Ю. Степанянц . Могут ли внутренние волны погубить подводную лодку?

Юрий Степанянц
«Природа» №6, 2021

Недавняя катастрофа, произошедшая с индонезийской подводной лодкой «Нангала» у берегов острова Бали, вновь напомнила о возможной роли внутренних волн в такого рода трагедиях. В статье кратко излагается природа внутренних волн, анализируются обстоятельства гибели трех подводных лодок: атомных «Трешер» (1963 г.) и «Скорпион» (1968 г.) Военно-морских сил США и дизельной «Нангала», приводятся гипотетические сценарии этих аварий, обосновывается опасность внутренних волн для подводного судоходства.

Об авторе

Юрий Александрович Степанянц — доктор физико-математических наук, профессор прикладной математики Университета Южного Квинсленда (Австралия), главный научный сотрудник Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е.Алексеева. Область научных интересов — теория морских волн, физика нелинейных явлений.

Недавняя катастрофа, случившаяся с индонезийской подводной лодкой у берегов острова Бали, вновь напомнила о возможной роли внутренних волн в такого рода трагедиях¹. Чтобы понять, что могло произойти с подводной лодкой, необходимо хотя бы вкратце пояснить физику внутренних волн, существующих практически повсеместно внутри океанов, морей и других крупных водоемов.

Физика поверхностных волн

Волны на поверхности водоемов всем хорошо известны; их существование связано с восстанавливающим действием силы тяжести. Если часть поверхности жидкости по какой-то причине была выведена из положения равновесия, то сила тяжести стремится вернуть возмущенный участок к равновесному положению. Однако частицы жидкости, возвращаясь к равновесию, набирают скорость и по инерции проскакивают равновесное положение, проваливаясь ниже свободной поверхности (рис. 1).

Затем на частички воздуха в образовавшейся полости действует выталкивающая сила Архимеда, заставляющая их и частицы прилегающей жидкости двигаться вверх и снова проскакивать положение равновесия. При этом в колебательное движение вовлекаются близлежащие частицы. Так возникает волновое движение в жидкости, захватывающее всё более отдаленные от первоначального возмущения области. При некоторых условиях, если подходящим образом согласовать смещение частиц жидкости и придать им определенную скорость, можно получить направленное волновое движение и, в частности, одиночную волну, бегущую в заданном направлении (такие стационарно движущиеся волны называют солитонами). Впервые солитон наблюдал в августе 1834 г. в канале между Эдинбургом и Глазго шотландский инженер Джон Скотт Рассел, который оставил красочное описание этого явления². Следует отметить, что уединенные поверхностные волны могут быть только положительной полярности, т. е. в виде возвышения поверхности жидкости (см. рис. 1, слева).

Внутренние волны

Волновые движения могут возникать не только на поверхности жидкости, но и внутри нее — на границах раздела слоев различной плотности (пикноклинах) или даже в объеме жидкости с плавно меняющейся с глубиной плотностью. Такие волны называются внутренними; они существуют в устойчиво стратифицированной жидкости, когда более легкие слои находятся над более тяжелыми.

Физика этих волн та же, что и у описанных выше поверхностных волн — смещение пикноклина от равновесного горизонтального уровня порождает силы, стремящиеся вернуть частицы более тяжелой жидкости на свои уровни ниже пикноклина. Если же более легкие частицы оказываются ниже границы раздела слоев, то на них действует выталкивающая сила Архимеда, заставляющая их двигаться вверх. Однако силы тяжести и плавучести значительно ослаблены внутри жидкости, поскольку на них действует вместо обычной силы тяжести g редуцированная сила ∆ρg/ρ, где ρ — средняя плотность слоев жидкости, а ∆ρ — разность плотностей нижнего и верхнего слоев, которая обычно невелика, ∆ρ/ρ = 10^–3−10^–4. Поэтому частоты колебаний и скорости распространения внутренних волн примерно в 30–100 раз меньше, чем поверхностных. Плотность воды в океане, главным образом, зависит от температуры и солености. Верхние слои обычно более теплые (в некоторых местах температура может достигать 20°С и даже выше) и менее соленые, тогда как на глубинах более 300–500 м температура почти всюду одинакова и равна 4°С.

Рассмотрим упрощенную модель зависимости плотности воды в океане (рис. 2). Верхний распресненный слой, толщина которого составляет от 50 м до 100 м в зависимости от сезона года, формируется за счет притока солнечного тепла, осадков и ветрового перемешивания. За ним следует довольно хорошо выраженный скачок плотности, называемый сезонным пикноклином. Потом простирается следующий слой почти постоянной плотности, на нижней границе которого снова происходит быстрое изменение плотности, после чего она остается практически постоянной вплоть до дна. Граница, отделяющая самый нижний слой океана от промежуточного, называется главным пикноклином. Он присутствует в океане постоянно вне зависимости от погодных или сезонных изменений на поверхности.

На обеих границах раздела слоев могут существовать внутренние волны довольно больших амплитуд, вплоть до 150 м. При этом такие волны почти не возмущают свободную поверхность; увидеть их практически невозможно, если в океане полный штиль и нет ветрового волнения (рис. 3).

При наличии волнения внутренние волны, создавая в приповерхностном слое жидкости течения со скоростями до 20 см/с (что сравнимо со скоростями распространения ветровой ряби), производят модуляцию поверхностных волн. При этом в глубоком океане, когда пикноклин расположен ближе к поверхности, на переднем склоне движущейся внутренней волны происходит усиление поверхностного волнения, а на заднем склоне — частичное подавление волнения, выглаживание (рис. 4); в относительно мелком водоеме — наоборот.

В результате этого на поверхности океана возникают протяженные на многие километры полосы, движущиеся вместе с распространяющейся под водой внутренней волной. Эти полосы хорошо видны невооруженным глазом и даже наблюдаются на фотографиях, полученных с самолетов и спутников³ (рис. 5).

Особенность уединенных внутренних волн (УВВ) — в том, что, в отличие от поверхностных волн, они в глубоком океане имеют отрицательную полярность, т. е. представляют собой понижения уровня пикноклина (см. рис. 2). (В мелких водоемах, когда пикноклин прижат ко дну, полярность солитонов положительна.) В настоящее время существует хорошо развитая теория внутренних солитонов, подтвержденная многочисленными наблюдениями, лабораторными экспериментами и численными расчетами; подробности можно найти в обзорах [5–10]. Ранние модели описания УВВ основывались на известном уравнении Кортевега — де Фриза, солитонные решения которого довольно хорошо согласовывались с наблюдаемыми волнами умеренных амплитуд (рис. 6).

Однако последующие исследования показали, что форма УВВ может сильно отличаться от колоколообразной (сплошная линия на рис. 6). Для их адекватного описания используется либо обобщенное уравнение Кортевега — де Фриза, называемое уравнением Гарднера, либо полная система уравнений гидродинамики. Уравнение Гарднера можно решить аналитически и найти форму солитона при различных амплитудах (рис. 7, а); во втором случае форму солитона приходится рассчитывать численно. При этом получается весьма хорошее согласие между аналитическим решением модельного уравнения и численным решением полной системы уравнений гидродинамики. В результате можно сделать важный вывод: при больших амплитудах УВВ становятся похожими на траншеи с плоским дном. Экспериментальные исследования показали, что подобной формы УВВ действительно наблюдаются в океанах и морях (рис. 7, б).

Параметры УВВ зависят от географического места наблюдения, глубины океана и порождающих сил. Один из наиболее важных факторов генерации внутренних волн (но не единственный) — полусуточный прилив. В некоторых районах океана (например, в Андаманском море и море Сулу в Индийском океане) внутренние волны большой амплитуды регулярно появляются примерно каждые 12.5 ч вслед за приливом. Особенно большие возмущения возникают, когда лунный и солнечный приливы совпадают по времени (находятся в сизигии). В обзоре [8] были систематизированы данные об основных параметрах УВВ (амплитудах, скоростях движения, характерных размерах и длительностях, протяженности фронтов) при различных глубинах океана (табл.). Как видно из таблицы, в районах океана с глубинами более 1000 м амплитуды солитонов могут достигать 130 м, а по некоторым данным и 150 м. Характерная длина солитона может достигать 2000 м, а скорость распространения — 2.5 м/с (9 км/ч) при протяженности фронта до 350 км.

В обзоре [5] была впервые представлена карта районов океана, в которых наблюдались УВВ. Впоследствии эта карта была дополнена Кристофером Джексоном (рис. 8), который создал вэбсайт, содержащий обширные сведения о внутренних волнах в различных акваториях Мирового океана⁴. На карте видно, что УВВ наблюдаются практически повсеместно. Густота точек на карте обусловлена лишь удобством проведения измерений в тех или иных акваториях. Отсутствие же данных по Тихому и Южному океанам связано с их относительной труднодоступностью, дороговизной проведения там работ или отсутствием интенсивного судоходства. Поэтому неизвестно, какие сюрпризы можно еще ожидать в этом обширном и плохо изученном районе Мирового океана.

Какую опасность могут представлять УВВ для подводных лодок (ПЛ)? Представим себе, что ПЛ с водоизмещением 4300 т (что примерно соответствует американской ПЛ «Трешер») находится на пикноклине, расположенном на глубине 300 м или немного ниже, где плотность при температуре 4°С и солености 35‰ составляет ρ₂ = 1028 кг/м³. Водоизмещение в подводном состоянии определяется как вес жидкости, вытесненной телом. Таким образом, указанное водоизмещение соответствует объему ПЛ V = 4183 м³. ПЛ находится в нейтральном, взвешенном состоянии, так что сила тяжести скомпенсирована выталкивающей силой Архимеда.

Предположим, ПЛ внезапно оказывается в жидкости меньшей плотности ρ₁ = 1023 кг/м³. Это значит, что на каждый кубометр ПЛ действует дополнительная сила весом в f = 5 кг; тогда на всю ПЛ действует избыточная нагрузка F = fV = 21 т. Естественно, при такой нагрузке ПЛ начнет погружаться и может быстро достигнуть предельной глубины, на которую рассчитан ее прочный корпус, если не принять экстренные меры по всплытию. При погружении ПЛ внешнее давление на ее корпус сильно возрастает с глубиной — одна дополнительная атмосфера на каждые 10 м. Чтобы удержать ПЛ на плаву, необходимо срочно принимать меры по компенсации избыточной силы; для этого нужно продувать цистерны главного балласта или управлять горизонтальными рулями, если лодка движется достаточно быстро. ПЛ под водой находится в динамическом балансе с окружающей средой; поддержание ее в состоянии нейтральной плавучести требует постоянных коррекций. Они производятся горизонтальными рулями или откачкой/приемом забортной воды в качестве балласта — это называется вывеской ПЛ или стабилизацией глубины. Внезапная потеря плавучести может произойти, если ПЛ попадает внутрь УВВ, имеющей отрицательную полярность и содержащей воду пониженной плотности. Такое событие становится чрезвычайно опасным, если ПЛ находится на почти предельной расчетной глубине.

Анализ возможных причин загадочной гибели трех подводных лодок

Проанализируем три известные катастрофы, случившиеся с ПЛ, причины которых до сих пор не установлены. Первая из таких крупных аварий произошла с атомной подводной лодкой (АПЛ) Военно-морских сил (ВМС) США «Трешер» в апреле 1963 г. Вторая случилась с другой АПЛ ВМС США «Скорпион» в мае 1968 г. И наконец, недавняя катастрофа в апреле 2021 г. с дизельной ПЛ ВМС Индонезии «Нангала».

Апрель 1963 г. Гибель АПЛ «Трешер» (USS Thresher, SSN-593): первая катастрофа в истории мирового атомного подводного флота. По имеющимся сведениям, АПЛ «Трешер» после ремонта проходила испытания в заливе Мэн возле восточного побережья США. Она была спущена с Портсмутской верфи в 1960 г. (рис. 9) и на тот момент считалась самой современной боевой подводной лодкой ВМС США, отличаясь высокой маневренностью при водоизмещении 4369 т, длине 85 м, скорости подводного хода до 30 узлов (~15 м/с) и имея предельную глубину погружения 400 м.

К 10 апреля АПЛ «Трешер» прошла все тестовые испытания, намеченные после ее ремонта, за исключением последнего — глубоководного погружения. Поскольку рейс был испытательный, на борту помимо 16 офицеров и 96 матросов находились еще 17 инженеров и техников Портсмутских доков — всего 129 человек во главе с командиром Джоном Харви (John Wesley Harvey; 1927–1963). Дальнейшее развитие событий происходило следующим образом [14].

10 апреля 1963 г. АПЛ «Трешер» вышла в открытое море в сопровождении надводного корабля «Скайларк» (Skylark), с которым поддерживалась гидроакустическая связь. В 7 ч 47 мин местного времени «Трешер» начала погружение. В 8 ч 02 мин с лодки поступило сообщение, что она достигла глубины 120 м, проведен осмотр прочного корпуса, забортной арматуры и трубопроводов. В 8 ч 09 мин получено сообщение, что пройдена половина пути до намеченной глубины погружения, темп погружения замедляется. В 8 ч 35 мин лодка достигла глубины, которая на 90 м меньше предельной. Еще через 18 мин она приблизилась к предельной глубине погружения, и с нее поступило сообщение, что курс не изменился. В 9 ч 09 мин «Трешер» достигла максимально допустимой глубины погружения — 330 м. Через минуту на лодку был послан сигнал об изменении курса, но ответа на вызов не последовало. Не было ответа и на повторный вызов. В 9 ч 13 мин на «Скайларк» поступило сообщение: Experiencing minor problem. Have positive angle. Attempting to blow («Возникла небольшая проблема. Имеем дифферент на корму. Пытаемся продуться»). Через короткое время на «Скайларке» услышали шумы, которые были похожи на те, что сопровождают выпуск сжатого воздуха. В 9 ч 16 мин на корабле получили невнятное сообщение, из которого удалось распознать лишь два слова: «тестовая глубина», а затем, в 9 ч 17 мин, поступила последняя информация с лодки, из которой удалось разобрать лишь два слова: «900... N». Одни специалисты полагают, что «Трешер» сообщала данные о своем местоположении, другие же считают, что командир сообщил о ситуации, близкой к критической (по принятой шкале код 1000 — полный крах лодки). Однако вскоре после этого акустики на «Скайларке» услышали звук, похожий на треск от лопнувшего прочного корпуса лодки. Была объявлена тревога на флоте, организована поисково-спасательная операция, но лодку и ее экипаж спасти не удалось.

После долгих поисков останки АПЛ «Трешер», распавшейся на шесть крупных частей в радиусе 300 м, были обнаружены с помощью батискафа «Триест» (Trieste) на глубине 2560 м к северо-востоку от мыса Код (рис. 10). Было выдвинуто множество гипотез о причинах гибели лодки, среди которых встречались и подозрения, что ее каким-то образом уничтожили советские подводники. Но давайте подойдем к анализу событий и сообщений, используя объективно установленные данные.

Осенью 1963 г. американский океанолог Колумбус Айселин (Columbus O’Donnell Iselin) из Вудсхолского океанографического института (Woods Hole Oceanographic Institution), расположенного поблизости от залива Мэн, сообщил, что в начале апреля, за несколько дней до катастрофы, в этом районе наблюдался сильный шторм, который постепенно сместился на северо-восток и к 10 апреля все еще не утих, но уже находился над заливом Св. Лаврентия. В заливе Мэн поверхностное волнение к этому времени уже значительно улеглось, а вот индуцированные штормом медленно движущиеся внутренние волны могли к моменту гибели АПЛ «Трешер» оказаться в месте ее испытаний, у выхода из залива. На основе анализа местных гидрометеорологических условий Айселин вполне обосновано предполагал, что эти внутренние волны могли иметь большие амплитуды, до 100 м и более, а характерные длины порядка 1–2 км. Во время катастрофы гидрологических наблюдений не проводилось, поэтому приведенные оценки носят предположительный, но весьма правдоподобный характер [15].

Попробуем на основании имеющихся данных произвести реконструкцию катастрофы. В момент аварии «Трешер» уже достигла максимально допустимой глубины погружения — 360 м. На таких глубинах обычно залегает главный пикноклин (см. рис. 2). Обычно при глубоководном погружении лодка движется очень медленно и осторожно, команда прислушивается к скрипам и потрескиваниям прочного корпуса и арматуры, обжатых давлением в 36 атмосфер. Можно предположить, что «Трешер» двигалась с минимальной скоростью 1–3 узла (0.5–1.5 м/с). Допустим, ее догнала УВВ с амплитудой 100 м или более, идущая со скоростью 2.5 м/с и представляющая собой траншею на пикноклине. Это привело бы к тому, что лодка стала проседать на корму и терять плавучесть сначала плавно, а потом все стремительнее (рис. 11).

Прислушаемся к словам командира АПЛ «Трешер». Первое, что он сообщает без особой тревоги: «Возникла небольшая проблема». Для опытного командира АПЛ, каким характеризуют Джона Харви⁵, эта фраза звучит крайне непрофессионально. Командир должен был четко доложить, в чем именно проблема, а не отделываться неопределенным сообщением о «небольшой проблеме». Чем вызвана такая неопределенность? По-видимому, вовсе не тем, что что-то произошло на борту лодки, иначе бы командир точно знал, что ему доложить. Но если лодка неожиданно начинает проседать на корму по непонятной для командира причине, то ничего конкретного он сообщить не может, кроме как доложить, что в результате возникшей неприятности лодка стала проседать: «Имеем дифферент на корму». Командиру кажется, что проблема небольшая, которую его экипаж постарается устранить путем продувки цистерн главного балласта: «Пытаемся продуться». Все действия командира выглядят совершенно правильно и логично с учетом отсутствия понимания сути проблемы (в то время не было известно о существовании УВВ больших амплитуд). Но лодку затягивает в глубину все быстрее. Продувка цистерн не поспевает, лодка проскакивает предельно допустимую глубину, после которой крах неизбежен. В дополнение к этому, как стало известно позже в ходе расследования аварии, механизм продувки цистерн при аварийном всплытии был крайне несовершенный.

Вывод, представленный в официальном отчете комиссии по расследованию причин катастрофы, не согласуется с донесениями командира АПЛ. В самом деле, в отчете отмечается, что наиболее вероятное объяснение [гибели лодки] состоит в том, что соединение трубопроводов в системе забортной воды в машинном отделении прорвалось. Возникший в результате спрей закоротил электронику и вызвал автоматическое отключение ядерного реактора [14]. Справедливости ради отметим, что придирчивая комиссия, расследовавшая причины гибели АПЛ «Трешер», действительно выявила задним числом массу нарушений, в том числе весьма серьезных, при ремонте лодки на верфи в Портсмуте. Одним из выявленных комиссией дефектов при подготовке лодки к походу было плохое качество сварных работ. Однако по анализу сообщений с лодки в момент аварии похоже, что ее гибель произошла по другой причине, при которой катастрофическую роль сыграл скорее недостаток в конструкции балластной системы.

Во-первых, аварию с ядерным реактором командир вряд ли бы назвал «небольшой проблемой»; во-вторых, он бы четко доложил в двух словах, что вышел из строя реактор; в-третьих, очень сомнительно, что выход из строя реактора привел к проседанию лодки, даже если один из отсеков стал заполняться водой; в-четвертых, при заглохшем реакторе цистерны главного балласта можно было продуть и всплыть с помощью аккумуляторов, которые имелись на борту АПЛ. В выводах комиссии отмечено, что мощности электродвигателя, дублирующего реактор в аварийных ситуациях, в данном случае не хватило. Однако электрическая мощность в такой ситуации должна была использоваться скорее не для разгона лодки и упраления ее рулями глубины, а для продувки систем главного балласта, да и то только на включение баллонов, содержащих сжатый воздух высокого давления. Эти баллоны, вероятно, можно было включить и вручную, открыв соответствующие вентили. Вот тут как раз комиссия и выявила серьезный недостаток в конструкции балластной системы, который не позволял осуществить быструю продувку цистерн главного балласта, чтобы предотвратить нарастающее сваливание лодки в глубину. По-видимому, набрав скорость при падении, она по инерции проскочила уровень нейтральной плавучести в центре УВВ еще на десятки или даже сотни метров, где внешнее давление было уже запредельным. Падая кормой вперед, лодка разрушилась; ее обломки потом обнаружили разбросанными в радиусе 300 м. При ударе о дно она развалилась на части.

Военно-морской историк Норман Фридман (Norman Friedman), исходя из недавно рассекреченного отчета комиссии, считает, что именно недостаточная подготовка экипажа усугубила проблему, так как экипаж не смог отреагировать достаточно быстро, чтобы спасти подлодку⁶. Однако винить экипаж в том, что плохо работала балластная система, по-видимому, нельзя. В тех условиях, когда счет времени шел на секунды, экипаж, надо думать, предпринял все от него зависящее, но трагедию предотвратить было не в его силах. Балластная система была слишком инерционна. Это же, по существу, подтверждает и Кайл Мизоками (Kyle Mizokami): Множество недавно рассекреченных файлов о трагическом затоплении атомной подводной лодки США «Трешер» в 1963 г. подтверждают, что ВМС США не скрывали загадочную аварию и, по сути, не было ни одного события или ошибки, которые заставили бы подлодку затонуть⁷.

Вышеупомянутый американский океанолог Айселин в свое время предположил, что АПЛ «Трешер» могла быть потеряна из-за огромного подводного водоворота и внутренней волны [15]. По его гипотезе, сильный шторм, который прошел через залив Мэн 8 апреля, мог создать подводный водоворот и гигантские 100-метровые внутренние волны, и если лодка оказалась именно в том месте, где находился водоворот, то ее могло сначала затянуть в глубину течением, а затем утащить еще дальше пришедшей в данный район внутренней волной. Это значительно ускорило погружение лодки, унеся ее почти до глубины разрушения, прежде чем экипаж успел отреагировать. Хотя исходный посыл гипотезы Айселина, основанный на генерации гигантских внутренних волн штормом, выглядит вполне правдоподобно, ее дальнейшее развитие представляется уж слишком фантастическим. Во-первых, о такого рода подводных водоворотах до сих пор нет сведений, а во-вторых, Айселин не представил корреляцию развития трагических событий с донесениями командира АПЛ. Вместе с тем, он справедливо предполагает, что если лодка испытала отказ в работе балластной системы, то у нее не было времени на восстановление, до того как она разрушилась.

Май 1968 г. Гибель АПЛ «Скорпион» (USS Scorpion, SSN-589). АПЛ «Скорпион» была одной из ударных атомных подводных лодок ВМС США, имея в своем активе почти 8 лет службы (рис. 12).

В мае 1968 г. она, под командованием Френсиса Слеттери (Francis A. Slattery; 1931–1968), возвращалась с боевого дежурства в Средиземном море на базу в Норфолк (США). 21 мая с нее поступило радиосообщение, что на борту все в порядке, лодка находится в 80 км к югу от Азорских островов и возвращается на базу. Но через запланированные пять дней лодка на базу не пришла. Была объявлена тревога по флоту, лодку искали всеми имеющимися средствами; это была беспрецедентная по размаху поисково-спасательная операция. Спустя более пяти месяцев останки АПЛ «Скорпион» были обнаружены на глубине 3047 м в Атлантике с помощью глубоководного аппарата «Триест-2» (рис. 13). Все 99 членов экипажа, находившихся на борту АПЛ, погибли.

Авторитетная комиссия по расследованию причин трагедии констатировала, что лодка превысила предельную глубину погружения и затонула по неизвестной причине⁸. Были выдвинуты многочисленные версии, среди которых и предположения о столкновении с советской субмариной или же атака советской подлодки. В конце концов комиссия пришла к неожиданному выводу, что наиболее вероятная причина гибели АПЛ «Скорпион» — поражение собственной торпедой⁹. Согласно этой версии, одна из находившихся на борту торпед пришла в аварийное состояние. Командир приказал выстрелить ее за борт, но самонаводящаяся торпеда, не найдя цели, развернулась и навелась на собственную АПЛ. Однако один из участников расследования, Росс Саксон (Ross Saxon), осматривавший затонувшую лодку с борта «Триеста-2», заявил, что на корпусе не видно было никаких следов от повреждения торпедой¹⁰.

Загадочным фактом до сих пор остается выявленное при расследовании чередование серии из 17 подводных хлопков, следующих после некоторой задержки за первым хлопком. Эти хлопки были зарегистрированны гидроакустической системой США в районе гибели лодки. По логике, источник хлопков, если он был связан с крушением АПЛ, должен был бы приближаться к побережью США, а на деле он удалялся. Согласно исследованию известного американского специалиста по обнаружению потерянных в океане объектов Джона Крэйвена (John P. Craven), создавалось впечатление, что лодка развернулась на 180 градусов и удалялась от базы¹¹. Объяснение этого факта связывалось с предположением, что АПЛ пыталась увернуться от преследовавшей ее торпеды и поэтому развернулась в противоположную сторону. Но тут одно малообоснованное предположение о вышедшей из строя торпеде накладывается на другое, связанное с неожиданным маневром АПЛ. Поэтому многим специалистам вся эта гипотеза представляется слишком маловероятной. Командование ВМС США призналось, что гибель АПЛ «Скорпион» стала настоящей загадкой, разгадать которую в полной мере следственная комиссия так и не смогла.

Но допустим, что АПЛ «Скорпион» догнала попутно двигавшуюся УВВ большой амплитуды, скорость которой могла достигать 2.5–3.0 м/с. Столь крупные УВВ неоднократно регистрировались в центральной Атлантике, в том числе вблизи трассы, по которой двигалась АПЛ «Скорпион» (см. рис. 8). Максимальная скорость лодки составляла 30 узлов (примерно 15 м/с), но она могла идти и с гораздо меньшей скоростью, учитывая ее возраст и недавно выполненный наспех ремонт¹². По техническим характеристикам, рабочая глубина погружения лодки была 210 м, а предельная — 300 м, но сомнительно, чтобы лодка шла на рабочей глубине, ибо до ремонта она находилась в столь плачевном состоянии, что ее балластная система не позволяла погружаться более чем на 90 м. Возможно, что после ремонта лодка могла достичь и больших глубин, но вряд ли бы выдержала погружение на глубины, запланированные при ее постройке. Более вероятно, что лодка шла на глубине залегания сезонного пикноклина (~90–100 м).

При указанной разности скоростей, догнав УВВ и войдя в область пониженной плотности, АПЛ начала терять плавучесть, как бы скатываясь с крутой горки носом вниз (рис. 14). При этом работавший двигатель еще и подталкивал лодку сзади. На крутом склоне УВВ субмарину могло даже перевернуть или развернуть на 180 градусов от намеченного курса. Команде некогда было выравнивать курс после такого кульбита; необходимо было срочно принимать меры по аварийному всплытию, когда дорога каждая секунда, поэтому лодка продолжила движение в обратную от намеченного курса сторону. По имеющимся сведениям, балластная система на лодке тоже была устаревшей, времени на всплытие не хватило. Один из отсеков (вероятно, носовой) треснул, забортная вода под большим давлением хлынула в этот отсек. По-видимому, этот первый хлопок и был обнаружен потом на записях гидрофонов. Хотя лодка уже была обречена, она продолжала двигаться в противоположном курсу направлении, борясь за жизнь. Первый отсек заполнился водой и потянул лодку дальше вниз. Затем стали с треском разрушаться одна за другой переборки между отсеками, что и привело к серии последующих хлопков, зарегистрированных гидрофонами. Разумеется, это лишь авторская реконструкция причин гибели АПЛ «Скорпион», но она не более фантастична, чем все другие версии, а в чемто даже более реалистична.

Апрель 2021 г. Гибель ПЛ «Нангала» (KRI Nanggala 402). Дизельная ПЛ ВМС Индонезии «Нангала» была построена в Германии в 1978 г. (рис. 15). Лодка, возглавляемая подполковником Хери Октавианом (Heri Oktavian; 1979–2021), находилась на учениях в море Бали; на ее борту было 53 человека.

Утром 21 апреля 2021 г. наземные службы ВМС Индонезии потеряли связь с лодкой вскоре после того, как ей было дано разрешение на глубоководное погружение для проведения учений по торпедной стрельбе. Вскоре с одного из вертолетов, а затем и с поисковых кораблей поступило сообщение о нефтяном пятне в предполагаемом районе нахождения ПЛ. Корабли разных стран присоединились к интенсивным поискам пропавшей ПЛ, и через несколько дней ее останки были обнаружены в море Бали на глубине 838 м (рис. 16). Лодка распалась как минимум на три части — корпус, основную часть и корму. Камера с дистанционным управлением зафиксировала место последнего упокоения субмарины на морском дне в 96 км к северу от острова Бали.

К юго-востоку от места гибели ПЛ «Нангала» находится пролив шириной около 40 км между островами Бали и Ломбок (рис. 17). В этом месте регулярно наблюдаются интенсивные течения и внутренние волны, которые заметно усиливаются через каждые две недели. По словам сотрудницы австралийской исследовательской организации CSIRO Бернадетт Слоян (Bernadette Sloyan), индонезийские моря — очень небольшая часть океана, но на них приходится около 10% приливной энергии Мирового океана [16].

Представители ВМС Индонезии считают наиболее вероятной причиной гибели лодки УВВ большой амплитуды. Это первый случай, когда виновниками катастрофы, случившейся с субмариной, официально признаны внутренние волны. Справедливости ради отметим, что назывались и другие возможные причины гибели ПЛ (пожар на борту, техническая неисправность, ошибки экипажа), но все же они считаются менее вероятными.

Катастрофа с индонезийской субмариной могла развиваться по тому же сценарию, что и в случае гибели АПЛ «Скорпион» (см. рис. 14). Если лодка шла на большой глубине, как это предполагалось по условиям учений, и встретилась с УВВ большой амплитуды, то она могла так же, как АПЛ «Скорпион», «клюнуть носом» и провалиться на 100 м, испытывая дополнительную нагрузку около 7 т. Работавшие двигатели только усиливали эффект заглубления, подталкивая лодку в глубину, а промедление с управлением вертикальными рулями и инертная балластная система не позволили экипажу справиться с возникшей проблемой.

* * *

Служба на подводной лодке даже в мирное время до сих пор считается одним из наиболее рискованных занятий. Несмотря на принимаемые меры, субмарины подвергаются опасностям, связанным с недостаточно хорошо изученными волновыми процессами, происходящими в океане. Здесь их могут подстерегать интенсивные течения, вихри и крупномасштабные внутренние волны, среди которых встречаются и так называемые волны-убийцы, внезапно возникающие в определенных местах и так же внезапно исчезающие [17]. Этот тип волн на поверхности океана, погубивший и изрядно потрепавший множество надводных кораблей, сейчас хорошо известен океанологам, хотя теория поверхностных волн-убийц еще далека от завершения. Одной из наиболее актуальных остается задача предсказания появления таких волн и их параметров; над ее решением работают многие ученые в разных странах мира. Гораздо меньше известно о внутренних волнах-убийцах.

К сожалению, в последние годы заметно снизилась активность экспедиционных работ по изучению океанских волн и вихрей во всех странах. В 1970–1980-е годы такая работа интенсивно велась в СССР, США и многих других странах, что принесло много неожиданных открытий и обогатило науку об океане.

Для снижения риска подводного судоходства необходимо продолжать кооперативные исследования в разных странах, проводить районирования океана с целью выявления областей особенно интенсивного внутреннего волнения, определять типичные параметры внутренних волн в этих областях, собирать статистические данные (одна из первых попыток определения статистических характеристик УВВ была выполнена в работе [11]). Необходима также разработка средств обнаружения опасных УВВ с подводных лодок или с самолетов и спутников. Внутренние волны представляют серьезную опасность для подводного судоходства, а океан не прощает ошибок и пренебрежения.

Работа выполнена в рамках государственного задания в сфере научной деятельности (тема №FSWE-2020-0007) и при поддержке гранта Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ РФ НШ-2485.2020.5.

Литература:

1. Russell J.S. Report on Waves. Report of the fourteenth meeting of the British Association for the Advancement of Science (York, September 1844). London, 1845: 311–390.

2. Vasseur R., Mercier M., Dauxois T. Dead Waters: Large amplitude interfacial waves generated by a boat in a stratified fluid. 2008 (arxiv.org/abs/0810.1702).

3. Woodson C.B. The fate and impact of internal waves in nearshore ecosystems. Annual Review of Marine Science. 2018; 10: 421–441. DOI:10.1146/annurev-marine-121916-063619.

4. Alpers W., Huang W., Xilin G. Observations of atmospheric gravity waves over the Chinese seas by spaceborne synthetic aperture radar. European Space Agency (Special Publication). 2008.

5. Ostrovsky L.A., Stepanyants Yu.A. Do internal solitons exist in the ocean? Reviews of Geophysics. 1989; 27(3): 293–310. DOI:10.1029/RG027i003p00293.

6. Ostrovsky L.A., Stepanyants Y.A. Internal solitons in laboratory experiments: Comparison with theoretical models. Chaos. 2005; 15: 037111. DOI:10.1063/1.2107087.

7. Helfrich K.R., Melville W.K. Long nonlinear internal waves. Annual Review of Fluid Mechanics. 2006; 38: 395–425. DOI:10.1146/annurev.fluid.38.050304.092129.

8. Apel J.R., Ostrovsky L.A., Stepanyants Y.A., Lynch J.F. Internal solitons in the ocean and their effect on underwater sound. Journal of the Acoustical Society of America. 2007; 121: 695–722. DOI:10.1121/1.2395914.

9. Shanmugam G. Modern internal waves and internal tides along oceanic pycnoclines: Challenges and implications for ancient deep-marine baroclinic sands. AAPG Bulletin. 2013; 97(5): 799–843. DOI:10.1306/10171212101.

10. Ostrovsky L.A., Pelinovsky E.N., Shrira V.I., StepanyantsY.A. Beyond the KDV: Post-explosion development. Chaos. 2015; 25: 097620. DOI:10.1063/1.4927448.

11. Наговицын А.П., Пелиновский Е.Н., Степанянц Ю.А. Наблюдение и анализ уединенных внутренних волн в прибрежной зоне Охотского моря. Морской гидрофизический журнал. 1990; 1: 54–58.

12. Степанянц Ю.А. К теории внутренних боров в неглубоких водоемах. Морской гидрофизический журнал. 1990; 2: 19–23.

13. Серебряный А.Н. Эффекты нелинейности во внутренних волнах на шельфе. Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1990; 26(3): 285–293.

14. Polmar N. The Death of the USS Thresher: The Story Behind History’s Deadliest Submarine Disaster. Philadelphia & New York, 1964.

15. Iselin C. O’D. The loss of the Thresher. Oceanus. 1963; 10(1): 4–6.

16. Richet O., Sloyan B., Pena-Molino B., Nikurashin M. Impact of the barotropic tides on the seasonal Indonesian Throughflow.EGU General Assembly 2021, online, 19–30 April 2021. EGU21-9307. DOI:10.5194/egusphere-egu21-9307.

17. Kharif C., Pelinovsky E., Slunyaev A. Rogue Waves in the Ocean. Berlin; Heidelberg, 2009.

---

¹ Barker A. Indonesia’s sunken submarine may have been hit by a powerful force known as an internal wave (www.abc.net.au).

² Я наблюдал за движением баржи, которую быстро тянула по узкому каналу пара лошадей, когда баржа внезапно остановилась. Но масса воды, которую она привела в движение, собралась около ее носа в состоянии сильного волнения, а затем, неожиданно оставив его позади, покатилась вперед с огромной скоростью, приняв форму большого одиночного возвышения — округлого, гладкого и четко выраженного водяного холма. Он продолжал свой путь вдоль канала, нисколько не меняя своей формы и не снижая скорости. Я последовал за ним верхом, и когда нагнал его, он по-прежнему катился вперед со скоростью примерно восемь или девять миль в час, сохранив свою первоначальную форму длиной около тридцати футов и высотой от фута до полутора футов. Его высота постепенно уменьшалась, и после одной или двух миль погони я потерял его в изгибах канала [1].

³ Более подробно о природе внутренних волн в популярном изложении см.: Ямпольский А. Внутренние волны в океане, или Нет покоя в толще вод. Квант. 1999. №3. С. 3–5.

⁴ Jackson C.R. An Atlas of internal solitary-like waves and their properties. 2004 (www.internalwaveatlas.com/Atlas2_index.html); см. также: IGW Atlas (lmnad.nntu.ru/ru/igwatlas/).

⁵ Капитан-лейтенант Джон Уэсли Харви, выпускник Военно-морской академии США, прошел дополнительный курс обучения по управлению атомным реактором. Служил на «Наутилусе», первой в мире атомной подводной лодке. Участник двуx арктическиx экспедиций подводного флота на Северный полюс. Назначен командиром «Трешера» в январе 1963 г.

⁶ The loss of the USS Thresher: What we now know — Second Saturday Webinar. March 16, 2021 (www.navyhistory.org).

⁷ Mizokami K. Why did the USS Thresher sink? New declassified documents reveal the truth. Popular Mechanics. 17 March 2021 (www.popularmechanics.com).

⁸ Loss of Scorpion baffles inquiry. The New York Times. 1 February 1969.

⁹ Navy indicates cause of 1968 sub sinking. The New York Times. 17 December 1984.

¹⁰ См., например, документальный фильм «Submarines, secrets, and spies» (WGBH/Boston, 1998; www.pbs.org/wgbh/nova/ transcripts/2602subsecrets.html), а также: Strange devices that found the sunken sub Scorpion. Popular Science. April 1969. P. 66–71.

¹¹ Craven J.P. The Silent War: The Cold War Battle Beneath the Sea. New York, 2002. P. 210.

¹² Полный перечень технических неполадок на АПЛ «Скорпион», упоминаемых ВМС США, можно найти в книге: Johnson S. Silent Steel: The Mysterious Death of the Nuclear Attack Sub USS Scorpion. Hoboken, New Jersey, 2006.