ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: Υποβρύχια, αρχές λειτουργίας αλλά και ανίχνευσης τους

Του Γιώργου Λώλου, επίτιμου καθηγητή πυρηνικής και σωματιδιακής φυσικής, University of Regina, Καναδά

Οι Συρακούσες, στο απόγειο της ιστορίας της περίπου στο 265 π.Χ., όταν ο Ιέρων Β᾽ ήταν ο τύραννος στην εξουσία, είχε ως κάτοικο μια από τις μεγαλύτερες ευφυΐες όλων των εποχών, τον Αρχιμήδη. Ο Ιέρων είχε αποφασίσει να κάνει ένα δωράκι στον εαυτό του στην μορφή χρυσού στεφάνου και έδωσε ένα αρκετά μεγάλο κομμάτι καθαρού χρυσού στον καλύτερο χρυσοχόο των Συρακουσών να του φτιάξει τον στέφανο. Του μπήκε όμως στο μυαλό ότι ο χρυσοχόος δεν χρησιμοποίησε όλον τον χρυσό αλλά κράτησε για τον ίδιο ένα μέρος και το υπόλοιπο το αντικατέστησε με άλλο μέταλλο, μάλλον άργυρo.

Έδωσε λοιπόν στον Αρχιμήδη τον στέφανο και ένα κομμάτι καθαρό χρυσό και του είπε να εξακριβώσει αν ο στέφανος ήταν από καθαρό χρυσό ή όχι.

Η αφήγηση λέει ότι όταν ο Αρχιμήδης μπήκε στην μπανιέρα του, που ήταν γεμάτη, το νερό ξεχείλισε και αυτό ήταν αρκετό να του έρθει σαν επιφώτιση ο νόμος της άνωσης και ότι μετά έτρεχε στους δρόμους γυμνός φωνάζοντας “Εύρηκα”! Είναι αμφίβολο ότι έγινε έτσι, αλλά το γεγονός είναι ότι ο νόμος του Αρχιμήδη έτσι έχει εμπεδωθεί.

Το πρόβλημα του Αρχιμήδη ήταν ότι, για να συγκρίνει την καθαρότητα του στεφάνου σε χρυσό έπρεπε να ζυγίσει ένα κομμάτι από καθαρό χρυσό, να ζυγίσει το στεφάνι και μετά να συγκρίνει τους όγκους των δύο ώστε να δει αν το στεφάνι είχε το βάρος που αντιστοιχούσε στον όγκο του ή αν ήταν μικρότερο. Δηλαδή, ο Αρχιμήδης ήθελε να προσδιορίσει την πυκνότητα (ή το ειδικό βάρος) του χρυσού. Οπότε χρησιμοποίησε το νερό που εκτόπισαν το δείγμα και το στεφάνι για να μετρήσει τους όγκους των δύο, τα οποία δεν είχαν συμμετρικά σχήματα ώστε να μπορεί να υπολογίσει τους όγκους γεωμετρικά. Η πυκνότητα ρ ενός αντικειμένου ορίζεται ως το πηλίκον της μάζας του προς τoν όγκο του:

ρ = m/V       (1)             ( kg/m3 ή g/cm3 )

Το γεγονός ότι ταυτοχρόνως ο Αρχιμήδης μέτρησε την δύναμη την οποία το νερό εξασκούσε στο αντικείμενο (που εμφανιζόταν σαν να έχει μικρότερο βάρος) ήταν παράπλευρη ανακάλυψη από το πρόβλημα που ήθελε να λύσει. Ο νόμος του διατυπώνεται ως εξής: “Η δύναμης(άνωσης) που εξασκεί ένα υγρό σε ένα αντικείμενο που είναι μέσα στο υγρό είναι ίσο με το βάρος του υγρού που έχει εκτοπιστεί῍.

 Fb = ρgVdis        (2)     (N = kgm/s2)

 Όπου Fb (σε Newton) είναι η δύναμη που εξασκεί το ρευστό ως άνωση (αντίθετη από το βάρος του αντικειμένου) και Vdis ο όγκος του εκτοπισμένου ρευστού.

 Οι πρακτικοί νόμοι της άνωσης

1.  Αν η πυκνότητα του αντικειμένου είναι μεγαλύτερη από την πυκνότητα του υγρού, το αντικείμενο θα βυθιστεί.
2. Αν οι πυκνότητες των δύο είναι ίδιες, το αντικείμενο θα καλυφθεί τελείως από το υγρό αλλά θα επιπλέει. Αυτό το περιγράφουμε ως ουδέτερη άνωση.
3. Αν η πυκνότητα του αντικειμένου, π.χ. ενός σκάφους, είναι μικρότερη από την πυκνότητα του υγρού, το σκάφος θα “καθίσε騔 μέσα στο υγρό μέχρι που το βάρος του εκτοπισμένου υγρού να είναι ίσο με του σκάφους.

Από ότι έχει αναλυθεί εδώ, είναι φανερό ότι το αν ένα αντικείμενο επιπλέει ή βυθίζεται δεν εξαρτάται από το βάρος του, παρά μόνο από την πυκνότητα του εν σχέση με αυτή του υγρού. Μπορεί, λοιπόν, ένα αεροπλανοφόρο να έχει εκτόπισμα 100.000 τόννων (δηλαδή να ζυγίζει τόσο) αλλά η πυκνότητα του είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή του θαλασσινού νερού που είναι 1,025 g/cm3. Με άλλα λόγια, το αεροπλανοφόρο είναι ως επί το πλείστον πανάκριβος αέρας σύμφωνα με την φυσική! Η στατική άνωση (γιατί υπάρχει και δυναμική) είναι αποτέλεσμα της υδροστατικής πίεσης του υγρού. Υγρά και αέρια ανήκουν στην κατηγορία των ρευστών και υπακούουν τους ίδιους νόμους στατικής και δυναμικής. Η κυρία διαφορά μεταξύ υγρών και αερίων είναι ότι τα πρώτα είναι ασυμπίεστα ενώ τα δεύτερα συμπιέζονται πολύ εύκολα. Ενώ η ατμοσφαιρική πίεση (δηλαδή η πυκνότητα) μειώνεται εκθετικά με το ύψος, η πυκνότητα του νερού στο μέγιστο βάθος του Ειρηνικού Ωκεανού (11.000 μέτρα) είναι περίπου 1,050 g/cm3, ουσιαστικά και για πρακτικούς λόγους το ίδιο με αυτήν στην επιφάνεια. Αλλαγές πυκνότητας, ως συνάρτηση θερμοκρασίας, είναι επίσης σχετικά χαμηλές για τα υγρά αλλά σημαντικές για τα αέρια.

Η άνωση δεν άπαντά μόνο στο ερώτημα αν ένα σκάφος θα επιπλεύσει ή θα βυθιστεί, αλλά παίζει και μεγάλο ρόλο στην ευστάθεια του.  Όταν δύο δυνάμεις εξασκούνται σε ένα σώμα και σε δύο διαφορετικά σημεία με μια απόσταση μεταξύ των, δημιουργείται μια ροπή. Όπως η δύναμη έχει ως αποτέλεσμα γραμμική επιτάχυνση, η ροπή έχει ως αποτέλεσμα γωνιακή επιτάχυνση, με άλλα λόγια, περιστροφή. Για ένα σκάφος, το κέντρο βάρους παραμένει σταθερό ό,τι και κίνηση να κάνει. Το κέντρο άνωσης όμως μετακινείται με την αλλαγή του σχήματος και όγκου του εκτοπισμένου νερού, όπως το σκάφος γέρνει ή ανεβοκατεβαίνει στην θάλασσα λόγω ταχύτητας αλλά πρωτίστως λόγω θαλασσοταραχής. Εάν το κέντρο βάρους είναι χαμηλότερα από το κέντρο άνωσης, τότε, όταν το σκάφος γύρει, η ροπή που δημιουργείται τείνει να επαναφέρει το σκάφος στην αρχική του θέση ισορροπίας όπως φαίνεται στην Εικόνα 1.

Αν, όμως το κέντρο βάρους είναι πιο ψηλά από το κέντρο άνωσης, τα πράγματα περιπλέκονται. Για μικρές γωνίες απόκλισης του σκάφους από την κάθετο, η ροπή μπορεί να είναι τέτοια ώστε να το επαναφέρει στην αρχική του θέση. Για μεγαλύτερες, όμως, αποκλίσεις από την κάθετο, η ροπή θα κάνει το σκάφος να γυρίσει στο πλάι του και να βυθιστεί. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο όλα τα πλοία έχουν δεξαμενές ή χώρους που χρησιμοποιούνται ως έρμα, για να κατεβάσουν το κέντρο βάρους όσο το δυνατόν χαμηλότερα. Μετατροπές στην υπερκατασκευή που αυξάνουν το βάρος πρέπει να γίνονται με πολύ καλή μελέτη γιατί επηρεάζουν την ευστάθεια.

Εικόνα 1: Διάταξη κέντρων Βάρους (CG) και Άνωσης (CΒ).  Αριστερά το κέντρο βάρους είναι κάτω από εκείνο της ευστάθειας, οπότε το σκάφος αν γύρει, μπορεί να επανέλθει. Δεξιά το αντίθετο, με το σκάφος να είναι ασταθές. 

 Φυσική Ρευστών

Συχνά γίνεται σύγχυση μεταξύ πιέσεως και δυνάμεως, ότι δηλαδή πίεση και δύναμη είναι είτε το ίδιο ή ότι η πίεση εξασκεί δύναμη. Στην πραγματικότητα η πίεση είναι αποτέλεσμα μιας δυνάμεως που εξασκείται κάθετα σε μια επιφάνεια. Η δύναμη στην φυσική είναι ενα άνυσμα, δηλαδή χαρακτηρίζεται από την τιμή σε μονάδες Newton (N), τον άξονα επι του οποίου το άνυσμα βρίσκεται και την κατεύθυνση (αρνητική ή θετική εν σχέση με ένα σύσττημα αναφοράς που επιλέγεται για την ανάλυση).

p = F∟/A          (3)   ( Pa = N/m2 )

Η δύναμη στην (3) είναι μόνον η κάθετη συνιστώσα στην επιφάνεια, όπως φαίνεται στην Εικόνα 2. Η παράλληλη συνιστώσα (αν υπάρχει) δεν δημιουργεί πίεση αλλά προκαλεί την ροή του ρευστού στην κατεύθυνση της παράλληλης προς την επιφάνεια συνιστώσας. Από αυτήν την σχέση πιέσεως και δυνάμεως γίνεται και το μπέρδεμα των δυο εννοιών.

Εικόνα 2. Σχεδιάγραμμα σχέσης δυνάμεως και επιφάνειας.

 Για ένα υγρό με πυκνότητα ρ σε βάθος h από την επιφάνεια, η υδροστατική πίεση p δίνεται από την εξίσωση: p = ρgh  (4)

 Η υδροστατική πίεση στην (4) είναι αποτέλεσμα του “βάρους” του υγρού που εξασκείται στον όγκο του αντικειμένου σε αυτό το βάθος. Επειδή τώρα τα υγρά είναι ασυμπίεστα, δυνάμεις και επομένως πιέσεις, διανέμονται σχεδόν όπως στα στερεά, δηλαδή μεταδίδονται δια μέσω του υγρού σχεδόν χωρίς απώλειες. Αυτό θα παίξει ρόλο παρακάτω. Για ένα υποβρύχιο, ως παράδειγμα, σε βάθος 400 μέτρων η πίεση στο σκάφος είναι περίπου 41,5 φορές αυτής της ατμοσφαιρικής πίεσης. Επειδή είναι η δύναμη που εξασκείται στο εξωτερικό του υποβρυχίου αυτό που μετράει για την αντοχή του μετάλλου, τέτοιες πιέσεις αντιστοιχούν στην δύναμη που θα εξασκούσε ένα “βάρος” περίπου 430.5 τόνων σε κάθε τετραγωνικό μέτρο στην εξωτερική επιφάνεια του! Το υποβρύχιο λοιπόν, συμπιέζεται από όλες τις πλευρές του με τέτοιες δυνάμεις.

Η υδροστατική είναι η πιο απλή φυσική ρευστών. Ένα άθροισμα δυνάμεων. Όταν όμως τα ρευστά ρέουν, ή το αντικείμενο κινείται εν σχέση με το ρευστό ή έχουμε συνδυασμό και των δύο, περνάμε σε μια αρκετά πιο σύνθετη και δύσκολη μελέτη, αυτή της υδροδυναμικής. Έτσι λοιπόν ας αρχίσουμε με την πιο απλή περίπτωση, αυτή των ιδανικών ρευστών, που όμως εξηγούν παρά πολλά και για την υδροδυναμική των πραγματικών ρευστών. Τα ιδανικά ρευστά καθορίζονται από τις εξής προϋποθέσεις:

α. Είναι ασυμπίεστα, που σημαίνει ότι η πυκνότητα τους παραμένει σταθερή. Για τα υγρά αυτό είναι στον ορισμό τους, ούτως ή άλλως.

β. Δεν έχουν τριβή (Viscosity) μεταξύ των στρωμάτων της ροής και των τοιχωμάτων των σωλήνων. Επομένως δεν έχουν απώλειες κινητικής ενέργειας λόγω τέτοιων τριβών.

γ. Το άνυσμα της ταχύτητας που καθορίζει την ροή είναι γραμμικό και δεν δύναται να παρουσιάσει κυκλική κίνηση γύρω από το κέντρο μάζας των σωματιδίων που καθιστούν την ροή. Με άλλα λόγια δεν υπάρχουν στρόβιλοι (vortices).

δ. Απουσία επιφανειακής τάσης. Η επιφανειακή τάση είναι η ελκυστική δύναμη μεταξύ των μορίων ενός υγρού, που τείνει να ελαxιστοποιεί την επιφάνεια ενός υγρού, όπως π.χ. σχηματίζει την σφαίρα της σαπουνόφουσκας.

ε. Στρωτή Ροή (Laminar Flow). Η ταχύτητα της ροής παραμένει σταθερά, σε σταθερή γεωμετρία περιβαλοντος, όχι όμως απαραιτήτως ως άνυσμα.

Πόσο αποκλίνουν αυτές οι προϋποθέσεις για ένα ιδεώδες ρευστό από την πραγματικότητα; Για τα αέρια τα οποία χαρακτηρίζονται από χαμηλή πυκνότητα και χαμηλό δείκτη τριβής, δουλεύουν καλά, αρκεί η ταχύτητα του αντικειμένου ή του αερίου να μη ξεπερνά ένα ορισμένο όριο (κριτήριο για δημιουργία στροβίλων). Η βασική εξίσωσης για ιδανικά ρευστά είναι αυτή του Bernoulli.

Pst + ρgh + 1/2 ρv2 = σταθερά  (5)

Όπου αθροίζονται όλες οι δυνατές πιέσεις: πίεση στο ρευστό (Pst), η υδροστατική από την εξίσωση (4) και η δυναμική λόγω ταχύτητας και το άθροισμα είναι σταθερό σε οποιοδήποτε στάδιο και σημείο της ροής. Να μη μπούμε στις εξισώσεις που παράγουν την (5), αρκεί να αναφερθεί ότι είναι έμμεση εφαρμογή της διατήρησης της ολικής ενέργειας ενός κλειστού συστήματος. Η μέγιστη πίεση εξασκείται στο σημείο που η ταχύτητα του ρευστού μηδενίζεται. Σε ένα υποβρύχιο που πλέει οριζόντια, το σημείο είναι κοντά στο κέντρο του κώνου της πλώρης του.

Οι γραμμές που αναπαριστούν το άνυσμα της ταχύτητας της ροής (streamlines) για ιδανικά (a) και πραγματικά (b) ρευστά παραμένουν παράλληλες και στις δύο περιπτώσεις στην Εικόνα 3, αλλά το προφίλ αλλάζει με μηδέν ταχύτητα στη επιφάνεια του σωλήνα και με μέγιστη στο κέντρο του σωλήνα για πραγματικά ρευστά. Σε τέτοια περίπτωση η εξίσωση (5) δεν ισχύει και πρέπει να διορθωθεί με ένα επιπλέον όρο που να συμπεριλαμβάνει την απώλεια ενέργειας λόγω τριβής. Αυτό, όπως θα δούμε, παίζει ρόλο και για κινούμενα υποβρύχια.

Εικόνα 3: Στρωτή ροή σε σωλήνα ενός ιδανικού ρευστού (α) σε σύγκριση με αυτήν ενός πραγματικού ρευστού με τριβή (b).

 Ένα πρακτικό και πολύτιμο αποτέλεσμα της εξίσωσης (4) είναι ότι, μια και το άθροισμα των τριών διαφορετικών πιέσεων παραμένει σταθερό, αν η ταχύτητα ροής αυξάνεται, τότε η πίεση (στατική) Pst μειώνεται ώστε το σύνολο να παραμένει σταθερό. Αυτός είναι ο λόγος που πετάνε τα αεροπλάνα.

Εικόνα 4: Η ροή αέρος γύρω από την πτέρυγα αεροπλάνου.

Το πόσο καλά δουλεύει η εξίσωση (5) και για μη ιδανικά ρευστά είναι εμφανής στην περίπτωση της πτέρυγας του αεροπλάνου στην Εικόνα 4. Η ταχύτητα της ροής στην άνω πτέρυγα αυξάνεται σε σύγκριση με την ροή στην κάτω, λόγω της καμπυλότητας της και την κλίση σχετικά με την ροή (το ρευστό έχει να καλύψει μεγαλύτερη απόσταση στην άνω επιφάνεια), επομένως η ταχύτητα εκεί αυξάνεται και έτσι οι δυναμικές πιέσεις είναι μειωμένες εν σχέση με τις στατικές πιέσεις στην κάτω πτέρυγα. Ως αποτέλεσμα, η στατική πίεσης Pst στην κάτω επιφάνεια είναι υψηλότερη από αυτήν στην άνω και επομένως το άθροισμα των δυνάμεων είναι θετικό προς τα άνω, δημιουργώντας δυνάμεις (δυναμικής) άνωσης. Έτσι το αεροπλάνο, υπερβαίνοντας το βάρος του, απογειώνεται. Την ίδια τεχνική ακολουθούν και τα υποβρύχια με τα αντίστοιχα δικά τους πτερύγια.

Στην περίπτωση ενός υποβρυχίου σε κατάδυση και σε μεγάλη απόσταση από το υποβρύχιο, η ροή του νερού, εν σχέση με το υποβρύχιο, είναι αυτή της Εικόνας 3.

Εικόνα 5: (α) Στρωτή Ροή, (b) Τυρβώδης Ροή

 Όταν όμως ο συνδυασμός ταχύτητας ροής, πυκνότητας και δείκτη τριβής του ρευστού, μει τις διαστάσεις και διαμορφώσεις στις επιφάνειες επαφής ξεπερνούν έναν ορισμένο αριθμό (Reynolds number) η ροή από στρωτή (Εικόνα 5α) γίνεται τυρβώδης (5b) και τα προβλήματα αρχίζουν. Όταν η ροή είναι τυρβώδης, αναλυτικοί υπολογισμοί, όπως γίνονται για στρωτή ροή, δεν είναι δυνατόν να γίνουν γιατί το σύστημα έχει μετατραπεί σε χαώδες. Χρειάζονται άλλες μέθοδοι, πρωτίστως την χρήση υπολογιστών και συνδυασμός μοντέλων. Γενικά, η τυρβώδης ροή δεν προσφέρει τίποτα καλό στην υδροδυναμική. Μερικά, αλλά όχι όλα από τα αρνητικά, είναι η απώλεια ενέργειας (δηλαδή δημιουργία οπισθέλκουσας), η επιτάχυνσης της διάβρωσης των υλικών και, ιδίως για το θέμα των υποβρυχίων, η αύξηση του θορύβου.

Υποβρύχια, αρχές και τακτικές 

 Τα υποβρύχια χρησιμοποιούν ένα συνδυασμό συστημάτων για την πλεύση κάτω από την επιφάνεια του νερού και για την ικανότητα να πολεμήσουν.

Έλεγχος της άνωσης. Το υποβρύχιο έχει την ικανότητα να αλλάζει το βάρος του (δηλαδή την πυκνότητα του) ώστε να μπορεί να πάει από πλήρη πλεύση στην επιφάνεια μέχρι πλήρη κατάδυση. Για αυτόν τον σκοπό χρησιμοποιεί δεξαμενές έρματος που γεμίζουν ή αδειάζουν με θαλασσινό νερό, ώστε να ελέγχουν το εκτόπισμα τους. Η ισορροπία και σταθερότητα ενός πλοίου, ή ενός υποβρυχίου, εξαρτάται από την σχετική γεωμετρία των κέντρων βάρους και άνωσης. Με τις κύριες δεξαμενές γεμάτες με νερό, το υποβρύχιο είναι σε πλήρη κατάδυση. Όταν το υποβρύχιο θέλει να αναδυθεί χρησιμοποιεί πεπιεσμένο αέρα να μειώσει ή να αδειάσει τις δεξαμενές έρματος από το νερό.

Έλεγχος του βάθους. Οι κύριες δεξαμενές έρματος καθορίζουν την γενική κατάσταση του υποβρυχίου σχετικά με την επιφάνεια της θάλασσας. Όταν όμως το υποβρύχιο είναι σε πλήρη κατάδυση χρειάζεται την ικανότητα να ισορροπεί, μια και είναι απίθανο ότι το κέντρο βάρους και κέντρο άνωσης θα είναι στον ίδιο άξονα (ώστε να μη σχηματίζεται ροπή μεταξύ αυτών των δυο δυνάμεων) και ταυτοχρόνως να δύναται να παραμένει σταθερά σε ορισμένο βάθος, χωρίς να κινείται. Αυτό επιτυγχάνεται με την βοήθεια βοηθητικών (μικρότερων) ερμάτων, που μπορούν να αυξομειώνουν ή να μετακινούν νερό από την μια δεξαμενή στην άλλη για να επιτύχουν ουδέτερη άνωση. Έτσι λοιπόν, ένα υποβρύχιο μπορεί να παραμένει σε ένα βάθος χωρίς την χρήση προώθησης και παραγωγή θορύβων. Όταν το υποβρύχιο κινείται, χρησιμοποιεί τα πτερύγια (εμφανή στους πυργίσκους αμερικανικών πυρηνοκίνητων υποβρυχίων) και τα πηδάλια για σταθεροποίηση και αλλαγή βάθους, όπως τα αεροσκάφη χρησιμοποιούν τα δικά τους. Η παραπάνω είναι μια απλουστευμένη περιγραφή και φυσικά το σύγχρονο υποβρύχιο είναι ένα σύστημα πολύπλοκο και περιλαμβάνει πολλά συστατικά μέρη.

Τα υποβρύχια του Β’ Παγκοσμίου μπορούν να χαρακτηρισθούν ως πλοία με την ικανότητα να καταδύονται. Αυτό φαίνεται από το σχήμα τους, εν συγκρίσει με σύγχρονα υποβρύχια, την ταχύτητα στην επιφάνεια (20 με 22 κόμβους) και την χαμηλή (7 με 8 κόμβους) σε κατάδυση, εν αντιθέσει με τα σύγχρονα που έχουν υψηλότερες ταχύτητες σε κατάδυση παρά όταν πλέουν στην επιφάνεια. Μάλιστα περνούσαν πιο πολύ καιρό στην επιφάνεια, όταν γέμιζαν τις μπαταρίες τους ή όταν μακρυά από εχθρικά αεροπλάνα και πλοία και πολύ συχνά οι επιθέσεις τους έγιναν όταν έπλεαν στην επιφάνεια, ιδίως βράδυ. Για ένα σύγχρονο υποβρύχιο με τις σύγχρονες ανθυποβρυχιακές τακτικές και τεχνολογίες, κάτι τέτοιο θα ήταν αυτοκτονικό.

Η επιβίωση και επιτυχία στην αποστολή του εξαρτάται από την απουσία του από όλους του αισθητήρες του αντιπάλου. Ειδικά, να μην ανιχνεύεται από τους παθητικούς (λόγω θορύβου που παράγει) ή ενεργούς αισθητήρες (σόναρ), να μην αφήνει παρουσία περισκοπίου ή σνόρκελ και να μην εντοπίζεται από μαγνητικές μεθόδους. Όλα αυτά σε θάλασσες από ρηχές, κοντά σε ακτές ή ανοιχτές σε μεγάλα βάθη. Είναι φανερό ότι χρειάζονται άλλων προδιαγραφών υποβρύχια για τη Βαλτική (ως παράδειγμα) με μέσο βάθος λιγότερο από 60 μέτρα) και άλλα για τις απέραντες εκτάσεις και μεγάλα βάθη του Ειρηνικού.

Θόρυβος: Ο φίλος και ο εχθρός των υποβρυχίων

 Η ταχύτητα του ήχου στην θάλασσα είναι περίπου 1.500 m/s, 4,5 φορές μεγαλύτερη από αυτήν στον αέρα. Εξαρτάται από την θερμοκρασία, την αλατότητα και το βάθος αλλά αυτός ο αριθμός είναι αντιπροσωπευτικός. Μέχρι βάθος περίπου 500 μέτρων η θερμοκρασία και αλατότητα δεν παρουσιάζουν σημαντικές μεταβολές, αν και θερμικά στρώματα λόγω τοπικών συνθηκών, μπορούν να αλλάξουν τα δεδομένα. Ήχος, ιδίως χαμηλών συχνοτήτων (μεγάλου μήκος κύματος), ταξιδεύουν με μικρές απώλειες και σε μεγάλες αποστάσεις στην θάλασσα. Ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον φαινόμενο είναι το Κανάλι Χαμηλής Ταχύτητας (SOFAR) που είναι αποτέλεσμα θερμοκρασίας και πιέσεως που δημιουργούν ένα “κανάλι”, ανάλογο των κυματαγωγών στα μικροκύματα, και δεσμεύουν ήχους χαμηλής συχνότητας και ταχύτητας και μπορούν να καλύψουν αποστάσεις χιλιάδων χιλιομέτρων, ουσιαστικά χωρίς εξασθένηση. Αυτό φαίνεται στην Εικόνα 6. Τέτοια κανάλια είναι σε 500 μέχρι 1.000 μέτρα βάθος αλλά στις βόρειες θάλασσες είναι δυνατόν να φτάσουν μέχρι και την επιφάνεια ή, λόγω αλλαγής συνθηκών θερμοκρασίας και πυκνότητας, μπορεί να ανέλθουν σε βάθη που επιχειρούν τα υποβρύχια σε όλες τις θάλασσες.

Εικόνα 6: Σχηματική απεικόνιση του Καναλιού Χαμηλής Ταχύτητας.

 Στην αριστερή πλευρά της Εικόνας 6 απεικονίζεται η μεταβολή της ταχύτητας όπως αυξάνει το βάθος, με ελάχιστη μέσα στο κανάλι. Αυτό δεν σημαίνει ότι θόρυβος από ένα υποβρύχιο μέσα στο κανάλι δεν μπορεί να εξέλθει, διότι ηχητικά κύματα με γωνίες σχεδόν κάθετες των διαχωριστικών επιφανειών θα διαφύγουν. Ο ήχος, που είναι μηχανικό κύμα, ακολουθεί τους ίδιους νόμους της φυσικής των κυμάτων, όπως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, σε ανάκλαση και διάθλαση.

Είναι αδύνατο για ένα υποβρύχιο να μη παράγει θόρυβο. Τα πυρηνοκίνητα έχουν αντλίες και άλλα μέρη των μηχανών και κλιματιστικών τους που δεν γίνεται να είναι απολύτως αθόρυβα. Τα συμβατικά υποβρύχια, που χρησιμοποιούν ντίζελ και μπαταρίες, είναι σχεδόν αθόρυβα όταν σε κατάδυση κινούνται αργά και χρησιμοποιούν μόνο τις μπαταρίες τους. Όταν είναι ακίνητα, μόνον κλιματισμός και αλλά υποστηρικτικά μηχανήματα λειτουργούν και ουσιαστικά είναι πολύ δύσκολο να εντοπιστούν αποκλειστικά με παθητικά μέσα. Αυτός είναι ένας λόγος που τέτοια υποβρύχια είναι τόσο επίφοβα για τον αντίπαλο. Γενικά, όμως, η καλύτερη μέθοδος ανίχνευσης υποβρυχίου είναι η παθητική, διότι έτσι δεν προδίδει ο αντίπαλος την θέση του ή ότι έχει εντοπίσει το υποβρύχιο που καταδιώκει. Τα πλοία επιφάνειας είναι πολύ θορυβώδη και είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνεύσουν υποβρύχιο το οποίο είναι σε κατάσταση σιγής, δηλαδή με χαμηλή ταχύτητα ή ακίνητο. Εδώ παίζει βασικό ρόλο το ελικόπτερο. Το αμερικανικό Ναυτικό, που λειτουργεί ως επί το πλείστον σε ανοιχτές θάλασσες και με μεγάλα βάθη, έχει σχεδόν εγκαταλείψει τα σόναρ γάστρας και βασίζεται κυρίως σε συρόμενα και στα ελικόπτερα για το κυνήγι υποβρυχίων. Τα ελικόπτερα μπορούν να καλύψουν μεγάλες εκτάσεις και αποστάσεις από τον στόλο, να ποντίσουν τα ευαίσθητα υδρόφωνα ή τα ενεργά σόναρ τους χωρίς φόβο να προδώσουν την θέση των πλοίων ή να δεχτούν τα ίδια επίθεση από το υποβρύχιο. Επίσης, μόλις το υποβρύχιο στοχευθεί, μπορούν να το τορπιλίσουν αμέσως.

Επίσης η θάλασσα δεν είναι ένα αθόρυβο περιβάλλον, το αντίθετο. Μικροσεισμικές δονήσεις, ψάρια, φάλαινες, κυματισμός, ταχύτητα ανέμου, βροχή και ήχος από πλοία, διαδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις, ιδίως εκείνα των χαμηλών συχνοτήτων. Εδώ πρέπει να αξιολογήσουμε τον σχετικό υπόβαθρο θόρυβο του ωκεανού εν σχέση με τον θόρυβο που παράγει ένα υποβρύχιο. Ένας μέσος όρος ωκεάνιου θορύβου είναι περίπου 90 dB er 1μPa2/Hz σε συχνότητες 30 με 70 Hz. Τέτοιες χαμηλές συχνότητες διαδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις. Ως παράδειγμα, τα πυρηνοκίνητα υποβρύχια της κλάσης Virginia παράγουν θόρυβο 95 dB er 1μPa2/Hz συνολικά σε όλο το φάσμα συχνοτήτων. Ένα σύγχρονο συμβατικό υποβρύχιο λέγεται ότι παράγει γύρω στα 85 dB er 1μPa2/Hz οταν πλεει με χαμηλή ταχύτητα μόνο με μπαταρίες.

Αυτή η κλίμακα δεν είναι ίδια με τις γνωστή μας dB, που έχει να κάνει με την ανθρώπινη ακοή που είναι λογαριθμική, αλλά είναι γραμμική Όμως, δεν αρκεί ένα παθητικό σύστημα ανιχνεύσεως για να συγκρίνει μια συχνότητα και να ξεχωρίσει ήχο από υποβρύχιο από αυτόν του υποβάθρου, αλλά χρειάζεται να αναλύσει όλο το φάσμα, όπου το υποβρύχιο μπορεί να εκπέμπει με διαφορετικό από το φυσικό υπόβαθρο. Το φάσμα του υποβάθρου ήχου για τον Ειρηνικό, ως παράδειγμα, φαίνεται στην Εικόνα 7 για διαφορετικές τιμές του επιφανειακού ανέμου και θεωρητικού μοντέλου (με πράσινη γραμμή).

Εικόνα 7: Φάσμα συχνοτήτων με μετρήσεις και θεωρητικό υπολογισμό για διάφορες ταχύτητες ανέμου

Αυτό κάνει την παθητική ανίχνευση υποβρυχίων δύσκολη αλλά, ταυτοχρόνως, δυσκολεύει ένα υποβρύχιο από το να εντοπίσει ένα αντίπαλο υποβρύχιο ή πλοίο. Επίσης ο ήχος αντανακλάται σε οποιαδήποτε επιφάνεια στον βυθό, και στην επιφάνεια. Όταν βάλει κανείς στην εξίσωση και τις ιδιότητες των κυμάτων, όταν συναντούν ρεύματα και διαφορετικές θερμοκρασίες που αλλάζουν την ταχύτητα του ήχου, δημιουργούνται ολόκληρες περιοχές που το υποβρύχιο είναι αποτελεσματικά απομονωμένο από σόναρ πλοίου επιφάνειας. Αυτές λέγονται σκιώδεις ζώνες.

Στην Εικόνα 8 απεικονίζεται μια ρεαλιστική διάδοση ήχου από ένα ενεργό σόναρ γάστρας σε βάθη που παρατηρείται αλλαγή πυκνότητας. Από την επιφάνεια έως ένα βάθος μερικών εκατοντάδων μέτρων (πρώτη διαχωριστική γραμμή) η πυκνότητα (και θερμοκρασία) παραμένουν σχετικά σταθερές. Στην επόμενη σε βάθος περιοχή, η θερμοκρασία μειώνεται με αυξανόμενο βάθος και η ταχύτητα του ήχου επίσης μειώνεται ενώ σε βαθύτερα (τρίτα) στρώματα γίνεται το αντίθετο. Ως αποτέλεσμα δημιουργούνται συνθήκες για διάθλαση, αντανάκλαση και την δημιουργία περιοχών που το υποβρύχιο είναι σε νεκρές ζώνες (σκιώδεις).

Τα υποβρύχια, λοιπόν, αναζητούν περιοχές και συνθήκες της θάλασσας τέτοιες ώστε να μειώσουν όσο το δυνατόν τον δικό τους θόρυβο και αναζητούν την κάλυψη, όπως φαίνεται στην Εικόνα 8. Γενικά, όσο πιο βαθιά είναι ένα υποβρύχιο τόσο αυξάνονται οι πιθανότητες επιβίωσης και αποτελεσματικότητας. Αυτό το πλεονέκτημα του υποβρυχίου αντιμετωπίζεται με την χρήση παθητικών και ενεργών σόναρ που μπορούν να ποντιστούν σε διαφορά βάθη. Είναι βασικά ένα παιχνίδι επίγνωσης περιβάλλοντος και ικανότητας από τους επάνω και από τους κάτω.

Εικόνα 8: Γραφική αναπαράσταση των τριών ζωνών ταχύτητας ήχου και την δημιουργία σκιώδους ζώνης.

Μαγνητικό ίχνος

 Για υποβρύχια, που το πεδίο επιχειρήσεων είναι οι ανοιχτές θάλασσες και μεγάλα βάθη, η χρήση πολύ ανθεκτικού ατσαλιού για το σκάφος είναι κρίσιμος παράγοντας επιβίωσης. Το πιο διαδεδομένο μέταλλο είναι από χαμηλό κράμα ατσαλίου ΗΥ80, ΗΥ81 ή ΗΥ100. Είναι ένα πολύ ανθεκτικό σε πιέσεις μέταλλο που επιτρέπει σε κατάλληλα σχεδιασμένα υποβρύχια επιχειρησιακά βάθη μεγαλύτερα από 250-350 μέτρα. Αυτά τα βάθη δεν είναι τα μέγιστα βάθη (βάθος ασφαλείας) αλλά το ασφαλές για μεγάλο χρόνο και για επιχειρήσεις.

Κάθε υποβρύχιο χρησιμοποιεί υλικό από σιδηρομαγνητικό μέταλλο αλλά είναι κυρίως το σκάφος το ίδιο που μεταβάλλει τοπικά την ένταση του μαγνητικού πεδίου της Γης. Επίσης, από την κίνηση του υποβρυχίου, οι μαγνητικές γραμμές του πεδίου αλλάζουν και όλα αυτά μπορούν να ανιχνευθούν με κατάλληλα όργανα. Μια απλοποιημένη περιγραφή δίνεται στην Εικόνα 9. Όσο η ταχύτητα του υποβρυχίου αυξάνεται, η ροή στην επιφάνεια του σκάφους δημιουργεί ηλεκτρικά ρεύματα και, όπου ηλεκτρικό ρεύμα είναι και μαγνητικό πεδίο. Ένας ακόμη λόγος λοιπόν για να κινείται με χαμηλές ταχύτητες. Εδώ συνεισφέρει και η τριβή του (πραγματικού) ρευστού) με την επιφάνεια του σκάφους.

Για ρηχές θάλασσες, όπως η Βαλτική, τα υποβρύχια δεν έχουν την πολυτέλεια του βάθους για προστασία. Με μέσο βάθος λιγότερο από 60 μέτρα (υπάρχουν βέβαια και μεγαλύτερα αλλά γενικά είναι πολύ ρηχή θάλασσα), ένα υποβρύχιο που έχει σκάφος από μέταλλο που αλλάζει το μαγνητικό πεδίο, μπορεί να ανιχνευθεί από αεροσκάφη με Ανιχνευτή Ανώμαλoυ Μαγνητικού πεδίου (MAD). Αυτό φαίνεται σε ανθυποβρυχιακά αεροσκάφη ως μια στενή κυλινδρική προέκταση του σκάφους στην ουρά (σαν κεντρί). Είναι φανερό ότι υποβρύχια για τέτοιες συνθήκες θα χρησιμοποιούν μη σιδηρομαγνητικό ατσάλι ή σκάφος από τιτάνιο.

Ένα παράδειγμα είναι τα καινούργια Ιταλικά 212-A/NFS υποβρύχια των οποίων το σκάφος είναι κατασκευασμένο από συγκεκριμένο ανοξείδωτο ατσάλι που δεν μαγνητίζεται. Όπως και να έχει όμως, είναι σχεδόν αδύνατο να μην αφήνει μια διαταραχή στο μαγνητικό πεδίο διότι άλλα μέρη και μηχανήματα του υποβρυχίου θα έχουν σιδηρομαγνητικό υλικό, οι μηχανές ντίζελ, ως παράδειγμα.

Όπως φαίνεται από την Εικόνα 9, οι μαγνητικές γραμμές του πεδίου της Γης αλλάζουν με την παρουσία του υποβρυχίου και τείνουν να “πλησιάσουν” το σκάφος. Αυτό δημιουργεί μια αύξηση της έντασης του πεδίου τοπικά στο υποβρύχιο και γύρω από αυτό. Εάν τώρα το μαγνητικό πεδίο στην περιοχή έχει χαρτογραφηθεί από τον αέρα και τα δεδομένα έχουν εισέλθει στους υπολογιστές του ανιχνευτή, τότε η παρουσία του υποβρυχίου θα εμφανιστεί ως ένας παλμός στην οθόνη επάνω από ένα σταθερό υπόβαθρο και με ηχητική ειδοποίηση στο πλήρωμα του αεροσκάφους. Η ένταση του παλμού και το σχήμα του εξαρτώνται από αρκετούς παραμέτρους, όπως το μέγεθος του υποβρυχίου, το υλικό κατασκευής, την γωνία του άξονα του εν συγκρίσει με αυτές του μαγνητικού πεδίου (μαγνητικού Βορρά-Νότου), το βάθος του και το ύψος του αεροσκάφους ή ελικοπτέρου από την επιφάνεια της θαλάσσης, την ποιότητα χαρτογράφησης και των αισθητήρων και την παρουσία ναυαγίων ή μεταλλικών υλικών που έχουν μετακινηθεί από την τελευταία χαρτογράφηση. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου μειώνεται με την απόσταση στον κύβο, άρα η σχετική απόστασης κυνηγού και θηράματος είναι κρίσιμη.

Γενικά, η απόσταση μεταξύ υποβρυχίου και MAD πρέπει να είναι μικρότερη από περίπου 500 μέτρα. Το αμερικανικό Ναυτικό πάντως εγκαταλείπει την χρήση αεροσκαφών για μαγνητική ανίχνευση υποβρυχίων αλλά κρατάει την δυνατότητα σε ελικόπτερα με συρόμενο MAD. Ανίχνευση υποβρυχίου με μαγνητικά μέσα από μόνη της είναι πολύ δύσκολη, ακόμη και σε σχετικά μικρά με μεσαία βάθη είναι απαραίτητη η συνεργασία παθητικών ανιχνευτών ήχου ή σόναρ ώστε να μειώθει η περιοχή που το αεροσκάφος θα επικεντρώσει την έρευνα του.

Εικόνα 9: Σχηματική αναπαράσταση της επίδρασης του υποβρυχίου στο μαγνητικό πεδίο της Γης

Νέες μέθοδοι ανίχνευσης υποβρυχίων

α) Ηλεκτρομαγνητικές Εφαρμογές. Όταν το υποβρύχιο κινείται, δημιουργούνται ηλεκτρικά ρεύματα όπου η ροή του νερού είναι σε επαφή με το μεταλλικό σκάφος ή την προπέλα του. Όσο μεγαλύτερη η ταχύτητα της ροής, τόσο ισχυρότερα το ηλεκτρικά ρεύματα. Ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο, όπως αναφέρθηκε ήδη. Δυο μηχανισμοί δημιουργούν τέτοια ρεύματα: Πρώτος μηχανισμός είναι η επίδραση του μαγνητικού πεδίου της Γης στους ηλεκτρολύτες του θαλασσινού νερού, που κινούνται με το υποβρύχιο λόγω τριβής, και έτσι δημιουργούνται ηλεκτρισμένα σωματίδια στο νερό που συνιστούν ηλεκτρικό ρεύμα. Είναι δηλαδή ηλεκτρομαγνητική επαγωγή λόγω κίνησης.

Δεύτερος μηχανισμός είναι από την ηλεκτροχημική οξείδωση. Επιπλέον, η προπέλα του υποβρυχίου περιστρέφεται και το μέταλλο της είναι σε άμεση επαφή με το θαλασσινό νερό. Δημιουργείται, λοιπόν ένα ηλεκτρομαγνητικό (ΗΜ) πεδίο, ως “ΗΜ απόνερα”, όπως φαίνεται στην Εικόνα 10, τα οποία πιθανώς να ανιχνεύονται από τους κατάλληλους αισθητήρες.

Εικόνα 10: Ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ως “απόνερα” από την αλληλοεπίδραση της προπέλας με το θαλασσινό νερό.

Κινέζικα ερευνητικά κέντρα είναι ιδιαιτέρως δραστήρια σε μη κλασικές ανθυποβρυχιακές τεχνικές και έχουν ήδη κάνει πειράματα με αυτήν την τεχνική με πλοία επιφάνειας. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δεν ταξειδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις στο νερό αλλά καλύπτουν μεγάλες αποστάσεις διαμέσου του βυθού και οι κινέζοι ερευνητές πειραματίζονται για τέτοιες μεθόδους ανίχνευσης αμερικανικών πυρηνικών υποβρυχίων. Πόσο επιτυχείς θα είναι τέτοιες μέθοδοι στα αχανή πλάτη και βάθη του Ειρηνικού, θα το δούμε στο μέλλον.

β) Ανίχνευση με Λέιζερ. Λέιζερ με μήκη κύματος στο οπτικό φάσμα μεταξύ Μπλε και Πράσινου (400 με 550 νμ) εισχωρούν βαθύτερα στο θαλασσινό νερό…

Η συνέχεια στο Naval Defence