Okręty podwodne to podwodne jednostki z własnym napędem, które zostały zaprojektowane i zbudowane do wykonywania operacji podwodnych przez określony czas. Projekt okrętu podwodnego składa się z systemu jedno- lub dwukadłubowego, który mieści wszystkie niezbędne systemy i siłę roboczą wymaganą do wykonania ich misji.

Jest to jednak bardzo prosty opis bardzo złożonego produktu inżynieryjnego, które są wykorzystywane do szerokiego zakresu celów, takich jak badania podwodne, ratownictwo podwodne i wojny podwodnej; ostatni z nich jest najczęściej używany.

W tej serii artykułów, będziemy studiować projektowanie okrętów podwodnych marynarki wojennej. W pierwszych kilku artykułach tej serii, nie będziemy zagłębiać się w proces projektowania, a raczej zapoznamy się z budową i funkcjonalnością okrętu podwodnego, jego częściami, ogólnym układem, projektem strukturalnym i rozmieszczeniem, stabilnością okrętu podwodnego, systemami stosowanymi w okręcie podwodnym, itp.

Gdy już się tym zajmiemy, łatwo będzie nam poruszyć temat procesu projektowania okrętów podwodnych. Chociaż proces projektowania stosowany przez wszystkie marynarki wojenne jest poufny i różni się od siebie, podstawy pozostają takie same.

Podstawowe cele projektowania okrętów podwodnych to:

• Okręt podwodny powinien zaspokajać funkcjonalne przeznaczenie klienta.
• Projekt powinien być możliwy do zbudowania przy użyciu dostępnych zasobów.
• Koszt projektu powinien być do zaakceptowania przez klienta.

Części okrętu podwodnego

Kadłub zewnętrzny i kadłub ciśnieniowy:

Większość projektów okrętów podwodnych ma dwa kadłuby. Kadłub, w którym znajdują się wszystkie pomieszczenia mieszkalne, broń, systemy kontroli broni, łączność i sterownia, baterie akumulatorów, maszyny główne i pomocnicze, jest kadłubem ciśnieniowym. Nazywa się go kadłubem ciśnieniowym, ponieważ został zaprojektowany tak, aby wytrzymać ciśnienie hydrostatyczne na maksymalnej głębokości operacyjnej okrętu podwodnego.

Kadłub ciśnieniowy mieści się wewnątrz kadłuba zewnętrznego, który nie jest szczelny. Dlaczego? Ponieważ w stanie zanurzenia, przestrzenie pomiędzy kadłubem zewnętrznym a wewnętrznym zawsze pozostają zalane wodą morską. Stąd ciśnienie hydrostatyczne na kadłubie zewnętrznym jest pomijalne.

Główne zbiorniki balastowe (MBT):

Teraz przestrzenie „zalewalne” są podzielone na zbiorniki, które w terminologii okrętów podwodnych nazywane są głównymi zbiornikami balastowymi. Rozmieszczenie głównych zbiorników balastowych w okręcie podwodnym zależy od kształtu i wzajemnego oddziaływania kadłuba zewnętrznego i ciśnieniowego.

Zrozumiemy działanie MBT po tym, jak zajmiemy się procesem zanurzania okrętu podwodnego i stabilnością okrętu podwodnego. Niektóre konstrukcje mają MBT tylko w rejonie dziobu i rufy, a pozostała część kadłuba ciśnieniowego jest zlicowana z kadłubem zewnętrznym.

Inne konstrukcje mają zupełnie inny kadłub zewnętrzny i ciśnieniowy, z miejscem na balast pomiędzy nimi. Niektóre układy MBT przedstawiono na rysunkach poniżej.

Żagiel lub płetwa mostkowa:

Żagiel jest opływową, nieciśnieniową częścią okrętu podwodnego znajdującą się nad kadłubem zewnętrznym. Jego różne rodzaje masztów, które są rozmieszczone z wnętrza okrętu podwodnego, gdy snorkel lub żagle tuż pod wolną powierzchnią.

Różne maszty używane w okręcie podwodnym są maszt peryskopu, maszt łączności, maszt radaru, maszt czujnika broni, itp. Są one podnoszone z płetwy mostka, gdy okręt podwodny wymaga monitorowania powierzchni w trybie stealth. Rysunek 7 przedstawia żagiel w okręcie podwodnym, gdy maszty nie są rozmieszczone.

Profil płetwy mostkowej w konstrukcji okrętu podwodnego ma zawsze kształt aerofoilu, ponieważ działa jak wodolot, gdy okręt podwodny pływa tylko z płetwą nad wodą. Kształt ten zmniejsza opór na okręcie podwodnym. Bardzo ważne jest, aby utrzymać opór w pewnych granicach, ponieważ zapobiega to powstawaniu wirów, a w konsekwencji minimalizuje sygnaturę akustyczną okrętu podwodnego.

Powierzchnie sterujące:

Gdy okręt podwodny znajduje się w zanurzeniu, zmiany kierunku i głębokości są dokonywane za pomocą hydroplanów, które działają jako powierzchnie sterujące. Aby zrozumieć zastosowanie hydropłatów, musimy najpierw poznać charakter ruchów doświadczanych przez okręt podwodny w stanie zanurzenia.

W przeciwieństwie do okrętów nawodnych, okręty podwodne podlegają mniejszym ruchom przechyłu i skoku ze względu na brak efektów fal powierzchniowych. Para hydroplan lub płetw w części dziobowej i rufowej służy do niezależnej kontroli przechyłu i skoku. Wodnosamoloty lub płetwy pokazano na rysunku 8.

Dwa wodnosamoloty zamontowane na rufie w płaszczyźnie pionowej służą do zmiany kierunku poprzecznego okrętu podwodnego podczas ruchu. Są one w zasadzie nazywane sterami. Należy pamiętać, że w odróżnieniu od okrętów, stery okrętu podwodnego znajdują się przed śrubą napędową.

Dlaczego? Ponieważ w przypadku okrętu, ster wymaga wypływu ze śruby napędowej dla uzyskania maksymalnej sprawności podnoszenia. Ale w okręcie podwodnym, ponieważ cały kadłub jest zanurzony, niezakłócony przepływ opływowy jest kierowany na powierzchnię steru.

Gdyby ster okrętu podwodnego był umieszczony za śrubą, przepływ na sterze byłby bardziej burzliwy, zwiększając prawdopodobieństwo kawitacji.

Jedną ważną rzeczą do zauważenia jest to, że hydroplany działają z optymalną wydajnością tylko przy dużych prędkościach.

Ogólny układ okrętu podwodnego

Zanim przejdziemy do poznania działania i funkcji różnych systemów na okręcie podwodnym, istotne jest poznanie przestrzennego rozmieszczenia głównych przedziałów i systemów na długości i szerokości kadłuba. Najlepiej będzie to zrozumieć odwołując się do rysunku 9.

Kadłub ciśnieniowy i kadłub zewnętrzny są wyraźnie rozróżnialne na powyższym rysunku konstrukcji okrętu podwodnego. W przedniej części kadłuba ciśnieniowego znajdują się systemy uzbrojenia i czujniki. Czujniki są zwykle umieszczone w zalanej przestrzeni pomiędzy dziobową częścią kadłuba ciśnieniowego a kadłubem zewnętrznym.

Czujniki są zawsze umieszczone w części dziobowej w celu zmniejszenia hałasu spowodowanego przepływem turbulentnym w części rufowej oraz przeszkód dla maszyn w przypadku położenia rufowego. System uzbrojenia obejmuje rury torpedowe, w których mieszczą się torpedy, system wyrzutni torpedowych i zbiorniki operacyjne torped.

Najbardziej wysunięta do przodu część kadłuba ciśnieniowego służy do przechowywania broni. Ładuje się je do tub torpedowych, które znajdują się częściowo w kadłubie ciśnieniowym i sięgają aż do najbardziej wysuniętego do przodu obrzeża kadłuba zewnętrznego.

Środkowa część kadłuba ciśnieniowego służy do następujących celów:

• Systemy sterowania okrętem i bronią: Wszystkie systemy na okręcie podwodnym są zdalnie sterowane z centrum sterowania okrętem i bronią. W przedziale tym znajdują się wszystkie systemy kontroli nawigacyjnej, systemy odpalania broni, panele sterowania i monitorowania maszyn, system zanurzania i wynurzania, system kontroli sterowania itp. Z tego przedziału odbywa się cała komunikacja pomiędzy załogą okrętu podwodnego a bazą marynarki wojennej lub jakimkolwiek zewnętrznym źródłem danych. Dzisiejsze okręty podwodne są zautomatyzowane do tego stopnia, że wszystkie operacje wykonywane na okręcie podwodnym podczas normalnych misji patrolowych i wojennych mogą być wykonywane z tego przedziału, bez konieczności obecności załogi gdziekolwiek poza pomieszczeniem kontrolnym.

• Zakwaterowanie i podtrzymywanie życia: Moduły mieszkalne, moduły toalet, kambuz, chłodnie i komory chłodnicze umieszczone są w przedziale śródokręcia kadłuba ciśnieniowego. Takie usytuowanie jest nie tylko korzystne funkcjonalnie, ale również zapewnia łatwy dostęp do dziobowej i rufowej części okrętu podwodnego. Ponieważ położenie to znajduje się również pod żaglem, czyni ucieczkę najbardziej realną dla załogi w warunkach awaryjnych.

• Bateria akumulatorów: Źródłem energii na okręcie podwodnym z napędem spalinowym są ogniwa wodorowe. Są one ładowane przez alternatory dieslowskie. Baterie składające się z ogniw wodorowych ułożone są w stosy i umieszczone w przedziale zwanym baterią akumulatorów. Zazwyczaj okręt podwodny posiada baterię akumulatorów w więcej niż jednym wodoszczelnym przedziale dla zapewnienia redundancji. Każda bateria akumulatorów ma pojemność wystarczającą do podtrzymania wszystkich operacji wykonywanych przez okręt podwodny w okresie jego wytrzymałości. Wentylacja i eliminacja wodoru z przedziału bateryjnego jest najwyższym priorytetem, gdyż każda obecność wodoru w przedziale może prowadzić do eksplozji.

• Maszyny i urządzenia pomocnicze: Maszyny główne i pomocnicze przyczyniają się do około jednej trzeciej masy okrętu podwodnego. W skład maszyn głównych wchodzą: główne alternatory wysokoprężne, służące do ładowania akumulatorów i związane z nimi systemy, instalacja klimatyzacyjna, główny system powietrza pod wysokim ciśnieniem itp. Przedział maszyn pomocniczych oddzielony jest od przedziału maszyn głównych wodoszczelną grodzią. W przedziale maszyn pomocniczych znajdują się: pomocniczy lub ekonomiczny silnik elektryczny, pomocnicza instalacja prądu zmiennego, pomocnicza instalacja powietrza pod wysokim ciśnieniem itp. Alternatory diesla służą do ładowania akumulatorów, które z kolei zasilają główne i pomocnicze elektryczne silniki napędowe.

• Przedział napędowy: Znajdujący się na rufie kadłuba ciśnieniowego, przedział ten mieści główny elektryczny silnik napędowy, główny wał napędowy i związane z nim systemy, wał ogonowy oraz przednie i tylne dławnice, które są używane do osiągnięcia wodoszczelności przy otworach kadłuba ciśnieniowego i zewnętrznego. W projektach okrętów podwodnych z napędem spalinowo-elektrycznym skrzynia redukcyjna również znajduje się w przedziale napędowym.

Kształt kadłuba okrętu podwodnego:

W początkowym okresie istnienia okrętów podwodnych stosowano kształt kadłuba, który znacznie różnił się od tych stosowanych we współczesnych okrętach podwodnych. Ewolucja kształtu kadłuba i jej przyczyny są więc interesującym aspektem projektowania okrętów podwodnych. Najbardziej idealnym kształtem kadłuba okrętu podwodnego zapewniającym minimalny opór jest idealny opływowy kształt z parabolicznym dziobem i eliptyczną rufą, jak pokazano na Rysunku 10.

Pierwsze okręty podwodne w latach 40-tych XX wieku używały tego kształtu ze względu na minimalne zapotrzebowanie na moc i pomijalną separację przepływu wokół kadłuba. Zauważono jednak, że ze względu na opływowy kształt, objętość użytkowa kadłuba była niewystarczająca, ponieważ promień kadłuba gwałtownie zmniejszał się od rufy do przodu w rejonie śródokręcia. To nie tylko utrzymywało koszty produkcji na wysokim poziomie, ale także osłabiało możliwość włączenia wielu poziomów pokładu.

Kształt kadłuba stosowany w nowoczesnych okrętach podwodnych (od końca lat 70.) to długi cylindryczny kadłub środkowy z eliptycznym dziobem i rufą.

Chociaż odejście od idealnego opływowego kształtu zwiększa opór powietrza, a w konsekwencji zapotrzebowanie na moc, dodatkowe koszty paliwa w całym okresie eksploatacji okrętu podwodnego są rekompensowane przez niskie koszty produkcji, ponieważ sekcje cylindryczne są znacznie tańsze i łatwiejsze do skonstruowania. Kształt ten umożliwia również włączenie wielu pokładów w obrębie tej samej objętości kadłuba, a więc zapewnia większe wykorzystanie przestrzeni.

Należy wiedzieć, że kształt i geometria kadłuba okrętu podwodnego jest ważnym punktem wyjściowym projektu, ponieważ nie tylko dyktuje wyżej wymieniony punkt, ale również wpływa na szereg innych czynników okrętu podwodnego, omówionych poniżej.

Cylindryczny kształt kadłuba zwiększa manewrowość okrętu podwodnego ze względu na większe siły hydrodynamiczne generowane przez działanie hydroplanowe. Zaobserwowano również, że minimalny opór całkowity na kadłubie i najlepsze właściwości manewrowe uzyskuje się dla stosunku długości do szerokości w zakresie od 6 do 8.

Średnica okrętu podwodnego jest ustalana głównie na podstawie długości. Natomiast długość jest ustalana na podstawie wymaganej objętości kadłuba ciśnieniowego i wyporności okrętu podwodnego. Wielopokładowość zwiększa użyteczność objętości kadłuba ciśnieniowego, a o liczbie możliwych poziomów pokładów w okręcie podwodnym decyduje przede wszystkim jego średnica.

Okręt podwodny z jednym pokładem miałby dwa poziomy w kadłubie ciśnieniowym. Okręty podwodne o średnicach kadłuba od 4 do 7 metrów są ograniczone do jednego pokładu. Pozwalałby on na dwa dostępne poziomy – poniżej poziomu pokładu i powyżej poziomu pokładu, jak pokazano na rysunku poniżej.

Dwa pokłady z trzema dostępnymi poziomami są możliwe w okrętach podwodnych o średnicy kadłuba od 7 do 8 metrów. Duże okręty podwodne z napędem spalinowo-elektrycznym mają zwykle takie wymiary.

Trójpokłady i konstrukcje z grubym pokładem są stosowane dla kadłubów o średnicach od 9 do 11 metrów i od 11 do 13 metrów. Tak duże średnice są stosowane głównie w okrętach podwodnych z napędem jądrowym, gdzie wymagana jest duża przestrzeń pionowa dla elektrowni jądrowej.

Przy omówionych w tym artykule aspektach projektowania okrętów podwodnych, punktem spornym, który należy wydobyć jest to, że znając części i funkcje okrętu podwodnego i jego systemów, sztuka i umiejętności dobrego projektanta polegają na próbie osiągnięcia maksymalnej sprawności objętościowej projektu.

Istnieją pewne przestrzenie w okręcie podwodnym, które mogą być bardzo specyficzne pod względem objętości (na przykład główne zbiorniki balastowe), podczas gdy niektóre mogą mieć tylko kilka specyficznych wymiarów (na przykład bateria akumulatorów). Istnieją również przypadki, w których występują określone wymagania objętościowe, ale nie mają one określonego kształtu (na przykład zbiorniki operacyjne torped i główne zbiorniki balastowe). W zależności od takich wymagań, dobry projektant nadałby priorytety etapom projektowania i parametrom, które są ustalone na każdym etapie.

Jednym z najbardziej istotnych aspektów projektowania okrętów podwodnych jest ich stateczność. Choć może się to wydawać proste w porównaniu z okrętami, zrozumienie stateczności okrętu podwodnego jest bardziej złożone niż okrętu, ponieważ będzie on działał zarówno w warunkach wynurzonych jak i zanurzonych.

A parametry stateczności okrętu podwodnego zmieniają się drastycznie w momencie zanurzenia lub wynurzenia, co prowadzi do punktu, w którym okręt podwodny znajduje się w punkcie krytycznym flądry. Jak i dlaczego, o tym porozmawiamy w następnym artykule.

Zastrzeżenie: Poglądy autorów wyrażone w tym artykule niekoniecznie odzwierciedlają poglądy Marine Insight. Dane i wykresy, jeśli zostały użyte, w artykule zostały pozyskane z dostępnych informacji i nie zostały uwierzytelnione przez żaden organ ustawowy. Autor i Marine Insight nie twierdzą, że są one dokładne i nie ponoszą żadnej odpowiedzialności za nie. Poglądy stanowią jedynie opinie i nie stanowią żadnych wytycznych ani zaleceń co do sposobu postępowania czytelnika.

Artykuł lub obrazy nie mogą być powielane, kopiowane, udostępniane lub używane w jakiejkolwiek formie bez zgody autora i Marine Insight.

Tagi: projektowanie okrętów podwodnych

.