Technik und Waffen > Schiffskörper

Implosion eines U-Boots

<< < (3/3)

Schorsch:
Hallo zusammen,

es ist schon etwas her, seit der letzte Beitrag in diesem Thread geschrieben wurde. Leider hatte ich bis dato noch nicht die Muße, den schon vor längerem formulierten Rohentwurf meiner Antwort einzustellen. Inzwischen konnte ich aber etwas Zeit abzwacken und hier ist nun das Ergebnis:


--- Zitat von: DEAT am 10 Januar 2019, 17:53:44 ---Hallo Schorsch, dann wollen wir mal :)
(…)
Ein sehr guter Vergleich. Ich muss gestehen, dass ich mich nochmal ins Thema Dieselmotor/adiabatische Kompression kurz einlesen musste. Wenn ich das richtig verstehe, dann findet bei der Implosion eines U-Bootes kein Wärmeaustausch (Δ Q = 0) mit der Umgebung statt, also Δ U (innere Energie) = Δ W (Arbeit oder in dem Fall der Wasserdruck, der ins Boot eindringt?). Tatsächlich herrschte bei der Implosion der USS Scorpion ein Wasserdruck von 46.3 bar, was in etwa dem Verdichtungsdruck in einem Zylinder entsprechen dürfte.
(…)
--- Ende Zitat ---
Freut mich, dass ich den Sachverhalt eingängig erklären konnte.


--- Zitat von: DEAT am 10 Januar 2019, 17:53:44 ---
--- Zitat ---Die Analogien gehen aber noch weiter. Befinden sich nun im Inneren des U-Bootes brennbare Materialien, wird die Wärme, die nun eventuell noch zusätzlich frei wird, die Luft weiter erhitzen und u.U. einen Druck erzeugen, der den Außendruck übersteigt und den Druckkörper nach der Implosion letztlich zerreißt. Das entspräche dem Arbeitshub im Diesel-/Otto-Motor, bei dem Temperaturen bis 2000°C erreicht werden. Was bei solchen Vorgängen mit der Besatzung an Bord passiert… Der einzige, wenn auch schwache, Trost dürfte sein, dass es schnell geht, wenn der Druckkörper "endlich" nachgibt.
--- Ende Zitat ---
(…)
Gruselige Vorstellung, auch wenn die Besatzung davon nichts mitbekommt. Nochmal eine absolute Laienfrage, wenn die Implosion der USS Scorpion nur 37 Millisekunden dauerte, können sich in diesem Bruchteil einer Sekunde überhaupt Materialen entzünden?
(…)
--- Ende Zitat ---
Wie viel Zeit ist beim Dieselmotor für die jeweilige Zündung gegeben? Gleichwohl muss das brennbare Material in entzündungsfähiger Form (z.B. fein zerstäubt) vorliegen, denn es ist für eine Verbrennung im Druckkörper zwar notwendig, aber dennoch nicht hinreichend. Nun wurde der Rumpf der USS SCORPION aber nicht auseinandergerissen, sondern ist „nur“ implodiert. Insoweit scheint in diesem Falle nicht genügend Material in geeigneter, d.h. genügend fein verteilter Form für eine sich der Implosion anschließende Explosion umgesetzt worden zu sein. Allerdings wurde genau dieses Phänomen von Dir aber auch in Bezug auf die USS THRESHER angesprochen, und so versuchte ich eben dieses Fallbeispiel auch meine Antwort mit einzuschließen.


--- Zitat von: DEAT am 10 Januar 2019, 17:53:44 ---(…)
Was mich physikalisch interessieren würde, ist wie der Maschinenraum in den AMS und Reaktorbereich geschoben werden konnte. Immerhin von Rahmennummer  90 zu Rahmennummer 67 über eine Distanz von 17,67m. Kann man davon ausgehen, dass der Wasserdruck über das Heck seinen Weg in das U-Boot fand und die Implosion an der Rahmennummer 90 sozusagen ihren Anfang nahm?
(…)
--- Ende Zitat ---
Der Wasserdruck wirkt allseitig und wo die schwächste Stelle des Rumpfes ist, wird der Druckkörper als erstes nachgeben. Insbesondere die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Rumpfbereichen (z.B. von einem zylindrischen Teil auf einen konischen Bereich) sind immer mit Spannungsspitzen im Material verbunden, stellen deshalb konstruktive Schwachstellen dar und können als „Sollbruchstelle“ aufgefasst werden, auf die man im Falle der Untersuchung einer Implosion ein besonderes Augenmerk richten sollte. (Vgl. dazu auch Gabler: „Unterseebootbau“, 1987, S. 39ff.!))
Ergänzend: Vielleicht ist es angebrachter, das Wort frame statt mit Rahmen besser als Spant zu übersetzen.


--- Zitat von: DEAT am 10 Januar 2019, 17:53:44 ---
--- Zitat ---Der Bugraum der USS SCORPION war sehr wahrscheinlich durch eine innere Explosion, die die dort befindlichen Luken in relativ geringer Wassertiefe aufgerissen hatte, schon geflutet, als das Boot 600 m Tiefe erreichte, und der Druckkörper begann zu versagen. Deshalb gab es dort auch keine Implosion wie beim Heck, das teleskopartig in den Hilfsmaschinenraum geschoben worden ist.
--- Ende Zitat ---

In einem der vorherigen Beiträge habe ich eine Quelle zitiert, die nach der Implosion der USS Scorpion auf 17 weitere (kleinere) Explosionen in größere Tiefe verweist. Als Erklärung werden dafür u.a. die Implosionen der sechs Torpedorohre genannt These events were produced by more pressure resistant structures that survived with the wreckage to collapse at greater depth.  Six of the events were produced by the collapse of the SCORPION  torpedo tubes near the following depths: 3370, 3750, 3950. 4510, and 4570 feet. Ist diese Annahme physikalisch nachzuvollziehen, bzw würden die Torpedoluken tatsächlich dem Wasserdruck standhalten bis zur Implosion in einer Tiefe von 1.000 bis 1.300 m? Auch frage ich mich, von welchen more pressure resistant structures hier die Rede ist.
(…)
--- Ende Zitat ---
Auch dazu ein Verweis auf Gabler: „Unterseebootsbau“, diesmal auf einen Satz, der auf S. 90 zu finden ist:

--- Zitat ---„Sämtliche Verschlüsse werden stärker bemessen als der Druckkörper.“
--- Ende Zitat ---
Nun bezieht sich diese Aussage zwar nicht explizit auf die Dimensionierung von Torpedorohren und dass die Konstrukteure der USS SCORPION genau dieses Buch vor Augen hatten, ist schon wegen des Erscheinungsdatums des Buches, die Erstauflage stammt aus dem Jahre 1964, ebenfalls nicht gegeben. Ich werte diese Zeile aber dennoch als Zusammenfassung eines grundlegenden Konstruktionsprinzips, das es allgemein zu beachten gilt. Es gab da z.B. unangenehme Situationen bei den Tieftauchversuchen deutscher U-Boote vom Typ XXI, als die Oberdecksbehälter für die Rettungsinseln in 220 m Tiefe implodierten. Ähnliches wird auch für Boote des Typs IX berichtet, bei denen beim Ausweichen in größere Tiefen verschiedentlich die Oberdecksbehälter für Torpedos dem Wasserdruck schlagartig nachgaben. Zum einen ist die statische Belastung des Druckkörpers durch den herrschenden äußeren Wasserdruck ohnehin schon enorm, so dass zusätzliche, dynamisch erzeugte Druckspitzen durch die zusammenbrechenden Behälter auch den Druckkörper selbst gefährden könnten. Viel schlimmer ist aber der plötzliche Auftriebsverlust für das gesamte Boot, das dadurch aus dem vom LI sorgsam eingestellten Trimm gerät und somit Gefahr läuft, in Tiefen durchzurauschen, für die der Druckkörper erst recht nicht konzipiert ist, so es denn nicht gelingt z.B. durch Lenzen der Regelzellen, diesen Auftriebsverlust rechtzeitig zu kompensieren. Ergo legt man diese Strukturen stärker aus als den eigentlichen Druckkörper, der dann logischerweise das schwächste Glied in der Kette ist und als erstes versagen würde. Auch ist es wesentlich weniger materialintensiv, nur einige Kleinteile besonders druckfest auszulegen als den Großteil des restlichen Bootes.


--- Zitat von: DEAT am 10 Januar 2019, 17:53:44 ---(…)
Die Flutung oder Teilflutung eines U-Bootes ist im Zusammenhang mit der Implosion des Druckkörpers ein sehr interessanter Umstand. Im Jahr 1970 wurde U-3 (Klasse 201) im Druckdock C der Bundesmarine bis zur Zerstörung getestet. Da man befürchtete, dass die Implosion das Druckdock beschädigen könnte, füllte man U-3 zu einem Großteil mit Wasser und ließ nur einen bestimmten Anteil an Luft im U-Boot.
(…)
--- Ende Zitat ---
Wie man das halt so macht, wenn meinethalben auch Dampfkessel zur Probe abgedrückt werden. Eventuelle Lecks in Schweißnähten lassen sich auch über austretendes Wasser gut detektieren. Und sollte es dazu kommen, dass der Kessel als Gesamtheit versagt, ist es schon ein gravierender Unterschied, ob sich nun 100 oder lediglich 0,01 cbm hochgespannter Luft den Platz verschaffen, den sie bei geringerem Druck einnehmen würden…


--- Zitat von: DEAT am 10 Januar 2019, 17:53:44 ---(…)
Das Resultat:



Könnte man durch diesem Versuch in Kiel annehmen, dass die freigesetzte Energie, während einer Implosion, durch ins U-Boot bereits eingedrungenes Wasser, abgeschwächt wird? Wäre das eine mögliche Erklärung für den Zustand der USS Grunion und der INS Dakar? Der relativ intakte Rumpf der INS Dakar lässt darauf schließen, dass das U-Boot zu einem Großteil geflutet war. Ähnlich wie bei U-3 finden sich die Zerstörungen nur in einem bestimmten (oberen) Bereich.
(…)
--- Ende Zitat ---
Meiner Ansicht nach: ja!

Soweit meine Anmerkungen und Ergänzungen zum Beitrag von DEAT.

Im Folgenden noch einige Hinweise zu dem, was Elektroheizer geschrieben hatte.


--- Zitat von: Elektroheizer am 10 Januar 2019, 23:28:01 ---
--- Zitat von: DEAT am 10 Januar 2019, 17:53:44 ---Ein sehr guter Vergleich. Ich muss gestehen, dass ich mich nochmal ins Thema Dieselmotor/adiabatische Kompression kurz einlesen musste. Wenn ich das richtig verstehe, dann findet bei der Implosion eines U-Bootes kein Wärmeaustausch (Δ Q = 0) mit der Umgebung statt, also Δ u (innere Energie) = Δ W (Arbeit oder in dem Fall der Wasserdruck, der ins Boot eindringt?).
--- Ende Zitat ---
Ja... theoretisch und wenn das hinreichend schnell geschieht.
(…)
--- Ende Zitat ---
Ist eine Zeit von z.B. 37 ms im Falle der USS SCORPION kurz genug?


--- Zitat von: Elektroheizer am 10 Januar 2019, 23:28:01 ---(…)
Chemiker messen solche thermodynamischen Größen mit einem Kalorimeter, das ist im Prinzip eine Thermoskanne mit Thermometer. Nun ist eine Stahlröhre im Wasser alles andere als eine ideale Thermoskanne.
(…)
--- Ende Zitat ---
Seltsam, auch im Falle rotglühend geschossener Läufe von Feuerwaffen, geht jedes Lehrbuch, das sich mit der inneren Ballistik von Feuerwaffen beschäftigt, im einfachsten Falle davon aus, dass ein abgeschossenes Projektil durch eine adiabatische Zustandsänderung der Pulvergase aus dem Lauf getrieben wurde. Sollte eine solche Idealisierung dann doch nicht exakt genug greifen, korrigiert man lediglich den entsprechenden Adiabatenkoeffizienten um 10 bis 20% nach unten und nennt das Ganze nun polytropische Zustandsänderung. An der allgemeinen Betrachtungsweise ändert sich aber nichts.


--- Zitat von: Elektroheizer am 10 Januar 2019, 23:28:01 ---(…)
Für eine reale Betrachtungsweise reicht es aber, wenn die Wärmeabgaberate deutlich kleiner ist als die Geschwindigkeit der Reaktion bzw. hier der Kompression, dann halten sich die Abweichungen in Grenzen. Je länger das dauert, desto langsamer der Temperaturanstieg mit wachsendem Temperaturausgleich mit der Umgebung.
(…)
--- Ende Zitat ---
Kennst Du einen Fall einer Implosion (nach Angabe des Dudens = schlagartige Zertrümmerung eines Hohlkörpers durch äußeren Überdruck; vgl. dazu auch --/>/> hier!) eines Druckkörpers eines U-Bootes, die langsam stattgefunden hat?


--- Zitat von: Elektroheizer am 10 Januar 2019, 23:28:01 ---(…)
Für ein havariertes U-Boot bedeutet dies, der Rumpf muss so schnell und großflächig aufplatzen, dass der Wassereinbruch schnell genug eintreten kann.
(…)
--- Ende Zitat ---
Nein, es muss nicht „schnell und großflächig aufplatzen“. (Weiteres siehe unten!)


--- Zitat von: Elektroheizer am 10 Januar 2019, 23:28:01 ---(…)
Bei der gezeigten Grafik könnte das der Fall sein, dass die Besetzung zumindest nichts mehr mitgekriegt hat. Die Frage ist, wie das da im Bugbereich aussah - a) bei geöffnetem Zentrale-Schott und b) geschlossenem Zentrale-Schott mit Wassereinbruch bzw. Druckanstieg über Lüftungsrohre oder andere kleinere Öffnungen. Die wirklich gruselige Frage ist, ob so Temperaturen entstehen können, die das Lungengewebe schädigen.
(…)
--- Ende Zitat ---
Im Falle der USS SCORPION rauschte das Heckteil nach DEATs Quelle mit rund 900 m/s, also ca. dreifacher Schallgeschwindigkeit, in den Hilfsmaschinenraum hinein. Damit ist die Frage, ob das Lungengewebe eines Besatzungsangehörigen durch zu hohe Temperaturen geschädigt werden würde, im Endeffekt nur noch rein akademischer Natur.


--- Zitat von: Elektroheizer am 10 Januar 2019, 23:28:01 ---(…)
Nachtrag: Alle schönen Berechnungen sind natürlich hinfällig, wenn komprimierte Luft aus dem System entweichen kann.
(…)
--- Ende Zitat ---
Druckköper, die keine Luft mehr enthalten, implodieren nicht.


--- Zitat von: Elektroheizer am 10 Januar 2019, 23:28:01 ---(…)
Bei dem längs aufgeplatzten System dürfte das in großem Maße der Fall gewesen sein. Für einen Vergleich mit dem Dieselmotor müsste die Luft im U-Boot wie in einem Kolben komprimiert werden, also ausgehend von einem (hinreichend großem) Loch im Rumpf.
(…)
--- Ende Zitat ---
Da ist kein „hinreichend großes Loch“ notwendig. Schon wenn der Rumpf vom Wasserdruck zusammengedrückt wird, wie eine luftgefüllte verschlossene Konservendose, die man mit dem Absatz und Schmackes zusammentritt, kommt es im Inneren des Druckkörpers /bzw. in der Dose (idealisiert) zu einer adiabatischen Kompression der enthaltenen Luft.


--- Zitat von: Elektroheizer am 10 Januar 2019, 23:28:01 ---(…)

--- Zitat von: DEAT am 10 Januar 2019, 17:53:44 ---Nochmal eine absolute Laienfrage, wenn die Implosion der USS Scorpion nur 37 Millisekunden dauerte, können sich in diesem Bruchteil einer Sekunde überhaupt Materialen entzünden?
--- Ende Zitat ---
Rudolf Diesel hat das schon vor über 120 Jahren beantwortet  :wink: Wenn das schnell genug geht, wird das einströmende Wasser aber jedes Feuer sofort löschen.

--- Ende Zitat ---
Richtig, so, wie auch explodierende Wasserbomben vom eindringenden Wasser sofort gelöscht werden.

Mit freundlichen Grüßen
Schorsch

Elektroheizer:

--- Zitat von: Schorsch am 13 Februar 2019, 10:48:07 ---
--- Zitat von: Elektroheizer am 10 Januar 2019, 23:28:01 ---
--- Zitat von: DEAT am 10 Januar 2019, 17:53:44 ---Ein sehr guter Vergleich. Ich muss gestehen, dass ich mich nochmal ins Thema Dieselmotor/adiabatische Kompression kurz einlesen musste. Wenn ich das richtig verstehe, dann findet bei der Implosion eines U-Bootes kein Wärmeaustausch (Δ Q = 0) mit der Umgebung statt, also Δ u (innere Energie) = Δ W (Arbeit oder in dem Fall der Wasserdruck, der ins Boot eindringt?).
--- Ende Zitat ---
Ja... theoretisch und wenn das hinreichend schnell geschieht.
(…)
--- Ende Zitat ---
Ist eine Zeit von z.B. 37 ms im Falle der USS SCORPION kurz genug?

Definitiv.


--- Zitat von: Elektroheizer am 10 Januar 2019, 23:28:01 ---(…)
Chemiker messen solche thermodynamischen Größen mit einem Kalorimeter, das ist im Prinzip eine Thermoskanne mit Thermometer. Nun ist eine Stahlröhre im Wasser alles andere als eine ideale Thermoskanne.
(…)
--- Ende Zitat ---


--- Zitat von: Elektroheizer am 10 Januar 2019, 23:28:01 ---(…)
Für eine reale Betrachtungsweise reicht es aber, wenn die Wärmeabgaberate deutlich kleiner ist als die Geschwindigkeit der Reaktion bzw. hier der Kompression, dann halten sich die Abweichungen in Grenzen. Je länger das dauert, desto langsamer der Temperaturanstieg mit wachsendem Temperaturausgleich mit der Umgebung.
(…)
--- Ende Zitat ---
Kennst Du einen Fall einer Implosion (nach Angabe des Dudens = schlagartige Zertrümmerung eines Hohlkörpers durch äußeren Überdruck; vgl. dazu auch --/>/> hier!) eines Druckkörpers eines U-Bootes, die langsam stattgefunden hat?

Nein, das meinte ich auch nicht. Ich meinte kein schnelles strukturelles Versagen des Bootskörpers, sondern langsamen Druckanstieg im Boot durch Wassereinbruch.  Etwa über gerissene Rohrleitungen, Bordverschlüsse, gebrochene Nieten und ähnliches. Das hab ich nicht deutlich genug heraus gestellt, sorry. 
--- Ende Zitat ---

Schorsch:
Hallo Elektroheizer!


--- Zitat von: Elektroheizer am 19 Februar 2019, 22:08:47 ---(...)
Nein, das meinte ich auch nicht. Ich meinte kein schnelles strukturelles Versagen des Bootskörpers, sondern langsamen Druckanstieg im Boot durch Wassereinbruch.  Etwa über gerissene Rohrleitungen, Bordverschlüsse, gebrochene Nieten und ähnliches. Das hab ich nicht deutlich genug heraus gestellt, sorry.

--- Ende Zitat ---
Der von DEAT gewählte Thread-Titel schränkt die Betrachtung der Ursachen von U-Bootsverlusten aber auf genau solche schnell ablaufenden Vorgänge ein. Dass es noch genügend weitere Möglichkeiten gibt, auf einem U-Boot sein Leben zu verlieren, ist sicher unbestritten. Die umfängliche Betrachtung dieser Vielzahl würde allerdings das Thema sehr weit ausdehnen und dazu führen, dass man Gefahr läuft, sich in der Menge der Möglichkeiten zu verzetteln. Deshalb schien es mir angeraten, das Thema etwas enger gefasst zu betrachten. Deshalb von mir ein "Sorry!" an Dich zurück, diesen Aspekt hätte ich vielleicht deutlicher herausstellen sollen. :OuuO:

Mit freundlichen Grüßen
Schorsch

Elektroheizer:

--- Zitat von: Schorsch am 20 Februar 2019, 10:16:47 ---Deshalb von mir ein "Sorry!" an Dich zurück, diesen Aspekt hätte ich vielleicht deutlicher herausstellen sollen. :OuuO:
--- Ende Zitat ---
Da nix für! Dein Einwand war ja berechtigt, schließlich hatte ich mich etwas Richtung OT bewegt. An einem Punkt der Diskussion hatte ich den Eindruck, als würde diese adiabatische Kompression für jeden Wassereinbruch in einem U-Boot aufgefasst. Aber vielleicht hab ich diese Stelle auch falsch interpretiert.

Das  :/BE: nehm ich natürlich gerne an

Mit freundlichen Grüßen zurück  :OuuO:
Thorsten

Navigation

[0] Themen-Index

[*] Vorherige Sete

Zur normalen Ansicht wechseln