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Implosion eines U-Boots

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Schorsch:
Hallo DEAT!

Hier mein Versuch, ein paar Antworten auf Fragen zu formulieren, die Dich umtreiben. Ich habe allerdings Dein Posting etwas umsortiert, um die Antworten thematisch zusammenfassen zu können.


--- Zitat von: DEAT am 27 November 2018, 10:50:49 ---Wie läuft die Implosion eines U-Boots physikalisch ab und wie wirkt sie auf den menschlichen Körper?
(…)
Wenn die Luft nun im Bruchteil einer Sekunde komprimiert wird, dann würde das laut dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik grundsätzlich bedeuten, dass die Zunahme an Druck gleichermaßen eine Zunahme der Temperatur bewirkt und dass das Zusammendrücken von Luft sich durch einen proportionalen Anstieg der Temperatur äußert? Ohne pietätlos zu wirken und aus rein wissenschaftlichem Interesse, aber bedeutet dass, das die Besatzungen von implodierenden U-Booten in dieser kurzen Zeit verbrennt? Durch eine thermodynamische Schockwelle?
(…)
Und laut dem Boyle´schen Gesetz verringert sich das Volumen proportional zum Druck, allerdings nur bei gleichbleibender Temperatur. Wie verhält sich diese isotherme Zustandsänderung, wenn das U-Boot sinkt und seine crush depth erreicht (bzw. wie wirkt sie sich aus)? Von 500m auf 1000m fällt die Temperatur im Atlantik (durchschnittlich) von 12° auf 4°. Oder ist nur die Temperatur zum Zeitpunkt der Implosion von Bedeutung?
(…)
--- Ende Zitat ---
Deine Grundannahmen zu den physikalischen Prozessen beim Sinken eines U-Bootes mit der einhergehenden Zerstörung des Druckkörpers durch das Wirken des Wasserdrucks sind leider nicht ganz zutreffend. Ein gutes Modell, was passiert sein könnte, bieten die Vorgänge, die im Inneren des Zylinders eines Dieselmotors ablaufen. Genau wie beim Verdichtungshub eines Diesel-Kreisprozesses erwärmt sich die Luft im Inneren eines implodierenden Druckkörpers in einer adiabatischen Kompression. Das heißt, die Verdichtung der Luft im Inneren des Druckkörpers verläuft so schnell, dass, anders als bei einer isothermen Zustandsänderung, kein Energieaustauch mit der Umgebung stattfindet. Im Rahmen dessen erwärmt sich die komprimierte Luft auf erkleckliche Werte, so dass z.B. beim Dieselmotor der eingespritzte, fein zerstäubte Treibstoff sicher gezündet werden kann. Typische Werte sind diesbezüglich ca. 30..50 bar Verdichtungsdruck mit 700..900°C Temperatur der Verbrennungsluft. Diese Werte können überschlägig auch auf das Innere eines zusammenbrechenden Druckkörpers eines U-Bootes in etwa 500 m Tiefe übertragen werden. 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.

Das Gesetz von Boyle-Mariotte, das die isothermen Zustandsänderungen von Gasen beschreibt, ist in Verbindung mit U-Booten von Interesse, wenn man z.B. untersuchen möchte, welches Tauchzellenvolumen mit der an Bord mitgeführten Druckluft in unterschiedlichen Wassertiefen ausgeblasen werden könnte. Bei einer Implosion findet aber wegen der Kürze der Zeit kein Energieaustausch mit der Umgebung, deshalb ja auch die Bezeichnung adiabatische Zustandsänderung.


--- Zitat von: DEAT am 27 November 2018, 10:50:49 ---(…)
Zur Streuung der Wrackteile der USS Scorpion äußerte sich Robert D. Ballard 1985, dass es ausgesehen habe, "as though it had been put through a shredding machine." (Abgesehen vom Bug und dem Turm.)
(…)
--- Ende 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.


--- Zitat von: DEAT am 27 November 2018, 10:50:49 ---(…)
Und warum wurden die USS Thresher und die USS Scorpion durch die Implosion vollständig zerstört, während die USS Grunion zwar auch implodiert ist, aber der Schiffsrumpf "am Stück" ist? Hängt die Heftigkeit der Implosion mit dem Tiefen- / Druckunterschied von 300 m zusammen? (Bei einer test depth von 400 m für die USS Thresher müsste die crush depth lt. US-Navy Kalkulation bei 600 m liegen?)
(…)
--- Ende Zitat ---
Für die Beantwortung dieser Frage fehlen mir leider verlässliche Daten.


--- Zitat von: DEAT am 27 November 2018, 10:50:49 ---(…)
Zum Vergleich: In der ersten Folge der neuen Serie "In Seenot - Der Untergang der MV Derbyshire" wird das Wrack und der Untergang analysiert. Dieser OBO-Carrier mit einer Länge von 294 m und einer Tonnage 91.655 BRT weist einen ähnlichen Zerstörungsgrad wie die Wracks der USS Scorpion und USS Thresher auf. Im Rahmen der Untersuchung mussten 135.000 Aufnahmen von Wrackteilen zusammengesetzt und beurteilt werden. Dabei kam man zum Schluss, dass die Derbyshire erst implodiert und dann explodiert ist. Durch den zunehmenden Wasserdruck wurde die Doppelhülle zusammengedrückt und die Luft komprimiert.

https://www.youtube.com/watch?v=ku3gpn2uWyg
(…)
--- Ende Zitat ---
Grässlich aufgezogener, wenig aussagefähiger Film. Die relevanten Fakten hätte man auch in 10 min unterbringen können.


--- Zitat von: DEAT am 27 November 2018, 10:50:49 ---(…)
Wenn die Luft innerhalb des U-Boots komprimiert wird, müssten die Gasmoleküle (N2 und O2) schlagartig häufiger kollidieren mit entsprechend zunehmend kinetischer Energie. Wird durch eine Implosion eines Druckkörpers zwangsläufig eine Explosion als Reaktion freigesetzt?
(…)
--- Ende Zitat ---
Nein, vergleiche dazu die Videos implodierender luft-/dampfgefüllter Kesselwagen, d.h. ohne zusätzlichen „Treibstoff“ im Inneren, verursacht durch den normalen Luftdruck. (--/>/> Klick! oder --/>/> Klack! (Beachte beim zweiten Video besonders ab Filmzeit 2:12, ab der die Stabilität des Kesselwagens demonstriert werden soll!))
Unter Wasser, bei ca. 60-fachem Druck, erfolgt die Reaktion wesentlich schneller mit entsprechend höherer Erwärmung der eingeschlossenen Luft. Für eine anschließende Explosion bedürfte es aber zusätzlich noch brennbaren Interieurs. (Siehe oben!)


--- Zitat von: DEAT am 27 November 2018, 10:50:49 ---(…)
Wie lässt es sich erklären, dass die abgerissenen Türme der USS Scorpion und USS Thresher so saubere Trennlinien aufzeigen und ansonsten intakt sind?
(…)
--- Ende Zitat ---
Der Turm heutiger U-Boote ist eigentlich nur noch eine stromlinienförmige Verkleidung für die Ausfahrgeräte und den Einsteigeschacht. Die früher im Turm der deutschen U-Boote des WK II befindlichen Geräte, wie Steuerstände, Bestandteile des Angriffsehrohres und Vorhalterechner für die Torpedos haben in der Gegenwart ihren Platz nun in der OPZ im eigentlichen Druckkörper des jeweiligen Bootes. Diese obenerwähnte Verkleidung reißt strukturbedingt leicht ab, wenn der Rumpf, an dem sie befestigt ist, wegen der Implosion/Explosion des Druckkörpers oder ggf. dem Aufschlagen auf dem Meeresboden starke Erschütterungen erfährt.


--- Zitat von: DEAT am 27 November 2018, 10:50:49 ---(…)
Und noch grundsätzlich eine Frage, wie gefährlich sind die Torpedos mit nuklearen Sprengköpfen der Wracks von K-8 und der U.S.S. Scorpion für die Zukunft?
(…)
--- Ende Zitat ---
Im Falle der USS SCORPION liegt eine Wassersäule von 3300 m über den Torpedos. Wenn es nicht gerade jemanden gelingt, diese Torpedos zu bergen, dürfte in dem von Menschen bewohnten Teil der Biosphäre kaum eine direkte Gefahr bestehen.

Mit freundlichen Grüßen
Schorsch

DEAT:
Hallo ihr Lieben, verspätet ein frohes Weihnachtsfest für euch und danke für eure Antworten  :-)


--- Zitat von: Karsten am 27 November 2018, 21:14:53 ---
--- Zitat von: DEAT am 27 November 2018, 10:50:49 ---(...) Ohne pietätlos zu wirken und aus rein wissenschaftlichem Interesse, aber bedeutet dass, das die Besatzungen von implodierenden U-Booten in dieser kurzen Zeit verbrennt? (...)
--- Ende Zitat ---
Hervorhebung durch mich.

Ja, ich habe mal gelesen, dass das so ist. Die Quelle war, wenn ich mich recht erinnere, Tom Clancy's "Im Sturm" (engl. "Red Storm Rising"). Das ist zwar natürlich ein Roman, aber dem Autor wird man ein gewisses Fachwissen nicht absprechen können.

--- Ende Zitat ---

Karsten, danke für den Hinweis auf Red Storm Rising, Tom Clancys Bücher standen bei mir immer auf der Wanted-Liste ganz oben. Werde ich mir mal gönnen. ; )



--- Zitat von: Krinor62 am 28 November 2018, 08:22:43 ---Hallo Deat,

aus dem von Dir eingefügten Link:

"The precursor events are believed to be (based on the evidence of the recovered main battery parts) two closely spaced hydrogen gas explosions in the main battery well from the Gould National Battery
TLX-53-A main battery. The main battery had a total of 126 TLX-53-A cells and weighed 65 tons. The explosion overpressure instantaneously incapacitated (rendered unconscious) and/or was fatal to the crew. Given the 300 millisecond perception time for the human brain to react, the crew had no conscious perception of this event"

Man vermutet die Ursache in der Explosion von Knallgas in der Hauptbatterie, dass sich durch eine veraltete Prozedur aus den Tagen der Diesel U-Boote beim Laden der Batterien angesammelt hat. Diese Explosion hat die Mannschaft getötet oder zumindest soweit außer Gefecht gesetzt, so dass die Scorpion in den folgenden 20 Minuten langsam (0,36m/s) abgesunken ist (ohne weitere Kursänderungen), bis sie die Crush Depth erreicht hat.

"that Scorpion may have been lost because old procedures from diesel boat days were still followed. In 1968, nuclear subs were still setting Condition Baker when they came up to periscope depth. In a diesel boat, coming to periscope depth, the flappers are shut (in case of flooding) and since the battery charge
is from the diesels, there is no danger since no charging is occurring. On a nuclear powered boat, the flappers were shut during Condition Baker at periscope depth, but since the battery charge is coming from the reactor, hydrogen is venting into the well, air circulation is impeded by the shut flappers, and can build up to explosive levels"

Viele Grüße

Jan

--- Ende Zitat ---

Hey Jan, wenn das so zutreffen sollte, dann wären sowohl bei der USS Scorpion, als auch bei der USS Thresher veraltete Weltkriegstechnologie für den Verlust verantwortlich. Interessant. Mir fehlt allerdings für die Wirkung der Sprengkraft innerhalb eines U-Bootes die Vorstellungskraft. Das SOSUS hat am Anfang zwei Explosionen von etwa 10 kg TNT (22 lbs) festgestellt.



Wenn man sich eine vergleichbare Explosion auf Youtube ansieht -> https://www.youtube.com/watch?v=izWl23QNQ7M , dann kann ich mir schwer vorstellen, wie die Besatzung in sämtlichen Zwischenräumen und -decks (über eine Länge von 50m) von diesen Explosionen außer Gefecht gesetzt worden sein soll?
Aber vielleicht unterschätze ich auch die Sprengwirkung und das U-Boot, als abgeschlossenes System. Erinnert mich vom Prinzip an die Anschläge auf die U-Bahnen in London und St. Petersburg, bei denen die Wirkung der Rucksackbomben durch die Tunnel verstärkt worden ist.



--- Zitat ---Hallo DEAT!

Hier mein Versuch, ein paar Antworten auf Fragen zu formulieren, die Dich umtreiben. Ich habe allerdings Dein Posting etwas umsortiert, um die Antworten thematisch zusammenfassen zu können.
--- Ende Zitat ---

Hallo Schorsch, vielen Dank für deinen umfangreichen Beitrag! Auf den ich im Laufe der Tage mit einem seperaten Post detaillierter eingehen möchte  :-)

Wirklich sehr spannend, erinnert mich an die Vorlesungen in Forensik.

Beste Grüße

Schorsch:
Hallo DEAT!


--- Zitat von: DEAT am 26 Dezember 2018, 19:07:25 ---(...)
Hallo Schorsch, vielen Dank für deinen umfangreichen Beitrag! Auf den ich im Laufe der Tage mit einem seperaten Post detaillierter eingehen möchte
(...)
--- Ende Zitat ---
...es sei Dir versichert, Du hast meine volle Aufmerksamkeit.

Mit freundlichen Grüßen
Schorsch

DEAT:
Hallo Schorsch, dann wollen wir mal :)


--- Zitat ---Ein gutes Modell, was passiert sein könnte, bieten die Vorgänge, die im Inneren des Zylinders eines Dieselmotors ablaufen. Genau wie beim Verdichtungshub eines Diesel-Kreisprozesses erwärmt sich die Luft im Inneren eines implodierenden Druckkörpers in einer adiabatischen Kompression. Das heißt, die Verdichtung der Luft im Inneren des Druckkörpers verläuft so schnell, dass, anders als bei einer isothermen Zustandsänderung, kein Energieaustauch mit der Umgebung stattfindet. Im Rahmen dessen erwärmt sich die komprimierte Luft auf erkleckliche Werte, so dass z.B. beim Dieselmotor der eingespritzte, fein zerstäubte Treibstoff sicher gezündet werden kann. Typische Werte sind diesbezüglich ca. 30..50 bar Verdichtungsdruck mit 700..900°C Temperatur der Verbrennungsluft. Diese Werte können überschlägig auch auf das Innere eines zusammenbrechenden Druckkörpers eines U-Bootes in etwa 500 m Tiefe übertragen werden.
--- Ende Zitat ---

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.


--- 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? 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?


--- 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.

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 gestestet. 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.

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.



Auf was ich noch gestoßen bin, ist der Druckversuch mit einem Kleinst U-Boot vom Typ Seehund. Ziemlich beeindruckendes Resultat mMn.



Grüße




Elektroheizer:

--- 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. 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. 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.

Für ein havariertes U-Boot bedeutet dies, der Rumpf muss so schnell und großflächig aufplatzen, dass der Wassereinbruch schnell genug eintreten kann. 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.

Nachtrag: Alle schönen Berechnungen sind natürlich hinfällig, wenn komprimierte Luft aus dem System entweichen kann. 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.




--- 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.

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