To jest trzecia część serii o projektowaniu okrętów podwodnych. Proszę przeczytać dwie pierwsze tutaj – Wprowadzenie do projektowania okrętów podwodnych i Zrozumienie projektowania okrętów podwodnych.

Choć niektóre zbiorniki używane w okręcie podwodnym są podobne do tych używanych na okrętach nawodnych, większość z nich jest inna i unikalna dla charakteru działania okrętu podwodnego, co sprawia, że jest to ważny aspekt do szczegółowego zbadania.

Dla szybkiego spojrzenia, czy wiesz dlaczego okręt podwodny używa systemu czterech zbiorników tylko w procesie odpalania jednej torpedy?

Pierw zajmiemy się planem zbiorników okrętu podwodnego z napędem spalinowo-elektrycznym, a gdy zapoznamy się z ich terminologią, przestudiujemy ich funkcje, przyczynę ich umiejscowienia oraz inne aspekty konstrukcyjne z nimi związane.

Plan zbiorników okrętu podwodnego:

Podsumowując rysunek rozmieszczenia ogólnego, plan zbiorników jest przygotowywany w celu zlokalizowania położenia każdego zbiornika. Ich nazwy, wraz z cieczą, która ma być w nich przewożona, są wyszczególnione na planie zbiornika. Pojemność każdego zbiornika jest podana w oddzielnym dokumencie, zwanym planem pojemności zbiornika.

Następny rysunek przedstawia plan zbiornika dwukadłubowego okrętu podwodnego z napędem spalinowo-elektrycznym.

Cel i działanie zbiorników balastowych omówiliśmy szczegółowo w artykule o stateczności okrętu podwodnego, stąd temat ten zostanie pominięty w tym artykule.

Zbiornik wyrównawczy:

Pamiętasz dyskusję o tym, że kiedy okręt podwodny jest dodatnio lub ujemnie wyporny, podejmuje on działania mające na celu utrzymanie neutralnej pływalności poprzez dostosowanie swojej masy? Osiąga się to za pomocą zbiornika wyrównawczego, elementu nieczęsto spotykanego w tradycyjnych koncepcjach projektowania okrętów.

Zbiorniki wyrównawcze są umieszczane na lub w bliskim sąsiedztwie wzdłużnego środka ciężkości okrętu podwodnego (patrz rysunek 1). Dlaczego? Ponieważ wszelkie zmiany masy wywołane w znacznej odległości od wzdłużnego środka ciężkości spowodowałyby powstanie momentu trymującego, co jest niepożądane, gdyż okręt podwodny musi jedynie dostosować swoją masę. Znajduje się on wewnątrz odpornego na ciśnienie kadłuba i pobiera wodę lub pompuje wodę do morza w zależności od sytuacji, z którą trzeba się zmierzyć.

Zbiornik wyrównawczy może być opróżniany przez pompę lub powietrze pod wysokim ciśnieniem (w przypadku pracy przy niskim poziomie hałasu), ale aby powietrze pod wysokim ciśnieniem było realną opcją, konstrukcja zbiornika musi być odporna na ciśnienie w takim stopniu, aby mogła wytrzymać ciśnienie wewnętrzne wyższe niż ciśnienie zewnętrzne.

Następujące zmiany w bilansie masy i pływalności są kompensowane przez zbiorniki wyrównawcze:

• Gdy okręt podwodny nurkuje na większe głębokości, wchodzi do wód, które mają inną gęstość niż te na powierzchni. Ciężar właściwy wody morskiej zwykle wzrasta od 1,008 do 1,028 wraz z głębokością. Ponieważ gęstość jest wprost proporcjonalna do pływalności, pływalność wzrasta, przez co okręt podwodny staje się dodatnio wyporny. Aby osiągnąć neutralną pływalność, zbiornik wyrównawczy pobiera wodę z morza do momentu, gdy ciężar zrównoważy pływalność.

• Różnice w ciężarze są spowodowane zużyciem zapasów takich jak prowiant, olej opałowy, słodka woda, olej smarowy i inne stałe zapasy. W celu wyrównania tego efektu do zbiornika pobierana jest woda. Ciekawa rzecz dzieje się w przypadku zużycia oleju napędowego. W okrętach podwodnych, w miarę zużywania się oleju napędowego, wolna przestrzeń w zbiorniku oleju napędowego jest automatycznie wypełniana wodą morską, tak że olej napędowy zawsze unosi się na wodzie morskiej. Dzieje się tak, aby zapobiec efektom powierzchni swobodnej. Ponieważ jednak woda przejmuje objętość zużytego paliwa, wzrasta z tego powodu masa okrętu podwodnego. Zbiornik wyrównawczy służy również do kompensacji tej zmiany ciężaru.

• Na większych głębokościach wysokie ciśnienie zewnętrzne powoduje kompresję kadłuba ciśnieniowego. Powoduje to zmniejszenie objętości odpornej na ciśnienie w okręcie podwodnym, co zmniejsza jego pływalność. Utrata pływalności kompensowana jest poprzez wypuszczanie wody ze zbiornika wyrównawczego. Zwykle, dla okrętów podwodnych o maksymalnej głębokości nurkowania od 200 do 350 metrów, objętość dostępna w tym celu w zbiorniku wyrównawczym wynosi od 0,3 do 0,4 procent całkowitej objętości kadłuba ciśnieniowego.

Projektant okrętu podwodnego bierze pod uwagę dwa specjalne graniczne warunki obciążenia, aby oszacować pojemność zbiornika wyrównawczego dla danej konstrukcji. Warunki obciążenia są wymienione poniżej:

Przypadek obciążenia 1: Pod koniec bardzo długiego, powolnego rejsu w wodzie morskiej o maksymalnej gęstości. Pod koniec bardzo długiego i powolnego rejsu wszystkie materiały eksploatacyjne, takie jak słodka woda, zapasy, żywność zostały zużyte, ale pozostała stosunkowo wystarczająca ilość oleju napędowego. Statek płynie w wodzie morskiej o maksymalnej gęstości, co oznacza, że pływalność jest większa. Oba te warunki łącznie wymagają, aby zbiornik wyrównawczy był napełniony do maksymalnej pojemności.

Przypadek 2: Pod koniec bardzo krótkiego, szybkiego rejsu w wodzie morskiej o minimalnej gęstości. W tym stanie materiały eksploatacyjne zostały częściowo zużyte, a olej napędowy jest całkowicie zużyty. Ponieważ gęstość wody morskiej jest minimalna, pływalność jest najmniejsza. W takim przypadku ilość wody wymaganej w zbiorniku wyrównawczym byłaby minimalna.

W rzeczywistości, gdy okręt podwodny rozpoczyna rejs, objętość wody w zbiorniku wyrównawczym znajduje się gdzieś pomiędzy tymi odpowiadającymi dwóm granicznym przypadkom. Z badań parametrycznych wynika, że zbiorniki wyrównawcze mają zwykle objętość 2,5 do 3 procent całkowitej objętości ciśnieniowej okrętu podwodnego. Dane te są również wykorzystywane przez projektantów na wstępnych etapach projektowania.

Zbiorniki trymowe:

Zbiorniki trymowe służą do utrzymania wzdłużnego środka ciężkości tuż pod środkiem wyporu, tak że okręt podwodny może być manewrowany do neutralnego stanu przegłębienia. Zbiorniki te mają jednakowe rozmiary i są umieszczone wewnątrz kadłuba ciśnieniowego, jak najdalej do przodu i do tyłu, tak aby spowodowany przez nie moment trymujący był jak największy (zwróć uwagę na zbiorniki trymujące na rysunku 1). System zbiorników trymowych składa się z dwóch par zbiorników, jedna para na dziobie (lewa i prawa burta), druga na rufie (lewa i prawa burta).

Zbiorniki te połączone są ze sobą rurami zwanymi liniami trymowymi, a używany w nich płyn nazywany jest wodą trymową. Woda trymowa jest cyrkulowana pomiędzy zbiornikami dziobowym i rufowym w zależności od wymaganego stanu przegłębienia. Cyrkulacja odbywa się za pomocą pomp lub powietrza o niskim ciśnieniu.

Wymiary zbiornika trymowego są szacowane z wykorzystaniem warunków granicznych określających przypadki obciążenia i warunki trymu oraz analizowane metodą podobną do metody stosowanej dla zbiorników wyrównawczych. Uwzględnia się również efekty przegłębienia wynikające z przesunięcia ciężaru podczas odpalania torped. Dla celów empirycznych, wymagana objętość wody trymującej wynosi 0,5 procent objętości kadłuba ciśnieniowego.

Dodatkowym zastosowaniem zbiorników trymujących jest ich wielofunkcyjność, gdzie mogą być stosowane zarówno jako zbiorniki trymujące jak i kompensujące. W takich konstrukcjach, zbiorniki trymowe wyposażone są w porty zalewowe. Jeśli, powiedzmy, wymagane jest trymowanie dziobu, wówczas zbiornik dziobowy jest napełniany, a zbiorniki rufowe opróżniane. Jeśli okręt podwodny ma zmniejszyć swoją masę bez zmiany przegłębienia, wówczas obie pary zbiorników są opróżniane do wymaganej ilości. System ten oferuje dodatkowe korzyści w odniesieniu do przydziału przestrzeni, ponieważ okręty podwodne mają bardzo ograniczone możliwości przestrzenne.

Zbiorniki ujemne lub zbiorniki szybkiego nurkowania:

Zbiorniki te są używane jako pomocnicze środki do nurkowania w falach. Gdy okręt podwodny nurkuje na falach, dodatkowa pływalność spowodowana działaniem fal uniemożliwia mu szybkie zanurzenie i utrudnia zanurzenie się na większą głębokość. Gdy koryta fal przechodzą przez okręt podwodny, części swobodnie zalewane na najwyższych poziomach pokładu (na żaglu i górnym pokładzie) pozostają częściowo zalane, co skutkuje niemożnością zanurzenia się.

Aby zwalczyć ten efekt, na niskim poziomie, tuż przed środkiem ciężkości okrętu podwodnego, umieszczono zbiornik z portami zalewowymi. Nie pokazano jego położenia na Rysunku 1. Zatopienie tego zbiornika nie tylko dodałoby ujemnej pływalności (czyli zwiększyło masę), ale z uwagi na jego wzdłużne położenie względem środka ciężkości, przycina on także dziób i pomaga w szybkim zanurzaniu. Z tego powodu nazywane są one także zbiornikami szybkiego zanurzenia. Po zanurzeniu się okrętu podwodnego i wypełnieniu wodą wszystkich wolnych przestrzeni zalewowych, zbiornik negatywny jest szybko opróżniany za pomocą sprężonego powietrza.

Zbiorniki torpedowe:

Torpedy wystrzeliwane są z wyrzutni torpedowych, które znajdują się w przedniej części okrętu podwodnego. Masa każdej torpedy wynosi na ogół około 4 do 5 ton. Stąd też po odpaleniu torpedy utrata znacznej masy z pozycji oddalonej od GK okrętu podwodnego powoduje powstanie momentu przegłębiającego, który, jeśli nie zostanie powstrzymany, utrudni utrzymanie kursu przez okręt podwodny. Odpalenie torpedy z okrętu podwodnego obejmuje sekwencję czynności mających na celu zapobieżenie powyższym zjawiskom.

Wyrzutnia torpedowa jest odporną na ciśnienie strukturą cylindryczną, posiadającą drzwi w części dziobowej (Muzzle door) i jedne w części rufowej (Breech door). Okręt podwodny zazwyczaj posiada wiele tub torpedowych i może wystrzelić więcej niż jedną torpedę jednocześnie. Około jedna trzecia długości rury torpedowej znajduje się wewnątrz kadłuba ciśnieniowego, a pozostała część znajduje się na zewnątrz kadłuba ciśnieniowego, w obszarze swobodnie zalanym, prowadzącym do najbardziej wysuniętego do przodu punktu kadłuba zewnętrznego, gdzie znajdują się przednie drzwi. Część rury w rejonie swobodnego zalewania jest poddana ciśnieniu zewnętrznemu i jest usztywniona zewnętrznie w celu zabezpieczenia jej przed wyboczeniem.

Krok pierwszy: Najpierw otwierane są drzwi rufowe i torpeda jest ładowana do rury. Po zamknięciu tylnych drzwi, woda z Weapon Round Tank (WRT) zostaje wpuszczona do przestrzeni pomiędzy torpedą a wewnętrznymi ścianami tuby. Objętość WRT jest wystarczająca, aby zapewnić wystarczającą ilość wody do wystrzelenia wszystkich torped, bez konieczności uzupełniania. Rozmieszczenie WRT jest zawsze tuż nad lub pod tubami torpedowymi. Dlaczego? Gdyby WRT były umieszczone wzdłużnie z dala od wyrzutni torpedowych, przesunięcie wody z WRT do wyrzutni torpedowych spowodowałoby niepożądane momenty przegłębienia, powodując przegłębienie okrętu podwodnego dziobem.

Krok drugi: Przednie drzwi zawsze otwierają się w kierunku zewnętrznym, ale nie można ich otworzyć na tym etapie, ponieważ na dużych głębokościach ciśnienie zewnętrzne jest wyższe niż wewnętrzne. Dlatego woda wewnątrz tuby torpedy jest poddawana ciśnieniu tak, aby ciśnienie wewnętrzne i zewnętrzne wyrównało się. Gdy to nastąpi, przednie drzwi zostają hydraulicznie otwarte, a torpeda zostaje odpalona.

Krok trzeci: Po wystrzeleniu torpedy, przestrzeń wewnątrz tuby torpedowej, która była zajęta przez torpedę, zostaje automatycznie zajęta przez wodę morską, która wlewa się do środka.

Krok czwarty: Chociaż objętość torpedy wewnątrz tuby torpedowej jest zajęta przez wodę morską, masa wody morskiej jest mniejsza niż torpedy. Aby zapobiec momentowi przegłębienia, należy pobrać dodatkową ilość wody, aby wyrównać różnicę w masie. Ta dodatkowa ilość wody jest pobierana do innego zbiornika zwanego Air Inboard Vent (AIV), który znajduje się tuż poniżej lub powyżej rur torpedowych.

Krok piąty: Teraz, aby przeładować kolejną torpedę do tej samej tuby, najpierw przednie drzwi tuby są zamykane, podczas gdy tuba jest zalewana. Woda w tubie jest najpierw spuszczana do innego zbiornika zwanego Torpedo Operating Tank (TOT), a następnie do suchej tuby wprowadzana jest kolejna torpeda. TOT jest umieszczony tak, aby zapobiec wzdłużnemu przesunięciu masy. Objętość TOT jest wystarczająca do przeniesienia całej wody wymaganej do odprowadzenia z rury torpedowej, jeżeli wszystkie torpedy zostaną wystrzelone.

Zbiorniki zawisu:

Jak i kiedy okręt podwodny zanurza się lub wznosi, jego zdolność utrzymywania głębokości jest kwestionowana z powodu zmian gęstości i wynikających z tego efektów ściśliwości. W wielu operacjach typu stealth morskie okręty podwodne muszą pozostawać w bezruchu na stałej głębokości. W takim przypadku wymagana jest stała równowaga równania ciężaru i pływalności. Równowaga ta może być osiągnięta przez sterowany czujnikami system dedykowany do specjalnego zbiornika, do którego woda może być pobierana, gdy okręt podwodny się wznosi, a woda z tego samego zbiornika może być wypompowywana, gdy okręt podwodny tonie. Taka wymiana wody jest szybka i musi być dokonywana w sposób ciągły. Stąd specjalny zbiornik zwany Hover Tank, zlokalizowany poza kadłubem ciśnieniowym, służy właśnie do tego celu. Powodem jego umiejscowienia w kadłubie zewnętrznym (w przeciwieństwie do zbiornika wyrównawczego, który znajduje się wewnątrz kadłuba ciśnieniowego) jest utrzymanie jego zawartości w ciśnieniu morskim otoczenia tak, aby możliwy był ciągły dopływ i odpływ wody.

Jednakże w przypadkach, gdy okręt podwodny ma być zaprojektowany do zawisania blisko powierzchni, system zawisania musi być bardziej wytrzymały, aby kompensować destabilizujące efekty działania fal.

Innymi typami zbiorników stosowanych w okręcie podwodnym są zbiorniki oleju napędowego, zbiorniki oleju smarowego, zbiorniki oleju szlamowego, zbiorniki zęzowe i zbiorniki słodkiej wody. Nie zostały one tutaj omówione, gdyż ich działanie i przeznaczenie są podobne do tych stosowanych na okrętach nawodnych. Ważne jest jednak, aby projektant przeprowadził badania parametryczne pojemności zbiorników różnych istniejących konstrukcji, zanim parametrycznie dojdzie do oszacowania pojemności i planu zbiorników nowej konstrukcji.

Zrzeczenie się odpowiedzialności: Poglądy autorów wyrażone w tym artykule niekoniecznie odzwierciedlają poglądy Marine Insight. Dane i wykresy, jeśli zostały użyte, w artykule zostały zaczerpnięte z dostępnych informacji i nie zostały uwierzytelnione przez żaden organ ustawowy. Autor i Marine Insight nie twierdzą, że są one dokładne i nie ponoszą żadnej odpowiedzialności za nie. Poglądy stanowią jedynie opinie i nie stanowią żadnych wytycznych ani zaleceń co do sposobu postępowania czytelnika.

Artykuł lub obrazy nie mogą być powielane, kopiowane, udostępniane lub wykorzystywane w jakiejkolwiek formie bez zgody autora i Marine Insight.