Zagrożenia minowe na akwenach świata i skutki ich oddziaływania na konstrukcje statku

Transkrypt

1 SZTUROMSKI Bogdan 1 Zagrożenia minowe na akwenach świata i skutki ich oddziaływania na konstrukcje statku WSTĘP Morza i oceany świata odkąd skonstruowano pierwszą minę morską niosą nieprzewidziane zagrożenia dla statków, okrętów i innych obiektów morskich. Miny morskie po raz pierwszy zostały użyte w wojnie krymskiej ( ) przez flotę rosyjską. Zalegają one dna morza lub swobodnie dryfują jako pozostałości konfliktów zbrojnych głównie XX w. Obecnie są powszechnie stosowane przez terrorystów i piratów. Tylko na samym Bałtyku wydobywa się kilka do kilkunastu ton rocznie niebezpiecznych ładunków wybuchowych (rys.1). Oprócz min w sieci rybackie trafia porzucona amunicja z okrętów wojennych i statków transportowych. W ostatnim czasie wiele takich znalezisk zlokalizowano podczas budowy Gazoportu w Świnoujściu (rys.2). Rys.1. Amunicja i miny morskie znalezione w Bałtyku 2 Rys.2. Bomby głębinowe wydobyte na terenie budowy Gazoportu Świnoujście 3 Wybuch takich obiektów powoduje natychmiastowe naruszenie stanu równowagi w otoczeniu, któremu towarzyszy zamiana energii potencjalnej w pracę mechaniczną wykonywaną przez rozprężające się gazy występujące przed wybuchem w skomprymowanym stanie. Skutkiem tej pracy jest powstanie fali ciśnienia nazywanej falą uderzeniową lub falą detonacyjną. Podczas eksplozji 1 NAVAL ACADEMY in Gdynia, Poland,Mechanical and Electrical Engineering Department, Institute of Bases Machines Construction, ul. Śmidowicza 69, Gdynia, b.szturomski@amw.gdynia.pl dn z dn

2 w wodzie materiał wybuchowy o stałej konsystencji przekształca się w produkt gazowy o objętości równej objętości materiału wybuchowego o temperaturze rzędu 3300 K i ciśnieniu sięgającym MPa. Ciśnienie to osiąga wartość maksymalną w czasie około 10 7 s. Przy tak dużym ciśnieniu powstaje pęcherz gazowy oraz sferyczna fala uderzeniowa, która początkowo rozprzestrzenia się promieniowo z prędkością m/s i maleje do wartości prędkości dźwięku ok m/s. Ciśnienie na froncie fali osiąga wartość MPa, która spada wraz z przebytą drogą.pęcherzowi gazowemu przeciwstawia się ciśnienie hydrostatyczne otaczającej wody co powoduje tzw. pulsację. Pęcherz gazowy rozszerza się i kurczy na przemian, jednocześnie przemieszczając się ku powierzchni wskutek oddziałującej na niego siły wyporu. Gdy pęcherz osiągnie powierzchnię wody gwałtownie uwalnia niesione gazy do atmosfery wyrzucając je w powietrze wraz z hektolitrami wody i pary. 1. ZAGROŻENIA MINOWE NA AKWENACH ŚWIATA Współczesne miny to inteligentne urządzenia, zdolne do przemieszczenia się i samo zakopywania się w dnie, co czyni je niewykrywalnymi. Są wyposażone w najróżniejsze sensory zmiennego ciśnienia, pola magnetycznego, potencjału elektrycznego i pola hydrodynamicznego zdolne do samoregulacji w zależności od warunków zewnętrznych [1, 2]. Mogą działać indywidualnie lub grupowo stanowiąc inteligentną zaporę minową zdolną rozpoznawać okręty wroga (system swój obcy). Wśród wielu podziałów i klasyfikacji min zasadniczy podział dotyczy miejsca miny w ośrodku wodnym i sposobu reagowania na jednostkę pływającą, który przedstawiono w tabeli 1 na rysunku 3. Tab. 1.Wybrane miny morskie Świata i ich ekwiwalenty masowe wyrażone w kg TNT [1, 2] Miny stacjonarno - kotwiczne Miny stacjonarno denne Państwo Nazwa Głębokość Masa MW Głębokość Masa MW Państwo Nazwa m kg m kg Francja H Francja MCC Hiszpania MO TSM Niemcy DM 11 UMC Niemcy FG Rosja AMG DM GM Rosja AMD KAM MDM KSM MDM Lira Serpey M UDM M Szwecja BGM PM W. Brytan. M Mk PM Sea Urban Miny aktywne, mobilne, sterowane Stonefish Dania MTP Włochy Manta 2, Rosja KRM MN MDS MR SMDM-1 i i 800 MRP

3 dryfująca miny pływające kontaktowe min a kot wic zna kont akto wa mina kotwiczn a niekontak towa mina denna wypływająca minadenna minadenna samo-zakopująca torpedo-miny Rys.3. Klasyfikacja min morskich 2. KLASYFIKACJA ODDZIAŁYWAŃ WYBUCHÓW PODWODNYCH NA OKRĘT Detonacja materiału wybuchowego miny w różny sposób oddziałuje na konstrukcję okrętów w zależności od jej przeznaczenia. Ogólnieoddziaływania wybuchów podwodnych można podzielić na kontaktowe i nie kontaktowe, a te drugie zaś na bliskie i dalekie. Skutki tych oddziaływań będą różne i zależą od wielu czynników takich jak masa ładunku, odległość kadłuba od epicentrum wybuchu, rozmiary jednostki i jej konstrukcja, lokalizacja wybuchu (dziób, śródokręcie, rufa, prawa burta, lewa burta), głębokość detonacji, odbicie fali detonacyjnej od dna i wiele innych czynników. Wybuchy kontaktowe mają miejsce wtedy, gdy kadłub okrętu znajdzie się w zasięgu pęcherza gazowego co następuje w odległości od 0 do 12 m od epicentrum wybuchu (rys. 4). Może być to wybuch miny przyczepionej do kadłuba statku przez nurka lub drona lub wskutek zderzenia miny dryfującej lub kotwicznej poprzez zadziałanie zapalnika kontaktowego. Dla małej jednostki wybuch takiej miny powoduje jej zatoniecie, a dla jednostki wieloprzedziałowej zazwyczaj wybija otwór o promieniu kilku metrów. Do wnętrza okrętu wdzierają się produkty gazowe o temperaturze kilku tysięcy stopni. W dalszej przestrzeni o promieniu kilkunastu metrów rozciąga się przestrzeń zniszczenia mechanizmów, instalacji i rurociągów, pęknięć korpusów urządzeń, zerwania śrub fundamentowych. Na całym okręcie odczuwalny jest silny wstrząs. Za zwyczaj po takim wybuchu, jeśli jednostka nie zatonie jej remont może okazać się nie opłacalny [3]. Rys.4. Strefy zniszczeń przy wybuchu kontaktowym: 1 wyrwa, 2 rozerwania konstrukcji, 3 strefa uszkodzeń konstrukcji i mechanizmów Jeżeli wybuch następuje w odległości od kilku do 20 m, jednak takiej że pęcherz gazowy nie dotyka poszycia okrętu, wówczas mówimy o wybuch niekontaktowy. W takim przypadku na kadłub okrętu oddziałuje tylko fala ciśnienia. Wybuchy bliskie o ciśnieniu padającym na kadłub powyżej

4 MPa powodują przebicia kadłuba. Przebicia te mają liniowy charakter wzdłuż wręg i wzdłużników. Do wnętrza statku nie przedostają się produkty wybuchu i brak jest bezpośredniego oddziaływania wysokiej temperatury. Znaczna część mechanizmówjest popękana, przemieszczona i pozrywana z fundamentów.strefa zniszczeń i uszkodzeń jest znacznie większa niż w przypadku wybuchu kontaktowego (rys. 5)[3]. Rys.5. Strefy zniszczeń przy wybuchu niekontaktowym bliskim: 1 liniowe pęknięcia, 2 strefa uszkodzeń konstrukcji i mechanizmów Wybuchy min powyżej 30 m od kadłuba okrętu zalicza się do dalekich wybuchów niekontaktowych. Wybuchy dalekie nie powodują pęknięć kadłuba, jednak za zwyczaj skutkują dużymi deformacjami, a strefa uszkodzeń może obejmować nawet cały statek, z tą różnicą że największe uszkodzenia są w okolicach zwilżonej części kadłuba po stronie wybuchu (rys. 6) [3]. Rys.6. Strefy zniszczeń przy wybuchu niekontaktowym dalekim: 2 strefa uszkodzeń konstrukcji i mechanizmów W dalszych jego częściach i na wyższych pokładach intensywność uszkodzeń maleje na skutek mniejszych wartości przyspieszeń. Najbardziej wrażliwymi urządzeniami na oddziaływanie dużych przyspieszeń są urządzenia elektryczne, rozdzielnice prądu, włączniki, elektronika itp. Remont stoczniowy i naprawy są nieuniknione. Przykładem wybuchu dalekiego jest polski statek, drobnicowiec m/s Józef Wybicki (rys.7) nalężący w latach do Polskich Linii Oceanicznych (PLO), nośności 9425/11775 TDW o długości 153,6 m, szerokości 19,4 m i zanurzeniu 8,7 9,7 m, który 11 sierpnia 1984 r. o godzinie 07,51 w południowej części Morza Czerwonego (ϕ=14 1,8 N, λ=42 56,E) zdetonował nie kontaktową minę denną o prawdopodobnej masie 180 kg spoczywającą na skalistym dnie (skała kredowa) na głębokości 62 m. W chwili wybuchu mina znajdowała się po prawej burcie ok. 40 m od osi statku i w 1/3 jego długości licząc od dziobu, 55 m pod stępką [4,5,6]. Najmniejsza odległość od poszycia kadłuba statku do epicentrum wybuchu wynosiła 66 m. Wybuch zainicjowały pola fizyczne statku. Po zdarzeniu statek zacumowano w porcie Gdynia przy Nabrzeżu Roterdamskim, gdzie zespół naukowców IPBMO-WSMW 4 brał udział w identyfikowaniu uszkodzeń jakich doznał statek. Uszkodzenia nie były poważne, ale za to rozległe, praktycznie obejmowały swym zasięgiem cały statek. Poszycie kadłuba nie doznało poważnych deformacji plastycznych, jednak na całym statku wystąpiły uszkodzenia mechanizmów, głównie były to zerwania i wydłużenia plastyczne śrub fundamentowych, pęknięcia materiałów kruchych takich jak np. żeliwo i ceramika, pęknięcia rurociągów. Z wieszaków pospadała większość gaśnic z których wydobywała się piana. Załoga nie doznała poważnych obrażeń jednak statek nie mógł kontynuować rejsu [4, 5, 6]. 4 Instytut Podstaw Budowy Maszyn Okrętowych Wyższej Szkoły Marynarki Wojennej w Gdyni (obecnie AMW) 4760

5 Ostatecznie m/s Józef Wybicki został zezłomowany w Santander w Hiszpanii. Wybrane uszkodzenia przedstawiają fotografie na rys. (rys. 8 12). Rys.7. Drobnicowiec Polskich Linii Oceanicznych m/s Józef Wybicki 5 Rys.8. Zniszczenia w prowianturze i kabinie oficerskiej (m/s Józef Wybicki) [4] 5 Rys.9. Zerwany silnik wyciągarki ładunkowej, m/s Józef Wybicki [4] z dn r. 4761

6 Rys.10. Pęknięcie korpusu łożyska nośnego i zerwane śruby turbosprężarki silnika głównego m/s Józef Wybicki [4] 6 Rys.11. Zerwane śruby urządzeń pomocniczych, m/s Józef Wybicki [4] 6 Rys.12. Uszkodzenia w silniku prądnicy i złamany maszt wyciągarki ładunkowej [4] 6 Rozwój technik komputerowych i metody elementów skończonych spowodowały, że symulacje numeryczne objęły swym zasięgiem również zagadnienia wybuchów. Prace w tym kierunku prowadzone są na całym świecie np. [7, 8] jak również i w Polsce [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]. Symulacje numeryczne jak i morskie eksperymenty poligonowe z udziałem wycofanych z linii statków i okrętów pozwoliły oszacować skutki oddziaływań nie kontaktowych wybuchów w zależności od wartości padającej fali ciśnienia (rys. 13). 6 Zdjęcia wykonał zespół pracowników IPBMO-WSMW pod kierownictwem kmdra dr. Inż. Narcyza Klatki,

7 Rys.13. Skutki oddziaływania fali uderzeniowej na kadłub okrętu w funkcji masy ładunku TNT wynoszącej 150, 300, 500, 800, 1200 kg wg wzoru Cole a[16] WNIOSKI Na podstawie wykresu przedstawionego na rysunku 13 można wnioskować, że większość statków morskich i okrętów powinna bez większych strat przetrwać oddziaływanie fali ciśnienia o wartości dodo 4 MPa. Przy ciśnieniach w zakresie 4 8 MPanastąpi pękanie korpusów urządzeń i mechanizmów. Przy ciśnienia w zakresie 8 12 MPawystąpią duże deformacje i wzdłużne pęknięcia poszycia statku. Jeżeli fal padająca na statek osiągnie wartość 16 MPa może nastąpić zatonięcie jednostki. Na podstawie symulacji numerycznych lub wzorów empirycznych np. T.L. Geers a i K.S. Hunter amożna wnioskować, że bezpieczna odległość dla statków przy wybuchu największych min morskich o masie kg TNT wynosi około 100 m, natomiast dla okrętów dlawybuchu małych min o masie do 150 kg TNT bezpieczna odległość wynosi ok. 60 m. Streszczenie W pracy zamieszczono syntetyczny opis zagrożeń minowych na morzach i oceanach świata i skutki oddziaływań wybuchów podwodnych na konstrukcje statków morskich. Przedstawiono klasyfikację współczesnych min morskich świata. Przedstawiono klasyfikację wybuchów podwodnych i ich oddziaływania na kadłub statku. Opracowano wykres umożliwiający szacowanie skutków oddziaływania fali uderzeniowej na kadłub okrętu w funkcji masy ładunku TNT wg wzoru Cole a. Słowa kluczowe: wybuch podwodny, mina morska, pęcherz gazowy, fala ciśnienie, wzory Cole a, wzory Geers a Hunter a Threats of mines explosion on sea of the world and effects of their interaction on structures of the ship Summary The paper presents description the effects of underwater mines explosions and effects of their interaction on structures of the ship. The classification of modern sea mines in the world and the classification of underwater explosions and their effects on the hull of the ship were presented Graph that allows estimation of the effects of the shock wave on the hull of the ship as a function of load mass TNT by Cole formula was created. Keywords: explosion underwater, sea mine, gas bubble, the pressure wave, patterns Cole, patterns Geersand Hunter BIBLIOGRAFIA 1. Kuliś J., Frankowski D., Miny morskie ( ). Gdynia: Akademia Marynarki Wojennej;

8 2. Kiciński R., Symulacja deformacji kadłuba okrętu podwodnego od niekontaktowego wybuchu miny, praca dyplomowa magisterska pod kierownictwem B. Szturomskiego, AMW w Gdyni, Cudny K, Powierża Z. Wybrane zagadnienia odporności udarowej okrętów, WSMW Gdynia Klatka N.,Centralny program badawczo rozwojowy 9,5. Generalny wykonawca Politechnika Gdańska- Instytut Okrętowy, cel realizacyjny 27, Przepisy projektowania i budowy statków w zakresie odporności na wstrząsy i udary. Raport o uszkodzeniu drobnicowca PLO m/s Jozef Wybicki, praca doświadczalna, sygnatura 3338/A, Gdynia WSMW 1985 r.; 5. Klatka N.,Próbawyznaczenia wybuchu pod kadłubem drobnicowca m/s Jósef Wybicki, Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Marynarki Wojennej, rok XXVI 1/87/85, Gdynia WSMW 1985 r. 6. Klatka N.,Próbaprzybliżonego wyznaczenia obciążeń udarowych drobnicowca m/s Jósef Wybicki przy wybuchu podwodnym, Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Marynarki Wojennej, rok XXVII 1/88/86, Gdynia WSMW 1985 r. 7. Shneider Nathan A.: Prediction of Surface Ship Response to Sever Underwater Explosions Using a Virtual Underwater Shock Environment, Thesis, Naval Postgraduate School, Monterey California, DidoszakJarema M..: Parametric studies of ddg-81 ship shock trial simulations, Thesis,Thesis Advisor: Young S. Shin, Naval Postgraduate School, Monterey California, Grządziela A., projekt badawczy rozwojowy ON p.k. Syriusz, Modelowanie kadłuba okrętu zwalczania min obciążonego udarowo dla potrzeb zwiększania obrony biernej, AMW Gdynia Grządziela A., Szturomski B., Kluczyk M. Modeling of the minehunters hull strenght.; International Journal of Modern Manufacturing Technologies, ISSN , Vol. IV, No. 1 / Dobrociński S., Szturomski B., Flis L., Analiza wytrzymałościowa konstrukcji pojazdu morskiego obciążonego niekontaktowym wybuchem podwodnym., Zesz. Nauk. AMW, ROK XLIII NR 2 (150) 2003 r. 12. Dobrociński S., Szturomski B., Flis L., Wyznaczenie ciśnienia obciążającego poszycie pojazdu morskiego wywołanego niekontaktowym wybuchem miny., Zesz. Nauk. AMW, ROK XLIII NR 2 (150) 2003 r 13. Barnat W., Wstęp do modelowania wybuchu podwodnego pod pojazdem gąsienicowym, Systems: Journal of transdisciplinarysystems science, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 2012, Vol. 16, nr Flis L., Wyznaczenie systemu MES ANSYS AUTODYN do analizy zbiornika specjalnego., Acta mechanica et automatica, Białystok TechnikalUniversity, volume 2 no Flis L., Szacowania odporności udarowej okrętu z wykorzystaniem symulacji komputerowej MES, LOGISTYKA, Numer 5/ Cole R. H., Underwater explosions, Princeton University Press, Princeton