รูปทรงของตัวเรือ เมื่อต้องเลือกระหว่างเสถียรภาพกับการซ่อนพราง

สถานภาพการสร้างเรือ DDG-1000 เมื่อต้นปี พ.ศ.2556 (ภาพจาก US Naval Sea Systems Command)

ทร.สหรัฐฯ กำลังอยู่ในระหว่างการต่อเรือชุด DDG-1000 อย่างเงียบๆ ไม่ค่อยเป็นข่าวเท่าไหร่ (ข่าวความล่าช้าและปัญหาของเรือ LCS ดูจะดังกว่า) โดยมีกำหนดปล่อยเรือลำแรก (USS Zumwalt) จากทั้งหมด 3 ลำลงน้ำในปลายปีนี้ และจะขึ้นระวางประจำการหลังเสร็จสิ้นการทดสอบทดลองในปลายปีหน้า

การประกอบ Superstructure เข้ากับตัวเรือเมื่อปลายปีที่แล้ว (ภาพจาก US Naval Sea Systems Command)

เรือ DDG-1000 มีขนาดระวางขับน้ำกว่า 14,000 ตัน ความยาว 180 ม. ความกว้าง 24.6 ม. ด้วยขนาดอันมหึมาดังกล่าวทำให้ถูกมองว่าการกำหนดประเภทเรือเป็นเรือพิฆาต (DDG) ไม่ค่อยจะเหมาะสมกับขนาดเรือเท่าไหร่ แต่น่าจะเทียบได้เป็นเรือลาดตระเวณ (CG) หรือแม้กระทั่งเรือประจัญบานสมัยใหม่ได้ด้วยซ้ำ อย่างไรก็ดีเรือ DDG-1000 เน้นการใช้ระบบอัตโนมัติเพื่อลดกำลังพลประจำเรือลงเรือแค่ 130 คน ซึ่งน้อยมากเมื่อเทียบกับขนาดเรือ (เปรียบเทียบกับเรือ DDG-51 ขนาดระวางขับน้ำ 9,000 ตัน มีกำลังพลประมาณ 300 คน)

ย้อนกลับมาเรื่องเทคโนโลยีและรูปทรงตัวเรือ นอกจากเรือ DDG-1000 จะใช้เทคโนโลยีระบบอัตโนมัติเพื่อลดกำลังพลประจำเรือแล้ว ยังมีเทคโนโลยีรูปทรงตัวเรือแปลกใหม่ที่ใช้ตัวเรือแบบสอบเข้า (Tumblehome Hull) เพื่อช่วยลดการสะท้อนคลื่นเรดาร์ ซึ่งการใช้รูปทรงตัวเรือแบบนี้นับเป็นการออกแบบที่แหวกแนวไปจากเรือทั่วไปที่ใช้รูปทรงตัวเรือแบบตัววี (V Hull) หรือตัวเรือแบบบานออก (Flare Hull)

ตัวเรือสอบเข้ามีความกว้างตัวเรือด้านบนน้อยกว่าความกว้างบริเวณแนวน้ำ (ภาพจาก dtashji.wordpress.com)

รูปทรงตัวเรือแบบสอบเข้า มีลักษณะที่ตัวเรือเหนือแนวน้ำมีความกว้างน้อยกว่าตัวเรือบริเวณแนวน้ำ โดยมีความกว้างสูงสุดอยู่บริเวณแนวน้ำหรือใต้แนวน้ำเล็กน้อย ซึ่งช่วยลดการสะท้อนคลื่นเรดาร์กลับไปยังแหล่งกำเนิดด้วยการสะท้อนไปในทิศทางอื่น นอกจากจุดเด่นในการลดการสะท้อนคลื่นเรดาร์แล้ว รูปทรงตัวเรือแบบสอบเข้ายังช่วยลดความสูงของจุดศูนย์ถ่วงของเรือ (เนื่องจากมวลด้านบนมีขนาดเล็กกว่าเมื่อเทียบกับตัวเรือแบบบานออก) ทำให้ตัวเรือมีเสถียรภาพมากยิ่งขึ้นในมุมมองของ Static Stability และช่วยลดการโคลงทางข้างเนื่องจากมวลด้านข้างกราบเรือยังลดลงอีกด้วย การออกแบบรูปทรงตัวเรือแบบนี้เห็นได้บ่อยในยุคเรือใบไปจนถึงเรือ Iron Clad และเรือประจัญบานยุคแรก แต่ทำไมเราจึงมักไม่เห็นรูปทรงตัวเรือแบบนี้ในเรือรบและเรือพาณิชย์สมัยปัจจุบัน?

เรือประจัญบานในยุคแรกยังคงใช้ตัวเรือแบบสอบเข้า (ภาพจาก Wikipedia)

ตัวเรือแบบสอบเข้าช่วยลดจุดศูนย์ถ่วง และเหมาะกับการซ้อนปืนข้างกราบหลายชั้น
(ภาพจาก Minecraft Shipbuilding Tutorial)

ก่อนอื่นเรามาทำความเข้าใจเรื่องเสถียรภาพกันว่าเสถียรภาพของเรือผิวน้ำเกิดขึ้นได้อย่างไร โดยแรงที่เกี่ยวข้องกับเสถียรภาพของเรือผิวน้ำประกอบด้วยแรงลอยตัวและน้ำหนักของเรือ แรงลอยตัวเกิดจากส่วนของตัวเรือที่ “จม” อยู่ในน้ำหรือแทนที่น้ำนั่นเอง (ตามกฎของอาร์คิมิดีส คนเดียวกับที่กระโดดขึ้นร้องยูเรก้าจากอ่างอาบน้ำ) ส่วนน้ำหนักของเรือมาจากมวลของเรือทั้งหมดทั่งส่วนที่อยู่เหนือน้ำและใต้น้ำ โดยปกติแล้วจุดศูนย์ถ่วงของเรือผิวน้ำจะอยู่สูงกว่าจุดศูนย์กลางของแรงลอยตัว เนื่องจากน้ำหนักโครงสร้างตัวเรือส่วนที่อยู่เหนือน้ำจะส่งผลต่อความสูงของจุดศูนย์ถ่วง ในขณะที่จุดศูนย์กลางของแรงลอยตัวเกิดจากส่วนของตัวเรือที่จมอยู่ในน้ำเท่านั้น อย่างไรก็ดี ในขณะที่เรือเอียงจะทำให้ส่วนที่จมอยู่ใต้น้ำเปลี่ยนไป ส่งผลให้จุดศูนย์กลางของแรงลอยตัวเคลื่อนที่ตามไปด้วย ในขณะที่จุดศูนย์ถ่วงของน้ำหนักเรือยังคงอยู่ที่จุดเดิม ซึ่งการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์กลางแรงลอยตัวนี้ทำให้เกิดแขนโมเมนต์ที่ดึงเรือกลับไปตั้งตรงอยู่ได้ ดังนั้นหากจุดศูนย์ถ่วงของเรือยิ่งอยู่ต่ำก็จะทำให้เรือมีเสถียรภาพมากยิ่งขึ้น

เมื่อเรือเอียงจะทำให้จุดศูนย์กลางแรงลอยตัวเคลื่อนที่และดึงให้เรือกลับไปตั้งตรง (ภาพจาก boatdesign.net)

ข้อดีของตัวเรือแบบสอบเข้าคือการลดมวลบริเวณกราบเรือที่มีความสูง ทำให้จุดศูนย์ถ่วงของเรืออยู่ต่ำลง อย่างไรก็ดีการที่ตัวเรือเหนือแนวน้ำมีความกว้างที่ลดลงก็ทำให้ส่วนที่จมน้ำเพิ่มขึ้นในด้านที่เรือเอียงมาขนาดลดลงไปด้วย ดังนั้นถึงแม้ว่าตัวเรือแบบนี้จะช่วยลดความสูงของจุดศูนย์ถ่วง แต่ในขณะเดียวกันตัวเรือแบบสอบเข้าก็ลดการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์กลางแรงลอยตัวเมื่อเรือเอียงไปด้วย ทำให้กลายเป็นการลด Dynamic Stability ส่งผลให้เรือเอียงข้างเป็นอย่างมากเมื่อมีคลื่นลมแรงหรือเมื่อเรือหันเลี้ยวด้วยความเร็วสูง นอกจากนี้หากมีรูรั่วในตัวเรือเนื่องจากความเสียหายจากการรบหรืออุบัติเหตุ ตัวเรือเหนือแนวน้ำที่จมลงจะทำหน้าที่สร้างแรงลอยตัวขึ้นมาทดเทนแรงลอยตัวที่สูญเสียไป ซึ่งหากตัวเรือเหนือแนวน้ำมีรูปร่างสอบเข้าจะทำให้ส่วนที่จะแทนที่น้ำต้องจมลงมากขึ้นเพื่อให้ได้ปริมาตรที่เพียงพอในการสร้างแรงลอยตัวขึ้นทดแทน

เรือ Iron Clad มีตัวเรือสอบเข้าและกราบเรือต่ำ เหมาะกับการใช้งานในแม่น้ำแต่ไม่เหมาะกับสภาพคลื่นลมในทะเล
(ภาพจาก Steamboat Times)

ด้วยเหตุนี้เราจึงเห็นเรือผิวน้ำในปัจจุบันใช้รูปทรงตัวเรือแบบตัววีหรือแบบบานออกมากกว่าตัวเรือแบบสอบเข้า ซึ่งช่วยเพิ่มปริมาตร (และเพิ่มแรงลอยตัว) ในขณะที่ตัวเรือเหนือแนวน้ำจมลงแทนที่น้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเรือขนาดใหญ่ที่มีโครงสร้างตัวเรือสูงมักนิยมใช่ตัวเรือแบบตัววีหรือแบบบานออกเพื่อเพิ่มอัตราการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์กลางแรงลอยตัว มากกว่าการใช้ตัวเรือสอบเข้าเพื่อพยายามลดจุดศูนย์ถ่วง อย่างไรก็ดี ผลข้างเคียงของการใช้ตัวเรือที่ช่วยเพิ่มแรงลอยตัวโดยเฉพาะบริเวณหัวเรือจะทำให้หัวเรือโยนขึ้นลงขณะฟันคลื่น ซึ่งทำให้เกิดความล้าของตัวเรือและคนที่ปฏิบัติงานภายในเรือ

เรือ LCS-1 ใช้รูปร่าง Superstructure แบบทำมุมเพื่อลดการสะท้อนคลื่นเรดาร์ แต่ยังคงใช้ตัวเรือแบบตัววีที่สร้างแรงลอยตัวมากขึ้นเมื่อตัวเรือจมลงแทนที่น้ำ (ภาพจาก US Navy)

เมื่อเรือ DDG-1000 ขึ้นระวางประจำการในปลายปีหน้า เราคงจะได้มีข้อมูลเกี่ยวกับการใช้งานจริงว่าการออกแบบตัวเรือสอบเข้าเพื่อลดการสะท้อนคลื่นเรดาร์ตั้งแต่แนวน้ำจะส่งผลต่อเสถียรภาพของเรือภายใต้สภาพคลื่นลมในทะเลมากน้อยเพียงใด แต่การทดสอบเสถียรภาพที่แท้จริงของตัวเรือสอบเข้าคือผลกระทบต่อการลอยตัวเนื่องมาจากความเสียหายที่ทำให้น้ำเข้าตัวเรือซึ่งเราอาจไม่มีโอกาสได้เห็นจริง (แต่ก็ไม่แน่ถ้าดูจากสถิติที่เรือรบสหรัฐฯ มักตกเป็นเป้าการโจมตีและการก่อการร้าย)

การก่อสร้างเรือ DDG-1000 ใกล้แล้วเสร็จ (ภาพจาก sinodefenceforum.com)

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s