Ανάλυση: Οι τεχνικές προδιαγραφές και οι επιχειρησιακές απαιτήσεις του προγράμματος νέων Υποβρυχίων για το Πολεμικό Ναυτικό

Ο ακρογωνιαίος λίθος της επιβίωσης και της εκτέλεσης της αποστολής ενός υποβρυχίου είναι η δυνατότητα αθόρυβης πλεύσης και η ικανότητα να π...

Ο ακρογωνιαίος λίθος της επιβίωσης και της εκτέλεσης της αποστολής ενός υποβρυχίου είναι η δυνατότητα αθόρυβης πλεύσης και η ικανότητα να παραμένει αθέατο για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Για την επίτευξη των παραπάνω, μεγάλο ρόλο παίζει το σύστημα πρόωσης που διαθέτει. Ήδη από το 1930 είχαν ξεκινήσει προσπάθειες για την ανάπτυξη διαφόρων συστημάτων πρόωσης προς την κατεύθυνση αυτή που έφτασαν ως την πυρηνική πρόωση. Μια τεχνολογία πολύ ακριβή, τεχνικά δύσκολη με μεγάλες ιδιαιτερότητες στην διαχείρισή της. Όσον αφορά τα συμβατικής πρόωσης υποβρύχια, τα λεγόμενα diesel-electric, η αρχή λειτουργίας τους είναι η χρήση ναυτικών μηχανών ντίζελ εσωτερικής καύσης για κίνηση στην επιφάνεια και κάτω από αυτή (snorkeling) και για φόρτιση των μπαταριών και η χρήση των μπαταριών για αθέατη και αθόρυβη πλεύση κάτω από την επιφάνεια. Σήμερα οι διαθέσιμες τεχνολογίες για αθέταη και αθόρυβη πλεύση, που υπάρχουν για τα υποβρύχια συμβατικής πρόωσης είναι τα συστήματα αναερόβιας πρόωσης (Air Independent Propulsion, AIP) και οι μπαταρίες νέας γενιάς. Τα συστήματα αυτά έχουν αλλάξει τα τελευταία χρόνια τις επιχειρησιακές ικανότητες των συμβατικών υποβρυχίων από τη στιγμή που αυτά μπορούν να παραμένουν κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας για πολύ μεγαλύτερα διαστήματα σε σύγκριση με τα παλαιότερης γενιάς συμβατικά υποβρύχια.

Συστήματα Αναερόβιας Πρόωσης (Air Independent Propulsion, AIP)

Πρώτες εφαρμογές συστημάτων αναερόβιας πρόωσης έκαναν την εμφάνισή τους στα μέσα με τέλη της δεκαετίας του 1990. Τρεις ήταν οι τεχνολογίες που εφαρμόστηκαν σε υποβρύχια συμβατικής πρόωσης. Το σύστημα με κινητήρα εσωτερικη΄ς καύσης τύπου Stirling που ανέπτυξε η σουηδική Kockums για τα υποβρύχια Gotland, το σύστημα MESMA που ανέπτυξε η γαλλική DCNS για τα υποβρύχια Agosta B και Scorpene και το σύστημα κυψελών καυσίμου PEMFC που ανέπτυξε η γερμανική Siemens για τα υποβρύχια U212 & T-214.

Το σουηδικό σύστημα AIP στηρίζεται σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης τύπου Stirling. Ο κινητήρας Stirling είναι μια μηχανή κλειστού κύκλου και έχει την ίδια θεωρητική θερμοδυναμική αποδοτικότητα με τον κύκλο Carnot αλλά παράγει μεγαλύτερο ειδικό έργο. Στο σύστημα της Kockum, το οξυγόνο παρέχεται στον κινητήρα από μια ενσωματωμένη μονάδα υγροποιημένου οξυγόνου LOX. Για καύσιμο χρησιμοποιείται το πετρέλαιο, αλλά για την ελαχιστοποίηση των προβλημάτων διάβρωσης και ρύπανσης στον εναλλάκτη θερμότητας καύσης προτιμώνται καύσιμα χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο. Το μίγμα καυσίμου, οξυγόνου και ανακυκλοφορούμενου αερίου καύσης καίγεται σε θάλαμο ο οποίος είναι υπό πίεση 20-30 ατμόσφαιρες, έτσι ώστε τα ανεπιθύμητα καυσαέρια να μπορούν να απορριφθούν στη θάλασσα σε βάθη έως περίπου 200-250 μέτρα, χωρίς να απαιτείται συμπιεστής αερίου. Η απουσία εσωτερικών εκρήξεων μέσα στους κυλίνδρους κατά τη διάρκεια της καύσης τον κάνουν έναν σχετικά αθόρυβο κινητήρα. Οι μετρήσεις θορύβου που έγιναν από το US Navy πριν από περίπου 25 χρόνια έδειξαν ότι ο κινητήρας stirling είναι δεκαπέντε φορές πιο αθόρυβος σε σύγκριση με έναν κοινό κινητήρα εσωτερικής καύσης. Σήμερα η SAAB προσφέρει τον νεότερης γενιάς κινητήρα Kockum V4 275R MkV Stirling ο οποίος θα έχει καλύτερη απόδοση σε σύγκριση με το προηγούμενο μοντέλο. Συγκριτικά θα έχει μικρότερη κατανάλωση και θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεγαλύτερα βάθη, έως 250 μέτρα.

Το γαλλικό σύστημα ΑΙΡ, Module d’Energie Sous-Marine Autonome (MESMA) προσφέρονταν από τη Naval Group για τα υποβρύχια κλάσης Scorpène. Το αναφέρουμε για λόγους πληρότητας της ανάλυσης καθώς πλέον η Naval Group εστιάζει καθαρά στα Barracuda. Πρόκειται ουσιαστικά για μια τροποποιημένη έκδοση του συστήματος πυρηνικής πρόωσης με θερμότητα που παράγεται από αιθανόλη και οξυγόνο. Η καύση της αιθανόλης και του αποθηκευμένου οξυγόνου, σε πίεση 60 atm, παράγει ατμό που τροφοδοτεί μια συμβατική μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τουρμπίνα. Αυτός είναι ουσιαστικά ένας συμβατικός στροβιλο-εναλλάκτης κύκλου Rankine που τροφοδοτείται από ατμό. Αυτή η πυροδότηση με πίεση επιτρέπει την αποβολή του διοξειδίου του άνθρακα των καυσαερίων στη θάλασσα σε οποιοδήποτε βάθος χωρίς να χρειάζεται η χρήση συμπιεστή καυσαερίων.

Κύκλος λειτουργίας του συστήματος MESMA AIP

Το συγκεκριμένο σύστημα έχει μικρότερη απόδοση (25%) σε σχέση με τα αντίστοιχα γερμανικά (55%) συστήματα AIP καταναλώνοντας ταυτόχρονα περισσότερο καύσιμο γι’ αυτό το λόγο και η Naval Group αναπτύσσει επίσης μονάδες AIP κυψελών καυσίμου υδρογόνου δεύτερης γενιάς για τα μελλοντικά υποβρύχια συμβατικής πρόωσης. Οι Γερμανοί ήταν οι πρώτοι οι οποίοι προσέφεραν ως σύστημα αναερόβιας πρόωσης ένα σύστημα βασισμένο σε τεχνολογία κυψελών καυσίμου. Υπάρχουν διάφορες τεχνολογίες κυψελών καυσίμου διαθέσιμες σήμερα αλλά η πιο αποδοτική και παράλληλα πιο κατάλληλη για εφαρμογή σε υποβρύχια είναι οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων.

Σύστημα PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)

Οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ηλεκτρολυτών πολυμερούς που ονομάζονται επίσης κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane, PEM), χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη μια μεμβράνη πολυμερούς αγωγιμότητας πρωτονίων. Αυτές οι κυψέλες λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (80oC) και μπορούν να αλλάξουν γρήγορα την έξοδό τους για να καλύψουν τις απαιτήσεις ισχύος μετατόπισης. Ως καύσιμο χρησιμοποιείται καθαρό υδρογόνο Η2 και οξυγόνο Ο2 που αντιδρούν μεταξύ τους και παράγουν ρεύμα (e–) και νερό. (2Η2 + Ο2 -> 2Η2Ο). 

Η ΣΥΝΕΧΕΙΑ ΕΔΩ