Undervandsbåde er selvkørende undervandsfartøjer, der er konstrueret og bygget til at udføre undervandsoperationer i et bestemt tidsrum. Ubådsdesignet består af et enkelt- eller dobbeltskrogssystem, der rummer alle de nødvendige systemer og mandskab, der kræves for at fuldføre deres mission.

Dette er dog en meget enkel beskrivelse af et meget komplekst teknisk produkt, som anvendes til en lang række formål såsom undervandsforskning, undervandsredning og ubådskrigsførelse; sidstnævnte er den mest udbredte.

I denne artikelserie vil vi studere designet af flådeubådefartøjer. I de første par artikler i denne serie vil vi ikke gå ind i designprocessen, men snarere gøre os bekendt med en ubåds design og funktionaliteter, dens dele, generelle indretning, strukturelle design og indretning, en ubåds stabilitet, de systemer, der anvendes i en ubåd osv.

Når vi har set nærmere på disse, vil det være nemt for os at berøre ubådsdesignprocessen. Selv om den designproces, som alle flåder følger, er fortrolig og forskellig fra hinanden, er grundprincipperne stadig de samme.

De primære mål for ubådsdesign er:

• Undervandsbåden skal imødekomme kundens funktionelle formål.
• Designet skal kunne konstrueres med de tilgængelige ressourcer.
• Projektets omkostninger skal være acceptable for kunden.

Dele af en ubåd

Udvendigt skrog og trykskrog:

De fleste konstruktioner af ubåde har to skrog. Det skrog, der rummer alle opholdsrum, våben, våbenkontrolsystemer, kommunikations- og kontrolrum, batteribanker, hoved- og hjælpemaskineri, er trykskroget. Det kaldes trykskroget, fordi det er konstrueret til at modstå det hydrostatiske tryk på ubådens maksimale operable dybde.

Trykskroget er indkapslet inde i det ydre skrog, som ikke er tryktæt. Hvorfor? Fordi mellemrummene mellem det ydre og det indre skrog i nedsænket tilstand altid forbliver oversvømmet med havvand. Derfor er det hydrostatiske tryk på det ydre skrog ubetydeligt.

Hovedballasttanke (MBT’er):

Nu er de “oversvømmelige” rum opdelt i tanke, som i ubådsterminologi kaldes hovedballasttanke. Fordelingen af hovedballasttanke i en ubåd afhænger af formen og samspillet mellem det ydre skrog og trykskroget.

Vi vil forstå MBT’ernes funktion, når vi har behandlet processen med at nedsænke en ubåd og ubådsstabiliteten. Nogle konstruktioner har kun MBT’er i de forreste og agterste områder, og resten af trykskroget er skyllet sammen med det ydre skrog.

Andre konstruktioner har helt forskellige ydre og trykskrog med plads til ballast mellem dem. Nogle anordninger af MBT’er er vist i nedenstående figurer.

Sejl eller brofinne:

Sejlet er den strømlinede, formede, ikke trykbestandige del af ubåden over det ydre skrog. Det er forskellige typer af master, der udfoldes indefra ubåden, når den snorker eller sejler lige under den frie overflade.

De forskellige master, der anvendes i en ubåd, er periskopmast, kommunikationsmast, radarmast, våbensensormast osv. Disse hæves fra brofinnen, når ubåden kræver overvågning af overfladen i stealth-mode. Figur 7 viser sejlet i en ubåd, når masterne ikke er udfoldet.

Profilen af brofinnen i en ubådsdesign er altid en flyvepladeform, da den fungerer som en flyveplade, idet ubåden sejler med kun finnen over vand. Denne form reducerer ubådens luftmodstand. Det er meget vigtigt at holde modstanden inden for grænserne, da det forhindrer hvirvler og dermed minimerer ubådens akustiske signatur.

Kontrolflader:

Når ubåden er i nedsænket tilstand, foretages ændringer i retning og dybde ved hjælp af hydroplanes, der fungerer som kontrolflader. For at forstå anvendelsen af hydroplanes skal vi først kende arten af de bevægelser, som en ubåd oplever i nedsænket tilstand.

I modsætning til et overfladeskib er ubåde udsat for mindre krængning og pitchbevægelser på grund af fraværet af bølgeeffekter fra overfladen. Et par hydroplanes eller finner foran og agter anvendes til at kontrollere krængning og pitch uafhængigt af hinanden. Hydroplanerne eller finnerne er vist i figur 8.

To hydroplanere monteret agter i det lodrette plan anvendes til at ændre ubådens laterale retning, når den er i bevægelse. Disse kaldes grundlæggende for ror. Bemærk, at i modsætning til skibe er rorene på en ubåd placeret foran propellen.

Hvorfor? Fordi roret i et skib har brug for propellerens udstrømning for at opnå maksimal løfteeffektivitet. Men i en ubåd, hvor hele skroget er nedsænket, er der en uforstyrret strømning på rorets overflade.

Hvis ubådsroret var placeret bag propellen, ville strømningen på roret være mere turbulent, hvilket ville øge sandsynligheden for kavitation.

En vigtig ting at bemærke er, at vandflyvemaskiner kun fungerer optimalt effektivt ved høje hastigheder.

En ubåds generelle indretning

Hvor vi går videre til at kende de forskellige systemers virkemåde og funktioner på en ubåd, er det vigtigt at kende den rumlige fordeling af de vigtigste rum og systemer langs skrogets længde og bredde. Dette vil bedst kunne forstås, når der henvises til figur 9.

Det trykbærende skrog og det ydre skrog kan tydeligt skelnes i ovenstående figur af ubådsdesignet. Den forreste del af trykskroget rummer våbensystemerne og sensorerne. Sensorerne er normalt placeret i det oversvømmede rum mellem den forreste del af trykskroget og det ydre skrog.

Sensorerne er altid placeret i den forreste del for at reducere støj fra turbulent strømning i den agterste del og for at hindre maskineriet i tilfælde af placering bagtil. Våbensystemet omfatter torpedorørene, som huser torpedoerne, torpedoaffyringssystemet og torpedobestyringstankene.

Den forreste del af trykskroget bruges til at opbevare våbnene. De lastes i torpedorørene, som er placeret delvist inde i trykskroget og strækker sig op til den forreste periferi af det ydre skrog.

Den midtskibs del af trykskroget anvendes til følgende formål:

• Skibs- og våbenkontrolsystemer: Alle systemer på ubåden fjernstyres fra skibs- og våbenkontrolcentret. Dette rum rummer alle navigationsstyringssystemer, våbens affyringssystemer, maskinkontrol- og overvågningspaneler, dyk- og opdykningssystem, styringskontrolsystem osv. Al kommunikation mellem ubådsbesætningen og flådebasen eller enhver ekstern datakilde foregår fra dette rum. Ubåde er i dag automatiseret i en sådan grad, at alle operationer på en ubåd under normale patrulje- og krigsmissioner kan udføres fra dette rum, uden at besætningen behøver at være til stede nogen steder uden for kontrolrummet.

• Indkvartering og livshjælp: Indkvarteringsmodulerne, toiletmodulerne, kabyssen, køle- og kølerummene er placeret i midtskibsrummet i trykskroget. En sådan placering er ikke kun funktionelt fordelagtig, men giver også nem adgang til ubådens forreste og agterste dele. Da denne placering også er under sejlet, gør den det mest muligt for besætningen at flygte i nødstilfælde.

• Batteribank: Energikilden på en dieselubåd er brintceller. Disse oplades af dieselgeneratorer. Batterier bestående af brintcellenheder er stablet i rækker og anbragt i et rum kaldet batteribanken. Normalt har en ubåd en batteribank i mere end ét vandtæt rum af hensyn til redundans. Hver batteribank har en kapacitet, der er tilstrækkelig stor til at understøtte alle ubådens operationer i hele dens udholdenhedsperiode. Ventilation og fjernelse af brint fra batterirummet har højeste prioritet, da enhver tilstedeværelse af brint i rummet kan føre til eksplosioner.

• Maskineri og hjælpemaskineri: Hoved- og hjælpemaskineriet bidrager til ca. en tredjedel af ubådens vægt. Hovedmaskineriet består af de vigtigste dieselgeneratorer, der bruges til at oplade batterierne og de tilhørende systemer, klimaanlægget, hovedhøjtryksluftsystemet osv. Hjælpmaskinrummet er adskilt fra hovedmaskinrummet ved et vandtæt skott. Hjælpe- eller økonomisk elmotor, hjælpevekselstrømsanlæg, hjælpehøjtryksluftsystem osv. er anbragt i hjælpemaskinrummet. Dieselgeneratorerne bruges til at oplade batterierne, som igen forsyner hoved- og hjælpemotorer til elektrisk fremdrift.

• Fremdriftsrum: Dette rum, der er placeret agter i trykskroget, rummer den elektriske hovedfremdrivningsmotor, hovedfremdrivningsakslen og de tilhørende systemer, haleakslen og de forreste og bageste indføringer, der anvendes til at opnå vandtæthed ved trykskrogets og yderskrogets åbninger. I konstruktionen af dieselelektriske ubåde er reduktionsgearet også placeret i fremdriftsrummet.

Kropsform af en ubåds konstruktion:

De mest oprindelige ubåde anvendte en skrogform, der var meget forskellig fra dem, der anvendes i moderne ubåde. Udviklingen af skrogformen og årsagerne bag den er derfor et interessant aspekt af ubådsdesign. Den mest ideelle form for et ubådsskrog med henblik på minimal modstand er den ideelle strømlinede form med en parabolisk stævn og en elliptisk hæk, som vist i figur 10.

De første ubåde i 1940’erne anvendte denne form for at opnå et minimalt effektbehov og en ubetydelig strømningsadskillelse omkring skroget. Men det blev observeret, at på grund af den strømlinede form var det anvendelige volumen i skroget utilstrækkeligt, da skrogets radius faldt stejlt fra lige bag og foran midtskibsregionen. Dette holdt ikke blot produktionsomkostningerne høje, men svækkede også muligheden for at inkorporere flere dækniveauer.

Den skrogform, der anvendes i moderne ubåde (siden slutningen af 1970’erne), er den lange cylindriske midtskrogform med elliptisk stævn og agterstavn.

Og selv om et skift fra den ideelle strømlinede form øger luftmodstanden og det deraf følgende energibehov, opvejes de ekstra brændstofomkostninger i ubådens levetid af de lave produktionsomkostninger, da cylindriske sektioner er meget billigere og nemmere at konstruere. Denne form gør det også muligt at inkorporere flere dæk i det samme skrogvolumen og sikrer dermed en mere rummelig anvendelse.

Det er vigtigt at vide, at formen og geometrien af et ubådsskrog er et vigtigt udgangspunkt for designet, da det ikke kun vil diktere ovennævnte punkt, men også påvirke en række andre faktorer ved ubåden, som det diskuteres nedenfor.

En cylindrisk skrogform øger ubådens manøvredygtighed på grund af større hydrodynamiske kræfter, der genereres af hydroplanetvirkning. Det er også blevet observeret, at den mindste samlede modstand på skroget og de bedste manøvredygtighedsegenskaber opnås for et længde/bredde-forhold på mellem 6 og 8.

Undervandsbådens diameter bestemmes primært på grundlag af længden. Og længden fastsættes på grundlag af det nødvendige trykskrogvolumen og ubådens deplacement. Flere dæk øger udnyttelsen af trykskrogets volumen, og antallet af mulige dækniveauer i en ubåd bestemmes primært af dens diameter.

En ubåd med ét dæk vil have to niveauer i sit trykskrog. Ubåde med en skrogdiameter på mellem 4 og 7 meter er begrænset til ét dæk. Det vil tillade to tilgængelige niveauer – under dækniveau og over dækniveau, som vist i nedenstående figur.

Dobbeltdæk med tre tilgængelige niveauer er mulige i ubåde med en skrogdiameter på mellem 7 og 8 meter. Større dieselelektriske ubåde er normalt af denne dimension.

Triple dæk og dour dækskonstruktioner anvendes til skrogdiametre fra 9 til 11 meter og 11 til 13 meter. Sådanne store diametre anvendes hovedsagelig i atomdrevne ubåde, hvor der kræves stor lodret plads til atomkraftværket.

Med de aspekter af ubådsdesign, der er behandlet i denne artikel, er det springende punkt, der skal uddrages, at når man har kendskab til ubådens dele og funktioner og dens systemer, ligger kunsten og færdigheden hos en god designer i at forsøge at opnå maksimal volumetrisk effektivitet for et design.

Der er nogle rum i ubåden, som kan være meget volumenspecifikke (f.eks. hovedballasttanke), mens andre kun kan have nogle få specifikke dimensioner (f.eks. batteribank). Der vil også være tilfælde, hvor der er specifikke volumetriske krav, men ikke formspecifikke (f.eks. torpedobestyringstanke og hovedballasttanke). Afhængigt af sådanne krav vil en god designer prioritere designfaserne og de parametre, der fastsættes i hver fase.

Et af de mest afgørende aspekter ved ubådsdesign er dets stabilitet. Selv om det kan virke simpelt sammenlignet med skibe, er forståelsen af ubådsstabilitet mere kompleks end for et skib, da det vil operere under både overflade- og undervandsforhold.

Og en ubåds stabilitetsparametre ændrer sig drastisk i det øjeblik, en ubåd dykker i vandet eller kommer op til overfladen igen, hvilket giver anledning til et punkt, hvor ubåden befinder sig på et vendepunkt, hvor den er på vej til at flyde. Hvordan og hvorfor er det, som vi vil diskutere i den næste artikel.

Disclaimer: Forfatternes synspunkter, der kommer til udtryk i denne artikel, afspejler ikke nødvendigvis Marine Insights synspunkter. Data og diagrammer, hvis de anvendes i artiklen, er hentet fra tilgængelige oplysninger og er ikke bekræftet af nogen lovbestemt myndighed. Forfatteren og Marine Insight hævder ikke, at de er nøjagtige, og påtager sig ikke noget ansvar for dem. Synspunkterne udgør kun meninger og udgør ikke retningslinjer eller anbefalinger om nogen form for handling, som læseren skal følge.

Artiklen eller billederne må ikke reproduceres, kopieres, deles eller bruges i nogen form uden tilladelse fra forfatteren og Marine Insight.

Tags: ubådsdesign