Kernonderzeeër

Achtergrond

Een nucleaire onderzeeër is een schip aangedreven door atoomenergie dat zich voornamelijk onder water voortbeweegt, maar ook op het oppervlak van de oceaan. Voorheen gebruikten conventionele onderzeeërs dieselmotoren die lucht nodig hadden om over het wateroppervlak te bewegen, en elektrische motoren op batterijen om eronder te bewegen. De beperkte levensduur van elektrische batterijen betekende dat zelfs de meest geavanceerde conventionele onderzeeër slechts een paar dagen op lage snelheid en slechts een paar uur op topsnelheid onder water kon blijven. Aan de andere kant kunnen kernonderzeeërs enkele maanden onder water blijven. Dit vermogen, gecombineerd met geavanceerde wapentechnologie, maakt nucleaire onderzeeërs een van de meest bruikbare oorlogsschepen die ooit zijn gebouwd.

Geschiedenis

Het eerste serieuze voorstel voor een schip dat ontworpen was om onder water te varen, werd in 1578 gedaan door de Engelse wiskundige William Bourne. Bourne stelde voor om twee rompen te gebruiken, een van hout en een van leer, maar dit apparaat werd nooit echt gebouwd. De eerste werkende onderzeeër werd in 1620 gebouwd door de Nederlandse uitvinder Cornelis Drebbel. Met een ontwerp dat vergelijkbaar was met het ontwerp van Bourne, werd dit apparaat met acht houten riemen onder het oppervlak van de rivier de Theems voortgestuwd.

Tijdens het begin van de achttiende eeuw werden verschillende kleine onderzeeërs gebouwd met vergelijkbare ontwerpen. In 1747 stelde een onbekende uitvinder voor om zakken van geitenleer aan een onderzeeër te bevestigen. Het vullen van de zakken met water zou de onderzeeër laten zakken, en het uitwerpen van water uit de zakken zou hem omhoog brengen. Hetzelfde basisconcept wordt gebruikt in moderne ballasttanks.

De onderzeeër werd voor het eerst gebruikt in oorlogsvoering tijdens de Amerikaanse Revolutie. De Schildpad, ontworpen door Yale-student David Bushnell, probeerde een explosief aan een Brits oorlogsschip te bevestigen, maar slaagde er niet in door de koperen mantel op de scheepsromp te dringen. In 1801 bouwde de Amerikaanse uitvinder Robert Fulton de Nautilus, een onderzeeër gemaakt van koperen platen over ijzeren ribben. De Nautilus, die een bemanning van vier kon vervoeren, slaagde erin schepen in tests tot zinken te brengen, maar werd zowel door Frankrijk als Engeland afgewezen. Fulton werkte aan een door stoom aangedreven onderzeeër die een bemanning van honderd kon vervoeren toen hij stierf in 1815.

Tijdens de Amerikaanse Burgeroorlog financierde Horace L. Hunley de bouw van onderzeeërs voor de Confederatie. Het derde van deze schepen, de H.L. Hunley, aangevallen en zonk het schip van de Unie Housatonic op 17 februari 1864, maar werd zelf vernietigd in de resulterende explosie.

Aan het einde van de negentiende eeuw werden er in de Verenigde Staten en Europa talloze onderzeeërs gebouwd. Methoden voor het verplaatsen van de onderzeeër evolueerden van met de hand bediende propellers naar stoommachines, benzinemotoren en elektromotoren. Onderzeeërs die dieselmotoren gebruikten voor reizen aan de oppervlakte en elektrische batterijen voor reizen onder water werden met succes gebruikt in de Eerste en Tweede Wereldoorlog.

De ontwikkeling van kernenergie na de Tweede Wereldoorlog zorgde voor een revolutie in de onderzeese technologie. Onder leiding van Hyman Rickover, een ingenieur en officier bij de Amerikaanse marine, ontwierpen de Amerikaanse uitvinders Ross Gunn en Philip Abelson de Nautilus, de eerste nucleaire onderzeeër die in 1954 werd gelanceerd. In 1959 werden enkele nucleaire onderzeeërs, ook wel strategische onderzeeërs genoemd, gebruikt om raketten met kernkoppen te vervoeren. Andere nucleaire onderzeeërs, ook wel aanvalsonderzeeërs genoemd, waren ontworpen om vijandelijke schepen en onderzeeërs tot zinken te brengen. Strategische onderzeeërs en aanvalsonderzeeërs werden een vitaal onderdeel van de zeestrijdkrachten over de hele wereld. Het eerste gebruik van een nucleaire onderzeeër in actieve gevechten vond plaats in 1982, toen de Britse aanvalsonderzeeër Veroveraar zonk het Argentijnse schip Generaal Belgrano tijdens het conflict over de Falklandeilanden.

Robert Fulton

Robert Fulton, vooral bekend om zijn werk in stoomboottechnologie, werd in 1765 geboren in Little Britain, Pennsylvania. Als kind bouwde Fulton graag mechanische apparaten. Zijn interesse ging over naar kunst toen hij ouder werd, en hoewel hij erin slaagde zichzelf te onderhouden door zijn verkoop van portretten en technische tekeningen, was de algemene reactie die zijn werk ontving teleurstellend en overtuigde hem om zich te concentreren op zijn technische vaardigheden.

In 1797, terwijl hij onderzoek deed naar kanalen in Parijs, Frankrijk, raakte Robert Fulton gefascineerd door het idee van een "duikboot" of onderzeeër, en begon er een te ontwerpen op basis van de ideeën van de Amerikaanse uitvinder David Bushnell. Fulton benaderde de Franse regering, die toen in oorlog was met Engeland, met de suggestie dat zijn onderzeeër zou kunnen worden gebruikt om kruitmijnen op de bodem van Britse oorlogsschepen te plaatsen. Na enige overreding stemden de Fransen ermee in om de ontwikkeling van de boten te financieren en in 1800 lanceerde Fulton de eerste onderzeeër, de Nautilus, te Rouaan.

Het 24,5 ft (7,5 m) lange, ovaalvormige schip zeilde boven het water als een normaal schip, maar de mast en het zeil konden plat tegen het dek worden gelegd wanneer het vaartuig werd ondergedompeld tot een diepte van 25 ft (7,6 m) door het vullen van zijn holle metalen kiel met water. Fultons plan was om een ​​spijker van de metalen commandotoren in de bodem van een gericht schip te slaan. Een time-released mijn die aan de spike was bevestigd, was ontworpen om te exploderen zodra de onderzeeër buiten bereik was. Hoewel het systeem in de proeven werkte, waren Britse oorlogsschepen veel sneller dan de sloep die in de experimenten werd gebruikt en slaagden ze er dus in om de langzamere onderzeeër te ontwijken. De Fransen stopten met de financiering van het project na de mislukte strijdpoging, maar de Britten, die de technologie veelbelovend vonden, haalden Fulton aan hun zijde. Helaas werkte de onderzeeër opnieuw goed in tests, maar bleek in de praktijk niet bevredigend. Na de mislukking in de Slag bij Trafalgar (1805), lieten ook de Britten het project varen.

Na deze ervaringen wendde de onverschrokken Fulton zich tot een nieuw onderzoeksgebied:stoom. Via zijn contacten in Parijs ontmoette Fulton Robert Livingston (1746-1813), de Amerikaanse minister van Buitenlandse Zaken in Frankrijk die ook een 20-jarig monopolie had op stoomnavigatie in de staat New York. In 1802 besloten de twee een zakelijk partnerschap aan te gaan. Het jaar daarop lanceerden ze een stoomboot op de Seine die was gebaseerd op het ontwerp van landgenoot John Fitch.

Fulton keerde later in 1803 terug naar New York om zijn ontwerpen verder te ontwikkelen. Na vier jaar werk lanceerde Fulton de Clermont, een door stoom aangedreven schip met een snelheid van bijna vijf mijl per uur. De samenwerking tussen Fulton en Livingston bloeide en Fulton had eindelijk een erkend succes geboekt.

Fulton's volharding en geloof in zijn ideeën hielpen stoomboten een belangrijke bron van vervoer op de rivieren in de Verenigde Staten te worden, en resulteerden in een aanzienlijke verlaging van de binnenlandse verzendkosten.

Grondstoffen

Het belangrijkste materiaal dat wordt gebruikt bij het maken van een nucleaire onderzeeër is staal. Staal wordt gebruikt om de binnenromp te maken die de bemanning en alle binnenwerk van de onderzeeër bevat, en de buitenromp. Tussen de twee rompen bevinden zich de ballasttanks, die water opnemen om de onderzeeër te laten zinken en water uitwerpen om de onderzeeër te laten stijgen.

Een typische onderzeeër.

Naast staal zijn verschillende onderdelen van een kernonderzeeër gemaakt van andere metalen, zoals koper, aluminium en messing. Andere materialen die worden gebruikt om de duizenden onderdelen van een volledig uitgeruste nucleaire onderzeeër te vervaardigen, zijn glas en plastic. Elektronische apparatuur omvat halfgeleiders zoals silicium en germanium. De kernreactor die de onderzeeër aandrijft, is afhankelijk van uranium of een ander radioactief element als energiebron.

Het fabricageproces

Voorbereiding voor fabricage

• 1 Omdat kernonderzeeërs alleen voor militair gebruik worden gemaakt, wordt de beslissing om ze te bouwen genomen door een nationale overheid. In de Verenigde Staten is de Undersea Warfare Division van de marine verantwoordelijk voor het aanvragen van de fabricage van een groep onderzeeërs, ook wel een vlucht genoemd.
• 2 De marine accepteert biedingen van duizenden bedrijven om de vele onderdelen te vervaardigen waaruit een kernonderzeeër bestaat. De romp van de onderzeeër wordt over het algemeen gemaakt door de Electric Boat Division van de General Dynamics Corporation. (De originele Electric Boat Company maakte de eerste onderzeeërs die in 1900 door de Amerikaanse marine werden gebruikt.)
• 3 Financiering voor kernonderzeeërs is opgenomen in de defensiebegroting die door de president aan het Congres wordt gepresenteerd. Indien goedgekeurd, begint het productieproces. De kernreactor wordt geleverd door het Naval Reactor-project van de overheid. De methoden die worden gebruikt om deze kernreactoren te vervaardigen, worden streng bewaakt en openbaarmaking zou als een schending van de nationale veiligheid worden beschouwd.

De romp maken

• 4 Stalen platen, ongeveer 2-3 inch (5,1-7,6 cm) dik, worden verkregen van staalfabrikanten. Deze platen worden met acetyleenbranders op de juiste maat gesneden.
• 5 De gesneden stalen platen worden onder tonnen druk tussen grote metalen rollen verplaatst. De rollen, elk ongeveer 28 inch (71,1 cm) in diameter en ongeveer 15 ft (4,6 m) lang, zijn zo opgesteld dat één rol op twee andere rust. Terwijl de stalen plaat onder de bovenste rol en over de twee onderste rollen beweegt, wordt deze in een bocht gebogen. De plaat wordt heen en weer gerold totdat de gewenste kromming is verkregen.
• 6 De gebogen stalen platen zijn geplaatst rond een houten mal die de vorm van de romp schetst. Vervolgens worden ze met de hand aan elkaar gelast om een ​​deel van de romp te vormen. De sectie wordt door een kraan opgehesen en naast een andere sectie geplaatst. De twee secties worden langzaam onder een automatische lasmachine gerold, die ze aan elkaar verzegelt. De roterende delen bewegen meerdere keren onder de lasser, wat resulteert in een oersterke naad.
• 7 De gelaste secties worden verstevigd door er gebogen, T-vormige stalen ribben omheen te lassen. Deze worden gemaakt door verhitting De fabricage van een onderzeeër is zeer complex en maakt gebruik van zowel handmatige als geautomatiseerde processen. Grote staalplaten worden gerold en gelast in de vorm van de binnen- en buitenromp. Steigers worden tijdens de fabricage opgebouwd, zodat de toegankelijkheid vrij blijft. Elk aspect van de fabricage wordt gecontroleerd door middel van inspectie- en kwaliteitscontrolemaatregelen. Zo worden gelaste stalen onderdelen geïnspecteerd met röntgenstralen. Leidingen worden gevuld met helium om te controleren op lekkage. Als gevolg hiervan wordt het Naval Reactors-programma beschouwd als het beste veiligheidsprogramma van alle kernenergieprogramma's. stalen staven totdat ze zacht genoeg zijn om te buigen. Automatische hamers slaan tegen de uiteinden van de staaf en produceren een curve die past bij de romp.
• 8 Door meerdere secties aan elkaar te lassen ontstaat een binnenromp. Hetzelfde proces wordt herhaald om een ​​buitenromp te vormen. De binnenromp is gelast aan stalen ribben die vervolgens aan de buitenromp worden gelast. De stalen ribben scheiden de twee rompen, waardoor er ruimte is voor de ballasttanks die de diepte van de onderzeeër regelen. De buitenromp strekt zich slechts uit tot aan de bodem en zijkanten van de binnenromp, waardoor de onderzeeër rechtop kan blijven staan.
• 9 Ondertussen zijn stalen platen in de binnenromp gelast om de onderzeeër in verschillende waterdichte compartimenten te verdelen. Stalen dekken en schotten zijn ook op hun plaats gelast. Uitwendige lasnaden worden gepolijst door high-speed slijpschijven, waardoor ze glad zijn. Dit verbetert niet alleen het oppervlak om te schilderen, maar het geeft de onderzeeër ook een gestroomlijnd oppervlak dat weinig wrijving ondervindt tijdens het reizen. De romp wordt vervolgens geverfd met lagen beschermende coatings.

Buitenkant afwerken

• 10 Externe componenten zoals roeren en propellers worden gemaakt met behulp van verschillende metaalbewerkingstechnieken. Een belangrijke methode die voor veel metalen onderdelen wordt gebruikt, is zandgieten. Dit proces omvat het maken van een houten of kunststof model van het gewenste onderdeel. Het model wordt vervolgens omgeven door dicht opeengepakt, verhard zand dat in een mal wordt gehouden. De helften van de mal zijn gescheiden, waardoor het model kan worden verwijderd. De vorm van het gewenste onderdeel blijft als een holte in het verharde zand. Gesmolten metaal wordt in de holte gegoten en afgekoeld, wat resulteert in het gewenste onderdeel.
• 11 De romp is omgeven door steigers, waardoor arbeiders alle delen ervan kunnen bereiken. De externe componenten zijn gelast of anderszins bevestigd. Bepaalde componenten, zoals sonarapparatuur, worden aan de romp bevestigd en vervolgens bedekt met gladde stalen platen om wrijving tijdens onderwaterreizen te verminderen.

Afwerking van het interieur

• 12 Grote apparatuur wordt tijdens de bouw in de binnenromp geplaatst. Kleinere apparatuur wordt in de binnenromp gebracht nadat deze is voltooid. De onderzeeër wordt gelanceerd voordat een groot deel van de interieuruitrusting is geïnstalleerd. Na de tewaterlatingsceremonie wordt de onderzeeër naar een inrichtingsdok gesleept, waar verder wordt gewerkt aan het interieur. Vitale componenten zoals periscopen, snorkels, motoren en elektronische apparatuur zijn geïnstalleerd. Apparatuur voor het comfort van de bemanning, zoals koelkasten, elektrische fornuizen, airconditioners en wasmachines zijn op dit moment ook geïnstalleerd.
• 13 De kernreactor begint te werken terwijl de onderzeeër zijn eerste proefvaarten begint. De bemanning wordt getraind tijdens een cruise op de Atlantische Oceaan. Wapens worden gelanceerd en getest, vaak in wateren voor de kust van Andros Island in de Bahama's. De onderzeeër wordt officieel in gebruik genomen tijdens een ceremonie die de benaming verandert van "Precommissioning Unit" (PCU) in "United States Ship" (USS). De onderzeeër ondergaat vervolgens een shakedown-cruise voordat hij in actieve dienst gaat.

Kwaliteitscontrole

De vitale rol die het speelt in de nationale defensie, het feit dat het leven van zijn bemanning afhankelijk is van het goed functioneren ervan, en de gevaren die inherent zijn aan zijn kernreactor, zorgen ervoor dat kwaliteitscontrole belangrijker is voor een nucleaire onderzeeër dan voor bijna elk ander vervaardigd product. Voordat de bouw begint, worden de materialen die zullen worden gebruikt om verschillende componenten te bouwen, geïnspecteerd op eventuele structurele gebreken. Toen er eerder een nieuw ontwerp voor een kernonderzeeër werd voorgesteld, werd er een schaalmodel gebouwd om te kijken of er verbeteringen mogelijk waren. Er werden tekeningen op schaal van het nieuwe ontwerp gemaakt en vervolgens uitgebreid tot papieren patronen op ware grootte waarmee kleine details nauwkeurig konden worden bestudeerd. Er is een mock-up van het interieur op ware grootte gemaakt om bouwers de kans te geven om de locatie van componenten aan te passen om ruimte te besparen of ze gemakkelijker toegankelijk te maken. Momenteel worden ontwerpmodellering, modificatie en simulatie allemaal verbeterd door het gebruik van computers.

Wanneer de stalen platen worden gesneden en gerold om de romp te vormen, worden ze geïnspecteerd om ervoor te zorgen dat alle afmetingen nauwkeurig zijn tot op een zestiende inch (0,16 cm); kleinere onderdelen moeten mogelijk nauwkeurig zijn tot op een tienduizendste inch (0,00025 cm) of minder. Het juiste lassen van alle stalen onderdelen wordt gecontroleerd met röntgenstralen. Leidingen worden geïnspecteerd door ze te vullen met helium en te controleren op lekkage. Elk instrument wordt getest om er zeker van te zijn dat het goed werkt. Met name de kernreactor ondergaat strenge tests om de veiligheid ervan te garanderen. Als gevolg van deze voorzorgsmaatregelen wordt het Naval Reactors-programma beschouwd als het beste veiligheidsprogramma van alle kernenergieprogramma's.

Nadat de onderzeeër in gebruik is genomen, ondergaat hij een shakedown-cruise om te zien hoe hij zou werken in oorlogstijd. De snelheid en wendbaarheid van de onderzeeër wordt getest om er zeker van te zijn dat deze aan de nodige eisen voldoet.

Bijproducten/afval

De grootste zorg bij het omgaan met afval dat door kernonderzeeërs wordt geproduceerd, betreft het radioactieve afval dat door kernreactoren wordt geproduceerd. Hoewel het afval dat door een kernonderzeeër wordt geproduceerd veel minder is dan dat van een grotere kerncentrale, bestaan ​​er vergelijkbare problemen met de verwijdering. Het programma Naval Reactors heeft een uitstekende reputatie op het gebied van het veilig opslaan van radioactief afval. Sommige milieuactivisten hebben echter hun bezorgdheid geuit over de mogelijkheid dat radioactief materiaal vrijkomt als een kernonderzeeër per ongeluk of tijdens militaire operaties tot zinken wordt gebracht.

De Toekomst

Van kernonderzeeërs wordt verwacht dat ze nog vele jaren een essentieel onderdeel van de verdedigingssystemen van de zee zullen blijven. Toekomstige ontwerpen zullen nieuwe manieren bevatten om de snelheid en diepte van nucleaire onderzeeërs te verbeteren. Onderzoek zal ook leiden tot een verbeterd vermogen om vijandelijke schepen te detecteren terwijl ze onopgemerkt blijven. Met de ondergang van de Sovjet-Unie, die leidt tot lagere defensiebudgetten, staat de Amerikaanse marine voor de uitdaging om de kosten van kernonderzeeërs te verlagen met behoud van hun effectiviteit. Met dit doel voor ogen werd in de jaren negentig het programma New Attack Submarine bedacht, met als doel de grote en dure Seawolf te vervangen. onderzeeërs aanvallen met kleinere, goedkopere, maar even effectieve kernonderzeeërs.