Onderzeeboten zijn onderzeeboten met eigen aandrijving die zijn ontworpen en gebouwd om onder water operaties uit te voeren gedurende een bepaalde tijd. Het ontwerp van een onderzeeboot bestaat uit een enkel- of dubbelwandig systeem waarin alle noodzakelijke systemen en mankracht zijn ondergebracht die nodig zijn voor het volbrengen van hun missie.

Dit is echter een zeer eenvoudige beschrijving van een zeer complex technisch product, dat wordt gebruikt voor een breed scala aan doeleinden, zoals onderwateronderzoek, onderwaterredding en onderzeebootoorlogvoering; de laatste wordt het meest gebruikt.

In deze serie artikelen zullen we het ontwerp van marineonderzeeboten bestuderen. In de eerste artikelen van deze serie gaan we niet in op het ontwerpproces, maar maken we ons vertrouwd met het ontwerp en de functionaliteiten van een onderzeeboot, de onderdelen, de algemene indeling, het constructieve ontwerp en de indeling, de stabiliteit van een onderzeeboot, de systemen die in een onderzeeboot worden gebruikt, enz.

Als we deze hebben bekeken, zou het voor ons gemakkelijk zijn om het ontwerpproces van een onderzeeboot aan te raken. Hoewel het ontwerpproces dat door alle marines wordt gevolgd vertrouwelijk is en van elkaar verschilt, blijven de basisprincipes toch hetzelfde.

De primaire doelstellingen voor het ontwerp van onderzeeboten zijn:

• De onderzeeboot moet tegemoetkomen aan het functionele doel van de klant.
• Het ontwerp moet met de beschikbare middelen kunnen worden gebouwd.
• De kosten van het project moeten voor de klant aanvaardbaar zijn.

Delen van een onderzeeboot

Buitenromp en drukromp:

De meeste ontwerpen van onderzeeboten hebben twee casco’s. De romp waarin alle verblijfsruimten, wapens, wapenbesturingssystemen, communicatie- en controlekamer, accubanken, hoofd- en hulpmachines zijn ondergebracht, is de drukromp. Het wordt de drukromp genoemd omdat het is ontworpen om de hydrostatische druk te weerstaan bij de maximale bedienbare diepte van de onderzeeër.

De drukromp is gehuisvest binnen de buitenromp, die niet drukdicht is. Waarom? Omdat, in ondergedompelde toestand, de ruimten tussen de buiten- en de binnenromp altijd met zeewater overstroomd blijven. De hydrostatische druk op de buitenromp is dus te verwaarlozen.

Hoofdballasttanks (MBT’s):

Nu zijn de “overstroombare” ruimten gecompartimenteerd in tanks, die in onderzeebootterminologie hoofdballasttanks worden genoemd. De verdeling van de hoofdballasttanks in een onderzeeboot hangt af van de vorm en de interactie van de buiten- en drukromp.

We zullen de werking van MBT’s begrijpen nadat we het proces van het onder water zetten van een onderzeeboot, en de stabiliteit van de onderzeeboot hebben behandeld. Sommige ontwerpen hebben MBT’s alleen aan de voor- en achterzijde, en de rest van de drukromp wordt doorgespoeld met de buitenromp.

Andere ontwerpen hebben een geheel andere buiten- en drukromp, met daartussen ruimte voor ballast. Enkele opstellingen van MBT’s zijn in onderstaande figuren weergegeven.

Zeil of Brugvin:

Het zeil is het gestroomlijnd gevormde niet-drukbestendige deel van de onderzeeboot boven de buitenste romp. Het zijn verschillende soorten masten die vanuit het binnenste van de onderzeeër bij het snorkelen of zeilen net onder het vrije oppervlak worden ingezet.

De verschillende masten die in een onderzeeër worden gebruikt zijn periscoopmast, communicatiemast, radarmast, wapensensormast, enz. Deze worden vanaf de brugvin omhoog gebracht wanneer de onderzeeboot in stealth-modus oppervlaktebewaking nodig heeft. Figuur 7 toont het zeil in een onderzeeboot wanneer de masten niet zijn uitgeklapt.

Het profiel van de brugvin in een onderzeebootontwerp is altijd een aerofoilvorm, omdat hij fungeert als een draagvleugel met de onderzeebootzeilen met alleen de vin boven water. Deze vorm vermindert de luchtweerstand van de onderzeeër. Het is zeer belangrijk om de weerstand binnen de perken te houden omdat dit wervelingen voorkomt en vervolgens de akoestische signatuur van de onderzeeër minimaliseert.

Controle Surfaces:

Wanneer de onderzeeër zich in ondergedompelde toestand bevindt, worden veranderingen in richting en diepte uitgevoerd door gebruik te maken van hydroplanes die fungeren als controleoppervlakken. Om de toepassing van watervliegtuigen te begrijpen, moeten we eerst de aard van de bewegingen kennen die een onderzeeër in ondergedompelde toestand ondergaat.

In tegenstelling tot een oppervlakteschip zijn onderzeeërs minder onderhevig aan hef- en stampbewegingen door de afwezigheid van oppervlaktegolfeffecten. Een paar hydroplanes of vinnen aan de voor- en achterzijde worden gebruikt om de heave en pitch onafhankelijk te controleren. De hydroplanes of vinnen zijn afgebeeld in figuur 8.

Twee hydroplanes die achteraan in het verticale vlak zijn gemonteerd, worden gebruikt om de zijdelingse richting van de onderzeeër te veranderen wanneer deze in beweging is. Deze worden in feite roeren genoemd. Merk op dat in tegenstelling tot schepen, de roeren van een onderzeeër zich vóór de propeller bevinden.

Waarom? Omdat in het geval van een schip, het roer de propeller uitstroom nodig heeft voor maximale lift efficiëntie. Maar in een onderzeeboot, omdat de gehele romp onder water is, valt een ongestoorde gestroomlijnde stroming op het roeroppervlak.

Als het onderzees roer achter de propeller zou zijn geplaatst, zou de stroming op het roer turbulenter zijn, waardoor de kans op cavitatie zou toenemen.

Een belangrijk ding om op te merken is, dat hydroplanes alleen bij hoge snelheden optimaal werken.

Algemene inrichting van een onderzeeër

Voordat men de werking en functies van de verschillende systemen op een onderzeeër gaat kennen, is het van vitaal belang de ruimtelijke verdeling van de belangrijkste compartimenten en systemen over de lengte en de breedte van de romp te kennen. Dit kan het best worden begrepen aan de hand van figuur 9.

De drukromp en de buitenromp zijn in bovenstaande figuur van het ontwerp van de onderzeeboot duidelijk van elkaar te onderscheiden. In het voorste deel van de drukromp zijn de wapensystemen en de sensoren ondergebracht. De sensoren zijn gewoonlijk ondergebracht in de ondergelopen ruimte tussen het voorste deel van de drukromp en de buitenromp.

Sensoren worden altijd aan de voorzijde geplaatst ter vermindering van het geluid van turbulente stroming aan de achterzijde en belemmering van machines in geval van achterwaartse positie. Het wapensysteem omvat de torpedobuizen waarin de torpedo’s zijn ondergebracht, het torpedolanceersysteem en de torpedobedrijfstanks.

Het voorste deel van de drukromp wordt gebruikt om de wapens op te slaan. Ze worden geladen in de torpedobuizen die gedeeltelijk binnen in de drukromp liggen en zich uitstrekken tot de voorste meest periferie van de buitenste romp.

Het midscheepse gedeelte van de drukromp wordt gebruikt voor de volgende doeleinden:

• Scheeps- en wapenbesturingssystemen: Alle systemen op de onderzeeboot worden op afstand bediend vanuit het scheeps- en wapencontrolecentrum. In dit compartiment bevinden zich alle besturingssystemen voor de navigatie, de afvuursystemen voor de wapens, de controle- en bewakingspanelen voor de machines, het duik- en opduiksysteem, de stuurinrichting, enz. Alle communicatie tussen de bemanning van de onderzeeër en de marinebasis of een externe gegevensbron vindt plaats vanuit dit compartiment. Alle communicatie tussen de onderzeebootbemanning en de marinebasis of een externe gegevensbron vindt plaats vanuit dit compartiment. Tegenwoordig zijn onderzeeboten zo ver geautomatiseerd dat alle operaties op een onderzeeboot tijdens normale patrouille- en oorlogsmissies vanuit dit compartiment kunnen worden uitgevoerd, zonder dat de bemanning buiten de controlekamer aanwezig hoeft te zijn.

• Accommodatie en levensondersteuning: De accommodatiemodules, toiletmodules, kombuis, koel- en vriesruimten zijn geplaatst in het midscheepscompartiment van de drukromp. Een dergelijke plaatsing is niet alleen functioneel gunstig, maar biedt ook een gemakkelijke toegang tot de voor- en achterdelen van de onderzeeër. Aangezien deze positie zich ook onder het zeil bevindt, is ontsnapping voor de bemanning in noodsituaties het meest haalbaar.

• Accubank: De krachtbron op een dieselonderzeeër zijn waterstofcellen. Deze worden opgeladen door diesel-dynamo’s. De batterijen die uit waterstofcellen bestaan, worden in rijen gestapeld en in een compartiment geplaatst dat de batterijbank wordt genoemd. Gewoonlijk heeft een onderzeeër een accubank in meer dan één waterdicht compartiment voor redundantie. Elke batterijbank heeft een capaciteit die volstaat om alle verrichtingen van de onderzeeër tijdens zijn uithoudingsperiode te ondersteunen. Ventilatie en eliminatie van waterstof uit het batterijcompartiment is een topprioriteit, aangezien elke aanwezigheid van waterstof in het compartiment tot explosies kan leiden.

• Machines en hulpmachines: De hoofd- en hulpmachines zijn goed voor ongeveer een derde van het gewicht van de onderzeeër. De hoofdmachines bestaan uit de belangrijkste dieselgeneratoren die worden gebruikt om de accu’s op te laden en de bijbehorende systemen, de airconditioninginstallatie, het belangrijkste hogedrukluchtsysteem, enz. Het compartiment voor de hulpmachines is van het compartiment voor de hoofdmachines gescheiden door een waterdicht schot. In de hulpmachinekamer bevinden zich de hulp- of economische elektromotor, de hulpwisselstroominstallatie, het hulp-hogedruk-luchtsysteem, enz. De diesel-dynamo’s worden gebruikt om de accu’s op te laden, die op hun beurt de elektrische hoofd- en hulpvoortstuwingsmotoren aandrijven.

• Voortstuwingscompartiment: Dit compartiment bevindt zich aan de achterzijde van de drukromp en herbergt de elektrische hoofdvoortstuwingsmotor, de hoofdvoortstuwingsas en de bijbehorende systemen, de staartas, en de voor- en achterkanalen die worden gebruikt om waterdichtheid te bereiken bij de drukromp- en buitenrompopeningen. Bij het ontwerp van dieselelektrische onderzeeboten bevindt de reductiekast zich eveneens in het voortstuwingscompartiment.

Rompvorm van een onderzeebootontwerp:

De meeste oorspronkelijke onderzeeboten gebruikten een rompvorm die sterk verschilde van die welke in de hedendaagse onderzeeboten wordt gebruikt. De evolutie van de rompvorm en de redenen erachter is dus een interessant aspect van het onderzeebootontwerp. De meest ideale vorm van een onderzeebootromp voor een minimale weerstand is de ideale gestroomlijnde vorm met een parabolische boeg en een elliptische achtersteven, zoals weergegeven in figuur 10.

De eerste onderzeeboten in de jaren 40 gebruikten deze vorm voor een minimaal benodigd vermogen en een verwaarloosbare stromingsscheiding rond de romp. Maar men stelde vast dat door de stroomlijnvorm het bruikbare volume binnen de romp onvoldoende was, omdat de straal van de romp sterk afnam van vlak achter en voor het midscheepsgebied. Dit hield niet alleen de productiekosten hoog, maar verzwakte ook de mogelijkheid om meerdere dekniveaus in te bouwen.

De rompvorm die in moderne onderzeeboten (sinds het eind van de jaren zeventig) wordt gebruikt, is de lange cilindrische middenromp met ellipsvormige boeg en achtersteven.

Hoewel een verschuiving van de ideale gestroomlijnde vorm de luchtweerstand en de daaruit voortvloeiende vermogensbehoefte doet toenemen, worden de extra brandstofkosten gedurende de levensduur van de onderzeeboot gecompenseerd door de lage productiekosten, aangezien cilindrische secties veel goedkoper en gemakkelijker te bouwen zijn. Deze vorm maakt het ook mogelijk meerdere dekken in hetzelfde rompvolume op te nemen, waardoor een ruimtelijker gebruik mogelijk is.

Het is belangrijk te weten dat de vorm en geometrie van de romp van een onderzeeboot een belangrijk uitgangspunt van het ontwerp is, omdat het niet alleen het bovengenoemde punt zou dicteren, maar ook van invloed zou zijn op een reeks andere factoren van de onderzeeboot, zoals hieronder besproken.

Een cilindrische rompvorm vergroot de manoeuvreerbaarheid van de onderzeeboot als gevolg van grotere hydrodynamische krachten die door hydroplane actie worden opgewekt. Ook is waargenomen dat de minimale totale weerstand op de romp en de beste manoeuvreereigenschappen worden verkregen voor lengte-breedteverhoudingen variërend van 6 tot 8.

De diameter van de onderzeeër wordt in eerste instantie bepaald op basis van de lengte. En de lengte wordt vastgesteld op basis van het vereiste drukrompvolume en de waterverplaatsing van de onderzeeër. Meerde dekken vergroten de bruikbaarheid van het drukrompvolume, en het aantal mogelijke dekniveaus in een onderzeeboot wordt in de eerste plaats bepaald door de diameter.

Een onderzeeboot met één dek zou twee niveaus binnen zijn drukromp hebben. Onderzeeërs met een rompdiameter tussen 4 en 7 meter zijn beperkt tot één dek. Dit zou twee toegankelijke niveaus mogelijk maken – onder dekniveau en boven dekniveau, zoals in de onderstaande figuur is aangegeven.

Twee dekken met drie toegankelijke niveaus zijn mogelijk in onderzeeërs met een rompdiameter variërend van 7 tot 8 meter. Grote diesel-elektrische onderzeeboten hebben meestal deze afmetingen.

Triple decks en dour deck ontwerpen worden gebruikt voor rompdiameters van 9 tot 11 meter en 11 tot 13 meter. Dergelijke grote diameters worden meestal gebruikt in door kernenergie aangedreven onderzeeboten, waar grote verticale ruimte nodig is voor de kerncentrale.

Met de in dit artikel besproken aspecten van het ontwerpen van onderzeeboten, is het moot punt dat eruit moet worden gehaald dat, nadat de onderdelen en functies van de onderzeeboot en zijn systemen bekend zijn, de kunst en vaardigheid van een goede ontwerper ligt in het trachten een maximaal volumetrisch rendement voor een ontwerp te bereiken.

Er zijn bepaalde ruimten binnen de onderzeeër die zeer volumespecifiek kunnen zijn (bijvoorbeeld de hoofdballasttanks), terwijl andere slechts enkele specifieke afmetingen kunnen hebben (bijvoorbeeld de accubank). Er zouden ook gevallen zijn waarin er specifieke volumetrische eisen zijn, maar niet vormspecifiek (bijvoorbeeld torpedobedrijfstanks en hoofdballasttanks). Afhankelijk van dergelijke eisen zou een goede ontwerper de ontwerpstadia en de parameters die in elk stadium worden vastgesteld, prioriteren.

Een van de meest vitale aspecten van het ontwerp van een onderzeeër is zijn stabiliteit. Hoewel het eenvoudig lijkt in vergelijking met schepen, is het begrip van de stabiliteit van een onderzeeër complexer dan dat van een schip, omdat het zowel aan de oppervlakte als onder water zou werken.

En de stabiliteitsparameters van een onderzeeër veranderen drastisch op het moment dat een onderzeeër in het water duikt of weer boven water komt, wat aanleiding geeft tot een punt waarop de onderzeeër op het kantelpunt van spartelen staat. Hoe en waarom is wat we zullen bespreken in het volgende artikel.

Disclaimer: De standpunten van de auteurs in dit artikel weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs de standpunten van Marine Insight. Gegevens en grafieken, indien gebruikt, in het artikel zijn afkomstig van beschikbare informatie en zijn niet geauthenticeerd door een wettelijke autoriteit. De auteur en Marine Insight beweren niet dat deze accuraat zijn en aanvaarden geen enkele verantwoordelijkheid daarvoor. De standpunten vormen slechts de meningen en vormen geen richtlijnen of aanbevelingen over een door de lezer te volgen handelwijze.

Het artikel of afbeeldingen mogen niet worden gereproduceerd, gekopieerd, gedeeld of gebruikt in welke vorm dan ook zonder de toestemming van de auteur en Marine Insight.

Tags: onderzeebootontwerp