1. Wprowadzenie

Dowództwo Kriegsmarine po raz pierwszy z koncepcją urządzenia znanego później jako chrapy (z niem. schnorchel) zetknęło się w roku 1933, kiedy to profesor Hellmuth Walter przedstawił projekt szybkiego okrętu podwodnego z napędem niezależnym od powietrza atmosferycznego. Napęd stanowiły silniki wysokoprężne wykorzystujące do spalania podczas pływania w zanurzeniu tlen pochodzący z rozkładu nadtlenku wodoru. Powodem dla którego Walter wyposażył swój okręt w pierwowzór schnorchela był nowatorski, opływowy kształt kadłuba, zoptymalizowany do pływania podwodnego. Aby wykorzystać to, że okręt posiadał większą prędkość pod wodą niż na powierzchni, powietrze do silników podczas pływania na głębokości peryskopowej miało być doprowadzane właśnie przez chrapy. Dodatkowo, opływowy kadłub, bez górnego pokładu oraz wysokiego kiosku, był zalewany przez fale podczas pływania nawodnego nawet przy małej prędkości. Aby umożliwić swobodny dopływ powietrza do wnętrza okrętu bez ryzyka jego zalania, Walter zastosował wysuwany maszt powietrzny.

Kolejny raz chrapy pojawiły się za sprawą holenderskich okrętów podwodnych O 25, O 26, O 27¹, przechwyconych przez Kriegsmarine w 1940 roku. Na okrętach tych holenderska marynarka wojenna zainstalowała eksperymentalne chrapy. W 1941 roku, okręt O 26, już pod nowym oznaczeniem UD 4, został skierowany przez UAK² do przetestowania tego urządzenia. W wyniku tych prób władze marynarki uznały, że nie ma sensu rozwijać dalej takiego systemu³.

Idea schnorchela powróciła na początku marca 1943 roku, w czasie dyskusji Głównodowodzącego U-Bootwaffe Karla Dönitza z Hellmuthem Walterem na temat dalszego rozwoju okrętów z napędem Waltera oraz wysokich stratach konwencjonalnych U-Bootów. Walter ponownie przedstawił pochodzącą z 1933 roku koncepcję napędu zanurzonego okrętu przez silniki wysokoprężne zasysające powietrze przez maszt powietrzny. Zaintrygowany Dönitz poprosił o rozwinięcie tego pomysłu. 19 marca 1943 roku Walter opisał w liście do Dönitza projekt instalacji, składającej się z teleskopowego masztu powietrznego wysuwanego podobnie jak peryskop, zamykanego od góry automatycznym, pływakowym zaworem⁴. Zaproponował przeprowadzenie prób praktycznych na okrętach typu IIB oraz doświadczalnym okręcie typu XVII. Propozycja została przyjęta, i w czerwcu 1943 roku pierwsze rysunki konstrukcyjne trafiły do zakładów DWK⁵. Eksperymentalne chrapy zostały zainstalowane w miejscu tylnego (bojowego) peryskopu na okrętach szkolnych U 57⁶ i U 58⁷ (typ IIC) stacjonujących w Gdyni, i w sierpniu 1943 roku przeprowadzono pierwsze próby, które wykazały, że użycie schnorchela - gdy okręt prowadzony jest ostrożnie - nie musi odbić się na bezpieczeństwu okrętu i zdrowiu załogi.

W sierpniu Dowództwo Kriegsmarine zamówiło w stoczni Germaniawerft w Kilonii 20 zestawów chrap dla okrętów typu VIIC. Pierwsze dwie prototypowe sztuki zostały w końcu września 1943 roku zainstalowane na przebywających w remoncie okrętach U 236 i U 237. Zamontowane były tuż przed kioskiem od strony prawej burty. W przeciwieństwie do późniejszych wersji, opuszczone maszty spoczywały na pokładzie (nie były chowane do zagłębienia w pokładzie). W połowie października zmodyfikowane chrapy zostały zainstalowane na U 235⁸ - przed kioskiem, od strony lewej burty. Opuszczone - były częściowo chowane pod górnym pokładem.

Cztery komplety chrap tego typu zostały wysłane do 29. Flotylli w Tulonie, a jedenaście oddano do dyspozycji F.d.U West⁹, które rozdzieliło je następująco: 4 do St. Nazaire¹⁰, 4 do Brestu, 2 do La Pallice, 1 do Kilonii. Ostatnie dwa komplety z pierwszej serii chrap zostały zmodyfikowane tak, że po opuszczeniu były całkowicie schowane pod górnym pokładem. Chrapy montowano w pierwszej kolejności na okrętach wyposażonych w silniki G.W.¹¹ Zamówienie na 100 kompletów chrap dla okrętów typu VIIC rozdzielono pomiędzy stocznie Germaniawerft, Deutsche Werke Kiel A.G., Blohm & Voβ i Vegesacker Werft¹².

Rysunki konstrukcyjne schnorchela dla okrętów typu IX zostały ukończone w stoczni Deshimag Werk A.G. Weser w połowie września 1943 roku. W tych samych zakładach zamówiono pierwszą serię 20 chrap dla okrętów typu IX. Do końca wojny chrapy zainstalowano na 68 okrętach typu IX, z czego 47 na okrętach znajdujących się w Niemczech, a 21 na okrętach we Francji¹³.

Montaż chrap na kolejnych U-Bootach rozpoczął się na przełomie lat 1943/1944. Różnice konstrukcyjne pomiędzy poszczególnymi typami okrętów wymuszały odmienne miejsca montażu składanego masztu powietrznego. Tam gdzie to możliwe, starano się go instalować od strony prawej burty, obok kiosku, na wysokości peryskopu bojowego (tylnego) (na okrętach typu IXC oraz XIV), peryskopu nawigacyjnego (przedniego) (typ IXC/40) lub za peryskopami (typ XB). Najlepsza lokalizacja - na śródokręciu, za peryskopami - możliwa była jedynie na nowo projektowanych okrętach typu XXIII i XXI. Chrapy znajdowały się w najgorszym miejscu na U-Bootach typu VIIC, gdzie maszt schnorchela zainstalowany był od lewej strony, tuż przed kioskiem, a głowica chrap oraz usuwane spaliny zasłaniały przednie pole widzenia peryskopów. Na okrętach typu II (wykorzystywanych do szkolenia) chrapy zainstalowane były w miejscu tylnego (bojowego) peryskopu.

2. System wentylacyjny oraz pobierania powietrza dla silników wysokoprężnych i wydechu spalin okrętów typu VII

System wentylacji przedziałów składał się z dwóch równoległych, biegnących przez całą długość okrętu, kanałów wentylacyjnych. Jeden z nich (prawo-burtowy) pełnił funkcję kanału nawiewnego - dostarczał świeże powietrze do przedziałów, drugi z nich (lewo-burtowy) był kanałem wywiewnym - usuwał powietrze zużyte. Każdy kanał w miejscu przejścia przez gródź ciśnieniową lub wodoszczelną posiadał zawór izolacyjny (obsługiwany z obydwu stron grodzi), umożliwiający zamknięcie kanału w przypadku konieczności odizolowania przedziału (na wypadek przecieku lub obecności trujących gazów). Każdy kanał posiadał swój własny wentylator wymuszający obieg powietrza. Wentylatory te umieszczone były w przedniej części przedziału silników wysokoprężnych. Kanały te były także ze sobą połączone - co umożliwiało zastosowanie konfiguracji zamkniętego obiegu powietrza podczas pływania w zanurzeniu oraz użycie potasowych pochłaniaczy dwutlenku węgla do regeneracji powietrza. W przedziale silników wysokoprężnych, tuż przy wentylatorach, obydwa kanały wentylacyjne posiadały odgałęzienia przechodzące przez kadłub sztywny na zewnątrz. Jedno odgałęzienie służyło do doprowadzania świeżego powietrza atmosferycznego, drugie - do usuwania zużytego powietrza z wnętrza okrętu. Na zewnątrz kadłuba sztywnego przewody te poprowadzone były pod górnym pokładem aż do obudowy kiosku gdzie kończyły się głowicami nawiewnymi oraz wyciągowymi na wysokości pokładu pomostu. Do zamykania tych przewodów służyły po dwa zawory - górne - obsługiwane z centrali i zamykające głowice oraz dolne - obsługiwane z przedziału silników wysokoprężnych, zamykające przewody w miejscu przechodzenia przez kadłub sztywny.

System pobierania powietrza dla silników wysokoprężnych zbudowany był z pojedynczego kanału biegnącego na zewnątrz kadłuba sztywnego, kończącego się głowicą nawiewną w tylnej części obudowy kiosku. Do wnętrza okrętu przechodził w przedziale silników wysokoprężnych, tuż za zaworami kanałów wentylacyjnych. Tam rozgałęział się i biegł w dół, wzdłuż obu burt kadłuba do poziomu płyt pokładu. Zamykany był dwoma zaworami - górnym, obsługiwanym z centrali, zamykającym głowicę nawiewną w kiosku oraz dolnym - obsługiwanym z przedziału silników wysokoprężnych, zamykającym przewód w miejscu przechodzenia przez kadłub sztywny.

Spaliny wytwarzane podczas pracy przez dwa silniki wysokoprężne wyprowadzane były na zewnątrz poprzez dwa niezależne kolektory spalinowe. Na zewnątrz kadłuba sztywnego, tuż przed tłumikami wydechu, kolektory posiadały odgałęzienia, które łączyły się w jeden przewód poprowadzony pod górnym pokładem, po prawej stronie, w kierunku kiosku. Przewód ten prowadził do rozdzielacza szasu - skrzyni zaworowej, od której odchodziły przewody do poszczególnych zbiorników balastowych. Ta część instalacji służyła do szasu spalinami - opróżniania zbiorników balastowych z resztek wody, gdy okręt był już wynurzony wystarczająco aby uruchomić silniki spalinowe¹. Zawory rozdzielacza szasu były obsługiwane z wnętrza centrali - przez kadłub sztywny przechodziło 8 wrzecion zaworów (dwa zawory dla zbiorników balastowych dziobowego i rufowego, dwa zawory dla zbiornika balastowego na śródokręciu i po jednym zaworze na każdą połówkę dwóch siodłowych zbiorników balastowo-paliwowych).

3. System wentylacyjny oraz pobierania powietrza dla silników wysokoprężnych i wydechu spalin okrętów typu IX

System wentylacji przedziałów okrętów typu IX był w zasadzie identyczny jak opisany wcześniej system wentylacyjny okrętów typu VII. Również składał się z dwóch równoległych, biegnących przez całą długość okrętu kanałów wentylacyjnych: nawiewnego (prawoburtowy) i wywiewnego (lewoburtowy) oraz wentylatorów. W przedziale silników wysokoprężnych, tuż przy wentylatorach, obydwa kanały wentylacyjne posiadały odgałęzienia przechodzące przez kadłub sztywny na zewnątrz, gdzie prowadziły dalej pod górnym pokładem aż do obudowy kiosku i kończyły się głowicami: nawiewną oraz wywiewną na wysokości pokładu pomostu. Do zamykania tych przewodów służyły zawory górne, zamykające przewody w miejscu głowic oraz dolne - zamykające przewody w miejscu przechodzenia przez kadłub sztywny. Wszystkie zawory obsługiwane były z wnętrza przedziału silników spalinowych.

System pobierania powietrza dla silników wysokoprężnych na okrętach typu IX zbudowany był z dwóch kanałów. Biegły one na zewnątrz kadłuba sztywnego, od obudowy kiosku, a do wnętrza okrętu przechodziły na wysokości przedziału silników wysokoprężnych, tuż za zaworami kanałów wentylacyjnych. Następnie kanały poprowadzone były w dół, wzdłuż obydwu burt do poziomu płyt pokładu. Podobnie jak w przypadku kanałów systemu wentylacji przedziałów, kanały były zamykane dwoma zestawami zaworów - górnymi i dolnymi, obsługiwanymi odpowiednio z centrali i z przedziału silników wysokoprężnych.

Instalacja wydechowa oraz szasu spalinami wyglądała podobnie jak na okrętach typu VII.

4. Chrapy na okrętach typu VII i IX

Na okrętach typu VII instalowano chrapy, które z powodu ograniczeń konstrukcyjnych składały się z umieszczonego przed kioskiem masztu powietrznego, który mógł być opuszczany (kładziony) na przedni pokład. Lokalizacja ta wynikała z konieczności podparcia masztu po jego postawieniu - aby maszt nie złamał się pod naporem wody podczas pływania podwodnego, musiał być podparty od tyłu, a górny pokład był za wąski w rejonie kiosku, aby maszt zainstalować tuż obok kiosku. Natomiast na okrętach typu IX, XB i XIV kadłub sztywny oraz górny pokład były wystarczająco szerokie, aby postawiony maszt mógł być zlokalizowany obok kiosku, gdzie nie ograniczał pola widzenia peryskopu nawigacyjnego (przedniego).

Maszt powietrzny zbudowany był z dwóch umieszczonych obok siebie rur, obudowanych wspólną, opływową osłoną. Jedna rura była przeznaczona do pobierania powietrza, druga - do usuwania spalin. Rura doprowadzająca powietrze miała tak dobraną długość, że podczas pływania pod chrapami jej górny koniec znajdował się nad powierzchnią wody. Na jej górnym końcu umieszczony był zawór pływakowy. Druga rura - odprowadzenie spalin - była nieco krótsza - podczas pływania pod chrapami wylot spalin znajdował się tuż pod powierzchnią wody.

Dolna część masztu powietrznego była zamontowana przegubowo do podstawy na górnym pokładzie okrętu. W pierwszych wersjach maszt był podnoszony i opuszczany za pomocą wciągarki obsługiwanej ręcznie z wnętrza okrętu, jednak szybko wprowadzono podnośnik hydrauliczny, zasilany z instalacji hydraulicznej wind peryskopów.

Chrapy posiadały dwie blokady, które umożliwiały unieruchomienie masztu chrap - zarówno postawionego jak i opuszczonego na górny pokład. Pierwsza blokada była obsługiwana z centrali, druga - z mesy podoficerskiej.

Na okrętach typu VII i IX używane były dwie wersje masztu powietrznego, które różniły się sposobem podłączenia rury doprowadzającej powietrze. W pierwszej wersji (instalowanej na części U-Bootów typu VIIC oraz na U-Bootach typu IXC/40 i IXD2) maszt powietrzny posiadał kołnierz - mniej więcej na wysokości pokładu pomostu. Z kolei na obudowie kiosku, na tej samej wysokości, znajdował się poziomy odcinek rury, z jednej strony kończący się w miejscu, gdzie znajdował się kołnierz podniesionego masztu, z drugiej strony podłączony do głowicy nawiewnej wentylacyjnego kanału doprowadzającego powietrze do wnętrza okrętu¹. Dodano także połączenie pomiędzy kanałem wentylacyjnym a kanałem doprowadzającym powietrze do silników spalinowych (prawoburtowym, w przypadku okrętów typu IX). Zatem do prawidłowego działania instalacji należało otworzyć górny (zewnętrzny) zawór dolotowego kanału wentylacyjnego oraz dolny (wewnętrzny) zawór kanału wentylacyjnego lub dolny (wewnętrzny) zawór kanału doprowadzającego powietrze do silników wysokoprężnych. Preferowany był kanał doprowadzający powietrze do silników spalinowych - niewielkie ilości wody które mogły się dostać do tego przewodu były odprowadzane bezpośrednio do zęzy przedziału silników wysokoprężnych. W przypadku użycia kanału wentylacyjnego - woda przeciekałaby do kanałów wentylacyjnych, zagrażając silnikom wentylatorów oraz mogąc spowodować zalanie baterii akumulatorów.

Druga wersja konstrukcji (instalowana na części U-Bootów typu VIIC oraz na U Bootach typu IXC) doprowadzała powietrze przez dławnicę w przegubowej podstawie masztu powietrznego. Stamtąd poziomy odcinek rury biegł pod górnym pokładem, obok kiosku i łączył się z przewodem doprowadzającym powietrze do silników spalinowych (prawoburtowym, w przypadku okrętów typu IX).

W obydwu wersjach, na poziomym odcinku rury doprowadzającej powietrze zainstalowany był zawór zamykający przewód gdy chrapy były złożone lub nieużywane.

Przewód odprowadzający spaliny odgałęział się tuż przed rozdzielaczem szasu, i biegł nad górnym pokładem poprzez zawór odcinający do podstawy chrap, gdzie poprzez dławnicę łączył się z rurą w maszcie powietrznym.

5. Zawór głowicy chrap

Jednym z ważniejszych elementów chrap był zawór pływakowy. Miał on zamykać wlot powietrza, i nie dopuszczać do wtargnięcia wody do wnętrza okrętu w przypadku zanurzenia głowicy chrap na skutek np. błędu sternika głębokości lub zalania przez większą falę.

Podczas prób na okręcie U 58 przetestowano zawory pierścieniowe i kulowe. Zawór pierścieniowy został odrzucony, ponieważ wpuszczał do wnętrza okrętu znacznie większe ilości wody niż zawór kulowy. Ponadto, ze względu na stosunkowo małą masę często się zacinał - po uwolnieniu spod fali pozostawał zamknięty zbyt długo. Do dalszych prac rozwojowych które trwały do końca września, wybrano zawór kulowy. Zawór pierścieniowy miał tę przewagę nad zaworem kulowym, że jego cylindryczna powierzchnia była dużo mniejsza, i łatwiejsza do okrycia przez wykładziny pochłaniające promieniowanie radarowe.

Po przejściowym okresie używania zaworu kulowego, w końcowym okresie wojny powrócono do zaworu pierścieniowego (był trudniej wykrywalny przez radar) oraz zaczęto wprowadzać zawór elektro-pneumatyczny. Mniejszy, bardziej niezawodny od zaworu kulowego, z powodu zakończenia wojny został zainstalowany jedynie na kilkunastu okrętach. Pływakowe zawory kulowe i pierścieniowe, były czysto mechanicznymi urządzeniami - zamykane były przez pływak w momencie zalania przez falę, otwierały się - gdy fala ustąpiła - pod wpływem siły ciężkości działającej na pływak. Z powodu podciśnienia wewnątrz okrętu wytwarzanego przez pracujące silniki, zawory te często zacinały się w pozycji zamkniętej. Zawór elektro-pneumatyczny był natomiast sterowany elektrycznie, zamykany przez sprężynę, a otwierany siłownikiem pneumatycznym, zasilanym przez elektrozawór z instalacji niskiego ciśnienia. Na samym szczycie głowicy znajdował się czujnik elektryczny - dwie oddalone od siebie elektrody, które zamykały obwód sterujący w przypadku zalania przez wodę morską. Częścią obwodu sterującego był układ opóźniający, umożliwiający dostosowanie czasu, po jakim zawór miał się zamknąć - dzięki temu unikano chwilowych zamknięć zaworu w przypadku niewielkich fal zalewających głowicę. Jednak gdy głowica chrap znajdowała się pod wodą zbyt długo, obwód sterujący zamykał elektrozawór, odcinając dopływ sprężonego powietrza do siłownika zaworu, umożliwiając sprężynie zamknięcie zaworu głowicy chrap. Gdy czujnik wykrył, że głowica znajduje się ponad powierzchnią wody wystarczająco długo, obwód sterujący otwierał elektrozawór, umożliwiając dopływ powietrza do siłownika pneumatycznego, który z kolei otwierał zawór głowicy chrap. Dodatkowy ręczny zawór sterujący, umożliwiał awaryjne otwarcie lub zamknięcie zaworu głowicy (np. w przypadku awarii układu sterującego).

6. Chrapy a silniki wysokoprężne

Wylot spalin masztu powietrznego w trakcie używania chrap znajdował się około 1 metr pod powierzchnią wody. Oznaczało to, że silnik spalinowy musiał pokonać większe niż w trakcie pływania na powierzchni ciśnienie wsteczne spalin (dodatkowe około 0,1 atm czyli 75 mm Hg), co prowadziło do spadku jego mocy. Wraz ze zmianami zanurzenia wylotu spalin wynikających z falowania powierzchni morza lub błędów w utrzymaniu głębokości zmieniało się ciśnienie wsteczne spalin. Sprawiało to problemy w przypadku silników doładowywanych turbosprężarkami (niektóre silniki M.A.N.) - gdy wzrastało ciśnienie wsteczne, prędkość turbiny sprężarki spadała, co z kolei prowadziło do mniejszego doładowania silnika. Spadek obrotów silnika był automatycznie kompensowany przez regulator odśrodkowy zwiększeniem dawki paliwa, co jednak jeszcze bardziej pogarszało sytuację wobec niedostatecznej ilości powietrza wymaganej do całkowitego spalenia. Problem ten został częściowo rozwiązany poprzez zmniejszenie tzw. kąta przekrycia zaworów silnika (czasu współotwarcia zaworów lub pokrycia faz rozrządu)¹ - ze 130 do 44 stopni - co pozwoliło zwiększyć ciśnienie spalin kosztem zwiększenia temperatury spalin i spadku mocy silnika.

Fazy rozrządu silników wysokoprężnych M.A.N. M6V40/46 i M9V40/46 używanych na okrętach typu VIIC, IX oraz XXI.²

DMP (dolny martwy punkt) skrajne dolne położenie tłoka w cylindrze, położenie to odpowiada największej objętości przestrzeni roboczej cylindra.
GMP (górny martwy punkt) skrajne górne położenie tłoka w cylindrze, położenie to odpowiada najmniejszej objętości przestrzeni roboczej cylindra.

Ciśnienie wsteczne oraz temperatura spalin silników wysokoprężnych M.A.N. M6V40/46 i M9V40/46 używanych na okrętach typu VIIC, IX oraz XXI³.

W praktyce zrealizowane to było poprzez wymianę wału rozrządu sterującego zaworami silnika podczas pracy „wstecz" na wał przeznaczony do pracy podczas pływania w zanurzeniu⁴⁵.

Dużo większą tolerancję na zmiany ciśnienia wstecznego spalin miały silniki doładowywane sprężarkami napędzanymi mechanicznie od wału silnika (silniki G.W. oraz niektóre silniki M.A.N.) - w nich nie była konieczna modyfikacja rozrządu.

Silniki wysokoprężne musiały posiadać zdolność rozruchu przy wysokim ciśnieniu wstecznym (które po rozruchu spadało do mniejszych wartości). Wynikało to z następującej procedury przejścia do pracy na chrapach:
1. Wyjście okrętu na głębokość peryskopową i podniesienie masztu powietrznego.
2. Odwodnienie masztu doprowadzającego powietrze oraz kanałów wentylacyjnych do wnętrza okrętu.
3. Otwarcie wszystkich zaworów w kanale doprowadzającym powietrze.
4. Uruchomienie silnika.
5. Gdy ciśnienie spalin wzrośnie do około 0,7 atm (517 mm Hg, 7 m słupa wody) otwierane były klapy wydechowe oraz zawór wydechowy chrap - ciśnienie spalin było wystarczające aby wypchnąć wodę z poziomego odcinka instalacji wydechowej oraz pionowego masztu wydechowego.

7. Wentylacja okrętu

W trakcie pływania na chrapach powietrze napływało do okrętu poprzez przewód dostarczający powietrze do silników wysokoprężnych - czyli do przedziału maszynowego. Stamtąd było rozprowadzane po całym okręcie za pomocą nawiewnej części systemu wentylacyjnego. Zużyte powietrze zasysane było - poprzez wywiewny kanał wentylacyjny lub też poprzez otwarte włazy w grodziach oddzielających przedziały - do przedziału silników wysokoprężnych, spalane przez silniki i usuwane na zewnątrz przez chrapy.

Podczas ładowania baterii akumulatorów konieczne było intensywne wentylowanie przedziałów akumulatorów (ze względu na wydzielający się wodór, który w odpowiednim stężeniu z powietrzem, tworzył niezwykle groźną mieszaninę wybuchową). Przedziały akumulatorów były połączone specjalnymi przewodami z wywiewnym kanałem systemu wentylacyjnego okrętu - pracujący wentylator systemu wywiewnego zasysał powietrze z przedziału baterii akumulatorów i tłoczył je do przedziału maszynowego, gdzie poprzez silniki usuwane było na zewnątrz. W instrukcjach dotyczących używania chrap znajdowało się zalecenie, aby 15 minut przed zakończeniem marszu na chrapach, zakończyć ładowanie baterii, ale w dalszym ciągu prowadzić intensywną wentylację okrętu¹.

8. Chrapy na okrętach typu XXIII i XXI

Chrapy okrętów typu XXIII i XXI różniły się od tych instalowanych na okrętach typu VIIC, IX, XB, XIV głównie konstrukcją masztu powietrznego. Teleskopowo wysuwany maszt powietrzny zbudowany był z dwóch oddzielnych, niezależnych rur - doprowadzającej powietrze oraz wyprowadzającej spaliny. Nie były one otoczone wspólną osłoną - jak w przypadku kładzionego masztu powietrznego. Każda rura składała się z dwóch części - dolnej - nieruchomej, osadzonej w kadłubie okrętu oraz górnej - ruchomej, wsuwanej w rurę dolną. Na górnym końcu rury doprowadzającej powietrze zainstalowana była głowica chrap z kulowym zaworem pływakowym. Maszt chrap był podnoszony i opuszczany przy pomocy zębatej przekładni liniowej napędzanej silnikiem pneumatycznym (który na obydwu typach okrętów okazał się być zbyt głośny w czasie pracy oraz posiadał niewystarczającą moc). Przewód doprowadzający powietrze do wnętrza okrętu oraz przewód wydechowy spalin były podłączone do nieruchomych, dolnych odcinków masztu powietrznego. Maszt powietrzny był umieszczony za peryskopami, centralnie w przypadku okrętu typu XXIII, na sterburcie w przypadku okrętu typu XXI.

W przypadku okrętów typu XXIII instalacja wentylacyjna oraz doprowadzająca powietrze do jedynego silnika spalinowego była znacznie uproszczona. Podczas marszu na powierzchni, powietrze do wentylacji pomieszczeń oraz do silnika spalinowego doprowadzane było do przedziału maszynowego przez głowicę nawiewną znajdującą się w obudowie pomostu, tuż za masztem chrap. Za nią znajdował się kanał wentylacyjny, przez który usuwane było powietrze z systemu wentylacyjnego okrętu. Spaliny usuwane były poprzez tłumik wydechu. Głowica nawiewna była połączona z rurą doprowadzającą powietrze masztu chrap. Rura doprowadzająca spaliny do masztu chrap odgałęziała się tuż przed tłumikiem wydechu.

Wysoki kiosk okrętu typu XXIII sprawiał, że zarówno wysunięty peryskop jak i chrapy miały stosunkowo niewielką długość swobodną. Dzięki sztywnemu osadzeniu ich w konstrukcji kadłuba okrętu możliwe było osiągnięcie dużych prędkości podczas pływania w zanurzeniu (rzędu 10 węzłów) bez wprawiania peryskopu oraz masztu powietrznego w wibracje.

Pojedynczy silnik spalinowy MWM¹ RS 34S bez doładowania o stosunkowo niewielkiej mocy (575 KM przy 850 obr/min) sprawiał, że przy niewielkich średnicach rur doprowadzających powietrze i odprowadzającej spaliny (odpowiednio 171 mm i 127 mm) podciśnienie wewnątrz okrętu oraz ciśnienie wsteczne spalin w trakcie marszu na chrapach wynosiło zaledwie (odpowiednio) 0,038 atm i 0,35 atm. Dwugniazdowy zawór głowicy miał tak dobrany ciężar pływaka kulowego, aby otwierał się pod wpływem siły ciężkości przy podciśnieniu dochodzącym do 0,36 atm. Ze względu na mniejszy rozmiar zaworów z pływakami pierścieniowymi podjęto ponowną próbę ich wprowadzenia, jednak z powodu zakończenia wojny udało się to zrobić jedynie na U 2339.

System wentylacyjny oraz doprowadzenia powietrza do silników spalinowych na okrętach typu XXI był układem podobnym do systemów okrętów typu IX. Nawiewny (prawoburtowy) kanał powietrza systemu wentylacyjnego był połączony z prawoburtową głowicą nawiewną kanału doprowadzającego powietrze do silników spalinowych. Wywiewny kanał systemu wentylacyjnego był poprowadzony wzdłuż lewej burty w kierunku kiosku, gdzie kończył się na wysokości pokładu pomostu. W czasie marszu na powierzchni silniki pobierały powietrze poprzez obydwa kanały dolotowe powietrza, natomiast system wentylacyjny pobierał powietrze z prawoburtowej głowicy nawiewnej silników spalinowych.

Pobieranie powietrza w czasie pływania przy użyciu chrap umożliwiało połączenie dolotowego masztu powietrznego chrap z prawoburtową czerpnią powietrza silników wysokoprężnych. W czasie marszu po powierzchni spaliny były usuwane przez instalację wydechową wyrzucającą gazy wydechowe pod powierzchnią wody (uwagę zwraca brak tłumików wydechowych). Podczas pływania pod chrapami spaliny doprowadzane były do wylotowego masztu chrap. Ze względu na znacznie powiększoną baterię akumulatorów konieczne stało się zainstalowanie dodatkowego systemu wentylacji. System ten składał się z oddzielnego wentylatora oraz oddzielnego kanału wylotowego, który poprowadzony był do obudowy pomostu, gdzie łączył się z wywiewnym kanałem systemu wentylacyjnego.

Wibracje w jakie wpadał wysunięty maszt chrap oraz peryskop, ograniczały prędkość napędzanego przez silniki spalinowe okrętu do wartości 6 węzłów. Przy tej prędkości podciśnienie wewnątrz okrętu wynosiło 0,077 atm, ciśnienie wsteczne spalin - 0,35 atm (średnica przewodu doprowadzającego powietrze - 310 mm, średnica przewodu odprowadzającego spaliny - 250 mm).

9. Chrapy a radar

Jednym z głównych celów wprowadzenia chrap było zneutralizowanie alianckiej przewagi w powietrzu wynikającej między innymi z użycia radaru. Przeprowadzone próby wykazały, że wystająca nad powierzchnię wody głowica chrap wykrywana była z odległości trzy razy mniejszej niż wynurzony U-Boot¹. Ponadto, echo radarowe głowicy chrap mogło być łatwo przeoczone lub pomylone z echem fal, co jeszcze bardziej zmniejszało prawdopodobieństwo wykrycia.

Wyniki prób wykrywania chrap przy użyciu radaru:²

Od czerwca 1943 roku niemieccy naukowcy opracowywali technologię wytwarzania materiałów pochłaniających promieniowanie radarowe (projekt Schornsteinfeger)³. Jednak dopiero jesienią 1944 roku zapadła decyzja, aby materiałami tymi okrywać chrapy. Szacuje się, że do końca marca 1945 roku zabezpieczone w ten sposób chrapy otrzymało od 100 do 150 okrętów.

Początkowo skupiono się na tym, aby zmniejszyć skuteczną powierzchnię odbicia fal radiowych z zakresu 1,5 m (Niemcy posiadali informacje, że tylko taki radar jest do dyspozycji Aliantów). Jednak już jesienią 1943 roku Niemcy zdobyli dowody, że Alianci dysponują także radarem decymetrowym (pasmo 20 - 25 cm), co spowodowało zmianę celów projektu. Opracowywany materiał oprócz tłumienia echa radarowego musiał charakteryzować się wodoodpornością oraz odpornością na działanie wysokich ciśnień.

Jako pierwszy (we wrześniu 1944 roku) użyto materiał opracowany pod kierownictwem profesora Johannesa Jaumanna. Jako materiał podkładowy wybrano igielit komórkowy⁴ wytwarzany przez firmę Rekord, który używany był do produkcji kuloodpornych opon oraz tratw i łodzi ratunkowych. W toku prac okazało się, że Alianci dysponują radarem centymetrowym, co oznaczało konieczność ponownej zmiany pasma, które miało być tłumione przez opracowywany materiał. Podjęto decyzję, że zamiast pracować nad różnymi materiałami przystosowanymi do pochłaniania fal radiowych o różnej długości, podejmie się próbę opracowania jednego materiału zdolnego tłumić odbicie fal radiowych z zakresu od 10 do 3 cm. Na podstawie prac teoretycznych wiedziano, że skuteczny powinien być materiał zbudowany z wielu przewodzących warstw oddzielonych od siebie warstwą izolatora. Jako izolator postanowiono wykorzystać przebadany już igielit komórkowy. Sam materiał składał się z siedmiu warstw półprzewodzącego papieru⁵ oddzielonych warstwami igielitu o grubości 9 mm. Całość miała grubość około 7 cm, i nadawała się jedynie do pokrywania powierzchni płaskich i cylindrycznych. Jego odporność mechaniczna pozwalała na zanurzenie do 200 m. Materiał był skuteczny dla zakresu fal 3-30 cm - zmniejszał skuteczną powierzchnię odbicia do 10%. Szacuje się, że pomiędzy listopadem 1944 a marcem 1945 roku, firma I.G. Farben wyprodukowała około 100 zestawów do pokrycia chrap.

Drugim materiałem były maty opracowywane pod kierownictwem profesora Wescha. We wrześniu 1943 roku rozpoczęto prace nad materiałem pochłaniającym fale radiowe z zakresu 1-2 m. Do stycznia 1944 roku przeprowadzano próby z pojedynczymi warstwami materiałów tłumiących o grubości od 2 do 4 cm, jednak w efekcie nie zaobserwowano zmniejszenia skutecznej powierzchni odbicia do mniej niż 30%. W styczniu 1944 roku Wesch opracował materiał - gumę nasyconą opiłkami żelaza - którego współczynnik tłumienia w środku pasma wynosił 15%, jednak na jego krańcach sięgał już 40 %. Materiał ten został odrzucony przez OKM⁶. Wobec braku sukcesów Wesch skoncentrował swoje wysiłki nad ulepszeniem aparatury badawczo-pomiarowej w wyniku czego, w marcu dysponował urządzeniami umożliwiającymi wytworzenie wiązki radarowej z zakresu 8-200 cm. Do września 1944 Wesch udoskonalał właściwości pochłaniające swojego materiału. We wrześniu tego samego roku, przedstawiono mu nowe wymagania - ochrona przed radarem 9-cio centymetrowym. Natomiast już w październiku matami Wescha pokryto głowice chrap z zaworem kulowym. Okazało się, że odległość z jakiej wykrywano chrapy przy użyciu radaru 9-cio centymetrowego zmniejszona została o połowę. W związku z tym materiał został zaakceptowany, i w zakładach I. G. Ludwigshafen rozpoczęto produkcję tego materiału. W grudniu 1944 roku ponownie zmieniono wymagania - materiał miał chronić także przez radarem pracującym na długości fali 3 cm. Okazało się, że właśnie wdrożony do produkcji materiał spełnia te wymagania. Ogólnie, maty Wescha zmniejszały powierzchnię skutecznego odbicia do wartości poniżej 10% dla radarów pracujących na fali 9 i 4 cm, oraz poniżej 30% dla radarów o długości fali 6 cm. Mata składała się z dwóch warstw o łącznej grubości około 8 mm. Jedna warstwa - od strony metalu - o grubości od 0,5 do 1 mm wykonana była z Oppanolu⁷. Na niej znajdowała się druga warstwa wykonana z perbunanu⁸, który zawierał opiłki stali węglowej. Miała on grubość 7 mm i na jej zewnętrznej powierzchni wycięte były wgłębienia o głębokości 4 mm, mające formę kwadratów o boku około 20 mm. Warstwy perbunanu oraz Oppanolu łączone były przy pomocy chloroprenu. Chloropren używany był także do mocowania materiału do powierzchni chrap. Maty Wescha były cięte na kwadraty o bokach 52 cm. Materiał był elastyczny i mógł być użyty do pokrywania dowolnie skomplikowanych powierzchni (w tym głowic zaworów oraz pływaków kulowych). Szacowano, że pomiędzy styczniem a marcem 1945 roku wyprodukowano wystarczającą ilość materiału do pokrycia 200 kompletów chrap. Technologia produkcji nie wymagała żadnych zmian w przemyśle gumowym - wymagana była standardowa prasa i walcownica. Matami Wescha pokryto około 100 kompletów chrap.

Odmienne właściwości mechaniczne obydwu opisanych powyżej materiałów predestynowały je do odmiennych zastosowań. I tak do pokrywania chrap kładzionych z zaworem pierścieniowym używano materiału Jaumanna. Chrapy z zaworem kulowym okrywano matami Wescha. Chrapy z zaworem elektro-pneumatycznym miały mieć głowicę okrytą materiałem Wescha, natomiast sam maszt powietrzny - materiałem Jaumanna.

10. Chrapy Oelfkena

Poważnym ograniczeniem wynikającym z instalacji systemu chrap była niska prędkość podwodna U-Bootów - rzędu 5-6 węzłów. Jednym z głównych powodów było to, że przy większej prędkości wysunięty peryskop wpadał w silne wibracje, uniemożliwiając skuteczną obserwację powierzchni. Pewne rozwiązanie zostało zaproponowane przez niemieckiego inżyniera Heinricha Oelfkena¹. Był to opuszczany na tylny pokład maszt powietrzny (uniemożliwiający przez to instalację działek przeciwlotniczych na tylnym pomoście), który obudowany był opływową osłoną. Po podniesieniu nasuwał się nad peryskop bojowy, który po wysunięciu był osłaniany przez wspólną osłonę. Dzięki temu, prędkość podwodna mogła być zwiększona do 10 węzłów bez ryzyka wystąpienia wibracji peryskopu. Prawdopodobnie tylko dwa U-Booty typu VIIC zostały wyposażone w ten rodzaj chrap tuż przed zakończeniem wojny.

Innym rozwiązaniem było zainstalowanie na pomoście okrętu specjalnej, wysuwanej hydraulicznie „podpórki", która usztywniała i stabilizowała obydwa peryskopy. Eksperymentalne urządzenia tego typu zainstalowano na okrętach U 857, U 874 i U 875².

Problem wibracji peryskopu był istotny zwłaszcza w przypadku okrętów typu XXI, których głównym atutem była wysoka prędkość podwodna podczas ataku. W przypadku użycia peryskopu była ona ograniczana do około 6 węzłów właśnie ze względu na wibracje. Dodatkowo, na Elektro-botach zamierzano stosować peryskopy o długości 9 metrów (zamiast standardowych - 7,5 metrowych). Z tych względów - w celu zwiększenia prędkości podwodnej, przy której peryskopy byłyby wolne od wibracji - także na okrętach typu XXI zaczęto eksperymentować z wcześniej wspomnianym rozwiązaniem testowanym na okrętach typu IX D2.

Rozwiązania te - mające charakter eksperymentalny - mimo iż nie miały okazji być przetestowane na większej ilości okrętów ani też nie były praktycznie zastosowane, warto odnotować z uwagi na kolejny krok na drodze poszukiwań nowych rozwiązań konstrukcyjnych, i udoskonalenia systemu chrap.

11. Problemy wynikające z używania chrap

W trakcie używania chrap na okręcie podwodnym z powodu zmniejszonego dopływu powietrza panuje stałe podciśnienie, którego wielkość zależy od liczby uruchomionych silników oraz ich prędkości obrotowej.

Podciśnienie wytwarzane przez silniki G.W. F46a 6pu (okręty typu VIIC)¹

Podciśnienie wytwarzane przez silniki M.A.N. M9V40/46 (okręty typu IX)²

To stałe, niewielkie podciśnienie nie ma wpływu na zdrowie załogi. Dużo bardziej uciążliwe były duże i gwałtowne zmiany ciśnienia, gdy zawór głowicy chrap zamykał się i otwierał po dłuższym czasie. Spalające ogromne ilości powietrza silniki wysokoprężne bardzo szybko wytwarzały coraz większe podciśnienie wewnątrz okrętu, które powodowało bóle uszu, głowy, trudności w oddychaniu i porozumiewaniu się. Zmiany tego ciśnienia sprawiały kłopoty podczas gotowania wody a także zakłócały działanie destylatora słodkiej wody³. Ponadto podciśnienie na okręcie powodowało wadliwe działanie aparatów zanurzania torped - w czerwcu 1944 roku BdU⁴ wydało rozkaz opisujący obsługę torped na okręcie używającym chrap⁵.

Innym, nie związanym już ze zmianami ciśnienia efektem było przesunięcie środka ciężkości okrętu podczas opuszczania i podnoszenia masztu chrap. Po każdym przejściu ze stanu pływania na silnikach elektrycznych do stanu pływania na silnikach spalinowych (i odwrotnie) konieczne było ponowne wytrymowanie okrętu.

Niedostateczna ilość powietrza potrzebna do spalania paliwa w silnikach skutkowała zwiększoną zawartością sadzy w gazach wydechowych. Sadza ta osadzała się na zaworach kolektorów wydechowych uniemożliwiając ich szczelne zamknięcie, co powodowało przecieki wody w zanurzeniu. Sadza, jako uboczny i niekorzystny produkt niecałkowitego spalania paliwa (niecałkowite przedmuchanie komory spalania oraz niedostateczny stopień napełnienia komory spalania świeżym powietrzem) w połączeniu z podwyższoną temperaturą spalin tworzyła nagar wydatnie wpływając na szczelność zaworów.

Znaczne zanurzenie głowicy chrap pod wodą wskutek utrudnienia wydechu spalin mogło spowodować przekroczenie wartości ciśnienia roboczego w cylindrach silnika co prowadziło do otwarcia zaworów bezpieczeństwa oraz usunięcia zawartości cylindrów do przedziału silników wysokoprężnych⁶. Takie warunki dodatkowo utrudniały pracę wachcie maszynowej w trakcie marszu na chrapach. Sytuacje te powodowały okresowe, ale poważne w swoich konsekwencjach zanieczyszczenie powietrza we wnętrzu U-Boota z uwagi na niezwykle szkodliwy i trujący dla organizmu skład chemiczny spalin, co stwarzało realne niebezpieczeństwo zatrucia organizmu (typowe objawy to zawroty i bóle głowy, wymioty, otępienie oraz ogólne spowolnienie reakcji).

W trakcie używania chrap zwiększała się wilgotność powietrza wewnątrz okrętu, a przy zmianach ciśnienia występowała kondensacja pary wodnej. Zwiększona wilgoć wewnątrz okrętu ujemnie wpływała na osprzęt elektryczny, zmniejszała izolację elektryczną oraz uszkadzała sprzęt elektroniczny.

Niemożliwe było także używanie aparatury hydroakustycznej - hałas wytwarzany przez pracujące silniki spalinowe zagłuszał odbiór dźwięków emitowanych przez inne jednostki pływające. Dlatego standardową procedurą było zatrzymywanie silników spalinowych co kilkadziesiąt minut i wykonywanie nasłuchu. Jednocześnie pracujące silniki na okręcie podwodnym płynącym na chrapach były słyszalne z odległości około 10 mil. Mankament ten próbowano usunąć poprzez prace nad specjalną aparaturą hydroakustyczną „Zwiebel-Anlage". Był to zestaw hydrofonów zainstalowanych w opływowej obudowie, na dziobie okrętu. Hydrofony były specjalnie wytłumione od tyłu, aby uniknąć zakłóceń pochodzących od silników spalinowych pracujących w czasie pływania pod chrapami. Urządzenie „Zwiebel" zostało zainstalowane jedynie na eksperymentalnym okręcie U 794 typu XVII oraz frontowym okręcie U 889 typu IXC/40⁷.

Prozaicznym problemem było pozbywanie się przeróżnych odpadków. W przypadku okrętów operujących przez kilka tygodni w zanurzeniu należało wypracować procedury pozbywania się śmieci. W praktyce używano trzech rozwiązań:

• usuwanie odpadków przez wyrzutnie torpedowe - stosowane niechętnie ze względu na zanieczyszczenie wewnętrznej powierzchni wyrzutni, i w związku z tym znaczne prawdopodobieństwo utknięcia tłoka strzelniczego w wyrzutni podczas wystrzeliwania torpedy,
• usuwanie odpadków przez wyrzutnię pozoratorów akustycznych BOLD - stosowane niechętnie ze względu na konieczność zgniatania odpadków w niewielkie porcję, i wielokrotnie powtarzaną procedurę ich usuwania, co spowodowane było niewielkimi rozmiarami wyrzutni,
• magazynowanie odpadków na okręcie - sposób najprostszy ale najbardziej dokuczliwy dla załogi.

Upowszechnienie chrap wymusiło także zmiany trybu życia na okręcie podwodnym. Aby zmniejszyć ryzyko wypatrzenia głowicy chrap lub też emitowanych spalin, zaczęto praktykować marsz na chrapach w godzinach nocnych, natomiast w dzień okręt płynął na większej głębokości używając silników elektrycznych. Wiązało się z tym całkowite odwrócenie czasów aktywności załogi - w dzień - aby zminimalizować zużycie powietrza oraz energii elektrycznej wolna od wachty część załogi spała. Ciepłe posiłki przygotowywane były tylko w porze nocnej - gdy okręt mógł być wentylowany przez chrapy, a energia elektryczna dostarczana była przez generatory napędzane pracującymi silnikami spalinowymi.

12. Podsumowanie

Nagła potrzeba przeciwdziałania alianckiej przewadze w powietrzu wymusiła szybkie wprowadzenie chrap - urządzenia umożliwiającego napędzanie okrętu przez pracujące silniki spalinowe oraz ładowanie baterii akumulatorów w trakcie zanurzenia na głębokości peryskopowej. Z jednej strony to - wydawałoby się prymitywne i początkowo prowizoryczne - rozwiązanie okazało się niezwykle skuteczne - znacząco zwiększyło przeżywalność okrętów i ich załóg na polu Bitwy o Atlantyk.

Z drugiej strony, ta pozornie prymitywna konstrukcja (składająca się z rur i zaworów pływakowych) wymagała rozwiązania całego szeregu problemów, aby umożliwić bezpieczną eksploatację, a warto nadmienić, że problemy te musiały być szybko rozwiązane i wprowadzone do praktycznego zastosowania w okresie, kiedy Niemcy przegrywały już na wszystkich frontach, a produkcja prototypów z kolejnymi zmianami konstrukcyjnymi w warunkach gospodarki wojennej oraz możliwości przeprowadzenia licznej ilości testów były już poważnie ograniczone.

Jak przyznali Amerykanie badający po zakończeniu wojny niemieckie okręty:

„Użycie chrap w celu umożliwienia pracy silników spalinowych do napędu okrętu oraz ładowania jego baterii akumulatorów w zanurzeniu dowiodło swojej praktyczności na tym (okręt typu IXC), jak i innych typach okrętów podwodnych. Pomimo początkowych poważnych trudności, wczesne urządzenia były używane ze znacznym sukcesem oraz pozwoliły na zebranie doświadczeń, dzięki którym zaprojektowano chrapy znacznie bezpieczniejsze w użyciu. Chrapy dają okrętowi podwodnemu znaczącą przewagę w trakcie operowania na dobrze patrolowanych wodach nieprzyjacielskich"¹.

Po zakończeniu wojny - na bazie doświadczeń zebranych przez Niemców - na istniejących okrętach podwodnych instalowano chrapy (np. amerykański program GUPPY), a i na nowo projektowanych i budowanych konwencjonalnych i atomowych okrętach podwodnych taka instalacja stała się wyposażeniem obowiązkowym.