I sottomarini sono imbarcazioni subacquee semoventi che sono progettate e costruite per eseguire operazioni subacquee per un periodo di tempo stabilito. Il design del sottomarino consiste in un sistema a scafo singolo o doppio che ospita tutti i sistemi necessari e la manodopera richiesta per il completamento della loro missione.

Questa, però, è una descrizione molto semplice di un prodotto di ingegneria molto complesso, che vengono utilizzati per una vasta gamma di scopi come la ricerca subacquea, il salvataggio subacqueo e la guerra sottomarina; l’ultimo è il più utilizzato.

In questa serie di articoli, studieremo il design dei sottomarini navali. Nei primi articoli di questa serie, non ci addentreremo nel processo di progettazione, piuttosto, ci familiarizzeremo con il design e le funzionalità di un sottomarino, le sue parti, la disposizione generale, il design e la disposizione strutturale, la stabilità di un sottomarino, i sistemi utilizzati in un sottomarino, ecc.

Una volta che abbiamo esaminato questi, sarebbe facile per noi toccare il processo di progettazione del sottomarino. Anche se il processo di progettazione seguito da tutte le marine è riservato e diverso l’uno dall’altro, le basi rimangono comunque le stesse.

Gli obiettivi primari di progettazione dei sottomarini sono:

• Il sottomarino dovrebbe soddisfare lo scopo funzionale del cliente.
• Il progetto dovrebbe essere in grado di essere costruito con le risorse disponibili.
• Il costo del progetto dovrebbe essere accettabile per il cliente.

Parti di un sottomarino

Scafo esterno e scafo a pressione:

La maggior parte dei design dei sottomarini ha due scafi. Lo scafo che ospita tutti gli spazi di alloggio, le armi, i sistemi di controllo delle armi, le comunicazioni e la sala di controllo, i banchi di batterie, i macchinari principali e ausiliari, è lo scafo a pressione. Si chiama scafo a pressione perché è progettato per resistere alla pressione idrostatica alla massima profondità operativa del sottomarino.

Lo scafo a pressione è alloggiato dentro lo scafo esterno, che non è a tenuta di pressione. Perché? Perché, in condizione sommersa, gli spazi tra lo scafo esterno e quello interno rimangono sempre inondati di acqua di mare. Quindi, la pressione idrostatica sullo scafo esterno è trascurabile.

Cisterne di zavorra principale (MBT):

Ora, gli spazi “allagabili” sono compartimentati in serbatoi, che nella terminologia sottomarina, sono chiamati Cisterne di zavorra principale. La distribuzione delle cisterne di zavorra principale in un sottomarino dipende dalla forma e dall’interazione dello scafo esterno e in pressione.

Capiremo il funzionamento delle MBT dopo aver trattato il processo di immersione di un sottomarino, e la stabilità del sottomarino. Alcuni progetti hanno le MBT solo nelle regioni di prua e di poppa, e il resto dello scafo in pressione è a filo con lo scafo esterno.

Altri progetti hanno lo scafo esterno e lo scafo in pressione completamente diversi, con spazio per la zavorra tra loro. Alcune disposizioni di MBT sono mostrate nelle figure seguenti.

Sail o Bridge Fin:

La vela è la parte aerodinamica non resistente alla pressione del sottomarino sopra lo scafo esterno. I suoi diversi tipi di alberi che sono dispiegati dall’interno del sottomarino quando snorkel o vele appena sotto la superficie libera.

I diversi alberi utilizzati in un sottomarino sono l’albero del periscopio, l’albero delle comunicazioni, l’albero radar, l’albero dei sensori d’arma, ecc. Questi sono sollevati dalla pinna del ponte quando il sottomarino richiede il monitoraggio della superficie in modalità stealth. La figura 7 mostra la vela in un sottomarino quando gli alberi non sono dispiegati.

Il profilo della pinna a ponte nel design di un sottomarino è sempre una forma a profilo alare, poiché agisce come un aliscafo con le vele del sottomarino con solo la pinna sopra l’acqua. Questa forma riduce la resistenza del sottomarino. È molto importante mantenere la resistenza entro i limiti in quanto previene i vortici e, di conseguenza, minimizza la firma acustica del sottomarino.

Superfici di controllo:

Quando il sottomarino è in condizione sommersa, i cambiamenti di direzione e profondità vengono effettuati mediante l’uso di idroplanes che agiscono come superfici di controllo. Per capire l’applicazione degli idroplani, dobbiamo prima conoscere la natura dei movimenti sperimentati da un sottomarino in condizione sommersa.

A differenza di una nave di superficie, i sottomarini sono soggetti a minori movimenti di ondeggiamento e beccheggio dovuti all’assenza di effetti delle onde di superficie. Una coppia di idroplani o pinne a prua e a poppa sono usati per controllare l’ondeggiamento e il beccheggio in modo indipendente. Gli idroplani o pinne sono mostrati nella Figura 8.

Due idroplani montati a poppa nel piano verticale sono usati per cambiare la direzione laterale del sottomarino quando è in movimento. Questi sono fondamentalmente chiamati timoni. Si noti che, a differenza delle navi, i timoni di un sottomarino sono davanti all’elica.

Perché? Perché nel caso di una nave, il timone richiede l’uscita dell’elica per la massima efficienza di portanza. Ma in un sottomarino, dato che l’intero scafo è sommerso, il flusso indisturbato di corrente è incidente sulla superficie del timone.

Se il timone del sottomarino fosse posto a poppa dell’elica, il flusso sul timone sarebbe più turbolento, aumentando la probabilità di cavitazione.

Una cosa importante da notare è che gli idroplani operano in modo ottimale solo ad alte velocità.

Disposizione generale di un sottomarino

Prima di passare a conoscere il funzionamento e le funzioni dei diversi sistemi su un sottomarino, è vitale conoscere la distribuzione spaziale dei principali compartimenti e sistemi lungo la lunghezza e la larghezza dello scafo. Questo sarà meglio compreso se ci si riferisce alla figura 9.

Lo scafo in pressione e lo scafo esterno sono chiaramente distinguibili nella figura precedente del disegno del sottomarino. La parte anteriore dello scafo a pressione ospita i sistemi d’arma e i sensori. I sensori sono di solito alloggiati nello spazio allagato tra la parte anteriore dello scafo a pressione e lo scafo esterno.

I sensori sono sempre posti a prua per la riduzione del rumore da flusso turbolento a poppa e l’ostruzione dei macchinari in caso di posizione a poppa. Il sistema d’arma comprende i tubi lanciasiluri che ospitano i siluri, il sistema di lancio dei siluri e i serbatoi operativi dei siluri.

La parte più avanzata dello scafo a pressione è utilizzata per riporre le armi. Esse sono caricate nei tubi lanciasiluri che si trovano parzialmente all’interno dello scafo a pressione e si estende fino alla periferia più avanzata dello scafo esterno.

La parte centrale dello scafo a pressione è utilizzata per i seguenti scopi:

• Sistemi di controllo della nave e delle armi: Tutti i sistemi del sottomarino sono gestiti a distanza dal centro di controllo della nave e delle armi. Questo compartimento ospita tutti i sistemi di controllo della navigazione, i sistemi di tiro delle armi, i pannelli di controllo e monitoraggio delle macchine, il sistema di immersione e di emersione, il sistema di controllo del timone, ecc. Tutte le comunicazioni tra l’equipaggio del sottomarino e la base navale o qualsiasi fonte esterna di dati sono effettuate da questo compartimento. I sottomarini oggi sono automatizzati a tal punto che tutte le operazioni su un sottomarino durante le normali missioni di pattugliamento e di guerra possono essere effettuate da questo compartimento, senza che l’equipaggio debba essere presente al di fuori della sala di controllo.

• Alloggio e supporto vitale: I moduli di alloggio, i moduli dei servizi igienici, la cucina, le celle frigorifere e di raffreddamento sono collocati nel compartimento centrale dello scafo in pressione. Tale posizionamento non è solo vantaggioso dal punto di vista funzionale, ma fornisce anche un facile accesso alle parti anteriori e posteriori del sottomarino. Poiché questa posizione è anche sotto la vela, rende la fuga più fattibile per l’equipaggio in condizioni di emergenza.

• Banco batterie: La fonte di energia su un sottomarino diesel è costituita da celle a idrogeno. Queste sono caricate da alternatori diesel. Le batterie composte da unità di celle a idrogeno sono impilate in array e collocate in un compartimento chiamato banco batterie. Di solito, un sottomarino ha un banco di batterie in più di un compartimento stagno per la ridondanza. Ogni banco di batterie ha una capacità sufficiente per sostenere tutte le operazioni del sottomarino per il suo periodo di resistenza. La ventilazione e l’eliminazione dell’idrogeno dal compartimento delle batterie è una priorità assoluta, poiché qualsiasi presenza di idrogeno nel compartimento può portare a esplosioni.

• Macchine e macchinari ausiliari: I macchinari principali e ausiliari contribuiscono a circa un terzo del peso del sottomarino. Il macchinario principale consiste nei principali alternatori diesel che sono usati per caricare le batterie e i suoi sistemi associati, l’impianto di aria condizionata, il sistema principale di aria ad alta pressione, ecc. Il compartimento del macchinario ausiliario è separato da quello del macchinario principale da una paratia stagna. Il motore elettrico ausiliario o economico, l’impianto AC ausiliario, l’impianto d’aria ad alta pressione ausiliario, ecc. sono alloggiati nel compartimento delle macchine ausiliarie. Gli alternatori diesel sono utilizzati per caricare le batterie, che a loro volta alimentano i motori di propulsione elettrica principale e ausiliaria.

• Compartimento di propulsione: Situato a poppa dello scafo in pressione, questo compartimento ospita il motore di propulsione elettrica principale, l’albero di propulsione principale e i suoi sistemi associati, l’albero di coda, e i premistoppa a prua e a poppa che sono utilizzati per ottenere la tenuta stagna alle aperture dello scafo in pressione e dello scafo esterno. Nel design dei sottomarini diesel-elettrici, anche il riduttore si trova nel compartimento di propulsione.

Forma dello scafo di un sottomarino:

I sottomarini più iniziali usavano una forma dello scafo che era molto diversa da quelle usate nei sottomarini moderni. L’evoluzione della forma dello scafo e le ragioni dietro di essa è quindi un aspetto interessante della progettazione dei sottomarini. La forma ideale dello scafo di un sottomarino per una resistenza minima è la forma aerodinamica ideale con una prua parabolica e una poppa ellittica, come mostrato nella Figura 10.

I primi sottomarini negli anni ’40 usavano questa forma per una minima richiesta di potenza e una separazione di flusso trascurabile intorno allo scafo. Ma fu osservato che a causa della forma della linea di galleggiamento, il volume utilizzabile all’interno dello scafo era insufficiente, poiché il raggio dello scafo vedeva una ripida diminuzione da poppa e davanti alla regione della nave centrale. Questo non solo manteneva alti i costi di produzione, ma indeboliva anche la possibilità di incorporare più livelli di ponte.

La forma dello scafo usata nei sottomarini moderni (dalla fine degli anni 70) è il corpo centrale cilindrico lungo con prua e poppa ellittiche.

Anche se uno spostamento dalla forma aerodinamica ideale aumenta la resistenza e le conseguenti richieste di potenza, i costi aggiuntivi di carburante durante la vita del sottomarino sono compensati dai bassi costi di produzione, poiché le sezioni cilindriche sono molto più economiche e facili da costruire. Questa forma permette anche l’incorporazione di più ponti all’interno dello stesso volume dello scafo, quindi assicura un uso più spaziale.

È importante sapere che la forma e la geometria dello scafo di un sottomarino è un importante punto di partenza della progettazione, in quanto non solo detta il punto di cui sopra, ma influenza anche una serie di altri fattori del sottomarino come discusso di seguito.

Una forma cilindrica dello scafo aumenta la manovrabilità del sottomarino a causa delle maggiori forze idrodinamiche generate dall’azione idroplano. È stato anche osservato che la minima resistenza complessiva sullo scafo e le migliori caratteristiche di manovrabilità si ottengono per rapporti di lunghezza e larghezza che vanno da 6 a 8.

Il diametro del sottomarino è deciso principalmente in base alla lunghezza. E la lunghezza è fissata in base al volume dello scafo a pressione richiesto e al dislocamento del sottomarino. I ponti multipli aumentano l’utilizzabilità del volume dello scafo in pressione, e il numero di livelli di ponti possibili in un sottomarino è deciso principalmente dal suo diametro.

Un sottomarino con un ponte avrebbe due livelli all’interno del suo scafo in pressione. I sottomarini con diametri dello scafo che vanno da 4 a 7 metri sono limitati a un solo ponte. Permetterebbe due livelli accessibili – sotto il livello del ponte e sopra il livello del ponte, come mostrato nella figura qui sotto.

Ponti doppi con tre livelli accessibili sono possibili in sottomarini con diametro dello scafo che va da 7 a 8 metri. I sottomarini diesel-elettrici di grandi dimensioni sono di solito di questa dimensione.

Ponti tripli e disegni di ponti inaciditi sono usati per diametri di scafo che vanno da 9 a 11 metri e da 11 a 13 metri. Questi grandi diametri sono usati soprattutto nei sottomarini a propulsione nucleare dove è richiesto un grande spazio verticale per la centrale nucleare.

Con gli aspetti della progettazione dei sottomarini discussi in questo articolo, il punto da estrarre è che avendo conosciuto le parti e le funzioni del sottomarino e dei suoi sistemi, l’arte e l’abilità di un buon progettista sta nel cercare di ottenere la massima efficienza volumetrica per un progetto.

Ci sono alcuni spazi all’interno del sottomarino che possono essere altamente volumetrici (per esempio, le casse di zavorra principali), mentre altri possono avere solo alcune dimensioni specifiche (esempio, il banco batterie). Ci sarebbero anche casi in cui ci sono richieste volumetriche specifiche, ma non specifiche della forma (per esempio i serbatoi operativi dei siluri e i serbatoi di zavorra principale). A seconda di tali esigenze, un buon progettista darebbe la priorità alle fasi di progettazione e ai parametri che sono fissati in ogni fase.

Uno degli aspetti più vitali della progettazione di un sottomarino è la sua stabilità. Anche se può sembrare semplice rispetto alle navi, la comprensione della stabilità di un sottomarino è più complessa di quella di una nave, in quanto opererebbe sia in condizioni di superficie che sommerse.

E i parametri di stabilità di un sottomarino cambiano drasticamente nel momento in cui un sottomarino si immerge nell’acqua o riemerge, il che dà luogo a un punto in cui il sottomarino è al punto di fluttuazione. Come e perché è quello che discuteremo nel prossimo articolo.

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