A tengeralattjárók olyan víz alatti önjáró járművek, amelyeket arra terveztek és építettek, hogy meghatározott ideig víz alatti műveleteket végezzenek. A tengeralattjáró kialakítása egy- vagy kéthullámú rendszerből áll, amely magában foglalja a küldetésük teljesítéséhez szükséges összes rendszert és munkaerőt.

Ez azonban egy nagyon egyszerű leírása egy nagyon összetett mérnöki terméknek, amelyet sokféle célra használnak, például víz alatti kutatásra, víz alatti mentésre és tengeralattjáró hadviselésre; ez utóbbi a legelterjedtebb.

Ebben a cikksorozatban a haditengerészeti tengeralattjárók tervezését fogjuk tanulmányozni. E cikksorozat első néhány cikkében nem térünk ki a tervezési folyamatra, inkább megismerkedünk a tengeralattjáró kialakításával és funkcióival, részeivel, általános elrendezésével, szerkezeti kialakításával és elrendezésével, a tengeralattjáró stabilitásával, a tengeralattjáróban használt rendszerekkel stb.

Amint ezeket megvizsgáltuk, könnyű lenne kitérnünk a tengeralattjáró tervezési folyamatára. Bár az összes haditengerészet által követett tervezési folyamat bizalmas és egymástól eltérő, az alapok mégis ugyanazok maradnak.

A tengeralattjáró tervezésének elsődleges céljai a következők:

• A tengeralattjárónak a megrendelő funkcionális céljának kell megfelelnie.
• A tervezésnek alkalmasnak kell lennie arra, hogy a rendelkezésre álló erőforrásokkal megépíthető legyen.
• A projekt költségei legyenek elfogadhatóak a megrendelő számára.

A tengeralattjáró részei

A külső hajótest és a nyomótest:

A legtöbb tengeralattjáró tervezése két hajótestből áll. A hajótest, amely az összes lakóteret, a fegyvereket, a fegyverzetvezérlő rendszereket, a kommunikációs és vezérlőtermet, az akkumulátortelepeket, a fő- és segédgépeket tartalmazza, a nyomótest. Azért nevezik nyomótestnek, mert úgy tervezték, hogy ellenálljon a hidrosztatikus nyomásnak a tengeralattjáró maximális működési mélységében.

A nyomótest a külső hajótestben van elhelyezve, amely nem nyomásálló. Miért? Mert merülő állapotban a külső és a belső hajótest közötti tereket mindig elárasztja a tengervíz. Ezért a külső hajótestre ható hidrosztatikai nyomás elhanyagolható.

Fő ballaszttartályok (MBT):

Az “elárasztható” terek most tartályokba vannak rekeszelve, amelyeket a tengeralattjáró terminológiában fő ballaszttartályoknak neveznek. A fő ballaszttartályok elosztása egy tengeralattjáróban a külső és a nyomótest alakjától és kölcsönhatásától függ.

Az MBT-k működését azután fogjuk megérteni, miután foglalkoztunk a tengeralattjáró alámerülésének folyamatával és a tengeralattjáró stabilitásával. Egyes tervekben az MBT-k csak az elülső és a hátsó részen vannak, és a nyomótest többi része a külső hajótesttel öblítve van.

Más tervekben a külső és a nyomótest teljesen különböző, és közöttük van hely a ballasztnak. Az MBT-k néhány elrendezését az alábbi ábrák mutatják.

Vitorla vagy híduszony:

A vitorla a tengeralattjáró áramvonalas alakú, nem nyomásálló része a külső hajótest felett. A különböző típusú árbocai, amelyeket a tengeralattjáró belsejéből helyeznek ki, amikor a sznorkel vagy a vitorla közvetlenül a szabad felszín alatt van.

A tengeralattjárón használt különböző árbocok: periszkóp árboc, kommunikációs árboc, radar árboc, fegyverérzékelő árboc, stb. Ezeket a híd uszonyáról emelik fel, amikor a tengeralattjáró lopakodó üzemmódban felszíni megfigyelést igényel. A 7. ábra a vitorlát mutatja egy tengeralattjáróban, amikor az árbocok nincsenek kihúzva.

A híduszony profilja egy tengeralattjáró kialakításában mindig aerofoil alakú, mivel a tengeralattjáró vitorlákkal hidroprofilként működik, amikor csak az uszony van a víz felett. Ez az alak csökkenti a tengeralattjáró légellenállását. Nagyon fontos, hogy a légellenállást korlátok között tartsuk, mivel ez megakadályozza az örvények kialakulását, és ezt követően minimalizálja a tengeralattjáró akusztikus jelét.

Vezérlőfelületek:

Amikor a tengeralattjáró víz alatti állapotban van, az irány- és mélységváltoztatásokat a vezérlőfelületként működő hidroplánok segítségével hajtják végre. A hidroplánok alkalmazásának megértéséhez először is ismernünk kell a tengeralattjáró által víz alatti állapotban tapasztalt mozgások természetét.

A felszíni hajóktól eltérően a tengeralattjárókon a felszíni hullámhatások hiánya miatt kisebb emelési és dőlési mozgások jelentkeznek. Az elülső és a hátsó részen egy pár hidroplán vagy uszony szolgál a dőlés és a dőlés független szabályozására. A hidroplánok vagy uszonyok a 8. ábrán láthatók.

A függőleges síkban hátulra szerelt két hidroplánt használnak a tengeralattjáró oldalirányú mozgásának megváltoztatására. Ezeket alapvetően kormánylapátoknak nevezik. Vegye figyelembe, hogy a hajókkal ellentétben a tengeralattjáró kormánylapátjai a hajócsavar előtt vannak.

Miért? Mert egy hajó esetében a kormánylapátnak szüksége van a hajócsavar kiáramlására a maximális emelési hatékonyság érdekében. Egy tengeralattjáró esetében azonban, mivel a teljes hajótest a víz alá merül, a kormánylapát felületére zavartalan áramlás érkezik.

Ha a tengeralattjáró kormánylapátja a hajócsavar mögött lenne elhelyezve, a kormánylapátra irányuló áramlás turbulensebb lenne, ami növelné a kavitáció valószínűségét.

Egy fontos dolog, hogy a hidroplánok csak nagy sebességnél működnek optimális hatásfokkal.

A tengeralattjáró általános elrendezése

Mielőtt rátérnénk egy tengeralattjáró különböző rendszereinek működésének és funkcióinak megismerésére, elengedhetetlen ismerni a fő rekeszek és rendszerek térbeli eloszlását a hajótest hossza és szélessége mentén. Ezt akkor érthetjük meg a legjobban, ha a 9. ábrára hivatkozunk.

A fenti ábrán a tengeralattjáró kialakításánál jól megkülönböztethető a nyomótest és a külső hajótest. A nyomótest elülső része a fegyverrendszereknek és az érzékelőknek ad otthont. Az érzékelőket általában a nyomótest elülső része és a külső hajótest közötti elárasztott térben helyezik el.

Az érzékelőket mindig az elülső részen helyezik el a hátsó részen a turbulens áramlásból származó zaj csökkentése és a gépezet akadályozása érdekében, ha a hátsó részen helyezkedik el. A fegyverrendszerhez tartoznak a torpedócsövek, amelyekben a torpedók, a torpedóindító rendszer és a torpedóműködtető tartályok találhatók.

A nyomótest legelülső része a fegyverek tárolására szolgál. Ezeket a torpedócsövekbe töltik be, amelyek részben a nyomótest belsejében helyezkednek el, és a külső hajótest legelülső pereméig terjednek.

A nyomótest középső része a következő célokra szolgál:

• Hajó- és fegyverirányító rendszerek: A tengeralattjáró összes rendszerét a hajó- és fegyverirányító központból távolról működtetik. Ebben a rekeszben található az összes navigációs vezérlőrendszer, a fegyvertüzelő rendszerek, a gépek vezérlő- és megfigyelőpaneljei, a búvár- és felszíni rendszer, a kormányvezérlő rendszer stb. A tengeralattjáró legénysége és a haditengerészeti bázis vagy bármely külső adatforrás közötti minden kommunikáció erről a rekeszről történik. A tengeralattjárók ma már olyan mértékben automatizáltak, hogy a tengeralattjáró összes művelete a normál járőrözés és a háborús bevetések során ebből a fülkéből végezhető, anélkül, hogy a legénységnek a vezérlőtermen kívül bárhol is jelen kellene lennie.

• Szállás és életfenntartás: A szállásmodulok, a WC-modulok, a konyha, a hűtő- és a hűtőkamra a nyomótest középső rekeszében vannak elhelyezve. Ez az elhelyezés nemcsak funkcionálisan előnyös, hanem könnyű hozzáférést biztosít a tengeralattjáró elülső és hátsó részeihez is. Mivel ez a pozíció a vitorla alatt is van, vészhelyzetben a legénység számára ez teszi a legkönnyebben megvalósíthatóvá a menekülést.

• Akkumulátorbank: A dízel tengeralattjáró energiaforrása a hidrogéncellák. Ezeket dízel generátorok töltik. A hidrogéncellákból álló akkumulátorokat egymásra helyezik, és egy akkumulátorbanknak nevezett rekeszben helyezik el. Általában egy tengeralattjárón a redundancia érdekében egynél több vízzáró rekeszben van akkumulátorbank. Minden egyes akkumulátorbank kapacitása elegendő ahhoz, hogy a tengeralattjáró összes műveletét ellássa a tengeralattjáró teljes élettartama alatt. A hidrogén kiszellőztetése és eltávolítása az akkumulátortérből elsődleges fontosságú, mivel a hidrogén bármilyen jelenléte a térben robbanáshoz vezethet.

• Gépek és segédgépek: A fő- és segédgépek a tengeralattjáró tömegének körülbelül egyharmadát teszik ki. A főgépezetet az akkumulátorok töltésére szolgáló fő dízelgenerátorok és a hozzájuk tartozó rendszerek, a légkondicionáló berendezés, a fő nagynyomású levegőrendszer stb. alkotják. A segédgéptér vízmentes válaszfallal van elválasztva a főgéptértől. A segéd- vagy gazdasági villanymotor, a segéd AC berendezés, a segéd nagynyomású levegő rendszer stb. a segédgépházban van elhelyezve. A dízel generátorok az akkumulátorok töltésére szolgálnak, amelyek viszont a fő- és a kiegészítő elektromos hajtómotorokat hajtják.

• Hajtóműtér: A nyomótest hátsó részén található ez a rekesz a fő elektromos meghajtómotornak, a fő meghajtótengelynek és a hozzá tartozó rendszereknek, a faroktengelynek, valamint az elülső és hátsó tömítéseknek, amelyek a nyomótest és a külső hajótest nyílásainál a vízzárás elérésére szolgálnak. A dízel-elektromos tengeralattjárók kialakításánál a hajtóműtérben található a redukciós sebességváltó is.

A tengeralattjáró kialakításának hajótestformája:

A legtöbb kezdeti tengeralattjáró olyan hajótestformát használt, amely nagyban különbözött a mai tengeralattjáróknál alkalmazottaktól. A hajótest formájának fejlődése és annak okai ezért a tengeralattjárók tervezésének egyik érdekes aspektusa. A tengeralattjáró hajótestének legideálisabb alakja a minimális légellenállás érdekében az ideális áramvonalas forma, parabolikus orral és ellipszis alakú farral, amint azt a 10. ábra mutatja.

Az 1940-es években az első tengeralattjárók ezt az alakot használták a minimális teljesítményigény és a hajótest körüli elhanyagolható áramlásleválás miatt. Megfigyelték azonban, hogy az áramvonalas forma miatt a hajótesten belüli hasznos térfogat nem volt elegendő, mivel a hajótest sugara meredeken csökkent közvetlenül a hajótest hátsó és középső részétől előrefelé. Ez nemcsak a gyártási költségeket tartotta magasan, hanem gyengítette a több fedélzeti szint beépítésének lehetőségét is.

A modern tengeralattjárókon (az 1970-es évek végétől) alkalmazott hajótestforma a hosszú, hengeres középtest ellipszis alakú orral és tattal.

Az ideális áramvonalas formától való eltérés ugyan növeli a légellenállást és az ebből következő energiaigényt, de a tengeralattjáró élettartama alatt a többlet üzemanyagköltségeket ellensúlyozza az alacsony előállítási költség, mivel a hengeres szelvényeket sokkal olcsóbb és könnyebb megépíteni. Ez az alak lehetővé teszi továbbá több fedélzet beépítését ugyanazon a hajótest térfogatán belül, így nagyobb térkihasználást biztosít.

Nagyon fontos tudni, hogy a tengeralattjáró hajótestének alakja és geometriája a tervezés fontos kiindulópontja, mivel nemcsak a fent említett pontot diktálja, hanem a tengeralattjáró számos más tényezőjét is befolyásolja, amint azt az alábbiakban tárgyaljuk.

A hengeres hajótestforma növeli a tengeralattjáró manőverezőképességét a vízsíkhatás által generált nagyobb hidrodinamikai erők miatt. Azt is megfigyelték, hogy a hajótestre ható legkisebb összellenállás és a legjobb manőverezési tulajdonságok 6 és 8 közötti hossz-szélesség arányok esetén érhetőek el.

A tengeralattjáró átmérőjét elsősorban a hossz alapján határozzák meg. A hosszúságot pedig a tengeralattjáró szükséges nyomótest-térfogata és vízkiszorítása alapján határozzák meg. A több fedélzet növeli a nyomótest térfogatának kihasználhatóságát, és a tengeralattjáró lehetséges fedélzeti szintjeinek számát elsősorban az átmérője határozza meg.

Egy egy fedélzettel rendelkező tengeralattjárónak két szintje lenne a nyomótestén belül. A 4 és 7 méter közötti hajótest-átmérőjű tengeralattjárók egy fedélzetre korlátozódnak. Ez két hozzáférhető szintet tenne lehetővé – a fedélzet alatti és a fedélzet feletti szintet, ahogy az alábbi ábrán látható.

A 7 és 8 méter közötti hajótest-átmérőjű tengeralattjáróknál lehetségesek a három hozzáférhető szintet tartalmazó kettős fedélzetek. A nagyméretű dízel-elektromos tengeralattjárók általában ilyen méretűek.

A 9 és 11 méter közötti hajótest-átmérőjű és a 11 és 13 méter közötti hajótest-átmérőjű tengeralattjáróknál háromszintes fedélzeteket és dúrva fedélzeti kialakításokat alkalmaznak. Az ilyen nagy átmérőket főleg az atommeghajtású tengeralattjárókon használják, ahol nagy függőleges térre van szükség az atomerőmű számára.

A tengeralattjárók tervezésének ebben a cikkben tárgyalt szempontjai alapján az a vitatható megállapítás vonható le, hogy a tengeralattjáró és rendszerei részeinek és funkcióinak ismeretében a jó tervező művészete és ügyessége abban rejlik, hogy megpróbálja elérni a tervezés maximális térfogati hatékonyságát.

A tengeralattjárón belül vannak olyan terek, amelyek nagy térfogatspecifikusak lehetnek (például a fő ballaszttartályok), míg más terek csak néhány specifikus mérettel rendelkeznek (például az akkumulátorbank). Léteznének olyan esetek is, ahol specifikus térfogati követelmények vannak, de nem alakspecifikusak (például torpedóműködtető tartályok és fő ballaszttartályok). Az ilyen igények függvényében egy jó tervező rangsorolja a tervezés szakaszait és az egyes szakaszokban rögzített paramétereket.

A tengeralattjáró tervezésének egyik legfontosabb szempontja a stabilitás. Bár a hajókhoz képest egyszerűnek tűnhet, a tengeralattjáró stabilitásának megértése összetettebb, mint egy hajóé, mivel a tengeralattjáró mind felszíni, mind víz alatti körülmények között működne.

A tengeralattjáró stabilitási paraméterei pedig drasztikusan megváltoznak abban a pillanatban, amikor a tengeralattjáró a vízbe merül vagy felbukkan, ami egy olyan ponthoz vezet, amikor a tengeralattjáró a billegés fordulópontján van. Hogy hogyan és miért, arról a következő cikkben lesz szó.

Disclaimer: A szerzők ebben a cikkben kifejtett nézetei nem feltétlenül tükrözik a Marine Insight véleményét. A cikkben felhasznált adatok és diagramok, amennyiben felhasználásra kerültek, a rendelkezésre álló információkból származnak, és azokat nem hitelesítették semmilyen törvényes hatósággal. A szerző és a Marine Insight nem állítja, hogy azok pontosak, és nem vállal felelősséget azokért. A nézetek csak véleményt képviselnek, és nem jelentenek iránymutatást vagy ajánlást az olvasó által követendő cselekvési irányra vonatkozóan.

A cikk vagy a képek a szerző és a Marine Insight engedélye nélkül semmilyen formában nem reprodukálhatók, nem másolhatók, nem oszthatók meg és nem használhatók fel.

Címke: tengeralattjáró tervezés