บทนำ
เรือดำน้ำเป็นเทคโนโลยีที่แสนมหัศจรรย์ล้ำลึกลงไปถึงใต้ก้นมหาสมุทร
แต่ก่อนการรบกันของมนุษย์จำกัดอยู่แต่เพียงบนบก
แต่เมื่อมีเรือดำน้ำ โลกของการรบใต้น้ำก็ถือกำเนิดขึ้น
ไม่เพียงแต่ใช้ในการสงครามเท่านั้น แม้แต่การกบดานอยู่ใต้น้ำ
เป็นเดือนและปี โดยไม่โผล่ขึ้นมาเหนือน้ำเลยก็เป็นไปได้
เรือดำน้ำกำลังพุ่งขึ้นเหนือน้ำอย่างรวดเร็ว
ฟิสิกส์ราชมงคล
จะอธิบายหลักการทำงานของเรือดำน้ำ การเคลื่อนที่
และการดำรงชีวิตอยู่ภายใน
พร้อมกับการบอกเล่าเรื่องราวการใช้พลังงานของเรือดำน้ำ
และการช่วยเหลือผู้ปฏิบัติงานภายในเมื่อเรือดำน้ำเกิดอุบัติเหตุที่ไม่คาดฝันจมดิ่งลงสู่ท้องทะเล
ในหน้าถัดไป
แรงลอยตัว
เรือดำน้ำลอยและจมได้ ก็เพราะแรงลอยตัว
ซึ่งเกิดจากน้ำ มีค่าเท่ากับน้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่
ตามกฎแรงลอยตัวของท่านอาร์คีมีดีส
แรงยกนี้มี่ทิศตรงกันข้ามกับแรงโน้มถ่วง ซึ่งพยายามดึงเรือให้จมลง
เรือดำน้ำสามารถควบคุมขนาดของแรงลอยตัวได้
โดยจะให้ลอยอยู่ในระดับใต้น้ำลึกเท่าไรก็ได้
เรือดำน้ำใช้ถัง
บัลลาสต์ ( ballast) ควบคุมการลอยตัว ถ้าต้องการจม
ให้บรรจุน้ำจนเต็ม หรือไล่น้ำหรือดูดน้ำออก ถ้าต้องการจะลอย
(ดูภาพเคลื่อนไหวด้านล่าง) ยกตัวอย่างเช่น
ถ้าเราต้องการให้เรือดำน้ำลอยอยู่บนผิวน้ำ
จะต้องไล่น้ำออกจากถัง บัลลาสต์ และอัดอากาศเข้าไปแทนที่
ทำให้ความหนาแน่นทั้งหมดของเรือดำน้ำ มีค่าน้อยกว่าน้ำ
(แรงลอยตัวเป็นบวก) มันจึงลอยน้ำ
แต่ถ้าต้องการให้เรือดำน้ำจม
เราจะอัดน้ำเข้าไปในถังบัลลาสต์ และ
ระบายอากาศออกจนความหนาแน่นของเรือดำน้ำมากกว่าน้ำ
(แรงลอยตัวเป็นลบ) มันจะจม
อากาศที่ใช้ในการอัดได้มาจากถังบรรจุที่อัดด้วยความดันสูงเก็บไว้อยู่ภายในเรือ
ซึ่งอากาศนี้ใช้สำหรับการหายใจด้วย
เรือดำน้ำมีปีกทำหน้าที่เหมือนปีกเครื่องบิน เรียกว่า
ไฮโดรเพลน ( hydroplanes )
มีไว้สำหรับการเคลื่อนที่ เช่นปักหัวลงทำมุม 45
องศาหรือเบนหัวเรือขึ้นเป็นต้น
แรงลอยตัวบนเรือดำน้ำ
คลิกที่ปุ่ม
Surface และ Submerge
เพื่อดูการลอยตัว และการดำลง ของเรือดำน้ำ
เพื่อให้เรือดำน้ำลอยอยู่ในระดับความลึกที่ต้องการ
ผู้ควบคุมจะต้องรักษาปริมาตรของอากาศและน้ำในถัง บัลลาสต์
จนกระทั่งความหนาแน่นของเรือเท่ากับความหนาแน่นของน้ำ
(แรงยกเท่ากับแรงลอยตัว)
ขณะที่ขับเคลื่อนเรือไปข้างหน้า
ปีกไฮโดรเพลนมีหน้าที่รักษาระดับของเรือดำน้ำให้การเคลื่อนที่ยังอยู่ในแนวระดับเสมอ
หรือถ้าเราปรับปีกของไฮโดรเพลนให้ทำมุมกับแนวระดับ
จะทำให้เรือเฉิดหัวขึ้น หรือดิ่งลงได้
เรือดำน้ำสามารถเลี้ยวไปมาโดยอาศัยหางเสือที่อยู่ทางด้านหลัง
เรือดำน้ำบางรุ่นมีมอเตอร์สามารถหมุนได้รอบ 360 องศา
ไว้สำหรับช่วยแรงขับของเครื่องยนตร์
ถ้าต้องการให้เรือดำน้ำพุ่งขึ้นที่ผิวน้ำ
เราจะอัดอากาศจากถังเก็บเข้าไปในถัง บัลลาสต์
จนกระทั่งความหนาแน่นของเรือน้อยกว่าน้ำ (แรงลอยตัวเป็นบวก)
ขณะที่เรือเคลื่อนที่
ให้เราปรับปีกไฮโดรเพลนทำมุมกับระดับจนเกิดแรงซึ่งมีลักษณะเหมือนกับแรงยกตัวของปีกเครื่องบิน
กดท้ายลง และหัวพุ่งขึ้น ทำให้มันพุ่งขึ้นเหนือน้ำ
ในกรณีฉุกเฉิน
เราสามารถบรรจุอากาศเข้าไปในถังบัลลาสต์อย่างรวดเร็ว
ทำให้เรือพุ่งขึ้นอย่างทันทีทันใดได้
การดำรงชีวิต
ภายในเรือดำน้ำต้องมีสิ่งสำคัญที่มนุษย์ใช้ในการดำรงชีวิตอยู่
3 สิ่งคือ
- อากาศ
- น้ำบริสุทธ์
- อุณหภูมิ
อากาศ
อากาศที่เราใช้ในการหายใจ
ประกอบด้วยก๊าซสำคัญ 4 ชนิดคือ
- ไนโตรเจน ( 78 % )
- ออกซิเจน ( 21% )
- อาร์กอน ( 0.94 % )
- คาร์บอนไดออกไซด์ ( 0.04 %)
เมื่อเราหายใจอากาศเข้าไป
ร่างกายของเราจะดูดกลืนออกซิเจน
และเปลี่ยนเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ทำให้ขณะที่หายใจออก
มีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา 4.5 % เทียบกับก๊าซทั้งหมด
ส่วนก๊าซไนโตรเจน กับอาร์กอน ร่างกายไม่ได้ใช้
จึงหายใจออกมาทั้งหมด
อันที่จริงเรือดำน้ำก็คือถังก๊าซขนาดใหญ่
โดยบรรจุคนอยู่ภายในเท่านั้น มีหลัก
3
ประการที่จะรักษาอากาศภายในเรือดำน้ำสำหรับหายใจไว้ดังนี้
- ถ้าจำนวนเปอร์เซนต์ออกซิเจนลดลง ต้องคอยเติมก๊าซออกซิเจนอยู่เสมอ ไม่เช่นนั้นคนที่ปฏิบัติงานภายในจะหายใจไม่ออก
- ขณะที่ปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้น ต้องคอยดูดซับก๊าซนี้ออก
- ความชื้นจากการหายใจ ต้องถูกดูดซับออกเช่นเดียวกัน
ก๊าซออกซิเจนได้มาจากถังเก็บภายในเรือ หรือ เครื่องทำก๊าซออกซิเจน
ที่เรียกว่า ออกซิเจน เจนเนอเรเตอร์
(เป็นกระบวนการอิเล็กโตรลีซิสของน้ำ
โดยการแยกน้ำออกเป็นก๊าซไฮโดรเจนกับออกซิเจน )
การควบคุมปริมาณออกซิเจนภายในเรือ
ใช้คอมพิวเตอร์ตรวจวัดจำนวนเปอร์เซนต์ของออกซิเจนในอากาศ
เมื่อขาดไป ก็ปล่อยออกมาเป็นช่วงๆ
คาร์บอนไดออกไซด์จะถูกดูดซับออกจากอากาศโดยใช้ สารโซดาไลม์
(Soda lime ) เรียกชื่อทางเคมีว่า
โซเดียมไฮดรอกไซด์
ส่วนความชื้นถูกดูดซับออกด้วยเครื่องดูดความชื้น
หรือโดยปฏิกิริยาทางเคมี ส่วนก๊าซอื่นๆ เช่น
คาร์บอนมอนอกไซด์
สามารถดึงออกได้โดยการเผาไหม้
และใช้แผ่นกรองดูดพวกอนุภาคฝุ่น สิ่งสกปรกออกจากอากาศ
น้ำบริสุทธ์
เรือดำน้ำขนาดใหญ่
มีเครื่องกลั่นน้ำที่สามารถทำน้ำจืดจากน้ำทะเลได้
กระบวนการกลั่นเริ่มต้นจากการที่ต้มน้ำให้กลายเป็นไอ
แต่เกลือไม่ได้ระเหยตามน้ำไปด้วย เมื่อไอน้ำเย็นตัว
จะกลั่นเป็นน้ำจืด เรือดำน้ำทั่วไปสามารถกลั่นน้ำจืดได้
38,000 -150,000 ลิตรต่อวัน อย่านึกว่ามาก
เพราะน้ำพวกไม่ได้เพียงแต่ใช้ดื่มอย่างเดียว
ยังนำไปใช้หล่อเย็นอุปกรณ์ทางไฟฟ้า และคอมพิวเตอร์ อีกด้วย
อุณหภูมิ
อุณหภูมิของน้ำทะเลโดยรอบประมาณ 39
องศาฟาเรนไฮต์ ( 4 องศาเซลเซียส)
เพราะโลหะที่ใช้ในการทำตัวเรือเป็นตัวนำความร้อนที่ดี
จึงทำให้อุณหภูมิภายในเรือลดลงอย่างรวดเร็ว
จึงต้องมีตัวทำความร้อนที่เพิ่มอุณหภูมิภายในเรือให้อยู่ในระดับที่ต้องการได้
พลังงานได้มาจากนิวเคลียร์ เครื่องยนต์ดีเซล
หรือแบตเตอรี่ (ในกรณีฉุกเฉิน)
พลังงาน
เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ มีเตาปฏิกรณ์
เครื่องจักรแก๊สเทอร์ไบน์ เพื่อใช้ในการขับเคลื่อนใบพัด
ทำให้เรือเคลื่อนที่ได้
(ในกรณีฉุกเฉินอาจต้องใช้มอเตอร์ในการขับเคลื่อนแทน)
เรือดำน้ำที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซล มักมีเครื่องยนต์ตั้งแต่
2 เครื่องขึ้นไป
โดยอาจจะทำงานแยกกัน โดยเครื่องแรกไปหมุนใบพัด
และอีกเครื่องหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
แต่เครื่องยนต์ดีเซลต้องเติมน้ำมัน จึงไม่สามารถอยู่ใต้น้ำนานได้
ส่วนเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์มีข้อได้เปรียบมากมาย
เตาปฏิกรณ์ไม่ต้องอาศํยออกซิเจน ดังนั้น
เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์จึงอยู่ใต้น้ำได้นานกว่า
เรือดำน้ำดีเซล สามารถอยู่ได้เป็นปี
โดยไม่ต้องขึ้นมาเหนือน้ำเลยก็ได้
เรือดำน้ำ และ เรือบรรทุกเครื่องบินพลังงานนิวเคลียร์
ใช้หลักการเดียวกัน คือมีเตาปฏิกรณ์ ให้ความร้อนกับน้ำ
เปลี่ยนให้เป็นไอน้ำและหมุนกังหันไอน้ำ ทำให้ใบพัดหมุน
เป็นระบบเดียวกันกับที่ใช้ในโรงงานไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ เพียงแต่ว่า
- ขนาดของเตาเล็กและเบากว่า
- เชื้อเพลิงมีความเข้มข้นกว่า เพราะต้องนำไปใช้กับเตาขนาดเล็ก
ระบบนำร่อง
ใต้ท้องทะเลไม่ได้มีแสงไฟ
เหมือนกับถนนนะครับ ดังนั้นผู้บังการที่ควบคุมเรือดำน้ำ
เปรียบเสมือนกับคนตาบอด เมื่ออยู่ในท้องทะเล อย่างไรก็ตาม
ผู้บังคับการต้องคอยตรวจสอบ ระบบ จีพีเอส (
global positioning system )
ที่สามารถคำนวณหาตำแหน่ง ละติจูด และลองติจูด
ได้อย่างแม่นยำ แต่ว่าระบบนี้จะทำงานควบคู่กับระบบนำร่อง
โดยแยกออกเป็น 2 ประเภทคือ
ทางกล และไฟฟ้า ระบบนำร่องจะถูกปรับแต่งทุกๆ
150 ชั่วโมง ด้วย เรดาห์ และดาวเทียม
ระบบโซนาร์ในเรือดำน้ำ
การบอกตำแหน่งและระยะทางของเป้า โดยใช้ระบบโซนาร์ ปล่อยสัญญาณเสียงให้เคลื่อนที่ไปในน้ำ
วิ่งเข้าหาเป้า และสะท้อนกลับจากเป้ามาที่เรือ
เมื่อเราทราบความเร็วเสียงน้ำและเวลาทีเสียงใช้ในการเดินทาง
เราสามารถคำนวณหาตำแหน่งของเป้าได้
เครื่องคอมพิวเตอร์ทำหน้าที่คำนวณระยะทางของเป้าแทนคน ได้อย่างรวดเร็ว
สัตว์หลายชนิดใช้หลักของโซนาร์หาระยะของเหยื่อ เช่น
ปลาวาฬ ปลาโลมา และค้างคาว เป็นต้น
ระบบโซนาร์ยังใช้ในการปรับแต่งระบบนำร่อง
โดยอาศัยภูมิประเทศของมหาสมุทรโดยรอบ
เครื่องช่วยชีวิต
ถ้าเรือดำน้ำจมลง
เช่น ชนเข้ากับตอปิโด ระเบิดใต้น้ำ
หรือแม้แต่การก่อวินาศกรรม
ลูกเรือจะทำการส่งวิทยุของความช่วยเหลือ
และปล่อยทุ่นขึ้นไปเหนือผิวน้ำบอกตำแหน่งที่เรือดำน้ำจม
ทั้งนี้ทั้งนั้นขึ้นอยู่กับเหตุการณ์เฉพาะหน้าด้วย
ถ้าเป็นเตาปฏิกรณ์ระเบิด และไม่สามารถใช้การได้
ผู้บังคับการสามารถเปลี่ยนมาใช้มอเตอร์โดยใช้พลังงานจากแบตเตอรี่อย่างเดียว
เหตุการณ์ร้ายแรงต่อไปนี้ ที่ลูกเรือมีโอกาสที่จะต้องเผชิญคือ
- น้ำท่วมเรือ
- ออกซิเจนเหลือน้อย
- ปริมาณของคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้น
- แบตเตอรี่หมด ระบบทำความร้อนเสียหาย และอุณหภูมิภายในเรือลดลง
เมื่อเกิดอุบัติเหตุขึ้นผู้บังคับการ
ต้องนำเรือขึ้นมาบนผิวน้ำให้เร็วที่สุด
แต่ถ้าไม่สามารถขึ้นได้
เครื่องมือช่วยเหลือเรียกว่า Deep - sumergence
rescue vehicle (DRSV)
เป็นวิธีหนึ่งที่สามารถช่วยชีวิตลูกเรือได้
ติดเครื่อง
DSRV เข้ากับเรือดำน้ำ
DSRV
สามารถเคลื่อนที่ไปหาเรือที่จม
และติดเข้ากับฝาของเรือดำน้ำ สร้างฉนวนอากาศขึ้นโดยอัตโนมัติ
ทำให้ฝาเปิดได้ง่าย ขนย้ายลูกเรือออกมา
หลังจากช่วยเหลือลูกเรือได้แล้ว
การยกเรือดำน้ำขึ้น แพจะถูกวางไว้รอบเรือดำน้ำ
และสูบอากาศเข้าไปในแพ ยกเรือให้ลอยขึ้น
แต่นั่นจะต้องขึ้นอยู่กับสภาพการจมด้วย
หรือลักษณะการจมของเรือดำน้ำนั้น
