Dit is het derde deel in de serie over het ontwerp van onderzeeërs. Lees de eerste twee hier – Inleiding tot onderzeebootontwerp en Inzicht in onderzeebootontwerp.

Hoewel sommige van de tanks die in een onderzeeboot worden gebruikt vergelijkbaar zijn met die op oppervlakteschepen, zijn de meeste verschillend en uniek voor de aard van de werking van een onderzeeboot, waardoor het een belangrijk aspect is dat in detail moet worden bestudeerd.

Wist u voor de vuist weg waarom een onderzeeboot een systeem van vier tanks gebruikt om slechts één torpedo af te vuren?

We zullen eerst kijken naar het tankplan van een dieselelektrische onderzeeër en als en wanneer we vertrouwd zijn met hun terminologie, zullen we hun functies, de reden achter hun locatie, en andere ontwerpaspecten met betrekking tot hen bestuderen.

Tankplan van een onderzeeër:

Naast de algemene indelingstekening, wordt het tankplan opgesteld om de positie van elke tank te lokaliseren. Hun namen, samen met de vloeistof die erin moet worden vervoerd, wordt gespecificeerd in het tankplan zelf. De capaciteit van elke tank wordt vermeld op een afzonderlijk document dat het tankinhoudsplan wordt genoemd.

De volgende figuur toont het tankplan van een dubbelwandige dieselelektrische onderzeeër.

We hebben het doel en de werking van ballasttanks in detail bestudeerd in het artikel over de stabiliteit van onderzeeërs, vandaar dat dit onderwerp in dit artikel wordt overgeslagen.

Compensatietank:

Herken je nog de discussie over hoe een onderzeeër, wanneer hij positief of negatief drijft, maatregelen neemt om een toestand van neutraal drijfvermogen te handhaven door zijn gewicht aan te passen? Dit wordt bereikt met behulp van een compenserende tank, een component die ongewoon is voor de traditionele concepten van scheepsontwerp.

Compenserende tanks bevinden zich op of in de nabijheid van het longitudinale zwaartepunt van de onderzeeër (zie figuur 1). Waarom? Omdat elke gewichtsverandering op een aanzienlijke afstand van het longitudinale zwaartepunt een trimmoment zou veroorzaken, hetgeen ongewenst is, aangezien de onderzeeër slechts zijn gewicht hoeft aan te passen. Hij bevindt zich binnen de drukbestendige romp en neemt water op of pompt water naar zee, afhankelijk van de situatie die moet worden aangepakt.

De compensatietank kan worden geleegd door een pomp of door hogedruklucht (in geval van geluidsarme werking), maar om hogedruklucht een haalbare optie te laten zijn, moet de tankstructuur zodanig drukbestendig zijn dat hij een inwendige druk kan weerstaan die hoger is dan de externe druk.

De volgende veranderingen in gewicht en drijfvermogenbalans worden gecompenseerd door compenserende tanks:

• Wanneer een onderzeeër naar grotere diepten duikt, komt hij in wateren terecht die een andere dichtheid hebben dan die aan de oppervlakte. Het soortelijk gewicht van zeewater neemt gewoonlijk toe van 1,008 tot 1,028 naarmate het dieper wordt. Aangezien de dichtheid recht evenredig is met het drijfvermogen, neemt het drijfvermogen toe, waardoor de onderzeeër een positief drijfvermogen krijgt. Om een neutraal drijfvermogen te bereiken, neemt de compensatietank water uit de zee tot het gewicht het drijfvermogen opheft.

• Gewichtsverschillen worden veroorzaakt door het verbruik van voorraden, zoals proviand, stookolie, zoet water, smeerolie en andere vaste voorraden. Er wordt water in de tank gebracht om het effect te compenseren. Een interessante zaak doet zich voor bij het verbruik van stookolie. In onderzeeërs wordt, wanneer de stookolie opgebruikt is, het vrijgekomen volume in de stookolietank automatisch gevuld met zeewater, zodat de stookolie altijd op zeewater drijft. Dit wordt gedaan om vrije-oppervlakte-effecten te voorkomen. Maar omdat water het volume van de verbruikte brandstof inneemt, neemt het gewicht van de onderzeeër hierdoor toe. De compensatietank wordt ook gebruikt om deze gewichtsverandering te compenseren.

• Op grotere diepte leidt de hoge externe druk tot compressie van de drukromp. Hierdoor vermindert het drukbestendige volume van de onderzeeër, waardoor het drijfvermogen afneemt. Het verlies aan drijfvermogen wordt gecompenseerd door water uit de compensatietank te laten lopen. Gewoonlijk is voor onderzeeboten met een maximale duikdiepte van 200 tot 350 meter een volume in de compenserende tank beschikbaar van 0,3 tot 0,4 procent van het totale volume van de drukromp.

Een ontwerper van onderzeeboten neemt twee speciale grensbelastingscondities in aanmerking om de capaciteit van de compenserende tank voor een bepaald ontwerp te schatten. De beladingstoestanden zijn hieronder opgesomd:

Ladingstoestand 1: Aan het einde van een zeer lange, langzame vaart in zeewater met maximale dichtheid. Aan het einde van een zeer lange en langzame vaart zijn alle verbruiksgoederen zoals zoet water, voorraden, voedsel verbruikt, maar er is nog relatief voldoende dieselolie over. Het schip vaart in zeewater met een maximale dichtheid, wat betekent dat het drijfvermogen groter is. Beide omstandigheden samen vereisen dat de compensatietank tot de maximale capaciteit wordt gevuld.

Lading-Case 2: Aan het einde van een zeer korte, snelle vaart in zeewater met minimale dichtheid. In deze toestand zijn de verbruiksgoederen gedeeltelijk opgebruikt en is de dieselbrandstof volledig verbruikt. Aangezien de dichtheid van het zeewater minimaal is, is het drijfvermogen het geringst. In een dergelijk geval zou het in de compensatietank benodigde water minimaal zijn.

In het werkelijke geval, wanneer een onderzeeër aan zijn cruise begint, ligt het watervolume in de compensatietank ergens tussen die welke overeenkomen met de twee grensgevallen. Uit parametrische studies is gebleken, dat compensatietanks gewoonlijk een volume hebben van 2,5 tot 3 procent van het totale drukbestendige volume van de onderzeeboot. Deze gegevens worden ook gebruikt door ontwerpers in de voorontwerpfasen.

Trimtanks:

Trimtanks worden gebruikt om het longitudinale zwaartepunt net onder het drijfvermogen te houden, zodat de onderzeeër in een neutrale trimtoestand kan worden gemanoeuvreerd. Deze tanks zijn van gelijke grootte, en bevinden zich binnen de drukromp en zo ver mogelijk naar voren en naar achteren, zodat het door hen veroorzaakte trimmoment wordt gemaximaliseerd (let op de trimtanks in figuur 1). Het trim tanksysteem bestaat uit twee paar tanks, één paar voorin (bakboord en stuurboord), de andere achterin (bakboord en stuurboord).

Deze tanks zijn onderling verbonden door leidingen, trimleidingen genaamd, en de gebruikte vloeistof wordt trimwater genoemd. Het trimwater circuleert tussen de voorste en achterste tanks, afhankelijk van de vereiste trimtoestand. De circulatie geschiedt door pompen of door lucht onder lage druk.

De afmetingen van de trimtank worden geschat aan de hand van randvoorwaarden die belastingsgevallen en trimtoestanden bepalen en deze analyseren met de methode die vergelijkbaar is met die van compenserende tanks. Er wordt ook rekening gehouden met trimeffecten als gevolg van gewichtsverplaatsing tijdens het afvuren van torpedo’s. Voor empirische doeleinden is het benodigde volume trimwater 0,5 procent van het volume van de drukromp.

Een bijkomend gebruik van trimtanks zijn de multifunctionele eigenschappen, waarbij ze zowel als trim- en compensatietank kunnen worden gebruikt. Bij dergelijke ontwerpen zijn de trimtanks voorzien van vloedpoorten. Als er bijvoorbeeld naar voren moet worden getrimd, dan wordt de voorste trimtank gevuld en de achterste tanks geleegd. Als de onderzeeër zijn gewicht moet verminderen zonder enige verandering in de trim, dan worden beide tanks leeggepompt tot de vereiste hoeveelheid. Dit systeem biedt extra voordelen met betrekking tot de toewijzing van ruimte, aangezien onderzeeërs zeer ruimtebeperkend zijn.

Negatieve Tanks of Snel Duik Tanks:

Deze tanks worden gebruikt als hulpmiddel om in golven te duiken. Wanneer een onderzeeër in golven duikt, verhindert de extra opwaartse druk als gevolg van de golfwerking een snelle duik, en belemmert het zijn vermogen om naar een diepere diepte te duiken. Wanneer de golftroggen over de onderzeeër gaan, blijven de vrije vloeddelen op de hoogste dekniveaus (bij het zeil en het bovendek) gedeeltelijk onder water, met als gevolg dat niet kan worden gedoken.

Om dit effect tegen te gaan, is een tank met vloedpoorten aangebracht op een laag niveau, juist vóór het zwaartepunt van de onderzeeër. Niet de plaats ervan in figuur 1. Het laten vollopen van deze tank zou niet alleen negatief drijfvermogen toevoegen (of het gewicht verhogen), maar door zijn longitudinale positie ten opzichte van het zwaartepunt, trimt hij ook de boeg en helpt hij bij het snel duiken. Daarom worden ze ook snelduiktanks genoemd. Zodra de onderzeeër gedoken is en alle vrije overstromingsgebieden met water gevuld zijn, wordt de negatieve tank snel leeggepompt met behulp van perslucht.

Torpedotanks:

Torpedo’s worden afgevuurd vanuit torpedobuizen die zich in het voorste gedeelte van een onderzeeër bevinden. Het gewicht van elke torpedo is in het algemeen ongeveer 4 tot 5 ton. Zodra een torpedo is afgevuurd, veroorzaakt het verlies van een aanzienlijk gewicht op een plaats die verwijderd is van het zwaartepunt van de onderzeeër een trimmoment, dat, indien het niet wordt voorkomen, het vermogen van de onderzeeër om koers te houden zou belemmeren. Het afvuren van een torpedo vanuit een onderzeeboot omvat een opeenvolging van stappen om het bovenstaande te voorkomen.

De torpedobuis is een drukbestendige cilindrische structuur met een deur aan de voorkant (Muzzle door) en een aan de achterkant (Breech door). Een onderzeeër heeft gewoonlijk meerdere torpedobuizen en kan meer dan één torpedo tegelijk afvuren. Ongeveer een derde van de lengte van een torpedobuis bevindt zich binnen de drukromp, en de rest bevindt zich buiten de drukromp, in het vrij ondergelopen gebied dat leidt naar het voorste punt van de buitenromp waar zich de voordeur bevindt. Het gedeelte van de buis in het vrij overstroomde gebied is onderworpen aan externe druk, en is aan de buitenkant verstijfd om het tegen knikken te beschermen.

Stap één: Eerst wordt de achterdeur geopend, en wordt de torpedo in de buis geladen. Zodra de achterdeur is gesloten, wordt water uit de Weapon Round Tank (WRT) toegelaten in de ruimte tussen de torpedo en de binnenwanden van de buis. Het volume van de WRT is voldoende om voldoende water te leveren voor het afvuren van alle torpedo’s, zonder dat bijgevuld hoeft te worden. De plaats van de WRT’s is altijd net boven of onder de torpedobuizen. Waarom? Als de WRT’s in de lengterichting van de torpedobuizen waren geplaatst, zou het verschuiven van water van de WRT naar de torpedobuizen ongewenste trimmomenten hebben veroorzaakt, waardoor de onderzeeër door de boeg zou zijn getrimd.

Stap twee: De voorste deur gaat altijd open in de buitenste richting, maar kan in dit stadium niet worden geopend, omdat op grote diepte de uitwendige druk hoger is dan de inwendige druk. Daarom wordt het water in de torpedobuis onder druk gezet, zodat de interne en externe druk gelijk worden. Zodra dit is gebeurd, wordt de voordeur hydraulisch geopend, en de torpedo wordt afgevuurd.

Stap Drie: Zodra de torpedo is afgevuurd, wordt de ruimte in de torpedobuis die door de torpedo werd ingenomen, automatisch ingenomen door zeewater dat binnenstroomt.

Step Vier: Hoewel het volume van de torpedo binnen de torpedobuis wordt ingenomen door zeewater, is het gewicht van het zeewater minder dan dat van de torpedo. Om een trimmoment te voorkomen, moet extra water worden ingenomen om het verschil in gewicht te compenseren. Deze extra hoeveelheid water wordt in een andere tank gebracht, de Air Inboard Vent (AIV), die zich net onder of boven de torpedobuizen bevindt.

Stap Vijf: Om nu een andere torpedo in dezelfde buis te herladen, wordt eerst de voordeur van de buis gesloten, terwijl de buis onder water wordt gezet. Het water in de buis wordt eerst afgevoerd naar een andere tank, de Torpedo Operating Tank (TOT), en dan wordt een andere torpedo in de droge buis gebracht. De TOT is zo geplaatst dat elke gewichtsverplaatsing in de lengterichting wordt voorkomen. Het volume van de TOT is voldoende om al het water te bevatten dat uit de torpedobuis moet worden afgevoerd als alle torpedo’s worden afgevuurd.

Hover Tanks:

Als en wanneer de onderzeeër duikt of stijgt, wordt het vermogen om de diepte te behouden op de proef gesteld als gevolg van veranderingen in dichtheid en daaruit voortvloeiende samendrukbaarheidseffecten. Bij veel stealth-operaties moeten marineonderzeeërs stationair op een vaste diepte blijven zweven. In een dergelijk geval is een constant evenwicht tussen gewicht en drijfvermogen vereist. Dit evenwicht kan worden bereikt met een door sensoren gestuurd systeem in een speciale tank waarin water kan worden opgenomen wanneer de onderzeeër stijgt, en water uit dezelfde tank kan worden weggepompt wanneer de onderzeeër zinkt. Deze uitwisseling van water gaat snel en moet continu plaatsvinden. Daarom wordt voor dit doel een speciale tank gebruikt, de zogenaamde Hover Tank, die zich buiten de drukromp bevindt. De reden waarom deze tank zich in de buitenromp bevindt (in tegenstelling tot een compenserende tank, die zich in de drukromp bevindt), is dat de inhoud ervan op de omgevingsdruk van de zee wordt gehouden, zodat een continue toe- en afvoer van water mogelijk is.

In gevallen waarin de onderzeeër echter moet worden ontworpen om dicht bij de oppervlakte te zweven, moet het zweefsysteem robuuster zijn om de destabiliserende effecten van golfslag te compenseren.

De andere soorten tanks die in een onderzeeër worden gebruikt, zijn brandstofolietanks, smeerolietanks, slibolietanks, bilgeertanks en zoetwatertanks. Zij zijn hier niet besproken omdat hun werking en doel vergelijkbaar zijn met die van oppervlakteschepen. Het is echter van belang dat een ontwerper parametrische studies van tankcapaciteiten van verschillende bestaande ontwerpen uitvoert alvorens parametrisch tot een schatting van de capaciteit en een plan voor de tanks van een nieuw ontwerp te komen.

Disclaimer: De opvattingen van de auteurs in dit artikel weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs de opvattingen van Marine Insight. Gegevens en grafieken, indien gebruikt, in het artikel zijn afkomstig van beschikbare informatie en zijn niet geauthenticeerd door een wettelijke autoriteit. De auteur en Marine Insight beweren niet dat deze accuraat zijn en aanvaarden geen enkele verantwoordelijkheid daarvoor. De standpunten vormen slechts de meningen en vormen geen richtlijnen of aanbevelingen over de te volgen handelwijze van de lezer.

Het artikel of afbeeldingen mogen niet worden gereproduceerd, gekopieerd, gedeeld of gebruikt in welke vorm dan ook zonder toestemming van de auteur en Marine Insight.