Ze względu na rodzaj napędu współczesne okręty podwodne dzielą się na dwie zasadnicze kategorie: te z napędem spalinowo-elektrycznym i te z napędem jądrowym. Swoistym Świętym Graalem i celem, do którego dążą konstruktorzy, jest umożliwienie tym pierwszym nieprzerwanego zanurzenia równie długotrwałego jak tych drugich. Głównym ograniczeniem pozostaje pojemność baterii akumulatorów lub innego rodzaju napędu niezależnego od powietrza atmosferycznego (AIP).
Według części analityków obecnie znajdujemy się w szczególnym momencie w historii rozwoju okrętów podwodnych, w którym jedynym sposobem na umożliwienie długiego przebywania w zanurzeniu jednostek konwencjonalnych są napędy AIP, jednak w przyszłości mają one zostać wyparte przez akumulatory nowej generacji o znacznie większej pojemności energetycznej od najlepszych dostępnych dzisiaj akumulatorów litowo-jonowych. Ale w kilku państwach toczą się prace nad rozwiązaniem alternatywnym. Rolę napędu AIP miałyby przejąć miniaturowe modułowe reaktory jądrowe SMR (Small Modular Reactor).
Klasyczny napęd spalinowo-elektrycznych okrętów podwodnych wykształcił się w końcu XIX wieku. W 1896 roku założona przez Phillipa Hollanda firma Holland Torpedo Boat Company opracowała okręt Holland VI. Na powierzchni był napędzany silnikiem spalinowym, a w zanurzeniu – elektrycznym. Jednocześnie silnik spalinowy ładował akumulatory elektryczne. W kolejnych latach taki układ był doskonalony i stał się klasyczny dla konwencjonalnych okrętów podwodnych. Minusem było to, że okręt mógł pozostawać w zanurzeniu jedynie kilka do kilkunastu godzin, toteż nawet w czasie drugiej wojny światowej były to okręty bardziej zanurzalne niż podwodne, bowiem większość czasu i tak spędzały na powierzchni morza.
Cały czas poszukiwano sposobów na uczynienie okrętów podwodnych prawdziwie podwodnymi. Zależało na tym szczególnie Niemcom, którym we znaki dawało się alianckie lotnictwo zwalczania okrętów podwodnych. W rezultacie opracowano dwa nowatorskie rozwiązania.
Ostatnie chwile U-848 atakowanego przez amerykańskie lotnictwo w listopadzie 1943 roku,
(US Navy)
Pierwszym było wyposażenie okrętów podwodnych w chrapy, w uproszczeniu: rury, którymi zasysano powietrze do silników spalinowych, gdy okręt pozostawał w zanurzeniu na głębokości peryskopowej. Drugim rozwiązaniem był silnik Waltera – działający bez dostępu do powietrza atmosferycznego. Był jednak skomplikowany w budowie i obsłudze, miał niską sprawność, a ponadto na ówczesnych okrętach podwodnych nie mieściła się wystarczająca ilość nadtlenku wodoru, aby zapewnić paliwo na długi rejs. Był to jednak pierwszy napęd AIP.
W ostatnich dekadach nastąpił znaczny rozwój napędów niezależnych od powietrza. Spośród działających wyróżnić można dwa podstawowe typy napędu AIP. Pierwszym jest silnik Stirlinga stosowany między innymi na szwedzkich okrętach podwodnych typów A17 i A19, jak również budowanych okrętach typu A26, a także na japońskich jednostkach typu Sōryū i singapurskich typu Archer. Napęd tego typu jest prosty w budowie i obsłudze. W porównaniu z ogniwami paliwowymi ma mniejszą sprawność, a przede wszystkim nie jest bezgłośny. Jest to jednak rozwiązanie sprawdzone w trakcie dekad eksploatacji.
Odkąd rozpoczęliśmy finansowanie Konfliktów przez Patronite i Buycoffee, serwis pozostał dzięki Waszej hojności wolny od reklam Google. Aby utrzymać ten stan rzeczy, potrzebujemy 2000 złotych miesięcznie.
Możecie nas wspierać przez Patronite.pl i przez Buycoffee.to.
Rozumiemy, że nie każdy może sobie pozwolić na to, by nas sponsorować, ale jeśli wspomożecie nas finansowo, obiecujemy, że Wasze pieniądze się nie zmarnują. Nasze comiesięczne podsumowania sytuacji finansowej możecie przeczytać tutaj.
Drugim najpopularniejszym rozwiązaniem są ogniwa paliwowe. Niemcy wprowadzili takie rozwiązanie już w 1989 roku i od tego czasu jest stale rozwijane. Systemy tego typu pracują bezgłośnie i nie wytwarzają spalin. W przypadku rozwiązania niemieckiego polega ono na elektrochemicznej konwersji paliwa i utleniacza w energię elektryczną. W niemieckich okrętach podwodnych typu 212A i pochodnych paliwem jest wodór. System jest stosunkowo wydajny, jednak dużym ograniczeniem operacyjnym jest konieczność posiadania rozbudowanych specjalistycznych instalacji brzegowych dla uzupełniania wodoru. Nie da się tego zrobić w porcie bez odpowiedniego wyposażenia lub na morzu.
Dlatego Hiszpanie w swoich okrętach typu S-80 zdecydowali się zastosować ogniwa paliwowe BEST (Bio-Ethanol Stealth Technology) używające innego paliwa – bioetanolu. Wykorzystanie etanolu zwiększa bezpieczeństwo okrętu w porównaniu z systemami niezależnymi od powietrza wykorzystującymi wodór. Ponadto etanol jest paliwem łatwiej dostępnym na świecie niż wodór, co upraszcza logistykę.
Wodowanie USS Nautilus – pierwszego okrętu podwodnego o napędzie jądrowym.
(US Navy)
Niezależnie od konkretnego rozwiązania technicznego napęd niezależny od powietrza ma swoje ograniczenia. Podstawowym jest ilość energii dostarczanej w jednostce czasu. Silnik spalinowy oferuje pełną moc tak długo, jak dostępne jest paliwo. Podobnie akumulatory, które można wykorzystać do długiego pływania z małą prędkością lub krótkiego pływania z maksymalną prędkością podwodną. Natomiast napęd AIP umożliwia długie pływanie pod wodą, ale ponieważ energia z ogniw paliwowych jest uwalniania powoli, prędkość pływania jest ograniczona do około 5 węzłów.
Technicznie okręt można rozpędzić do większych prędkości, ale w dziedzinie okrętów podwodnych istnieje związek sześcienny pomiędzy prędkością, a energią potrzebną do jej uzyskania. Oznacza to, że podwojenie prędkości wymaga osiem razy większej energii. W takim przypadku nastąpi błyskawiczne rozładowanie ogniw paliwowych, a ich paliwa nie można uzupełnić na morzu, więc okręt w bardzo krótkim czasie zostanie pozbawiony możliwości przebywania pod wodą przez kilkanaście dni, co jest główną zaletą zapędu AIP.
Dlatego niektóre państwa dysponujące odpowiednią technologią lub zasobami, aby wyposażyć swoje okręty w napęd niezależny od powietrza, się na to nie decydują. Japonia posiadająca już okręty podwodne z silnikami Stirlinga, w jednostkach nowej generacji Taigei (na zdjęciu tytułowym) postawiła całkowicie na akumulatory litowo-jonowe. Także Holandia, zamawiająca nowe jednostki, uznała, że takie akumulatory będą wystarczające. Natomiast inne kraje poszukują sposobów na wydłużenie żywotności napędu AIP przy jednoczesnym zwiększeniu jego mocy. Jednym z badanych rozwiązań są miniaturowe modułowe reaktory jądrowe SMR.
Prace nad takim rozwiązaniem prowadzi między innymi Turcja. Turecki minister energetyki Alparslan Bayraktar poinformował, że przedsiębiorstwo Baykar (zbieżność nazwisk jego założycieli i ministra jest przypadkowa) opracowuje prototyp reaktora SMR o mocy około 40 megawatów o potencjalnym podwójnym (cywilno-wojskowym) zastosowaniu. Jak na reaktor jądrowy w ogóle, jest to moc stosunkowo niewielka. Reaktor typu S9G stanowiący napęd amerykańskich okrętów podwodnych typu Virginia ma moc szacowaną na 210 megawatów. Z drugiej strony jak na reaktor klasy SMR 40 megawatów to sporo. Amerykański program mobilnych reaktorów jądrowych do zasilania baz wojskowych zakłada budowę urządzeń o mocy około 5 megawatów.
Budowa USS Minnesota (SSN 783) typu Virginia w stoczni Newport News Shipbuilding.
(US Navy)
Dla jeszcze innego porównania: 40 megawatów to tylko nieco więcej niż generuje najmocniejszy wariant turbiny gazowej General Electric LM2500+G4 (35 megawatów) – jednego z najpopularniejszych na świecie silników okrętowych tej klasy. Przy czym to ostatnie porównanie jest mocno uproszczone, ponieważ reaktor zapewnia taką moc przez długi okres czasu, a turbina gazowa – tylko do momentu wyczerpania paliwa w zbiornikach.
Długoterminowe plany Turcji zakładają, że 10–15% energii wytwarzanej w kraju będzie pochodziło z elektrowni jądrowych, w tym reaktory SMR mają odpowiadać za produkcję 5 tysięcy megawatów. W tej chwili w Turcji powstaje pierwsza klasyczna elektrownia jądrowa Akkuyu. Będzie miała cztery reaktory i ma zacząć pracę w 2026 roku. Rozwój energetyki jądrowej zwiększa szanse powodzenia wdrożenia reaktorów jądrowych na okrętach podwodnych. Zapewni kształcenie specjalistów, zabezpieczy dostawy i utylizację paliwa jądrowego, a także wypracuje normy i standardy bezpieczeństwa.
Projektowany turecki minireaktor o mocy 40 megawatów prawdopodobnie będzie za słaby do samodzielnego napędzania okrętu podwodnego. Najmniejsze na świcie okręty podwodne o napędzie jądrowym, francuskie Rubisy, mają reaktory o mocy około 48 megawatów. Jednak znamionowa moc termalna reaktora nie mówi o tym, jak wiele tej energii może zostać wykorzystane do poruszania okrętu. Przy obliczeniach trzeba uwzględnić moc potrzebną do zasilania instalacji pokładowych i sensorów, margines bezpieczeństwa, a przede wszystkim straty powstające przy konwersji ciepła na moc użytkową. W Rubisach z owych 48 megawatów mocy cieplnej reaktora do napędu okrętu i zasilania jego systemów zostaje realnie około 7 tysięcy kilowatów.
Okręt podwodny Casabianca typu Rubis.
(Jean-Michel Roche, GNU Free Documentation License 1.2)
Z tego powodu wykorzystanie pojedynczego reaktora o mocy 40 megawatów jest raczej niewystarczające do stworzenia nowoczesnego okrętu podwodnego o napędzie całkowicie jądrowym. Można założyć, że taki okręt powinien się charakteryzować stałą prędkością podwodną przynajmniej 20 węzłów oraz nowoczesnymi sensorami i uzbrojeniem typowym jak stosowane w innych jednostkach tej klasy. Użycie reaktorów SMR do stworzenia prawdziwego okrętu podwodnego o napędzie jądrowym wymagałoby zastosowania większej liczby reaktorów. To z kolei komplikuje cały system, zwiększa masę i koszty oraz wymagania bezpieczeństwa i chłodzenia.
Możliwe jest jednak inne zastosowanie niewielkich reaktorów modułowych na konwencjonalnych okrętach podwodnych: w roli napędu niezależnego od powietrza. Mogą one utrzymywać zasilanie wszystkich systemów pokładowych i sensorów przy jednoczesnym utrzymywaniu niskiej lub średniej prędkości podwodnej (około 10–12 węzłów) przez właściwie nieograniczony czas. Do osiągania maksymalnej prędkości podwodnej nadal byłyby wykorzystywane akumulatory – litowo-jonowe lub wykonane w innej technologii. Do ich ładowania również byłaby wykorzystywana energia wytwarzana przez reaktor. W porównaniu do dzisiejszych napędów niezależnych od powietrza przewaga w zastosowaniu reaktora SMR leży w ponad dwa razy wyższej prędkości możliwej do utrzymania przez nieograniczony czas.
Możliwe jest zastosowanie jeszcze prostszej i mniejszej konstrukcji osiągającej moc liczoną w pojedynczych megawatach albo nawet setkach kilowatów. W takim wypadku reaktor umożliwiałby konwencjonalnym okrętom podwodnym osiąganie prędkości podwodnej podobnej do obecnych napędów AIP, z tym że przez nieograniczony czas. Ewentualnie takie reaktory w ogóle byłyby nie podłączone bezpośrednio do układu napędowego, a ich jedynym zadaniem byłyby produkcja energii elektrycznej do zasilania systemów pokładowych i ładowania akumulatorów.
Wizja artystyczna okrętu typu A26 Blekinge.
(Saab)
Turcja nie jest jedynym państwem pracującym nad umieszczeniem reaktorów modułowych na okrętach podwodnych. Nad tym zagadnieniem pochylają się między innymi także Chiny. Właśnie prawdopodobnie z okrętem konwencjonalnym wyposażonym w miniaturowy reaktor odgrywającym rolę napędu niezależnego od powietrza mieliśmy do czynienia przy okazji doniesień o wypadku nieznanego okrętu podwodnego w stoczni Wucheng w Wuhanie. Komentatorzy podkreślali, że jest to okręt nowego typu 041, któremu Amerykanie nadali oznaczenie kodowe Zhou, a różnicę w długości w stosunku do typu 039A uzasadniano hipotezami o napędzie nowego rodzaju. Według nieoficjalnych i ciągle niepotwierdzonych informacji amerykańskiego Departamentu Obrony chiński okręt miał być wyposażony właśnie w reaktor SMR. We wcześniejszych konwencjonalnych okrętach podwodnych Chińczycy do napędu AIP wykorzystywali silniki Stirlinga.
Państwem, które mogłoby wykorzystać potencjał reaktorów SMR na okrętach podwodnych, jest także Francja. Na razie są to rozważania teoretyczne, ponieważ nie ma żadnych informacji na temat prac prowadzonych w tym kierunku. Francja jest jednym z zaledwie kilku państw produkujących równolegle okręty podwodne z napędem jądrowym (dla siebie) i konwencjonalnym (na eksport). Ponadto ma rozwinięty przemysł jądrowy i wszelkie technologie niezbędne do opracowania reaktorów SMR. Jednocześnie opracowany we Francji napęd niezależny od powietrza MESMA okazał się niezbyt udany, więc jest też miejsce na rynku na rozwiązanie alternatywne.
W tej chwili Francuzi oferują konwencjonalne okręty podwodne z akumulatorami litowo-jonowymi. Wystarczyło to do zwycięstwa w Brazylii, Argentynie czy Holandii, ale okazało się niewystarczające w Australii. Oczywiście należy w tym ostatnim przypadku uwzględnić potężny czynnik polityczny, ale zasięg i autonomiczność okrętów z napędem jądrowym oferowanych przez Amerykanów i Brytyjczyków również nie były bez znaczenia. Naval Group rywalizowała również o zdobycie zamówienia od Kanady, która ze względu na rozległość obszarów morskich będących w jej zainteresowaniu może mieć podobne wymagania co Australia. Duże, oceaniczne okręty podwodne typu Shortfin Barracuda czy Blacksword Barracuda idealnie nadawałyby się do instalacji SMR, tym bardziej że oryginalna Barracuda jest okrętem z napędem jądrowym.
Sylwetka chińskiego okrętu podwodnego o napędzie jądrowym typu 093 (NATO: Shang). Chińczycy mają w służbie sześć jednostek tego typu.
(Mike1979 Russia, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported)
Temat reaktorów SMR jako napędu niezależnego od powietrza na konwencjonalnych okrętach podwodnych dopiero kiełkuje, ale wydaje się, że może to być obiecujące rozwiązanie. Gwarantuje ono rozwijanie prędkości co najmniej takiej samej jak przy wykorzystaniu dzisiejszych napędów AIP, a przy wykorzystaniu reaktorów większej mocy prędkość tam może być dwu- albo i trzykrotnie wyższa. Do tego w razie potrzeby może być utrzymywana przez cały czas rejsu, a jedynym ograniczeniem, podobnie jak na klasycznych atomowych okrętach podwodnych, jest ilość zabieranego jedzenia dla załogi.
Ponadto reaktory jądrowe przez większość czasu są praktycznie bezobsługowe i nie wymagają specjalistycznych instalacji brzegowych, które są konieczne do uzupełniania paliwa w obecnych napędach AIP. Oczywiście, co kilka lat w reaktorach trzeba wymienić paliwo jądrowe, jednak sama idea SMR zasadza się między innymi na tym, że będzie to operacja względnie prosta, szybka i tania. Do tego reaktory SMR wykorzystują uran cywilny, o niskim stopniu wzbogacenia, co rozwiązuje wiele problemów prawnych i związanych z bezpieczeństwem.
Wyzwaniem pozostaje ich odpowiednia instalacja tak, aby ich praca, a raczej praca układu chłodzenia, nie zwiększała sygnatury akustycznej okrętu. Ponadto zastosowanie takiego napędu wymagać będzie od państwa odpowiedniego otoczenia prawnego i przemysłowego oraz kultury technicznej, w tym tej związanej z bezpieczeństwem. Jednak po spełnieniu tych warunków reaktory SMR mogą okazać się kolejnym kamieniem milowym w rozwoju okrętów podwodnych.
