Cum lucreaza propulsia anaeroba (AIP)

Articolul original: „Explained : How Air Independent Propulsion (AIP) Works!”, publicat de N.R.P. pe defencyclopedia.com, la 6 iulie 2016

 

INTRODUCERE

De cand submarinele devin principala arma a razboiului naval, designerii s-au concentrat sa le faca mai silentioase si sa le creasca autonomia in imersiune. Submarinele diesel-electrice traditionale au nevoie sa iasa frecvent la suprafata pentru a-si incarca bateriile si au o autonomie in imersiune de doar cateva zile. Cum tehnologia bateriilor s-a imbunatatit, autonomia acestor submarine a crescut proportional. Dar nu a fost suficient ca autonomia sa treaca de o saptamana in imersiune. Introducerea propulsiei anaerobe (AIP) a imbunatatit puternic autonomia in imersiune a acestor submarine si le-a oferit un avantaj distinct.

Acesta este motivul pentru care vedem un numar mare de marine militare stand la coada sa cumpere sau sa construiasca submarine cu sisteme AIP. Partea cea mai buna este ca tehnologia AIP poate fi instalata pe submarinele existente, din generatii mai vechi, prin insertia unei noi sectiuni de corp in timpul lucrarilor de modernizare. Acest articol se va referi la modul de lucru, avantajele, dezavantajele si aplicatiile AIP in submarinele moderne.

 

Submarine Diesel-electrice

Snorkeling – schema clasica

Asa cum numele lor sugereaza, submarinele diesel-electrice functioneaza pe diesel si electricitate. Ele dispun de o retea mare de baterii care sunt incarcate de generatorul diesel. Ele fac „snorkeling” adica se deplaseaza imediat sub suprafata apei, cu periscopul si tubul de evacuare a gazelor [si tubul de admisie a aerului – nn] deasupra apei. Odata ce si-au incarcat bateriile, se scufunda in ocean si se deplaseaza silentios pe baterii, cu generatoarele diesel oprite. Dupa ce se deplaseaza cateva zile in imersiune, bateriile se descarca si aceste submarine trebuie sa iasa din nou spre suprafata pentru a-si reincarca bateriile. Submarinele diesel-electrice sunt denumite SSK (Sub Surface Hunter-Killer) de catre sistemul de codificare al US Navy iar popular sunt denumite „diesele”.

 

Submarin diesel-electric la suprafata

 

Submarin diesel-electric folosind snorkel

 

DE CE NE TREBUIE AIP?

Pe durata imersiunii, bateriile de la bord alimenteaza elicea si alte sisteme electrice de la bordul submarinului. Aceste baterii se descarca in 4-5 zile si submarinul trebuie sa le reincarce. Acest lucru este facut prin snorkeling, ceea ce le expune detectiei de catre radarele inamice si le transforma intr-o tinta usoara pentru sistemele antisubmarin adverse. Desi snorkelele moderne sunt acoperite cu vopsea absorbanta radar si au o forma stealth, tot sunt detectabile de catre radarele cu rezolutie mare. De asemeni, sunt senzori denumiti „diesel sniffers” care detecteaza emisiile gazelor de evacuare ale generatoarelor diesel in timpul snorkelingului. Un submarin care trebuie sa iasa la suprafata zilnic isi pierde elementul-surpriza si isi creste vulnerabilitatea in fata sistemelor antisubmarin adverse.

Prin urmare, avem nevoie de un sistem care poate permite submarinelor diesel-electrice sa-si reincarce bateriile fara sa-si puna in functiune motoarele [generatoarele diesel – nn]. Acesta le-ar permite sa-si continue deplasarea in imersiune si sa pastreze elementul de surpriza, ramanand nedetectate. Acest sistem ar trebui, de asemeni, sa permita SSK-urilor sa-si mentina semnatura acustica extrem de redusa si sa nu compromita performantele submarinului. Acest sistem care permite toate acestea este propulsia anaeroba (AIP).

Cu toate ca submarinele nucleare ofera autonomie si viteza mult mai mari, sunt nepotrivite pentru zonele litorale, cu adancimi mici, iar cele mai multe marine militare nu-si permit sa achizitioneze si sa le mentina deoarece sunt foarte scumpe. De asemeni, submarinele diesel au avantajul ca pot sa-si opreasca motoarele complet si sa ramana in asteptare, spre deosebire de submarinele nucleare ale caror reactoare nu pot fi oprite dupa dorinta. Aceasta, combinat cu natura ultra silentioasa a submarinelor diesel moderne, a facut ca submarine diesel echipate cu AIP sa devina o alternativa foarte atractiva pentru multe tari.

Unele tari opereaza atat submarine nucleare cat si diesel pentru avantajele lor specifice. Marinele care doresc sa opereze submarine non-nucleare, cu raza lunga si incarcatura mare de lupta, au acum optiunea unor submarine diesel-electrice mari, echipate cu AIP, care ofera cea mai apropiata alternativa la submarinele nucleare. Cateva exemple sunt clasa Soryu, a Japoniei, Type 216, in dezvoltare de catre Germania, si Shortfin Barracuda, al Frantei, care va fi operat de Australia.

 

MOD DE FUNCTIONARE

Inainte sa putem intelege modul de lucru al sistemelor AIP, trebuie sa intelegem semnificatia catorva termeni tehnici.

Motor cu ciclu închis: un motor termic în care substanța de lucru este circulată în mod continuu și nu are nevoie de realimentare.

Turbină cu abur: Un tip de turbină în care un jet de abur cu viteză ridicată este utilizat pentru a întoarce lamelele turbinei, care în schimb rotesc arborele. Arborele poate fi conectat la un alternator pentru a genera energie electrică sau la o elice pentru a deplasa o navă / submarin

Fluid de lucru: Este un gaz sub presiune sau un fluid care este folosit pentru a absorbi / transmite energie într-un sistem termodinamic.

Epurare: procesul de îndepărtare a anumitor gaze de eșapament prin utilizarea de substanțe chimice adecvate într-un epurator.

Tipurile de sisteme AIP sunt:

• Closed Cycle Diesel Engines
• Closed Cycle Steam Turbines
• Stirling Cycle Engines
• Fuel Cells

Closed Cycle Diesel Engines

Această tehnologie implică stocarea unei cantități de oxigen în submarin pentru a rula un motor diesel în timpul imersiunii. Oxigenul lichid (LOX) este stocat în rezervoare la bordul submarinului și trimis la motorul diesel pentru combustie. Deoarece au nevoie să simuleze concentrația de oxigen atmosferic pentru ca motoarele să funcționeze în siguranță, fără a se deteriora, oxigenul este amestecat cu un gaz inert (de obicei argon) și apoi trimis la motor.

Gazele de eșapament sunt răcite și purificate pentru a extrage orice rest de oxigen și argon din acestea, iar gazele rămase sunt evacuate în mare după ce au fost amestecate cu apa de mare. Argonul care este extras din gazele de eșapament este din nou trimis în motorul diesel după ce a fost amestecat cu oxigen. 

Principala provocare cu această tehnologie este depozitarea în siguranță a oxigenului lichid la bordul submarinelor. Submarinele sovietice care au folosit această tehnologie în anii 1960 au descoperit că sunt foarte predispuse la incendii și, ulterior, i-au întrerupt utilizarea. Ciclul închis Diesel AIP nu este, prin urmare, preferat pentru submarinele moderne, chiar dacă este relativ mai ieftin și simplifică logistica prin utilizarea unui motor diesel standard.

 

Closed Cycle Steam Turbines

Turbinele cu abur utilizează o sursă de energie pentru a încălzi apa și a o transforma în abur pentru a actiona turbina. În submarinele cu propulsie nucleară, reactoarele furnizează căldura pentru a transforma apa în abur. Dar în cazul propulsiei convenționale cu aburi pe ciclu închis, o sursă de energie non-nucleară este folosită pentru a face același lucru.

Modulul francez MESMA (Module d’Energie Sous-Marine Autonome) este singurul astfel de sistem disponibil și utilizează etanolul și oxigenul ca surse de energie. Combustia de etanol si oxigen sub presiune inalta este folosita pentru a genera abur. Aburul generat este fluidul de lucru și este folosit pentru a actiona turbina. Combustia la presiune înaltă permite evacuarea dioxidului de carbon în mare, la orice adâncime, fără a folosi un compresor

 

Sistemul AIP  MESMA

 

Avantajul MESMA este puterea generata (output), mai mare în comparație cu alternativele si care permite viteze mai mari sub apă, dar dezavantajul sau major este eficiența mai scăzuta. De asemenea, rata consumului de oxigen este considerată a fi foarte ridicată și aceste sisteme sunt foarte complexe. Aceste dezavantaje fac ca mai multe marine militare să opteze pentru ciclul Stirling și alternativele cu celule de combustie.

 

Stirling Cycle Engines

Un motor Stirling este un motor cu ciclu închis, cu un fluid de lucru care este permanent pastrat în sistem. O sursă de energie este utilizată pentru a încălzi fluidul de lucru, care, la rândul său, mișcă pistoanele și actioneaza motorul. Motorul este cuplat la un generator care produce electricitate și încarcă bateria. Sursa de energie utilizată este, în mod tipic, LOX – oxidant – și motorina care este arsă pentru a genera căldură pentru fluidul de lucru. Gazele de eșapament sunt apoi purificate și eliberate în apa marii.

Sistem AIP Stirling al Saab

 

Motor Stirling (dreapta) si sectiunea care se adauga/inlocuieste la un submarin (stanga)

 

Avantajul utilizării motoarelor Stirling este disponibilitatea ridicata a combustibilului diesel și costurile reduse de alimentare cu combustibil, în comparație cu celulele de combustie. Ele sunt, de asemenea, mai silențioase decât MESMA și, prin urmare, preferate de japonezi pentru clasa Soryu, Suedia pentru clasele Gotland și Västergötland și China pentru clasa Yuan.

Principalul dezavantaj este că motoarele Stirling sunt relativ zgomotoase în comparație cu celulele de combustie, datorită prezenței unui număr mare de piese în mișcare. Ele sunt, de asemenea, voluminoase în comparație cu celulele de combustie. Adâncimea de operare a unui submarin care utilizează AIP Sterling este limitată la 200 m când AIP este activată

 

Fuel Cells

O celulă de combustie este un dispozitiv care transformă energia chimică în energie electrică. Acest lucru se face folosind un combustibil și un oxidant. O celulă de combustie tipic transformă hidrogenul (combustibilul) și oxigenul (oxidantul) în energie electrică, cu apă și căldură eliberate ca produse secundare. Aceasta se face printr-o celulă electrolitică care constă din doi electrozi, unul pozitiv (anod) și celălalt negativ (catod), separați de o barieră electrolitică. Reacția dintre catod și anod produce un curent electric, folosit pentru încărcarea bateriilor. Un catalizator chimic este utilizat pentru a accelera reacțiile

Celula de combustie, tip PEM, a Siemens

 

Celulele de combustie cu acid fosforic (PAFC) și celulele de combustie cu membrană de proton (PEMFC) sunt în prezent utilizate pe submarine. Germania este considerata lider mondial în dezvoltarea și desfășurarea acestui tip de AIP, fapt susținut de numărul mare de comenzi de export primite. Franța dezvoltă o nouă generație AIP pentru celule de combustie ca succesor al MESMA. India este o altă țară care dezvoltă un AIP cu celule de combustie pentru a fi integrat în submarinele lor.

 

Modul de functionare a unei celule de combustie tip PEM

 

Celulele de combustie sunt astăzi cea mai avansată și preferată tehnologie AIP. Acest lucru se datorează avantajelor majore pe care le oferă ca invizibilitate și putere generata. Acestea contribuie la invizibilitatea submarinului deoarece celulele de combustie nu au aproape nicio componenta în mișcare, ceea ce reduce semnificativ semnătura acustică a submarinului.

Celulele de combustie pot atinge o eficiență de peste 80% în anumite circumstanțe. Ele pot fi de asemenea scalate ușor în dimensiuni mari sau mici, în funcție de deplasamentul submarinului. Acest lucru este mai ușor decât dezvoltarea de sisteme diferite pentru fiecare clasă de submarine.

Celulele de combustie cu hidrogen sunt, de asemenea, foarte prietenoase față de mediu, deoarece nu produc gaze de eșapament, ceea ce la rândul lor elimină necesitatea de a avea mașini speciale de epurare și eliminare a gazelor de eșapament. Singurul dezavantaj este că sunt scumpe și complexe.

 

AVANTAJELE AIP

Utilizarea AIP pe un submarin diesel-electric crește considerabil autonomia in imersiune, permițându-i să rămână  scufundat timp de câteva săptămâni fără a iesi la suprafata. Deși submarinele trebuie să se ridice în cele din urmă pentru a-și încărca bateriile și autonomia lor nu rivalizeaza cu a submarinelor cu propulsie nucleară, creșterea vastă a autonomiei oferite de AIP le conferă un avantaj față de submarinele diesel-electrice neechipate cu AIP. Cu toate acestea, AIP nu oferă alt avantaj decât autonomie subacvatica crescuta și nu trebuie presupus că submarinele echipate AIP vor învinge mereu omologii lor neechipați cu AIP.

 

În aprilie 2006, un submarin german U-32, dotat cu AIP cu celule de combustie tip PEM, a Siemens, a efectuat o călătorie submarină neîntrerupta de 2800 km, fără surfacing / snorkeling! Acest lucru este în contrast puternic cu submarinele neechipate cu AIP care pot acoperi doar 500-800 km înainte să iasa la suprafata / snorkeling și să-și reîncarce bateriile prin actionarea generatoarelor diesel zgomotoase. Comparativ, un submarin cu propulsie nucleară are o autonomie nelimitată in imersiune!

 

Unterseeboot U-32 al marinei germane

 

Din nou, în 2013, U-32 a stabilit un record călătorind sub apă, continuu, timp de 18 zile, fără iesire la suprafata! Prin comparatie, un submarin diesel non-AIP are o autonomie in imersiune de doar 4-6 zile înainte să iasa la suprafață. Acest lucru demonstrează că submarinele diesel-electrice echipate cu AIP sunt mult mai capabile decât omologii lor echipați non-AIP atunci când vine vorba de autonomie in imersiune.

 

UTILIZAREA  AIP  IN LUME

La nivelul anului 2016, urmatoarele tari au dezvoltat sisteme proprii AIP pentru instalare pe submarine:

• Germany – Fuel Cell
• Sweden – Stirling
• Japan – Stirling
• France – MESMA
• Spain – Fuel Cell
• India – Fuel Cell
• Russia – Fuel Cell
• People’s Republic of China – Stirling

 

LIMITARILE AIP

• Exceptand celulele de combustie, celelalte 3 tehnologii presupun o mulțime de piese în mișcare care generează zgomot. Acest lucru nu este de dorit, deoarece silentiozitatea este esențială pentru submarine. Astfel, prin utilizarea sistemelor Stirling, MESMA și CCD AIP, submarinele vor sacrifica parte din invizibilitate pentru autonomie suplimentară.
• Chiar dacă AIP cu celule de combustie are multe avantaje, este extrem de costisitor să le achiziționezi și să le menții.
• Submarinele cu AIP trebuie să navigheze la viteze mai mici de 10 kts pentru a obține o autonomie excepțională de 14-18 zile precum cea anuntata oficial. Pentru comparație, un submarin cu propulsie nucleară poate călători pe o distanță nelimitată la 30-35 kts, fără a sacrifica autonomia. Deci, submarinele echipate cu AIP nu pot înlocui submarinele nucleare atunci când vine vorba de operatiuni blue water sau de operațiuni indelungate.

 

SCENARIU DE LUPTA

Avantajul oferit de autonomia sporită in imersiune poate fi folosit pentru a astepta in „ambuscada” o flotă care se apropie. Într-un astfel de scenariu, un submarin echipat cu AIP se poate deplasa în apropierea unei strâmtori, așteptând ca ținta să se apropie. Submarinul se deplaseaza la viteze ultra-silențioase de 2-4 noduri timp de câteva săptămâni și apoi atacă ținta când apare, folosind torpilele. Chiar dacă un submarin neechipat cu AIP poate face același lucru, perioada de așteptare, esențială pentru o ambuscadă subacvatică, este semnificativ mai mică.

Într-un alt scenariu, un submarin echipat cu AIP poate să opereze în apropierea teritoriului inamic pentru o perioadă mult mai lungă, comparativ cu un submarin fara AIP. Astfel, în această situație în care sunt colectate informatii și sunt executate misiuni de spionaj, AIP oferă acestor submarine diesel silențioase un avantaj, permițându-le să „hoinareasca” vreme de câteva săptămâni, fără a fi nevoite sa iasa la suprafață.

 

CONCLUZII

Lucrul care trebuie retinut despre AIP este că, doar pentru că un submarin este echipat cu acea tehnologie, nu inseamna ca se va folosi neapărat de ea in fiecare misiune. În timpul patrulelor obișnuite sau pe teritoriu prietenos, un submarin echipat cu AIP iși va reîncărca adesea bateriile utilizand snorkelul. Numai atunci când este trimis in misiuni in zone ostile va folosi AIP pentru a-și mări autonomia subacvatică. Acest lucru se datorează faptului că majoritatea combustibililor, oxidanților și altor consumabile utilizate de AIP sunt destul de scumpe și nu ar fi economic să le refacem lunar stocurile.

Capacitatea și fiabilitatea bateriilor sunt în creștere datorită cercetărilor ample efectuate în acest domeniu. Diferitele tehnologii AIP menționate vor vedea, de asemenea, ameliorarea pe scară largă a capacităților. Aceste două tehnologii combinate vor permite submarinelor AIP ale viitorului să rămână sub apă timp de luni întregi și să le facă submarine pseudo-nucleare. Această tehnologie are un viitor luminos și vom vedea mai multe nave moderne care o adoptă pentru flotele lor de submarine diesel-electrice.

 

Traducere si adaptare: Cristian Ganciu

 

Cateva observatii pe marginea articolului tradus:

1. Materialul este foarte util pentru cei care invarteam subiectul AIP precum porcul dovletele. Stiam ca e foarte util dar nu aveam prea multe date despre modul de functionare, tipuri de AIP, avantaje si dezavantaje;
2. Dintre sistemele enumerate, sistemul Stirling si cel cu celule de combustie (Siemens, sa zicem) ar putea fi optiunile noastre, avand in vedere ca francezii vor sa treaca de la MESMA la un sistem cu celule de combustie.
3. Dintre cele doua sisteme, Stirling pare mai potrivit pentru buzunarele noastre, mai ieftin de cumparat si de operat. Articolul spune ca e ceva mai zgomotos decat cel cu celule de combustie dar, se pare, nu atat de zgomotos incat americanii sa-l fi depistat cu sistemele lor de detectie antisubmarin, la exercitiile desfasurate acum cativa ani.
4. Sistemul Stirling este un bloc voluminos, spre deosebire de celulele de combustie care pot fi distribuite prin submarin, dar interventiile / inlocuirea blocului Stirling se fac mai rapid.
5. Adancimea maxima de scufundare a submarinelor cu AIP Stirling nu este 200m ci 200m reprezinta adancimea maxima la care se pot afla cand au AIP-ul in functiune, pentru reincarcarea bateriilor.
6. In privinta cresterii autonomiei, prin imbunatatirea tehnologiei AIP si a calitatii bateriilor, fara indoiala ca, in cativa ani, se va ajunge la autonomii de 2-3 luni in imersiune.

 

Si un gand:

Pana la modernizarile preconizate, o solutie mai accesibila tehnologic si mai ieftina ar fi dezvoltarea unor capacitati de reaprovizionare pe mare, cu submarinele in imersiune.

 

Acest ar putea fi facut in doua variante:

Prima varianta, mai simpla, ar presupune amenajarea la bordul unor nave „obisnuite, comune”, a unei capacitati de transfer catre submarin a carburantului diesel, a oxigenului pentru motorul Stirling sau a oxigenului si hidrogenului pentru celulele de combustie. Asta ar insemna ca submarinul sa se pozitioneze sub nava, din coca navei sa coboare tuburile flexibile de transfer care sa fie fixate de scafandri la gurile de receptie de pe coca submarinului. Sau capul ansamblului de tuburi sa poata fi actionat din nava (niste elici micute) astfel incat sa se cupleze automat la submarin.

Pe acelasi principiu, dar utilizand tuburi cu diametrul putin mai mare, s-ar putea transfera inclusiv hrana, medicamente, mici piese sau unelte, alte materiale consumabile, incapsulate astfel incat sa poata fi coborate prin tub.

A doua varianta, mai complicata, ar presupune, pe langa transferul de carburant, si transferul de munitie (torpile si rachete, in principal). Asta ar insemna ca nava sa dispuna de o macara / vinci care sa coboare sub apa un fel de cadru / rastel in care sa fie amplasate torpilele/rachetele.

Rastelul ar trebui sa fie dimensionat in asa fel incat sa se cupleze pe botul submarinului si sa-i transfere, prin tuburile lanstorpila, munitiile necesare. Rastelul ar putea fi folosit si pentru aprovizionarea submarinului cu piese, echipamente,  alimente, medicamente, consumabile, acestea fiind introduse in containere cilindrice care sa fie transferate in submarin la fel ca torpilele. Intr-o etapa ulterioara, rastelul ar putea fi folosit pentru transferul de personal, in ambele sensuri.

In paralel, folosind sistemul cu tuburi flexibile, s-ar face realimentarea cu motorina, oxigen, hidrogen etc.

Cum mascarea operatiunii are un rol esential, ideal ar fi ca nava sa coboare rastelul din interior, direct sub nava, si nu in borduri sau la pupa. Cea mai potrivita, in aceasta situatie, ar fi o nava catamaran, coborarea rastelului cu munitie facandu-se dintre cocile navei.

 

In ambele cazuri, pe perioada aprovizionarii, submarinul ar putea fi alimentat cu energie electrica din nava astfel incat acesta sa ramana invizibil, indiferent de spectrul de cautare.

 

 

In cazul nostru, cu Crimeea la 3-400km, cu 6 submarine si multe avioane rusesti, locul cel mai nesigur pentru submarine va fi exact acasa, in port, asa ca dezvoltarea unei capacitati de reaprovizionare pe mare, macar in prima varianta, ar fi extrem de utila.

Nu ar fi o gaura in cer din punct de vedere tehnologic iar nave „obisnuite” vom avea din belsug, odata ce vom inlocui corvetele si, posibil, dragoarele, fara a mai vorbi de alte nave auxiliare.

 

 

Cristian Ganciu