Dies ist der dritte Teil der Serie über die Konstruktion von U-Booten. Bitte lesen Sie die ersten beiden hier – Einführung in die U-Boot-Konstruktion und Verständnis der U-Boot-Konstruktion.

Obwohl einige der in einem U-Boot verwendeten Tanks denen auf Überwasserschiffen ähneln, sind die meisten von ihnen anders und einzigartig für die Art des Betriebs eines U-Boots, was sie zu einem wichtigen Aspekt macht, der im Detail untersucht werden muss.

Wussten Sie, warum ein U-Boot ein System von vier Tanks verwendet, nur um einen Torpedo abzufeuern?

Wir werden uns zunächst den Tankplan eines dieselelektrischen U-Boots ansehen, und sobald wir uns mit den Begriffen vertraut gemacht haben, werden wir ihre Funktionen, den Grund für ihre Anordnung und andere mit ihnen verbundene Konstruktionsaspekte untersuchen.

Tankplan eines U-Boots:

Zusammen mit der allgemeinen Anordnungszeichnung wird der Tankplan erstellt, um die Position jedes Tanks zu bestimmen. Die Namen der Tanks und die darin befindliche Flüssigkeit sind im Tankplan selbst angegeben. Das Fassungsvermögen der einzelnen Tanks wird in einem separaten Dokument, dem Tankkapazitätsplan, aufgeführt.

Die folgende Abbildung zeigt den Tankplan eines diesel-elektrischen Doppelhüllen-U-Boots.

Wir haben den Zweck und die Funktionsweise von Ballasttanks im Artikel über die Stabilität von U-Booten ausführlich untersucht, daher wird dieses Thema in diesem Artikel übersprungen.

Ausgleichstank:

Erinnern Sie sich an die Diskussion darüber, wie ein U-Boot bei positivem oder negativem Auftrieb Maßnahmen ergreift, um einen neutralen Auftrieb zu erhalten, indem es sein Gewicht anpasst? Dies wird mit Hilfe eines Ausgleichstanks erreicht, einer Komponente, die in den traditionellen Konzepten der Schiffskonstruktion nicht vorkommt.

Ausgleichstanks befinden sich am oder in unmittelbarer Nähe des Längsschwerpunkts des U-Boots (siehe Abbildung 1). Warum? Weil jede Gewichtsänderung, die in größerer Entfernung vom Längsschwerpunkt verursacht wird, ein Trimmmoment erzeugen würde, das unerwünscht ist, da das U-Boot nur sein Gewicht anpassen muss. Der Ausgleichsbehälter befindet sich innerhalb des druckfesten Rumpfes und nimmt je nach Situation Wasser auf oder pumpt Wasser ins Meer.

Der Ausgleichsbehälter kann durch eine Pumpe oder durch Hochdruckluft (bei geräuscharmem Betrieb) entleert werden, aber damit Hochdruckluft eine praktikable Option ist, muss die Behälterstruktur so druckfest sein, dass sie einem Innendruck standhält, der höher ist als der Außendruck.

Die folgenden Änderungen des Gewichts- und Auftriebsgleichgewichts werden durch Ausgleichstanks kompensiert:

• Wenn ein U-Boot in größere Tiefen taucht, gelangt es in Gewässer, die eine andere Dichte als an der Oberfläche haben. Das spezifische Gewicht des Meerwassers steigt mit zunehmender Tiefe normalerweise von 1,008 auf 1,028. Da die Dichte direkt proportional zum Auftrieb ist, nimmt der Auftrieb zu, wodurch das U-Boot einen positiven Auftrieb erhält. Um einen neutralen Auftrieb zu erreichen, nimmt der Ausgleichstank Wasser aus dem Meer auf, bis das Gewicht den Auftrieb aufhebt.

• Gewichtsunterschiede werden durch den Verbrauch von Vorräten wie Proviant, Heizöl, Frischwasser, Schmieröl und anderen festen Vorräten verursacht. Um diesen Effekt auszugleichen, wird Wasser in den Tank aufgenommen. Eine interessante Sache passiert beim Heizölverbrauch. In U-Booten wird, sobald das Heizöl verbraucht ist, das leere Volumen im Heizöltank automatisch mit Seewasser gefüllt, so dass das Heizöl immer auf dem Seewasser schwimmt. Dies geschieht, um freie Oberflächeneffekte zu verhindern. Da das Wasser jedoch das Volumen des verbrauchten Treibstoffs aufnimmt, erhöht sich dadurch das Gewicht des U-Boots. Um diese Gewichtsveränderung auszugleichen, wird auch der Ausgleichstank eingesetzt.

• In größeren Tiefen führt der hohe Außendruck zu einer Kompression des Druckkörpers. Dadurch verringert sich das druckfeste Volumen des U-Bootes, was seinen Auftrieb reduziert. Der verlorene Auftrieb wird durch Ablassen von Wasser aus dem Ausgleichstank kompensiert. Bei U-Booten mit einer maximalen Tauchtiefe von 200 bis 350 Metern beträgt das für diesen Zweck verfügbare Volumen des Ausgleichsbehälters in der Regel 0,3 bis 0,4 Prozent des Gesamtvolumens des Druckkörpers.

Ein U-Boot-Konstrukteur berücksichtigt zwei spezielle Grenzbelastungsbedingungen, um die Kapazität des Ausgleichsbehälters für eine bestimmte Konstruktion abzuschätzen. Die Belastungsbedingungen sind im Folgenden aufgeführt:

Belastungsfall 1: Am Ende einer sehr langen, langsamen Fahrt in Meerwasser mit maximaler Dichte. Am Ende einer sehr langen und langsamen Fahrt sind alle Verbrauchsmaterialien wie Frischwasser, Vorräte und Lebensmittel aufgebraucht, aber es ist noch eine relativ ausreichende Menge Dieselöl vorhanden. Das Schiff fährt in Seewasser mit maximaler Dichte, was bedeutet, dass der Auftrieb höher ist. Beide Bedingungen zusammen erfordern, dass der Ausgleichstank bis zu seinem maximalen Fassungsvermögen gefüllt wird.

Belastungsfall 2: Am Ende einer sehr kurzen, schnellen Fahrt in Seewasser mit minimaler Dichte. In diesem Fall sind die Verbrauchsmaterialien teilweise verbraucht und der Dieselkraftstoff ist vollständig aufgebraucht. Da die Dichte des Meerwassers am geringsten ist, ist auch der Auftrieb am geringsten. In diesem Fall ist der Wasserbedarf im Ausgleichsbehälter am geringsten.

In der Praxis liegt das Wasservolumen des Ausgleichsbehälters zu Beginn der Fahrt eines Unterseebootes irgendwo zwischen den beiden Grenzfällen. Parameterstudien haben gezeigt, dass das Volumen der Ausgleichsbehälter in der Regel 2,5 bis 3 % des gesamten druckbeständigen Volumens des U-Bootes beträgt. Diese Daten werden auch von Konstrukteuren in der Vorentwurfsphase verwendet.

Trimmtanks:

Trimmtanks werden verwendet, um den Längsschwerpunkt knapp unter dem Auftriebsmittelpunkt zu halten, so dass das U-Boot in einen neutralen Trimmzustand manövriert werden kann. Diese Tanks sind gleich groß und befinden sich im Inneren des Druckkörpers und so weit vorne und hinten wie möglich, damit das von ihnen verursachte Trimmmoment maximiert wird (siehe die Trimmtanks in Abbildung 1). Das Trimmtanksystem besteht aus zwei Tankpaaren, einem Paar im Bug (Backbord und Steuerbord) und einem Paar im Heck (Backbord und Steuerbord).

Diese Tanks sind durch Rohre miteinander verbunden, die Trimmleitungen genannt werden, und die verwendete Flüssigkeit wird Trimmwasser genannt. Das Trimmwasser wird je nach dem erforderlichen Trimmzustand zwischen dem vorderen und dem hinteren Tank umgewälzt. Die Umwälzung erfolgt entweder durch Pumpen oder durch Niederdruckluft.

Die Abmessungen des Trimmtanks werden unter Verwendung von Grenzbedingungen, die Lastfälle und Trimmzustände bestimmen, geschätzt und mit einer Methode ähnlich der für Ausgleichstanks analysiert. Trimmeffekte durch Gewichtsverlagerung beim Abfeuern von Torpedos werden ebenfalls berücksichtigt. Für empirische Zwecke beträgt das erforderliche Trimmwasservolumen 0,5 Prozent des Druckkörpervolumens.

Ein zusätzlicher Nutzen von Trimmtanks liegt in ihren multifunktionalen Eigenschaften, wobei sie sowohl als Trimm- als auch als Ausgleichstank eingesetzt werden können. Bei solchen Konstruktionen sind die Trimmtanks mit Flutöffnungen versehen. Wenn beispielsweise eine Vorwärtstrimmung erforderlich ist, wird der vordere Trimmtank gefüllt und die hinteren Tanks werden entleert. Soll das Gewicht des U-Boots bei gleichbleibender Trimmung reduziert werden, werden beide Tankpaare auf die erforderliche Menge entleert. Dieses System bietet zusätzliche Vorteile in Bezug auf die Raumaufteilung, da U-Boote sehr platzbeschränkt sind.

Negativtanks oder Schnelltauchtanks:

Diese Tanks werden als Hilfsmittel zum Tauchen in Wellen verwendet. Wenn ein U-Boot in Wellen taucht, verhindert der zusätzliche Auftrieb durch die Wellenbewegung ein schnelles Abtauchen und behindert die Fähigkeit, tiefer zu tauchen. Wenn Wellentäler über das U-Boot laufen, bleiben die frei schwimmenden Teile auf den obersten Decksebenen (auf dem Segel und dem Oberdeck) teilweise geflutet, was dazu führt, dass das U-Boot nicht tauchen kann.

Um diesem Effekt entgegenzuwirken, ist ein Tank mit Flutöffnungen auf einer niedrigen Ebene, direkt vor dem Schwerpunkt des U-Boots, vorgesehen. Nicht seine Lage in Abbildung 1. Das Fluten dieses Tanks würde nicht nur zu negativem Auftrieb führen (oder das Gewicht erhöhen), sondern aufgrund seiner Längsposition in Bezug auf den Schwerpunkt auch den Bug trimmen und beim schnellen Tauchen helfen. Aus diesem Grund werden sie auch Schnelltauchtanks genannt. Sobald das U-Boot getaucht ist und alle freien Flutbereiche mit Wasser gefüllt sind, wird der Negativtank mit Hilfe von Druckluft schnell abgelassen.

Torpedotanks:

Torpedos werden aus Torpedoro-Rohren abgefeuert, die sich im vorderen Teil des U-Boots befinden. Das Gewicht eines Torpedos beträgt in der Regel etwa 4 bis 5 Tonnen. Sobald ein Torpedo abgefeuert ist, verursacht der Verlust eines erheblichen Gewichts aus einer Position außerhalb des Schwerpunkts des U-Boots ein Trimmmoment, das, wenn es nicht verhindert wird, die Kurshaltung des U-Boots beeinträchtigen würde. Der Abschuss eines Torpedos von einem U-Boot beinhaltet eine Abfolge von Schritten, um das oben genannte zu verhindern.

Das Torpedorohr ist eine druckfeste zylindrische Struktur, die eine Tür am vorderen Ende (Mündungstür) und eine am hinteren Ende (Verschlusstür) hat. Ein U-Boot hat in der Regel mehrere Torpedorohre und kann mehr als einen Torpedo gleichzeitig abfeuern. Etwa ein Drittel der Länge eines Torpedorohrs befindet sich innerhalb des Druckkörpers, der Rest außerhalb des Druckkörpers im freien, gefluteten Bereich, der zum vordersten Punkt des Außenrumpfs führt, wo sich die vordere Tür befindet. Der Teil des Rohrs, der sich im freien, gefluteten Bereich befindet, ist dem Außendruck ausgesetzt und wird von außen versteift, um ihn vor dem Ausknicken zu schützen.

Schritt Eins: Zuerst wird die hintere Tür geöffnet und der Torpedo in das Rohr geladen. Sobald die Hecktür geschlossen ist, wird Wasser aus dem Waffenrundtank (WRT) in den Raum zwischen dem Torpedo und den Innenwänden des Rohrs eingelassen. Das Volumen des WRT reicht aus, um genügend Wasser für den Abschuss aller Torpedos zu liefern, ohne dass es nachgefüllt werden muss. Die WRTs befinden sich immer direkt über oder unter den Torpedoro-Rohren. Und warum? Wären die WRTs in Längsrichtung von den Torpedoro-Rohren entfernt, würde eine Verlagerung des Wassers von den WRTs zu den Torpedoro-Rohren unerwünschte Trimm-Momente verursachen, die das U-Boot am Bug trimmen würden.

Zweiter Schritt: Die vordere Klappe öffnet sich immer nach außen, kann aber in diesem Stadium nicht geöffnet werden, weil in großen Tiefen der Außendruck höher ist als der Innendruck. Daher wird das Wasser im Inneren des Torpedorohrs unter Druck gesetzt, damit sich der Innen- und Außendruck ausgleichen. Sobald dies geschehen ist, wird die vordere Tür hydraulisch geöffnet und der Torpedo abgefeuert.

Schritt 3: Sobald der Torpedo abgefeuert ist, wird der Raum im Inneren des Torpedorohrs, den der Torpedo eingenommen hat, automatisch von Meerwasser eingenommen, das einströmt.

Schritt Vier: Obwohl das Volumen des Torpedos im Inneren des Torpedorohrs von Meerwasser eingenommen wird, ist das Gewicht des Meerwassers geringer als das des Torpedos. Um ein Trimmmoment zu vermeiden, muss zusätzliches Wasser aufgenommen werden, um den Gewichtsunterschied auszugleichen. Diese zusätzliche Wassermenge wird in einen anderen Tank, den Air Inboard Vent (AIV), geleitet, der sich direkt unter oder über den Torpedoro-Rohren befindet.

Schritt Fünf: Um nun einen weiteren Torpedo in dasselbe Rohr zu laden, wird zunächst die vordere Tür des Rohrs geschlossen, während das Rohr geflutet wird. Das Wasser im Rohr wird zunächst in einen anderen Tank, den Torpedo Operating Tank (TOT), abgelassen, und dann wird ein weiterer Torpedo in das trockene Rohr eingeführt. Der TOT ist so angeordnet, dass eine Gewichtsverlagerung in Längsrichtung verhindert wird. Das Volumen des TOT reicht aus, um das gesamte Wasser aufzunehmen, das aus dem Torpedorohr abgelassen werden muss, wenn alle Torpedos abgefeuert sind.

Schwebetanks:

Wenn das U-Boot taucht oder aufsteigt, ist seine Fähigkeit, die Tiefe zu halten, aufgrund von Änderungen der Dichte und den daraus resultierenden Kompressibilitätseffekten beeinträchtigt. Bei vielen Stealth-Operationen müssen U-Boote der Marine in einer festen Tiefe schweben, während sie stillstehen. In solchen Fällen ist ein konstantes Gleichgewicht der Gewichts-Auftriebs-Gleichung erforderlich. Dieses Gleichgewicht kann durch ein sensorgesteuertes System erreicht werden, das einem speziellen Tank zugeordnet ist, in den Wasser eingesaugt werden kann, wenn das U-Boot aufsteigt, und aus dem Wasser gepumpt werden kann, wenn das U-Boot sinkt. Dieser Wasseraustausch ist schnell und muss kontinuierlich erfolgen. Zu diesem Zweck wird ein spezieller Tank, der so genannte Hover Tank, außerhalb des Druckrumpfes eingesetzt. Der Grund für seine Anordnung im Außenrumpf (im Gegensatz zu einem Ausgleichstank, der sich im Inneren des Druckrumpfes befindet) ist, dass sein Inhalt auf dem umgebenden Seedruck gehalten wird, so dass ein kontinuierlicher Zu- und Abfluss von Wasser möglich ist.

Wenn das U-Boot jedoch so konstruiert ist, dass es in der Nähe der Oberfläche schwebt, muss das Schwebesystem robuster sein, um die destabilisierenden Auswirkungen der Wellenbewegung zu kompensieren.

Die anderen Arten von Tanks, die in einem U-Boot verwendet werden, sind Heizöltanks, Schmieröltanks, Schlammöltanks, Bilgentanks und Frischwassertanks. Sie werden hier nicht behandelt, da ihre Funktionsweise und ihr Zweck denen von Überwasserschiffen ähnlich sind. Es ist jedoch wichtig, dass ein Konstrukteur parametrische Studien der Tankkapazitäten verschiedener bestehender Konstruktionen durchführt, bevor er eine Schätzung der Kapazität und des Plans für die Tanks einer neuen Konstruktion vornimmt.

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