Владимир Ажажа - Дорогами подводных открытий
Уже говорилось, что подводную лодку точнее было бы назвать ныряющей, поскольку под водой она может передвигаться ровно столько, насколько хватает энергии аккумуляторных батарей. В подводном положении работа двигателя внутреннего сгорания невозможна: он сразу «съест» весь запас кислорода, и экипажу станет нечем дышать. Правда, с появлением на лодках (пока — военных) атомных двигателей все изменилось. Теперь время движения под водой — не проблема.
Проблемой до сих пор остается скорость. Современная аккумуляторная лодка может давать 15 узлов (это около 28 километров в час) подводного хода, и то на короткое время. На какие только ухищрения не идут инженеры и конструкторы, но скорость растет медленно, в то время как в авиации за недолгий сравнительно срок достигнут колоссальный рост скоростей.
Интересно отметить, что одна из помех движению надводного судна отсутствует у подводных лодок — это поверхностная волна, расходящаяся при движении от каждого борта. На создание двух таких волн уходит большая часть (до нескольких сотен лошадиных сил) общей мощности судна, а это, конечно, не проходит бесследно: скорость заметно снижается. А вот лодке такие потери не угрожают: если ей придана хорошо обтекаемая форма, то при той же мощности она может двигаться в подводном положении быстрее, чем в надводном.
Наконец, связь. Для нее вода как физическая среда создает ряд специфических трудностей. Даже в самой прозрачной океанической воде (она имеет зелено-голубой цвет) можно увидеть предмет на расстоянии всего в несколько десятков метров. Применение радио и, стало быть, радиолокации чрезвычайно ограниченно из-за непроницаемости воды для электромагнитных волн. Ведутся работы по применению для подводного обнаружения и связи квантовых генераторов (лазеров), но они еще не вышли из стадии эксперимента.
Остается звук. Пока это единственно надежное средство для передачи информации под водой, хотя и тут есть свои трудности. Во всяком случае, экипаж подводной лодки принимает решения и действует при гораздо меньшем объеме информации, чем, например, экипаж самолета.
Скорость звука в воде близка к 1500 метров в секунду. Это много ниже скорости распространения электромагнитных волн, так что сведения об удаленных событиях заметно запаздывают. Кроме того, звуковая волна в воде по сравнению с волной в воздухе характеризуется высокими давлениями и малыми смещениями. Это совершенно меняет характер микрофонов и излучателей, заставляя применять магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Звук весьма слабо передается через поверхность раздела вода — воздух, в другую среду переходит ничтожная часть падающей волны. Следовательно, поверхность моря является почти идеальным отражателем звуковых волн.
В толще воды, и особенно вблизи поверхности моря, есть множество мелких пузырьков. Обычно они возникают вследствие волнения и других причин, но влияние, которое они оказывают на распространение звука, далеко не пропорционально малому объему, который они занимают. Если, например, один пузырек диаметром 1 миллиметр приходится в среднем на 1 кубический метр воды, то это для глубины около 10 метров уменьшает скорость распространения в 4,5 раза. Причина этого — отличная от воды сжимаемость пузырьков, искажающая акустическую характеристику среды.
Пузырьки, планктон, рыбы действуют как рассеивающие центры для энергии, сконцентрированной в каком-либо ограниченном звуковом пучке. Океан содержит большое количество такого рассеивающего материала, а некоторые рыбы и ракообразные сами производят звуки. Все это создает большие помехи для получения точной информации под водой с помощью звука.
Главным фактором, искажающим подводную картину, «видимую» при помощи акустики, является искривление (рефракция) звуковых лучей. Ведь вода в океане только на первый взгляд кажется однородной средой. На самом же деле ее температура, соленость, плотность не везде одинаковы, естественно поэтому, что коэффициент преломления постоянно меняется, меняется и скорость звука. Особенно сильно влияют на распространение звуковых волн температурные условия на первой сотне метров под уровнем моря, наиболее зависимой от времени года, времени дня, облачности, скорости ветра и прочих метеорологических факторов. Здесь температурные скачки могут быть настолько резкими, что целые участки моря оказываются почти непроницаемыми для звуковых сигналов.
Итак, если учесть, что все перечисленные отрицательные факторы проявляют себя в море, которое ограничено сверху колеблющейся отражающей поверхностью, а снизу — неправильным по форме и непостоянным по условиям отражения дном, приходится, пожалуй, удивляться самой возможности эффективного использования акустических средств. Грубой аналогией из области оптики явились бы условия видимости в помещении, ограниченном колеблющимися зеркалами и наполненном клубами пара и светящимися точками. Однако основательное изучение свойств моря и кропотливая разработка и усовершенствование оборудования привели к созданию гидроакустической аппаратуры, которая удовлетворяет наиболее насущным нуждам подводного плавания и позволяет осуществлять шумопеленгование, гидролокацию и подводную связь.
Шумопеленгование, как показывает название, представляет собой прием шумов, приходящих к подводной лодке от каких-либо звучащих объектов, и определение направления (пеленга) на них.
Гидролокация сродни радиолокации. Излучатель с подлодки посылает в воду короткий звуковой импульс. Затем производится автоматическое переключение на приемное устройство, и излучатель превращается в гидрофон, способный принять эхо. Типичный гидролокационный излучатель представляет собой «акустический прожектор». Он может изменять направление относительно курса лодки, а иногда и наклон посылаемого звукового пучка. Расстояние до обнаруженного объекта вычисляется по времени пробега посланного импульса.
Таковы в главных чертах устройство и действие любой подводной лодки. Для возникновения сегодняшней флотилии научно-исследовательских подводных судов не потребовалось революционных технических изобретений или ломки прежних понятий, как это случилось при покорении космоса.
Подводное кораблестроение сложилось как самостоятельная отрасль судостроения еще на рубеже XIX и XX столетий. Но почему же научно-исследовательские подводные лодки строятся и спускаются на воду только сейчас? Такой вопрос может возникнуть у многих так же, как он волновал меня в 1957 году во время работы над проектом переоборудования боевой подводной лодки в «Северянку». Смонтировать иллюминаторы, установить вместо вооружения научную аппаратуру — эти задачи для судостроителей не представили бы особых затруднений, если бы их пришлось решать и раньше. Но таких задач до последнего времени никто и не ставил.
Очевидно, главные причины массового появления научно-исследовательских подлодок следует искать не в прогрессе техники, который, несомненно, в таких случаях всегда играет способствующую роль, а в изменившемся отношении человечества к океану и его потенциальным возможностям. На развитие океанологии и других морских наук, куда в первую очередь входят исследования, направленные на развитие рыболовства, стали выделяться более крупные средства. Растущее внимание к океану заставило по-новому посмотреть и на подводную лодку — с точки зрения ее пригодности для науки.
К сегодняшнему дню число подводных судов науки, по-видимому, уже превысило 150, если относить сюда и подлодки, которые, как обычно указывают в рекламных проспектах фирмы-изготовители, строятся и могут использоваться не только для научных, но и для производственных и туристских целей — в зависимости от спроса. Примером могут служить построенные западногерманской фирмой «Сильвестр» двухместные лодочки с рабочей глубиной погружения 35 метров. Первая партия из 15 таких лодок была изготовлена еще в июне 1964 года, следующая партия, около 20 штук, была поставлена во Францию и Италию.
Исследовательские подлодки более маневренны, чем боевые. Некоторые из них имеют вертикальный мотор для зависания подобно вертолету, другие для улучшения поворотливости снабжены добавочным носовым или кормовым винтом, иногда в так называемой поворотной насадке. Характерно, что блюдцеобразные лодки, отдаленно напоминающие своей формой донных рыб, например камбал, обладают хорошей маневренностью в горизонтальной плоскости, а лодки, поперечное сечение которых подобно сечению тела рыб, обитающих в толще воды, хорошо маневрируют по вертикали.
Большинство используемых сейчас для научных целей лодок имеет малую скорость, незначительную дальность плавания и рассчитано на умеренные глубины. С одной стороны, малая скорость — это достоинство. Именно медленное движение, граничащее с остановками, создает наилучшие условия для поиска объектов, их рассматривания, уменьшает влияние подлодки как источника механических колебаний на окружающую среду, экономит энергию аккумуляторной батареи и, следовательно, позволяет дольше оставаться под водой. Но, с другой стороны, при небольшой скорости лодка хуже управляется, она не может противостоять течению, быстро переходить из одной точки наблюдения в другую или перемещаться. Удерживать движущийся объект (например, буксируемый прибор или рыболовный трал) в поле видимости или слышимости для такой лодки — задача невыполнимая. А если нужно быстро измерить температуру или соленость вдоль какого-то направления, то есть, говоря иначе, выполнить температурный разрез? Или обследовать заданный район в минимальный срок? Идеальным было бы сочетание малой скорости (1–2 узла) с высокой (10–15 и более узлов), но как этого добиться? Высокая скорость, да еще поддерживаемая в течение длительного времени, требует мощного и крупного источника энергии, то есть громадных аккумуляторных батарей. Установка же громоздкой и тяжелой батареи потребует увеличения водоизмещения. Получается круг, из которого трудно вырваться: заданная скорость хода и дальность плавания лодки повлияют на водоизмещение еще при проектировании, а водоизмещение зависит, оказывается, и от глубины погружения. Схема здесь такая: чем глубже, тем прочнее и толще должен быть водонепроницаемый корпус, тем тяжелее лодка, но и тем больше ее объем, обеспечивающий необходимую плавучесть.
