Większość nowoczesnych okrętów podwodnych jest wyposażona w elektrownie wysokoprężne. Takie urządzenia mają charakterystyczne wady, dlatego poszukuje się wygodnych i opłacalnych alternatyw. Jak pokazuje praktyka, nowoczesny poziom technologii umożliwia tworzenie wydajnych elektrowni dla niejądrowych okrętów podwodnych, a mówimy o systemach o różnej architekturze.
Problemy i rozwiązania
Główną wadą okrętów podwodnych z napędem spalinowo-elektrycznym jest konieczność regularnego ładowania akumulatorów za pomocą generatora diesla. Aby to zrobić, łódź podwodna musi wypłynąć na powierzchnię lub poruszać się na głębokości peryskopowej - co zwiększa prawdopodobieństwo wykrycia przez wroga. Jednocześnie czas nurkowania na bateriach zwykle nie przekracza kilku dni.
Oczywistą alternatywą dla oleju napędowego jest elektrownia jądrowa, ale jej zastosowanie nie zawsze jest możliwe i uzasadnione ze względu na złożoność i wysokie koszty. W związku z tym od kilkudziesięciu lat badano kwestię tworzenia niezależnych od powietrza elektrowni (VNEU) o pożądanych właściwościach i bez wad systemów spalinowo-elektrycznych. Szereg nowych technologii tego typu zostało z powodzeniem wprowadzonych do eksploatacji, a uruchomienie kolejnych spodziewane jest w najbliższej przyszłości.
Ogólnie istnieje kilka podejść do tworzenia VNEU. Pierwszy polega na przebudowie generatora diesla przy użyciu innego silnika, który jest mniej obciążający dopływające powietrze. Druga proponuje wytwarzanie energii elektrycznej z wykorzystaniem tzw. ogniwa paliwowe. Trzecia to poprawa akumulatorów, m.in. aż do odrzucenia własnego pokolenia.
Alternatywa Stirling
Pierwszym niejądrowym okrętem podwodnym z pełnoprawnym VNEU, wprowadzonym do służby w 1996 roku, był szwedzki okręt Gotland. Ten okręt podwodny miał długość 60 mi wyporność 1600 ton, a także posiadał 6 wyrzutni torpedowych dwóch kalibrów. Jego elektrownia została zbudowana na bazie standardowego silnika spalinowo-elektrycznego i uzupełniona o nowe komponenty.
Ruch powierzchniowy i wytwarzanie energii zapewniają dwa diesle MTU 16V-396 oraz para generatorów Hedemora V12A/15-Ub. Śmigło we wszystkich trybach napędzane jest silnikiem elektrycznym. W pozycji zanurzonej łódź podwodna zamiast diesli uruchamia silnik Stirlinga typu Kockums v4-275R na paliwo płynne i skroplony tlen. Rezerwa tych ostatnich pozwala na przebywanie pod wodą nawet do 30 dni bez konieczności wynurzania. Ponadto silnik Stirlinga jest mniej hałaśliwy i nie demaskuje również łodzi podwodnej.
Zgodnie z projektem Gotland zbudowano trzy nowe okręty podwodne; drugi i trzeci budynek oddano do użytku w 1997 roku. Na początku lat 2000 wdrożono projekt z kodeksem Södermanland. Przewidywał modernizację dwóch okrętów podwodnych typu Västergötland z napędem spalinowo-elektrycznym wraz z instalacją VNEU z projektu Gotland. Japonia zainteresowała się szwedzkimi wydarzeniami. Na licencji montowała VNEU dla okrętów podwodnych typu „Soryu”. Ze względu na duże wymiary i pojemność japońskie okręty podwodne niosą jednocześnie cztery silniki v4-275R.
Turbiny podwodne
Podczas rozwoju projektu Scorpène francuscy stoczniowcy zaproponowali własną wersję VNEU opartą na alternatywnym silniku. Taka instalacja, nazwana Module d'Energie Sous-Marine Autonome (MESMA), została zaoferowana potencjalnym klientom do wykorzystania na nowo budowanych okrętach podwodnych.
W ramach projektu MESMA zaproponowano specjalny silnik turbiny parowej zasilany etanolem i sprężonym powietrzem. Spalanie mieszanki alkoholowo-powietrznej miało wytworzyć parę dla turbiny napędzającej generator. Zaproponowano, aby produkty spalania w postaci dwutlenku węgla i pary wodnej pod wysokim ciśnieniem były odprowadzane za burtę na całym zakresie głębokości roboczych. Według obliczeń okręt podwodny Scorpène z VNEU MESMA mógł pozostać pod wodą nawet do 21 dni.
Zakład MESMA był oferowany różnym klientom. Na przykład planowano go wykorzystać w projekcie Scorpène-Kalvari dla Indii. Jednak instalacja pilotażowa wykazała się niewystarczającą wydajnością, a zainteresowanie projektem znacznie spadło. W rezultacie nowe francuskie okręty podwodne z napędem dieslowo-elektrycznym są nadal wyposażone w silniki wysokoprężne - choć twórcy zapowiedzieli już nową modernizację z wprowadzeniem innych obiecujących rozwiązań.
W 2019 r. rosyjscy stocznie ogłosili opracowanie całkowicie nowego VNEU opartego na silniku z turbiną gazową o obiegu zamkniętym. Zawiera zbiorniki na skroplony tlen: odparowuje i jest dostarczany do silnika. Proponuje się zamrożenie i wyrzucenie spalin tylko podczas wychodzenia na powierzchnię w bezpiecznym miejscu. Podobny VNEU jest opracowywany w ramach projektu P-750B.
Ogniwo paliwowe
Pod koniec lat dziewięćdziesiątych Niemcy stworzyły własną wersję VNEU. W 1998 roku rozpoczęto budowę czołowego okrętu podwodnego nowego projektu Typ 212, wyposażonego w podobny system. W niemieckim projekcie wykorzystano system Siemens SINAVY, który łączy silnik elektryczny i wodorowe ogniwa paliwowe. Do poruszania się po powierzchni zachowano generator diesla.
Kompleks SINAVY obejmuje ogniwa paliwowe Siemens PEM do wymiany protonów na bazie wodorku metalu ze zbiornika skroplonego tlenu. Dla zwiększenia bezpieczeństwa, pojemniki z wodorkiem metalu i tlenem znajdują się w przestrzeni pomiędzy wytrzymałą i lekką obudową. Podczas pracy VNEU wodór uzyskany z wodorku metalu wraz z tlenem podawany jest na specjalne membrany i elektrody, gdzie generowany jest prąd.
Autonomia okrętu podwodnego „212” sięga 30 dni. Ważną zaletą VNEU SINAVY jest prawie całkowity brak hałasu podczas pracy przy wystarczająco wysokiej wydajności. Jednocześnie jest trudny w produkcji i obsłudze, a także ma inne wady.
Dla niemieckiej marynarki wojennej zbudowano sześć 212 okrętów podwodnych. W latach 2006-2017. cztery z tych statków weszły do służby we flocie hiszpańskiej. Na podstawie „212” powstał projekt „214”, który przewiduje zachowanie istniejącego VNEU. Takie okręty podwodne są bardzo popularne na rynku międzynarodowym. Otrzymane zamówienia z czterech krajów na ponad 20 łodzi. Zbudowano już i dostarczono klientom 15 statków.
Należy zauważyć, że VNEU oparte na ogniwach paliwowych jest rozwijane nie tylko w Niemczech. Równolegle z projektem MESMA we Francji opracowano wariant okrętu podwodnego Scorpène z wykorzystaniem ogniw paliwowych. To właśnie te okręty podwodne zostały sprzedane do Indii. Teraz powstają elementy nowej generacji. Wcześniej informowano, że jej ogniwa paliwowe są opracowywane w Rosji. VNEU tego typu przeszedł już testy laboratoryjne, aw przyszłości będzie testowany na statku eksperymentalnym.
Okręt podwodny zasilany bateryjnie
Pojawienie się całkowicie nowych silników i środków generacji nie wyklucza potrzeby dalszego rozwoju istniejących technologii i jednostek. W ten sposób akumulatory znanych i opanowanych typów zachowują wysoką wartość. W obiecujących projektach są nawet uważane za jedyne źródło energii dla wszystkich systemów.
Ciekawe procesy obserwuje się w japońskim przemyśle stoczniowym. Japonia była jednym z pierwszych krajów, które opanowały VNEU z silnikiem Stirlinga, ale w 2015 i 2017 roku. dwa okręty podwodne zmodyfikowanego projektu Soryu zostały ułożone bez takich systemów. Miejsce na standardowe akumulatory i jednostki VNEU zostało przeznaczone na nowoczesne akumulatory litowo-jonowe. Dzięki temu czas nurkowania został podwojony w porównaniu z bateriami poprzedniej generacji.
Od 2018trwa budowa okrętów podwodnych nowego projektu Taigei, pierwotnie opracowanych przy użyciu instalacji dieslowo-elektrycznej i akumulatorów litowo-jonowych. Wiodący statek nowego projektu został już zwodowany, a od zeszłego roku budowane są dwa kolejne kadłuby. W sumie planowana jest budowa siedmiu okrętów podwodnych z przyjęciem do służby od 2022 roku.
Istnieje wiele projektów ultramałych okrętów podwodnych, wyposażonych wyłącznie w akumulatory. W przyszłości architektura ta może znaleźć zastosowanie w „dużych” projektach. Niedawno francuscy stoczniowcy zaprezentowali projekt koncepcyjny SMX31E, który łączy w sobie wiele najśmielszych decyzji. W szczególności okręt podwodny otrzymał tylko baterie z ich umieszczeniem we wszystkich dostępnych ilościach, m.in. pomiędzy wytrzymałymi i lekkimi korpusami. Akumulatory należy naładować w bazie przed wyjściem w morze.
Szacuje się, że po pełnym naładowaniu SMX31E będzie w stanie pozostać zanurzony przez 30-60 dni, w zależności od prędkości jazdy i całkowitego zużycia energii. Jednocześnie planowane jest zapewnienie pełnej funkcjonalności wszystkich standardowych i dodatkowych urządzeń, kompleksów itp.
W procesie ewolucji
Tak więc w ostatnich dziesięcioleciach nastąpił znaczny postęp w dziedzinie VNEU dla okrętów podwodnych niejądrowych. Różne warianty takich systemów o określonych cechach i zaletach zostały opracowane, przetestowane, wprowadzone do projektów i oddane do użytku. Jednak nawet najnowsze instalacje niezależne od powietrza mają pewne wady. Pozostają skomplikowane i drogie, zarówno w produkcji, jak i eksploatacji.
Pomimo zalet w charakterystyce taktycznej i technicznej, okręty niepodwodne z VNEU nie mogą jeszcze zastąpić okrętów podwodnych z silnikiem Diesla o „tradycyjnej” architekturze. Co więcej, te ostatnie rozwijają się i korzystają z najnowocześniejszych technologii i komponentów. Uderzającym przykładem takiej konkurencji między różnymi klasami jest rozwój japońskiej floty okrętów podwodnych, która powróciła do schematu spalinowo-elektrycznego na nowym poziomie technicznym.
Najwyraźniej konkurencja między instalacjami niezależnymi od powietrza i instalacjami dieslowo-elektrycznymi będzie kontynuowana w dającej się przewidzieć przyszłości - i nie ma jeszcze wyraźnego faworyta. Jednocześnie oczywiste jest, że zwycięzcami są marynarki wojenne świata. Dostają możliwość wyboru najlepszej opcji dla elektrowni, która najlepiej spełnia wszystkie wymagania.
