Для управления лодкой идеальной была бы нейтральная плавучесть, но соблюсти это требование довольно трудно, так как и объем вытесняемой лодкой воды и ее плотность меняются с глубиной погружения. Как подводная лодка, так и вода сжимаемы и занимают на больших глубинах меньший объем. Кроме того, на плавучести сказывается и температура воды, изменяющаяся с глубиной.
Разница в температуре по вертикали, или, как говорят физики, температурный градиент[6], для устойчивого равновесия лодки должна превышать примерно 0,05 градуса на метр глубины. Подобные градиенты часто встречаются на глубинах, меньших 100 метров, и в таких участках, получивших название «жидкий грунт», «термоклин» или слой скачка, подводная лодка может застыть в воде с неработающим двигателем.
Опасность может возникнуть и при горизонтальном температурном градиенте, когда лодка с ходу из холодной воды попадает в теплую и, следовательно, менее плотную массу, что приводит к мгновенному возрастанию погружающей силы. Температурный скачок в 7–8 градусов для подводной лодки большого водоизмещения даст возрастание погружающей силы на несколько тонн, и абсолютно исправная и герметичная подводная лодка может камнем пойти ко дну. Такой же эффект могут вызвать и так называемые внутренние волны, о которых мы скажем ниже. Кто знает, может быть, в этом и состоит причина гибели «Трешера» — американской атомной подлодки, затонувшей в Гольфстриме?
И еще одна особенность — плотность воды возрастает с соленостью. Это может оказаться опасным для подводной лодки, движущейся, скажем, к речному устью: если внимательно не наблюдать за глубиномером, лодка может внезапно оказаться на дне.
Много причин влияет на плавучесть, и поэтому лодки снабжаются не только указателями глубины, но и самопишущими термометрами, а иногда также и измерителями солености.
На управлении лодкой по глубине может сказаться и циркуляция вод в океане, вызванная совместным действием ветра (поверхностные слои передают напряжение подстилающим) и разностями температуры и плотности. Механизм этой циркуляции сводится к следующей схеме. Когда поверхность воды охлаждается при соприкосновении с холодным воздухом или в ре зультате испарения (отбирающего тепло) или же когда из-за испарения или замерзания увеличивается соленость, то увеличивается и плотность воды. Если эти процессы достаточно интенсивны, то воды в поверхностном слое становятся тяжелее, чем подстилающие, и опускаются. Относительно более легкие воды поднимаются на их место, и, таким образом, возникает вертикальная циркуляция. Едва заметные изменения температуры и солености могут вызвать перепады давления, которые приводят в вертикальное и горизонтальное движение целые океаны.
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.
