Questa è la terza parte della serie sulla progettazione dei sottomarini. Si prega di leggere le prime due qui – Introduzione alla progettazione dei sottomarini e Capire la progettazione dei sottomarini.

Anche se alcuni dei serbatoi usati in un sottomarino sono simili a quelli usati sulle navi di superficie, la maggior parte di essi sono diversi e unici per la natura del funzionamento di un sottomarino, il che lo rende un aspetto importante da studiare in dettaglio.

Per un rapido sguardo, sapevate perché un sottomarino usa un sistema di quattro serbatoi solo nel processo di lancio di un siluro?

Prima esamineremo la pianta dei serbatoi di un sottomarino diesel elettrico e quando avremo familiarizzato con le loro terminologie, studieremo le loro funzioni, il motivo della loro ubicazione e altri aspetti progettuali che li riguardano.

Piano dei serbatoi di un sottomarino:

Insieme al disegno della disposizione generale, il piano dei serbatoi viene preparato per individuare la posizione di ogni serbatoio. I loro nomi, insieme al fluido da trasportare in essi, è specificato nel piano dei serbatoi stesso. La capacità di ogni serbatoio è elencata in un documento separato chiamato piano di capacità del serbatoio.

La figura seguente mostra il piano del serbatoio di un sottomarino diesel elettrico a doppio scafo.

Abbiamo studiato lo scopo e il funzionamento delle cisterne di zavorra in dettaglio nell’articolo sulla stabilità dei sottomarini, quindi questo argomento sarà saltato in questo articolo.

Cisterna di compensazione:

Ricordate di aver discusso come quando un sottomarino ha un assetto positivo o negativo, esso intraprende azioni per mantenere una condizione di assetto neutro regolando il suo peso? Questo si ottiene con l’aiuto di un serbatoio di compensazione, un componente non comune ai concetti tradizionali di progettazione navale.

I serbatoi di compensazione si trovano al centro di gravità longitudinale del sottomarino o nelle sue immediate vicinanze (vedi Figura 1). Perché? Perché, qualsiasi cambiamento di peso causato a una distanza significativa dal centro di gravità longitudinale creerebbe un momento di trimming, che è indesiderato, poiché il sottomarino ha solo bisogno di regolare il suo peso. Si trova all’interno dello scafo resistente alla pressione e prende acqua o pompa acqua in mare a seconda della situazione da affrontare.

Il serbatoio di compensazione può essere svuotato da una pompa o da aria ad alta pressione (in caso di funzionamento a basso rumore), ma perché l’aria ad alta pressione sia un’opzione fattibile, la struttura del serbatoio deve essere resistente alla pressione nella misura in cui può sopportare una pressione interna superiore alla pressione esterna.

Le seguenti alterazioni del peso e dell’equilibrio di galleggiamento sono compensate da serbatoi di compensazione:

• Quando un sottomarino si immerge a profondità maggiori, entra in acque che hanno una densità diversa da quella in superficie. Il peso specifico dell’acqua di mare di solito aumenta da 1,008 a 1,028 con la profondità. Poiché la densità è direttamente proporzionale alla galleggiabilità, questa aumenta, rendendo quindi il sottomarino positivamente galleggiante. Per raggiungere la galleggiabilità neutra, il serbatoio di compensazione prende acqua dal mare fino a quando il peso annulla la galleggiabilità.

• Le differenze di peso sono causate dal consumo di provviste come le provviste, olio combustibile, acqua dolce, olio lubrificante, e altre provviste solide. L’acqua viene presa nel serbatoio per compensare l’effetto. Una cosa interessante accade nel caso del consumo di olio combustibile. Nei sottomarini, quando l’olio combustibile è consumato, il volume libero nel serbatoio dell’olio combustibile viene automaticamente riempito con acqua di mare, in modo che l’olio combustibile galleggi sempre sull’acqua di mare. Questo viene fatto per prevenire gli effetti di superficie libera. Ma poiché l’acqua occupa il volume del combustibile consumato, il peso del sottomarino aumenta a causa di questo. Il serbatoio di compensazione serve anche a compensare questo cambiamento di peso.

• A profondità maggiori, l’alta pressione esterna provoca la compressione dello scafo a pressione. Questo riduce il volume resistente alla pressione del sottomarino, che riduce la sua galleggiabilità. La galleggiabilità persa è compensata dal rilascio di acqua dal serbatoio di compensazione. Di solito, per i sottomarini che hanno una profondità massima d’immersione da 200 a 350 metri, il volume disponibile per questo scopo nel serbatoio di compensazione varia dallo 0,3 allo 0,4 per cento del volume totale dello scafo in pressione.

Un progettista di sottomarini considera due condizioni speciali di carico al confine per stimare la capacità del serbatoio di compensazione per un particolare progetto. Le condizioni di carico sono elencate qui sotto:

Caso di carico 1: Alla fine di una crociera molto lunga e lenta in acqua di mare con densità massima. Alla fine di una crociera molto lunga e lenta, tutti i materiali di consumo come acqua dolce, provviste, cibo sono esauriti, ma rimane una quantità relativamente sufficiente di gasolio. La nave sta navigando in acqua di mare con la massima densità, il che significa che la galleggiabilità è maggiore. Entrambe le condizioni insieme richiedono che il serbatoio di compensazione sia riempito alla sua capacità massima.

Caso 2: Alla fine di una crociera molto breve e veloce in acqua di mare con densità minima. In questa condizione, i materiali di consumo sono stati parzialmente esauriti e il gasolio è completamente consumato. Poiché la densità dell’acqua di mare è minima, il galleggiamento è minimo. In questo caso, l’acqua necessaria nel serbatoio di compensazione sarebbe minima.

Nel caso reale, quando un sottomarino inizia la sua crociera, il volume d’acqua nel serbatoio di compensazione è a metà tra quelli corrispondenti ai due casi limite. È stato osservato da studi parametrici che i serbatoi di compensazione hanno di solito un volume dal 2,5 al 3% del volume totale di resistenza alla pressione del sottomarino. Questi dati sono anche usati dai progettisti nelle fasi preliminari di progettazione.

Tasche di assetto:

Le vasche di assetto sono usate per mantenere il centro di gravità longitudinale appena sotto il centro di galleggiamento, in modo che il sottomarino possa essere manovrato in una condizione di assetto neutro. Questi serbatoi sono di dimensioni uguali, e sono situati all’interno dello scafo in pressione e il più possibile a prua e a poppa, in modo che il momento di assetto causato da essi sia massimizzato (notare i serbatoi di assetto nella Figura 1). Il sistema dei serbatoi di assetto consiste in due coppie di serbatoi, una coppia a prua (babordo e tribordo), l’altra a poppa (babordo e tribordo).

Questi serbatoi sono interconnessi da tubi chiamati trim line, e il fluido utilizzato è chiamato acqua di assetto. L’acqua di assetto viene fatta circolare tra i serbatoi di prua e di poppa a seconda della condizione di assetto richiesta. La circolazione è effettuata o da pompe o da aria a bassa pressione.

Le dimensioni del serbatoio di assetto sono stimate utilizzando le condizioni di bordo che determinano i casi di carico e le condizioni di assetto e analizzandole con il metodo simile a quello dei serbatoi di compensazione. Gli effetti di assetto dovuti allo spostamento del peso durante il lancio dei siluri sono anche presi in considerazione. Per scopi empirici, il volume di acqua di trimming richiesto è lo 0,5% del volume dello scafo in pressione.

Un ulteriore uso dei serbatoi di trimming è la sua proprietà multifunzionale, dove può essere usato sia come serbatoio di trim che di compensazione. In tali progetti, i serbatoi di assetto sono dotati di porte di allagamento. Se, per esempio, è necessario un trimmaggio in avanti, allora il serbatoio di assetto anteriore viene riempito e i serbatoi di poppa vengono svuotati. Se il sottomarino deve ridurre il suo peso senza alcun cambiamento di assetto, allora entrambe le coppie di serbatoi vengono svuotate nella quantità richiesta. Questo sistema offre ulteriori vantaggi per quanto riguarda l’allocazione dello spazio, dato che i sottomarini sono molto limitati in termini di spazio.

Serbatoi negativi o serbatoi di immersione rapida:

Questi serbatoi sono utilizzati come mezzi ausiliari per immergersi nelle onde. Quando un sottomarino si immerge tra le onde, la galleggiabilità aggiunta dovuta all’azione delle onde gli impedisce di immergersi prontamente, e ostacola la sua capacità di immergersi a una profondità maggiore. Quando le depressioni delle onde passano attraverso il sottomarino, le parti di allagamento libero ai livelli più alti del ponte (alla vela e al ponte superiore) rimangono parzialmente allagate, con conseguente fallimento dell’immersione.

Per combattere questo effetto, un serbatoio con porte di allagamento è fornito ad un livello basso, appena davanti al centro di gravità del sottomarino. Non la sua posizione nella figura 1. L’allagamento di questo serbatoio non solo aggiungerebbe una galleggiabilità negativa (o aggiungerebbe al peso), ma a causa della sua posizione longitudinale rispetto al CG, esso rifinisce anche la prua e aiuta nell’immersione rapida. Per questo motivo, sono anche chiamati serbatoi di immersione rapida. Una volta che il sottomarino si è immerso e tutte le aree libere si sono riempite d’acqua, il serbatoio negativo viene svuotato rapidamente usando aria compressa.

Serbatoi per siluri:

I siluri vengono lanciati da tubi lanciasiluri che si trovano nella sezione anteriore di un sottomarino. Il peso di ogni siluro, in generale, è di circa 4 o 5 tonnellate. Quindi, una volta che un siluro viene sparato, la perdita di peso significativo da una posizione lontana dal CG del sottomarino provoca un momento di trimming, che se non impedito, ostacolerebbe la capacità di mantenere la rotta del sottomarino. Il lancio di un siluro da un sottomarino comporta una sequenza di passi per prevenire quanto sopra.

Il tubo lanciasiluri è una struttura cilindrica resistente alla pressione che ha una porta a prua (Muzzle door) e una a poppa (Breech door). Un sottomarino di solito ha più tubi lanciasiluri e può sparare più di un siluro contemporaneamente. Circa un terzo della lunghezza di un tubo lanciasiluri è all’interno dello scafo a pressione, e il resto si trova all’esterno dello scafo a pressione, nella regione libera allagata che porta al punto più avanzato dello scafo esterno dove si trova il portello anteriore. La porzione di tubo nella regione libera allagata è soggetta alla pressione esterna, ed è irrigidita esternamente per proteggerla dalla deformazione.

Passo Uno: In primo luogo, la porta di poppa viene aperta, e il siluro viene caricato nel tubo. Una volta che il portello posteriore è chiuso, l’acqua dal serbatoio dell’arma (WRT) è ammesso nello spazio tra il siluro e le pareti interne del tubo. Il volume del WRT è sufficiente a fornire abbastanza acqua per sparare tutti i siluri, senza richiedere una ricarica. La posizione delle WRT è sempre appena sopra o sotto i tubi dei siluri. Perché? Se le WRT fossero state posizionate longitudinalmente lontano dai tubi lanciasiluri, lo spostamento d’acqua dalle WRT ai tubi lanciasiluri avrebbe causato momenti di assetto indesiderati, causando l’assetto del sottomarino a prua.

Fase due: La porta anteriore si apre sempre verso l’esterno, ma non può essere aperta in questa fase, perché a grandi profondità la pressione esterna è superiore a quella interna. Quindi, l’acqua all’interno del tubo del siluro viene pressurizzata in modo che la pressione interna ed esterna si equivalgano. Una volta fatto questo, lo sportello anteriore viene aperto idraulicamente, e il siluro viene sparato.

Fase tre: Una volta sparato il siluro, lo spazio all’interno del tubo del siluro che era occupato dal siluro viene automaticamente occupato dall’acqua di mare che si riversa all’interno.

Fase quattro: Anche se il volume del siluro all’interno del tubo del siluro è occupato dall’acqua di mare, il peso dell’acqua di mare è inferiore a quello del siluro. Per evitare un momento di sgonfiamento, si deve prendere dell’acqua supplementare per compensare la differenza di peso. Questa quantità aggiuntiva di acqua viene presa in un altro serbatoio chiamato Air Inboard Vent (AIV), che si trova proprio sotto o sopra i tubi del siluro.

Step Five: Ora, per ricaricare un altro siluro nello stesso tubo, prima si chiude lo sportello anteriore del tubo, mentre il tubo viene allagato. L’acqua nel tubo viene prima scaricata in un altro serbatoio chiamato Torpedo Operating Tank (TOT), e poi un altro siluro viene introdotto nel tubo asciutto. Il TOT è posizionato in modo da evitare qualsiasi spostamento longitudinale del peso. Il volume del TOT è sufficiente a trasportare tutta l’acqua necessaria per essere drenata dal tubo del siluro se tutti i siluri vengono lanciati.

Serbatoi d’emergenza:

Come e quando il sottomarino si immerge o sale, la sua capacità di mantenere la profondità è messa alla prova a causa dei cambiamenti di densità e dei conseguenti effetti di compressibilità. In molte operazioni stealth, ai sottomarini navali è richiesto di librarsi a una profondità fissa mentre sono fermi. In tal caso, è necessario un equilibrio costante dell’equazione peso- galleggiamento. Questo equilibrio può essere ottenuto con un sistema controllato da un sensore dedicato a un serbatoio speciale dove l’acqua può essere presa quando il sottomarino sale, e l’acqua dello stesso serbatoio può essere pompata fuori quando il sottomarino affonda. Questo scambio d’acqua è rapido, ed è necessario che avvenga in modo continuo. Per questo motivo, un serbatoio speciale chiamato Hover Tank, situato all’esterno dello scafo in pressione, è utilizzato per soddisfare questo scopo. La ragione della sua collocazione nello scafo esterno (a differenza di un serbatoio di compensazione, che è all’interno dello scafo in pressione) è quella di mantenere il suo contenuto alla pressione del mare ambiente in modo che sia possibile un continuo afflusso e deflusso di acqua.

Tuttavia, nei casi in cui il sottomarino deve essere progettato per librarsi vicino alla superficie, il sistema di sospensione deve essere più robusto in modo da compensare gli effetti destabilizzanti dell’azione delle onde.

Gli altri tipi di serbatoi usati in un sottomarino sono i serbatoi di olio combustibile, di olio lubrificante, di olio di fango, di sentina e di acqua dolce. Non sono stati discussi qui perché il loro funzionamento e scopo sono simili a quelli delle navi di superficie. Tuttavia, è importante per un progettista effettuare studi parametrici sulle capacità dei serbatoi di vari progetti esistenti prima di raggiungere parametricamente una stima della capacità e un piano per i serbatoi di un nuovo progetto.

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