Tämä on sukellusveneen suunnittelua käsittelevän sarjan kolmas osa. Lue kaksi ensimmäistä täältä – Johdatus sukellusveneen suunnitteluun ja Sukellusveneen suunnittelun ymmärtäminen.

Vaikka jotkin sukellusveneessä käytettävät säiliöt muistuttavat pinta-aluksissa käytettäviä säiliöitä, suurin osa niistä on erilaisia ja ainutlaatuisia sukellusveneen toiminnan luonteen vuoksi, mikä tekee siitä tärkeän näkökohdan, johon on syytä perehtyä yksityiskohtaisesti.

Tiesitkö nopealla silmäyksellä, minkä vuoksi sukellusveneessä käytetään neljästä säiliöstä koostuvaa systeemiä pelkästään laukaistaessa yhtä torpedoa?

Katsomme ensin diesel-sähkökäyttöisen sukellusveneen säiliösuunnitelmaa, ja kun olemme perehtyneet niiden terminologiaan, tutkimme niiden toimintoja, niiden sijainnin syytä ja muita niihin liittyviä suunnittelunäkökohtia.

Sukellusveneen säiliösuunnitelma:

Yleisjärjestelypiirustuksen ohella laaditaan säiliösuunnitelma, jonka avulla voidaan paikantaa kunkin säiliön sijainti. Säiliöiden nimet ja niissä kuljetettava neste ilmoitetaan itse säiliösuunnitelmassa. Kunkin säiliön tilavuus merkitään erilliseen asiakirjaan, jota kutsutaan säiliökapasiteettisuunnitelmaksi.

Oheisessa kuvassa on esitetty kaksirunkoisen diesel-sähkökäyttöisen sukellusveneen säiliösuunnitelma.

Olemme tutkineet painolastisäiliöiden tarkoitusta ja toimintaa yksityiskohtaisesti sukellusveneen vakavuutta käsittelevässä artikkelissa, joten tämä aihe ohitetaan tässä artikkelissa.

Kompensointisäiliö:

Muistatko, kun keskustelimme siitä, miten sukellusveneen ollessa positiivisesti tai negatiivisesti kelluva se ryhtyy toimenpiteisiin pitääkseen yllä neutraalin kelluvuuden olosuhdetta säätämällä painoaan? Tämä saavutetaan kompensointisäiliön avulla, joka on komponentti, joka on harvinainen laivasuunnittelun perinteisissä käsitteissä.

Kompensointisäiliöt sijaitsevat sukellusveneen pituussuuntaisessa painopisteessä tai sen välittömässä läheisyydessä (ks. kuva 1). Miksi? Koska kaikki painon muutokset, jotka aiheutuvat merkittävällä etäisyydellä pituussuuntaisesta painopisteestä, aiheuttaisivat trimmimomentin, joka on epätoivottu, koska sukellusveneen tarvitsee vain säätää painoaan. Se sijaitsee paineenkestävän rungon sisällä ja ottaa vettä tai pumppaa vettä mereen hoidettavasta tilanteesta riippuen.

Kompensointisäiliö voidaan tyhjentää pumpun tai korkeapaineilman avulla (jos toiminta on hiljaista), mutta jotta korkeapaineilma olisi käyttökelpoinen vaihtoehto, säiliön rakenteen on oltava siinä määrin paineenkestävä, että se kestää ulkoista painetta suuremman sisäisen paineen.

Kompensointisäiliöillä kompensoidaan seuraavia paino- ja kelluvuustasapainon muutoksia:

• Kun sukellusvene sukeltaa suurempiin syvyyksiin, se joutuu veteen, jonka tiheys vaihtelee pinnan tiheydestä. Meriveden ominaispaino kasvaa yleensä 1,008:sta 1,028:aan syvyyden myötä. Koska tiheys on suoraan verrannollinen kelluvuuteen, kelluvuus kasvaa, mikä tekee sukellusveneestä positiivisesti kelluvan. Neutraalin kelluvuuden saavuttamiseksi kompensointisäiliö ottaa merestä vettä, kunnes paino kumoaa kelluvuuden.

• Painoerot johtuvat varastojen, kuten muonavarastojen, polttoöljyn, makean veden, voiteluöljyn ja muiden kiinteiden varastojen kulutuksesta. Vaikutuksen kompensoimiseksi tankkiin otetaan vettä. Polttoöljyn kulutuksessa tapahtuu mielenkiintoinen asia. Sukellusveneissä polttoöljyn loppuessa polttoöljysäiliön tyhjä tila täyttyy automaattisesti merivedellä, jolloin polttoöljy kelluu aina meriveden päällä. Näin estetään vapaan pinnan vaikutukset. Koska vesi kuitenkin vie kulutetun polttoaineen tilavuuden, sukellusveneen paino kasvaa. Kompensointisäiliötä käytetään myös tämän painonmuutoksen kompensoimiseksi.

• Syvemmällä syvyydessä suuri ulkoinen paine johtaa painerungon kokoonpuristumiseen. Tämä pienentää sukellusveneen paineenkestävää tilavuutta, mikä vähentää sen kelluvuutta. Menetetty kelluvuus kompensoidaan päästämällä vettä kompensointisäiliöstä. Yleensä sukellusveneissä, joiden suurin sukellussyvyys on 200-350 metriä, kompensointisäiliön tähän tarkoitukseen käytettävissä oleva tilavuus on 0,3-0,4 prosenttia painerungon kokonaistilavuudesta.

Sukellusveneen suunnittelija ottaa huomioon kaksi erityistä rajakuormitusolosuhdetta arvioidessaan kompensointisäiliön kapasiteettia tiettyä suunnittelua varten. Kuormitustilanteet on lueteltu alla:

Kuormitustapaus 1: Erittäin pitkän, hitaan matkan lopussa merivedessä, jonka tiheys on suurin. Erittäin pitkän ja hitaan risteilyn lopussa kaikki kulutustavarat, kuten makea vesi, varastot ja ruoka, on käytetty loppuun, mutta dieselöljyä on jäljellä suhteellisen riittävä määrä. Alus purjehtii merivedessä, jonka tiheys on suurin, mikä tarkoittaa, että kelluvuus on suurempi. Molemmat olosuhteet yhdessä edellyttävät, että kompensointisäiliö täytetään maksimitilavuuteensa.

Kuormitustapaus 2: Hyvin lyhyen ja nopean risteilyn päätteeksi merivedessä, jonka tiheys on minimaalinen. Tässä tilassa kulutustarvikkeet on käytetty osittain loppuun ja dieselpolttoaine on kulutettu kokonaan. Koska meriveden tiheys on minimaalinen, kelluvuus on pienin. Tällöin kompensointisäiliössä tarvittavan veden määrä olisi minimaalinen.

Todellisessa tapauksessa, kun sukellusvene aloittaa matkansa, kompensointisäiliön vesimäärä on jossain näiden kahden rajatapauksen välillä. Parametrisissa tutkimuksissa on havaittu, että kompensointisäiliöiden tilavuus on yleensä 2,5-3 prosenttia sukellusveneen kokonaispaineenkestävyydestä. Suunnittelijat käyttävät tätä tietoa myös alustavassa suunnitteluvaiheessa.

Trimmitankit:

Trimmitankkeja käytetään pitämään pituussuuntainen painopiste juuri kelluvuuskeskipisteen alapuolella, jotta sukellusvene voidaan manöövroida neutraaliin trimmitilaan. Nämä säiliöt ovat samankokoisia, ja ne sijoitetaan painerungon sisäpuolelle ja mahdollisimman kauas eteen ja taakse, jotta niiden aiheuttama trimmimomentti maksimoidaan (huomaa trimmitankit kuvassa 1). Trimmitankkijärjestelmä koostuu kahdesta tankkiparista, joista toinen pari on keulassa (paapuurin ja tyyrpuurin puolella) ja toinen perässä (paapuurin ja tyyrpuurin puolella).

Nämä tankit on yhdistetty toisiinsa putkilla, joita kutsutaan trimmilinjoiksi, ja käytettävää nestettä kutsutaan trimmivedeksi. Trimmivettä kierrätetään keulan ja perän välillä vaaditun trimmitilan mukaan. Kierto tapahtuu joko pumpuilla tai matalapaineilmalla.

Trimmisäiliön mitat arvioidaan käyttämällä kuormitustapaukset ja trimmiolosuhteet määrittäviä reunaehtoja ja analysoimalla ne vastaavalla menetelmällä kuin kompensointisäiliöt. Myös painon siirtymisestä torpedojen laukaisun aikana johtuvat trimmivaikutukset otetaan huomioon. Empiiristen laskelmien mukaan tarvittava trimmiveden määrä on 0,5 prosenttia painerungon tilavuudesta.

Trimmisäiliöiden lisähyötynä on niiden monikäyttöisyys, jolloin niitä voidaan käyttää sekä trimmi- että kompensointisäiliönä. Tällaisissa malleissa trimmisäiliöt varustetaan tulva-aukoilla. Jos esimerkiksi tarvitaan keulan trimmausta, etummainen trimmitankki täytetään ja takimmaiset tankit tyhjennetään. Jos sukellusveneen painoa on vähennettävä ilman trimmimuutosta, molemmat säiliöparit tyhjennetään tarvittavaan määrään. Tämä järjestelmä tarjoaa lisäetuja tilankäytön suhteen, sillä sukellusveneet ovat hyvin tilarajoitteisia.

Negatiivisäiliöt tai pikasukellussäiliöt:

Näitä säiliöitä käytetään apuvälineinä aallokossa sukeltamiseen. Kun sukellusvene sukeltaa aallokossa, aaltojen vaikutuksesta aiheutuva kelluvuuden lisäys estää sitä sukeltamasta nopeasti ja haittaa sen kykyä sukeltaa syvemmälle. Kun aaltojen kaukalot kulkevat sukellusveneen poikki, ylimmillä kansitasoilla (purjeessa ja yläkannella) olevat vapaat tulvaosat jäävät osittain veden alle, mikä johtaa sukelluksen epäonnistumiseen.

Tämän vaikutuksen torjumiseksi säiliö, jossa on tulva-aukot, on sijoitettu matalalle tasolle, juuri sukellusveneen painopisteen etupuolelle. Ei sen sijaintia kuvassa 1. Tämän säiliön tulviminen ei ainoastaan lisäisi negatiivista kelluvuutta (tai lisäisi painoa), vaan sen pituussuuntaisen sijainnin vuoksi painopisteeseen nähden se myös trimmaa keulaa ja auttaa nopeassa sukelluksessa. Tämän vuoksi niitä kutsutaan myös pikasukellustankeiksi. Kun sukellusvene on sukeltanut ja kaikki vapaat tulva-alueet ovat täyttyneet vedellä, negatiivinen säiliö tyhjennetään nopeasti paineilman avulla.

Torpedosäiliöt:

Torpedot ammutaan torpedoputkista, jotka sijaitsevat sukellusveneen keulaosassa. Kunkin torpedon paino on yleensä noin 4-5 tonnia. Kun torpedo on laukaistu, merkittävän painon menettäminen sukellusveneen painopisteestä poispäin aiheuttaa trimmimomentin, joka, jos sitä ei estetä, haittaisi sukellusveneen kurssinpitokykyä. Torpedon laukaisuun sukellusveneestä kuuluu sarja vaiheita, joilla edellä mainittu estetään.

Torpedoputki on paineenkestävä sylinterinmuotoinen rakenne, jossa on ovi etupuolella (suuluukku) ja yksi perässä (takaluukku). Sukellusveneessä on yleensä useita torpedoputkia ja se voi ampua useampaa kuin yhtä torpedoa samanaikaisesti. Noin kolmannes torpedoputken pituudesta on painerungon sisällä, ja loput sijaitsee painerungon ulkopuolella, vapaana tulvivalla alueella, joka johtaa ulkorungon etummaiseen kohtaan, jossa etuluukku sijaitsee. Putken vapaalla tulva-alueella olevaan osaan kohdistuu ulkoinen paine, ja se on ulkoisesti jäykistetty suojaamaan sitä vääntymiseltä.

Vaihe yksi: Ensin avataan takaovi ja torpedo lastataan putkeen. Kun takaovi suljetaan, vettä päästetään WRT-säiliöstä (Weapon Round Tank) torpedon ja putken sisäseinämien väliseen tilaan. WRT:n tilavuus riittää antamaan riittävästi vettä kaikkien torpedojen ampumiseen ilman, että sitä tarvitsee täyttää uudelleen. WRT-säiliöt sijaitsevat aina torpedoputkien ylä- tai alapuolella. Miksi? Jos WRT:t sijaitsisivat pituussuunnassa kauempana torpedoputkista, veden siirtyminen WRT:stä torpedoputkiin olisi aiheuttanut ei-toivottuja trimmimomentteja, jolloin sukellusvene olisi trimmannut keulastaan.

Vaihe kaksi: Etuluukku aukeaa aina ulospäin, mutta sitä ei voi avata tässä vaiheessa, koska suurissa syvyyksissä ulkoinen paine on suurempi kuin sisäinen paine. Näin ollen torpedoputken sisällä oleva vesi paineistetaan niin, että sisä- ja ulkoinen paine tasoittuvat. Kun tämä on tehty, etuluukku avataan hydraulisesti ja torpedo laukaistaan.

Vaihe kolme: Kun torpedo on laukaistu, torpedoputken sisällä oleva tila, jonka torpedo oli vallannut, täyttyy automaattisesti merivedellä, joka tulvii sisään.

Vaihe neljä: Vaikka torpedon tilavuus torpedoputken sisällä on meriveden valtaama, meriveden paino on pienempi kuin torpedon. Trimmimomentin estämiseksi on otettava lisää vettä sisään kompensoimaan painoeroa. Tämä lisävesimäärä otetaan toiseen säiliöön, jota kutsutaan Air Inboard Vent (AIV) -säiliöksi ja joka sijaitsee aivan torpedoputken alapuolella tai yläpuolella.

Vaihe viisi: Nyt, kun halutaan ladata toinen torpedo uudelleen samaan putkeen, ensin putken etuovi suljetaan, kun putki on tulvillaan. Putkessa oleva vesi tyhjennetään ensin toiseen säiliöön, jota kutsutaan nimellä Torpedo Operating Tank (TOT), ja sitten toinen torpedo tuodaan kuivaan putkeen. TOT on sijoitettu siten, että se estää painon siirtymisen pituussuunnassa. TOT:n tilavuus riittää kuljettamaan kaiken torpedoputkesta tyhjennettävän veden, jos kaikki torpedot laukaistaan.

Lentosäiliöt:

Kun sukellusvene sukeltaa tai nousee, sen syvyyden säilyttämiskyky on uhattuna tiheyden muutosten ja niistä johtuvien kokoonpuristuvuusvaikutusten vuoksi. Monissa häiveoperaatioissa merivoimien sukellusveneiden edellytetään leijuvan kiinteässä syvyydessä paikallaan ollessaan. Tällaisessa tapauksessa tarvitaan paino- ja painovoimayhtälön jatkuvaa tasapainoa. Tasapaino voidaan saavuttaa anturiohjatulla järjestelmällä, joka on omistettu erityiselle säiliölle, johon voidaan ottaa vettä, kun sukellusvene nousee, ja pumpata vettä samasta säiliöstä, kun sukellusvene uppoaa. Tämä vedenvaihto on nopeaa, ja sen on tapahduttava jatkuvasti. Siksi tätä tarkoitusta varten käytetään erityistä säiliötä nimeltä Hover Tank, joka sijaitsee painerungon ulkopuolella. Syy sen sijoittamiseen ulkorunkoon (toisin kuin kompensointisäiliö, joka on painerungon sisällä) on sen sisällön pitäminen ympäröivässä merenpaineessa, jotta veden jatkuva sisään- ja ulosvirtaus on mahdollista.

Tapauksissa, joissa sukellusvene on tarkoitus suunnitella leijumaan lähelle pintaa, leijutusjärjestelmän on kuitenkin oltava kestävämpi, jotta se voi kompensoida aallokon toiminnan horjuttavia vaikutuksia.

Muuntyyppisiä sukellusveneessä käytettäviä säiliöitä ovat polttoöljysäiliöt, voiteluöljysäiliöt, lieteöljysäiliöt, pilssisäiliöt ja makean veden säiliöt. Niitä ei ole käsitelty tässä, koska niiden toiminta ja tarkoitus ovat samanlaisia kuin pinta-aluksissa. Suunnittelijan on kuitenkin tärkeää tehdä parametrisia tutkimuksia eri olemassa olevien mallien säiliökapasiteetista ennen kuin hän pääsee parametrisesti arvioimaan uuden mallin säiliöiden kapasiteettia ja suunnitelmaa.

Disclaimer: Tässä artikkelissa esitetyt kirjoittajien näkemykset eivät välttämättä vastaa Marine Insightin näkemyksiä. Artikkelissa mahdollisesti käytetyt tiedot ja kaaviot on saatu saatavilla olevista tiedoista, eikä niitä ole varmennettu minkään lakisääteisen viranomaisen toimesta. Kirjoittaja ja Marine Insight eivät väitä niiden olevan tarkkoja eivätkä ota mitään vastuuta niistä. Näkemykset ovat vain mielipiteitä, eivätkä ne muodosta ohjeita tai suosituksia lukijan noudatettavaksi.

Artikkelia tai kuvia ei saa jäljentää, kopioida, jakaa tai käyttää missään muodossa ilman kirjoittajan ja Marine Insightin lupaa.