U-Boote sind selbstfahrende Unterwasserfahrzeuge, die so konstruiert und gebaut werden, dass sie eine bestimmte Zeit lang unter Wasser operieren können. Die Konstruktion von U-Booten besteht aus einem Ein- oder Doppelhüllensystem, in dem alle für die Erfüllung ihrer Aufgabe erforderlichen Systeme und Arbeitskräfte untergebracht sind.

Dies ist jedoch eine sehr einfache Beschreibung eines sehr komplexen technischen Produkts, das für eine Vielzahl von Zwecken wie Unterwasserforschung, Unterwasserrettung und U-Boot-Kriegsführung eingesetzt wird; letztere ist am weitesten verbreitet.

In dieser Artikelserie werden wir die Konstruktion von Marine-U-Booten untersuchen. In den ersten Artikeln dieser Reihe werden wir nicht auf den Entwurfsprozess eingehen, sondern uns mit dem Design und den Funktionen eines U-Boots, seinen Teilen, der allgemeinen Anordnung, dem strukturellen Design und der Anordnung, der Stabilität eines U-Boots, den in einem U-Boot verwendeten Systemen usw. vertraut machen.

Nachdem wir uns mit diesen Themen befasst haben, wäre es ein Leichtes für uns, auf den Entwurfsprozess eines U-Boots einzugehen. Obwohl der Entwurfsprozess, dem alle Marinen folgen, vertraulich ist und sich voneinander unterscheidet, bleiben die Grundlagen gleich.

Die primären Ziele des U-Boot-Entwurfs sind:

• Das U-Boot sollte den funktionalen Zweck des Kunden erfüllen.
• Der Entwurf sollte mit den verfügbaren Ressourcen gebaut werden können.
• Die Kosten des Projekts sollten für den Kunden akzeptabel sein.

Teile eines U-Boots

Außenhülle und Druckhülle:

Die meisten U-Boot-Konstruktionen haben zwei Rümpfe. Der Rumpf, in dem alle Unterkunftsräume, Waffen, Waffenkontrollsysteme, der Kommunikations- und Kontrollraum, die Batteriebänke sowie die Haupt- und Hilfsmaschinen untergebracht sind, ist der Druckrumpf. Sie wird Druckhülle genannt, weil sie so konstruiert ist, dass sie dem hydrostatischen Druck in der maximalen Betriebstiefe des U-Boots standhält.

Die Druckhülle befindet sich innerhalb der Außenhülle, die nicht druckdicht ist. Warum? Weil im getauchten Zustand die Räume zwischen Außen- und Innenhülle immer mit Seewasser geflutet bleiben. Daher ist der hydrostatische Druck auf den äußeren Rumpf vernachlässigbar.

Hauptballasttanks (MBTs):

Die „flutbaren“ Räume sind nun in Tanks unterteilt, die in der U-Boot-Terminologie als Hauptballasttanks bezeichnet werden. Die Verteilung der Hauptballasttanks in einem U-Boot hängt von der Form und dem Zusammenspiel von Außen- und Druckhülle ab.

Wir werden die Funktionsweise der MBTs verstehen, nachdem wir uns mit dem Prozess des Untertauchens eines U-Boots und der Stabilität des U-Boots beschäftigt haben. Einige Entwürfe haben MBTs nur im vorderen und hinteren Bereich, und der Rest der Druckhülle ist mit der Außenhülle verbunden.

Andere Entwürfe haben eine völlig andere Außen- und Druckhülle, mit Platz für Ballast zwischen ihnen. Einige Anordnungen von MBTs sind in den folgenden Abbildungen dargestellt.

Segel oder Brückenflosse:

Das Segel ist der stromlinienförmige, nicht druckfeste Teil des U-Bootes über dem Außenrumpf. Es besteht aus verschiedenen Arten von Masten, die aus dem Inneren des U-Bootes ausgefahren werden, wenn es schnorchelt oder knapp unter der freien Oberfläche segelt.

Die verschiedenen Masten, die in einem U-Boot verwendet werden, sind Periskopmast, Kommunikationsmast, Radarmast, Waffensensormast, usw. Sie werden von der Brückenflosse aus aufgestellt, wenn das U-Boot im Tarnmodus an der Oberfläche überwacht werden muss. Abbildung 7 zeigt das Segel in einem U-Boot, wenn die Masten nicht ausgefahren sind.

Das Profil der Brückenflosse in einer U-Boot-Konstruktion ist immer eine Tragflächenform, da sie wie ein Tragflächenprofil wirkt, wenn das U-Boot nur mit der Flosse über Wasser segelt. Diese Form reduziert den Luftwiderstand des U-Boots. Es ist sehr wichtig, den Luftwiderstand in Grenzen zu halten, da er Wirbel verhindert und somit die akustische Signatur des U-Boots minimiert.

Steuerflächen:

Wenn sich das U-Boot im getauchten Zustand befindet, werden Richtungs- und Tiefenänderungen mit Hilfe von Wasserflugzeugen vorgenommen, die als Steuerflächen dienen. Um die Anwendung von Wasserflugzeugen zu verstehen, müssen wir zunächst die Art der Bewegungen kennen, die ein Unterseeboot in getauchtem Zustand erfährt.

Im Gegensatz zu einem Überwasserschiff sind Unterseeboote aufgrund des Fehlens von Oberflächenwelleneffekten geringeren Hebe- und Stampfbewegungen ausgesetzt. Ein Paar Wasserflugzeuge oder Flossen am vorderen und hinteren Ende werden verwendet, um die Krängung und die Stampfung unabhängig voneinander zu steuern. Die Wasserflugzeuge oder Flossen sind in Abbildung 8 dargestellt.

Zwei Wasserflugzeuge, die achtern in der vertikalen Ebene angebracht sind, werden verwendet, um die seitliche Richtung des Unterseebootes während der Fahrt zu ändern. Sie werden grundsätzlich als Ruder bezeichnet. Anders als bei Schiffen liegen die Ruder bei U-Booten vor dem Propeller.

Warum? Weil bei einem Schiff das Ruder den Propellerausfluss benötigt, um einen maximalen Auftrieb zu erzielen. Da bei einem U-Boot jedoch der gesamte Rumpf untergetaucht ist, trifft eine ungestörte Strömung auf die Ruderoberfläche.

Wäre das U-Boot-Ruder hinter dem Propeller angebracht, wäre die Strömung auf dem Ruder turbulenter, was die Wahrscheinlichkeit von Kavitation erhöhen würde.

Ein wichtiger Punkt ist, dass Wasserflugzeuge nur bei hohen Geschwindigkeiten mit optimaler Effizienz arbeiten.

Allgemeiner Aufbau eines U-Bootes

Bevor man die Funktionsweise und die Funktionen der verschiedenen Systeme eines U-Bootes kennenlernt, ist es wichtig, die räumliche Verteilung der wichtigsten Abteilungen und Systeme über die Länge und Breite des Rumpfes zu kennen. Dies lässt sich am besten anhand von Abbildung 9 nachvollziehen.

Der Druckkörper und der äußere Rumpf sind in der obigen Abbildung des U-Boot-Designs deutlich zu erkennen. Im vorderen Teil des Druckkörpers sind die Waffensysteme und Sensoren untergebracht. Die Sensoren sind in der Regel in dem gefluteten Raum zwischen dem vorderen Teil des Druckkörpers und dem Außenrumpf untergebracht.

Die Sensoren sind immer im vorderen Teil untergebracht, um den Lärm der turbulenten Strömung im hinteren Teil zu verringern und die Maschinen zu behindern, wenn sie im hinteren Teil untergebracht sind. Das Waffensystem umfasst die Torpedorohre, in denen die Torpedos untergebracht sind, das Torpedoabschusssystem und die Torpedobetriebstanks.

Der vordere Teil des Druckkörpers dient zur Lagerung der Waffen. Sie werden in die Torpedorohre geladen, die sich teilweise im Inneren der Druckhülle befinden und bis zum vordersten Rand der Außenhülle reichen.

Der mittlere Teil der Druckhülle wird für folgende Zwecke verwendet:

• Schiffs- und Waffenkontrollsysteme: Alle Systeme des U-Bootes werden von der Schiffs- und Waffenkontrollzentrale aus ferngesteuert. In diesem Raum befinden sich alle Navigationskontrollsysteme, die Waffenabschusssysteme, die Maschinensteuerungs- und Überwachungstafeln, das Tauch- und Auftauchsystem, das Steuerkontrollsystem usw. Die gesamte Kommunikation zwischen der U-Boot-Besatzung und dem Marinestützpunkt oder einer externen Datenquelle wird von diesem Raum aus abgewickelt. U-Boote sind heute so weit automatisiert, dass alle Operationen auf einem U-Boot während normaler Patrouillen- und Kriegseinsätze von diesem Raum aus durchgeführt werden können, ohne dass die Besatzung irgendwo außerhalb des Kontrollraums anwesend sein muss.

• Unterkunft und Lebenserhaltung: Die Unterkunftsmodule, die Toilettenmodule, die Kombüse, die Kühl- und die Kühlräume sind im Mittschiffsraum des Druckkörpers untergebracht. Diese Anordnung ist nicht nur funktionell vorteilhaft, sondern ermöglicht auch einen leichten Zugang zu den vorderen und hinteren Teilen des U-Boots. Da sich diese Position auch unter dem Segel befindet, ist die Flucht für die Besatzung in Notfällen am einfachsten.

• Batteriebank: Die Stromquelle auf einem Diesel-U-Boot sind Wasserstoffzellen. Diese werden durch Dieselgeneratoren aufgeladen. Die Batterien, die aus Wasserstoffzelleneinheiten bestehen, sind in Reihen gestapelt und in einem Fach untergebracht, das Batteriebank genannt wird. In der Regel verfügt ein U-Boot aus Redundanzgründen über eine Batteriebank in mehr als einem wasserdichten Raum. Jede Batteriebank verfügt über eine ausreichende Kapazität, um den gesamten Betrieb des U-Boots während seiner Lebensdauer zu unterstützen. Die Entlüftung und Beseitigung von Wasserstoff aus dem Batteriefach hat oberste Priorität, da jedes Vorhandensein von Wasserstoff im Fach zu Explosionen führen kann.

• Maschinen und Hilfsmaschinen: Die Haupt- und Hilfsmaschinen machen etwa ein Drittel des Gewichts des U-Boots aus. Die Hauptmaschinenanlage besteht aus den Hauptdieselgeneratoren, die zum Laden der Batterien und der dazugehörigen Systeme dienen, der Klimaanlage, dem Haupthochdruckluftsystem usw. Der Hilfsmaschinenraum ist durch ein wasserdichtes Schott vom Hauptmaschinenraum getrennt. Im Hilfsmaschinenraum sind der Hilfs- oder Sparsamkeitselektromotor, die Hilfswechselstromanlage, das Hilfshochdruckluftsystem usw. untergebracht. Die Dieselgeneratoren werden zum Laden der Batterien verwendet, die wiederum die elektrischen Haupt- und Hilfsantriebsmotoren antreiben.

• Antriebsraum: Im hinteren Teil des Druckkörpers befinden sich der elektrische Hauptantriebsmotor, die Hauptantriebswelle und die dazugehörigen Systeme, die Heckwelle sowie die vorderen und hinteren Stopfbuchsen, die zur Abdichtung der Öffnungen des Druckkörpers und des Außenrumpfes dienen. Bei dieselelektrischen U-Booten befindet sich auch das Untersetzungsgetriebe im Antriebsraum.

Rumpfform einer U-Boot-Konstruktion:

Die ersten U-Boote hatten eine Rumpfform, die sich stark von den heutigen U-Booten unterscheidet. Die Entwicklung der Rumpfform und die Gründe dafür sind daher ein interessanter Aspekt des U-Boot-Designs. Die idealste Form eines U-Boot-Rumpfes für minimalen Luftwiderstand ist die ideale Stromlinienform mit einem parabolischen Bug und einem elliptischen Heck, wie in Abbildung 10 dargestellt.

Die ersten U-Boote in den 1940er Jahren nutzten diese Form für minimalen Leistungsbedarf und vernachlässigbare Strömungsablösung um den Rumpf. Es wurde jedoch festgestellt, dass aufgrund der Stromlinienform das nutzbare Volumen innerhalb des Rumpfes unzureichend war, da der Radius des Rumpfes von achtern und vor der Mittschiffsregion steil abnahm. Dies hielt nicht nur die Produktionskosten hoch, sondern schwächte auch die Möglichkeit, mehrere Decksebenen einzubauen.

Die in modernen U-Booten (seit den späten 1970er Jahren) verwendete Rumpfform ist der lange zylindrische Mittelkörper mit elliptischem Bug und Heck.

Die Abweichung von der idealen Stromlinienform erhöht zwar den Luftwiderstand und damit den Energiebedarf, doch werden die zusätzlichen Treibstoffkosten während der Lebensdauer des U-Boots durch die niedrigen Produktionskosten ausgeglichen, da zylindrische Abschnitte viel billiger und einfacher zu bauen sind. Diese Form ermöglicht auch den Einbau mehrerer Decks innerhalb desselben Rumpfvolumens und gewährleistet somit eine bessere Raumnutzung.

Es ist wichtig zu wissen, dass die Form und Geometrie eines U-Boot-Rumpfes ein wichtiger Ausgangspunkt für die Konstruktion ist, da sie nicht nur den oben genannten Punkt diktiert, sondern auch eine Reihe anderer Faktoren des U-Bootes beeinflusst, wie im Folgenden erörtert wird.

Eine zylindrische Rumpfform erhöht die Manövrierfähigkeit des U-Bootes aufgrund größerer hydrodynamischer Kräfte, die durch die Wirkung der Wasseroberfläche entstehen. Es wurde auch festgestellt, dass der geringste Gesamtwiderstand am Rumpf und die besten Manövriereigenschaften bei einem Verhältnis von Länge zu Breite von 6 bis 8 erreicht werden.

Der Durchmesser des U-Boots wird in erster Linie auf der Grundlage der Länge bestimmt. Und die Länge wird auf der Grundlage des erforderlichen Volumens des Druckkörpers und der Verdrängung des U-Boots festgelegt. Mehrere Decks erhöhen die Nutzbarkeit des Druckhüllenvolumens, und die Anzahl der möglichen Deckebenen in einem U-Boot wird in erster Linie durch seinen Durchmesser bestimmt.

Ein U-Boot mit einem Deck hätte zwei Ebenen innerhalb seiner Druckhülle. U-Boote mit einem Rumpfdurchmesser von 4 bis 7 Metern sind auf ein Deck beschränkt. Es würde zwei zugängliche Ebenen zulassen – unter Deck und über Deck, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Zwei Decks mit drei zugänglichen Ebenen sind bei U-Booten mit einem Rumpfdurchmesser von 7 bis 8 Metern möglich. Große diesel-elektrische U-Boote haben in der Regel diese Abmessungen.

Dreifachdecks und Dourdeck-Konstruktionen werden für Rumpfdurchmesser von 9 bis 11 Metern und 11 bis 13 Metern verwendet. Solche großen Durchmesser werden vor allem bei nuklear angetriebenen U-Booten verwendet, wo ein großer vertikaler Raum für das Kernkraftwerk benötigt wird.

Aus den in diesem Artikel erörterten Aspekten der U-Boot-Konstruktion lässt sich ableiten, dass die Kunst und das Geschick eines guten Konstrukteurs darin besteht, nach Kenntnis der Teile und Funktionen des U-Boots und seiner Systeme zu versuchen, eine maximale volumetrische Effizienz für eine Konstruktion zu erreichen.

Es gibt einige Räume im U-Boot, die sehr volumenspezifisch sein können (z. B. Hauptballasttanks), während andere nur wenige spezifische Abmessungen haben (z. B. Batteriebank). Es gibt auch Fälle, in denen es spezifische volumetrische Anforderungen gibt, die aber nicht formabhängig sind (z. B. Torpedobetriebstanks und Hauptballasttanks). Je nach diesen Anforderungen würde ein guter Konstrukteur den Phasen des Entwurfs und den Parametern, die in jeder Phase festgelegt werden, Priorität einräumen.

Einer der wichtigsten Aspekte des U-Boot-Entwurfs ist seine Stabilität. Obwohl es im Vergleich zu Schiffen einfach erscheinen mag, ist das Verständnis der U-Boot-Stabilität komplexer als das eines Schiffes, da es sowohl an der Oberfläche als auch unter Wasser operiert.

Und die Stabilitätsparameter eines U-Boots ändern sich drastisch in dem Moment, in dem ein U-Boot ins Wasser eintaucht oder wieder auftaucht, was zu einem Punkt führt, an dem das U-Boot auf der Kippe steht und ins Trudeln gerät. Wie und warum, werden wir im nächsten Artikel erörtern.

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