Jakie pola fizyczne generuje jednostka pływająca? Jakie znaczenie ma ich poziom dla bezpieczeństwa okrętów? W jaki sposób je minimalizować? Co to jest i po co nam potrzebne są #Demag i #Magneto o tym w niniejszym artykule. Zapraszam.
Każda jednostka pływająca znajdująca się w toni morskiej generuje pola fizyczne (w prasie branżowej czasem zwane „sygnaturami”). Z punktu widzenia działań MW najważniejsze to:
– pole akustyczne (generowane przez prace mechanizmów okrętu, szum śrub oraz wody opływającej kadłub);
Rys.: „Underwater radiated noise from marine vessels” T. A. Smith, J. Rigby
– skuteczna powierzchnia odbicia (SPO) – fale elektromagnetyczne wygenerowane przez radar i odbite od kadłuba okrętu;
Rys.: „Analysis of RCS Problems in Ship” emcos.com
Rys.: www.emcos.com/?application-examples=nalysis-of-rcs-problems-in-ship
– promieniowanie podczerwone (IR) – emitowane przez każde ciało fizyczne, które ma wyższą temperaturę niż zero bezwzględne (-273,15 °C);
Fot.: wrdavis.com/ntcs.html
– pole magnetyczne – wynikające z zastosowania do budowy okrętów materiałów ferromagnetycznych (np. stal) oraz jego namagnesowania pod wpływem ziemskiego pola magnetycznego
Rys.: „Simulation of Quasi- Static Electric and Magnetic Signatures of Naval Vessels” COMSOL Day: Universität Duisburg-Essen
Rys.: „Underwater Multi-influence Measurements as a Mean to Characterize the Overall Vessel Signature and Protect the Marine Environment” A. S. García, A. H. Solano, F. J. Rodrigo Saura, P. M. Esparza
– pole elektryczne (procesy elektrochemiczne zachodzące na części podwodnej kadłuba okrętu związane z korozją elektrochemiczną oraz upływność z okrętowych systemów zasilających).
Rys.: „Corrosion related electromagnetic signatures measurements and modeling” L. Demilier, C. Durand, C. Rannou, E. Hogan, M. Krupa, A. M. Grolleau, J. Blanc A. Guibert
– pole hydrodynamiczne – generowane w ośrodku wodnym wiry (ruch wody) przez kształt kadłuba okrętu, pracę śrub / pędników.
Rys.: „Non-Linear Modeling of Detectability of Ship Wake Components in Dependency to Influencing Parameters Using Spaceborne X-Band SAR” Björn Tings
Poniżej zobrazowanie wszystkich sygnatur okrętu:
Rys.: „Inverse Modeling for Magnetic Signature Monitoring of Naval Ships” A.R.P.J. Vijn
Każda jednostka pływająca ma swoje indywidualne pola fizyczne. Są niczym „dane osobowe”, „linie papilarne” i „DNA” danego okrętu. Różnice występują nawet pomiędzy okrętami tego samego typu, wyprodukowanymi w tej samej stoczni, wg. tej samej technologii. Jeśli zna się sygnatury okrętu to można odróżnić „bliźniacze” okręty od siebie. Znajomość tych pól jest niezwykle cenna dla każdej MW na świecie i floty nawzajem zbierają o sobie te dane, a zarazem chronią informację o sygnaturach własnych okrętów.
Te pola fizyczne są wykorzystywane przez floty do:
– wykrywania jednostek pływających;
– identyfikacji okrętu;
– naprowadzania uzbrojenia;
– programowania zapalników środków rażenia.
Na rysunku przedstawiono zagrożenia dla okrętu ze względu na podział na pola fizyczne i środki rażenia, które się na nie naprowadzają.
Rys.: „The international RIMPASSE ship signature management trial” Z.A. Daya
W celu ochrony własnych okrętów powyższe sygnatury mierzy się oraz minimalizuje. Tym właśnie zajmuje się taka dziedzina działalności MW jak Obrona bierna okrętu (OBO). OBO to zespół przedsięwzięć projektowych, technologicznych (podejmowanych na etapie projektowania i budowy okrętu) oraz zabiegów (czynności realizowanych na już zbudowanych okrętach) w celu minimalizacji pól fizycznych.
Zaniedbanie powyższego zagadnienia skutkuje np. tym:
18 lutego 1991 roku, podczas operacji „Pustynna Burza” w Zatoce Perskiej krążownik typu Ticonderoga, USS „Princeton” wszedł na miny denne, niekontaktowe, co omal nie doprowadziło do „przełamania” kadłuba.
Wojna minowa jest jednym z najbardziej „skrytych” sposobów zwalczania okrętów przeciwnika. Po krótce przedstawię jak działają miny morskie. Miny dzielimy na kotwiczne i denne.
Ponadto, miny morskie dzielimy na:
– kontaktowe (okręt musi „dotknąć” tej miny aby się zdetonowała);
– niekontaktowe (detonacja następuje pod okrętem).
Wbrew pozorom to właśnie wybuch niekontaktowy stanowi większe zagrożenie niż „kontaktowy”, gdyż może spowodować „przełamanie kadłuba”. Wynika to z praw fizyki.
Wybuch podwodny w pierwszej fazie powoduje falę uderzeniową rozchodzącą się na zewnątrz od punktu detonacji. Siła fali uderzeniowej w wodzie jest o kilka rzędów wielkości większa niż w powietrzu, a zatem będzie miała znacznie silniejszy wpływ na konstrukcje kadłuba niż detonacja na powierzchni wody. W drugiej fazie tworzy rozszerzający się pęcherz powietrza (nadciśnienie), który unosi śródokręcie podczas, gdy dziób i rufa przemieszczają się w dół. Ośrodek wodny dąży równowagi, w związku z tym w trzeciej fazie pęcherz powietrza kurczy się, powodując podciśnienie. W tej fazie śródokręcie przemieszcza się w dół podczas, gdy dziób i rufa pozostają na powierzchni. Faza druga i trzecia mogą się powtarzać, aż do ustabilizowania ośrodka wodnego. Zjawisko opisane powyżej może doprowadzić do całkowitego przełamania kadłuba okrętu, a na pewno wyłączenia danej jednostki z walki. Zapalniki niekonatkowe są stosowane nie tylko w minach morskich, ale również w torpedach.
Rys.: „Ship-like target design for underwater explosion experiments” M. J. Smith, J. J. Lee
Ok, ale skąd ta mina wie kiedy ma się zdetonować? I tu kłaniają się pola fizyczne, a konkretnie dwa. Postawiona mina pracuje w trybie „uśpienia”. Kiedy mina „słyszy”, że coś się do niej zbliża (pole akustyczne) jej zapalnik przechodzi w tryb „stand by” (czuwania). Ok, ale żeby był skuteczny efekt detonacji mina musi „wiedzieć” kiedy dany okręt znajdzie się centralnie nad nią. I tu wykorzystuje się pole magnetyczne okrętu. Zapalnik miny wykrywa „skok” pola magnetycznego w stosunku do pola magnetycznego Ziemi w danym miejscu. Ten „skok” jest wywołany przez wielki stalowy obiekt jakim jest okręt.
Rys.: www.emcos.com/?application-examples=magnetic-signature-of-naval-ship-in-the-earths-magnetic-field
W związku z powyższym, zastosowanie przez przeciwnika min morskich jest wysoce prawdopodobne, a zagrożenia przez nie powodowane bardzo realne. Dlatego dążymy do minimalizacji pola magnetycznego. Robi się to na etapie projektu i budowy, ale mimo to kadłub ma dalej tendencje do „magnesowania się” (od pracy urządzeń mechanicznych, drgania i tarcia podczas pływania, dużej zmiany szerokości geograficznych przez okręt, prac stoczniowych, konserwacyjnych). Nawet okręty wykonane ze stali amagnetycznej lub laminatów, również posiadają pole magnetyczne, gdyż urządzenia zamontowane wewnątrz okrętu takie sygnatury generują.
Dlatego wszystkie okręty co jakiś czas muszą przejść pomiar pola magnetycznego. Dokonuje się go na poligonie dynamicznym. Gdy okręty przechodzą nad „czujnikami” sprawdza się, czy mieszczą się w normach.
Ponadto, każdy nowo wprowadzany do MW okręt musi przejść kompleksowy pomiar pól fizycznych.
Rys.: “Ranges and equipment for the measurement of the ship’s underwater signatures” I. Gloza, S.J. Malinowski, B. Marchalewski
Takich pomiarów dokonuje się na Poligonie Kontrolno-Pomiarowym („brzegówka”). Istnieją też w MW poligony niestacjonarne rozstawiane przez pływające stacje demagnetyzacyjne (PSD) SD-11 i SD-13 w dowolnym akwenie o niedużej głębokości i regularnym dnie. Przy okazji pomiaru pola magnetycznego, mierzy się inne pola fizyczne okrętu, które wymieniłem wcześniej.
Jeśli mierzony okręt nie mieści się w normach musi trafić na demagnetyzację, czyli minimalizowanie i „kształtowanie” pola magnetycznego. Okręt ustawia się na brzegowej stacji demagnetyzacji okrętów (BSDO) lub poligonie statycznym rozstawionym przez SD-11 lub SD-13.
Pomiaru pola magnetycznego dokonuje się ponownie, tym razem metodą statyczną (w metodzie dynamicznej okręt mierzono w trakcie jego ruchu nad czujnikami). Na BSDO znajduje się system czujników rozmieszczonych na dnie, nad którym ustawia się okręt poddawany pomiarom.
Rys.: www.dayatechmerin.com/stationary-ranging
Rys.: „Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Lübeck, New construction of the demagnetization treatment plant of the Bundeswehr in Kiel-Friedrichsort, 2016, http://www.wsa-luebeck.wsv.de/aktuelles/baumassnahmen/emb_kiel/index.html”
Dodatkowo, grupa elektryków demagnetyzacyjnych (demagowych) przesuwa ramę pomiarową z czujnikami wzdłuż kadłuba okrętu w celu dokładnego zmierzenia kształtu pola magnetycznego. Pomiar za pomocą ramy z czujnikami jest najdokładniejszą metodą. Tu chciałbym zaznaczyć, że grupa elektryków demagowych to bardzo wąską grupa specjalistów, których wiedza i umiejętności są przekazywane
z pokolenia na pokolenie. To nie są zwykli elektrycy. Nie ma w Polsce ośrodka, który szkoli w takiej specjalności. Wymagana wiedza i umiejętności wynikają w większości
z doświadczenia poprzedników a ich zdobycie nie jest łatwe. Ponadto jest to ciężka
i fizyczna praca, która jest rzadko dostrzegana i doceniana. Zaryzykuję stwierdzeniem, że elektryków demagnetyzacyjnych jest w Polsce mniej niż pilotów F-16.
Fot.: USS George Washington podczas procesu owijania kablami. U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist Joshua A. Olson
Po dokładnym pomiarze znamy „kształt pola magnetycznego”, który musimy obniżyć i ponownie ukształtować. W tym celu elektrycy demagnetyzacyjni muszą owinąć cały okręt grubymi i ciężkimi kablami.
Rys.: Opracowanie własne
Po owinięciu okrętu uzwojeniami dokonuje się impulsowania, czyli wytworzenia w uzwojeniach wysokiego natężenia prądu o przeciwnych kierunkach do oddziaływania pola. Dzięki wykorzystaniu uzwojeń kompensacyjnych możemy dopasować wartości impulsów, względem kształtu pola w każdym sektorze okrętu.
W ten sposób obniża się i kształtuje pole magnetyczne. Po zakończeniu impulsowania ponownie dokonuje się pomiarów i tak do osiągnięcia minimum, określonego dla każdej jednostki. Opisana metoda demagnetyzacji nosi nazwę bezhisterezowej (magnesowanie złożone, magnesowanie dwoma polami prostopadłymi).
Istnieją na świecie rozwiązania, które wymagają mniejszej ludzkiej pracy poprzez nałożenie stałych uzwojeń w „dokach” na specjalnie przygotowanych konstrukcjach.
Rys.: www.dayatechmerin.com/deperming
Rys.: „Deperming Systems & Magnetic Measurement Range”, STL Systems AG
Fot.: www.navy.mil/view_image.asp?id=38119 , Master Chief Mass Communication Specialist Jerry McLain
Okręt podlegający demagnetyzacji, który znajduje się w środku „doku” jest poddawany działaniu pola magnetycznego o olbrzymim natężeniu. Powyższa metoda jest nazywana wygłuszającą. Choć z pozoru wydaje się lepsza niż metoda bezhisterezowa (magnesowania złożonego) to wady przeważają:
– wymaga wytworzenia wielokrotnie większego natężenia prądu;
– nie daje możliwości dokładnej korekty „kształtu” pola magnetycznego;
– jest zdecydowanie mniej trwała niż metoda bezpośredniego nałożenia kabli na kadłub okrętu podlegającemu demagnetyzacji;
– kształt i wymiary „doku” pasują tylko do jednostek pływających o określonych wymiarach.
W związku z powyższym, do dziś nawet nowoczesne floty stosują „tradycyjną” metodę demagnetyzacji, czego przykładem może być amerykański Lambert’s Point Deperming Station.
Fot.: „U.S. Naval Deperming Station, Elizabeth River, Lambert’s Point Norfolk, Va.” Emmet Molloy, www.flickr.com/photos/148689064@N07/49792718626
Z zagrożenia ze strony min niekontaktowych zdawano sobie sprawę już w czasach II WŚ.
Dlaczego ten wątek poruszyłem? PK-P (poligon brzegowy) wymaga przeniesienia i modernizacji w ramach programu Demag. Natomiast pomocnicze jednostki pływające SD-11 i SD-13 przekroczyły już 50 lat i czas ich służby dobiega końca. Jeśli nie będzie w najbliższym czasie #Magneto to załogi „eSDeków” pójdą
w rozsypkę, a specjaliści na emeryturę. Utracimy tak unikatową wiedzę, którą nawet państwa NATO niechętnie się dzielą.
Czy #Demag i #Magneto są nam potrzebne? Oczywiście, że tak. #Magneto to niewielki koszt w stosunku do okrętów bojowych i może powstać w oparciu o wyłącznie polską myśl technologiczną i zostać zbudowanym w całości w polskim przemyśle.
Poniżej przedstawiłem najbardziej korzystny kształt kadłuba dla programu Magneto.
Dociekliwy czytelnik może zwrócić uwagę, że niewiele państw posiada w składzie swoich flot jednostki takie jak #Magneto, a bazują jedynie na poligonach stacjonarnych. To prawda. Jednak, niewielu spośród naszych sojuszników znajduje się tak blisko nieprzewidywalnego sąsiada jak Rosja. Magneto jako jednostka pływająca ma tę zaletę, że jest mobilna. W przypadku zagrożenia poligonu stacjonarnego Magneto byłby w stanie rozstawić taki poligon w bezpiecznym miejscu. Ponadto, należy zwrócić uwagę, że stacjonarny poligon po okresie sztormowy może być czasowo wyłączony z użytkowania. Dlatego Demag nie może być zamiast Magneto tak samo, jak Magneto nie może być zamiast Demag.
Należy zwrócić uwagę, że Magneto będzie dokonywał nie tylko pomiaru sygnatur magnetycznych, ale również innych pól fizycznych istotnych z punktu działalności MW, takich jak:
-akustyczne;
-skuteczna powierzchnia odbicia (SPO);
-podczerwone.
Powyższe informację pozwolą inżynierom dokonywać korekt na etapie budowy
i remontów okrętów w celu minimalizacji powyższych sygnatur.
Jak słusznie zwrócił uwagę Pan Komandor Tomasz Witkiewicz, w obliczu obecnych zagrożeń na Bałtyku jednostki pomocnicze MW nie mogą być skupione wyłącznie na swoich głównych zadaniach. Jeśli Magneto będzie wyposażony zgodnie z koncepcją opracowaną przez przyszłych użytkowników oraz zostanie zastosowana modułowa zabudowa, to wykorzystując okrętowy żuraw załadunkowy (o udźwigu nie mniejszym niż 15 ton), można by dowolnie przekształcić rufę roboczą. Bębny kablowe oraz urządzenia demagnetyzacyjne, czy pomiarowe mogłyby zostać zastąpione dowolną zabudową, by oprócz pomiaru pól fizycznych i demagnetyzacji okręt mógł:
– zabezpieczać prace podwodne prowadzone przez nurków, poprzez wykorzystanie kontenerowych komór hiperbarycznych;
– pełnić rolę transportowca dostarczając sprzęt wojskowy, uzbrojenie, jak również uzupełniać zapasy na morzu innym okrętom;
– uczestniczyć w akcjach ratowniczych (w tym gaszenia pożarów);
– patrolować morską infrastrukturę krytyczną, w tym sprawdzać przestrzeń podwodną i dno morskie.
W szczególności przy zachowaniu modułowości/konteneryzacji wyposażenia specjalistycznego (tzw. modułów misyjnych)
Wobec powyższego, odpowiednio wyposażone Magneto mogłoby wesprzeć Orki, MinOrki, Mieczniki, Ratownika i Kormorany w ochronie infrastruktury krytycznej. Za stosunkowo niewielki koszt zyskujemy uniwersalną platformę – kolejny „multitool” obok Ratownika.
Sygnatury okrętów są ściśle strzeżoną tajemnicą flot. Jest mało prawdopodobne, aby okręt z innego państwa NATO przeszedł przez nasz poligon. Wyjątkiem od reguły była jednorazowa współpraca z Łotwą
Floty, które nie posiadają powyższych zdolności są zmuszone korzystać z usług innego państwa.
Oczywiście, możemy zrobić pomiar pól fizycznych i demagnetyzację za granicą. Zapłacimy. Tylko zadajmy sobie pytanie, czy chcemy aby „dane osobowe” i „linie papilarne” naszych Mieczników, Orek, Ratowników, Kormoranów były znane za granicą? Jeśli inni sojusznicy tak nie robią, dlaczego my tak mamy robić? Realizując projekt #Demag i #Magneto to my będziemy świadczyć takie usługi innym państwom.