Syllabus notes for lecture:  HISTORICAL DEVELOPMENT OF SUBMARINE ATMOSPHERE CONTROLS             Dr. Jeff McClellen, CAPT MC USN, Bureau of Medicine and Surgery  

 SLIDE 4 ‐ Key events in manned underwater craft Alexander the Great reportedly descends in a diving bell. (332 BCE) Van Drebbel submerges oared craft to 15 ft in Thames; heats saltpeter to evolve O2 and absorb CO2. (1624) Von Treileben uses diving bell to salvage cannon from Vasa in Stockholm harbor.  (1640‐45) Bushnell’s Turtle  unsuccessfully attacks HMS Eagle in New York harbor.  (1776) Fulton operates submarine Nautilus in Seine for one hour but fails to obtain support from Napoléon. (1801) CSS H. L. Hunley successfully attacks and sinks USS Housatonic with a spar torpedo, but is lost in the process.  (1864) Intelligent Whale built (1863) but has unsuccessful trial for USN. (1872) Holland’s Plunger ordered by USN, but abandoned by Holland after he concludes that steam 

power is impracticable for submarines (1895). 

SLIDE 5 – U.S. Submarine Development:  John Patrick Holland, immigrant/inventor/American John P. Holland born in County Clare, Ireland and emigrated to New Jersey.  His first submarine design (Holland I) was submitted to USN and rejected in 1875. Holland’s subsequent were efforts funded by the Fenian Brotherhood after being turned away by U.S. Navy.  Holland II launched in 1881, it boasted a 9” pneumatic gun and was propelled by a 2‐stroke Brayton engine submerged.  As it consumed air from the compartment, range was extremely limited.   Holland extended this range by installing a compressed air tank.  Soon after, Holland and the Fenians parted company on bad terms over the issue of payment.  They seized Holland II and towed it off to Connecticut.  Later dubbed the “Fenian Ram”, the Fenians had no one who know how to operate the craft.  Holland would not tell them, it sat in a barn for years until it was put on display in Madison Square Gardens to raise funds for survivors of the Easter Uprising.  Holland VI was launched in 1897, purchased by the U.S. Navy and commissioned as USS Holland (SS‐1) in 1900.  A contract for 5 additional units was signed with a yard in Elizabeth, NJ; this organization ultimately became the Electric Boat Company.  Holland’s design incorporates many basics features of modern submarines:  internal combustion engine for surface propulsion and charging a large storage battery, which in turn is used to power an electric motor for submerged operations, internally loaded torpedo tubes and hydroplane control surfaces.  SLIDE 6 – Submarine technical research as it related to Atmosphere Control  in the pre‐WW2 

period 

 

Very short duration dives typically lasting about 6 hours.  Submerge when enemy comes within 

visual range.  Surface when compartment air becomes foul.   Expectation is for submarine to 

defend harbors or coast, or nearby ‘choke points’, as they have neither speed nor endurance.  

Think of as a smart, somewhat mobile mine field.   

L‐class submarines deployed to Bantry Bay, Ireland during WW1 and served with the Royal 

Navy.  Transited Atlantic by way of Azores with ‘mother ship’ escort.  Conducted 8‐10 day 

patrols though the end of the war—this was well beyond their anticipated capabilities.  The  

S‐class, built in the 1920’s, consisting of 51 vessels constructed by 3 different builders, 

incorporated much learned from US, British and German WW1 operations.  Improved, but with 

limitations in speed, weapons load, endurance and habitability.  No air conditioning.  These 

were quickly relegated to 2nd line status as soon as sufficient ‘Fleet Boats’ became available 

after 1942, but remained in active service through war’s end. 

 

Italian researchers (Belli, Torcello ‐ 1908) identify principle components of submarine atmosphere:  O2, 

CO2, H2, SO2 and volatile hydrocarbons.  In 1911, their report chemical agents able to produce O2 

(‘Oxylithe’)and absorb CO2 (NaO2),  By 1911, Germans use caustic potash and soda to absorb CO2.  In 

1914, USN engages Harvard Medical School to work on CO2 absorbents.  They achieve a 17 hour 

endurance run on a D‐class.  Additional work with O2 tanks, caustic potash and soda lime allow for a 48 

hour run in USS G‐3.  H2 build up during one run led to development of a palladium wire ‘Hydrogen 

Eliminator’.  Hopcalite, with the ability to catalyze the reaction of CO  CO2 at room temperature, was 

discovered at the American University Experimental Station in 1917. 

The Naval Research Laboratory (NRL) was established in 1923, upon a suggestion by Thomas Edison to 

President Wilson in 1917.  The loss of S‐51 and S‐4 resulted in the establishment of a special Submarine 

Board by SECNAV to address specific submarine habitability and survivability questions.   

SLIDE 7 – Submarine Mortality prior to WW2 

Pre‐WW2 period notable for submarine losses with All Hands due to material failures, collision 

or mishap. 

USS F‐4 sinks in 300 ft off Honolulu Harbor after leaking battery acid corroded hull (1915).  21 

souls lost. 

USS F‐1 sinks after collision in fog, during 48 hour endurance trials, with F‐3 off San Diego 

(1917).  19 souls lost.  Built at Union Iron Works, San Francisco. 

ex‐USS G‐2 sinks in Two Tree Channel, Niantic, CT (1919).  3 souls lost. 

USS H‐1 grounded off Magdalena Bay, Mexico then sinks during salvage efforts (1920).  Four 

souls lost. 

USS S‐5 floods forward torpedo room and settles on bottom off Delaware Capes.  Crew is able 

to raise stern clear of surface, drill a 3” hole and signal with a flag.  SS Alanthus and SS General 

G. W. Goethals  render assistance, cutting hole in hull at stern to extract crew (1920).  No lives 

lost. 

USS S‐48 floods and sinks in 80 feet prior to commissioning (1921). 

USS O‐5 rammed by SS Abangarez  and sinks at outlet to Panama Canal.  Raised by Panama 

Canal Co. crane Atlas, saving two trapped crew members (1923).  Three souls lost. 

USS S‐51 rammed by SS City of Rome and sinks in 130 feet of water off Block Island (1925).  

Thirty‐three souls lost. 

USS S‐4 rammed and sunk by USCGC Paulding off Provincetown, MA (1927).  Survivors 

suffocate on bottom.  Forty souls lost. 

USS Squalus founders during sea trials off Isles of Shoals in 243 feet of water.  Thirty‐three 

crew members survive in forward torpedo room and are rescued using the McCann rescue 

chamber (1939).  Twenty‐six souls lost. 

USS O‐9 flounders during test dive off Isles of Shoals in 450 feet of water (1941).  Thirty‐three 

souls lost. 

"When the waves of death compassed me / the floods of ungodly men made me afraid; / the 

bonds of She'ol encircled me; / the snares of death took me by surprise; / in my distress I called 

upon the Lord, / and cried to my G‐D: / and he heard my voice out of his temple, / and my cry 

entered into his ears. / Then the earth shook and trembled; /the foundations of heaven moved 

/ and shook because of his anger /...the heavy mass of waters, and thick clouds of the skies /... 

And the channels of the sea appeared, / the foundations of the world were laid bare, / at the 

rebuking of the Lord, at the blast at the breath of his nostrils. / He sent from above, he took me; 

/ he drew me out of many waters; / he delivered me from my strong enemy, and from those 

who hated me; for they were too strong for me. / They surprised me in the day of my calamity: / 

but the Lord was my stay..."  ‐ Samuel 22:5‐19 

SLIDE 8 – Analysis of WW2 Morbidity and Mortality 

Role of Fleet Submarine: “They were to scout out ahead of the fleet and report on the enemy fleet's composition, speed, and course, then they were to attack and whittle down the enemy in preparation for the main fleet action, a titanic gun battle between battleships and cruisers. This was an operational concept born from experience in World War I. In order to operate effectively in this role, a submarine had to have high surface speed, long range and endurance, and a heavy armament.” – Norman Friedman  M&M is driven by combat, trauma and accidents.  Concern for impact of long term exposure not particularly relevant.   Combat deaths  – 3505   Died of wounds – 12   DNBR ‐ 50  Photo:  SS‐167 USS Narwhal (V‐5) departing Mare Island.  Note 6”/30 cal open mount deck guns.  Designed, with sister ship USS Nautilus, as submarine cruiser.  Length – 371 feet.  Built 1930.  Present at Pearl Harbor; credited with 2 assisted kills of Japanese aircraft.  Served as 

picket at Midway.  Troop transport to Aleutians in retaking of Attu and Kiska.  Operated out of Australia, delivering SOF and supplies to Phillipines and retrieving agents, POWs and evacuees.  14 war patrols. Stricken from service 1945 PNSY and scrapped.  Photo:  USS Hammerhead.  Balao‐class.  Launched 1943 at Manitowoc, WI.  Barged down Mississippi R. to NOLA.  Length – 312 feet.  Seven war patrols in South China Sea and Gulf of Siam.  Mare Island reserve fleet.  Reactivated for Korean War.  Transferred to Turkey.  Scrapped 1972.  Photo: USS Kraken. Balao‐class.  Launched 1944 at Manitowoc, WI.  4 war patrols.  Lifeguard duty off Indochina.  Mare Island reserve fleet.  Transferred to Spain.  Scrapped 1982.   Class and type: Balao class diesel‐electric submarine Displacement: 1,526 tons (1,550 t) surfaced 2,424 tons (2,463 t) submerged Length: 311 ft 9 in  Beam: 27 ft 3 in   Draft: 16 ft 10 in   Propulsion: 4 × GM Model 16‐278A V16 diesel engines driving electrical generators 2 × 126‐cell Sargo batteries  4 × high‐speed GE electric motors with reduction gears two propellers   5,400 shp (4.0 MW) surfaced/2,740 shp (2.0 MW) submerged  Speed: 20.25 knots surfaced/8.75 knots submerged  Range: 11,000 nautical miles surfaced at 10 knots  Endurance: 48 hours at 2 knots submerged; 75 day patrols  Test depth: 400 ft   Complement: 10 officers, 70–71 enlisted Armament: 10 × 21‐inch (533 mm) torpedo tubes; 6 forward, 4 aft 24 torpedoes,  1 × 5‐inch / 25 caliber deck gun, Bofors 40 mm and Oerlikon 20 mm  SLIDE 9 

Snorkel invented by Dutch Navy and developed by German Kriegsmarine during WW2.  Allowed operation of diesel main engines while submerged at P/D.  Speed limited to 10 kts by mast strength but endurance limited only by fuel capacity.  Less vulnerable than surfaced, but still detectable. Albacore hull most efficient hydrodynamic shape for submarine which speeds the majority of time submerged. Weapons systems evolve from line‐of‐sight torpedoes and guns  over‐the‐horizon cruise missile derived from German V‐1 rockets off the decks of surfaced, converted fleet submarines.    In 1955, RADM William Raborn appointed to oversee development of the Polaris missile, a submarine‐launched, intercontinental ballistic missile as the weapons system for the Fleet Ballistic Missile (FBM) submarine—USS George Washington (SSN‐598) was the first of this type.  The first FBM deterrent patrol takes place in 1960—three years ahead of schedule. The first operational version, the Polaris A‐1, had a range of 1,000 nautical miles and a single Mk 1 re‐entry vehicle, carrying a single W‐47‐Y1 600 kiloton nuclear warhead, with an inertial guidance system which provided a Circular error probable (CEP) of 5,900 feet.

 

SLIDE 10 – Potential of Nuclear Power:  “Sealed” 

Advent of nuclear powered propulsion allows prolonged submerged operations.  Remaining 

submerged equates to remaining undetected by hostile forces, thus optimal tactical 

employment dictates minimal time spent on surface or at P/D.  The functional result is a “sealed 

environment” with contaminant levels a function of total volume, production and removal 

rates. 

 SLIDE 11 – Air Independent Operations USS Nautilus does not initially operate as a true submersible.  Only with the missions which traversed the Arctic icecap did nuclear submarines begin to truly divorce themselves from the atmosphere…  O2 chlorate candles and EAB brought onboard for under‐ice transit.  1956 – 11 day ‘Habitability Cruise’ of USS Nautilus 1958 – USS Nautilus to 90N; USS Skate to 90N; 60 day submerged transit of USS Seawolf 1959 – Treadwell Model 7L16 EOG installed on USS Nautilus 1960 – USS Sargo to 90N;  Treadwell Model 7L16 EOG installed on USS George Washington 1961 – USS George Washington completes 1st FBM deterrent patrol, lasting 82 days (66 submerged).  Complete atmosphere control ‘suite’.  SLIDE 12 – Evolution of Submarine Tactical Operation  SLIDE 13 – A Peculiar Environment In comparison with ‘room air’, Submarine CO2 levels are typically x10‐15 higher.  Total Pressure, O2 and CO2 levels fluctuate; build up of trace contaminants occurs and exposure is continuous without respite outside ‘work hours’.  SLIDE 14 – A Peculiar Environment Atmosphere Controls equipment are required to:

• Recirculate air thru all compartments • Dehumidify, cool and warm air • Remove odors and particulates • Supply oxygen • Remove carbon dioxide • Remove CO, H

2 and hydrocarbons

 SLIDE 15 – Overview of Atmosphere Control ship’s systems 

In port, underway on surface or at periscope depth with the snorkel mast raised above the surface, a submarine can rapidly ventilate, either the entire ship, or an individual compartment—as is done in the event of a casualty in a particular compartment.  This ventilation quickly normalizes the ship’s/compartment’s atmosphere to that of the external environment.  Below periscope depth, the submarine is essentially a closed system, and the constituent atmospheric components approach equilibrium as a function of introduction and removal terms.  O2 is consumed and CO2 is produced by human respiration.   Total pressure in 

the boat is lowered when air compressors take a suction on the ship’s volume to recharge high pressure air banks.  O2 produced by electrolysis and potable water from seawater are two examples of new mass/moles been introduced into this ‘closed’ system.  Off‐gassing from submarine materials, lubricants and cooking, minor refrigerant leaks cause the contaminant levels to rise.  Atmosphere control regenerative equipment is centrally located, on the premise that the ship’s ventilation system will efficiently recirculate and mix the internal environment with little stratification.  Specific components, like charcoal filters, electronic precipitators, spot coolers and heaters, are distributed throughout the submarine volume.  LP Blower volumetric flow rate = 2000 scfm Emergency Diesel Generator (EDG) volumetric flow rate = 4000 scfm  SLIDE 16 – Total Pressue:  “Pressure in the Boat” Pressure maintained in the submarine 700 – 810 torr 700 torr ~ 0.925 ATA 6000 ft elevation   Lake Tahoe is at 6250 ft; Denver is at 5280 ft. 810 torr ~ 1.08 ATA 7.0% = 53 torr  Pressure is maintained by conserving the molar amount on board and controlling evolutions which act to add or subtract moles of air from the ‘floodable volume’.  Snorkel head valve – designed to bring air into ship with minimum of water from wave slap or depth control problems.  High back‐pressure shutdown to avoid flooding the Fan Room.  EDG will shut down on ‘high compartment vacuum’  of ~ 6 inches Hg vacuum ( 607 torr or ~ 0.8 ATA) to avoid compartment asphyxiation in the event of an improper ventilation line up.  EDG running and drawing suction solely on compartment at 1 ATA would  drop O2 from 160  130 torr in 1.5 minutes;  100 torr in <4 minutes.  This imposed a functional limit on lowest allowable O2 concentration in ship.  Submarine rescue systems designed on a maximum survivable compartment pressure of 6 ATA, based on expected decompression debt and pulmonary disease.  Above 1 ATA, N2 tends to saturate the fatty tissue.  Subsequent rapid decompression overwhelms pulmonary capability to ‘offgas’ bubble accumulation in blood, bone or tissues.  Decompression Illness “Caisson Disease.  SLIDE 17 Oxygen discovered by Dr. Joseph Priestley (1774).   Physiologic response depends on partial pressure of oxygen.  Partial pressure (pO2) drives how much O2 is carried per unit blood.  Human blood is >90% saturated at pPO2 >110 torr.  At about 120 torr (16% @ 1 ATA), unacclimated subjects experience increased RR, headache, fatigue.  ‘Room air’ is about 160 torr (20.9% @ 1 ATA).  Cigarette smokers are less tolerant to hypoxic levels.  CO in atmosphere further reduces hemoglobin carrying capacity and potential exacerbates effect.  

SLIDE 18 – Oxygen and the Submarine Atmosphere Zone 

  SLIDE 19 

CO2 levels on WW2 submarines monitored by crew’s physiologic response to elevated levels. Normal respiration generates ~ 0.80 – 0.85 scfh/man.  Diet impacts this:  High carb  1.0 scfh;  high fat  0.7 scfh.  Physiologic response is driven by partial pressures.  Since most literature assumes normal atmospheric pressures (1 ATA), levels of concern are frequently expressed as volumetric percentages, rather than torr.  All studies prior to 2009 were based on male crew.  Practical/ethical considerations.   Days of human test subjects gone.  Projected FY 2012 gender integration of submarine officer component drove additional evaluation of reproductive and developmental risks.  Non‐regenerative methods.  Early experimentation with various caustic powders or solutions.  Formulation/kernelling used to enhance absorption and reduce ‘caking’.  KOH initially used until WW1 demand for potash in explosive manufacture precluded its use.  NaOH was substituted 

after consultation with the USA Chemical Branch, and successfully tested during a 96 hour run on USS O‐10 (1923).  In the 1930’s, LiOH was determined to absorb CO2 faster, work more effectively at low temperatures and could additionally absorb Cl2 gas.  LiOH because standard Damage Control (DC) equipage submarines prior to WWII.   2LiOH + CO2  Li2CO3 + H2O  Caustic nature of LiOH and dispersion of crystals make using LiOH problematic.  Hopper/blower requires electrical power.  LiOH curtains developed after KURSK loss (2000); tested during SURVIVEX 2003 by NSMRL.  Reduced dust, no power requirement and exothermic rxn may mitigate DISSUB conditions (hypothermia).  Regenerative Method:  First prototype scrubber was used during Operation Hideout, but was not regenerative.  Current models are based on work by the Mare Island Naval Shipyard. Scrubbers use monoethanolamine (MEA);  cold MEA absorbs CO2 and hot MEA releases CO2.  CO2‐rich MEA heated and released CO2 is compressed and discharged overboard.  SLIDE 20 – Operation HIDEOUT Image:  New York Herald Tribune article dated 11 Feb 53.  Duration 60 days; exposure 42 days. The effects of prolonged exposures to high concentrations of CO2 were studied. Twenty‐two seamen and a medical officer were sealed for 60 days in 5 compartments of the USS Haddock, a fleet‐type submarine equipped with a caustic scrubber for removing excess CO2. The scrubber adequately removed CO2 at an average rate of 9.77 lb/hr at an average caustic utilization of 90.3%. The desired 1.5% CO2 atmosphere was maintained. As expected, the averages were higher than those for maintaining the 1% CO2 atmosphere for which the unit was designed. The absence of odors and cigarette smoke was attributed to the scrubber action.  Performed to evaluate ability of crew members to successfully function for extended periods of time with elevated CO2 levels.  Designed to anticipate conditions on nuclear‐powered submarines.  Specific findings: No change in HR, weight, oral temp or BP. Increase in pulmonary ventilation 8% Transient increase in O2 consumption Ventilatory response to CO2 blunted RBC mass unchanged Neutrophils/eosinophils depressed EEG demonstrate sleep changes Mild respiratory acidosis Urine bicarbonate rise No major psych issues; increased anxiety No cognitive or visual changes  

Conclusion drawn from Operation HIDEOUT was that crews could safely perform on nuclear submarines for extended periods at hyper‐physiologic levels of atmospheric CO2 without impairment.  1.5% became the 24 hour exposure limit and 0.5% (3.8 torr) the CEL or ‘90 day’ limit. SLIDE 21 – Carbon Monoxide 

CO affinity to hemoglobin is x290 that of O2.  Low levels of CO bind sufficient O2 carrying sites on RBC to materially reduce O2 carrying capacity.  CO will permanently bind to carrying sites if not displaced within hours  100% O2 or hyperbaric O2 treatment. 90 Day limit (CEL) = 5 ppm  The CO‐H2 burner was initially designed to eliminate H2 on the submarine.  During the 1956 USS Nautilus ‘Habitability Cruise’, that smoking would have to be secured while submerged unless CO could be removed.  The ability to remove CO levels during H2 eliminator operations was noted on USS Trout in 1953. The existing Mark V H2 eliminator was therefore modified to operate at a higher temp (400F  600F) to optimize CO removal.  SLIDE 22 – Hydrogen H2 represents an explosive risk on submarines.  The ship’s battery evolves considerable H2 while charging.  This was recognized as earlier as the first installation of main storage batteries.  Prior to WW2, the sp. Gr. of USN batteries, exacerbating the problem.  Mark V H2 eliminators were installed for episodic use on submarines with older (more prone to gassing) batteries.  Their use became standard operating procedure with the advent of prolonged submerged operations.  Electrolytic generation of O2 in 2 moles of H2 produced for every mole of O2.  Most of the H2 is retained within the system and discharged overboard, but there are some leaks and carry‐over into the O2.  Burner operating temperature reduced from 600F  500F.  SLIDE 23 – Hydrocarbons Photo:  President Eisenhower eating on USS Seawolf messdecks.  Sources of hydrocarbons: Fuels, lubricants, hydraulic systems, painting, solvents, cooking, off‐gassing Limited by controls on materials/maintenance Removed by Mk III CO‐H2 burner  “Habitability Cruise” (1956) and subsequent testing demonstrated high levels of hydrocarbons and saturation of charcoal beds/filters.  Attributed to painting, diesel fuel and mineral spirit solvents used for field days.  By 1960, Submarine Force directives largely precluded all use of oil‐based paints, and severely restricted painting immediately prior to and during underways, and instituted Submarine Materials controls.  SLIDE 24 – Refrigerants  

A/C first installed on Fleet Boat.  Huge difference in habitability over S‐class boats.  Crews more effective in sustained combat operations in South Pacific.  Lowered humidity better for equipment.  S‐boats shifted to Aleutian area of operations.  

Early SSBN classes used LiBr refrigeration units for main A/C loads.  Good for steady‐state, continuous operations in stable sea state.  Large ship angles or power losses disrupt cycle. Freon sinks to bilges.  Requires red devil blowers/elephant trunks in bilges to clear effectively. Freon at levels >11% by volume induce dizziness, loss of concentration, CNS depression, cardiac arrhythmia.  Combustion products include hydrofluoric acid (HF in aqueous solution) and HF gas.  The gas is acutely toxic to pulmonary tissues and cornea. R‐12 Sp. Gr. = 1.34 (MSDS) R‐134 (1,1,1,2‐tetrafluoroethane) is a haloalkane refrigerant that replaces earlier CFC’s.  Sp. Gr. = 1.22 (MSDS)  CO‐H2 burner operating temperature lower from 600F  500F to reduce the breakdown of R‐134 from ~8% to <2%.  This reduces the amount of HF produced.  SLIDE 25 – Normal Submerged Operations OOD approval required to initiate any activities or maintenance which might impact atmosphere—painting, AC unit work, taking  equipment out of service to repair, air charges.  Notifies responsible department heads, XO and CO of concerning conditions.  Plans periscope depth evolutions to purge/replenish atmosphere as needed and permitted by tactical situation.  Entry into unventilated spaces, tanks and voids requires OOD’s explicit permission and initial assessment by Gas Free Engineer.  Initiates and directs ship’s casualty response to shipboard emergencies (including those impacting environment—fire, toxic gas).  SLIDE 26 – Watchstander monitoring :  CAMS Logs Watchstander reads and logs values of Fan Room and 2 other sampling points every hour. The OOD reviews these logs every 2 hours and monitors trends.  He/she takes actions to ensure parameters remain within normal limits BEFORE a limit is reached or exceeded.  The OOD does so by starting/securing atmosphere control equipment, adjusting the O2 ‘bleed’, managing ship’s maintenance activities and, potentially, bringing the submarine to periscope depth (P/D), where the ship may be ventilated. SLIDE 27 – Casualty Response 

Many casualties onboard a submarine will degrade the atmosphere.  Actions by the crew include: 

Sound General Alarm/Rig Ship for General Emergency Man phones Isolate affected compartment Don EABs Secure equipment Casualty Assistance Team (CAT) to scene Maneuver ship  PD 

Extinguish fire/secure source Emergency ventilate compartment(s) GFE sample 

Crew cannot abandon the affected compartment or go topside.  They have to fight where they stand.  Emergency breathing systems are provided to allow crew to continue to function. The Emergency Air Breathing (EAB) system is an installed 100# air system with manifolds (plug‐in points) widely distributed throughout the ship.  All crew are trained to don EAB masks and pull in upon word of a fire or toxic gas event.   Knowing where the manifolds are is a basic requirement to qualify as submariner.  Designated casualty responders requiring greater mobility don Submarine Casualty Breathing Apparatus (SCBA) aka Scott Air Packs.  Personnel remain in EABs or SCBAs until the atmosphere has been verified as safe by sampling.  This typically requires that the fire be extinguished or the toxic source stopped, and the affected compartment(s) emergency ventilated.  SLIDE 28 – Crew Screening Conditions specific to Submarine atmosphere and physical standards: Respiratory disease Skin conditions/infections Immunodeficiency  SLIDE 29 – Ship Materials Screening Addressing the risk of trace contaminants is a multi‐layered endeavor.  “All materials contemplated for use in submarines, including construction, carry‐on, and materials in permanently sealed containers, require certification and the assignment of a usage category that defines the circumstances under which a material may be carried/used on board… Submarine Materials (SM) are all non‐metallic materials or toxicologically significant metals…”   The Submarine Material Control List is the comprehensive summary of what materials can or cannot be used or brought aboard submarines—when, in what quantities and in what application.  Shipboard personnel and supervisors enforce requirements and conduct surveillance of compliance with program.  External organizations evaluate the efficacy of each ship’s program.  Submarine “Usage Categories” (defined in NPSACM): Prohibited (X): Not allowed onboard submarines at any time  Restricted (R): Not allowed onboard submarines while underway, except under specific exemptions, although may be used in limited quantities while in port and ventilating outboard Limited (L): May be used underway for a specific purpose and for which no completely non‐toxic substitute exists. Shall not be carried on board in excess of required quantities 

Permitted (N): No restrictions. Due to the potentially toxic nature of most materials and their potential to contaminate the submarine atmosphere, this usage category is rarely used.  SLIDE 30 – Submarine Materials Certification Process  

  SLIDE 31 – SAHAP 

Submarine Atmosphere Health Assessment Program (SAHAP) implements Chief of Naval Operations (CNO) 1995 directive to perform ongoing evaluation of submarine atmospheres, and particularly surveillance of trace contaminants. About 10 ships are evaluated each year.  Ships are targeted to include all ship classes, based on operational availability. SAHAP disks sampling for: VOC A/B/C, ozone, ammonia, nicotine, acids, amine, acrolein, aldehyde Can target specific compounds Can utilize vacuum sample flasks – impact on IDC Standard sample points and duration for SSN (3) and SSBN (6)(also samples methanol)  SLIDE 32 – Submarine Atmosphere Control Research Health and safety concerns of man in submarine environment an ongoing study dating back before inception of U.S. Submarine Force (1900). Asphyxia/hypoxia in early sealed craft Toxic gas exposures (gasoline, Chlorine, hydrogen, carbon monoxide, arsine, stibine) Early knowledge and monitoring/safety equipment derived, in part from the Bureau of Mines and U.S. Army Chemical Branch. Established 1923, Naval Research Lab involved in solving technical questions  absorbents, O2 generation, CO2/CO/H2 removal, emergency breathing apparatus, gas monitoring gear; aligned with Office of Naval Research.  Collaboration with BUMED and BUSHIPS‐‐precursor to Naval Sea Systems Command (NAVSEA).

BUMED research labs represent 80+ years of investigation and analysis of submarine health issues; an expansive research library of technical reports and monographs. National Research Council involvement in codify toxicology of submarine atmosphere constituents and CELs. DISSUB research by acknowledgement that deranged atmosphere and toxic exposures are key consideration to crew survivability, above and beyond the technical exercise of locating and extracting crew.  SLIDE 33 – SEAB 

Submarine Environment Advisory Board (SEAB); current manifestation of a collaboration between stakeholders which extends back to at least 1960.  Panel with charter by Navy Surgeon General to advise Submarine Force Commander on issues impacting submariner health, specifically identification, monitoring, and risk mitigation of hazardous environmental exposures.  Board functions include: Review of SAHAP data summaries Ongoing reassessment of existing exposure limits Emergent issues identified by board or requested by stakeholders  SLIDE 34 – Questions “Satisfactory and important as have been the performances of the navy at this interesting period, they are scarcely more wonderful than the success of our mechanics and artisans in the production of war vessels which has created a new form of naval power.”                                                                                              ‐‐ Abraham Lincoln 

 

Photo:  USS H‐1 crew pierside, NAVSUBASE NLON (Groton, CT), c. 1918.  USS H‐1 (SS‐28), the lead ship of her class of submarine of the United States Navy, was originally named USS Seawolf, making her the first ship of the U.S. Navy to be named for the seawolf.  USS H‐1 was laid down by the Union Iron Works of San Francisco, California. She was renamed on 17 November 1911, launched on 6 May 1913 sponsored by Miss Lesley Jean Makins, and commissioned at Mare Island Navy Yard on 1 December 1913, Lieutenant Henry M. Jensen in command.  SLIDE 35 ‐ References