Kuva 1: Intian laivaston Akula-luokan hyökkäyssukellusvene INS Chakra (pintakunnossa). Lähde: M: Wikipedia

Kuva 2: Sukellusveneen sylinterinmuotoinen painerunko ja ulkorunko.

joka puolestaan ei ole painetiivi. Miksi? Koska vedenalaisessa tilassa ulkorungon ja sisärungon väliset tilat jäävät aina meriveden täyttämiksi. Näin ollen ulkorunkoon kohdistuva hydrostaattinen paine on häviävän pieni.

Pääpainolastisäiliöt (MBT):

Nyt ”tulvivat” tilat on lokeroitu säiliöihin, joita sukellusveneiden terminologiassa kutsutaan pääpainolastisäiliöiksi. Pääpainolastisäiliöiden jakautuminen sukellusveneessä riippuu ulko- ja painerungon muodosta ja vuorovaikutuksesta.

Ymmärrämme MBT-säiliöiden toiminnan sen jälkeen, kun olemme käsitelleet sukellusveneen uppoamisprosessia ja sukellusveneen vakautta. Joissakin malleissa MBT:t ovat vain keulan ja perän alueilla, ja muu painerunko on huuhtoutunut ulkorunkoon.

Toisissa malleissa ulko- ja painerunko ovat täysin erilaiset, ja niiden välissä on tilaa painolastille. Joitakin MBT:n järjestelyjä on esitetty alla olevissa kuvissa.

Purje tai komentosillan evä:

Purje on sukellusveneen virtaviivaisesti muotoiltu paineenkestämätön osa ulkorungon päällä. Sen erityyppiset mastot, jotka otetaan käyttöön sukellusveneen sisältä, kun snorkkelit tai purjeet ovat aivan vapaan pinnan alapuolella.

Sukellusveneessä käytettävät erilaiset mastot ovat periskooppimasto, viestintämasto, tutkamasto, aseanturimasto jne. Nämä nostetaan komentosillan evästä, kun sukellusvene vaatii pintaseurantaa häivytystilassa. Kuvassa 7 on esitetty sukellusveneen purje, kun mastoja ei ole nostettu ylös.

Siltafiinin profiili sukellusveneen suunnittelussa on aina aerofiilin muotoinen, koska se toimii hydrofoilina sukellusveneen purjehtiessa pelkän evän ollessa veden yläpuolella. Tämä muoto vähentää sukellusveneen vastusta. Vetovastuksen pitäminen rajoissa on erittäin tärkeää, koska se estää pyörteitä ja minimoi sukellusveneen akustisen signaalin.

Säätöpinnat:

Kun sukellusvene on sukellustilassa, suunnan ja syvyyden muuttaminen tapahtuu käyttämällä vesitasoja, jotka toimivat säätöpintoina. Ymmärtääksemme vesitasojen käyttöä meidän on ensin tunnettava sukellusveneen kokemien liikkeiden luonne vedenalaisessa tilassa.

Toisin kuin pinta-aluksissa, sukellusveneet altistuvat vähäisemmille nosto- ja kallistusliikkeille, koska pinta-aaltojen vaikutukset puuttuvat. Keulassa ja perässä olevia vesitasoja tai eviä käytetään ohjaamaan nosto- ja kallistusliikkeitä itsenäisesti. Vesitasot tai evät on esitetty kuvassa 8.

Kahta perään pystytasoon asennettua vesitasoa käytetään muuttamaan sukellusveneen sivuttaissuuntaa liikkeessä. Näitä kutsutaan periaatteessa peräsimiksi. Huomaa, että toisin kuin laivoissa, sukellusveneen peräsimet ovat potkurin etupuolella.

Miksi? Koska laivan tapauksessa peräsin vaatii potkurin ulosvirtauksen maksimaalisen nostotehokkuuden saavuttamiseksi. Mutta sukellusveneessä, koska koko runko on veden alla, peräsimen pinnalle osuu häiriötön virtaussuuntainen virtaus.

Jos sukellusveneen peräsin sijaitsisi potkurin perässä, peräsimeen kohdistuva virtaus olisi turbulenttisempi, mikä lisäisi kavitaation todennäköisyyttä.

Tärkeää on huomata, että vesitasot toimivat optimaalisella hyötysuhteella vain suurilla nopeuksilla.

Sukellusveneen yleinen rakenne

Ennen kuin siirrytään tuntemaan sukellusveneen eri järjestelmien toimintaa ja toimintoja, on olennaista tuntea tärkeimpien osastojen ja järjestelmien tilallinen jakautuminen rungon pituutta ja leveyttä pitkin. Tämä ymmärretään parhaiten, kun viitataan kuvaan 9.

Yllä olevassa sukellusveneen rakennetta kuvaavassa kuviossa painerunko ja ulkorunko ovat selvästi erotettavissa. Painerungon etuosassa sijaitsevat asejärjestelmät ja anturit. Anturit sijoitetaan yleensä painerungon keulan ja ulkorungon väliseen tulvittuun tilaan.

Asensorit sijoitetaan aina keulaan, jotta voidaan vähentää turbulenttisen virtauksen aiheuttamaa melua perässä ja estää koneiden toimintaa, jos ne sijaitsevat perässä. Asejärjestelmään kuuluvat torpedoputket, joissa säilytetään torpedot, torpedojen laukaisujärjestelmä ja torpedojen käyttösäiliöt.

Painerungon etummaista osaa käytetään aseiden säilytykseen. Ne ladataan torpedoputkiin, jotka sijaitsevat osittain painerungon sisällä ja ulottuvat ulkorungon etummaiseen reunaan asti.

Painerungon keskimmäistä osaa käytetään seuraaviin tarkoituksiin:

• Aluksen ja aseiden ohjausjärjestelmät: Kaikkia sukellusveneen järjestelmiä kauko-ohjataan aluksen ja aseiden ohjauskeskuksesta. Tässä osastossa sijaitsevat kaikki navigoinnin ohjausjärjestelmät, aseiden laukaisujärjestelmät, koneiston ohjaus- ja valvontapaneelit, sukellus- ja pintaan nousujärjestelmä, ohjauksen ohjausjärjestelmä jne. Kaikki sukellusveneen miehistön ja laivastotukikohdan tai minkä tahansa ulkoisen tietolähteen välinen viestintä tapahtuu tästä osastosta. Sukellusveneet ovat nykyään niin pitkälle automatisoituja, että kaikki sukellusveneen toiminnot normaalien partiointi- ja sotatehtävien aikana voidaan suorittaa tästä osastosta käsin, eikä miehistön tarvitse olla läsnä missään muualla kuin valvomossa.

• Majoitus ja hengenpito: Majoitusmoduulit, wc-moduulit, keittiö, jäähdytys- ja kylmähuoneet on sijoitettu painerungon keskilaivaosastoon. Tällainen sijoittelu ei ole ainoastaan toiminnallisesti edullinen, vaan se mahdollistaa myös helpon pääsyn sukellusveneen keula- ja peräosiin. Koska tämä sijainti on myös purjeen alla, se tekee miehistön pelastautumisen hätätilanteessa mahdollisimman helpoksi.

• Akkupankki: Dieselsukellusveneen voimanlähteenä ovat vetykennot. Niitä ladataan dieselgeneraattoreilla. Vetykennoyksiköistä koostuvat akut on pinottu ryhmiin ja sijoitettu osastoon, jota kutsutaan akkupankiksi. Yleensä sukellusveneessä on akkupankki useammassa kuin yhdessä vesitiiviissä osastossa, jotta se olisi varalla. Kunkin akkupankin kapasiteetti riittää tukemaan sukellusveneen kaikkia toimintoja sen kestoajan. Ilmanvaihto ja vedyn poistaminen akkuosastosta on ensisijaisen tärkeää, sillä vedyn esiintyminen osastossa voi johtaa räjähdyksiin.

• Koneet ja apukoneet: Pää- ja apukoneiston osuus sukellusveneen painosta on noin kolmannes. Pääkoneisto koostuu päädieselgeneraattoreista, joita käytetään akkujen ja siihen liittyvien järjestelmien lataamiseen, ilmastointilaitteistosta, pääkorkeapaineilmajärjestelmästä jne. Apukoneistotila on erotettu pääkoneistotilasta vesitiiviillä laipioilla. Apumoottori tai taloudellinen sähkömoottori, ylimääräinen vaihtovirtalaite, ylimääräinen korkeapaineilmajärjestelmä jne. on sijoitettu apukoneistotilaan. Dieselvaihtovirtageneraattoreita käytetään akkujen lataamiseen, jotka puolestaan antavat virtaa pää- ja apukoneiston sähkömoottoreille.

• Propulsio-osasto: Paineellisen rungon perässä sijaitseva osasto sisältää sähkökäyttöisen pääkannatinmoottorin, pääkannatinakselin ja siihen liittyvät järjestelmät, peräakselin sekä keula- ja peräsuuntaiset läpiviennit, joita käytetään vesitiiviyden saavuttamiseen paineellisen rungon ja ulkorungon aukkojen kohdalla. Diesel-sähkökäyttöisten sukellusveneiden suunnittelussa myös alennusvaihde sijaitsee propulsiotilassa.

Sukellusveneen rungon muoto:

Esimäisimmissä sukellusveneissä käytettiin rungon muotoa, joka poikkesi huomattavasti nykyisistä sukellusveneistä. Runkomuodon kehittyminen ja sen taustalla olevat syyt ovat siten mielenkiintoinen näkökohta sukellusveneiden suunnittelussa. Sukellusveneen rungon ihanteellisin muoto pienimmän vastuksen saavuttamiseksi on ihanteellinen virtaviivainen muoto, jossa on parabolinen keula ja elliptinen perä, kuten kuvassa 10 on esitetty.

Ensimmäisissä sukellusveneissä 1940-luvulla käytettiin tätä muotoa pienimmän tehontarpeen vuoksi ja siksi, että virtauksen irtoaminen rungon ympärillä oli vähäistä. Havaittiin kuitenkin, että virtaviivaisen muodon vuoksi rungon sisäinen käyttökelpoinen tilavuus oli riittämätön, koska rungon säde pieneni jyrkästi heti perästä ja keskilaivan edestä eteenpäin. Tämä ei ainoastaan pitänyt tuotantokustannuksia korkeina, vaan myös heikensi mahdollisuutta sisällyttää useampia kansitasoja.

Nykyaikaisissa sukellusveneissä käytetty runkomuoto (1970-luvun loppupuolelta lähtien) on pitkä sylinterinmuotoinen keskirunko, jossa keula ja perä ovat ellipsimäisiä.

Vaikka siirtyminen ihanteellisesta virtaviivaisesta muodosta lisää vetovastusta ja siitä johtuvaa tehontarvetta, polttoaineen lisäkustannukset sukellusveneen käyttöiän aikana kompensoituvat alhaisilla tuotantokustannuksilla, koska sylinterimäiset rungon osat ovat paljon halvempia ja helpompia rakentaa. Tämä muoto mahdollistaa myös useiden kansien sisällyttämisen samaan rungon tilavuuteen, mikä takaa suuremman tilankäytön.

On tärkeää tietää, että sukellusveneen rungon muoto ja geometria on tärkeä suunnittelun lähtökohta, koska se ei sanele ainoastaan edellä mainittua kohtaa, vaan vaikuttaa myös useisiin muihin sukellusveneen tekijöihin, kuten jäljempänä käsitellään.

Lieriömäinen rungon muoto lisää sukellusveneen ohjattavuutta, koska vesitasoilmiön synnyttämät suuremmat vesivoimat lisäävät hydrodynamiikkaa. On myös havaittu, että rungon kokonaisvastusvastus on pienin ja että parhaat ohjattavuusominaisuudet saavutetaan, kun pituuden ja leveyden suhde on 6-8.

Sukellusveneen halkaisija päätetään ensisijaisesti pituuden perusteella. Pituus määritetään sukellusveneen vaaditun rungon painetilavuuden ja uppouman perusteella. Useat kannet lisäävät painerunkotilavuuden käyttökelpoisuutta, ja sukellusveneen mahdollisten kansitasojen määrä päätetään ensisijaisesti sen halkaisijan perusteella.

Yksikannellisella sukellusveneellä olisi painerungossaan kaksi tasoa. Sukellusveneissä, joiden rungon halkaisija on 4-7 metriä, on vain yksi kansi. Se mahdollistaisi kaksi saavutettavaa tasoa – kannen alapuolisen tason ja kannen yläpuolisen tason, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.

Kaksoiskannet, joissa on kolme saavutettavaa tasoa, ovat mahdollisia sukellusveneissä, joiden rungon halkaisija vaihtelee 7 ja 8 metrin välillä. Suurikokoiset diesel-sähkökäyttöiset sukellusveneet ovat yleensä tämän kokoisia.

Kolmiokansia ja duurikansirakenteita käytetään rungon halkaisijan ollessa 9-11 metriä ja 11-13 metriä. Näin suuria halkaisijoita käytetään enimmäkseen ydinkäyttöisissä sukellusveneissä, joissa tarvitaan paljon pystysuoraa tilaa ydinvoimalaitokselle.

Sukellusveneiden suunnittelun tässä artikkelissa käsiteltyjen näkökohtien perusteella voidaan päätellä, että kun sukellusveneen ja sen järjestelmien osat ja toiminnot ovat tiedossa, hyvän suunnittelijan taito ja taito piilee siinä, että hän pyrkii saavuttamaan maksimaalisen tilavuushyötysuhteen suunnittelussa.

Sukellusveneessä on joitakin tiloja, jotka voivat olla hyvin tilavuuskohtaisia (esimerkiksi pääpainolastisäiliöt), kun taas joillakin tiloilla voi olla vain muutamia erityisiä mittoja (esimerkiksi akkupankki). Olisi myös tapauksia, joissa on erityisiä tilavuusvaatimuksia, mutta ei muotokohtaisia (esimerkiksi torpedojen toimintasäiliöt ja pääpainolastisäiliöt). Näistä vaatimuksista riippuen hyvä suunnittelija priorisoi suunnittelun vaiheet ja kussakin vaiheessa vahvistettavat parametrit.

Yksi sukellusveneen suunnittelun tärkeimmistä näkökohdista on sen vakaus. Vaikka se saattaa vaikuttaa yksinkertaiselta verrattuna laivoihin, sukellusveneen vakauden ymmärtäminen on monimutkaisempaa kuin laivojen, koska se toimisi sekä pinnalla että veden alla.

Ja sukellusveneen vakausparametrit muuttuvat jyrkästi sillä hetkellä, kun sukellusvene sukeltaa veteen tai nousee takaisin pinnalle, mikä johtaa pisteeseen, jossa sukellusvene on horjumisen kynnyksellä. Miten ja miksi, sitä käsittelemme seuraavassa artikkelissa.

Disclaimer: Tässä artikkelissa esitetyt kirjoittajien näkemykset eivät välttämättä vastaa Marine Insightin näkemyksiä. Artikkelissa mahdollisesti käytetyt tiedot ja kartat on saatu saatavilla olevista tiedoista, eikä niitä ole varmennettu minkään lakisääteisen viranomaisen toimesta. Kirjoittaja ja Marine Insight eivät väitä niiden olevan tarkkoja eivätkä ota mitään vastuuta niistä. Näkemykset ovat vain mielipiteitä eivätkä muodosta ohjeita tai suosituksia lukijan noudatettavaksi.

Artikkelia tai kuvia ei saa jäljentää, kopioida, jakaa tai käyttää missään muodossa ilman tekijän ja Marine Insightin lupaa.

Tags: sukellusveneen suunnittelu