Submarinele sunt ambarcațiuni subacvatice autopropulsate care sunt proiectate și construite pentru a efectua operațiuni subacvatice pentru o perioadă de timp stipulată. Proiectarea submarinelor constă într-un sistem cu cocă simplă sau dublă care adăpostește toate sistemele necesare și forța de muncă necesară pentru îndeplinirea misiunii lor.

Aceasta este, totuși, o descriere foarte simplă a unui produs ingineresc foarte complex, care sunt utilizate pentru o gamă largă de scopuri, cum ar fi cercetarea subacvatică, salvarea subacvatică și războiul submarin; ultimul fiind cel mai utilizat.

În această serie de articole, vom studia proiectarea submarinelor navale. În primele câteva articole ale acestei serii, nu vom aborda procesul de proiectare, ci mai degrabă ne vom familiariza cu designul și funcționalitățile unui submarin, cu piesele sale, cu dispunerea generală, cu designul și dispunerea structurală, cu stabilitatea unui submarin, cu sistemele utilizate într-un submarin etc.

După ce am studiat aceste aspecte, ne-ar fi ușor să abordăm procesul de proiectare a submarinelor. Deși procesul de proiectare urmat de toate forțele navale este confidențial și diferit unul de celălalt, elementele de bază rămân aceleași.

Obiectivele principale de proiectare a submarinelor sunt:

• Submarinul ar trebui să răspundă scopului funcțional al clientului.
• Proiectul ar trebui să poată fi construit cu resursele disponibile.
• Costul proiectului ar trebui să fie acceptabil pentru client.

Părți ale unui submarin

Cava exterioară și corpul sub presiune:

Majoritatea modelelor de submarine au două corpuri de navă. Învelișul care adăpostește toate spațiile de cazare, armele, sistemele de control al armelor, camera de comunicații și de control, băncile de baterii, mașinile principale și auxiliare, este corpul sub presiune. Se numește corpul de presiune pentru că este proiectat să reziste la presiunea hidrostatică la adâncimea maximă operabilă a submarinului.

Cava de presiune este adăpostit în interiorul corpului exterior, care nu este etanș la presiune. De ce? Pentru că, în condiții de scufundare, spațiile dintre coca exterioară și cea interioară rămân întotdeauna inundate cu apă de mare. Prin urmare, presiunea hidrostatică asupra carenei exterioare este neglijabilă.

Cisternele principale de balast (MBT):

Acum, spațiile „inundabile” sunt compartimentate în rezervoare, care, în terminologia submarină, se numesc rezervoare principale de balast. Distribuția rezervoarelor principale de balast într-un submarin depinde de forma și interacțiunea corpului exterior și a corpului de presiune.

Vom înțelege funcționarea MBT-urilor după ce ne vom ocupa de procesul de scufundare a unui submarin și de stabilitatea submarinului. Unele modele au MBT-uri doar în regiunile din față și din pupa, iar restul corpului de presiune este racordat la corpul exterior.

Alte modele au corpul exterior și corpul de presiune complet diferite, cu spațiu pentru balast între ele. Unele aranjamente ale MBT-urilor sunt prezentate în figurile de mai jos.

Pânza sau aripioara de punte:

Pânza este partea de formă aerodinamică, nerezistentă la presiune, a submarinului, deasupra corpului exterior. Diferitele sale tipuri de catarge care sunt desfășurate din interiorul submarinului atunci când snorklează sau navighează chiar sub suprafața liberă.

Diferitele catarge folosite într-un submarin sunt catargul periscopului, catargul de comunicații, catargul radar, catargul senzorilor de armament etc. Aceștia sunt ridicați de pe aripioara punții atunci când submarinul are nevoie de monitorizare la suprafață în modul invizibil. Figura 7 prezintă vela într-un submarin atunci când catargele nu sunt desfășurate.

Profilul aripioarei de punte în proiectarea unui submarin are întotdeauna o formă de aerofilă, deoarece acționează ca o hidroavionă, submarinul navigând doar cu aripioara deasupra apei. Această formă reduce rezistența la înaintare a submarinului. Este foarte important ca rezistența la înaintare să fie menținută în limite, deoarece previne formarea de vârtejuri și, ulterior, reduce la minimum semnătura acustică a submarinului.

Suprafețe de control:

Când submarinul este în stare scufundată, schimbările de direcție și adâncime se realizează prin utilizarea hidroplanurilor care acționează ca suprafețe de control. Pentru a înțelege aplicarea hidroplanurilor, trebuie mai întâi să cunoaștem natura mișcărilor resimțite de un submarin în stare scufundată.

Spre deosebire de o navă de suprafață, submarinele sunt supuse unor mișcări mai mici de înălțare și de tangaj datorită absenței efectelor valurilor de suprafață. O pereche de hidroplane sau de aripioare la prova și la pupa sunt folosite pentru a controla în mod independent mișcările de înălțare și de tangaj. Hidroplanele sau aripioarele sunt prezentate în figura 8.

Două hidroplane montate la pupa în plan vertical sunt folosite pentru a schimba direcția laterală a submarinului atunci când se află în mișcare. Acestea se numesc practic cârme. Rețineți că, spre deosebire de nave, cârmele unui submarin se află în fața elicei.

De ce? Pentru că, în cazul unei nave, cârma are nevoie de ieșirea elicei pentru o eficiență maximă a portanței. Dar în cazul unui submarin, deoarece întregul fuselaj este scufundat, un flux aerodinamic netulburat este incident pe suprafața cârmei.

Dacă cârma submarinului ar fi plasată în spatele elicei, fluxul de pe cârmă ar fi mai turbulent, crescând probabilitatea de cavitație.

Un lucru important de reținut este că hidroavioanele funcționează la eficiență optimă numai la viteze mari.

Dispoziția generală a unui submarin

Înainte de a trece la cunoașterea funcționării și a funcțiilor diferitelor sisteme de pe un submarin, este vital să se cunoască distribuția spațială a principalelor compartimente și sisteme pe lungimea și lățimea corpului navei. Acest lucru va fi cel mai bine înțeles dacă ne referim la figura 9.

Casa de presiune și coca exterioară se disting clar în figura de mai sus a proiectului submarinului. Partea din față a corpului sub presiune adăpostește sistemele de armament și senzorii. Senzorii sunt de obicei adăpostiți în spațiul inundat dintre partea din față a corpului sub presiune și corpul exterior al navei.

Senzorii sunt întotdeauna plasați în partea din față pentru reducerea zgomotului cauzat de fluxul turbulent de la pupa și pentru obstrucționarea mașinilor în cazul în care sunt poziționate spre pupa. Sistemul de armament include tuburile torpilelor care adăpostesc torpilele, sistemul de lansare a torpilelor și rezervoarele de operare a torpilelor.

Partea cea mai din față a corpului de presiune este folosită pentru depozitarea armelor. Acestea sunt încărcate în tuburile torpilelor, care sunt situate parțial în interiorul corpului de presiune și se extind până la periferia cea mai din față a corpului exterior.

Partea centrală a corpului de presiune este utilizată pentru următoarele scopuri:

• Sisteme de control al navei și al armelor: Toate sistemele de pe submarin sunt operate de la distanță de la centrul de control al navei și al armelor. Acest compartiment găzduiește toate sistemele de control al navigației, sistemele de tragere a armelor, panourile de control și monitorizare a mașinilor, sistemul de scufundare și de ieșire la suprafață, sistemul de control al direcției etc. Toate comunicațiile dintre echipajul submarinului și baza navală sau orice sursă externă de date se realizează din acest compartiment. Submarinele de astăzi sunt automatizate într-o asemenea măsură, încât toate operațiunile de pe un submarin în timpul misiunilor normale de patrulare și de război pot fi efectuate din acest compartiment, fără ca echipajul să fie necesar să fie prezent oriunde în afara sălii de comandă.

• Cazare și suport vital: Modulele de cazare, modulele de toaletă, bucătăria, camerele frigorifice și de răcire sunt amplasate în compartimentul median al corpului de presiune. O astfel de poziționare nu este benefică doar din punct de vedere funcțional, ci asigură și un acces ușor la părțile din față și din spate ale submarinului. Deoarece această poziție se află, de asemenea, sub vele, face ca evacuarea să fie cea mai fezabilă pentru echipaj în condiții de urgență.

• Banca de baterii: Sursa de energie pe un submarin diesel este reprezentată de pilele de hidrogen. Acestea sunt încărcate de alternatoare diesel. Bateriile formate din unități de celule de hidrogen sunt stivuite în matrice și plasate într-un compartiment numit bancă de baterii. De obicei, un submarin are o bancă de baterii în mai multe compartimente etanșe pentru redundanță. Fiecare bancă de baterii are o capacitate suficientă pentru a susține toate operațiunile submarinului pe perioada de anduranță a acestuia. Ventilarea și eliminarea hidrogenului din compartimentul de baterii reprezintă o prioritate absolută, deoarece orice prezență de hidrogen în compartiment poate duce la explozii.

• Mașini și mașini auxiliare: Utilajele principale și auxiliare contribuie la aproximativ o treime din greutatea submarinului. Utilajele principale constau din alternatoarele diesel principale care sunt utilizate pentru încărcarea bateriilor și a sistemelor sale asociate, instalația de aer condiționat, sistemul principal de aer de înaltă presiune etc. Compartimentul mașinilor auxiliare este separat de compartimentul mașinilor principale printr-un perete etanș. Motorul electric auxiliar sau economic, instalația auxiliară de curent alternativ, sistemul auxiliar de aer de înaltă presiune, etc. sunt adăpostite în compartimentul mașinilor auxiliare. Alternatoarele diesel sunt utilizate pentru a încărca bateriile, care la rândul lor alimentează motoarele electrice de propulsie principale și auxiliare.

• Compartimentul de propulsie: Situat în partea din spate a corpului sub presiune, acest compartiment adăpostește motorul electric principal de propulsie, arborele principal de propulsie și sistemele asociate acestuia, arborele de coadă, precum și presetupele din față și din spate care sunt utilizate pentru a obține etanșeitatea la apă la deschiderile corpului sub presiune și ale corpului exterior. În proiectarea submarinelor diesel-electrice, reductorul se află, de asemenea, în compartimentul de propulsie.

Designul corpului unui submarin:

Cele mai inițiale submarine foloseau o formă a corpului care era mult diferită de cele folosite la submarinele din zilele noastre. Evoluția formei corpului navei și motivele care stau la baza acesteia reprezintă, prin urmare, un aspect interesant al proiectării submarinelor. Forma cea mai ideală a corpului unui submarin pentru o rezistență minimă la înaintare este forma aerodinamică ideală, cu o prora parabolică și o pupă eliptică, așa cum se arată în figura 10.

Primile submarine din anii 1940 au folosit această formă pentru un necesar minim de putere și o separare neglijabilă a fluxului în jurul corpului. Dar s-a observat că, din cauza formei aerodinamice, volumul utilizabil în interiorul carenei era insuficient, deoarece raza carenei a cunoscut o scădere abruptă chiar de la pupa și înainte de regiunea mediană a navei. Acest lucru nu numai că a menținut costurile de producție la un nivel ridicat, dar a slăbit, de asemenea, posibilitatea de a încorpora mai multe niveluri de punte.

Forma corpului folosită în submarinele moderne (de la sfârșitul anilor 1970) este corpul median cilindric lung cu prova și pupa eliptice.

Chiar dacă trecerea de la forma aerodinamică ideală mărește rezistența la înaintare și necesarul de energie ulterioară, costurile suplimentare cu combustibilul pe durata de viață a submarinului sunt compensate de costurile reduse de producție, deoarece secțiunile cilindrice sunt mult mai ieftine și mai ușor de construit. Această formă permite, de asemenea, încorporarea mai multor punți în cadrul aceluiași volum al corpului, asigurând astfel o utilizare mai spațială.

Este important de știut că forma și geometria corpului unui submarin este un punct de plecare important al proiectării, deoarece nu numai că ar dicta punctul menționat mai sus, dar ar afecta și o serie de alți factori ai submarinului, după cum se discută mai jos.

O formă cilindrică a corpului crește manevrabilitatea submarinului datorită unor forțe hidrodinamice mai mari generate de acțiunea hidroplanului. S-a observat, de asemenea, că rezistența totală minimă la înaintare a corpului și cele mai bune caracteristici de manevrabilitate se obțin pentru rapoarte lungime/largime cuprinse între 6 și 8.

Diametrul submarinului se decide în primul rând pe baza lungimii. Iar lungimea se stabilește pe baza volumului presurizat necesar al corpului navei și a deplasării submarinului. Punțile multiple sporesc capacitatea de utilizare a volumului corpului de presiune, iar numărul de niveluri de punte posibile într-un submarin este decis în primul rând în funcție de diametrul acestuia.

Un submarin cu o punte ar avea două niveluri în interiorul corpului de presiune. Submarinele cu diametrul corpului cuprins între 4 și 7 metri sunt limitate la o singură punte. Aceasta ar permite două niveluri accesibile – sub nivelul punții și deasupra nivelului punții, așa cum se arată în figura de mai jos.

Punți duble cu trei niveluri accesibile sunt posibile la submarinele cu diametrul corpului cuprins între 7 și 8 metri. Submarinele diesel-electrice de mari dimensiuni au, de obicei, această dimensiune.

Pontele triple și modelele de punți dourite sunt utilizate pentru diametre ale corpului cuprinse între 9 și 11 metri și între 11 și 13 metri. Astfel de diametre mari sunt folosite mai ales la submarinele cu propulsie nucleară, unde este necesar un spațiu vertical mare pentru centrala nucleară.

Cu toate aspectele de proiectare a submarinelor discutate în acest articol, punctul discutabil care trebuie extras este că, după ce se cunosc părțile și funcțiile submarinului și sistemele sale, arta și priceperea unui bun proiectant constă în încercarea de a obține o eficiență volumetrică maximă pentru un proiect.

Există unele spații din submarin care pot avea un volum foarte specific (de exemplu, rezervoarele principale de balast), în timp ce altele pot avea doar câteva dimensiuni specifice (de exemplu, banca de baterii). Ar exista, de asemenea, cazuri în care există cerințe volumetrice specifice, dar care nu sunt specifice formei (de exemplu, rezervoarele de operare a torpilelor și rezervoarele principale de balast). În funcție de astfel de cerințe, un bun proiectant ar prioritiza etapele de proiectare și parametrii care sunt fixați în fiecare etapă.

Unul dintre cele mai vitale aspecte ale proiectării unui submarin este stabilitatea acestuia. Deși poate părea simplu în comparație cu navele, înțelegerea stabilității unui submarin este mai complexă decât cea a unei nave, deoarece acesta ar funcționa atât în condiții de suprafață, cât și în condiții de scufundare.

Și parametrii de stabilitate ai unui submarin se schimbă drastic în momentul în care un submarin se scufundă în apă sau iese la suprafață, ceea ce dă naștere la un punct în care submarinul se află în punctul critic de plutire. Cum și de ce, este ceea ce vom discuta în următorul articol.

Disclaimer: Opiniile autorilor exprimate în acest articol nu reflectă neapărat punctul de vedere al Marine Insight. Datele și hărțile, în cazul în care au fost utilizate în articol, provin din informații disponibile și nu au fost autentificate de nicio autoritate legală. Autorul și Marine Insight nu pretind că acestea sunt exacte și nici nu își asumă vreo responsabilitate pentru acestea. Punctele de vedere constituie doar opiniile și nu constituie nicio îndrumare sau recomandare cu privire la vreun curs de acțiune care să fie urmat de către cititor.

Articolul sau imaginile nu pot fi reproduse, copiate, partajate sau utilizate sub nicio formă fără permisiunea autorului și a Marine Insight.

Tags: designul submarinelor

.