مقالات
در حال خواندن
زیر دریایی ها چگونه کار میکنند؟
0

زیر دریایی ها چگونه کار میکنند؟

توسط محمد دمرلو۲۹ تیر, ۱۳۹۶
زیردریایی یک وسیلهٔ نقلیه شناور است که می‌تواند در زیر سطح آب حرکت کند و به ژرفاهایی برسد که غواصان به آن دسترسی ندارند.

زیردریایی‌ها از شگفت ‌انگیزترین اختراعات بشر هستند. طی صدها سال دریانوردان فقط می‌توانستند روی عرشه کشتیها کار کنند. اختراع زیردریایی به انسان اجازه داد تا بتواند همچون موجودات دریایی برای مدت طولانی (ماهها و حتی سالها) در زیر دریا زندگی کند. ما اختراع زیردریاییهای پیشرفته را مدیون مسابقه تسلیحاتی جنگ سرد بین دو ابر قدرت شرق و غرب در قرن بیستم هستیم! دانشمندان برای ساخت و حرکت دادن زیردریاییها از چند قانون استفاده کردند. ما ابتدا به بررسی دو قانون مهم می‌پردازیم:

قانون ارشمیدس

طبق قانون ارشمیدس بر هر جسم (کمی یا کاملا) غوطه‌ور در سیال معادل وزن سیال جابجا شده نیرو وارد می‌شود. همواره وزن جسم بطرف پائین و نیروی شناوری سیال بطرف بالا ظاهر می‌شوند. هرگاه این دو نیرو با هم برابر باشند (مانند کشتی روی دریا) جسم روی سیال شناور خواهد شد و اگر نیروی وزن بیشتر از نیروی شناوری سیال (مانند سنگ در آب) باشد، جسم کاملا در سیال فرو خواهد رفت.

چگالی جسم به وزن بر حجم تعریف می‌شود. هرگاه چگالی جسم از چگالی سیال (آب) بیشتر باشد، جسم در سیال فرو خواهد رفت. 

قانون بویل

طبق این قانون در دمای ثابت ، حجم و فشار یک سیال رابطه عکس باهم دارند. یعنی هرگاه فشار وارد بر سیال دوبرابر شود، حجم سیال نصف خواهد شد.
برهرجسم داخل سیال ، فشاری به تمام سطح جسم (متناسب با عمق سیال) بطور مساوی وارد می‌شود. هرچه عمق سیال بیشتر باشد، فشار وارد بر جسم نیز بیشتر خواهد شد و طبق قانون بویل حجم آن باید کم شود. برای مثال اگر بالون پر از هوایی را به عمق اقیانوس ببریم، فشار عمق آب باعث کم شدن حجم بالون و متراکم شدن هوای داخل بالون خواهد شد. و برعکس اگر بالون را رها سازیم تا به آسمان برود، چون فشار هوا در ارتفاع کمتر از سطح زمین است، حجم بالون افزایش خواهد یافت. بیایید این قانون را درمورد خطرات غواصی در عمق بررسی کنیم:

هرچه غواص به عمق بیشتری برود، فشار وارد بر بدن و ریه‌های او افزایش می‌یابد. اگر دمای آب را حدود ۴ درجه سانتیگراد ثابت در نظر بگیریم، باید حجم ریه‌های غواص کم شود. ولی حجم ریه‌ها کم نمی‌شود و درعوض برای خنثی کردن فشار عمق سیال ، ریه‌ها هوای بیشتری را جذب می‌کنند تا فشار داخل ریه با محیط یکسان شود. در عمق ۴۰ متری حجم هوای فشرده شده درون ریه به ۴ برابر سطح آب افزایش می‌یابد که این موضوع می‌تواند باعث پاره شدن رگ‌ها و رسوب نیتروژن در خون و خطر حمله قلبی برای غواص بوجود آورد. به همین دلیل غواص ها نمی توانند برای مدت طولانی در عمق بیشتر از ۳۰ متری شنا کنند.

تاریخچه ساخت زیردریاییها

در زیردریاییهای اولیه از نیروی دست برای حرکت دادن زیر دریایی در اعماق کمک گرفته می‌شد. در سال ۱۶۲۰ شخص بنام ون دربل اولین زیردریایی را ساخت که می‌توانست در عمق ۴.۵ متری حرکت کند. حجم داخل این زیردریایی بسیار کم بود، بطوریکه فقط یک نفر می‌توانست داخل آن قرار گیرد و برای حرکت دادن آن در عمق به یک فرد بسیار نیرومند نیاز بود تا بتواند پره‌های جلو و فوقانی را بچرخاند. درحدود سال ۱۷۷۰، دیود باشنل زیردریایی را طراحی کرد که می‌توانست به کمک دست و پدالهای پایی حرکت کند.

حدود ۳۰ سال بعد روبرت فولتون ، زیردریایی دیگری ساخت که ۳ نفر گنجایش داشت و برای اولین بار ، بالهایی برای تنظیم عمق در زیردریایی تعبیه شد. فولتون سپس تلاش کرد تا زیردریایی دیگری با موتور بخار بسازد. مشکل طراحی این موتورها در آن بود که در زیر آب اکسیژن نبود. بنابراین موتوری طراحی شد که ابتدا آب در سطح آب داخل مخزنی با موتور دیزل (با سوخت گازوئیل) داغ و تبدیل به بخار می‌شد، سپس موتور خاموش می‌شد و زیردریایی به داخل آب شیرجه می‌زد و تا وقتی که بخار داخل مخزن سرد نشده بود، زیردریایی می‌توانست با موتور بخار در عمق دریا حرکت کند.

در سال ۱۸۶۰ زیردریایی دیگری طراحی شد که بطور کامل زیر آب نمی‌رفت و از طریق لوله‌ای که به سطح آب راه داشت، اکسیژن را برای سوخت موتور به داخل زیردریایی مکش می‌کرد. در سال ۱۹۰۴ اولین زیردریایی که با موتور دیزل – الکتریکی کار می‌کرد، در فرانسه ساخته شد. موتورهای دیزل در سطح آب ، باطری‌های الکتریکی را شارژ می‌کردند و سپس زیردریایی در آب فرو می‌رفت. در این هنگام موتور دیزل خاموش می‌شد و موتور الکتریکی به کمک باطریهای شارژ شده ، زیردریایی را حرکت می‌داد. 
زیردریایی هسته ای

مقدمه:

زیر دریایی هسته ای یک زیردریایی است که توسط انرژی اتمی تغذیه می شود و عمدتاً در زیر آب و گاهی اوقات بر روی سطح اقیانوس ها حرکت می کند.در گذشته زیر در یایی های غیر اتمی از موتور دیزلی استفاده می کردند که احتیاج به موتور الکتریکی که از باتری استفاده می کند داشتند. محدودیت زمانی باتری های الکتریکی سبب می شد که پیشرفته ترین زیر دریایی های غیر اتمی تنها بتوانند برای چند روز و با سرعت پایین و تنها چند ساعت با بالا ترین سرعت در زیر آب باقی بمانند. در صورتی که زیر دریایی هسته ای می تواند برای چندین ماه در زیر آب بماند. این توانایی، به همراه تکنولوژی سلاح های پیشرفته، زیر دریایی هسته ای را از بهترین زیردریایی های جنگی که تا به حال ساخته شده است می سازد.

اولین زیر دریایی هسته ای به نام ناتیلوس در سال ۱۹۴۵ به آب انداخته شد و اولین راکتور آب سبک تحت فشار برای ناتیلوس به کار رفت که با اورانیم فلزی کار می کرد. 

در ۱۹۹۵ چند زیر دریایی به عنوان زیر دریایی استراتژیک هسته ای شناخته شدند که موشک های هسته ای حمل می کردند.نوع دیگر زیر دریایی هسته ای،زیر دریایی جنگی است که برای غرق کردن کشتی ها و زیر دریایی های دشمن طراحی شده است.زیر دریایی استراتژیک و زیر دریایی جنگی، قسمتهای اساسی نیروی دریایی در سرتاسر جهان را تشکیل می دهند.

مزایای زیر دریایی هسته ای:

  • حتیاج به هوا ندارد
  • برای مدت زیادی می تواند زیر آب بحرکت کند
  • پایایی سوخت هسته ای بسیار طولانی تر از سوخت دیزلی است.زیر دریایی هسته ای مجبور نیست برای سوخت گیری مجدد به سطح آب بیاید یا به بندر گاه برود ومی تواند برای مدت زیادی در آب بماند.

فرآیند ایجاد نیروی پیشران:

در یک زیر دریایی هسته ای،تمام نیروی مورد نیاز برای حرکت و سایر وظایف مربوط به آن، توسط یک راکتور هسته ای تولید و تأمین می گردد. در چنین راکتوری سوخت آن ترکیبی از اورانیم با غنای ۹۰ درصد به صورت UC2 است. این نوع سوخت با غنای بالا سبب می شود راکتور هسته ای به اندازه کافی کوچک شود تا در یک زیر دریایی فضای زیادی اشغال نکند. هلیم به عنوان سرد کننده و میله های کادمیم وظیفه کنترل شکافت زنجیره ای را به عهده دارند.چنین راکتورهایی به راکتور با درجه حرارت بالا موسوم می باشند.طبیعی است که راکتور های هسته ای کشتی ها و یخ شکن ها تا اندازه زیادی با راکتور های فوق تفاوت دارند.

راکتورها برای به وجود آمدن بخار، که توربین را به حرکت در می آورد،تولید گرما می کنند. توربین مستقیماً پروانه های زیر دریایی را به حرکت در می آورد.

زیر دریایی های هسته ای و ناو های هواپیما بر که توسط راکتور هسته ای تغذیه می شوند تقریباً با راکتور هایی که در نیرو گاه تجاری استفاده می شوند، مشابه اند.

دو تفاوت اصلی بین راکتور های تجاری و راکتور های هسته ای که در زیردریایی وجود دارد:

  • راکتور های زیردریایی هسته ای، کوچکتر هستند
  • راکتور های زیردریایی هسته ای،با بالاترین درجه غنا استفاده می شوند.

زیر دریایی های هسته ای چگونه کار میکنند؟

نیروی زیردریایی هسته ای از یک راکتور هسته ای که عقب زیردریایی قرار می گیرد تأمین می شود. راکتور هسته ای شبیه موتور بخار کار می کند که با حرارت دادن، آب را بخار می کند. راکتور، انرژی را در شکل اشعه گاما تولید می کند و با استفاده از یک نوترون گرم می شود تا یک اتم اورانیوم را بشکافد.

آب گرم می شود و با لوله به توربینی می رود که انرژی مورد نیاز برای تأمین نیروی زیر دریایی را ایجاد می کند. سپس آب گرم شده سرد می شود و دوباره در داخل ژنراتور بخار به چرخش می آید. نیروی پروانه زیر دریایی به وسیله راکتور هسته ایتأمین می شود و زیردریایی را به جلو می راند.

راکتور هسته ای به وسیله یک پوشش فلزی ضخیم که وزن آن ۱۰۰ تن است محافظت می شود. در داخل پوشش، یک آلیاژ با طراحی خاص برای محافظت از میله های سوخت رادیواکتیو وجود دارد. رآکتورهای هسته ای نیاز به اکسیژن ندارند. همین موضوع زیردریایی را از این که به طور متناوب به سطح بیاید و از بالای سطح هوای تازه بگیرد بی نیاز می کند.

راکتور هسته ای نیروی زیادی تولید می کند که باعث می شود زیردریایی با سرعت زیاد و برای مدت زمان طولانی کار کند. مدل های کنونی زیردریایی های هسته ای هرگز نیاز ندارند تا در طول عمر ۲۵ ساله خود سوخت گیری مجدد کنند. با این حال هزینه های بالای راکتورهای هسته ای و تاریخچه سوانح جدی هسته ای که زیردریایی های هسته ای را نیز شامل می شود باعث شده تعداد نسبتاً کمی از کشورها زیردریایی های هسته ای داشته باشند.

حرکت در زیر و سطح آب:

 ماده اولیه در ساخت زیر دریایی هسته ای،استیل است؛استیل در ساخت دو بدنه ی بیرونی و درونی زیر دریایی بکار می رود وبین این دو بدنه مخزن بلاست نام دارد که با بردن آب  بین دو بدنه باعث فرو رفتن زیر دریایی و با خروج آب باعث بالا آمدن زیر دریایی می شود. زیردریایی به علت وزن آب که به طور مساوی با وزن زیر دریایی جابجا می شود، می تواند شناور شود. این جابجایی آب،یک نیروی رو به بالا ایجاد می کند که نیروی “شناور سازی” نامیده می شود و معکوس جاذبه زمین عمل می کند و باعث می شود کشتی در آب غرق نشود. عکس کشتی، زیردریایی این خاصیت شناور سازی را کنترل می کند و به این ترتیب، به طور دلخواه می تواند در آب فرو رود یا اینکه به سطح آب بیاید.برای کنترل خاصیت شناوری، زیردریایی مخزنهای بلاست  یا مخازن تعادل ناو دارد که می تواند به صورت یک در میان با آب و هوا پر شود.زمانی که زیر دریایی روی سطح آب است، مخازن بلاست با هوا پر می شوند؛در این حالت، چگالی کل زیر دریایی کمتر است از آبی که زیر دریایی را احاطه کرده است.با حرکت کردن زیردریایی مخازن بلاست در آب فرو می رود و هوا از مخزن خارج می شود تا زمانی که چگالی زیر دریایی از آب بیشتر شود و زیر دریایی شروع به فرورفتن در آب می کند.

برای اینکه تراز زیر دریایی در هر ارتفاعی حفظ شود، زیر دریایی توازن بین آب و هوا را در مخازن تعادل ناو نگه می دارد.بنابراین چگالی سرتاسر زیردریایی برابر است با آبی که زیر دریایی را احاطه کرده است.

در داخل زیر دریایی ذخیره هوای فشرده برای ادامه حیات و استفاده مخزن بلاست نگهداری می شود.در موارد اضطراری مخازن بلاست می توانند با فشار زیاد هوا به سرعت پر شوند تا زیر دریایی به سرعت به سطح آب برود.


مشکل این نوع زیردریایی

مشکل این نوع زیردریایی در آنجا بود که اولا باطریها خیلی بزرگ و سنگین بودند و ثانیا پس از گذشت چندساعت زیردریایی مجبور بود به سطح آب بیاید تا موتور دیزل روشن شده و باطریها را دوباره شارژ کند. اسید داخل باطریها هم در ترکیب با آب دریا ، بخار خطرناک و کشنده‌ای تولید می‌کردند.

درسال ۱۹۵۴ اولین زیردریایی با سوخت هسته‌ای ساخته شد. از مزایای این زیردریاییها ، عدم نیاز به هوا است. این نوع زیردریاییها می‌توانند به مدت طولانی (حتی سالها) زیر دریا بمانند و فقط در صورت نیاز به سطح آب بیایند و نیز با سرعت بالای ۵۰ کیلومتر در ساعت در زیر و یا سطح دریا حرکت کنند. در این موتورها ، حرارت راکتور از طریق لوله‌های آب به توربین بخارمی‌رسد و آنرا می‌چرخاند. در نمونه زیردریایی شکل زیر ، دو مدار گردش آب طراحی شده است.

در مدار اولی ، آب در اثر حرارت زیاد (عمل شکافت هسته‌ای) راکتور ، به شدت داغ می‌شود و با گردش آب در مدار اولیه محفظه تبدیل هم داغ می‌شود. سپس محفظه تبدیل ،‌ آب مدار ثانویه را تبدیل به بخار می‌کند و آنرا سوی توربین بخار می‌فرستد. بخار آب ، توربین را می‌چرخاند تا نیروی محرکه و برق زیردریایی تأمین شود. سپس بخار آب در محفظه تراکم تبدیل به آب می‌شود و دوباره به محفظه تبدیل بخار ارسال می‌شود.

اجزاء زیردریایی:

اجزاء بیرونی زیردریایی شامل بدنه استوانه بیضی شکل با دوبال افقی در جلو و دوبال عمودی در عقب برای شیرجه رفتن به عمق و اوج گرفتن به سطح آب، یک سکان برای حرکت به چپ و راست ، یک پروانه در دم بدنه برای تولید نیروی محرکه زیردریایی و یک بادبان برای ورود و خروج خدمه به سطح آب است.
درضمن یک آنتن رادیویی برای تماس با زیردریایی‌ها و کشتی‌های دیگر و یک پریسکوپ برای مشاهده سطح آب از زیر دریا روی بادبان تعبیه شده است.
بدنه زیردریایی از دو پوسته (قشر) ساخته شده که مابین آنها خالی است. به این فضای خالی، مخزن بالاست (سنگینی) می‌گویند. روی قشر بیرونی و بالای بدنه، دریچه‌ای برای خروج هوا (دریچه اصلی) و در پائین بدنه هم دریچه‌ای برای ورود و خروج آب به مخزن بالاست تعبیه شده است
داخل زیردریایی هم مخزن گاز فشرده با دو دریچه خروج هوا به مخزن بالاست روی قشر درونی تعبیه شده است. وزن زیردریایی با مخزن بالاست خالی، کمتر از نیروی شناوری آب دریاست و بنابراین زیردریایی در این حالت مانند کشتی روی سطح آب باقی خواهد ماند.
برای فرورفتن زیردریایی در آب، دریچه خروج هوا (دریچه اصلی) و دریچه ورود آب را باز می‌کنند تا آب دریا وارد مخزن بالاست شود. به این ترتیب وزن زیردریایی بیشتر از نیروی شناوری می‌شود و زیردریایی در آب فرومی‌رود.
برای بالا آمدن زیردریایی دریچه اصلی را می‌بندند و دریچه گاز فشرده شده را باز می‌کنند تا هوا وارد مخزن بالاست شود. با ورود گاز به مخزن و خروج آب از دریچه‌های پائینی، وزن زیردریایی کم می‌شود و نیروی شناوری آن را بطرف بالا می‌برد.
پروانه نصب‌شده در انتهای دم زیردریایی با چرخش خود، زیردریایی را به جلو و با چرخش برعکس به عقب! هدایت می‌کند. برای شیرجه رفتن بطرف پائین (درهنگام حرکت به جلو) انتهای بالهای جلو بطرف بالا و انتهای بالهای عقب بطرف پائین کج می‌شوند و برای اوج گرفتن نیز انتهای بالهای جلو بطرف پائین و انتهای بالهای عقب زیردریایی بطرف بالا کج می‌شوند تا (مانند پرواز هواپیما در هوا ) مسیر سیال عبوری (آب) از بالها برای حرکت به مسیر دلخواه تغییر یابد و نیروی بالابر یا پائین‌بر تولید شود
برای حرکت به چپ و راست نیز از سکان عقب کمک گرفته می‌شود. مثل حرکت کشتی و هواپیما (درهنگام حرکت به جلو ) با کج کردن سکان به چپ، زیردریایی به چپ و با کج کردن سکان به راست، زیردریایی بطرف راست خواهد چرخید.
پریسکوپ داخل زیردریایی هم از ۲ آینه کج با زاویه ۰۴۵ درجه ساخته شده تا خدمه بتوانند با چرخاندن آن، کشتی‌های سطح آب را مشاهده کنند
از آنتن رادیویی هم برای ارسال سیگنال به اطراف و برقراری ارتباط با دیگر زیردریایی‌ها و کشتی‌های دیگر و نیز از فرستنده دیگری (رادار ) برای تشخیص موانع سرراه زیردریایی کمک می‌گیرند.

آشنایی با عملکرد زیردریایی 

بدون شک زیردریایی یک از جنگ افزارهای رایج با کاربرد بسیار است و برای بسیاری از علاقه مندان به جنگ افزار همواره این پرسش وجود داشته است که زیردریایی ها چگونه کار می کنند و راز غوطه وری و چگونگی انجام این عمل در چیست ؟

  •  وزن زیردریایی و مخازن هوا در آن به گونه ای محاسبه می شود تا زیردریایی در هنگام خالی بودن مخازن ، بین دیواره داخلی و خارجی بصورت شناور بر روی سطح آب قرار بگیرد.
  •   با شروع غوطه وری دو یا چند دریچه که در بالای بدنه قرار دارد باز شده و موجب می شود تا آب در اثر وزن زیردریایی و پمپاژ آب به داخل مخازن بین دیواره داخلی و خارجی وارد شود.
  • این کار تا پر شدن مخازن ادامه پیدا می کند بگونه ای که در اثر وزن آب ، وزن کل زیردریایی زیاد شده و آرام در آب غوطه ور شود. (البته برای غوطه وری بیشتر در عمق ، مخازن بیشتری را از آب پر می کنند.)
  • در این تصویر پر شدن آب در مخازن بین دیواره داخلی و خارجی دیده می شود و زیردریایی غوطه ور شده است.
  • سپس دریچه های تعبیه شده در بالا بسته می شود.
  •  برای شناور شدن در سطح آب کافی است تا آبی را که به داخل مخازن وارد شده است به خارج پمپاژ نمود. برای انجام این کار دریچه های تعبیه شده داخلی باز می شود تا فشار هوا بتواند موجب خروج آب از دریچه های پایین زیر دریایی شود.
  • در این مرحله آب داخل مخازن خارج شده و زیردریایی که مجداداً سبک تر شده است به سطح آب بر می گردد.

تأمین نیرو(توان) زیردریایی

زیر دریایی های هسته ای از راکتورهیی هسته ای ،توربین های بخار و گیربکس های کاهشی برای حرکت دادن شفت اصلی ملخ استفاده می کنند که نیروی تراستی به سمت جلو و یا عقب را تولید می کند همچنین از یک موتور الکتریکی نیز که کار یکسانی انجام می دهد در مواقع اضطراری کمک می گیرند.
همچنین زیر دریایی ها نیاز به نیروی الکتریکی دارند که بتوانند تجهیزات الکتریکی را به کار گیرند که برای این کار زیر دریایی ها مجهز به موتور های دیزل (که سوخت را می سوزانند)و یا راکتورهای هسته ای (که هسته اتم را می شکافند)هستند.
همچنین زیر دریایی ها می توانند از نیروی باتری استفاده کنند که خود این باتری ها توسط باتری های دیزل و یا راکتورهای هسته ای شارژ می شوند
در مواقع ضروری از نیروی الکتریکی باتری ها فقط برای حرکت اولیه زیر دریایی استفاده می شود. زیر دریایی های دیزلی مثال های خوبی از ترکیب نیرو هستند چرا که اغلب از تعداد دو یا بیشتر موتور دیزلی استفاده می کنند. ممکن است همه موتور ها با هم کار چرخاندن شفت ملخ و شارژ باتری ها را انجام دهند و یا ممکن است یک موتور شفت ملخ را بچرخاند و بقیه موتورها ژنراتور را بچرخانند.
موتور های دیزلی برای کار نیاز به هوا دارند بنابرین زیر دریایی باید روی سطح آب باشد و در هنگام غوطه ور شدن کامل زیر دریایی با موتور دیزلی باتری ها باید کاملاً شارژ باشند و محدودیت در تکنولوژی شارژ باتری ها به طرز شدیدی بر مدت زمانی که زیر دریایی با موتور دیزلی می تواند در زیر آب باشد تأثیر گذاشته و آن را دچار محدودیت می کند.
حال آن که به کار گیری نیروی هسته ای مزیت بزرگی در زیر دریایی ها دارد ژنراتورهای هسته ای به اکسیژن نیازی ندارند بنابرین یک زیر دریایی هسته ای تا هفته ها می تواند در زیر آب بماند همچنین مدت زمان نگهداری (طول عمر)سوخت هسته ای بسیار بیشتر از سوخت دیزلی است و یک زیر دریایی هسته ای برای سوخت گیری مجدد نیازی به آمدن به سطح آب را ندارد.
راکتور با تولید گرما بخار کمورد نیاز یک توربین بخار را تأمین می کند و توربین شفت ملخ را به خوبی موتور الکتریکی حرکت می دهد.
دو تفاوت عمده مابین راکتورهای تجاری و راکتورهای به کار رفته در کشتی های هسته ای وجود دارد:
_راکتور موجود در کشتی ها کوچکتر است.
_راکتور در کشتی هسته ای از سوخت غنی شده استفاده می کند تا بتوان با راکتوری کوچکتر انرژی بیشتری دریافت کرد.

واکنش شما چیست؟
I like it
0%
interested
0%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
محمد دمرلو

پاسخ بدهید