Bagaimana Sebuah Kapal Selam Berfungsi?

5215
views

Pernahkah anda tertanya-tanya bagaimana sesebuah kapal selam berfungsi?

Artikel ini akan menjelaskan bagaimana sesebuah kapal selam itu berfungsi serta proses-proses yang diperlukan di dalam sesebuah kapal selam untuk memastikan kapal selam dan kru itu sendiri pada tahap yang terbaik.

Sebelum ini, armada perang laut hanya terdiri daripada kapal-kapal permukaan air sahaja. Kini dengan kemajuan teknologi tamadun manusia membawa kepada terciptanya sebuah mesin yang mampu menyelam dan mengubah kawasan bawah permukaan laut menjadi medan perang.

Kapal selam merupakan antara alat perang yang paling ditakuti dek kerana kebolehan kapal selam untuk menyelinap masuk ke dalam kawasan musuh tanpa disedari dan juga kebolehan untuk menyerang sesebuah kapal atau lokasi tertentu tanpa mendedahkan lokasi kapal selam itu sendiri.

🌟Proses menyelam dan timbul ke permukaan.

Sesebuah kapal selam atau kapal permukaan berkebolehan untuk terapung di permukaan air adalah kerana berat air yang disesar atau digantikan (“displace”) sama dengan berat kapal tersebut. Sesaran air tersebut menghasilkan sebuah daya yang menaik ke atas iaitu daya apungan (“buoyant force”) dan ianya berlawanan dengan daya graviti yang menarik ke bawah. Tidak seperti kapal permukaan konvensional permukaan air, kapal selam mampu mengawal keapungannya justeru membolehkan ia untuk menyelam dan timbul di laut.

Bagi sesebuah kapal selam untuk mengawal keapungannya, ia memerlukan tangki pengimbang (ballast tank) dan tangki sokongan (auxillary /trim tank) yang sama ada dipenuhi dengan air atau udara.

Apabila tangki pengimbang tersebut diisi dengan udara, ia menyebabkan kapal selam itu terapung oleh kerana ketumpatan keseluruhan kapal selam menjadi lebih kurang daripada ketumpatan air di sekelilingnya. Dan apabila tangki pengimbang tersebut diisi dengan air, ia menyebabkan ketumpatan kapal selam lebih tinggi daripada ketumpatan air di sekelilingnya justeru membolehkannya untuk menyelam (“negative buoyancy”).

Manakala untuk kapal selam kekal mendatar di mana-mana kedalaman air ketika menyelam, keseimbangan di antara air dan udara dikekalkan di dalam tangki pengimbang (ballast tank) dan tangki sokongan (trim tank). Ini kerana supaya ketumpatan keseluruhan kapal selam tersebut sama seperti ketumpatan air di sekelilingnya (“neutral buoyancy”).

Seterusnya, apabila kapal selam ingin timbul ke permukaan, udara akan dipam ke dalam tangki pengimbang (ballast tank) justeru menggantikan atau mengeluarkan air dari dalam tangki tersebut sehingga ketumpatan keseluruhan kapal selam tersebut kurang daripada ketumpatan air di sekelilingnya (“positive buoyancy”).

Selain itu, jika berada di dalam situasi kecemasan yang memerlukan kapal selam segera timbul ke permukaan, tangki pengimbang (ballast tank) akan diisi oleh udara bertekanan tinggi untuk membolehkan kapal selam tersebut timbul ke permukaan air dengan lebih cepat.

Rajah menunjukkan proses selaman dan timbul ke permukaan.
https://c2.staticflickr.com/4/3928/32427507633_846e3c7117_o.png
Rajah dari pandangan sisi proses selaman dan timbul ke permukaan.
http://linghunt.com/101Spearfishing/101Physics/submarine.jpg

🌟 Sistem sokongan hidup.

Sistem sokongan hidup di dalam kapal selam mempunyai 3 elemen penting iaitu;

  1. Mengekalkan kualiti udara
  2. Mengekalkan bekalan air bersih
  3. Mengekalkan suhu di dalam kapal selam

💥Mengekalkan kualiti udara di dalam kapal selam.

Manusia bernafas dengan udara yang mempunyai 4 jenis gas. Ia terdiri daripada gas nitrogen 78%, oksigen 21%, argon 0.94 %, karbon dioksida 0.04%. Apabila manusia bernafas, oksigen yang terkandung di dalam udara digunakan dan paru-paru kemudian akan menukarkan kepada karbon dioksida.

Pernafasan yang dihela keluar oleh manusia mengandungi kira-kira 4.5% karbon dioksida. Oleh kerana kapal selam adalah seperti bekas yang tertutup, pengurangan oksigen dan penggumpulan karbon dioksida boleh berlaku justeru boleh menyebabkan kru sesak nafas.

Terdapat 3 perkara yang boleh dilakukan bagi mengekalkan kualiti udara di dalam kapal selam;

– Bekalan oksigen perlu sentiasa ditambah sama seperti penggunaannya

– Karbon dioksida perlu disingkirkan dari udara

– Kelembapan di sebabkan helaan pernafasan perlu disingkirkan.

Sumber oksigen boleh diperoleh sama ada daripada tangki-tangki oksigen bertekanan tinggi dan penggunaan mesin penjana oksigen (generator) yang menggunakan teknik hidrolisis. Serba sedikit tentang mesin penjana oksigen yang menggunakan teknik hidrolisis tersebut, ia membabitkan proses penggunaan tenaga arus elektrik kepada air yang dikumpul oleh kapal selam. Apabila arus elektrik dikenakan atau dilalukan kepada air, ia memecahkan molekul air tersebut menjadi gas hidrogen dan oksigen. Seperti yang kita tahu, air terdiri daripada gabungan di antara atom hidrogen dan oksigen (H2O), justeru penghasilan 2 atom hidrogen dan 1 atom oksigen.

Seterusnya, penyingkiran gas karbon dioksida dari udara pula dilakukan dengan sebuah alat yang dinamakan (‘scrubber’). Ia membabitkan proses penggunaan reaksi larutan bahan kimia di antara natrium hidroksida, kalsium hidoksida atau lithium hidroksida. Proses ini menyebabkan gas karbon dioksida terperangkap dan disingkirkan dari udara dengan berkesan.

Manakala bagi menyingkirkan lembapan (moisture) ianya boleh dilakukan dengan menggunakan alat penyahlembapan (dehumidifier) atau ianya juga dapat dilakukan dengan menggunakan reaksi bahan kimia.

Rajah proses hidrolisis. Arus eletrik digunakan bagi memecahkan molekul air (H2O) kepada gas hidrogen dan oksigen. Dan disebabkan terdapat 2 atom hidrogen, dan 1 atom oksigen, belon gas hidrogen di dalam rajah ini, lebih besar berbanding belon gas oksigen.

💥 Mengekalkan bekalan air bersih.

Kebanyakan kapal selam mempunyai alat atau mesin yang berkebolehan menyuling air laut menjadi air tawar. Prosesnya sangat mudah, ia melibatkan air laut tersebut dipanaskan sehingga menjadi wap air, proses ini bagi membuang kandungan garam daripada air laut tersebut.

Seterusnya, wap air tanpa garam tersebut akan melalui tiub yang kemudian disejukkan. Air tawar yang terhasil dari proses ini dikumpulkan ke sebuah tangki berasingan. Kegunaan air ini adalah sama ada untuk menyejukkan suhu peralatan kapal selam atau kegunaan kru kapal selam itu sendiri seperti memasak, minum, penjagaan diri dan sebagainya.

Rajah proses menyuling air dengan teknik “vapor compression”. https://www.aquatechnology.net/Vapor1.jpg

🌟 Sumber tenaga kapal selam.

Terdapat dua jenis kapal selam yang terbahagi melalui perbezaan penjanaan sumber tenaganya. Iaitu, kapal selam berkuasa nuklear & kapal selam hibrid berenjin diesel elektrik.

💥 Kapal selam berkuasa nuklear.

Kapal selam berkuasa nuklear, mempunyai tempoh selaman yang sangat lama dan ianya tidak memerlukan pengisian semula bahan api seperti kapal selam berenjin diesel. Enjin kapal selam ini, dikuasakan oleh reaktor nuklear.

Seperti yang kita tahu, reaksi nuklear menghasilkan tenaga haba yang sangat banyak. Haba yang terhasil ini kemudian digunakan untuk memanaskan air bagi menghasilkan stim. Stim yang terhasil pula digunakan sama ada untuk memutarkan gear untuk menggerakkan bebaling (propeller) untuk kuasa tujahan kapal selam, atau memutarkan turbin-turbin penjana elektrik. Elektrik yang dijana melalui putaran turbin ini pula, digunakan untuk memberi tenaga bagi seluruh kapal selam ini dan peralatannya berfungsi.

Salah satu contoh, ialah kapal selam berkuasa nuklear dari kelas Ohio milik Tentera Laut Amerika Syarikat (US Navy). Ia mempunyai kelebihan masa beroperasi yang sangat lama, dan hanya terhad oleh kerana bekalan makanan kru sahaja. Kapal selam ini juga turut membawa misil balistik (SLBM, Sea Launch Ballistic Missile) yang berkebolehan mencapai sasaran 7,000-11,000 KM jauhnya. Oh ya, misil balistik ini juga berkuasa nuklear.

Rajah kapal selam berkuasa nuklear.

Fakta: Terdapat beberapa kemalangan yang melibatkan kapal selam berkuasa nuklear. Dan yang paling dikenali adalah kemalangan yang melibatkan kapal selam USS Thresher (SSN-593) milik Amerika Syarikat serta K-141 Kursk milik Rusia. Takziah kepada mereka yang terkorban.

USS Thresher. Gambar diambil 30 April 1961. Karam dilautan pada 10 April 1963, mengorbankan 129 kru.
K141 Kursk, gambar setelah dikeluarkan dari dasar laut. K141 Kursk karam pada 12 Ogos 2000, mengorbankan 118 kru.

💥 Kapal selam hibrid berenjin diesel elektrik.

Di sini, saya ingin membuat kapal selam dari jenis Scorpene sebagai contoh. Ini kerana kapal selam Scorpene yang turut terdapat di dalam kelengkapan armada laut Tentera Laut DiRaja Malaysia ini merupakan kapal selam dari jenis ini dan ianya mempunyai kelebihannya tersendiri.

Berbalik kepada artikel, kapal selam hibrid berenjin diesel elektrik ini, jika dilihat diatas kertas, mungkin tidak terbanding dengan kapal selam berkuasa nuklear yang tidak memerlukan pengisian semula bahan api, penyelenggaraan yang kerap serta kebolehan beroperasi untuk masa yang sangat lama dan kebolehan beroperasi pada paras laut yang sangat dalam.

Walaubagaimanapun, disebabkan oleh harga serta kos penyelenggaraannya yang murah berbanding kapal selam berkuasa nuklear, kapal selam berenjin diesel ini masih kekal relevan di mata industri pertahanan. Selain itu, saiz kapal selam berenjin diesel ini lebih kecil berbanding kapal selam berkuasa nuklear justeru memudahkan pergerakan di dalam laut.

Tetapi, enjin diesel merupakan sebuah enjin konvensional yang memerlukan oksigen untuk proses pembakaran bahan api, sudah tentu ia memerlukan oksigen untuk berfungsi, jadi bagaimana enjin diesel ini berfungsi jika menyelam itu, menterhadkan perolehan oksigen?

Jawapannya mudah, kapal selam berenjin diesel ini, mempunyai 2 buah atau lebih enjin diesel. Jadi kapal selam berenjin diesel elektrik ini boleh menggunakan 1 buah enjin untuk memberi kuasa kepada motor elektrik yang menggerakkan bebaling (propeller) untuk kuasa tujahan, dan 1 buah enjin lagi, digunakan untuk membekalkan tenaga kepada penjana elektrik yang kemudian mengecas simpanan bateri utama.

Pada ketika ini, kapal selam tersebut perlu berada pada paras snorkel untuk membolehkan oksigen dibekalkan kepada enjin diesel no.1 yang memberi tenaga kepada motor elektrik demi untuk menggerakkan bebaling untuk kuasa tujahan. Setelah selesai proses pengecasan bateri dari enjin diesel no.2 yang bertindak sebagai penjana elektrik, tenaga elektrik dari simpanan bateri utama ini kemudian digunakan oleh kapal selam untuk kuasa tujahan ketika menyelam selain membekalkan tenaga kepada peralatan kapal selam tersebut.

Kini dengan kemajuan teknologi, kapal selam Scorpene tidak lagi perlu untuk berada pada paras snorkel untuk membekalkan oksigen kepada enjin diesel elektrik untuk kuasa tujahan.

Rajah kapal selam hibrid berenjin diesel elektrik.

Ini kerana teknologi AIP (Air-independent propulsion) yang membolehkan enjin diesel berfungsi tanpa bekalan oksigen yang diperoleh dari atmosfera dimana bateri elektriknya dicas dengan janakuasa diesel yang mendapat bekalan udara dari kanister kanister oksigen atau pengecasan bateri elektrik dibuat dengan menggunakan sel bahan api bebas udara seperti yang diterapkan pada sistem AIP MESMA. Ia tidak secara langsung meningkatkan tahap siluman platform bawah permukaan tersebut tetapi memanjangkan jangka masa selaman platform tersebut dibawah permukaan.

Bagi Scorpene milik TLDM pula, terdapat rancangan untuk menambah baik atau menaiktaraf KD Tunku Abdul Rahman dan KD Tunku Abdul Razak untuk membolehkan kedua-dua buah kapal selam ini mengaplikasikan sistem AIP. Justeru meningkatkan kebolehannya menjaga perbatasan negara.

Akan tetapi, suatu halangan terbesar proses naik taraf adalah kerana terdapat beberapa ahli politik yang mempertikaikan kebolehan Scorpene ini serta persepsi buruk dari rakyat Malaysia sendiri, walaupun telah banyak artikel dikeluarkan oleh mereka yang berpengalaman luas tentang kapal selam. Mungkin rakyat Malaysia boleh melancarkan tabung khas bagi menyumbang kepada dana penambahbaikkan aset pertahanan negara.

Funfact: Tahukah anda, ketika latihan ketenteraan (war game) di antara US Navy dan Tentera Laut Sweden, kapal selam milik Sweden HSMS Gotland berjaya menyusup masuk ke dalam formasi US Navy dan berjaya “memusnahkan” aircraft carrier US Navy beberapa kali tanpa dikesan. Ini membuktikan kapal selam hibrid diesel-elektrik sangat ampuh dan mempunyai kelebihannya tersendiri.

🌟 Sistem Navigasi.

Seperti yang anda tahu, cahaya matahari tidak menembusi laut dengan baik. Semakin dalam laut itu, semakin kurang cahaya matahari dapat menembusinya. Jadi boleh dikatakan bahawa sesebuah kapal selam berada dalam keadaan “buta” apabila berada dibawah permukaan laut. Akan tetapi, dengan kemajuan teknologi navigasi yang canggih, sofistikated serta carta navigasi yang tepat, keadaan ini tidak menjadi masalah kepada sesebuah kapal selam.

Apabila berada di permukaan laut, sesebuah kapal selam bernavigasi dengan menggunakan GPS (Global Positioning System) untuk kebolehan menentukan longitud dan latitud dengan tepat. Bukan menggunakan aplikasi Waze atau Google Maps ya. Tetapi, sistem GPS ini tidak dapat berfungsi apabila kapal selam itu dibawah permukaan laut.

Seterusnya, apabila kapal selam berada di bawah permukaan laut, ia bernavigasi dengan sistem panduan inersia. (Inertial Guidance System). Sistem ini adalah sistem navigasi kolektif yang menggunakan kuasa pemprosesan komputer serta mekanikal seperti giroskop dan akselerometer. Sistem ini mengawal dan mengira halatuju kapal selam dengan lokasi yang ingin dituju.

Bagi mengesan dan mengenal pasti kedudukan musuh, sistem sonar digunakan (sound navigation and ranging). Sonar terbahagi kepada dua iaitu sonar aktif dan sonar pasif;

Sonar aktif merupakan proses mengeluarkan gelombang bunyi yang akan menjelajah kawasan laut sekitarnya. Gelombang bunyi tersebut, jika bertemu dengan kapal selam musuh atau objek bawah laut seperti batu, ia akan terpantul semula kepada kapal selam yang menghasilkan gelombang bunyi itu tadi.

Dengan mengetahui kelajuan dan masa yang diambil untuk gelombang bunyi tersebut “pergi dan balik”, komputer boleh mengira jarak diantara kapal selam dan sasaran (kapal selam musuh atau batuan bawah laut).

Manakala bagi sonar pasif pula, ia membabitkan proses mendengar gelombang bunyi yang dihasilkan kapal-kapal musuh.

Funfact: Tahukah anda bahawa haiwan seperti ikan paus, dolphin, dan kelawar turut menggunakan gelombang bunyi yang dipanggil (echolocation) untuk pergerakan dan mencari mangsa.

Bilik kawalan pemanduan, USS Seawolf (SSN 21)
Bilik kawalan sonar USS
Ilustrasi sonar kapal selam dan “echolocation” oleh haiwan. Gelombang berwarna kuning dikeluarkan oleh kapal selam dan haiwan, manakala gelombang berwarna merah ialah apa yang dipantulkan permukaan bawah laut atau haiwan lain.

Akhir kata, kapal selam merupakan senjata pertahanan & serangan yang sangat ampuh di medan perang serta dilengkapi dengan teknologi-teknologi terkini.

Dan sedikit pesanan kepada rakyat Malaysia, janganlah kita mengganggap remeh pengorbanan anggota tentera yang menjaga perbatasan negara ini. Serta jangan politikkan isu mengenai kedaulatan negara. Kerana kedaulatan negara yang kita nikmati pada hari ini, adalah hasil perjuangan dengan keringat dan darah.

Sekian, terima kasih.

Rujukan & Bacaan lanjut:

https://science.howstuffworks.com/transport/engines-equipment/submarine.htm

https://www.explainthatstuff.com/submarines.html

https://wonderopolis.org/wonder/how-does-a-submarine-work-2

https://www.popularmechanics.com/military/navy-ships/amp19784775/gotland-class-sub-ronald-reagan-war-games/