Utubåtar är självgående undervattensfarkoster som är konstruerade och byggda för att utföra undervattensverksamhet under en viss tid. Ubåtskonstruktionen består av ett system med enkel- eller dubbelskrov som rymmer alla nödvändiga system och all den personal som krävs för att fullfölja uppdraget.

Detta är dock en mycket enkel beskrivning av en mycket komplex teknisk produkt, som används för ett brett spektrum av syften såsom undervattensforskning, undervattensräddning och ubåtskrigföring; det sistnämnda är det som används mest.

I den här artikelserien kommer vi att studera konstruktionen av marinens ubåtar. I de första artiklarna i denna serie kommer vi inte att gå in på konstruktionsprocessen, utan vi kommer snarare att bekanta oss med en ubåts utformning och funktioner, dess delar, allmänna arrangemang, strukturell utformning och arrangemang, en ubåts stabilitet, de system som används i en ubåt osv.

När vi väl har tittat på dessa, skulle det vara lätt för oss att beröra ubåtens konstruktionsprocess. Även om den konstruktionsprocess som alla mariner följer är konfidentiell och skiljer sig från varandra är grunderna fortfarande desamma.

De primära målen för ubåtsdesign är:

• Undervattensbåten ska tillgodose kundens funktionella syfte.
• Designen ska kunna konstrueras med tillgängliga resurser.
• Kostnaden för projektet ska vara acceptabel för kunden.

Delar av en ubåt

Uttre skrov och tryckskrov:

De flesta konstruktioner av ubåtar har två skrov. Det skrov som rymmer alla bostadsutrymmen, vapen, vapenkontrollsystem, kommunikations- och kontrollrum, batteribanker, huvud- och hjälpmaskineri är tryckskrovet. Det kallas tryckskrov eftersom det är konstruerat för att motstå det hydrostatiska trycket på ubåtens maximala operativa djup.

Tryckskrovet är inrymt i det yttre skrovet, som inte är trycktätt. Varför? Därför att i nedsänkt tillstånd förblir utrymmena mellan det yttre och det inre skrovet alltid översvämmade av havsvatten. Därför är det hydrostatiska trycket på det yttre skrovet försumbart.

Huvudballasttankar (MBT):

Nu är de ”översvämningsbara” utrymmena indelade i tankar, som i ubåtsterminologi kallas huvudballasttankar. Fördelningen av huvudballasttankar i en ubåt beror på formen och samspelet mellan det yttre skrovet och tryckskrovet.

Vi kommer att förstå hur MBT-tankarna fungerar efter det att vi har behandlat processen med att sänka en ubåt och ubåtsstabilitet. Vissa konstruktioner har MBT:er endast i de främre och bakre regionerna, och resten av tryckskrovet spolas med ytterskrovet.

Andra konstruktioner har helt olika ytter- och tryckskrov, med utrymme för ballast mellan dem. Några arrangemang av MBT visas i figurerna nedan.

Segel eller bryggfena:

Seglet är den strömlinjeformade formade icke tryckbeständiga delen av ubåten över det yttre skrovet. Dess olika typer av master som sätts ut inifrån ubåten när den snorklar eller seglar strax under den fria ytan.

De olika masterna som används i en ubåt är periskopmast, kommunikationsmast, radarmast, vapensensormast osv. Dessa lyfts upp från bryggfenan när ubåten kräver övervakning av ytan i smygläge. Figur 7 visar seglet i en ubåt när masterna inte är utplacerade.

Profilen på bryggfenan i en ubåtskonstruktion har alltid en aerofoilform, eftersom den fungerar som en hydrofoil med ubåtens segel med bara fenan ovanför vattnet. Denna form minskar dragkraften på ubåten. Det är mycket viktigt att hålla luftmotståndet inom gränser eftersom det förhindrar virvlar och därmed minimerar ubåtens akustiska signatur.

Kontrollytor:

När ubåten är nedsänkt sker förändringar av riktning och djup med hjälp av vattenplan som fungerar som kontrollytor. För att förstå tillämpningen av vattenplan måste vi först känna till arten av de rörelser som en ubåt upplever i nedsänkt tillstånd.

Till skillnad från ett ytfartyg utsätts ubåtar för mindre krängnings- och lutningsrörelser på grund av att det inte finns några effekter av ytvågor. Ett par hydroplan eller fenor på fram- och baksidan används för att kontrollera krängnings- och lutningsrörelserna oberoende av varandra. Hydroplanerna eller fenorna visas i figur 8.

Två hydroplan som är monterade på aktern i vertikalplanet används för att ändra ubåtens laterala riktning när den är i rörelse. Dessa kallas i princip för roder. Observera att till skillnad från fartyg ligger rodren på en ubåt framför propellern.

Varför? För att i ett fartyg kräver rodret propellerns utflöde för att få maximal lyftkraft. Men i en ubåt är hela skrovet nedsänkt, vilket innebär att ett ostört strömningsrikt flöde faller in på roderytan.

Om ubåtsrodret hade placerats bakom propellern skulle flödet på rodret vara mer turbulent, vilket skulle öka sannolikheten för kavitation.

En viktig sak att notera är att vattenplan fungerar optimalt effektivt endast vid höga hastigheter.

En ubåts allmänna uppläggning

För att kunna känna till hur de olika systemen på en ubåt fungerar och vilka funktioner de har är det viktigt att känna till den rumsliga fördelningen av de viktigaste avdelningarna och systemen längs skrovets längd och bredd. Detta förstås bäst när man hänvisar till figur 9.

Tryckskrovet och det yttre skrovet går tydligt att särskilja i figuren ovan av ubåtens konstruktion. Den främre delen av tryckskrovet rymmer vapensystem och sensorer. Sensorerna är vanligtvis inrymda i det översvämmade utrymmet mellan den främre delen av tryckskrovet och det yttre skrovet.

Sensorerna är alltid placerade i den främre delen för att minska buller från turbulenta strömmar i den bakre delen och för att hindra maskineriet om de är placerade i den bakre delen. Vapensystemet omfattar torpedorören som rymmer torpederna, torpedavfyrningssystemet och torpedoperationsbehållare.

Den främre delen av tryckskrovet används för att förvara vapnen. De laddas i torpedrören som ligger delvis inne i tryckskrovet och sträcker sig upp till ytterskrovets främre periferi.

Den mittskeppsdel av tryckskrovet används för följande ändamål:

• Fartygs- och vapenkontrollsystem: Alla system på ubåten fjärrstyrs från fartygs- och vapenkontrollcentralen. I denna avdelning finns alla navigationsstyrningssystem, vapenavfyrningssystem, kontroll- och övervakningspaneler för maskineri, dyk- och uppdykningssystem, styrkontrollsystem osv. All kommunikation mellan ubåtsbesättningen och flottbasen eller någon extern datakälla sker från denna avdelning. Ubåtar är idag automatiserade i sådan utsträckning att alla operationer på en ubåt under normala patrullerings- och krigsuppdrag kan utföras från detta utrymme, utan att någon besättning behöver vara närvarande någonstans utanför kontrollrummet.

• Boende och livsuppehåll: Boendemoduler, toalettmoduler, kök, kylrum och kylrum är placerade i tryckskrovets mittskeppsavdelning. En sådan placering är inte bara fördelaktig ur funktionell synvinkel utan ger också enkel tillgång till ubåtens främre och bakre delar. Eftersom denna position också är under seglet gör den utrymning mest möjlig för besättningen i nödsituationer.

• Batteribank: Energikällan på en dieselubåt är väteceller. Dessa laddas av dieselgeneratorer. Batterier som består av vätecellsenheter är staplade i matriser och placerade i ett fack som kallas batteribank. Vanligtvis har en ubåt en batteribank i mer än ett vattentätt fack för att säkerställa redundans. Varje batteribank har en kapacitet som är tillräcklig för att stödja ubåtens alla operationer under dess uthållighetsperiod. Ventilation och eliminering av väte från batterifacket har högsta prioritet, eftersom all förekomst av väte i facket kan leda till explosioner.

• Maskiner och hjälpmaskiner: Huvud- och hjälpmaskineriet bidrar till ungefär en tredjedel av ubåtens vikt. Huvudmaskineriet består av huvuddieselgeneratorerna som används för att ladda batterierna och dess tillhörande system, luftkonditioneringsanläggningen, huvudhögtrycksluftsystemet osv. Hjälpmaskinrummet är separerat från huvudmaskinrummet genom ett vattentätt skott. Den extra eller ekonomiska elmotorn, den extra växelströmsanläggningen, det extra högtrycksluftsystemet etc. är inrymda i det extra maskinrummet. Dieselgeneratorerna används för att ladda batterierna, som i sin tur driver huvud- och extra elektriska framdrivningsmotorer.

• Framdrivningsavdelning: Detta utrymme, som är beläget akter om tryckskrovet, rymmer den elektriska huvudframdrivningsmotorn, huvudframdrivningsaxeln och dess tillhörande system, stjärtaxeln samt de främre och bakre genomföringar som används för att uppnå vattentäthet vid tryckskrovets och det yttre skrovets öppningar. I konstruktionen av dieselelektriska ubåtar är reduktionsväxeln också placerad i framdrivningsutrymmet.

Kroppsform av en ubåtsdesign:

De mest initiala ubåtarna använde sig av en skrovform som skilde sig mycket från de som används i dagens ubåtar. Utvecklingen av skrovformen och orsakerna bakom den är därför en intressant aspekt av ubåtsdesignen. Den mest idealiska formen på ett ubåtsskrov för minimalt luftmotstånd är den ideala strömlinjeformade formen med en parabolisk båge och en elliptisk akter, som visas i figur 10.

De första ubåtarna på 1940-talet använde sig av den här formen för att få ett minimalt effektbehov och en försumbar flödesseparation runt skrovet. Men det observerades att på grund av den strömlinjeformade formen var den användbara volymen inom skrovet otillräcklig, eftersom skrovets radie minskade brant från strax akter om och fram till midskeppsregionen. Detta höll inte bara produktionskostnaderna höga utan försvagade också möjligheten att införliva flera däcksnivåer.

Den skrovform som används i moderna ubåtar (sedan slutet av 1970-talet) är den långa cylindriska mittkroppen med elliptisk fören och aktern.

Till skillnad från den ideala strömlinjeformade formen ökar luftmotståndet och därmed energibehovet, men de extra bränslekostnaderna under ubåtens livstid uppvägs av de låga produktionskostnaderna, eftersom cylindriska sektioner är mycket billigare och lättare att konstruera. Denna form gör det också möjligt att införliva flera däck inom samma skrovvolym, vilket garanterar en mer rumslig användning.

Det är viktigt att veta att formen och geometrin på ett ubåtsskrov är en viktig utgångspunkt för konstruktionen, eftersom den inte bara dikterar den tidigare nämnda punkten utan också påverkar en rad andra faktorer hos ubåten, vilket diskuteras nedan.

En cylinderformad skrovform ökar ubåtens manövrerbarhet på grund av större hydrodynamiska krafter som genereras av hydroplaneverkan. Det har också observerats att det minsta totala motståndet på skrovet och de bästa manövrerbarhetsegenskaperna erhålls för förhållanden mellan längd och bredd på mellan 6 och 8.

Undervattensbåtens diameter bestäms i första hand på grundval av längden. Och längden fastställs utifrån den erforderliga tryckskrovvolymen och ubåtens deplacement. Flera däck ökar användbarheten av tryckskrovets volym, och antalet möjliga däcknivåer i en ubåt bestäms främst av dess diameter.

En ubåt med ett däck skulle ha två nivåer i sitt tryckskrov. Ubåtar med en skrovdiameter på mellan 4 och 7 meter är begränsade till ett däck. Det skulle tillåta två tillgängliga nivåer – under däck och ovanför däck, enligt figuren nedan.

Dubbeldäck med tre tillgängliga nivåer är möjliga i undervattensbåtar med skrovdiametrar på mellan 7 och 8 meter. Stora dieselelektriska ubåtar är vanligtvis av denna dimension.

Trippeldäck och dour däckskonstruktioner används för skrovdiametrar som sträcker sig från 9 till 11 meter och 11 till 13 meter. Sådana stora diametrar används främst i kärnkraftsdrivna ubåtar där det krävs stort vertikalt utrymme för kärnkraftverket.

Med de aspekter av ubåtsutformning som diskuteras i denna artikel är den springande punkten att när man känner till ubåtens delar och funktioner och dess system, ligger konsten och skickligheten hos en bra konstruktör i att försöka uppnå maximal volymeffektivitet för en konstruktion.

Det finns vissa utrymmen i ubåten som kan vara mycket volymspecifika (t.ex. huvudballasttankar), medan andra kan ha endast några få specifika dimensioner (t.ex. batteribank). Det skulle också finnas fall där det finns specifika volymkrav, men inte formspecifika (t.ex. torpedoperatörstankar och huvudballasttankar). Beroende på sådana krav skulle en bra konstruktör prioritera konstruktionsstegen och de parametrar som fastställs i varje steg.

En av de viktigaste aspekterna av ubåtskonstruktion är dess stabilitet. Även om det kan verka enkelt jämfört med fartyg är förståelsen av ubåtens stabilitet mer komplex än för ett fartyg, eftersom den skulle fungera både på ytan och under vatten.

Och stabilitetsparametrarna för en ubåt förändras drastiskt i det ögonblick som en ubåt dyker ner i vattnet eller dyker upp igen, vilket ger upphov till en punkt där ubåten befinner sig vid tipping point of floundering. Hur och varför kommer vi att diskutera i nästa artikel.

Disclaimer: Författarnas åsikter som uttrycks i denna artikel återspeglar inte nödvändigtvis Marine Insights åsikter. Data och sjökort, om de används, i artikeln har hämtats från tillgänglig information och har inte verifierats av någon lagstadgad myndighet. Författaren och Marine Insight hävdar inte att de är korrekta och tar inte heller något ansvar för dem. Åsikterna utgör endast åsikter och utgör inte några riktlinjer eller rekommendationer om någon åtgärd som ska följas av läsaren.

Artikeln eller bilderna får inte reproduceras, kopieras, delas eller användas i någon form utan tillstånd från författaren och Marine Insight.

Taggar: ubåtsdesign