Как спасать атомные подводные лодки?
Седьмого апреля 1970 года, завершив боевую службу в Средиземном море и выйдя в Атлантику, советская АПЛ К-8 проекта 627А взяла курс на свою северную базу. Неожиданно в ее третьем отсеке произошло возгорание химических патронов регенерации, предназначенных для очистки корабельной атмосферы. Потребовалось совсем немного времени, чтобы возгорание переросло в полномасштабный пожар. Как положено, сработала аварийная защита реакторов, остановились турбины. Резервный дизель-генератор запустить не удалось, и АПЛ осталась без электроэнергии, что существенно осложнило борьбу за живучесть, которая тем не менее продолжалась более трех суток. Продув балластные цистерны, лодка всплыла на поверхность. А пожар тем временем распространялся по кораблю. В двух кормовых отсеках прогорели забортные сальники (уплотнения выводимых из прочного корпуса лодки кабелей). В отсеки начала поступать вода, что привело к возникновению нарастающего отрицательного дифферента (наклона на корму). Через двое суток иссяк запас воздуха высокого давления, и сдерживать поступление воды в отсеки стало нечем. Корабль был обречен, надо было спасать экипаж. Подошедшие надводные корабли сняли часть моряков. А из центра продолжали поступать категорические приказы — до последнего бороться за спасение корабля. Утром 12 апреля процесс нарастания дифферента получил лавинообразный характер, и лодка, приняв почти вертикальное положение кормой вниз, стремительно пошла на дно, унеся с собой жизни 52 моряков.
Через 16 лет после этой трагедии вновь в водах Атлантики терпела бедствие другая советская АПЛ. Теперь это была К-219, стратегическая лодка, несущая в своих шахтах 16 баллистических ракет с ядерными зарядами. 16 октября 1986 года в находящейся на боевом дежурстве лодке возник пожар в ракетном отсеке. Причина пожара — разрушение ракеты с последующим нарушением герметичности шахты и попаданием в отсек компонентов ракетного топлива. Далее развитие катастрофы проходило по уже знакомому сценарию: распространение пожара по отсекам, прогорание забортных сальников, поступление в отсеки воды и, как следствие, нарастающий дифферент, приведший к утрате лодкой продольной остойчивости. После 15-часовой упорной, но безрезультатной борьбы за спасение корабля произошло его стремительное затопление. На этот раз учли печальный опыт К-8 и бóльшую часть экипажа своевременно переправили на подошедшие суда. На лодке оставались лишь девять человек во главе с командиром корабля. Пятерым из них удалось спастись, четверо вместе с АПЛ покоятся на дне океана на глубине около 5000 м.
К-278 «Комсомолец»
Не прошло и трех лет, как советский ВМФ потрясла новая трагедия — гибель АПЛ «Комсомолец». Этот уникальный корабль, построенный по разработанному ЦКБ «Рубин» проекту 685 (шифр «Плавник»), вошел в Книгу рекордов Гиннесса после установления в 1985 году мирового рекорда глубины погружения для боевых ПЛ (1027 м). 7 апреля 1989 года в 11 часов, когда АПЛ, находясь на глубине 400 м, возвращалась из своего уже пятого автономного плавания, в ее кормовом 7-м отсеке возник пожар. Уже через 11 минут лодка, выполнив аварийное всплытие, оказалась на поверхности штормового Норвежского моря. Началась отчаянная борьба за спасение корабля. И опять, как и в уже описанных случаях, поступление воды в кормовые отсеки привело к возникновению отрицательного дифферента.
Об осадке и посадке
Здесь необходимо пояснить, почему этот процесс так опасен именно для подводных лодок. Одна из важнейших характеристик любых водоизмещающих судов — остойчивость, рассматриваемая как способность судна, выведенного внешним воздействием из положения равновесия, возвращаться в него после прекращения этого воздействия. Различают поперечную и продольную остойчивости, то есть способность к восстановлению равновесия после возникновения соответственно крена или дифферента. Подводная лодка, веретенообразный корпус которой имеет длину, существенно превышающую ширину, особенно чувствительна к дифферентам — отклонениям от горизонтального положения в продольном направлении. Когда лодка в движении, возникающие по тем или иным причинам дифференты погашаются действием ее горизонтальных гидродинамических рулей. Но на лодке, не имеющей хода, гидродинамические рули, естественно, не работают. Бороться с дифферентами можно лишь перемещением весовых нагрузок внутри корабля относительно его центра тяжести, уменьшая их со стороны, куда происходит наклонение, или увеличивая с обратной стороны, чтобы выровнять лодку. Реально эта процедура заключается в продувке одних и заполнению водой других балластных цистерн, размещенных в носу, корме и вдоль бортов АПЛ. Естественно, с какой бы стороны от центра тяжести ни увеличивался вес, это приводит к увеличению осадки корабля — третьему (наряду с креном и дифферентом) параметру, определяющему посадку корабля в море. Посадку, которую имеет исправный корабль на спокойной воде, называют равновесной. При этом полностью отсутствуют крен и дифферент, а осадка такова, что корабль погружен в воду по конструктивную (расчетную) ватерлинию. Когда ПЛ оказывается в надводном положении в штормовом море, волны, раскачивая ее, непрерывно изменяют все три параметра, определяющие посадку. Если ПЛ находится в нормальном (неповрежденном) состоянии и обладает необходимой остойчивостью, ее качания происходят относительно равновесного положения и не представляют опасности, если, конечно, не превысят критических значений. Совсем иная ситуация, когда в результате аварии и полученных повреждений ПЛ в надводном положении имеет посадку, отличную от равновесной, то есть когда даже при отсутствии морского волнения углы крена и дифферента корабля не равны нулю, а его осадка — не по конструктивную ватерлинию. Это обстоятельство необходимо непрерывно учитывать в ходе борьбы за живучесть аварийной ПЛ. Борясь с огнем путем затопления аварийных отсеков, выравнивая возникший крен или дифферент методом продувки балластных цистерн (особенно расположенных в носу или в корме лодки), следует представлять, как эти меры отражаются на изменении дифферента. Сделать это совсем непросто, поскольку субъективное восприятие может подвести, а объективной информации о реальном пространственном положении лодки получить неоткуда.
При катастрофе «Комсомольца» практически вся борьба за спасение АПЛ проходила в надводном положении и продолжалась без малого шесть часов. Пожар, распространившийся на три кормовых отсека, удалось укротить. Но в борьбе с огнем был допущен ряд ошибок, приведших к постепенному, но неуклонному нарастанию отрицательного дифферента. Менее чем за час до гибели АПЛ ее корма просела в воду настолько, что достаточно высокий кормовой стабилизатор скрылся под водой. К этому времени величина продольной остойчивости лодки оставалась столь малой, что дальнейший быстрый рост дифферента и близкий трагический исход был очевиден. Это подтверждалось снимками, сделанными с самолета-спасателя, прибывшего из Североморска. В 17:08 лодка с дифферентом на корму в 80° (то есть почти вертикально) ушла под воду. Экипаж, находившийся на верхней палубе, оказался в ледяной воде. Из 69 моряков в живых осталось 27.
Итак, все три катастрофы, начавшись с пожара, заканчивались гибелью АПЛ в результате потери продольной остойчивости и мгновенного затопления. Это было отмечено в документах правительственной комиссии, работающей над установлением причин гибели «Комсомольца». Комиссия поручила одному из предприятий Министерства судостроения разработать комплекс аппаратных средств, предназначенных для объективного контроля параметров посадки АПЛ в аварийной ситуации. Результаты разработки планировалось использовать в проектах АПЛ следующего поколения.
Математика стихии
Техническое задание подготовило одно из ЦКБ, проектировавших АПЛ. Опытно-конструкторская работа (ОКР) началась в 1993 году. Очень скоро стало ясно, что основная проблема заключается в отсутствии алгоритма, с помощью которого можно было бы определять параметры посадки корабля в условиях носящего случайный характер морского волнения. Поэтому именно с поиска алгоритма начиналась ОКР. К его разработке привлекались специалисты многих ведущих научных и проектных организаций судостроения и ВМФ. Совместно с ними были созданы и апробированы методами математического моделирования и экспериментально три варианта алгоритма. Один из них (алгоритм профессора Севастопольского приборостроительного института Ю. И. Нечаева) получил одобрение заказчика разработки — ЦНИИ кораблестроения — и был принят для использования в ОКР.
Алгоритм Нечаева разрабатывался путем анализа материалов экспериментов, проводимых с использованием радиоуправляемых моделей различных типов морских судов на естественном волнении. Затем он был апробирован на одном из кораблей Черноморского флота и на судах транспортного флота.
Принцип действия разработанного в соответствии с этим алгоритмом КПОРП основан на непрерывном контроле текущих значений трех параметров посадки корабля: углов крена и дифферента, а также осадки. Все эти параметры для аварийного корабля, находящегося в условиях морского волнения, носят случайный характер. Накопленные за определенный период данные по каждому из параметров проходят осреднения по времени, а затем полученные результаты дополняют вычисляемыми в соответствии с принятым алгоритмом поправками.
Чувствительные трубки
Реализация принятого КПОРП алгоритма ведется с помощью комплекта датчиков текущих значений крена, дифферента и осадки. Для измерений углов крена и дифферента были разработаны два максимально унифицированных друг с другом датчика, один из которых (кренометр) размещен в плоскости мидель-шпангоута (среднее поперечное сечение корпуса АПЛ), а второй (дифферентометр) — в диаметральной плоскости корабля. Принцип действия датчика основан на контроле давления или разрежения, возникающего во внутренней полости высокочувствительной мембранной коробки в результате наклонения связанной с этой полостью трубки, заполненной специальной незамерзающей жидкостью определенной плотности. Когда при крене (дифференте) корабля конец трубки оказывается выше мембранной коробки, в полости коробки возникает некоторое избыточное давление, пропорциональное длине трубки, помноженной на синус угла наклона, и удельному весу заполняющей трубку жидкости. При наклоне в противоположную сторону конец трубки опускается относительно мембранной коробки, отчего в ней возникает разрежение, пропорциональное тем же величинам. Для герметизации заполненной жидкостью полости, а также для компенсации теплового расширения жидкости служит эластичная диафрагма практически нулевой жесткости, установленная на конце трубки, противоположном мембранной коробке. Она же служит для компенсации колебаний давления воздуха в отсеке, одинаково воздействующего как снаружи на мембранную коробку, так и на эластичную диафрагму. При возникновении (вследствие наклонов) давления или разрежения в полости мембранной коробки она упруго прогибается, и ее центр перемещает в ту или иную сторону сердечник электрического преобразователя, на выходе которого возникает сигнал соответствующей полярности. Датчики крена и дифферента отличаются друг от друга лишь одним базовым размером — длиной заполненной жидкостью трубки, которая обратно пропорциональна синусу предельного значения контролируемого угла. В связи с тем, что предельные значения углов дифферента существенно меньше, чем крена, для получения одинакового сигнала на выходе обоих датчиков трубка датчика дифферента должна быть длиннее.
Измерение осадки осуществляется парой датчиков перепадов давления, динамическая полость которых связана с забортным пространством под днищем АПЛ, а статическая — с атмосферой. Используют два однотипных датчика перепада давления с разными пределами измерения, размещенные в одной плоскости и на одной вертикали, но в разных уровнях. В зависимости от фактического значения текущей осадки показания снимают с одного из датчиков (верхнего или нижнего), достигая требуемой точности измерения. При пересчете гидростатического давления в осадку в связанной с корпусом корабля системе координат учитываются текущие значения углов крена и дифферента.
В комплект приборов также входят блок вторичных преобразователей вышеназванных датчиков и информационно-вычислительный блок (ИВБ), представляющий собой мини-ЭВМ. Выходные данные поступают в ИВБ, который реализует введенный в его память алгоритм, а также обеспечивает внесение поправок в значения измеряемых параметров.
Образец КПОРП был изготовлен и прошел под наблюдением межведомственной комиссии многоэтапный цикл испытаний, включая проверки устойчивости ко всем видам механических и климатических воздействий, а также испытания на стенде многомерной угловой качки. При этом проверялась работоспособность КПОРП при раздельном и одновременном воздействии двух видов качки с заданием углов крена и дифферента, имитирующих аварийное положение корабля. Результаты испытаний подтвердили полное соответствие КПОРП требованиям ТЗ как по точности определения равновесных параметров посадки, так и по устойчивости ко всем видам корабельных воздействий.
Игра давлений
Вести постоянный автоматический контроль за посадкой подводного корабля помог комплекс оригинальных технических решений. Система датчиков реагирует на изменение давлений жидкости и воздуха.
Информация