Для обеспечения исследований по аэрогидродинамике надводных кораблей, и в особенности КДПП, разработаны основные направления теоретических и экспериментальных работ для организаций ВМФ и промышленности, академической и вузовской науки, выполнение которых послужит основой для создания нового поколения кораблей начала XXIв.
Прочность и конструкционные материалы
Усиление вооруженности кораблей, их конструктивной защиты с одновременным повышением эксплуатационной скорости хода потребовали глубокого изучения внешних сил, действующих на корпус корабля, особенностей напряженно-деформированного состояния основных корпусных конструкций, нормирования общей и местной прочности, разработки новых конструкционных материалов и технологий строительства кораблей. Анализ и обобщение опыта боевого использования кораблей во второй мировой войне и задач, поставленных перед промышленностью по созданию нового отечественного флота, позволили разработать программу научных исследований, обеспечивающих запросы промышленности и ВМФ. В разработке и реализации этой программы активное участие принимали ЦНИИ им.А.Н.Крылова, 1-йЦНИИМО, ЦНИИКМ “Прометей”, конструкторские бюро, институты и заводы судостроительной отрасли. В интересах подводного кораблестроения в начале 50-х годов проводились углубленные исследования устойчивости и напряженного состояния оболочки корпуса с различными вариантами системы набора, прочных цистерн, рубок, сферических переборок. Большое внимание было уделено уточнению запасов прочности, норм допускаемых напряжений, оценке влияния начального прогиба на прочность корпуса, рационализации конструкций. На основе исследований созданы нормы прочности, отвечающие повышенным глубинам погружения проектируемых кораблей по сравнению с довоенными.
Материалы исследований вошли в монографии Ю.А.Шиманского “Строительная механика подводных лодок” (1948г.), П.Ф.Папковича “Строительная механика корабля” (1947г.), В.В.Новожилова “Теория тонких оболочек” (1951г.), Н.С.Соломенко “Строительная механика подводных лодок”.
Увеличение глубины погружения подводных лодок было невозможно без использования стали с повышенными прочностными свойствами. Работы по созданию такой стали велись в ЦНИИ-48 (ныне ЦНИИКМ “Прометей”) и завершились разработкой и промышленным освоением сталей типа АК. Однако освоение этих сталей встретило ряд существенных трудностей. Так, для исключения возможности хрупких разрушений шпангоутов пришлось предусматривать специальную их термообработку. Большое внимание уделялось сварке высокопрочных сталей с тем, чтобы избежать неблагоприятного влияния на прочность околошовных зон. Были внесены конструктивные изменения в ответственные узлы корпуса. При решении всех этих вопросов и проверке работоспособности сталей большую роль играли поставленные впервые в широком объеме испытания натурных опытных отсеков подводных лодок в специально созданных док-камерах (А.И.Кудрин, Л.М.Бунич, О.М.Палий, С.К.Родионова, Ю.П.Шишалов). Натурные испытания были дополнены систематическими испытаниями образцов и малых моделей конструкций.
Результаты испытаний по совокупности подтвердили корректность теоретических исследований и расчетных схем, позволили получить опытные данные по устройству и несущей способности оболочек, ввести поправочные коэффициенты к формулам критического давления, обосновать запасы прочности основных элементов корпусов. Путевка в жизнь была дана и новой стали АК-25. Испытания подтвердили ее достаточную работоспособность при принятой технологии постройки кораблей.
На основе обобщения результатов проведения теоретических и экспериментальных исследований, участием накопленного опыта проектирования, постройки и эксплуатации подводных лодок в 1954г. ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова, с участием предприятий и организаций промышленности и 1-гоЦНИИМО, разработал новый нормативный документ “Правила выполнения расчетов прочности конструкций прочного корпуса подводных лодок” и типовые расчеты к ним (авторы В.В.Новожилов, В.Ф.Сегаль и др.). Наряду с совершенствованием аналитических методов расчета начали внедряться численные методы, создавались алгоритмы для получения более точных решений с помощью ЭВМ все усложняющихся задач теории оболочек (В.С.Чувиковский, В.Е.Спиро, В.М.Рябов, И.Л.Дикович, О.М.Палий). Расчетные проработки подтверждали эффективность предложенных алгоритмов.
В подводное кораблестроение внедрялись более прочные материалы, в том числе (наряду со сталями) титановые сплавы, обладающие рядом преимуществ (меньший удельный вес, коррозионная стойкость, немагнитность, не подверженность ползучести). Проведенные в течение ряда лет в ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова многоплановые работы по анализу влияния на работоспособность разнообразных конструктивных и технологических факторов позволили установить общие положения, обеспечивающие надежность корпусов подводных лодок, и разработать “Требования к механическим свойствам корпусных материалов и их сварных соединений для подводного кораблестроения”.
Внедрение титановых сплавов потребовало пересмотра части принципиальных положений, связанных с нормированием прочности корпусов (учет текучести материала, пониженная цикличная прочность, ограниченные пластические свойства). Был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных работ, в которых обоснованы новые принципиальные подходы к обеспечению прочности и надежности конструкций из этих сплавов (О.М.Палий, В.С.Чувиковский, В.Е.Спиро, И.Г.Гуревич, А.И.Шитов). На основе исследований и испытаний крупномасштабных отсеков в 1977г. изданы “Правила проектирования подводных лодок из титановых сплавов” (В.В.Новожилов, Н.С.Соломенко, А.И.Кудрин).
Внедрение новых методов расчета и высокопрочных материалов завершилось контрольными испытаниями натурных и опытных конструкций новых проектов подводных лодок. Эти испытания служили прямой экспериментальной проверкой принятых конструктивных решений и готовности заводов-строителей к реализации разработанной технологии сварки.
На рубеже 70-х годов, в расчете на перспективу создания глубоководных кораблей, ЦКБ МТ “Рубин” с участием ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова и ЦНИИКМ “Прометей” под руководством главных конструкторов В.Н.Перегудова, С.Н.Ковалева, Н.Н.Исанина, И.Д.Спасского, И.В.Горынина и члена-корреспондента РАН В.М.Пашина, Б.И.Купенского и Г.Н.Чернышева был спроектирован и построен на ПО “Севмашпредприятие” уникальный стенд с док-камерами, в котором прошли испытания натурных и опытных отсеков всех основных типов подводных лодок, включая ПЛ “Комсомолец”.
В 70-е годы ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова совместно с 1-м ЦНИИМО исследовали проблемы циклической прочности конструкций корпусов подводных лодок. Постановка этих исследований была необходима, с одной стороны, для успешной разработки материалов еще большей удельной прочности (стали с пределом текучести до 100 кг/мм2, титановых сплавов с пределом текучести до 80 кг/мм2), предназначенных для глубоководных подводных лодок нового поколения. с другой стороны, в связи с ужесточением требований ВМФ к числу погружений корабля на большие глубины. Была выполнена экспериментальная оценка ресурса циклической прочности находящихся в строю подводных лодок, внесены ограничения по применению конструкций, в которых возникают растягивающие напряжения - основной источник циклических разрушений.
Ресурсные испытания были продолжены в 80-е годы, в ходе которых установлены основные закономерности развития повреждений, выявлены неудачные конструктивно-технологические решения, рекомендованы принципиально новые варианты корпусных узлов, повышающих их долговечность. Исследования циклической долговечности проводились на грани смежных научных направлений - физики твердого тела и механики разрушений. На их базе, ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова и ЦНИИКМ “Прометей”, были выпущены документы, позволяющие дать расчетную оценку циклической прочности узлов прочного корпуса и оценить остаточный ресурс находящихся в эксплуатации и модернизируемых подводных лодок (1989 и 1993гг.).
Работы по обеспечению прочности и рациональному конструированию корпусов глубоководных аппаратов (ГА) приобрели самостоятельное значение в 60-х годах.
Накопленный к концу 70-х - началу 80-х годов опыт создания глубоководных аппаратов, анализ проведенных теоретических и экспериментальных исследований в области прочности позволили разработать “Основные положения по методам расчета и нормам прочности прочных корпусов глубоководных аппаратов” (1981г.). Исследования прочности, несущей способности и работоспособности корпусов объектов глубоководной техники, на базе уже имеющихся данных, продолжались на новом качественном уровне. Были решены задачи прочности, устойчивости и надежности корпусов, состоящих из цилиндрических и сферических оболочек с учетом фактической точности их изготовления, определены пределы снижения несущей способности корпусов в зависимости от принятых допусков, подтверждена эффективность обработки поверхности (В.Р.Ибнояминов, Ю.П.Шишалов, В.М.Греков).
Новое направление исследований в 90-е годы - обращение к малопластичным материалам с высокой удельной прочностью. Проблема их внедрения стала весьма актуальной, поскольку применяемые материалы исчерпали свою возможность, не позволяя рассчитывать на сколько-нибудь существенное снижение массы корпусов или увеличение глубины погружения. Выполненные в 1990-1993гг. исследования подтвердили принципиальную возможность получения приемлемых показателей надежности изделий к конструкции корпусов и технологии их изготовления, выявили круг основных вопросов, требующих дальнейшего решения.