Droppande skrov
Ett droppskrov är en ubåtsskrovdesign som betonar nedsänkt prestanda framför prestanda på ytan. Det var något vanligt i de tidiga stadierna av ubåtsutveckling, men övergavs gradvis i början av 1900-talet till förmån för konstruktioner optimerade för hög prestanda på ytan som ett resultat av förändringar i operationell doktrin. Även om sjöfartsdoktrinen förändrades, återstod designpraxis till de senare delarna av andra världskriget då den tyska Kriegsmarinen led ständigt växande förluster av ubåtar i slaget om Atlanten .
I ett försök att bekämpa det växande hotet från allierade anti-ubåtsinsatser , sattes experimentella designkoncept med anor från det sena interbellumet in i den befintliga ubåtsdesignprocessen, vilket resulterade i ett litet antal väteperoxiddrivna ubåtar såväl som Elektroboot - familjen av dieselelektriska ubåtsklasser. Även om det var för sent och för få för att vända kriget, störde granskningen av dessa båtar under den omedelbara efterkrigstiden kraftigt den institutionella tröghet som hade hållit världens flottor fokuserade på den "dykande torpedbåten" under de föregående decennierna, och ledde till ett ökat fokus på nedsänkt prestanda. Detta ledde till att droppskrovet så småningom återinfördes i ubåtar, som används i olika former på praktiskt taget alla stora militära undervattensfartyg idag.
Historia
Eftersom termen inte hänvisar till någon exakt form, utan snarare till det abstrakta konceptet med en skrovform optimerad för undervattensresor, och mer specifikt den fysiska manifestationen av denna idé i faktiska ubåtar som begränsas av materialvetenskap och designkraven som ställs på fartyget , om något specifikt fartyg uppvisar ett droppskrov eller inte beror på den subjektiva tolkningen av själva termen. Beroende på denna tolkning kan flera av ubåtarna som visas nedan anses ha varit ett "första försök" eller en "milstolpe" av någon beskrivning.
Denna kopia av Ictineo II från mitten till slutet av 1860-talet kan representera ett av de tidigaste försöken med en skrovform optimerad för undervattensresor.
En modell av en av John Phillip Hollands mönster från slutet av 1800-talet eller början av 1900-talet, som visar ett mycket rent skrov och relativt modernt roderarrangemang.
Mindre än 10 år efter att HMS Holland 1 togs i bruk visar den brittiska ubåten av B-klass övergången i skrovform från ubåt till dykande ytfartyg. Fören är något upphöjd, liksom aktern ovanför de två propellrarna.
ångdrivna brittiska K-klassen togs i bruk 1917 och kan ses som toppen av ytoptimerade ubåtar under första världskriget. De uppnådde 24 kn (44 km/h) och kunde i en nödsituation sjunka under vatten på bara fem minuter, även om en halvtimme var en mer rimlig tidsram i normal drift. 103 m långa, och med ett uppskattat maximalt dykdjup på 61 m, saknade de 4 m från att kunna nå sitt krossdjup utan att lämna ytan. I kombination med en extrem svängradie, dålig kontroll över nedsänkt djup och en vana att skicka vatten genom panntrattarna, är det inte konstigt att de fick ryktet om "K for Kalamity", där flera båtar gick förlorade på grund av översvämning av pannrummen , kollisioner, att nå krossdjup och en registreras ha sjunkit sig själv, utan mänsklig hjälp, vid sin förtöjning mitt i natten.
Världens första jägare-mördare , den brittiska R-klassens ubåt från 1918, var en drastisk återgång till konceptet med det snabba undervattenskrigsfartyget. Gjorda för att jaga fiendens ubåtar, de innehöll omfattande effektivisering, ett praktiskt taget obefintligt hölje och förmågan att göra 14 kn (26 km/h) under en hel timme. Endast den knivliknande bågformen förråder designerns förväntan att dessa båtar inte skulle fungera kontinuerligt nedsänkta, utan bara bryta ytan för att ladda sina batterier. De skulle istället sakta passera på ytan med hjälp av sin dieselmotor och bara sänka sig när de nådde sina patrullområden.
Orelaterade till det senare tyska Elektroboot-programmet, den japanska ubåten nr. 71 sjösattes 1937 och uppnådde drygt 21 kn (39 km/h) under vatten, en bedrift som endast överträffades av Japans mindre Ko-hyoteki dvärg-ubåtar vid den tiden, tills den tyska V-80 , driven av väteperoxid , uppnådde 28 kn (52 km/h) under provning 1940-1941.
andra världskriget var universellt optimerade för kryssning på ytan och hade höga, något utsvängda pilbågar , såväl som propeller- och roderarrangemang som liknar det för en samtida kryssare, om än med en extra uppsättning roder för kontroll av djup och stigning. Här är en flottubåt av US Navy Balao - klass från tidigt 1940-tal ombyggd till museum.
Tyska båtar, som denna typ VII , hade ett övergripande utseende som liknade Balao, samtidigt som de var betydligt mindre (~750 ton i motsats till ~1500). Modellen visar tydligt ubåtens tryckskrov , dess främre och bakre ändar är inneslutna i det lättare höljet som innehåller båtens främre och bakre huvudballasttankar . Den långa cigarrformade utbuktningen längs ubåtens ovansida är en extern bränsletank. Typ VII och den större Type IX, som började användas 1936-37, följde båda samma "dyktorpedbåt"-koncept som också hade gett upphov till de amerikanska och brittiska flottans båtar och patrullubåtar, och de stod inför allt effektivare allierade patrullfartyg och flygplan. var operativt föråldrade i mitten av 1941 till 1942, men förblev ändå stöttepelaren i den allt mer desperata tyska ubåtsstyrkan under hela kriget.
Eftersom stadiga förbättringar av allierad anti-ubåtskrigföring resulterade i snabbt ökande tyska förluster under andra halvan av andra världskriget, gjordes försök att bygga ubåtar med väteperoxidturbinframdrivning . Medan turbinen var långt ifrån redo att tas i bruk, sattes ubåtarna i produktion som vanliga diesel-elektriska båtar med kraftigt ökad batterikapacitet som ersatte peroxidtankarna. Även om det var kraftigt strömlinjeformat, förblev skrovet på den tyska typ XXI (21) från det sena kriget påverkat av tidigare konstruktioner, vilket helt klart förväntades fungera på ytan i begränsad kapacitet. Trots det satte den en ny standard för undervattenshastighet, räckvidd och detekterbarhet för ubåtar i efterkrigsvärlden.
På grund av försummelse av handelsflottan till förmån för ökat antal stora ytstridande, delvis underblåst av en amerikansk tendens att tona ned framgångarna för sina ubåtar och överskatta effektiviteten av japanska ASW-insatser, stod den amerikanska "Silent Service" inför en jämförelsevis tam Japanskt motstånd, vilket resulterade i stora framgångar mot den japanska handelsflottan. På grund av detta såg amerikanska flottans båtar ingen allvarlig förbättring av den övergripande designen under hela kriget, med tonvikten istället fokuserad på tekniska detaljer såsom förbättringar av tryckskrovets styrka och elektronik som så småningom inkluderade tystare elmotorer, såväl som förbättringar av besättningens komfort under lång tid. patrullerar i Stilla havet. Således lämnade amerikanska båtar som denna Tench -klass kriget nästan omöjligt att skilja från de klasser som var i tjänst vid starten.
sovjetiska projekt 613 patrullubåtarna började tillverkas 1950 och påverkades kraftigt av typ XXI . Däckskanonen och luftvärnsautokanontornet saknades i senare versioner. Även om den var kraftigt strömlinjeformad, liksom Type XXI, gjorde dess design eftergifter för ytoperationer som den vassa knivliknande fören och aktern.
En skalenlig modell av USS Albacore som testas i vindtunnel. Bortsett från roderarrangemangen vid aktern och seglet , liknar dess allmänna form den för Ictineo II trots att designen är åtskilda av nästan ett sekel.
Världens första atomubåt , USS Nautilus (SSN-571) från 1954, visar en mycket ren aktersektion, medan fören tydligt till viss del är inspirerad av Type XXI. Hennes testdjup på 210 m var jämförbart med den tyska båten, men vid 23 kn (43 km/h) under vatten var hon överlägset snabbare, till och med snabbare än någon tidigare amerikansk flottbåt hade varit på ytan. Tyvärr resulterade allvarliga konstruktionsfel i hennes för och segel i extrema vibrationer i hög fart, och förvärrades med tiden. I slutet av hennes liv räckte 4 kn (7 km/h) för att döva hennes ekolod, och bruset ökade drastiskt risken för upptäckt.
Idriftsatt den 17 januari 1959 nådde Sovjetunionens första SSN, av Project 627 -klassen, 30 kn (56 km/h) med ett testdjup på 300 m. Så olika från Nautilus som var möjligt samtidigt som de fortfarande var både en ubåt, kärnkraftsdrivna och användbara som stridsfartyg, uppvisade de en mycket mer effektiv båge och segelform samtidigt som de fortfarande visade fisksvansen av Typ XXI, och där Nautilus använde en kärnreaktor, monterade de sovjetiska båtarna två i tandem. Förutom förbättrad hydrodynamik gav den rundade bågformen också gott om plats för en mycket stor ekolodsuppsättning ovanför torpedrören.
USS Skipjack togs i drift mindre än tre månader efter det första Project 627 och var det första stridsfartyget i den amerikanska flottan som använde ett "rent" droppskrov sedan det övergavs nästan ett halvt sekel tidigare. På grund av den höga kostnaden för att smida stora delar av tryckskrov i komplexa former, har efterföljande båtar stegvis "borrat" från denna design.
En av flera nya sovjetiska ubåtsklasser som togs i bruk 1967, Project 671 var bland de första sovjetiska ubåtsklasserna som ersatte fisksvansen med den mer torpedliknande formen som har blivit som ett tecken på betoning på undervattensprestanda.
När Project 611 (Zulu) och Project 641 (Foxtrot) närmade sig inkurans, började Sovjetunionen i början av 1970-talet bygga en serie av 18 båtar i Project 641b-klassen. Dessa ärvde det treskruvade knivsvansarrangemanget som hade burits ner genom 641:an från 611:an, och som har sitt ursprung i typ XXI. I skarp kontrast till deras föråldrade framdrivningslayout var de utrustade med ekofria plattor och ekolodsutrustning liknande den som används av samtida sovjetiska atomubåtar.
Denna tyska typ 212-ubåt använder ett enkelskrov längs en del av sin längd, men är dubbelskrovad över hela den bakre halvan för att ge säkert stuvutrymme utanför tryckskrovet för vätgastankarna som används av dess bränslecellsbaserade luftoberoende framdrivning .
På vägen till sin lansering i slutet av 2000-talet eller 2010-talet visar detta skickliga fartyg tydligt den kompromiss som de flesta moderna westerndesigner gör. Istället för att helt optimera skrovet för nedsänkt prestanda, svetsas hydrodynamiskt effektiva bog- och aktersektioner gjorda av tunnare och mer lättformade stål till de främre och bakre ändarna av ett skrov med konstant diameter. Sådana konstruktioner är nästan i sig modulära eftersom nya skrovsektioner relativt billigt och enkelt kan sättas in var som helst längs tryckskrovets längd för att ge extra utrymme och viktkapacitet utan att allvarligt påverka designens hydrodynamiska prestanda.
I modernt bruk
Även om det övergripande temat för droppskrovet är att maximera nedsänkt prestanda till priset av prestanda på ytan, beror det exakta resultatet av denna process på flera faktorer, i ingen specifik ordning eftersom viktordningen för dessa problem i sig själv varierar:
- Ubåtens storlek är en funktion av de krav som konstruktören ställer på operativ uthållighet, vapenkapacitet och monterade sensorer.
- Arrangemanget av extern och intern utrustning.
- Ekonomiska faktorer, främst relaterade till den dyra processen att designa, forma och montera skrovsektioner med 3D-kurvor, och sedan montera in maskiner.
Enkelt eller dubbelt skrov
Från och med slutet av andra världskriget var västra och östra ubåtar överlag lika, eftersom de var dubbel- eller partiella dubbelskrovskonstruktioner med stora bränsle- och barlasttankar mellan de inre och yttre skroven som reserverade stora volymer inuti tryckskroven för lagring av tryckokänsliga bränsle ansågs vara oekonomiskt. Användningen av dubbla skrov ger en stor grad av frihet i att forma en båts exteriör och ger utrymme för okänslig utrustning att placeras utanför tryckskrovet, vilket möjliggör ett mindre tryckskrov och, i förlängningen, en mindre båt. Det medför dock höga konstruktions- och underhållskostnader.
Kärnkraftsbåtar, i kraft av sitt framdrivningssystem, har liten användning för detta mellanutrymme, och är därför mer benägna att antingen använda enkelskrov eller, som var fallet för sovjetiska ubåtar, använda det "fria" utrymmet för utökade barlasttankar och utrustning. På grund av detta tenderar västerländska atomubåtar att uppträda som långa rör som stängs av fören och aktern, medan östliga atomubåtar tenderar att ha en överlag mer hydrodynamiskt effektiv form och extrema mängder reservflytkraft, med vissa siffror som tyder på en reservflytkraftsfraktion av >45 % för Project 941 ( Shark )-klass SSBN. Det finns också ett alternativ för en hydrodynamiskt optimerad kärnvapenubåt med enkelskrov som Skipjack -klassen, men att skapa stora 3D-böjda plattor av tjock, höghållfast metall är fortfarande oöverkomligt dyrt.
Bågeform
Bortsett från valet mellan enkel- och dubbelskrov, finns det också flera val relaterade till placeringen av ekolodsutrustning, torpedrör och de framåtgående dykplanen. I mindre kustbåtar, typiskt med två däck inuti tryckskrovet, placeras torpedrören och torpedhanteringsrummet på nedre däck med ekolodet monterat högre upp i fören, eventuellt ovanför vattenlinjen som på tysk typ 206 och svenska Sjöormen , Västergötland , och nyare klasser, ger enkel åtkomst till ekolodet för underhåll. Ett annat alternativ är att placera torpedrummet på övre däck med arrayen i den nedre halvan av fören som på den brittiska Upholder -klassen och den sovjetiska/ryska Kilo , med lämnar utrymme bakom fören för stora batteribanker, och kan tillåta enklare fyllning av torpeder genom att ladda dem genom de övre torpedrören istället för genom en dedikerad torpedlastningslucka. Båda dessa alternativ tenderar att resultera i något trubbiga bågar, och det förra alternativet kan kräva att de framåtgående dykplanen flyttas från skrovet upp till seglet för att minska flödesljudet som annars skulle kunna störa ekolodet.
När storleken ökar, tillåter den större stråle av båten användning av vinklade torpedrör som skjuter genom sidorna av skrovet samtidigt som det lämnar utrymme i fören för en mycket större ekolodsuppsättning. Detta är alternativet som valts för många amerikanska atomubåtar sedan mitten av det kalla kriget, och används även på de nya ryska Yasen -klassbåtarna . Liksom tidigare kan drivkraften för att minimera flödesljud uppmuntra till att flytta de framåtgående dykplanen till seglet, men detta kan vara en nackdel när man går till ytan genom den arktiska isen, vilket kräver förstärkningar och högvinklade tiltmekanismer för att förhindra böjning av planen. En mer komplex lösning är att replikera den tyska typen XXI genom att vika de framåtgående dykplanen in i skrovet när de inte används, helst med ytterligare en uppsättning dörrar för att täcka öppningen i skrovsidorna. Ett tredje alternativ som vanligen används av britterna är att helt enkelt lämna de framåtgående dykplanen på den övre delen av fören permanent, ibland med möjligheten att vika sig uppåt för att inte smutsa ner hamnstrukturer, och omforma fören vid dykplanets punkt. fastsättning för att skapa minsta möjliga turbulens.
Framdrivnings- och akterkontrollytor
När det gäller framdrivning slutar västerländska ubåtar av denna typ i en enda propeller för att minimera motståndet; den sovjetiska flottan var långsammare att anta denna praxis, deras konstruktioner fortsatte att använda två propellrar för att ge antingen större kraft eller säkerhet. Type 206 har en lång, fin avsmalning akter om seglet, återigen för att minimera motståndet, men den brittiska Upholder -klassen har en mer ekonomisk design, med en kort avsmalning längst bak i skrovet för att maximera den inre volymen, och kanske ge större styrka till skrovet. Den tyska ubåten av typ VII på bilden på denna sida har aktern på skrovet avsmalnande abrupt för detta ändamål, även om dess propelleraxel följer den för resten av skrovet.
Albacore studerade flera positioner för efterplanen . Amerikanska designers bosatte sig på en modifierad version av Delphins korsformade arrangemang (ett grekiskt kors sett bakifrån); de förkastade alternativet med ett x-arrangemang för dess komplexitet, men det accepterades och användes av bland annat de holländska, svenska, australiska och tyska flottorna, för dess förmåga att krypa närmare en grund havsbotten utan att slå rodret på havsbotten . Sovjeterna upprepade ofta ett konventionellt arrangemang, liknande det för Typ XXI U-båt .
"Albacore skrovet"
Den första augusti 1953 sjösatte USA ett experimentfartyg, Albacore , som hade en skrovform till stor del baserad på "Lyon Shape" uppkallad efter Hilda Lyon . Efter framgångsrika manövreringsförsök och tester av olika roder- och propellerarrangemang användes samma övergripande skrovform för Skipjack - och Barbel -klasserna och de flesta moderna amerikanska ubåtar idag [ när? ] använd en variant av den formen med en central förlängd cylinder som utgör huvudtryckskrovet. På grund av den stora uppmärksamhet som ägnades åt Albacore under tiden innan internets gryning gjorde information om ämnet ubåtshistoria mer tillgänglig för allmänheten, är det troligt att varje design som överhuvudtaget liknar den kan hänvisas till som ett "Albacore-skrov", oavsett om det var inspirerat av Albacore , utvecklades oberoende vid ett liknande ögonblick i tiden, eller föregick Albacore direkt.