Теорія підводного човна — галузь теорії корабля, що вивчає морехідні якості підводного човна (ПЧ) і його особливості порівняно з надводним човном (судном). Як і загальна теорія корабля, теорія підводного човна включає такі основні розділи: плавучість, остійність, непотоплюваність, ходовість, хитавиця, керованість.

Частина теорії, в якій розглядається стан рівноваги нерухомого щодо води підводного човна, називається статикою підводного човна. У цій частині вивчаються перші три із зазначених вище морехідних якостей (плавучість, остійність, непотоплюваність). Розділ теорії, в якому вивчаються морехідні якості, пов'язані з рухом підводного човна, тобто решта з вище перерахованих якостей, називається динамікою підводного човна (хід човна, хитавиця, керованість…).

Оскільки ПЧ характеризується двома основними положеннями — надводним і підводним, ці морехідні якості, за винятком спуску на воду, також поділяються на надводні та підводні. Вперше основи теорії підводного плавання були опубліковані в 1578 році в праці англійця Вільяма Берна.

Плавучість Плавучість — це здатність підводного човна плавати, тобто знаходитися в рівновазі без опори при частковому або повному зануренні у воду. Плавучість є основною і самою необхідною морехідною якістю підводного човна. При вивченні плавучості (а також остійність і надводної непотоплюваності) розглядаються тільки статичні положення рівноваги підводного човна, нерухомого щодо води.

Для визначення положення в просторі окремих елементів підводного човна і точок сил, які додатково діють на нього, використовується жорстко пов'язана з підводним човном прямокутна система координат о, х, у, z, утворена перетином трьох взаємно перпендикулярних площин: діаметральної, мідель-шпангоута й основної. Діаметральна площина — поздовжня площина симетрії підводного човна. Площина мідель-шпангоута — поперечна площина, що проходить по середині довжини непроникного корпусу підводного човна (тобто по середині між носовою і кормовою перегородками кінцевих цистерн головного баласту) перпендикулярно діаметральній площині. Основна площина — поздовжня площина, перпендикулярна діаметральній площині та площині мідедь-шпангоута і проходить через нижні крайні точки теоретичної поверхні корпуса підводного човна (внутрішній поверхні зовнішньої обшивки корпусу).

Лінія перетину діаметральній площині з основною — вісь ох з позитивним напрямком в ніс підводного човна; лінія перетину площини міделю-шпангоута з основною — вісь оу з додатним напрямком на правий борт; лінія перетину площини міделю-шпангоута і діаметральної — вісь oz з позитивним напрямком до палубі надбудови. Таким чином, діаметральна площина є площиною xoz, площина міделю-шпангоута — площиною yoz і основна площина — площиною хоу, а положення будь-якої точки на підводному човні визначається трьома координатами: х, у, z. Згідно з прийнятими додатними напрямками осей визначаються знаки кутів крену і диференту, кренових і диферентних моментів. Позитивними вважаються кути диференту на ніс і крену на правий борт, диферентні моменти на ніс і кренящі на правий борт.

На пливучий без руху підводний човен діють дві категорії сил: сили тяжіння (ваги); поверхневі сили гідростатичного тиску. Сили ваги окремих частин підводного човна і вантажів що знаходяться на ньому приводяться до однієї рівнодіючої-сили ваги підводного човна Р. Ця сила завжди спрямована вертикально вниз, і під її впливом підводний човен прагне зануритися. Точкою дії цієї сили є центр тяжіння підводного човна, що позначається буквою G. Для забезпечення плавання підводного човна в прямому положенні (без крену) центр його ваги повинен знаходитися завжди в діаметральній площині. Центр ваги підводного човна переміщується і займає нове положення при переміщенні вантажів на підводному човні, а також при прийманні та витрачання їх. При нахилах підводного човна, якщо при цьому не відбувається переміщення вантажів, центр ваги залишається на місці, не змінює свого положення щодо прийнятої системи координат.

Сили гідростатичного тиску діють на занурену частину корпусу підводного човна, спрямовані до поверхні корпусу і за величиною пропорційні глибині занурення. Рівнодіюча цих сил спрямована по вертикалі вгору, по величині вона дорівнює вазі води в об'ємі зануреної частини корпусу підводного човна і позначається γV, де V-об'єм зануреної частини корпусу у м3; γ-питома вага води, тс (тонно-силах)/м³. Під впливом сили γV підводний човен прагне спливти, тому називається вона силою плавучості або силою підтримки. Точкою докладання сили плавучості є центр тяжіння навантаженого обсягу корпусу підводного човна. Ця точка називається центром величини і позначається буквою С. Положення центру величини залежить від величини і форми зануреного об'єму підводного човна. При прямому положенні підводного човна центр величини знаходиться в діаметральній площині, а при нахилах переміщується у бік човна, тобто в тому напрямку, де відбувається прирощення зануреного об'єму.

Положення центру тяжіння і центру величини визначається в прямокутній системі координат oxyz: координатами центра ваги G є xg, yg, zg, а координатами центру величини С — xc, Yc, zc. Центр ваги підводного човна в крейсерському положенні завжди вище центру величини zg > zc, а в підводному положенні центр ваги нижче центру величини zg < zc.

Об'єм V зануреної частини корпусу називається об'ємною водотоннажністю підводного човна і вимірюється в м3. Вага води в об'ємі зануреної частини корпусу D = γV називається ваговою водотоннажністю підводного човна, вимірюється в тоно-силах (тс).

Знання ваги підводного човна, об'ємної водотоннажності, координат центра ваги й центра величини необхідно при вирішенні практичних питань по плавучості, остійності і непотоплюваності підводного човна. підводний човен буде знаходитися в рівновазі тоді, коли діючі на неї сили Р і γV врівноважуються, тобто рівні за величиною, і діють по одній вертикалі. Таким чином, рівновага підводного човна визначається, двома умовами:

сила плавучості повинна бути рівною вазі підводного човна; центр величини і центр ваги підводного човна повинні розташовуватися на одній вертикалі.

Ці умови стосуються як надводного, так і підводного положення підводного човна.

Запас плавучості Запасом плавучості називається весь водонепроникний об'єм підводного човна W, розташований вище діючої ватерлінії. У запас плавучості входить об'єм міцного корпусу, міцної рубки, цистерн головного баласту й інші об'єми, розташовані вище діючої ватерлінії. Не включаються в запас плавучості об'єми проникних частин корпусу — огородження рубки, надбудови, кінечностей. Запас плавучості змінюється зі зміною посадки підводного човна і при повному зануренні стає рівним нулю. Таким чином, запас плавучості визначає вага вантажу, який необхідно прийняти на підводний човен для його повного занурення. Через те, що занурення підводного човна з крейсерського положення в підводне здійснюється заповненням цистерн головного баласту, то в крейсерському положенні запас плавучості повинен бути дорівнювати обсягу цистерн головного баласту. Якщо об'єм цистерн головного баласту не дорівнює запасу плавучості, то підводний човен або не зможе зануритися при Vцгб < W, або після занурення отримує негативну залишкову плавучість при Vцгб > W.

Для забезпечення занурення підводного човна без крену і диференту центр величини непроникного об'єму вище крейсерської ватерлінії (запасу плавучості) і центр величини обсягу цистерн головного баласту повинні лежати на одній вертикалі, тобто хWкр = хцгб, уWкр = уцгб = 0.

Об'єм цистерн головного баласту, розташований вище ватерлінії, одночасно такий, що входить, і до складу запасу плавучості, і до складу цистерн головного баласту, називається пасивним запасом плавучості. Пасивний запас плавучості не впливає на посадку підводного човна в крейсерському положенні і з точки зору величини обсягу цистерн головного баласту невигідний, але наявність його має велике значення для забезпечення остійності і непотоплюваності підводного човна.

Велику роль при призначенні величини запасу плавучості грає раціональний поділ міцного корпусу на відсіки поперечними водонепроникними перегородками. При одному і тому ж запасі плавучості збільшення кількості відсіків міцного корпусу забезпечує підводному човні більш високий рівень непотоплюваності. Велике значення має також раціональний розподіл відсіків міцного корпусу і цистерн головного баласту по довжині підводного човна. Найбільш раціональним є розташування відсіків великого обсягу в середній частині підводного човна з поступовим зменшенням їх обсягів до країв.Википедия: Теория подводной лодки, Запас плавучести

Надводна плавучість

Надводна плавучість ПЧ, аналогічно плавучості надводного корабля, характеризується запасом плавучості. Тобто, відношенням водонепроникних об'ємів вище ватерлінії (ВЛ), до всього водонепроникному об'єму, і виражається у відсотках.

Наприклад, якщо загальний об'єм ПЧ — 3000 м³, а надводної частини — 600 м³, то запас плавучості:

W = 600/3000 * 100 = 20 %'

Те ж відношення можна виразити й у водотоннажностях. Для даного прикладу в дистильованій воді (1 м ³ = 1 т) водотоннажність буде: Dн = 3000 — 600 = 2400 т, а водотоннажність її повного об'єму Dп = 3000 т. Тоді: W = (Dн — Dп) / Dп * 100 = (2400 — 3000) / 3000 * 100 = 20 %

Підводна плавучість

Плавучість зануреного ПЧ. Різниця сил підтримання на верхній і нижній частинах корпусу створює залишкову плавучість. Підводна плавучість принципово відрізняється від надводної. Щоб повністю занурити човен у воду, потрібно довести її вага до ваги води, що витісняється її повним об'ємом. Інакше кажучи, погасити запас плавучості до 0 % прийманням додаткового вантажу (баласту), на практиці — забортної води. З точки зору фізики можна також вважати, що човен зменшує свій об'єм, впускаючи навколишній море всередину корпусу. У теорії ПЧ прийнятий перший підхід — баластна вода вважається власністю човна, тобто вантажем. І кажуть, що надводна водотоннажність менше підводної. У нашому прикладі — 2400/3000 т. Як бачимо, запас плавучості можна виразити відношенням надводної та підводної водотоннажності.

Однак, якщо прийняти більше вантажу, ніж важить повністю занурений ПЧ (створити негативну плавучість), вона буде не плавати в підводному положенні, а тонути — продовжувати занурюватися, поки не досягне ґрунту або не зруйнується. Тому життєво важливо, щоб теоретична підводний плавучість була саме нейтральна — 0 %. Для надводного корабля цей межевий стан прирівнюється до втрати плавучості, для ПЧ воно — повсякденна норма.

На плавучість, очевидно, впливає вага зануреного тіла і густина води. Оскільки на практиці ні те, ні інше не залишається постійним (човен має залишкову плавучість), підтримка нейтральної плавучості Пч під водою вимагає постійної корекцій. Вона проводиться відкачуванням/прийманням баласту, що називається виважкою ПЧ, або стабілізацією глибини.

На практиці приймання баласту вимагає витрат часу й енергії. Тому золоте правило надводного корабля: «чим більше запас, тим краще» суперечить технічним вимогам для ПЧ. Конструктивний запас плавучості намагаються обмежувати. Зазвичай він становить у ПЛ 8-30 % (в залежності від проєкту), в порівнянні з 50-60 % і більше в надводних кораблів. Винятком є лише ПЧ проєкту 941 «Акула» у котрих запас плавучості становить 40 %. Менший запас суперечить вимогам непотоплюваності, більший — швидкості занурення/спливання і обмеженню за конструктивними розмірами.