جنرال لواء

الهندسة المثيرة للاهتمام وراء الغواصات


بقدر ما تشير السجلات الحديثة ، كان البشر يستكشفون أعماق ما تحت السطح فقط في المئات من السنين الماضية. على الرغم من الخلاف الشديد حول تاريخ صنع الغواصة الأولى ، إلا أن الكثير يدينون باللقب إلى كورنيليس دريبل ، وهو مخترع هولندي اشتهر باختراعه أول غواصة قابلة للملاحة في العالم في عام 1620.

منذ ذلك الحين ، تحسنت الغواصات في التنقل والقوة والشبح - بعضها قادر على البقاء مغمورًا لمدة تصل إلىثلاثة أشهرتحت الماء.

هذه هي الهندسة الشيقة لبعض الغواصات الأكثر تقدمًا في العالم.

هندسة مثيرة للاهتمام من الغواصات

فقط قلة مختارة قد هبطت إلى أعمق جزء من محيطات العالم يسمى خندق ماريانا. في الواقع ، اكتشف المزيد من الأشخاص القمر مقارنةً بأولئك الذين غزاوا أعمق بقعة على وجه الأرض والتي تعتبر تشالنجر ديب.

أول من نزل إلى قاع Challenger Deep هم Hydronauts Don Walsh و Jacques Piccard. قام الفريق بإغراق الغواصةغواصة الاستحمام تريست ، إلى قاع المحيط عام 1960.

غواصة الأعماق تريست

تغوص سفينة غواصة الأعماق تحت السطح وتدعمها عوامة سطحية بدلاً من طاقم. في السابق ، كانت الغواصات المدفوعة في أعماق البحار مدعومة بعوامة تبقى على سطح الماء. مقصورتها ضيقة وصغيرة مع مساحة كافية لطاقم مكون من شخصين. يتم استخدام ما تبقى من بدن السفينة بواسطة معدات علمية تستخدم للتحقيق في واحدة من أكثر مناطق العالم عدائية على هذا الكوكب ، قاع المحيط.

منذ أن استكشفت طائرتا هيدروناتا قاع الخندق في عام 1960 ، عاد عدد قليل فقط من البشر.

يتحدث The Challenger Deep عن أحد أصعب التحديات التي يواجهها المهندسون - الضغط ودعم الحياة.

تهدد الضغوط العالية بانهيار هيكل أي سفينة. لكل 10 أمتار من الماء ينزل الضغط يرتفع بفعل الغلاف الجوي بأكمله. هذا هو نفس مقدار الضغط الذي يتعرض له سطح جسم ما من الوزن الكلي للغلاف الجوي من مستوى سطح البحر ، وصولاً إلى الفضاء. في قاع تشالنجر ديب ، يتجاوز الضغط 1000 أجواء (حوالي 15000 رطل لكل بوصة مربعة).

فقط السفن الكروية الصغيرة يمكنها تحمل الضغوط الشديدة في قاع المحيط. لا تميل الغواصات المأهولة إلى الغرق أكثر من كيلومتر واحد تحت سطح الماء. يمكن أن تعمل الغواصات الحديثة بشكل مستقل وتدعم طاقمًا لأسابيع متتالية. يمكن أن تعمل الغواصات النووية الأكثر تقدمًا بشكل مستقل وتزويد الطاقم بأنظمة دعم الحياة لأشهر متتالية.

هناك أنواع عديدة من الغواصات ، بعضها يعمل بالكهرباء أو الديزل أو بالطاقة النووية. هناك اعتقاد خاطئ كبير بأن محركات الديزل تعمل مباشرة على تشغيل مراوح الغواصة. يتساءل الكثير من الناس كيف يمكن لمحرك ديزل أن يعمل تحت الماء مع كمية كافية من الأكسجين له وللطاقم ، بينما يخفي بطريقة ما العادم أيضًا. حل المشكلة هو حل أكثر تافهة ، وليس استخدام المحرك تحت الماء على الإطلاق.

كيف تتنفس أطقم العمل والمحركات تحت الماء

إن حل الاحتفاظ بالديزل مزودًا بأكسجين كافٍ بسيط. عادة ما تكون الغواصات التي تعمل بالديزل هجينة. يشغّل محرك الديزل عادةً مولدًا يشغّل مجموعة بطارية. لكن المحرك يستخدم فقط أثناء ظهور الغواصة على السطح. عندما تنخفض البطاريات ، تطفو الغواصة على السطح وتدير محركاتها لتشغيل بطاريتها.

يعتبر حمل الأكسجين على متن السفينة هو الحل البسيط. يتم ضخ عبوات ضخمة مليئة بالهواء في كل مرة تعود فيها الغواصة إلى السطح. النظام جيد للمهام التي لا تزيد عن شهر. ومع ذلك ، تعمل الحكومات دائمًا على تخطي حدود القدرات البحرية. في معظم الأحيان ، التسلل هو الاعتبار الأول.

أثناء غمرها في الماء ، تكون المركبة مخفية ، على سطح الماء ، ومع ذلك ، تصبح الغواصة بطة جالسة.

بالطبع ، لا تزال المشكلة قائمة - ظهور الغواصات على السطح وجعلها عرضة للخطر.

يشرح برنامج BrainStuff كيفية تنفس المحركات في غواصات الديزل.

بالنسبة للغواصات التي تعمل بالكهرباء والديزل ، لا تزال مشكلة الأكسجين قائمة.

الحل موجود - التحليل الكهربائي - عملية تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام الكهرباء. لسوء الحظ بالنسبة للغواصات التي تعمل بالكهرباء والديزل بالكامل ، فإن تقسيم المياه يستهلك الكثير من الطاقة لإمدادات الطاقة المحجوزة. لا تحمل الغواصات التي تعمل بالكهرباء والديزل طاقة كافية على متنها لتوفير ما يكفي من الأكسجين للطاقم لفترات طويلة من الزمن. تستنزف هذه العملية البطاريات التي تدفع المحرك ، مما يدفع الوعاء إلى السطح ، مما يؤدي إلى إفساد الغرض تمامًا.

التحليل الكهربائي

عادةً ما يقتصر التحليل الكهربائي على أكبر الغواصات النووية وأكثرها تقدمًا. تعمل العملية بتمرير تيار كهربائي عبر الماء. توفر الكهرباء الطاقة اللازمة لفصل روابط الماء أو H2س.

في يوم عادي ، يستهلك شخص واحد حوالي كيلوغرام من الأكسجين ، إلى جانب مزيج من الغازات الخاملة في الغالب. تتطلب أنظمة التحليل الكهربائي التجارية عادةً ما يقرب من 50 كيلوواط / ساعة من الطاقة لإنتاج 1 كجم من H2 و 8 كجم من O2 من 9 كجم من الماء. بدلاً من استنزاف البطاريات باستمرار ، توفر الغواصات النووية مصدرًا ثابتًا للطاقة - يكفي لتشغيل مدينة صغيرة.

يوفر النظام ما يكفي من الأكسجين ، بالمناسبة ، يتم تصنيع الهيدروجين في هذه العملية. في التشغيل العادي ، تعمل الغواصات النووية على تشتيت الهيدروجين مباشرة في الماء. ومع ذلك ، أثناء العمليات السرية ، تُستخدم طرق سرية لتنظيف الهيدروجين من العادم.

نظرًا لأن بعض القوات البحرية يمكنها اكتشاف إطلاق الهيدروجين في الماء ، فإن معظم طرق التنقية تظل سرية. على الرغم من أنه من المحتمل أن تستخدم الغواصات المحولات الحفازة لإضافة الهيدروجين إلى مركب آخر. ومع ذلك ، فهي ليست الاعتبار الوحيد الذي يجب على مهندسي الغواصات التفكير فيه.

تقنيات التخفي من الغواصات

تُحدث الغواصات الكثير من الضوضاء من خلال محركاتها ومراوحها وعملياتها العامة. تسبب الضوضاء اهتزازات تنتقل بسهولة عبر الماء لعدة كيلومترات متتالية. تم بناء كل جزء من غواصة عسكرية مع مراعاة التخفي. يتم تثبيت كل جزء اهتزازي في مكانه باستخدام حوامل مطاطية تعمل على إخماد معظم الاهتزازات. تعمل هذه التقنية بشكل جيد من الخارج ، على الرغم من أنها ليست المصدر الوحيد للضوضاء على السفينة.

تقريبا جميع الغواصات تعمل بالمروحة. عندما تخترق المراوح المياه ، فإنها تنتج ضوضاء لعدة أسباب. الأول ، أن الشفرات ترسل اهتزازات أثناء تقطيعها عبر الهواء ، وثانيًا ، تخلق الشفرات فقاعات تجويف تنهار ، مما يرسل مزيدًا من الاهتزازات في جميع أنحاء الماء - بالإضافة إلى إتلاف الشفرة نفسها.

تتكون فقاعات التجويف على جانب الشفط للمروحة عندما ينخفض ​​ضغط الماء تحت ضغط بخار الماء. بمجرد إنتاج الفقاعات ، فإنها تختفي بنفس السرعة تقريبًا. تنهار الفقاعة على شفرة المروحة ، مما يؤدي إلى تآكلها وإصدار ضوضاء.

يتم اكتشاف الضوضاء بسهولة ، وبالتالي ، من الضروري لمهندسي الغواصات تصميم شفرات قمع الصوت التي تقلل من التجويف.

يقوم مهندسو الغواصات بتعديل شكل المروحة لتقليل الاضطراب وتقليل الضوضاء الإجمالية للشفرات أثناء تقطيعها في الماء. في كثير من الأحيان ، توجد أربع شفرات أو أكثر تدفع الماء بعيدًا عن الطريق أثناء الدوران بسرعات أبطأ. والنتيجة هي مروحة لا تحتاج إلى الدوران بسرعة لإنتاج نفس سرعات المراوح ذات الشفرات الأقل. نظرًا لأن الشفرات تدور بشكل أبطأ ، يكون هناك اضطراب أقل وتكوين أقل لفقاعات التجويف. في بعض الأحيان ، يتم نحت بساتين خاصة في الشفرات والتي توجه الماء بشكل أكبر مع أقل قدر ممكن من الاضطراب ، مما يقلل مرة أخرى من تكوين التجاويف.

يتم أيضًا تبسيط الغواصة لتوجيه المياه عبر الشفرات ، مما يقلل من الاضطراب قدر الإمكان. إذا لم يكن التصميم كافيًا ، يتم أحيانًا تثبيت حلقة أو قفص حول المروحة التي توجه المياه من خلال خطي أكثر.

تقنيات أخرى لإخماد الصوت

يعتبر قمع الضوضاء الصادرة عن الغواصة نفسها أحد التحديات. لكن تطوير غواصة قادرة على تفادي سونار العدو يمثل مأزقًا مختلفًا.

السونار هو جهاز يستخدم لاكتشاف الأشياء تحت الماء. تنبعث نبضات صوتية ويقوم الكاشف بتسجيل أي نبضات تعود. من خلال تحديد الوقت الذي تستغرقه النبضة للعودة ، يمكن بسهولة تحديد المسافة بين الكاشف والجسم.

الهيكل الضخم للغواصات الكبيرة بالكاد يكون متخفيًا. كصدفة معدنية ، يعكس سطح الغواصة الأصوات بسهولة ، مما يجعلها مرئية للغاية لرادار العدو. يأتي حل الاختباء من الرادار من مصدر غير متوقع: الفقاعات.

تحت الماء ، تمتص فقاعات الهواء الضوضاء بسهولة. عندما تنتشر الموجات الصوتية عبر الماء فإنها تتشتت ببطء بمرور الوقت. يؤدي إدخال الفقاعات إلى اضطراب الصوت ، مما يجبره على الانتقال عبر وسيط إلى آخر, تمتص القليل من الطاقة مع كل فقاعة.

تتصادم اهتزازات الصوت الواردة مع الفقاعات ، مما يجبر الفقاعة على الاهتزاز أو الانقباض والتوسع. تتسبب التقلبات في ضغط الهواء بالداخل ، مما ينتج عنه حرارة. في الأساس ، يتم تحويل الطاقة الصوتية من الضوضاء إلى حرارة.

على عكس الحدس ، يمكن أن يؤدي إنتاج الفقاعات في الواقع إلى إخفاء التوقيع الصوتي للغواصة. على الرغم من أنه يكاد يكون من المستحيل استيعاب جميع الأصوات ، ولهذا السبب تم إدخال البلاط عديم الصدى.

بلاط عازل للصوت

تبطين ضواحي الغواصات الحديثة طبقات من البلاط عديم الصدى ، وهي مادة مطاطية بها آلاف الفراغات الصغيرة. تستمر المادة في تأثير الفقاعات في الماء ، دون الحاجة إلى توزيع الفقاعات وكشف موضعها.

تمتص المادة السونار بفاعلية بينما قد تلعب السماعات نغمات معاكسة يمكن التنبؤ بها لإلغاء بعض الضوضاء. معًا ، يعمل الاثنان جنبًا إلى جنب مع التقنيات الأخرى على إبقاء الغواصات مخفية في جميع الأوقات ، والتخطيط على أرضيات المحيط.

القدرات الفائقة للمهندسين المعاصرين هي نتيجة مئات ، إن لم يكن آلاف السنين من التجربة والخطأ. تحافظ هندسة الغواصات المثيرة للاهتمام على بقاء الطواقم على قيد الحياة ، ومخبأة جيدًا في أصعب الظروف. قد يكون الفضاء صعبًا ، لكن يبدو أن قاع المحيط هو التحدي الأكبر.

بقلم مافريك بيكر


شاهد الفيديو: اكتشاف عالم المحيطات: كنوز الأعماق. ناشونال جيوغرافيك أبوظبي (سبتمبر 2021).