse er beskrevet af ubådens opdrifts- og indledende stabilitetsdiagram. To enkeltstående punkter i diagrammet: I - sammenfald af CV og CG. Gendannelsesmomentet bestemmes kun af tidspunktet for formstabilitet. II - gå under vandet af et holdbart skrog . Metacentret smelter sammen med CV'et, den metacentriske højde er minimal.
Ved dykning og opstigning er der mere end nogensinde (undtagen i tilfælde af skade) frie overflader - i hovedballastens tanke. Derfor er marginen for dynamisk stabilitet af ubåden minimal.
Ubådes overflade- og undervandsfremdrift adskiller sig markant. For en ubåd, som for et overfladeskib, er modstandens afhængighed af fart gyldige. Modstand er proportional med kvadratet af hastighed:
X = f* V²hvor V er hastigheden, f er proportionalitetsfaktoren.
Den nødvendige effekt er proportional med terningen af propelhastigheden ( skruekarakteristik ):
N e \ u003d m * w³hvor m er koefficienten, w er omdrejningshastigheden.
Overfladefremdrift er karakteriseret ved tilstedeværelsen af bølgemodstand ( X in ), formmodstand ( X f , se form modstandskoefficient ) og friktionsmodstand ( X t ). Ved fuld hastighed på overfladen når bølgemodstanden op på 50 - 60% af totalen. Undervandsfremdrift er anderledes ved, at der ikke er nogen bølgemodstand X i \u003d 0 (startende fra en dybde svarende til halvdelen af bådens længde).
Det er således umuligt at skabe en sag, der tilfredsstiller begge tilstande. Desuden er et tilfredsstillende kompromis også umuligt. Derfor er formen på skroget optimeret til en mere karakteristisk tilstand.
Historisk set er der to perioder. Den første, da undervands- og overflademotorerne var fuldstændig adskilte. Ubådene var for det meste dieselelektriske og tilbragte det meste af deres tid på overfladen. Ubåde fra denne tid havde en overbygning og et let skrog med konturer, der bragte båden tættere på et overfladeskib. Overfladehastigheden af disse ubåde var i et typisk tilfælde mere under vandet.
Med fremkomsten af snorkelen (RDP) er grænsen mellem undervands- og overflademotorerne sløret, og med fremkomsten af atomkraft får bådene en enkelt motor. Overfladepositionen bliver ukarakteristisk. Derfor er formen på skroget fuldt optimeret til undervandsrejser. Siden 1960'erne har den været tæt på ideel hydrodynamisk - dråbeformet, med en relativ forlængelse L/B = 6 ÷ 7. Formmodstanden er minimeret. Hovedandelen (85 - 90%) er friktionsmodstand. Sådanne både er i stand til at nå større hastighed under vandet end på overfladen.
Ubåde er hovedsageligt karakteriseret ved overfladehældning. I overfladeposition gælder alle overvejelser, der gælder for rulning af et overfladeskib, for ubåden. Selvom båden, ligesom et overfladeskib, har alle 6 frihedsgrader , har rulning og stigning den største indflydelse på den .
Forskellen mellem rulning af en ubåd er en stor amplitude . Ifølge driftserfaring kan den nå Θ = 60° med bølger på 5 - 6 punkter. [3]
Ubådens undervandshældning er kun noget mærkbar i det overfladenære lag. Det påvirker driften af ubåde ved hjælp af tilbagetrækkelige enheder, primært RDP, og betingelserne for at affyre missiler fra en neddykket position. Der er således tale om dykkerdybder fra 10 m ( periskopdybde ) til 45 m (startdybde).
Oversvømmelsen af RDP-hovedet påvirker ubådens ventilation betydeligt og stiller krav til udstyr, der afhænger af luftstrømmen. Men for teorien om ubåde svarer pitching ved periskopdybde til overflade.
Siden 1960'erne er der blevet udført undersøgelser af ubådes overfladerulning. [4] Resultaterne koger ned til følgende: