צוללת

צוללת "דולפין" של חיל הים הישראלי

צוללת היא כלי שיט מאויש המסוגל לנוע ולפעול מתחת לפני הים. רוב הצוללות בעולם משמשות למטרות צבאיות - בעיקר איסוף מודיעין, הובלת לוחמים ותקיפה, אך קיימות גם צוללות למטרות מחקר מדעי, לצורכי תיירות ולמספר מצומצם של שימושים מסחריים אחרים.

הצוללות יקרות בהרבה מכלי שיט אחרים בכל הקשור לבנייה ולתחזוקה, אך יתרונן ביכולת חמיקה ופעולה בחשאי מצדיק את ההשקעה בהן. כך למשל מדיניות הגרעין של ארצות הברית ושל מדינות נוספות מתבססת על יכולת לשגר מהלומה גרעינית מצוללות, וכך לקיים מדיניות של השמדה הדדית מובטחת.

רעיון הצוללת קיים לפחות מהמאה ה-15. אחד מספריו הפופולריים של סופר המדע הבדיוני ז'ול ורן, 20,000 מיל מתחת למים נסוב סביב צוללת בשם "נאוטילוס". יחד עם זאת, לשימוש רחב הגיעו הצוללות רק במלחמת העולם הראשונה, בה שימשו כנשק אסטרטגי בידי הקיסרות הגרמנית במטרה להטביע חלק ניכר מצי הסוחר הבריטי ובכך לאלץ את בריטניה להיכנע לתכתיבים גרמניים.

היסטוריה

מתקן וכלי תחבורה דמוי צוללת אשר הוצג כבר בשנת 1620, נבנה על ידי המתמטיקאי האנגלי ויליאם בורן. ההנעה של צוללת זו הייתה באמצעות חתירה של הצוות אשר ישב בתוכה. הצוללת לא שקעה לעומק רב מפני שהספקת האוויר לצוות התבצעה באמצעות צינור.

צוללת המלחמה הראשונה הייתה ה"צב" אשר פותחה בשנת 1775. צוללת זו אשר עוצבה בצורת ביצה יכלה להכיל חייל אחד. הצוללת הונעה באמצעות מדחף אשר החייל היושב בתוכה סובב על מנת לנוע. בשנת 1776 ניסתה הצוללת להטביע ספינה בריטית שעגנה על ידי החוף אך נכשלה ונסוגה.

בשנת 1779 תוכננה הצוללת "נאוטילוס", ובשנת 1800 היא נבנתה על ידי הצרפתים. הצוללת הונעה באמצעות מדחף אשר הופעל על ידי הצוות היושב בתוכה. לאחר מספר שנים, ומשלא הצליחו לשכלל את הצוללת כצוללת מלחמה, ויתרו עליה הצרפתים ולאחר מכן ויתרו עליה גם הבריטים.

צוללות מלחמה השתתפו גם במלחמת האזרחים האמריקנית. צבא האיחוד היה זה שהשתמש ראשון בצוללת בשם "אליגטור". הצוללת הייתה בנויה עם מיכלי אוויר בתוכה ויכלה לשקוע לעומק. ההנעה של הצוללת המקורית הייתה מבוססת על חתירה ולאחר כשישה חודשים של ניסויים שינו את ההנעה להנעת מדחף שמסובב על ידי הצוות שיושב בתוכה.

צבא הקונפדרציה השתמש בצוללת "פיוניר" לצורכי הברחת אספקה, ובצוללת "האנלי" ככלי התקפי. עקרון ההתקפה של "האנלי" היה פשוט מאוד אך קשה לביצוע. בקדמת הצוללת היה מוט ארוך ועליו חומר נפץ, הצוללת הייתה צריכה להתקרב לספינת האויב, להדביק עליה את חומר נפץ ואחרי שהייתה מתרחקת הייתה מפעילה אותו.

צוללת כנשק אסטרטגי

צוללות מלחמה התחילו לשנות את תוצאות הקרבות או להביא יתרון אסטרטגי משמעותי במהלך מלחמת העולם הראשונה וככל הנראה הייתה לכלי המלחמה הראשון של העידן המודרני.

במלחמת העולם השנייה הופעלו צוללות כנשק לגיטימי בפעילות שוטפת. לגרמניה הנאצית היה צי הצוללות הגדול ביותר, והיא השתמשה בו באופן אפקטיבי נגד הצי הבריטי. בנוסף לתפקיד קרבי בזמן המלחמה, שימשו הצוללות גם ככלי לאיסוף מודיעין, ולהטבעת אוניות אספקה. למעשה, במהלך המלחמה, הפכה המשימה להטבעת אוניות אספקה, לעיסוקו העיקרי של צי הצוללות הגרמני.

בזמן המלחמה הקרה, וכחלק ממירוץ החימוש, עברו הצוללות שינויים גדולים. אחד השינויים המשמעותים ביותר היה התקנת כורים גרעיניים כמקור הכוח של הצוללות בשנת 1950, מה שאפשר לצוללת להשאר זמן רב מאד מתחת לפני המים. שינוי משמעותי נוסף היה במגוון כלי הנשק שהצוללת נשאה עימה. כלי הנשק המרכזי היה טילים בליסטיים נושאי ראשי נפץ גרעינים אשר פותחו על ידי המעצמות על מנת ליצור איום אסטרטגי-קיומי על מדינות יריבות.

מבנה ואופן פעולה

מבנה הצוללת

לרוב הצוללות המודרניות שתי מעטפות: מעטפת פנימית ומעטפת חיצונית. המעטפת החיצונית ידועה גם בשם "המבנה הקל" והמעטפת הפנימית ידועה בשם "גוף הלחץ". שמן של המעטפות נקבע לפי תפקידיהן השונים.

עקרון המעטפת הכפולה הועלה כבר במלחמת העולם הראשונה. בתקופה זו, שימשו הצוללות בעיקר ככלי לתקיפת ספינות אויב. רוב הזמן הן שייטו על פני המים וצללו מידי פעם לצורך תקיפה או לצורך התחמקות מרודפים. עם זאת, מרבית התקיפות בוצעו בלילה כשהצוללת בהפלגה על מימית. במהלך המלחמה, כאשר נעשה נסיון להגדיל את עומק הצלילה המרבי, לשפר את יכולת התמרון ולהקטין את הגרר, התברר כי הצורה האופטימלית למעטפת על מנת שתוכל לעמוד בלחצים תת-מימיים גדולים יותר (עומק צלילה רב יותר), שונה מהותית מהצורה האופטימלית של מעטפת שתשיג חיכוך הידרודינמי קטן יותר (מהירות שיוט גבוהה יותר ושיפור יכולת התימרון). לכן, הוחלט להפריד בין שתי המעטפות, לתכננן בנפרד ולהרכיבן אחת בתוך השנייה.

המעטפת החיצונית, או בשמה "המבנה הקל", בנוי בצורת סיגר. צורה זו מאפשר חיכוך הידרודינמי מינימלי בעת הצלילה. תפקידה המרכזי היא נשיאת ציוד רב אשר יכול לגרום ללחצים מיותרים על הצוללת אם יחובר לגוף הלחץ. תפקיד מרכזי נוסף לא פחות חשוב הוא הגנת הצוללת, כלומר גם אם הצוללת תפגע במעטפת החיצונית שלה, לא יפגע כושר הפעולה שלה כל עוד המעטפת הפנימית שלה תקינה. על המעטפת החיצונית יש ציפוי גומי מיוחד אשר שומר על גלי הקול שבתוך הצוללת ובולע גלים שמשוגרים לכיוון הצוללת, ובכך מקטין את הסיכוי שלה להיחשף לידי צוללת אויב.

המעטפת הפנימית, או בשמה "גוף הלחץ", מאוכסנת בתוך המעטפת החיצונית. גוף הלחץ בנוי מפלדה ואחראי על התנגדות ללחצים התת-מימיים ושמירת לחץ אטמוספירי נורמלי בתוך הצוללת. מתחת לפני המים הלחץ על הצוללת גדל בכאטמוספירה אחת על כל ירידה של 10 מטרים בעומק.

לצוללת מבנה מיוחד מעל הסיפון העליון במבנה הקל שלה. בצוללות המלחמה הראשונות שימש המבנה כתא בקרה הקרוי "ביתן". כיום, בצוללות המודרניות, מותקנים בתוך המבנה תרנים מתרוממים שמשמשים להפעלת רדיו, מכ"ם , פריסקופים ולוחמה אלקטרונית.

ציפה

יכולת הציפה של הצוללת מבוססת על חוק ארכימדס. על פי חוק זה, על גוף שנמצא בתווך כלשהו (נוזל או גז) פועל כוח ציפה (כלפי מעלה) השווה למשקלו של תווך בעל נפח זהה. כוח הציפה של נוזל מסוים תלוי במספר גורמים כגון: תאוצת הנפילה החופשית, צפיפות הנוזל, ונפח הגוף הצף.

צוללת בצלילה תהיה בעלת ציפה נייטרלית. כלומר, משקל המים שהיא דוחה יהיה שווה למשקלה היא, ולכן יתאפס משקלה במים. לצורך ביצוע הצלילה מותקנים בצוללת מיכלים מיוחדים, הנקראים מיכלי כובד, אשר אותם ממלאים במים, כאשר רוצים לצלול, ואוויר דחוס, הדוחק את המים החוצה, כאשר רוצים לצוף. על מנת שמשקלה אכן יתאפס במים ברמת דיוק גבוהה, ישנם בנוסף גם מספר מיכלים לא גדולים בתוך הצוללת, הנקראים מיכלי פיצוי, ועל ידי הוספת מים לתוכם או גריעת מים מהם מביאים את הצוללת למצב של ציפה נייטרלית.

כאשר הצוללת בצלילה, יש להקפיד גם על איזון אופקי, כלומר שהחרטום והירכתיים יהיו באותו עומק מים מכיוון שאם לא כן, תנועת הצוללת קדימה תגרום לכך שהיא תשנה בצורה לא רצונית את עומק הצלילה שלה. לצורך שמירה על האיזון מותקנים בחרטום ובירכתיים מיכלים שנקראים מיכלי איזון, והעברת מים מהחרטום לירכתיים או להפך מאפשרים לצוות לשמור על איזון אופקי של הצוללת.

הדרך לשלוט בעומק הצלילה בה רוצים שהצוללת תשהה נעשית בעזרת כנפיים קטנות שנקראות הגאי עומק. בדומה למטוס, מותקנים בגוף כנפיים המאפשרים לה לשלוט על שינויי עומק הצלילה, מבלי לשנות את משקלה. הגאי עומק אלה הם בנוסף להגה כיוון שבעזרתו שולטים בכיוון ההפלגה של הצוללת.

הנעה

בתחילת הדרך, התבצעה ההנעה של הצוללת באמצעות הצוות היושב בתוכה, כלומר ההנעה של הצוללות הראשונות הייתה חתירה כמו בסירה רק מתחת לפני המים, או יותר מאוחר (לאחר שנכנס שימוש במדחף) החיילים שישבו בפנים סובבו את המדחף.

בהמאה ה-19 התחילו המהנדסים ליישם שיטות הנעה מכניות המבוססות על מנוע קיטור או מנוע שריפה פנימית. הצוללת הראשונה שהייתה מונעת במנוע היא ה"איסטניו 2" של המהנדס נרציס מונטוריאול. בשנת 1867 הוא התקין עליה את מנוע הקיטור והפך אותה לצוללת מכנית. השיטה של מנוע קיטור לא הייתה יעילה מכיוון שהמנוע היה שורף גם את החמצן שנמצא בתוך תא הצוות. לאחר שהבין את הבעייתיות של מנוע זה המציא נרציס את מנוע האוויר אשר היה מפיק גם אוויר לתא הצוות וגם קיטור על מנת להניע את המדחף. לקראת סוף המאה ה-19, החלו הצוללות להשתמש בהנעת דיזל שהניעה בתורה מנוע חשמלי.

בשנת 1928 המציאו המהנדסים האמריקאים שיטה חדשה להנעת הצוללת. הם השתמשו בשני מקורות אנרגיה שונים בצוללת אחת. כאשר הצוללת צפה מעל פני המים היא הייתה משתמשת במנועי דיזל אשר היו מחוברים גם למצברים חשמליים וגם למנוע וכך הייתה הצוללת גם אוגרת חשמל במצברים וגם נעה, ואילו בזמן הצלילה הייתה משתמשת רק במצברים.

בשנת 1944 פותחה מערכת שינור, אשר איפשרה לספק אוויר למנועי הדיזל, דבר שאיפשר להפעיל את מנועי הדיזל גם כשהצוללת בצלילה בעומק פריסקופי, עומק שבו ראש תורן השינור בולט מעל פני המים.

בשנת 1950 כאשר טכנולוגיות הגרעין התקדמו, הוחלט ליישם הנעה גרעינית גם בצוללות. המעבר להנעה בעזרת כור גרעיני איפשר לצוללת לבצע משימות ארוכות ולהפליג למרחקים גדולים מאד. מגבלות הצוללת לשהות ארוכה מתחת למים עברו למישורים אחרים, אספקת המזון וטיהור האוויר. צוות הצוללת צורך חמצן ומייצר דו-תחמוצת פחמן. לשני הגזים הללו ישנן מגבלות של ריכוז באוויר על מנת לאפשר תפקוד אופטימלי של הצוות. לחמצן אסור לרדת מתחת לריכוז מסוים ולדו-תחמוצת הפחמן אסור לעלות מעל לריכוז מסוים. ישנם אמצעים לטפל בשתי המגבלות הללו, אבל לא עד לשהייה אינסופית בחלל הסגור.

למרות שהנעה גרעינית היוותה מנוף לשיפור גדול מאד בביצועיה, הצוללת עדיין נושאת עליה גם מנוע דיזל ומצברים למקרה של תקלה בכור הגרעיני. התנאי היחיד למבנה צוללת על מנת שתוכל להיות מונעת באמצעות כור גרעיני הוא גודל מינימלי שיאפשר לשאת את הכור הגדול המוקף בדפנות עבות במיוחד של עופרת.

כיום משתמשות צרפת, אנגליה וארצות הברית בצוללות עם הנעה גרעינית בלבד, מפני שבהן הצוללות משתתפות במשימות במרחקים גדולים. מדינות נוספות אשר משתמשות בצוללות גרעיניות הן רוסיה, סין, הודו, וישנן מדינות נוספות המפתחות צוללות כדוגמת ארגנטינה וברזיל. לרוב המדינות אין יכולת פיתוח צוללות עקב היעדר טכנולוגיה.

חיישנים

בצוללות מותקנים חיישנים מיוחדים לצורך גילוי מיקומי גופים זרים כגון: צוללות אויב, ספינות, ופני הקרקע התת-ימית, הנקראים סונאר.

קיימים שני סוגים של סונארים: סונאר פאסיבי וסונאר אקטיבי. לשני הסונארים אופן פעולה שונה. הסונאר האקטיבי שולח גלי קול באורך גל קצר יחסית וכאשר גל זה חוזר חזרה מהעצם הוא נקלט בהידרופון (מיקרופון תת-ימי). לפי אורך הגל החוזר שנקלט אפשר לדעת מה מרחקו של הגוף הזר, ואם מאזינים למספר הידרופונים שונים אפשר לגלות גם מה כיוונו ולאיזה כיוון הוא נע. כאשר משתמשים בסונאר אקטיבי יש סיכויים גדולים מאד להתגלות לאויב כי בדיוק באותו אופן צוללת אויב גם כן יכולה לקלוט ולהפיק מידע מן הגלים שנשלחים.

לעומת סונאר אקטיבי אשר שולח גלי קול, סונאר פאסיבי פועל בדרך שונה ולא שולח כלל גלים. סונאר פאסיבי הוא מחליש, ומסנן חלק מגלי קול הנעים במים וכך ניתן להאזין למנוע של כלי שייט ולכיוון תנועתו. השימוש בסונאר פאסיבי הוא פחות מדויק מסונאר אקטיבי, אך יתרונו הגדול הוא בכך שאם הצוללת נעה בשקט או המנועים דוממים לא ניתן יהיה לגלות אותה גם ממרחק קצר יחסית.

בנוסף לסונארים על כל צוללת מותקנים גם מכ"םים אשר עוזרים לגלות ספינות אויב. השימוש במכ"מים הוא גם כן פחות בטוח מכיוון שבדומה לסונאר האקטיבי הוא פועל על עיקרון של שידור גלים הניתנים לאיכון.

ניווט

לצולל ישנן כמה דרכים לניווט. הפשוטה ביותר היא באמצעות עלייה על פני המים וניווט בעזרת מפה, מכ"ם, וGPS.

לעומת זאת, במקרה של צוללת צבאית בפעילות מבצעית בשטחי מדינות זרות לא ניתן לצוף מעל פני המים. כאשר הצוללת נמצאת מתחת לפני המים קיימת בעייתיות כאמור גם בשימוש לניווט בעזרת סונאר אקטיבי, אשר שולח גלי קול ולפי הגלים החוזרים ניתן לדעת את המיקום במפות התת-ימיות. לכן, הדרך הבטוחה ביותר לנווט מתחת לפני המים היא על ידי מצפני ג'ירוסקופ. מצפני ג'ירוסקופ הם מצפנים שמוצאים את כיוון הצפון המדויק. בעזרת ידיעת הכיוון המדויק של הצוללת ומפה תת-ימית, ניתן לנווט גם מתחת לפני המים.

תקשורת

נקודת התורפה של צוללות היא החשש להתגלות, ולכן עליה לקיים תקשורת כשהיא מתחת לפני המים. נתוני התקשורת בין צוללות ובסיסים מושפעים מעובדה זו. מכיוון שגלי רדיו מתקשים לנוע בתוך מים מלוחים ישנן מספר שיטות לתקשורת בין צוללת לבסיס.

השיטה הראשונה, שהייתה מקובלת בזמן מלחמת העולם השנייה וגם בשנים הראשונות של המלחמה הקרה, היא תקשורת בעזרת אנטנה. הצוללות באותה התקופה נדרשו לעלות מעל פני המים על מנת להטעין את המצברים החשמלים שלהן. לכן, בזמן שהן היו מעל פני המים, היו מוציאות גם אנטנה ובעזרתה מקבלות נתונים או משימות וכן מעבירות מידע חוזר. שיטה זו הפכה לבלתי יעילה כאשר פותחו כורים גרעינים לצורכי הנעה, ולצוללת לא היה עוד צורך לעלות על פני המים. בנוסף, גבר גם הסיכון להתגלות בעת העלייה מעל המים, כתוצאה מהתפתחות טכנולוגיות המכ"ם והסונאר.

שיטה אחרת שיושמה בארצות הברית וברית המועצות בזמן המלחמה הקרה הייתה תוכנית לתקשורת תת-ימית. באותם האזורים בהם שטו באופן קבוע הצוללות שלהן, הותקנו מתקנים תת-ימיים דמויי הידרופונים המחוברים בכבלים, ובעזרתם הוקמה רשת תקשורת תת-ימית שיכלה לשדר "אחורה" לבסיס האם. שיטה זו היא יעילה יותר, מפני שהיא לא מאפשרת גילוי של הצוללות, וביחד עם זאת מאפשרת תקשורת יעילה. הבעייתיות של שיטה זו היא בפעילות במרחק גדול מאזורי הפריסה של התקשורת התת-ימית, ובמים טריטוריאליים של מדינה זרה.

שיטה נוספת והיעילה ביותר היא שיטת תקשורת בעזרת גלים בתדירות נמוכה מאד (VLF) או גלים בתדירות נמוכה קיצונית (ELF). גלים מסוג זה הם בעלי אורך גל מאד גדול לכן לא הוגבלה הצוללת במרחק שלה מהמדינה.

גלים בתדירות נמוכה מאד הם גלים בעלי תדירות 3 עד 30 קילוהרץ ואורך הגל שלהן הוא בין 10 עד 100 קילומטר. המגבלה היחידה היא בעומק הצלילה. הצוללת שמשתמשת בסוג תקשורת זה לא יכלה לצלול לעומק של יותר מ-20 מטר מכיוון שמעל לעומק זה השידור הופך לבלתי יעיל.

לעומת זאת, גלים בתדירות נמוכה קיצונית הם גלים בעלי תדירות 3 עד 30 הרץ ואורך הגל שלהן נע בין 10,000 ל-100 אלף קילומטר. שיטה הזאת היא היעילה ביותר לצוללת מכיוון שהיא לא מגבילה אותה בעומק צלילה או במרחק מבסיס האם. בנוסף לכך, מכיוון שאורך הגל הוא כל כך גדול הסיכוי שהצוללת אשר משדרת תתגלה הוא אפסי.

חימוש

בתקופת מלחמת העולם הראשונה הותקנו על הצוללות מקלעים, כלומר על הצוללות היה לעלות מעל פני המים והחיילים היו צריכים לתפוס עמדות ירי. רק לאחר ביצוע המשימה הייתה הצוללת מתחמקת בצלילה. לקראת מלחמת העולם השנייה החל השימוש בטורפדו, אשר גירסתו הראשונה הומצאה כבר ב-1866. הטורפדו נורה מתחת לפני המים ומשמש כנשק נגד צוללות או ספינות שטח.

לאחר מלחמת העולם השנייה, בתקופת מלחמה הקרה בין ארצות הברית לברית המועצות, החלו המעצמות לפתח טילי שיוט. על מנת שהצוללות יוכלו לירות את הטילים הן היו צריכות לעלות מעל פני המים. כעבור זמן קצר פותחו טילי שיוט וטילים בליסטיים הניתנים לשיגור מתוך צינורות טורפדו (צמ"ט) גם בעת שהותן מתחת לפני המים.

פיתוחים אלה הפכו את הצוללת לנשק אסטרטגי בעל יכולת של מכה השנייה.

ראו גם

• התפתחות ספינות המלחמה
• שייטת הצוללות
• בתיסקף
• טביעת הצוללת הרוסית קורסק
• צוללת טילים בליסטיים
• צוללת גלים
• מערכות הנעה לצוללות ללא תלות באוויר חיצון

לקריאה נוספת

• יורם בר-ים, כלי שיט ישראליים בממד הרביעי, בהוצאת עמותת דולפין

קישורים חיצוניים

• תבנית:אנציקלופדיה ynet