Systemy napędowe okrętów podwodnych: porównanie systemów spalinowo-elektrycznych, AIP i jądrowych

Napęd decyduje o tym, jak długo okręt podwodny pozostaje pod wodą, jak cichy jest - i ostatecznie, czy w ogóle zostanie wykryty. Żaden inny element nie ma tak bezpośredniego wpływu na taktyczną przeżywalność okrętu podwodnego. Konwencjonalne koncepcje napędowe są szczególnie istotne dla niemieckiego przemysłu stoczniowego i na nich się skupiamy.

Jak działa napęd spalinowo-elektryczny na łodzi podwodnej?

Konwencjonalne okręty podwodne od dziesięcioleci poruszają się na tej samej podstawowej zasadzie: silniki wysokoprężne generują energię elektryczną, a silniki elektryczne napędzają śrubę napędową. To, co się zmieniło, to wydajność i inteligencja tego systemu.

W przeszłości okręty podwodne korzystały z silników wysokoprężnych na powierzchni i przełączały się na zasilanie bateryjne, gdy były zanurzone. Obecnie silnik elektryczny pracuje nieprzerwanie i stale napędza śrubę napędową. Silniki wysokoprężne pracują jako generatory - bezpośrednio zasilają silnik elektryczny lub ładują akumulatory. Zapewnia to płynniejszą i bardziej kontrolowaną pracę.

Tryb jazdy	Źródło energii	Typowa sytuacja
Wycieczka powierzchniowa / nurkowanie z rurką	Generatory diesla	Przejazd, ładowanie akumulatora
Zanurzony, normalna jazda	Baterie + silnik elektryczny	Tryb pracy
Zanurzony, bardzo cichy	Same akumulatory, minimalne obciążenie	Czajenie się, Oświecenie
Tryb AIP	System AIP + akumulatory	Długa wytrzymałość pod wodą bez fajki

Dlaczego łódź podwodna z fajką nie musi się wynurzać?

Jednym z najbardziej praktycznych rozwiązań w konwencjonalnej konstrukcji łodzi podwodnych jest fajka. Składa się on z wysuwanej rury z dwoma kanałami: Silnik wysokoprężny zasysa świeże powietrze przez jeden kanał i wydmuchuje spaliny przez drugi. Na głębokości peryskopowej łódź może więc obsługiwać silniki wysokoprężne bez całkowitego wynurzania się - a tym samym bez pełnej ekspozycji na radar. Jednocześnie załoga otrzymuje w ten sposób świeże powietrze.

Snorkel ma jednak swoje ograniczenia: Jeśli prędkość jest zbyt wysoka, mechaniczne obciążenie przedłużonej rurki jest zbyt duże. Dlatego praca z rurką zawsze oznacza zmniejszoną prędkość.

Jak działa napęd AIP?

AIP oznacza Napęd niezależny od powietrza - Napęd niezależny od powietrza zewnętrznego. Systemy te generują energię elektryczną pod wodą bez konieczności wysuwania fajki. Dzięki temu łódź podwodna może pozostawać zanurzona przez wiele dni bez generowania sygnatury akustycznej lub wizualnej.

Systemy AIP współpracują z różnymi procesami chemicznymi, takimi jak wodorowo-tlenowe ogniwa paliwowe. Dostarczają one jednak tylko niewielką moc - wystarczającą do powolnej żeglugi i podstawowej obsługi na pokładzie, a nie do sprintów. Niektóre nowsze łodzie całkowicie rezygnują z chemicznych systemów AIP i zamiast tego polegają na znacznie większych bateriach akumulatorów z nowoczesną technologią litowo-jonową, które zapewniają porównywalną wytrzymałość pod wodą.

Przewaga AIP: Okręt podwodny z AIP lub dużym zapasem baterii może pozostawać w zanurzeniu przez wiele dni bez korzystania z fajki - a tym samym pozostaje praktycznie niewidoczny dla czujników wroga.

W przypadku dłuższych nurkowań okręty podwodne filtrują również CO2 z powietrza w kabinie i pobierają tlen z wody morskiej - technologie te zostały opracowane specjalnie dla atomowych okrętów podwodnych, ale coraz częściej przynoszą korzyści także konwencjonalnym łodziom.

Jak działa kontrola hałasu na łodzi podwodnej?

Pod wodą dźwięk jest najważniejszym środkiem wykrywania. To, co okręt podwodny słyszy, zdradza jego wroga - a to, co sam emituje, zdradza wroga. Kontrola hałasu nie jest zatem środkiem zapewniającym komfort, ale istotnym zadaniem inżynieryjnym.

Kilka środków jest ze sobą powiązanych:

• Silniki elektryczne: Z założenia pracują znacznie ciszej niż silniki spalinowe
• Łożysko tłumiące drgania: Wszystkie ruchome części są zamontowane na gumowych amortyzatorach - brak bezpośredniego połączenia z kadłubem.
• Izolowany pokład silnika: Cała maszynownia jest również akustycznie odizolowana od reszty statku
• Powłoki zewnętrzne: Specjalne powłoki kadłuba pochłaniają aktywne impulsy sonarowe wroga, zanim zostaną one odbite.
• Wybór głębokości: Okręty podwodne mierzą temperaturę wody na różnych głębokościach. Działają tam, gdzie warstwy temperatury odbijają dźwięki wroga, ale osłaniają własne

Rezultat jest niezwykły: nowoczesna łódź podwodna - nawet z napędem jądrowym, który jest generalnie głośniejszy niż napęd elektryczny - wytwarza podczas pracy mniej więcej tyle dźwięku, co 80-watowa żarówka. To mniej niż naturalny szum morza.

Dlaczego śmigło jest najgłośniejszym elementem na pokładzie?

Najgłośniejszym pojedynczym elementem okrętu podwodnego jest śruba napędowa. Jeśli spojrzysz na zdjęcia okrętów podwodnych w stoczni, zauważysz, że obszar rufy jest prawie zawsze zakryty. Widoczna na zdjęciach śruba napędowa to zazwyczaj śruba zastępcza - prawdziwa śruba napędowa jest tajna.

Przyczyna leży w fizyce: gdy łopata śmigła obraca się w wodzie, z tyłu powstaje podciśnienie. W tym podciśnieniu tworzą się pęcherzyki powietrza - efekt znany jako Kawitacja jest znana. Im szybciej obraca się śruba napędowa, tym więcej pęcherzyków powstaje, tym głośniej pękają - i tym wyraźniej okręt podwodny może być słyszany przez sonar wroga.

Nowoczesne śruby napędowe okrętów podwodnych są zaprojektowane w taki sposób, że kawitacja jest w dużej mierze tłumiona. Istnieją dwa inne podejścia do tego zagadnienia:

• Obudowa śmigła: Osłona utrzymuje stabilne ciśnienie wokół łopat śmigła i zapobiega tworzeniu się pęcherzyków powietrza.
• Napędy pomp (dysze pomp): Całkowite zastąpienie wolnego śmigła silnikiem odrzutowym umieszczonym w wodzie. Szczegóły dotyczące tych systemów są objęte ścisłą tajemnicą.

Dlaczego prędkość jest zarówno przekleństwem, jak i koniecznością dla okrętów podwodnych?

W przypadku okrętów podwodnych szybkość i skrytość w dużej mierze wykluczają się wzajemnie. Szybka podróż generuje hałas - głośne łodzie są zlokalizowane i napotykają taktycznie ślepe sonary, ponieważ ich własny hałas zastępuje czujniki. W pewnym sensie szybki okręt podwodny sam jest ślepy.

Problem jest jeszcze większy w przypadku konwencjonalnych łodzi: ich moc napędowa jest ograniczona. Teoretyczna prędkość maksymalna wynosząca około 20 węzłów jest mało praktyczna podczas nurkowania - na głębokości nurkowania prąd zbyt mocno obciąża rurkę, a na głębokości silniki elektryczne na pełnym gazie wyczerpują baterie w mniej niż dwie godziny.

Niemniej jednak szybkość jest czasem niezbędna: Aby ścigać wroga, uciec przed wrogiem lub - co jest szczególnie cenne taktycznie - zająć pozycję poza zasięgiem czujników wroga, którą wróg musi minąć w krótkim czasie.

Dlaczego turbiny gazowe są rozwiązaniem dla konwencjonalnych okrętów podwodnych?

Turbiny gazowe byłyby idealne do wyższych prędkości - ale potrzebują ogromnych ilości świeżego powietrza, więcej niż może dostarczyć fajka. Z drugiej strony, zanurzona łódź podwodna jest łatwa do zlokalizowania za pomocą radaru.

Jedno z rozwiązań konstrukcyjnych łączy oba te elementy: wieża jest przedłużona tak, że działa jak duży snorkel. Sama wieża zawiera dwie turbiny gazowe, które generują energię elektryczną i napędzają turbinę elektryczną w łodzi - wystarczającą do osiągnięcia prędkości ponad 25 węzłów. Wieża wystaje z wody, ale ma tylko sygnaturę łodzi motorowej dla radaru. Jest to akceptowalne podczas marszu do obszaru rozmieszczenia. Podczas nurkowania turbiny są wyłączane, wloty powietrza są zamykane, a napęd elektryczny ponownie przejmuje kontrolę.

FAQ dotyczące napędów podwodnych

Jaka jest różnica między konwencjonalnym a nuklearnym napędem okrętów podwodnych?
Konwencjonalne okręty podwodne wykorzystują generatory diesla i silniki elektryczne, uzupełnione bateriami i ewentualnie systemami AIP. Muszą one regularnie nurkować lub wynurzać się. Atomowe okręty podwodne mogą pozostawać w zanurzeniu niemal bez końca, ale są generalnie głośniejsze i droższe.

Czym jest AIP i jakie korzyści oferuje?
AIP (Air Independent Propulsion) umożliwia generowanie energii pod wodą bez konieczności korzystania z powietrza zewnętrznego. Wydłuża to podwodną wytrzymałość do kilku dni bez konieczności nurkowania lub wynurzania się - a zatem bez sygnatury akustycznej lub wizualnej.

Dlaczego śruba napędowa jest najgłośniejszą częścią łodzi podwodnej?
Podczas obracania łopaty śmigła wytwarzają podciśnienie, w którym tworzą się i pękają pęcherzyki powietrza - znane jako kawitacja. Hałas ten można usłyszeć z daleka za pomocą sonaru. Nowoczesne śmigła i napędy pomp są zaprojektowane tak, aby zminimalizować kawitację.

Jak ciche są współczesne okręty podwodne?
Nowoczesne okręty podwodne generują podczas pracy mniej więcej tyle hałasu, co 80-watowa żarówka - mniej niż naturalny szum morza. Jest to wynikiem izolowanych maszynowni, łożysk tłumiących drgania i cichych silników elektrycznych.

Dlaczego łodzie podwodne nie mogą po prostu pływać szybko?
Duża prędkość generuje hałas i sprawia, że okręt podwodny jest łatwo wykrywalny przez sonar przeciwnika. Jednocześnie własny sonar okrętu podwodnego nakłada się na jego własny hałas, czyniąc go taktycznie ślepym. Konwencjonalne łodzie mają również ograniczone rezerwy energii dla dużych prędkości.

Dlaczego śruba napędowa jest zwykle zakryta na zdjęciach łodzi podwodnych?
Dokładna geometria nowoczesnych śrub napędowych okrętów podwodnych jest objęta ścisłą tajemnicą, ponieważ ma ona bezpośredni wpływ na sygnaturę akustyczną. Publicznie widoczne na zdjęciach stoczniowych śruby napędowe to zazwyczaj śruby zastępcze, a nie operacyjne jednostki napędowe.