เรือประจัญบานชั้นเซาท์ดาโคตา (ค.ศ. 1939)
การพัฒนา > การออกแบบ

กระบวนการออกแบบเรือประจัญบานรุ่นใหม่นั้นเต็มไปด้วยการถกเถียงอย่างหนัก คณะกรรมการออกแบบได้เสนอข้อเสนอจำนวนมาก ข้อเสนอหนึ่งเรียกร้องให้สร้างเรือที่มีปืนขนาด 16 นิ้ว (406 มม.) จำนวน 9 กระบอกในป้อมปืน 3 ชุด เกราะดาดฟ้าหนา 5.9 นิ้ว (150 มม.) เพื่อป้องกันการโจมตีจากกระสุนวิถีโค้งจากระยะไกลถึง 30,000 หลา (27,000 ม.) และกำหนดความเร็วสูงสุดไว้ไม่น้อยกว่า 23 นอต (43 กม./ชม.; 26 ไมล์/ชม.) อย่างไรก็ตาม ปัญหาที่สำคัญที่สุดอยู่ที่เกราะลำเรือ (belt armor) ปืนขนาด 16 นิ้วสามารถทะลุแผ่นเกราะหนา 13.5 นิ้ว (340 มม.) ซึ่งเป็นเกราะที่หนาที่สุดในเรือรบสหรัฐในขณะนั้น แม้จะอยู่ที่ระยะ 25,000 หลา (23,000 ม.) เพื่อให้เรือสามารถทนต่ออาวุธของตัวเองได้ (คุณลักษณะที่เรียกว่า "เกราะสมดุล") ความหนาของเกราะลำเรือหลักจะต้องเพิ่มเป็น 15.5 นิ้ว (390 มม.) ซึ่งจะส่งผลต่อน้ำหนักของเรือจนอาจใช้งานไม่ได้ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักออกแบบจึงเสนอแนวคิดการใช้เกราะเอียง (sloped armor) ซึ่งเป็นเทคนิคการติดตั้งแผ่นเกราะทำมุมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกัน แม้ว่าแนวคิดนี้จะสามารถลดความหนาของเกราะได้ แต่การนำไปใช้กับเกราะภายนอกนั้นเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากจะส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพของเรืออย่างรุนแรง ดังนั้น ทางออกที่เลือกใช้คือการติดตั้งเกราะเอียงภายในลำเรือ โดยสร้างเกราะไว้ด้านหลังแผ่นเปลือกเรือที่ไม่มีเกราะ วิธีการนี้มีข้อเสียคือเพิ่มความซับซ้อนในการก่อสร้าง เพราะหากเกราะภายในได้รับความเสียหาย จะต้องตัดแผ่นเปลือกเรือภายนอกออกก่อนจึงจะสามารถซ่อมแซมเกราะได้
เพื่อลดข้อเสียของเกราะเอียง นักออกแบบจึงออกแบบให้เกราะดังกล่าวลาดเอียงออกจากกระดูกงูเรือ (keel) ไปทางด้านนอก จากนั้นจึงลาดเอียงกลับเข้าหาดาดฟ้าที่มีเกราะ ซึ่งหมายความว่า กระสุนปืนที่ยิงมาจากระยะประชิดจะกระทบกับส่วนบนของเกราะเอียงในมุมที่เอียงออก ทำให้เกราะมีประสิทธิภาพในการป้องกันสูงสุด อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของเกราะเอียงส่วนบนจะลดลงเมื่ออยู่ไกลออกไป เนื่องจากการโจมตีแบบดิ่งจะกระทบกับเกราะในมุมที่ใกล้เคียงกับมุมฉาก ทำให้กระสุนสามารถทะลุเกราะได้ง่ายขึ้น ถึงแม้ว่าเกราะเอียงจะมีข้อเสียนี้ แต่ก็ช่วยลดพื้นที่ที่จำเป็นต้องปกคลุมด้วยดาดฟ้าที่มีเกราะ ซึ่งช่วยประหยัดน้ำหนักได้อีกด้วย น้ำหนักที่ประหยัดได้นี้ ช่วยให้สามารถออกแบบเกราะส่วนบนให้หนาขึ้น ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงต่อการถูกโจมตีจากกระสุนวิถีโค้งได้ในระดับหนึ่ง เนื่องจากเกราะเอียงเป็นเกราะภายใน จึงสามารถขยายไปถึงด้านในของท้องเรือสองชั้น (double bottom) ซึ่งช่วยให้เรือมีการป้องกันใต้น้ำที่ดีกว่าเรือประจัญบานชั้นนอร์ทแคโรไลนา อย่างไรก็ตาม ในที่สุด วิศวกรก็ได้ตัดสินใจยกเลิกการใช้เกราะเอียงแบบสองชั้นที่มีความซับซ้อน เนื่องจากพบว่าเกราะเอียงแบบชั้นเดียวสามารถให้ประสิทธิภาพการป้องกันที่ใกล้เคียงกัน และยังช่วยประหยัดน้ำหนักได้หลายร้อยตัน
ขนาดของตัวเรือก็เป็นอีกหนึ่งปัญหา โดยทั่วไปตัวเรือที่ยาวกว่ามักจะมีความเร็วสูงสุดที่มากกว่าเช่นกัน แต่ก็ต้องการเกราะมากขึ้นเพื่อป้องกัน เรือลำสั้นต้องการเครื่องจักรที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเพื่อรักษาความเร็วสูงสุด หากต้องการให้เรือประจัญบานชั้นเซาท์ดาโคตาที่มีความยาวน้อยกว่าชั้นนอร์ทแคโรไลนารุ่นก่อน (680 ฟุต เทียบกับ 729 ฟุต ตามลำดับ) มีความเร็วสูงสุดเท่าเดิม จึงจำเป็นต้องติดตั้งเครื่องจักรที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าที่เคยใช้ในเรือลำสั้น เบื้องต้น การออกแบบกำหนดความเร็วสูงสุดไว้ที่อย่างน้อย 22.5 นอต (41.7 กม./ชม.; 25.9 ไมล์/ชม.) ซึ่งถือว่าเพียงพอที่จะตามทันเรือรบฝ่ายตรงข้ามและหนีเรือดำน้ำที่โผล่พ้นน้ำได้ อย่างไรก็ตาม ในปลายปี 1936 นักถอดรหัสสามารถถอดรหัสสัญญาณวิทยุจากกองทัพเรือญี่ปุ่น ซึ่งเผยให้เห็นว่าเรือประจัญบานนางาโตะ มีความเร็วเกินกว่า 26 นอต (48 กม./ชม.)
เพื่อรับมือกับความท้าทายด้านความเร็วของเรือรบญี่ปุ่น นักออกแบบจึงกำหนดความเร็วสูงสุดที่เป็นไปได้ที่ 25.8–26.2 นอต (47.8–48.5 กม./ชม.; 29.7–30.2 ไมล์/ชม.) โดยอาศัยเครื่องจักรจากเรือชั้นนอร์ทแคโรไลนาที่ปรับขนาดให้เล็กพอที่จะติดตั้งในตัวเรือที่แคบกว่าของเรือชั้นเซาท์ดาโคตาได้ กระบวนการปรับปรุงเครื่องจักรคือ การวางหม้อไอน้ำ (boilers) ไว้เหนือเครื่องยนต์กังหัน (turbines) โดยตรง ซึ่งเป็นรูปแบบเดียวกับที่เคยใช้ในเรือลาดตระเวนประจัญบานชั้นเล็กซิงตัน (Lexington-class battlecruisers) ปี 1916 อย่างไรก็ตาม วิศวกรได้ปรับเปลี่ยนตำแหน่งของหม้อไอน้ำหลายครั้ง โดยเริ่มจากการวางสลับกับกังหัน และสุดท้ายก็วางไว้ข้างกังหันโดยตรง ระบบขับเคลื่อนทั้งหมดถูกจัดวางให้ชิดกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เครื่องระเหย (evaporators) และเครื่องกลั่นน้ำ (distilling equipment) ถูกติดตั้งไว้ในห้องเครื่องยนต์ การปรับปรุงนี้ช่วยเพิ่มพื้นที่ว่างด้านหลังเกราะลำเรือเพียงพอที่จะสร้างห้องวางแผนที่สอง
มาถึงตอนนี้ กระบวนการออกแบบได้กำหนดให้ตัวเรือมีความยาว 666 ฟุต (203 เมตร) ระหว่างแนวตั้งฉาก และใช้เกราะเอียงภายในแบบชั้นเดียว อย่างไรก็ตาม เพื่อป้องกันการปฏิเสธจากคณะกรรมการบริหาร นักออกแบบจึงได้เสนอทางเลือกเพิ่มเติมอีกหลายแบบ ซึ่งประกอบด้วย เรือที่ยาวกว่าและเร็วกว่า ติดตั้งปืนขนาด 14 นิ้วในป้อมปืน 3 ชุด, เรือที่ช้ากว่า ติดตั้งปืนขนาด 14 นิ้วในป้อมปืน 4 ชุด, เรือรุ่นปรับปรุงจากชั้นนอร์ทแคโรไลนา, และเรือที่มีความเร็ว 27 นอต ติดตั้งปืนขนาด 16 นิ้ว จำนวน 9 กระบอก ในรูปแบบคล้ายกับเรือชั้นนอร์ทแคโรไลนา
ประเด็นที่ถกเถียงกันอย่างดุเดือดเกี่ยวกับการออกแบบเรือประจัญบานชั้นเซาท์ดาโคตา คือ ความเร็ว ผู้บัญชาการทหารเรือสหรัฐต้องการให้เรือรบใหม่มีความเร็วไม่ต่ำกว่า 25 นอต (46 กม./ชม.; 29 ไมล์/ชม.), กองกำลังรบ (battle force) ต้องการความเร็วอย่างน้อย 27 นอต (50 กม./ชม.; 31 ไมล์/ชม.) เพื่อรักษาความสม่ำเสมอในแนวรบ, อธิการบดีวิทยาลัยการสงครามเห็นว่าเรือรบที่รวดเร็วเป็นสิ่งที่ดีที่สุด แต่กองทัพเรือจะยังคงใช้งานเรือรบรุ่นเก่าที่มีความเร็ว 21 นอต (39 กม./ชม.) ไปจนถึงทศวรรษที่ 1950 ดังนั้น ความเร็วที่สูงกว่าจึงไม่จำเป็น อย่างไรก็ตาม ความเร็วที่ต่ำกว่า 27 นอต จะทำให้เรือประจัญบานชั้นเซาท์ดาโคตาทำหน้าที่สำคัญอย่างหนึ่งไม่ได้ นั่นคือ การเป็นเรือคุ้มกันให้กับกองเรือบรรทุกเครื่องบินเร็ว (fast carrier task forces) ซึ่งกลายเป็นบทบาทสำคัญที่สุดของเรือประจัญบานในภายหลัง ในที่สุด แผนการออกแบบหลักที่ความยาว 666 ฟุต เป็นแผนเดียวที่สามารถตอบสนองความต้องการที่ระบุไว้ ทั้งด้านความเร็ว เกราะป้องกัน และปืนขนาด 16 นิ้ว จำนวน 9 กระบอก ในปลายปี 1937 ข้อเสนอการออกแบบได้รับการอนุมัติ โดยกำหนดให้มีการปรับเปลี่ยนเล็กน้อยเพื่อประหยัดน้ำหนักและเพิ่มมุมยิง ที่พักสำหรับลูกเรือ แม้แต่ห้องพักของนายทหารชั้นผู้ใหญ่ รวมถึงห้องอาหาร ล้วนมีขนาดเล็กลง นอกจากนี้ยังมีการตัดช่องระบายอากาศออกทั้งหมด ทำให้เรือต้องพึ่งพาการหมุนเวียนอากาศเทียมอย่างสมบูรณ์
แม้จะมีการประนีประนอม นักประวัติศาสตร์ด้านกองทัพเรือ วิลเลียม การ์ซคี (William Garzke) และโรเบิร์ต ดูลิน (Robert Dulin) กล่าวในภายหลังว่า เรือประจัญบานชั้นเซาท์ดาโคตาเป็นเรือรบสนธิสัญญาที่ดีที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา นอร์แมน ฟรีดแมน (Norman Friedman) นักประวัติศาสตร์ด้านกองทัพเรือ กล่าวว่า "การออกแบบเรือประจัญบานชั้นเซาท์ดาโคตา เป็นความสำเร็จอันน่าทึ่ง ภายใต้ข้อจำกัดของสนธิสัญญาอันเข้มงวด"  นอกจากนี้ การตัดสินใจขั้นสุดท้ายเกี่ยวกับความเร็วที่สูงกว่า ยังเป็นการปูทางไปสู่การพัฒนาเรือประจัญบานชั้นไอโอวา ซึ่งเป็นเรือประจัญบานขนาดใหญ่ที่สุด เร็วที่สุด และเป็นรุ่นสุดท้ายของสหรัฐ ตามที่ฟรีดแมนได้เขียนไว้ว่า:
เป็นเวลาครึ่งศตวรรษก่อนการสร้างเรือประจัญบานชั้นไอโอวา กองทัพเรือสหรัฐมุ่งเน้นไปที่เกราะและอำนาจการยิงมากกว่าความเร็ว แม้ว่าจะมีการตัดสินใจสร้างเรือประจัญบานที่เร็วกว่าอย่างชั้นนอร์ทแคโรไลนา แต่กองทัพเรือก็ยังคงเลือกใช้แบบที่มีความเร็วต่ำกว่า ในการออกแบบเรือประจัญบานรุ่นก่อน ๆ วิศวกรมุ่งเน้นการปรับปรุงเครื่องจักรเพื่อลดผลกระทบต่อความเร็ว แทนที่จะพัฒนาเครื่องจักรที่ทรงพลังกว่าเพื่อให้ได้ความเร็วที่สูงขึ้น ผลลัพธ์คือ เรือประจัญบานขนาดใหญ่ 4 ลำที่สหรัฐสร้างขึ้นนั้น มีความเร็วเพียง 33 นอต ซึ่งไม่ต่างจากเรือรุ่นก่อนหน้าที่มีความเร็ว 27 นอต และน้ำหนัก 35,000 ตันมากนัก เรือประจัญบานชั้นไอโอวาไม่ได้มีการปรับปรุงเกราะที่สำคัญเมื่อเทียบกับชั้นเซาท์ดาโคตา จุดเด่นหลักของการออกแบบคือ ปืนหลักขนาด 16 นิ้วที่มีประสิทธิภาพมากกว่า และยาวกว่า 5 เท่าของลำกล้องเดิม การเพิ่มน้ำหนัก 10,000 ตัน เพื่อแลกกับความเร็วที่เพิ่มขึ้นเพียง 6 นอต ถือเป็นการตัดสินใจที่ไม่คุ้มค่า