Toto je třetí díl seriálu o konstrukci ponorek. Přečtěte si prosím první dva díly zde – Úvod do konstrukce ponorek a Pochopení konstrukce ponorek.

Ačkoli některé nádrže používané na ponorce jsou podobné těm, které se používají na hladinových lodích, většina z nich je odlišná a jedinečná vzhledem k povaze provozu ponorky, což z nich činí důležitý aspekt, který je třeba podrobně prostudovat.

Pro rychlé nahlédnutí, věděli jste, proč ponorka používá soustavu čtyř nádrží jen při odpálení jednoho torpéda?

Nejprve se podíváme na plán nádrží dieselelektrické ponorky a jakmile se seznámíme s jejich terminologií, budeme studovat jejich funkce, důvod jejich umístění a další konstrukční aspekty, které s nimi souvisejí.

Plán nádrží ponorky:

Současně s výkresem celkového uspořádání se připravuje plán nádrží, aby bylo možné lokalizovat umístění jednotlivých nádrží. Jejich názvy spolu s kapalinou, která se v nich má přepravovat, jsou uvedeny v samotném plánu nádrží. Kapacita každé nádrže je uvedena na samostatném dokumentu nazvaném plán kapacity nádrže.

Následující obrázek ukazuje plán nádrže diesel-elektrické ponorky s dvojitým trupem.

O účelu a fungování balastních nádrží jsme se podrobně zabývali v článku o stabilitě ponorky, proto toto téma v tomto článku přeskočíme.

Kompenzační nádrž:

Pamatujete si, jak jsme probírali, že když má ponorka kladný nebo záporný vztlak, podniká kroky k udržení stavu neutrálního vztlaku úpravou své hmotnosti? Toho je dosaženo pomocí kompenzační nádrže, součásti neobvyklé pro tradiční koncepce konstrukce lodí.

Kompenzační nádrže jsou umístěny v podélném těžišti ponorky nebo v jeho těsné blízkosti (viz obrázek 1). Proč? Protože jakékoli změny hmotnosti způsobené ve značné vzdálenosti od podélného těžiště by vytvářely trimovací moment, který je nežádoucí, protože ponorka potřebuje pouze přizpůsobit svou hmotnost. Je umístěna uvnitř tlakově odolného trupu a podle situace, kterou je třeba řešit, nabírá vodu nebo ji čerpá do moře.

Kompenzační nádrž lze vyprazdňovat čerpadlem nebo vysokotlakým vzduchem (v případě provozu s nízkou hlučností), ale aby bylo možné použít vysokotlaký vzduch, musí být konstrukce nádrže tlakově odolná do té míry, aby vydržela vnitřní tlak vyšší než tlak vnější.

Následující změny hmotnosti a vztlakové rovnováhy se kompenzují kompenzačními nádržemi:

• Pokud se ponorka potápí do větších hloubek, vstupuje do vod, které mají jinou hustotu než na povrchu. Měrná hustota mořské vody se s hloubkou obvykle zvyšuje z 1,008 na 1,028. Protože hustota je přímo úměrná vztlaku, vztlak se zvyšuje, a proto se ponorka stává kladně vztlakovou. Aby se dosáhlo neutrálního vztlaku, nabírá vyrovnávací nádrž vodu z moře tak dlouho, dokud se hmotnost nevyrovná vztlaku.

• Rozdíl v hmotnosti je způsoben spotřebou zásob, jako jsou proviant, topný olej, sladká voda, mazací olej a další pevné zásoby. Pro vyrovnání tohoto vlivu se do nádrže nabírá voda. Zajímavá věc se děje v případě spotřeby topného oleje. V ponorkách se při spotřebě topného oleje volný objem v nádrži automaticky zaplní mořskou vodou, takže topný olej vždy plave na mořské vodě. Děje se tak proto, aby se zabránilo účinkům volné hladiny. Protože však voda zabírá objem spotřebovaného paliva, zvyšuje se tím hmotnost ponorky. K vyrovnání této změny hmotnosti slouží také vyrovnávací nádrž.

• Ve větších hloubkách dochází vlivem vysokého vnějšího tlaku ke stlačení tlakového trupu. Tím se zmenšuje tlakově odolný objem ponorky, což snižuje její vztlak. Ztráta vztlaku se kompenzuje vypouštěním vody z kompenzační nádrže. Obvykle se u ponorek s maximální hloubkou ponoru od 200 do 350 metrů objem, který je pro tento účel k dispozici v kompenzační nádrži, pohybuje od 0,3 do 0,4 % celkového objemu tlakového trupu.

Konstruktér ponorky při odhadu kapacity kompenzační nádrže pro konkrétní konstrukci zvažuje dvě zvláštní podmínky hraničního zatížení. Zátěžové podmínky jsou uvedeny níže:

Zátěžový případ 1: Na konci velmi dlouhé, pomalé plavby v mořské vodě s maximální hustotou. Na konci velmi dlouhé a pomalé plavby jsou spotřebovány všechny spotřební materiály jako sladká voda, zásoby, potraviny, ale zbývá relativně dostatečné množství nafty. Plavidlo se plaví v mořské vodě s maximální hustotou, což znamená, že vztlak je vyšší. Obě podmínky dohromady vyžadují naplnění vyrovnávací nádrže na její maximální kapacitu.

Případ zatížení 2: Na konci velmi krátké a rychlé plavby v mořské vodě s minimální hustotou. V této podmínce byly spotřební materiály částečně spotřebovány a motorová nafta je zcela spotřebována. Protože hustota mořské vody je minimální, vztlak je nejmenší. V takovém případě by byla potřeba vody v kompenzační nádrži minimální.

Ve skutečnosti, když ponorka zahájí plavbu, je objem vody v kompenzační nádrži někde mezi těmi, které odpovídají oběma hraničním případům. Na základě parametrických studií bylo zjištěno, že kompenzační nádrže mají obvykle objem 2,5 až 3 % celkového tlakově odolného objemu ponorky. Tento údaj využívají konstruktéři také ve fázích předběžného návrhu.

Trimovací nádrže:

Trimovací nádrže se používají k udržení podélného těžiště těsně pod středem vztlaku, aby bylo možné ponorku manévrovat do neutrálního trimovacího stavu. Tyto nádrže jsou stejně velké a jsou umístěny uvnitř tlakového trupu a co nejdále vpředu a vzadu, aby byl maximalizován trimovací moment jimi způsobený (všimněte si trimovacích nádrží na obrázku 1). Systém trimovacích nádrží se skládá ze dvou párů nádrží, jednoho páru na přídi (levobok a pravobok), druhého na zádi (levobok a pravobok).

Tyto nádrže jsou propojeny potrubím zvaným trimovací potrubí a používaná kapalina se nazývá trimovací voda. Trimovací voda cirkuluje mezi přední a zadní nádrží v závislosti na požadovaném stavu trimu. Cirkulace se provádí buď čerpadly, nebo nízkotlakým vzduchem.

Rozměry trimovací nádrže se odhadují pomocí hraničních podmínek určujících zatěžovací stavy a podmínky trimu a jejich analýzou metodou podobnou metodě kompenzačních nádrží. V úvahu se berou také účinky trimování způsobené posunem hmotnosti při střelbě torpéd. Pro empirické účely je požadovaný objem trimovací vody 0,5 % objemu tlakového trupu.

Dalším využitím trimovacích nádrží jsou jejich multifunkční vlastnosti, kdy je lze použít jako trimovací i kompenzační nádrž. V takových konstrukcích jsou trimovací nádrže opatřeny zaplavovacími otvory. Pokud je požadováno řekněme přední trimování, pak se naplní přední trimovací nádrž a vyprázdní se záďové nádrže. Má-li ponorka snížit svou hmotnost beze změny trimu, pak se obě dvojice nádrží vyprázdní na požadované množství. Tento systém nabízí další výhody s ohledem na přidělování prostoru, protože ponorky jsou prostorově velmi omezené.

Negativní nádrže neboli nádrže pro rychlé potápění:

Tyto nádrže se používají jako pomocné prostředky pro potápění ve vlnách. Když se ponorka potápí ve vlnách, přídavný vztlak způsobený působením vln jí brání v rychlém ponoření a ztěžuje její schopnost ponořit se do větší hloubky. Když koryta vln procházejí napříč ponorkou, zůstávají volné zaplavovací části na nejvyšších úrovních paluby (na plachtě a horní palubě) částečně zaplaveny, což má za následek nemožnost ponoření.

Pro boj s tímto efektem je nádrž se zaplavovacími otvory umístěna na nízké úrovni, těsně před těžištěm ponorky. Není její umístění na obrázku 1. Zaplavení této nádrže by nejen přidalo záporný vztlak (neboli zvýšilo hmotnost), ale vzhledem k její podélné poloze vůči CG také ořezává příď a pomáhá při rychlém potápění. Z tohoto důvodu se jim také říká rychlopotápěcí nádrže. Jakmile se ponorka ponoří a všechny volné zatopené plochy se naplní vodou, záporná nádrž se rychle vypustí pomocí stlačeného vzduchu.

Torpédové nádrže:

Torpéda se odpalují z torpédometů, které jsou umístěny v přední části ponorky. Hmotnost každého torpéda je obecně přibližně 4 až 5 tun. Proto po odpálení torpéda způsobí ztráta značné hmotnosti z místa vzdáleného od CG ponorky trimovací moment, který, pokud by se mu nezabránilo, by ztížil schopnost ponorky udržovat kurz. Vystřelení torpéda z ponorky zahrnuje sled kroků, které mají výše uvedenému zabránit.

Torpédomet je tlakově odolná válcová konstrukce, která má dveře na přídi (Muzzle door) a jedny na zádi (Breech door). Ponorka má obvykle více torpédometů a může vystřelit více torpéd současně. Přibližně jedna třetina délky torpédometu se nachází uvnitř tlakového trupu a zbývající část je umístěna vně tlakového trupu, ve volné zaplavené oblasti vedoucí k nejpřednějšímu bodu vnějšího trupu, kde jsou umístěny čelní dveře. Část tubusu ve volné zaplavené oblasti je vystavena vnějšímu tlaku a je zvenčí vyztužena, aby byla chráněna před vybočením.

Krok první: Nejprve se otevřou zadní dveře a do tubusu se naloží torpédo. Po zavření zadních dveří se do prostoru mezi torpédem a vnitřními stěnami tubusu vpustí voda z kruhové nádrže na zbraně (WRT). Objem WRT je dostatečný k tomu, aby poskytl dostatek vody pro odpálení všech torpéd, aniž by bylo nutné je doplňovat. Umístění WRT je vždy těsně nad nebo pod torpédomety. Proč? Kdyby byly WRT umístěny podélně od torpédometů, posun vody z WRT do torpédometů by způsobil nežádoucí trimovací momenty, které by způsobily, že by se ponorka trimovala přídí.

Krok druhý: Přední dveře se vždy otevírají vnějším směrem, ale v této fázi je nelze otevřít, protože ve velkých hloubkách je vnější tlak vyšší než tlak vnitřní. Proto se voda uvnitř torpédometu natlakuje tak, aby se vnitřní a vnější tlak vyrovnaly. Jakmile se tak stane, přední dvířka se hydraulicky otevřou a torpédo je odpáleno.

Třetí krok: Jakmile je torpédo vystřeleno, prostor uvnitř torpédometu, který byl obsazen torpédem, je automaticky obsazen mořskou vodou, která jej zaplaví.

Krok čtvrtý: Ačkoli je objem torpéda uvnitř torpédometu obsazen mořskou vodou, hmotnost mořské vody je menší než hmotnost torpéda. Aby se předešlo trimovacímu momentu, je třeba nabrat dodatečnou vodu, aby se vyrovnal rozdíl v hmotnosti. Toto dodatečné množství vody se odebírá do další nádrže zvané Air Inboard Vent (AIV), která je umístěna těsně pod nebo nad torpédomety.

Krok pátý: Nyní se pro opětovné naložení dalšího torpéda do stejného tubusu nejprve zavřou přední dveře tubusu, zatímco je tubus zaplaven. Voda v tubusu se nejprve vypustí do další nádrže zvané Torpedo Operating Tank (TOT) a poté se do suchého tubusu vloží další torpédo. TOT je umístěn tak, aby se zabránilo jakémukoli podélnému posunu hmotnosti. Objem TOT je dostatečný k tomu, aby pojal veškerou vodu, kterou je třeba z torpédometu vypustit, jsou-li vystřelena všechna torpéda.

Nádrže na vznášení:

Při ponořování nebo stoupání ponorky je její schopnost udržet hloubku zpochybněna změnami hustoty a z toho vyplývajícími účinky stlačitelnosti. Při mnoha stealth operacích se od námořních ponorek vyžaduje, aby se vznášely v pevné hloubce, zatímco jsou v klidu. V takovém případě je vyžadována stálá rovnováha rovnice hmotnosti a vztlaku. Této rovnováhy lze dosáhnout pomocí senzorem řízeného systému vyhrazeného pro speciální nádrž, do níž lze nabírat vodu, když ponorka stoupá, a vodu z téže nádrže odčerpávat, když se ponorka potápí. Tato výměna vody je rychlá a je třeba ji provádět nepřetržitě. Proto se k tomuto účelu používá speciální nádrž zvaná Hover Tank umístěná mimo tlakový trup. Důvodem jejího umístění ve vnějším trupu (na rozdíl od vyrovnávací nádrže, která je uvnitř tlakového trupu) je udržování jejího obsahu při okolním tlaku moře, aby byl možný nepřetržitý přítok a odtok vody.

V případech, kdy má být ponorka konstruována tak, aby se vznášela v blízkosti hladiny, však musí být vznášecí systém robustnější, aby kompenzoval destabilizační účinky vlnobití.

Dalšími typy nádrží používaných v ponorce jsou nádrže na pohonné hmoty, nádrže na mazací oleje, nádrže na kalové oleje, nádrže na kalové vody a nádrže na sladkou vodu. Nebyly zde rozebírány, protože jejich provoz a účel jsou podobné jako u hladinových lodí. Je však důležité, aby konstruktér provedl parametrické studie kapacit nádrží různých stávajících konstrukcí, než parametricky dospěje k odhadu kapacity a plánu nádrží nové konstrukce.

Odmítnutí odpovědnosti: Názory autorů vyjádřené v tomto článku nemusí nutně odrážet názory společnosti Marine Insight. Údaje a grafy, pokud jsou v článku použity, pocházejí z dostupných informací a nebyly ověřeny žádným zákonem stanoveným orgánem. Autor ani společnost Marine Insight netvrdí, že jsou přesné, ani za ně nepřebírají žádnou odpovědnost. Názory představují pouze názory a nepředstavují žádné pokyny nebo doporučení ohledně postupu, kterým by se měl čtenář řídit.

Článek ani obrázky nelze reprodukovat, kopírovat, sdílet nebo používat v jakékoli formě bez souhlasu autora a společnosti Marine Insight.