South Dakota (lớp thiết giáp hạm) (1939)

Bối cảnh

Hai chiếc thiết giáp hạm dẫn trước thuộc lớp North Carolina đã được chấp thuận cho chế tạo và được phân bổ trong tài khóa 1937; và vào năm 1936, Ủy ban Tướng lĩnh Hải quân đã nhóm họp để thảo luận về hai chiếc sẽ được phân bổ trong tài khóa 1938. Ủy ban có xu hướng muốn đóng thêm hai chiếc lớp North Carolina, nhưng Đô đốc William Harrison Standley, Trưởng phòng Tác chiến Hải quân, đã vận động cho một thiết kế mới. Vì chúng đòi hỏi một thiết kế mới, việc chế tạo không thể bắt đầu vào năm 1938, nên những chiếc này được phân bổ cho tài khóa 1939. Việc thiết kế được bắt đầu từ tháng 3 năm 1937 và những sơ thảo cho hai thiết giáp hạm được Bộ trưởng Hải quân chính thức chấp thuận vào ngày 23 tháng 6. Các đặc tính cụ thể hơn cho hai con tàu được đưa ra và được chấp thuận vào ngày 4 tháng 1 năm 1938. Các con tàu được chính thức đặt hàng vào ngày 4 tháng 4 năm 1938.
Do tình hình quan hệ quốc tế ngày càng xấu đi tại châu Âu và Viễn Đông, Quốc hội đã chấp thuận bổ sung thêm hai thiết giáp hạm của thiết kế mới, nâng tổng số lên bốn chiếc, vào ngày 25 tháng 6 năm 1938. Mặc dù "Điều khoản Leo thang" của Hiệp ước Hải quân Luân Đôn thứ hai đã được phép áp dụng cho Hải quân Mỹ để họ có thể bắt đầu công việc chế tạo lớp Iowa tiếp theo, nhưng Quốc hội chỉ sẵn lòng chấp thuận những thiết giáp hạm trong giới hạn 35.000 tấn. Một số khiếm khuyết trên lớp North Carolina được sửa chữa trên những chiếc South Dakota mới hơn; bao gồm không đủ độ bảo vệ dưới mực nước, và động cơ turbine không thuộc vào loại kỹ thuật mới nhất sẵn có. Lớp North Carolina cũng không có đủ chỗ trống trên tàu để hoạt động như là soái hạm của hạm đội; một trong số những chiếc tàu mới được thiết kế với một sàn bổ sung trên tháp chỉ huy dành riêng cho mục đích này, cho dù sự gia tăng trọng lượng cần thiết buộc phải tháo bỏ hai khẩu đội pháo hạng hai 127 mm (5 inch) nòng đôi.

Thiết kế

Một số lượng lớn câu hỏi được đặt ra về những yêu cầu đối với lớp thiết giáp hạm mới. Nhóm thiết kế đã liệt kê một số lớn những đề nghị khác nhau; một phương án đề xuất chín khẩu pháo 406 mm (16 inch) trên ba tháp pháo ba nòng, vỏ giáp sàn tàu dày 150 mm (5,9 inch) giúp con tàu miễn nhiễm với đạn pháo bắn tới cho đến khoảng cách 27 km (30.000 yard), và một tốc độ tối đa đạt ít nhất 42,6 km/h (23 knot). Đai giáp hông là một vấn đề hóc búa hơn nhiều; pháo 406 mm (16 inch) có khả năng xuyên thủng lớp giáp dày 343 mm (13,5 inch), kiểu đai giáp dày nhất được sử dụng trên các thiết giáp hạm Mỹ vào lúc đó, ngay cả ở khoảng cách 22,8 km (25.000 yard). Nhằm bảo vệ con tàu trước hỏa lực của chính nó, một đặc tính thường được biết đến như là "vỏ giáp cân bằng", đai giáp chính phải được tăng cường lên 394 mm (15,5 inch), khiến làm gia tăng trọng lượng rẽ nước của con tàu vượt quá giới hạn cho phép. Để làm giảm nhẹ vấn đề này, đai giáp nghiêng được sử dụng; và nó không thể sử dụng vỏ giáp nghiêng cho một đai giáp bên ngoài, vì sẽ ảnh hưởng độ ổn định của con tàu tới mức nguy hiểm. Tuy nhiên, điều này vẫn có những nhược điểm nghiêm trọng: việc chế tạo đai giáp nghiêng khá phức tạp, và nếu nó bị hư hại, lớp vỏ bọc bên ngoài trước tiên phải được cắt bỏ trước khi sửa chữa bản thân đai giáp.
Để tối thiểu hóa những nhược điểm của một đai giáp nghiêng, nó được cho đặt chéo ra bên ngoài từ lườn tàu, rồi được cho nghiêng vào trong hướng về sàn tàu bọc thép. Điều này có nghĩa là một quả đạn pháo bắn từ một khoảng cách tương đối gần sẽ trúng phần trên của đai giáp ở một góc, làm cho sự bảo vệ của vỏ giáp được tối đa. Tuy nhiên, hiệu quả của phần phía trên của đai giáp bị giảm sút ở tầm xa, vì những quả đạn pháo bắn tới sẽ chạm đích ở một góc gần như vuông góc, làm gia tăng khả năng đâm xuyên vỏ giáp. Nó giúp giảm thiểu bề mặt cần được che phủ bởi vỏ giáp sàn tàu, làm giảm thêm được trọng lượng. Điều này cho phép đai giáp trên được làm dày hơn, phần nào đó cải thiện sự mong manh đối với đạn pháo bắn tới từ tầm xa. Vì đai giáp được đặt bên trong, nó cung cấp khả năng mở rộng vào phần bên trong của đáy tàu hai lớp, cho phép con tàu có được sự bảo vệ dưới nước tốt hơn so với lớp North Carolina dẫn trước. Cuối cùng, kiểu đai giáp kép nghiêng phức tạp bị hủy bỏ khi rõ ràng là một đai giáp nghiêng duy nhất có thể cung cấp sự bảo vệ tương tự mà lại tiết kiệm hàng trăm tấn trọng lượng.
Kích cỡ của lườn tàu cũng là một vấn đề: nói chung một lườn tàu dài hơn sẽ cân bằng với một tốc độ tối đa lớn hơn, nhưng đòi hỏi nhiều vỏ giáp hơn để bảo vệ nó. Để duy trì một tốc độ tối đa lớn hơn trên một lườn tàu ngắn hơn, cần có hệ thống động lực có công suất lớn hơn. Vì thiết kế của lớp South Dakota ngắn hơn nhiều so với lớp North Carolina trước đó: 210 m (680 ft) thay vì 222 m (729 ft) tương ứng, những con tàu mới cần phải được cải tiến hệ thống động lực để sử dụng trên lườn tàu ngắn hơn mà vẫn duy trì cùng một tốc độ như những chiếc dài hơn. Thiết kế ban đầu yêu cầu một tốc độ tối đa ít nhất 41,7 km/h (22,5 knot), được cho là đủ để bắt kịp thiết giáp hạm đối phương và nhanh hơn tàu ngầm đi trên mặt biển. Tuy nhiên, vào năm 1936, các báo cáo của Hải quân Nhật giải mã được cho thấy thiết giáp hạm Nagato có khả năng đặt được tốc độ tối đa trên 48 km/h (26 knot). Có thể xác định là một tốc độ tối đa giữa 47,8 và 48,5 km/h (25,8 và 26,2 knot) có thể đạt được nếu như hệ thống động lực của North Carolina có thể thu gọn kích thước đủ để có thể gắn vừa vào lườn tàu chật hẹp hơn của South Dakota. Để đạt được như vậy, các máy móc phải được sắp xếp lại sao cho các nồi hơi được bố trí ngay bên trên các động cơ turbine, một giải pháp tương tự như cách từng được áp dụng cho lớp tàu chiến-tuần dương Lexington vào năm 1916. Các nồi hơi sau đó được tái bố trí nhiều lần, để chúng được đặt so le với các turbine, và cuối cùng được đặt song song bên cạnh turbine. Hệ thống động lực được bố trí sát với nhau đến mức có thể; các thiết bị cô đọng và tinh lọc nước cũng được đặt trong phòng máy. Việc này cung cấp đủ chỗ trống bổ sung bên trong đai giáp cho việc bố trí thêm một phòng bản đồ thứ hai, so với chỉ có một trong lớp North Carolina trước đó.
Vào lúc này, quá trình thiết kế đã tiến triển đến mức có thể đưa ra những đặc tính chế tạo chi tiết của con tàu: lườn tàu dài 203 m (666 ft) và được tích hợp một đai giáp nghiêng bên trong duy nhất. Tuy nhiên, dự phòng trường hợp Ủy ban Tướng lĩnh không chấp thuận phương án này, các nhà thiết kế hải quân đã tạo ra một loạt các biến thể. Chúng bao gồm một kiểu dài hơn, nhanh hơn trang bị pháo 355 mm (14 inch) trên các tháp pháo ba nòng, kiểu chậm hơn với pháo 355 mm (14 inch) trên các tháp pháo bốn nòng, những phiên bản cải tiến dựa trên lớp North Carolina, và một chiếc tốc độ 50 km/h (27 knot) trang bị chín pháo 16 inch có cấu hình tương tự như North Carolina. Các cuộc tranh luận đã nổ ra về những con tàu mới, thường tập trung chung quanh vấn đề về tốc độ. Trưởng phòng Tác chiến Hải quân từ chối giảm tốc độ con tàu mới dưới mức 46,3 km/h (25 knot), các hạm đội tranh luận rằng tối thiểu 50 km/h (27 knot) là cần thiết để duy trì sự đồng nhất trong hàng chiến đấu, và Hiệu trưởng của Học viện Chiến tranh Hải quân giữ quan điểm cho rằng một con tàu nhanh là lý tưởng, nhưng hải quân cần tiếp tục sử dụng những thiết giáp hạm cũ tốc độ chậm 39 km/h (21 knot) cho đến thập niên 1950, vì vậy một tốc độ cao hơn không tuyệt đối cần thiết. Thiết kế nguyên thủy 203 m (666 ft) là phương án duy nhất đáp ứng các yêu cầu đặc trưng về tốc độ, sự bảo vệ và chín khẩu pháo 305 mm (16 inch). Đến cuối năm 1937, thiết kế được đề nghị khá tương tự như những con tàu được chế tạo; một số cải tiến nhỏ được thực hiện để tiết giảm trọng lượng và tăng góc bắn cho các khẩu pháo. Chỗ nghỉ ngơi của thủy thủ đoàn, ngay cả phòng khánh tiết dành cho sĩ quan cao cấp và phòng ăn đều bị giảm kích thước, và các cửa thông gió hoàn toàn bị loại bỏ; toàn bộ con tàu sử dụng hệ thống lưu chuyển không khí nhân tạo.

Dàn pháo chính

Những chiếc thiết giáp hạm thuộc lớp South Dakota mang một dàn pháo chính bao gồm chín khẩu hải pháo 406 mm (16 inch)/45 caliber Mark 6 trên những tháp pháo ba nòng. Hai trong số ba tháp pháo này được bố trí thành cặp bắn thượng tầng phía trước, trong khi tháp pháo thứ ba được bố trí phía sau cấu trúc thượng tầng chính. Các khẩu pháo này bắn ra loại đạn pháo xuyên thép (AP: armor-piercing) Mark 8 nặng 1.225 kg (2.700 lb) với tốc độ hai phát mỗi phút cho mỗi khẩu pháo. Chúng có thể sử dụng một liều thuốc phóng đầy đủ nặng 243 kg (535 lb), một liều thuốc phóng tiết giảm nặng 134 kg (295 lb), hay một liều thuốc phóng tiết giảm không lóe nặng 143 kg (315 lb). Nó cung cấp một lưu tốc đầu đạn lên đến 700 m/s (2.300 ft/s) cho đạn xuyên thép với liều thuốc phóng đầy đủ, trong khi liều tiết giảm cho một lưu tốc đầu đạn giảm tương ứng còn 549 m/s (1.800 ft/s). Có 130 quả đạn được dự trữ cho mỗi khẩu, tổng cộng là 1.170 đầu đạn. Tất cả các khẩu pháo trên cả ba tháp súng có thể nâng tối đa đến 45°, nhưng chỉ các tháp pháo I và III có thể hạ xuống -2°; tháp pháo II bắn thượng tầng không thể hạ thấp. Tầm bắn xa tối đa ở góc nâng 45° là 33,7 km (36.900 yard) với đạn pháo Mark 8. Các tháp pháo có thể xoay 150° về cả hai phía của trục giữa con tàu, cho phép có một góc bắn khá rộng. Các khẩu pháo có thể nâng hay hạ với tốc độ 12° mỗi giây, và các tháp pháo có thể xoay ở tốc độ 4° mỗi giây.

Dàn pháo hạng hai

Vì South Dakota được chế tạo như là soái hạm cho hạm đội, những chỗ trống để chỉ huy và kiểm soát dành cho nhiệm vụ này đã buộc phải giới hạn dàn pháo hạng hai của nó còn mười sáu khẩu 127 mm (5-inch)/38 caliber Mark 12 trên tám tháp pháo Mark 28 Mod 0 nòng đôi, bốn tháp pháo mỗi bên của cấu trúc thượng tầng. Ba chiếc còn lại được tăng lên 20 khẩu trên 10 tháp pháo, năm chiếc mỗi bên mạn tàu. Những tháp pháo này nặng gần 71 tấn (156.295 lb) và có thể hạ thấp đến −15° và nâng cao đến 85°. Kiểu pháo này có thể bắn nhiều loại đạn pháo khác nhau, bao gồm đạn pháo phòng không, đạn pháo sáng và đầu đạn phốt-pho trắng (WP: white phosphorus) ở tốc độ bắn từ 15 đến 22 phát mỗi phút. Đạn pháo phòng không dài 52,7 cm (20,75 inch) và cân nặng trong khoảng 24–25 kg (54-55 lb) tùy theo biến thể. Đạn pháo sáng và đạn phốt-pho trắng nhỏ hơn đôi chút, dài 50,8 cm (20 inch); đạn pháo sáng nặng 24,7 kg (54,4 lb) và đạn WP nặng 24 kg (53 lb).
Các khẩu pháo này sử dụng ba kiểu thuốc phóng khác nhau tùy theo tình huống: một liều thuốc phóng đầy đủ, một liều thuốc phóng đầy đủ không lóe, và một liều thuốc phóng tiết giảm. Liều thuốc phóng đầy đủ tiêu chuẩn cân nặng 6,9–7,0 kg (15,2–15,5 lb), liều thuốc phóng không lóe nặng hơn đôi chút ở 7,3 kg (16 lb), và liều thuốc phóng tiết giảm nhẹ hơn đáng kể, ở 1,6 kg (3,6 lb). Cả hai liều thuốc phóng đầy đủ đều cung cấp một lưu tốc đầu đạn lên đến 790 m/s (2.600 ft/s) trên những khẩu súng mới, nhưng do nòng súng tiếp tục bị bào mòn khi sử dụng, lưu tốc đầu đạn giảm đi đôi chút còn 760 m/s (2.500 ft/s). Liều thuốc phóng tiết giảm có lưu tốc giảm tương ứng còn 370 m/s (1.200 ft/s). Mỗi khẩu pháo được cung cấp 450 quả đạn, và được dự định để bắn 4.600 phát trước khi được xem là mòn đến mức phải thay thế. Ở mức nâng tối đa có hiệu quả 45° nhằm chống lại mục tiêu trên mặt biển, các khẩu pháo này có thể bắn xa đến cự ly 15.903 m (17.392 yard); và tầm cao tối đa khi chống lại mục tiêu trên không là 11.900 m (37.200 feet).

Hỏa lực phòng không

Những con tàu trong lớp South Dakota được trang bị nhiều loại vũ khí phòng không khác nhau; và số lượng của chúng cũng thay đổi theo thời gian. Thoạt tiên, chúng được thiết kế để mang mười hai súng máy 0,50 caliber và mười hai pháo 28 mm (1,1 inch). Vào tháng 3 năm 1942, khi chiếc South Dakota được hoàn tất, dàn hỏa lực phòng không được cải biến với tám súng máy 0,50 caliber, hai mươi tám pháo 28 mm (1,1 inch) và mười sáu pháo phòng không Oerlikon 20 mm. Đến tháng 9 cùng năm, số súng máy 0,50 caliber được tháo dỡ và số lượng pháo 28 mm (1,1 inch) bị giảm còn hai mươi. Thay vào đó, số lượng pháo 20 mm được giữ nguyên và bổ sung thêm 16 pháo phòng không Bofors 40 mm trên bốn tháp pháo bốn nòng.
Vào tháng 2 năm 1943, số pháo 28 mm (1,1 inch) và một khẩu 20 mm được tháo dỡ, thay thế bằng 52 khẩu 40 mm, nâng tổng số lên 68. Đến tháng 12 năm 1944, dàn hỏa lực phòng không lại được nâng cấp, với 72 khẩu 20 mm và 72 khẩu Bofors 40 mm. Vào tháng 3 năm 1945, dàn hỏa lực phòng không được cải biến lần sau cùng: năm khẩu 20 mm được bổ sung và bốn khẩu 40 mm được tháo dỡ. Điều này đã cung cấp một số lượng pháo phòng không tối đa lên đến 145 khẩu. Những con tàu khác cũng lần lượt được nâng cấp theo trình tự tương tự cho dàn hỏa lực phòng không.

Vỏ giáp

Đai giáp trong của lớp South Dakota được đặt nghiêng 19° so với hướng thẳng đứng, và có độ dày 310 mm (12,2 inch), và được lót thêm phía sau bằng một lớp thép tôi đặc biệt (STS: Special Treatment Steel) dày 22 mm (7/8 inch). Đai giáp nghiêng này tương đương với một đai giáp thẳng đứng dày 440 mm (17.3 inch), có khả năng chống đỡ loại đạn pháo nặng 1.016 kg (2.240 lb) bắn từ cỡ nòng pháo 406 mm (16 inch)/45 caliber trang bị trên lớp thiết giáp hạm Colorado ở khoảng cách 16,2-28,3 km (17.700-30.900 yard). Vùng miễn nhiễm chống lại cỡ đạn pháo siêu nặng 406 mm (16 inch) của chính lớp South Dakota nhỏ hơn: đai giáp chỉ có hiệu quả trong phạm vi 18,7-24,1 km (20.500-26.400 yard).
Đai giáp hông được mở rộng cho đến đáy của con tàu, và vuốt nhọn dần từ độ dày 310 mm (12,2 inch) xuống còn 25 mm (1 inch) ở vị trí thấp nhất. Đặc tính này được chọn để bảo vệ chống lại sự xuyên thủng của các quả đạn pháo hạng nặng đánh trúng con tàu bên dưới mực nước. Sự bảo vệ dưới nước bao gồm bốn vách ngăn chống ngư lôi, một hế thống nhiều lớp được thiết kế để hấp thu năng lượng từ một vụ nổ dưới nước tương đương với 317,5 kg (700 lb) chất nổ TNT (1,3 GJ).

Đề nghị cải biến

Vào ngày 26 tháng 7 năm 1954, một đề nghị cải biến dành cho lớp tàu South Dakota được Chủ tịch Ủy ban Đặc tính Tàu chiến đặt ra, yêu cầu nâng tốc độ của các con tàu lên ít nhất 57,4 km/h (31 knot). Để làm được điều này, nhóm thiết kế quyết định tháo dỡ tháp pháo đuôi, sử dụng trọng lượng và chỗ trống có được để trang bị các turbine hơi nước cải tiến hoặc một bộ các turbine khí. Cả hai hệ thống này đều sẽ sản sinh một công suất ít nhất 256.000 mã lực (190 MW), là yêu cầu tối thiểu để lườn tàu của lớp South Dakota có thể đạt được tốc độ 57,4 km/h (31 knot). Không may thay, việc này buộc phải thay đổi kiểu dáng lườn tàu, đặc biệt là phần phía sau đuôi. Cũng cần có các chân vịt lớn hơn, và cả bốn trục chân vịt cần phải chế tạo mới toàn bộ để mang chúng. Ước lượng chi phí cho dự án này lên đến 40 triệu Đô-la cho mỗi con tàu, chưa tính đến chi phí tái kích hoạt và nâng cấp chúng với những hệ thống chiến đấu và điện tử mới nhất. Kết quả là chương trình cải biến bị hủy bỏ.