ตัวเรือดำน้ำ
ตัวเรือดำน้ำมีส่วนประกอบหลักสองส่วน คือโครงสร้างส่วนบนและตัวเรือรับแรงดันส่วนภายนอกของตัวเรือดำน้ำ—ส่วนที่ไม่ต้องรับแรงดันจากน้ำทะเลและสามารถถูกน้ำไหลเข้าได้อย่างอิสระ—เรียกว่า “โครงสร้างส่วนบน” ในศัพท์เฉพาะของเรือดำน้ำอเมริกัน และ “ปลอกหุ้ม” ในศัพท์เฉพาะของเรือดำน้ำอังกฤษ บางครั้งก็เรียกว่า “ตัวเรือเบา” หรือคำอธิบายอื่นๆ ด้วย
โครงสร้างส่วนบนของเรือดำน้ำมี รูปทรงที่เหมาะสม ทางด้านอุทกพลศาสตร์ตัวเรือชั้นใน (pressure hull) คือตัวเรือที่ต้านทานแรงดันของทะเลและรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างเรือดำน้ำในระดับความลึก (ขณะปฏิบัติการ)
รูปทรง
เรือดำน้ำสมัยใหม่มักมี รูปทรงคล้าย ซิการ์ดีไซน์นี้ซึ่งพบเห็นได้ตั้งแต่เรือดำน้ำรุ่นแรกๆ เรียกว่า " ตัวเรือรูปทรงหยดน้ำ " รูปทรงนี้มีประสิทธิภาพในการต้านทานแรงดันภายนอก และช่วยลดแรงต้าน น้ำ ของเรือดำน้ำขณะดำน้ำได้อย่างมาก แต่จะลด ความสามารถ ในการทรงตัวในทะเลและเพิ่มแรงต้านน้ำขณะลอยอยู่บนผิวน้ำ
ประวัติศาสตร์
แนวคิดของโครงสร้างส่วนบนที่เพรียวบางตามหลักอุทกพลศาสตร์ซึ่งแยกออกจากตัวเรือรับแรงดันภายในนั้น ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในเรือดำน้ำรุ่นบุกเบิกIctineo Iซึ่งออกแบบโดยนักประดิษฐ์ชาวสเปนNarcís Monturiolในปี 1859 [ 1 ] [ 2 ] อย่างไรก็ตาม เมื่อเรือดำน้ำทางทหารเข้าประจำการในช่วงต้นทศวรรษ 1900 ข้อจำกัดของระบบขับเคลื่อนทำให้ต้องปฏิบัติการบนผิวน้ำเป็นส่วนใหญ่ การออกแบบตัวเรือจึงเป็นการประนีประนอม โดยตัวเรือภายนอกมีลักษณะคล้ายเรือผิวน้ำ ซึ่งช่วยให้การเดินเรือบนผิวน้ำเป็นไปได้ดี และโครงสร้างส่วนบนที่เพรียวบางกว่าช่วยลดแรงต้านใต้น้ำ ความเร็วใต้น้ำของเรือดำน้ำในสงครามโลกครั้งที่ 2 นั้นต่ำ โดยปกติจะต่ำกว่า 10 นอต (19 กม./ชม.) ดังนั้นแรงต้านที่เกิดจากโครงสร้างส่วนบนหรือตัวเรือภายนอกที่คล้ายเรือจึงไม่ลดลงอย่างมีประสิทธิภาพจนกระทั่งต่อมา เมื่อตัวเรือรูปทรงหยดน้ำกลายเป็นมาตรฐาน เฉพาะในช่วงปลายสงครามโลกครั้งที่สองเท่านั้น เมื่อเทคโนโลยีเรือดำน้ำที่พัฒนาขึ้นทำให้สามารถดำน้ำได้นานขึ้น และเรดาร์บนเครื่องบินช่วยเพิ่มโอกาสในการตรวจจับเรือดำน้ำที่โผล่ขึ้นมาเหนือน้ำอย่างมาก ทำให้เรือดำน้ำจำเป็นต้องใช้เวลาดำน้ำนานขึ้น จึงมีการพิจารณาและนำการออกแบบตัวเรือรูปทรงหยดน้ำกลับมาใช้อีกครั้ง โดยมีจุดประสงค์เพื่อลดแรงต้านและลดเสียงรบกวนตัวเรือดำน้ำรูปทรงหยดน้ำยังทำให้สามารถทำความเร็วใต้น้ำได้มากขึ้น แต่ตัวเรือรูปทรงหยดน้ำก็ไม่ได้กลายเป็นมาตรฐานจนกระทั่งทศวรรษ 1950 ซึ่งเป็นเวลานานหลังจากสงครามเย็นเริ่มต้นขึ้น ในขณะเดียวกันก็มีการพัฒนาและนำความก้าวหน้าครั้งสำคัญหลายอย่างในเทคโนโลยีเรือดำน้ำมาใช้ เรือดำน้ำวิจัย USS Albacore (AGSS-569)เป็นเรือดำน้ำวิจัยที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกการออกแบบตัวเรือรูปทรงหยดน้ำแบบอเมริกัน (บางครั้งเรียกว่า "ตัวเรือ Albacore") สำหรับเรือดำน้ำสมัยใหม่ ในเรือดำน้ำทางทหารสมัยใหม่บางลำ ตัวเรือด้านนอก (และบางครั้งรวมถึงใบพัดด้วย) จะถูกหุ้มด้วยชั้นยางดูดซับเสียงชนิดพิเศษหนา หรือแผ่นโลหะกันเสียง เพื่อทำให้เรือดำน้ำตรวจจับได้ยากขึ้นด้วย โซนาร์แบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟ
ประเภท
เรือดำน้ำขนาดเล็กและ เรือดำน้ำแบบใช้ใต้น้ำสมัยใหม่ทั้งหมดรวมถึงเรือดำน้ำรุ่นเก่าที่สุด ล้วนมีตัวเรือชั้นเดียว อย่างไรก็ตาม สำหรับเรือดำน้ำขนาดใหญ่ แนวทางการสร้างได้เปลี่ยนไป เรือดำน้ำหนักของโซเวียตทั้งหมดสร้างด้วย โครงสร้าง ตัวเรือสองชั้นแต่เรือดำน้ำของอเมริกามักจะมีตัวเรือชั้นเดียว พวกมันยังมีส่วนตัวเรือที่เบาในส่วนหัวและท้ายเรือ ซึ่งเป็นที่ตั้งของถังอับเฉาหลักและให้รูปทรงที่เหมาะสมตามหลักพลศาสตร์ของไหล แต่ส่วนตัวเรือหลัก ซึ่งโดยปกติจะเป็นทรงกระบอก จะมีแผ่นเหล็กเพียงชั้นเดียว
ตัวเรือเบา
ตัวเรือสองชั้นของเรือดำน้ำแตกต่างจากตัวเรือสองชั้นของเรือทั่วไป ตัวเรือภายนอกซึ่งเป็นส่วนที่กำหนดรูปร่างของเรือดำน้ำนั้นเรียกว่าตัวเรือชั้นนอก ตัวหุ้ม หรือตัวเรือเบา มันเป็นตัวกำหนดสมรรถนะทางอุทกพลศาสตร์ของเรือดำน้ำ ซึ่งส่งผลต่อปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการขับเคลื่อนเรือผ่านน้ำ คำนี้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการสร้างเรือดำน้ำของรัสเซีย ซึ่งตัวเรือเบามักทำจากแผ่นเหล็กบางๆ เนื่องจากมีแรงดันเท่ากันทั้งสองด้าน ตัวเรือเบาสามารถใช้ติดตั้งอุปกรณ์ได้ ซึ่งหากติดตั้งโดยตรงกับตัวเรือรับแรงดันอาจทำให้เกิดความเครียดที่ไม่จำเป็น วิธีการสร้างตัวเรือสองชั้นยังช่วยประหยัดพื้นที่ภายในตัวเรือรับแรงดัน เนื่องจากสามารถติดตั้งตัวเสริมความแข็งแรงและคานตามยาวระหว่างตัวเรือทั้งสองได้ มาตรการเหล่านี้ช่วยลดขนาดของตัวเรือรับแรงดัน ซึ่งมีน้ำหนักมากกว่าตัวเรือเบามาก นอกจากนี้ ในกรณีที่เรือดำน้ำได้รับความเสียหาย ตัวเรือส่วนที่เป็นน้ำหนักเบาจะรับความเสียหายเพียงบางส่วน และจะไม่กระทบต่อความสมบูรณ์ของตัวเรือ ตราบใดที่ตัวเรือส่วนที่รับแรงดันยังคงสภาพสมบูรณ์
ตัวเรือรับแรงดัน
ภายในตัวเรือชั้นนอกจะมีโครงสร้างที่แข็งแรง หรือตัวเรือรับแรงดัน ซึ่งทนทานต่อแรงดันภายนอกและมีแรงดันบรรยากาศปกติอยู่ภายใน ตัวเรือรับแรงดันโดยทั่วไปสร้างจากเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงหนา มีโครงสร้างเสริมความแข็งแรงที่ซับซ้อนและมีกำลังสำรองสูง และแบ่งออกเป็นหลายช่อง ด้วย ผนังกั้น กันน้ำ ตัวเรือ รับแรงดันและตัวเรือเบาถูกคั่นด้วยช่องว่างซึ่งมีชิ้นส่วนโครงสร้างเหล็กจำนวนมากเชื่อมต่อตัวเรือเบาและตัวเรือรับแรงดันเข้าด้วยกัน และสร้างโครงสร้างสามมิติที่ให้ความแข็งแรงและความเสถียรในการโก่งงอที่เพิ่มขึ้น ช่องว่างระหว่างตัวเรือใช้สำหรับอุปกรณ์บางอย่างที่สามารถทนต่อแรงดันภายนอกสูงที่ระดับความลึกสูงสุดและการสัมผัสกับน้ำได้ อุปกรณ์เหล่านี้แตกต่างกันอย่างมากในเรือดำน้ำแต่ละลำ และโดยทั่วไปจะรวมถึงถังน้ำและถังอากาศต่างๆ ในเรือดำน้ำลำเดียว ตัวเรือเบาจะไม่ต่อเนื่องและส่วนใหญ่จะอยู่ที่หัวเรือและท้ายเรือ
ตัวเรือรับแรงดันมีหน้าตัดเป็นวงกลม เนื่องจากรูปทรงอื่นจะอ่อนแอกว่ามาก การสร้างตัวเรือรับแรงดันต้องใช้ความแม่นยำสูง ไม่ว่าขนาดจะเป็นเท่าใดก็ตาม แม้แต่การเบี่ยงเบนจากความกลมของหน้าตัดเพียงหนึ่งนิ้ว (25 มม.) ก็ส่งผลให้ความสามารถในการรับน้ำหนักไฮโดรสแตติกลดลงกว่า 30 เปอร์เซ็นต์[ 3 ]การเบี่ยงเบนเล็กน้อยจะถูกต้านทานโดยวงแหวนเสริมแรง และแรงดันรวมหลายล้านตันที่วางตัวตามแนวยาวจะต้องกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วตัวเรือโดยใช้ตัวเรือที่มีหน้าตัดเป็นวงกลม การออกแบบนี้ทนต่อแรงอัด ได้ดีที่สุด และหากไม่มีการออกแบบนี้ วัสดุใดๆ ก็ไม่สามารถต้านทานแรงดันน้ำที่ระดับความลึกของเรือดำน้ำได้ ตัวเรือดำน้ำต้องใช้โครงสร้างเฟรมขวางที่ มีราคาแพง โดยมีเฟรมวงแหวนที่เว้นระยะห่างกันอย่างใกล้ชิดเพื่อเสริมความแข็งแรงป้องกันความไม่เสถียรจากการโก่งงอ ชิ้นส่วนของตัวเรือต้องไม่มีข้อบกพร่อง และรอยเชื่อมทั้งหมดจะได้รับการตรวจสอบหลายครั้งโดยใช้วิธีการต่างๆ
เรือดำน้ำชั้นไต้ฝุ่นมีโครงสร้างตัวเรือแบบหลายชั้นที่ช่วยลดความซับซ้อนของการออกแบบภายใน ในขณะเดียวกันก็ทำให้ตัวเรือกว้างกว่าเรือดำน้ำทั่วไปมาก ในส่วนลำตัวหลักของเรือดำน้ำ จะมีชั้นตัวเรือยาวสองชั้นวางขนานกัน โดยมีชั้นตัวเรือที่สั้นกว่าชั้นที่สามอยู่ด้านบนและอยู่ระหว่างสองชั้นแรก (ซึ่งยื่นออกมาอยู่ใต้หอควบคุม) และยังมีชั้นตัวเรืออีกสองชั้นอยู่ตรงกลางลำเรือ สำหรับตอร์ปิโดที่หัวเรือ และอุปกรณ์บังคับทิศทางที่ท้ายเรือ โครงสร้างนี้ยังช่วยเพิ่มความอยู่รอดของเรือได้อย่างมาก – แม้ว่าชั้นตัวเรือชั้นใดชั้นหนึ่งจะเสียหาย ลูกเรือในชั้นอื่นๆ ก็ยังค่อนข้างปลอดภัยหากสามารถป้องกันไม่ให้เรือดำน้ำจมได้ และโอกาสที่จะเกิดน้ำท่วมก็ลดลงด้วย
ความลึกในการดำน้ำ
การเพิ่ม ความลึกในการดำน้ำไม่ใช่เรื่องง่าย การทำให้ตัวเรือหนาขึ้นจะเพิ่มน้ำหนักและจำเป็นต้องลดน้ำหนักของอุปกรณ์บนเรือ ซึ่งในที่สุดจะกลายเป็นเรือดำน้ำแบบบาธิสแคฟ (bathyscaphe ) ซึ่งสามารถทำได้ในเรือดำน้ำวิจัยพลเรือน แต่ไม่ใช่สำหรับเรือดำน้ำทางทหาร ดังนั้นความลึกในการดำน้ำของเรือดำน้ำเหล่านี้จึงถูกจำกัดด้วยเทคโนโลยีในขณะนั้น
เรือดำน้ำในสงครามโลกครั้งที่หนึ่งมีตัวเรือสร้างจากเหล็กกล้าคาร์บอน และโดยทั่วไปมีระดับความลึกที่ทดสอบได้ไม่เกิน 100 เมตร (330 ฟุต) ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง มีการนำเหล็กกล้าผสมความแข็งแรงสูงมาใช้ ทำให้สามารถดำน้ำได้ลึกถึง 200 เมตร (660 ฟุต) การคำนวณหลังสงครามชี้ให้เห็นว่า เรือดำน้ำ U-boat Type VII ของเยอรมันในช่วงปลายสงครามสามารถดำน้ำได้ลึกเกิน 300 เมตร (980 ฟุต) เหล็กกล้าผสมความแข็งแรงสูงยังคงเป็นวัสดุหลักสำหรับเรือดำน้ำในปัจจุบัน โดยมีขีดจำกัดความลึก 250 ถึง 350 เมตร (820 ถึง 1,150 ฟุต) ซึ่งไม่สามารถเกินกว่านี้ได้สำหรับเรือดำน้ำทางทหารโดยไม่ทำให้คุณสมบัติอื่นๆ ลดลง เพื่อให้เกินขีดจำกัดนั้น เรือดำน้ำบางลำจึงถูกสร้างขึ้นด้วย ตัวเรือ ไทเทเนียมไทเทเนียมมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักและความทนทานที่ดีกว่าเหล็กส่วนใหญ่ และไม่เป็นแม่เหล็ก เรือดำน้ำไทเทเนียมเป็นที่ชื่นชอบเป็นพิเศษของสหภาพโซเวียต เนื่องจากพวกเขาได้พัฒนาโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ สร้างอุตสาหกรรมการผลิตไทเทเนียมด้วยต้นทุนที่ไม่แพง และมีเรือดำน้ำไทเทเนียมหลายประเภท โลหะผสมไทเทเนียมช่วยให้สามารถดำน้ำได้ลึกขึ้นอย่างมาก แต่ระบบอื่นๆ ก็จำเป็นต้องได้รับการออกแบบใหม่เช่นกัน ดังนั้นความลึกในการทดสอบจึงถูกจำกัดไว้ที่ 1,000 เมตร (3,300 ฟุต) สำหรับเรือดำน้ำโซเวียตKomsomoletsซึ่งเป็นเรือดำน้ำทางทหารที่ดำน้ำได้ลึกที่สุด แม้จะมีข้อดีมากมาย แต่ต้นทุนที่สูงในการสร้างเรือดำน้ำไทเทเนียมทำให้ต้องยกเลิกไปเมื่อสงครามเย็นสิ้นสุดลง
ประเภทอื่นๆ
มีตัวอย่างของเรือดำน้ำที่มีตัวเรือมากกว่าสองชั้นอยู่ภายใน เช่น เรือดำน้ำชั้นไต้ฝุ่น (Typhoon-class) มีตัวเรือหลักสองชั้น ชั้นที่สามมีขนาดเล็กกว่าและประกอบเป็นส่วนใหญ่ของหอควบคุม อีกสองชั้นสำหรับตอร์ปิโดและอุปกรณ์บังคับทิศทาง และระหว่างตัวเรือหลักมีขีปนาวุธ MIRV SLBM 20 ลูก พร้อมถังอับเฉาและระบบอื่นๆ เรือดำน้ำชั้นด อลฟิน (Dolfijn -class) และ พอตวิส (Potvis -class) ของกองทัพเรือเนเธอร์แลนด์ มีตัวเรือหลักสามชั้น ส่วนเรือดำน้ำ โลชาริก (Losharik) ของรัสเซีย สามารถดำลงไปได้ลึกกว่า 2,000 เมตรด้วยตัวเรือแบบหลายทรงกลม