Д. И. Менделеев в начале прошлого века очень много внимания уделил проблемам исследования Арктики и планам организации высокоширотных экспедиций. Вдохновленный успешными плаваниями ледокола «Ермак», Менделеев предполагал также использовать подводную лодку. Он писал: «Между множеством дел России не следует забывать мирную победу надо льдами и, по моему мнению, можно суверенностью достигнуть Северного полюса и проникнуть дней в десять от мурманских берегов в Берингов пролив. Я до того убежден в успехе попытки, что готов был бы приняться за дело, хотя мне уже 70 лет, и желал бы еще дожить до выполнения этой задачи, представляющей интерес, захватывающей сразу и науку, и технику, и промышленность, и торговлю». По замыслу Менделеева, подводная лодка для арктической экспедиции должна была иметь в длину 50 метров, в ширину 10 и объем 2100 кубических метров. Для того времени это были колоссальные размеры (военные лодки тогда едва достигали в длину 20 метров и имели водоизмещение порядка 100-150 тонн). Понимая непригодность существовавших двигателей для длительного подледного плавания, Дмитрий Иванович предложил пневматический двигатель. Резервуары для его питания должны были содержать свыше 8 кубических метров воздуха под давлением 900 атмосфер. Общая длина внутренних воздухопроводов должна была составить около 26 километров. Царское правительство отказало Д. И. Менделееву в необходимых средствах.
Выше рассказывалось о первых подледных и высокоширотных плаваниях русских и советских подводных лодок. Можно добавить, что перед Великой Отечественной войной профессор В. Ю. Визе разработал проект использования подводных лодок в зимнее время для перевозки грузов между Мурманском и дальневосточными портами. В 1965 году с аналогичным проектом выступил профессор Г. И. Покровский.
В 1941-1945 годах советские подводные лодки, выполняя боевые задания, более сотни раз погружались под лед. Попытки проникнуть под лед американцы начали осуществлять по окончании Второй мировой войны, опираясь в какой-то мере на опыт плаваний германских подводных лодок у кромки льда, а также в редких случаях и во льдах Гренландского и Баренцева морей. В 1946-1947 годах у кромки льдов в Южном Ледовитом океане плавала американская дизель-электрическая подлодка «Сеннет». Первое в американском флоте успешное погружение под лед совершила в Чукотском море 1 августа 1947 года подлодка «Бофиш». Она прошла подо льдом 3 мили. После этого участник похода В. Лайон создал эхоледомер – прибор, дающий возможность определять расстояние от лодки до нижней поверхности льда и толщу льда и фиксировать на самописце профиль нижней поверхности ледяных полей. Через год образцы этого оборудования были установлены на подводной лодке «Карп». Опытные плавания дизель-электрических лодок подо льдом совершали и английские подводники.
Эти подледные плавания позволили сделать вывод, что дизельные подводные лодки могут продвигаться подо льдом, выбирать открытые пространства и всплывать для зарядки аккумуляторных батарей. Однако практическая энергоемкость позволяет им обходиться без всплытий ограниченное время (не более 30 часов при скорости движения до 3 узлов).
С появлением атомного двигателя возможности подводных лодок по срокам нахождения под водой и по скоростям плавания резко улучшились. Спущенная на воду в январе 1955 года американская атомная подводная лодка «Наутилус» уже в 1957 году совершила 3 похода подо льдами Северной Атлантики и Северного Ледовитого океана. Во время плавания в августе года эта подлодка прошла под Северным полюсом и за 96 часов покрыла расстояние 1830 миль.
К 1960 году атомными подлодками были отработаны задачи длительных подледных плаваний (около 40 суток), всплытий из-подо льда в любое время года, подледных плаваний на мелководье и т. п. После четырех подледных плаваний на атомных лодках В. Лайон писал: «К настоящему времени мы можем оперировать в арктической среде в любых условиях: в мелких водах, среди айсбергов, вокруг островов по каналам, в условиях полной ночи и в течение 24 часов дневного света летом».
Наблюдения, выполненные во время подледных плаваний подводных лодок, представляют значительный научный интерес. Так, по данным В. Лайона, летом ледяной покров представляет собой скопление дрейфующих обломков тающих льдин всевозможной величины, формы и толщины, больших плоских ледяных образований (полей) толщиной 1,6-3,6 метра и льдин со старыми грядами торосов толщиной 9 метров и более, возникших в результате разлома и нагромождения плоских полей. В это время наблюдаются отдельные участки чистой воды (около 5 процентов) различной формы. Некоторые из них могут быть пригодны для всплытия лодок.
Зимой старый лед скрепляется с новым в сплошной ледяной покров. В нем под влиянием ветра возникают зоны сжатия и разрежения, показателем которых являются свежие торосы и разводья, покрытые молодым льдом. Отмечалось, что при температуре воздуха около минус 40 градусов толщина ледяного покрова в разводьях за несколько часов достигала 2,5 сантиметра, за неделю – 30, а за месяц, – 90 сантиметров. Участки льда с толщиной менее 90 сантиметров при наблюдении в перископ напоминают толстые зеленые просвечивающие линзы. Эти участки подводники называют ледяными просветами.
Считается, что при плавании подо льдом глубина погружения лодки должна быть не менее 50 метров, так как ледовые образования порой достигают такой глубины. В мелководных районах морей и проливах, даже при наличии айсбергов, подледное плавание возможно, если глубины позволяют пройти ниже максимальной осадки ледяного покрова.
По данным американских исследователей В. И. Уитмена и Д. Д. Шуле, проводивших первичный анализ обширного материала наблюдений с подводных лодок и самолетов, средняя площадь в Арктическом бассейне, занятая торосами, составляет 13 процентов летом и 18 – зимой, причем отдельные зоны протяженностью в несколько сотен миль более чем на 50 процентов представляли торосистые льды. Осадка тяжелого всторошенного льда часто достигает 18-25 метров летом и более 20-30 метров зимой.
Данные наблюдений с подводных лодок в зимнее и летнее время на маршрутах протяженностью около 40 тысяч миль показали, что вероятная максимальная осадка торосистой льдины составляет 46 метров. Во время всплытий подводных лодок более чем 100 раз отмечалась высота торосов около 6 метров. Около 2 процентов ледового покрова летом и примерно 8 процентов зимой имеют осадку более 30 метров. Средняя толщина составляет около 3 метров.
По данным, полученным с подводных лодок «Сарго» и «Си Дрэгон», с января по мартр ледовый покров занимает 98 процентов всей площади Арктического бассейна, но в то же время встречаются значительные участки с небольшой сплоченностью льда. В летнее время чистая вода составляет 15 процентов площади бассейна.
Автоматическая регистрация рельефа дна на эхограмме производилась во время всех подледных плаваний атомных подводных лодок как на отдельных участках, так и на всем маршруте. Эффективность таких измерений подчеркивается сравнением данных о том, что с 1937 по 1959 год советскими дрейфующими станциями было выполнено 20000 измерений глубины, и сведений, что только подводная лодка «Наутилус» в 1958 году произвела 11000 измерений эхолотом.
