Сверхпрочность и сверхскорость

Химия — одна из наиболее бурно развивающихся отраслей науки. Ее достижения в создании новых материалов все чаще заставляют специалистов пересматривать возможности и перспективы решения разнообразных технических проблем. Не составляет исключения и подводное кораблестроение, в частности, такая его проблема, как увеличение прочности корпуса подводного корабля. На каждый квадратный метр поверхности подводной лодки, погрузившейся на глубину, скажем, 200 метров, давит столб воды весом свыше 200 тонн. А ведь современные подводные корабли уходят и на значительно большие глубины. Противостоять такому чудовищному гидростатическому давлению может лишь корпус из высокопрочной стали. Но только ли из стали?

Несмотря на высокую прочность, сталь тяжела, велика ее плотность. С этим недостатком конструкторы в ряде случаев уже не могут мириться. Известно, что в авиации, ракетной технике со сталью все увереннее соперничают титан и его сплавы. За рубежом предпринимаются попытки использовать этот новый металл в кораблестроении. Сообщалось, что в США построена малая экспериментальная подводная лодка с корпусом из титанового сплава длиной 16 метров.

Но у титана свои недостатки. Он с трудом поддается обработке, плохо сваривается обычными методами, чувствителен к ударным нагрузкам. Вот почему иностранные исследователи ищут преемника стали и среди неметаллических материалов. Тем более, что с появлением пластмасс стало возможным создавать материалы с заранее заданными свойствами. Однако прочности-то порой пластмассам не хватает. Пример подал бетон. Пронизанный стальной арматурой, он превращается в крепчайший железобетон. Попробовали подобный метод для пластмасс: в синтетическую смолу включили арматуру из стеклянного волокна — и родился стеклопластик.

Плотность его в четыре раза ниже, чем у стали, а прочность лишь незначительно меньше.

Стеклопластики уже нашли себе не одну область применения на подводных лодках. Из них, например, изготовляют надстройки и ограждения рубок, обтекатели выдвижных устройств (перископов, антенн, воздушных шахт) и легкие корпуса спасательных аппаратов (рис. 5). Применение таких пластмассовых надстроек и ограждений снимает заботы о коррозии, позволяет достичь экономии в весе высоко расположенных частей корпуса, а значит, повысить остойчивость корабля. Сокращаются расходы, поскольку ограждение из стеклопластика при массовом производстве, как сообщалось, обходится втрое дешевле алюминиевого.

^{Рис. 5. Модель спасательной подводной лодки с легким корпусом из стеклопластика}

На экспериментальной лодке США «Дельфин» с глубиной погружения до 600–900 м из стеклопластика изготовлены баллоны сжатого воздуха. Иностранная печать отмечает такие качества этих баллонов, как вдвое меньший вес сравнительно с металлическими, повышенную ударостойкость, неподверженность коррозии и немагнитные свойства их материала. Из стеклопластика изготовлены также корпуса твердотопливных двигателей баллистических ракет «Поларис» А-2 и А-3.

Известны случаи и непосредственного применения эпоксидных смол на подводных лодках. Например, ими покрывают алюминиевые обтекатели выдвижных устройств, чтобы предохранить их от коррозии. Сейчас в США проводятся всесторонние лабораторные и полу-натурные испытания моделей отсеков прочного корпуса, которые выполнены из конструкционных пластмасс, также преимущественно относящихся к стеклопластикам.

Вместе с тем еще в 1964 году печать сообщала о проводимых в США работах по созданию сверхпрочного материала из волокон бора и эпоксидных смол. Ожидалось, что этот материал будет прочнее стали и легче алюминия. При этом указывалось, что, несмотря на его дороговизну, новый материал может найти применение в корабельных конструкциях. Другой сверхпрочный материал создавался американскими специалистами на основе эпоксидных смол и войлока из тончайших сапфировых усиков.

В последние годы в зарубежной печати много пишут о возможном использовании силикатного стекла для постройки прочных корпусов глубоководных аппаратов (рис. 6). Оказалось, что его прочность возрастает с увеличением глубины погружения. Так, по данным журнала «Кроузнест», на глубине более 6000 метров стеклянная сфера становится впятеро прочнее, чем на поверхности воды.

^{Рис. 6. Так выглядят по зарубежным проектам глубоководные аппараты из силикатного стекла}

Когда на стекло наносили слой пластиката толщиной немного более 3 миллиметров, значительно уменьшалась его чувствительность к ударам. Упрочнения стекла и повышения его стойкости по отношению к ударным нагрузкам и изгибным напряжениям достигали также путем специальной химической обработки поверхности стеклянных сфер.

Свое первое практическое применение стеклянные сферы нашли в так называемых синтактических пеноматериалах. Эти пенопласты представляют собой смесь стеклянных микросфер с эпоксидной смолой или иным связующим материалом. Они имеют плотность около 600 кг/м³ и способны противостоять давлению воды на глубинах до 6 тысяч метров. Синтактические пенопласты уже используются для заполнения пространства между легким и прочным корпусом на ряде глубоководных аппаратов США. Как сообщала печать, в лаборатории ВМС США разрабатывают методы использования этих материалов в трехслойных корпусных оболочках в качестве прослойки между двумя слоями стеклопластиков. Иностранные специалисты считают, что в недалеком будущем подобные конструкции будут применяться и при постройке подводных лодок.

Существует еще одна область применения химии в подводном кораблестроении. Речь идет о снижении гидродинамического сопротивления подводных объектов, позволяющем улучшить их скоростные качества. Одним из перспективных направлений здесь считают введение водных взвесей полимеров в пограничный слой движущихся под водой тел, на-пример торпед. Журнал «Дэйта» пишет, что при подаче через носовую часть торпеды раствора относительно слабой концентрации (0,2 процента) скорость хода торпеды в условиях натурного эксперимента возрастала за три секунды на 45 процентов (рис. 7).

^{Рис. 7. Изменение скорости (v) торпеды при подаче водного раствора полимера в пограничный слой}

По сообщению газеты «Нэйви таймс», специалисты лаборатории английского адмиралтейства в Хасларе считают возможным применение полимеров и для повышения скоростных качеств боевых кораблей. Эксперименты с моделью эсминца, имевшей систему подачи раствора полимера через щели в обшивке, — показали, что даже при весовой концентрации раствора на уровне тысячной доли процента сопротивление трения модели снижалось на одну треть.

В 1968 году англичане приступили к подготовке аналогичного натурного эксперимента на базовом тральщике. В обшивке этого корабля прорезаны два ряда щелей: один в носу, другой — немного в корму от штурманской рубки. Кроме того, установлены бак для полимерного порошка, приемные клапаны для забортной воды, особая цистерна, в которой непосредственно на корабле будет приготовляться раствор полимера в морской воде, и насос для подачи раствора в пограничный слой корабля. В случае успеха этого опыта, отмечалось в печати, описанный способ снижения сопротивления может быть применен и на подводных лодках.

Сейчас еще трудно сказать, когда именно будут реализованы на практике все те возможности, которые открывает конструкторам подводных лодок современная химия. Но совершенно очевидно, что полное использование ее достижений служит необходимым условием прогресса в подводном кораблестроении, как, впрочем, и во многих других областях науки и техники нашего времени,