أنظمة دفع الغواصات: مقارنة أنظمة الدفع بالديزل والكهرباء و AIP والأنظمة النووية

يحدد محرك الأقراص مدة بقاء الغواصة تحت الماء، ومدى هدوئها - وفي النهاية ما إذا كان سيتم اكتشافها على الإطلاق. لا يوجد أي مكوّن آخر له مثل هذا التأثير المباشر على قدرة الغواصة على البقاء التكتيكي. مفاهيم الدفع التقليدية ذات أهمية خاصة بالنسبة لبناء السفن الألمانية وهي محور التركيز هنا.

محرك الديزل-الكهربائي: المبدأ الأساسي المثبت

تسير الغواصات التقليدية على نفس المبدأ الأساسي منذ عقود: محركات الديزل تولد الكهرباء، والمحركات الكهربائية تدفع المروحة. ما تغير هو كفاءة وذكاء هذا النظام.

في الماضي، كانت الغواصات تستخدم محركات الديزل على السطح وتتحول إلى التشغيل بالبطارية عند الغوص. أما اليوم، فيعمل المحرك الكهربائي بشكل مستمر ويدفع المروحة بشكل دائم. تعمل محركات الديزل كمولدات - فهي تزوّد المحرك الكهربائي مباشرةً أو تشحن البطاريات. يؤدي ذلك إلى تشغيل أكثر سلاسة وأكثر قابلية للتحكم.

وضع القيادة	مصدر الطاقة	الوضع النموذجي
رحلة سطحية/غطس على السطح	مولدات الديزل	النقل، إعادة شحن البطارية
مغمورة، قيادة عادية	بطاريات + محرك كهربائي	وضع التشغيل
مغمورة وهادئة جداً	البطاريات وحدها، الحد الأدنى للحمل	الترصد، التنوير
وضع AIP	نظام AIP + البطاريات	تحمّل طويل تحت الماء بدون غطس تحت الماء

الغطس: الغوص دون الظهور على السطح

أحد أكثر التطورات العملية في بناء الغواصات التقليدية هو الغطاس. يتكون من أنبوب قابل للتمديد مع قناتين: يسحب محرك الديزل الهواء النقي من خلال إحدى القناتين ويخرج غازات العادم من القناة الأخرى. في عمق المنظار، يمكن للغواصة بالتالي تشغيل محركات الديزل دون أن تطفو على السطح تماماً - وبالتالي دون أن تكون مكشوفة تماماً للرادار. وفي الوقت نفسه، يتلقى الطاقم هواءً نقيًا بهذه الطريقة.

ومع ذلك، فإن الغطاس له حدوده: إذا كانت السرعة عالية جداً، يكون الحمل الميكانيكي على الأنبوب الممتد كبيراً جداً. وبالتالي فإن تشغيل الغطاس يعني دائماً انخفاض السرعة.

AIP: القيادة المستقلة عن الهواء الخارجي

AIP ترمز إلى الدفع المستقل بالهواء - قيادة مستقلة عن الهواء الخارجي. تولد هذه الأنظمة طاقة كهربائية تحت الماء دون الحاجة إلى تمديد الغواصة. ويسمح ذلك للغواصة بالبقاء مغمورة تحت الماء لأيام دون توليد إشارة صوتية أو بصرية.

تعمل أنظمة AIP مع عمليات كيميائية مختلفة، مثل خلايا الوقود القائمة على الهيدروجين والأكسجين. ومع ذلك، فهي لا توفر سوى طاقة منخفضة - تكفي للإبحار البطيء والتشغيل الأساسي على متن القارب، وليس لسباقات السرعة. تستغني بعض القوارب الأحدث عن أنظمة AIP الكيميائية تماماً وتعتمد بدلاً من ذلك على بنوك بطاريات أكبر بكثير مع تقنية أيونات الليثيوم الحديثة، والتي تتيح قدرة تحمل مماثلة تحت الماء.

ميزة AIP: يمكن للغواصة المزودة بـ AIP أو احتياطي بطارية كبير أن تظل مغمورة تحت الماء لأيام دون استخدام الغطاس - وبالتالي تظل غير مرئية تقريباً لأجهزة استشعار العدو.

وللغوص لفترات أطول، تقوم الغواصات أيضاً بتصفية ثاني أكسيد الكربون من هواء المقصورة واستخراج الأكسجين من مياه البحر - وهي تقنيات تم تطويرها خصيصاً للغواصات النووية، ولكنها تفيد أيضاً بشكل متزايد القوارب التقليدية.

التحكم في الضوضاء: الغواصة الصامتة كهدف

تحت الماء، الصوت هو أهم وسيلة للكشف تحت الماء. فما تسمعه الغواصة يكشف عدوها - وما تصدره الغواصة نفسها يكشف العدو. وبالتالي فإن التحكم في الضوضاء ليس إجراءً مريحاً، بل مهمة هندسية حيوية.

هناك عدة تدابير مترابطة فيما بينها:

• محركات كهربائية: فهي بطبيعتها أكثر هدوءاً من محركات الاحتراق.
• محمل مخمّد الاهتزازات: يتم تثبيت جميع الأجزاء المتحركة على ماصات مطاطية - لا يوجد اتصال مباشر بجسم الطائرة.
• سطح المحرك المعزول: كما تم فصل غرفة المحرك بالكامل صوتياً عن بقية السفينة.
• الطلاء الخارجي: تمتص أغطية خاصة لبدن السفينة نبضات السونار النشطة من العدو قبل أن تنعكس.
• اختيار العمق: تقيس الغواصات درجات حرارة المياه على أعماق مختلفة. وهي تعمل حيث تعمل طبقات الحرارة على تشتيت صوت العدو بينما تحجب صوتها.

والنتيجة لافتة للنظر: تنتج الغواصة الحديثة - حتى مع الدفع النووي، الذي يكون أعلى صوتًا بشكل عام من الدفع الكهربائي - صوتًا أثناء التشغيل يساوي صوت مصباح كهربائي بقوة 80 واط. وهذا أقل من ضجيج الخلفية الطبيعية للبحر.

المروحة: الخائن الأعلى صوتاً على متن السفينة

إن أعلى مكوّن منفرد في الغواصة هو المروحة. إذا نظرت إلى صور الغواصات في حوض بناء السفن، ستلاحظ أن منطقة المؤخرة مغطاة دائماً تقريباً. عادة ما تكون المروحة المرئية في الصور مروحة بديلة - أما مروحة الدفع الحقيقية فهي سرية.

والسبب يكمن في الفيزياء: عندما تدور شفرة المروحة في الماء، ينشأ فراغ في مؤخرتها. تتكون فقاعات الهواء في هذا الضغط السلبي - وهو تأثير يُعرف باسم التجويف معروف. فكلما زادت سرعة دوران المروحة، زاد عدد الفقاعات التي تنشأ، وكلما زاد صوت انفجارها - وكلما زاد وضوح سماع الغواصة بواسطة سونار العدو.

تم تصميم مراوح الغواصات الحديثة بطريقة تمنع التجويف إلى حد كبير. وهناك نهجان آخران لهذا الأمر:

• تغليف المروحة: يحافظ الكفن على ثبات الضغط حول شفرات المروحة ويمنع تكون الفقاعات.
• محركات المضخة (نفاثات المضخة): استبدال المروحة الحرة بالكامل بمحرك نفاث مغلف في الماء. تخضع تفاصيل هذه الأنظمة لسرية تامة.

السرعة: اللعنة والضرورة

السرعة والتخفي متنافيان إلى حد كبير في الغواصات. فالسفر السريع يولد ضجيجاً - فالغواصات السريعة تكون عالية الصوت وتواجه سونارات عمياء تكتيكياً، حيث أن ضجيجها الخاص بها يتجاوز أجهزة الاستشعار. بمعنى ما، الغواصة السريعة هي نفسها عمياء.

تتفاقم المشكلة بالنسبة للقوارب التقليدية: قوة دفعها محدودة. فالسرعات القصوى النظرية التي تصل إلى حوالي 20 عقدة لا تكاد تكون عملية للغوص - ففي عمق الغوص، يضع التيار ضغطاً كبيراً على الأنبوب، وفي العمق، تستنزف المحركات الإلكترونية ذات المحركات الكاملة البطاريات في أقل من ساعتين.

ومع ذلك، تكون السرعة ضرورية في بعض الأحيان: لمطاردة العدو، أو للهروب من العدو أو - ذات قيمة تكتيكية خاصة - لاتخاذ موقع خارج نطاق استشعار العدو، والذي يجب على العدو اجتيازه في وقت قصير.

حل التوربينات الغازية للغواصات التقليدية

قد تكون التوربينات الغازية مثالية للسرعات العالية - لكنها تحتاج إلى كميات هائلة من الهواء النقي، أكثر مما يمكن أن توفره الغواصة المغمورة. من ناحية أخرى، من السهل تحديد موقع الغواصة المغمورة باستخدام الرادار.

يجمع أحد الحلول التصميمية بين الأمرين معاً: يتم تمديد البرج بحيث يعمل كغواص كبير. ويحتوي البرج نفسه على توربينين يعملان بالغاز لتوليد الكهرباء وتشغيل توربين كهربائي في القارب - ما يكفي لأكثر من 25 عقدة. يبرز البرج خارج الماء، ولكن لا يوجد به سوى توقيع زورق سريع للرادار. هذا مقبول للمسيرة إلى منطقة الانتشار. بالنسبة للغوص، يتم إيقاف تشغيل التوربينات وإغلاق مداخل الهواء ويتولى المحرك الكهربائي المسؤولية مرة أخرى.

الأسئلة الشائعة حول محركات الغواصات

ما الفرق بين دفع الغواصات التقليدية والنووية؟
تستخدم الغواصات التقليدية مولدات ديزل ومحركات كهربائية، مدعومة ببطاريات وربما أنظمة AIP. وعليها أن تغوص أو تطفو على السطح بانتظام. يمكن للغواصات النووية أن تبقى مغمورة تحت الماء إلى أجل غير مسمى تقريباً، ولكنها عموماً أكثر ضجيجاً وأكثر تكلفة.

ما هو برنامج AIP وما هي فوائده؟
يتيح نظام الدفع المستقل بالهواء (AIP) توليد الطاقة تحت الماء دون الحاجة إلى هواء خارجي. ويؤدي ذلك إلى زيادة القدرة على التحمل تحت الماء إلى أيام دون أن تضطر الغواصة إلى الغطس أو الظهور على السطح - وبالتالي دون الحاجة إلى بصمة صوتية أو بصرية.

لماذا المروحة هي الجزء الأعلى صوتاً في الغواصة؟
عند الدوران، تولد شفرات المروحة فراغاً تتشكل فيه فقاعات هواء وتنفجر - يُعرف باسم التجويف. يمكن سماع هذا الضجيج من بعيد عبر السونار. تم تصميم المراوح ومحركات المضخات الحديثة لتقليل التجويف.

ما مدى هدوء الغواصات الحديثة؟
تولد الغواصات الحديثة ضوضاء أثناء التشغيل تعادل ضوضاء مصباح كهربائي بقوة 80 واط - أي أقل من ضوضاء الخلفية الطبيعية للبحر. ويرجع ذلك إلى غرف المحركات المعزولة والمحامل المخمّدة للاهتزازات والمحركات الكهربائية الهادئة.

لماذا لا يمكن للغواصات أن تسير بسرعة؟
تولد السرعة العالية ضوضاء وتجعل الغواصة قابلة للكشف بسهولة بواسطة سونار العدو. وفي الوقت نفسه، يتداخل السونار الخاص بالغواصة مع ضوضاء الغواصة، مما يجعلها عمياء تكتيكياً. كما أن الغواصات التقليدية لديها احتياطي طاقة محدود للسرعات العالية.

لماذا تُغطى المروحة عادةً في صور الغواصات؟
تخضع الهندسة الدقيقة لمراوح الدفع الحديثة للغواصات الحديثة لسرية تامة، لأن لها تأثيراً مباشراً على البصمة الصوتية. وعادةً ما تكون المراوح المرئية علناً في صور أحواض بناء السفن مراوح بديلة، وليست وحدات الدفع التشغيلية.