Luftuavhengig fremdrift ( akronym AIP , på italiensk anaerob fremdrift ) er en marinefremdriftsteknologi som lar en ikke- atomubåt operere uten å ha tilgang til atmosfærisk oksygen (dvs. uten å gå til overflaten eller bruke snorkel ).
AIP-systemer kan forsterke eller erstatte det dieselelektriske fremdriftssystemet [1] til ubåter og ikke-atomskip.
Den amerikanske marinen bruker skrogklassifiseringssymbolet "SSP" for å klassifisere ubåter utstyrt med AIP-fremdrift, mens de opprettholder forkortelsen "SSK" for klassiske dieselelektriske angrepsubåter . [2]
Moderne ikke-atomubåter er potensielt mer stealth enn atomubåter ; en marine atomreaktor må konstant pumpe kjølevæske, og generere en viss mengde påvisbar støy. På den annen side kan ikke-atomubåter som går på batterier eller AIP være praktisk talt stille. Mens atomubåter fortsetter å utkonkurrere dykketider og ytelse på dypt hav, er små høyteknologiske ikke-atomubåter svært effektive i kystoperasjoner og utgjør en betydelig trussel mot mindre snikende og mindre kapable atomubåter. manøvrering, ofte et resultat av større dimensjoner og tonnasje. [3]
AIP er vanligvis implementert som en hjelpekilde, med den tradisjonelle dieselmotoren som utfører overflatefremdrift. De fleste av disse systemene produserer elektrisk energi som igjen driver en elektrisk motor for fremdrift eller lader opp skipets batterier. Ubåtens elektriske system brukes også til å yte "hotelltjenester" - ventilasjon, belysning, oppvarming m.m. - selv om denne bruker en liten mengde strøm sammenlignet med det som kreves for fremdrift.
AIP kan installeres i eksisterende ubåtskrog ved å sette inn en ekstra skrogseksjon ( ettermontering ). AIP gir normalt ikke holdbarheten eller kraften til å erstatte luftavhengig fremdrift , men den tillater et lengre dykk enn en konvensjonell fremdriftsubåt . Et typisk konvensjonelt kraftverk gir opptil 3 megawatt strøm og en AIP-kilde omtrent 10 % av det . Et kjernefysisk ubåtfremdriftsanlegg er vanligvis mye større enn 20 megawatt .
Dykkerytelsen til de 3 gjeldende AIP-systemene - "Fuel Cell", "Stirling" og "MESMA" - er langt fra hva en atomubåt kan tilby (30 dager ved 30 kn (35 mph ; 56 km/t )) og de er generelt begrenset til maksimalt 3 uker ved 4 kn (4,6 mph ; 7,4 km/t ). Siden systemet er dyrt, kan det etter hvert installeres senere og effektiviteten er knyttet til den type oppdrag som marinen må utføre med sine ubåter, er installasjonen av et AIP-system ikke nødvendigvis kostnadseffektivt. Et alternativ til AIP-systemer er bruken av litium-ion-batterier (LIB) . [4]
| Klasse | Fyr | AIP | Dykkeprestasjon |
|---|---|---|---|
| Agosta | diesel-elektrisk | Nei | |
| Agosta 90B | diesel-elektrisk | MESMA | 2 uker ved 4 knop |
| Rubis | kjernefysisk | Nei | ubegrenset ved 20 knop |
| Scorpène CM | diesel-elektrisk | Nei | |
| Scorpène CM | diesel-elektrisk | LIB | 1 uke |
| Scorpène AM | diesel-elektrisk | MESMA | 2 uker |
| Scorpène AM | diesel-elektrisk | FC2G | 3 uker |
| Suffren | kjernefysisk | Nei | ubegrenset med mer enn 23 knop |
| Kortfinnet Barracuda | diesel-elektrisk | FC2G | 3 uker |
I utviklingen av ubåten var problemet med å finne tilfredsstillende former for undervannsfremdrift vedvarende. De første ubåtene ble drevet av hånddrevne propeller, som raskt konsumerte luften inne; disse fartøyene måtte bevege seg på overflaten mesteparten av tiden med åpne luker eller ved hjelp av en slags pusterør, i begge tilfeller var systemet farlig og forårsaket en rekke ulykker. Senere brukte mekanisk opererte fartøyer trykkluft eller damp, eller elektrisitet, og måtte lades opp fra land eller, om bord, av en aerob motor.
Det første forsøket på et anaerobt brennende drivstoff var i 1867 , da Narcís Monturiol med suksess utviklet - i ubåten Ictíneo II - en kjemisk drevet anaerob (eller luftuavhengig) dampmaskin . [5] [6]
I 1908 lanserte sjøflåten i det russiske imperiet Pochtovy -ubåten som brukte en bensinmotor drevet med trykkluft og utmattet under vann.
Disse to tilnærmingene, bruken av et drivstoff som leverer energi til et åpent syklussystem , og tilførsel av oksygen til en aerob motor i en lukket syklus , karakteriserer AIP i dag.
AIP-systemer er relativt nye (de har blitt brukt siden midten av nittitallet, selv om noen systemer ble prøvd, uten hell, av tyskerne (rundt 1944) og av sovjeterne (på 1950-tallet), og spenner fra enkel bruk av oksygenreserver væske til de nyeste teknologiene som dieselelektriske ubåtbrenselceller .
Bruken av disse systemene er en fordel for mariner som ikke bruker kjernefysisk fremdrift.
Begrensningene til konvensjonelle ubåter med dieselelektrisk fremdrift er betydelige, da båtene under dykking bruker en elektrisk motor drevet av batterier som må lades opp ved hjelp av en dieselmotor koblet til en dynamo . Dieselmotoren trenger igjen oksygen og ubåten blir tvunget til å tilføre den ytre luften til dieselmotoren ved å navigere på overflaten eller i periskophøyde , motta den nødvendige luften gjennom snorkelen , og risikere å bli oppdaget av radaren (deteksjon av periskopet og snorkelen), fra infrarøde eller kjemiske sensorer (deteksjon av eksosgasser) eller fra passive sonarer (støy fra dieselmotorer) fra fiendtlige overflateenheter, og også autonomien til batteriene er begrenset.
For å overvinne disse grensene er det utviklet mer effektive fremdriftssystemer, som lar deg holde deg under vann lenger. Et forsøk var Walter-fremdriften , en kjemisk forbrenningsmotor som gikk på hydrogenperoksid [7] [8] og drev en turbin som ga nok kraft til å drive hele ubåten. Under andre verdenskrig ble de tyske U-båtene "Type XXIV" og "Type XXVI" designet med dette fremdriftssystemet , men de ble ikke fullført. Disse prosjektene hadde blitt gjenopptatt av sovjeterne etter krigen, men ble snart forlatt til fordel for kjernefysisk fremdrift, da Quebec-klassen [9] , der dette fremdriftssystemet ble testet, var svært upålitelig og utsatt for eksplosjoner og branner [9 ] . Av denne grunn ble ubåter av denne klassen ironisk nok kalt "lightere", ettersom flytende oksygen var kilden til hyppige branner.
Det er 5 typer AIP-fremdrift [10] [11]
Under andre verdenskrig eksperimenterte det tyske firmaet Walter med ubåter som brukte konsentrert hydrogenperoksid ( HTP ) som en kilde til oksygen under vann. Disse brukte dampturbiner ved å bruke dampen oppvarmet ved forbrenning av diesel i damp-/oksygenatmosfæren skapt ved nedbrytning av hydrogenperoksid gjennom en kaliumpermanganatkatalysator .
Det ble produsert flere forsøksbåter, selv om arbeidet ikke ble modnet i noe operativt fartøy. En ulempe var ustabiliteten og tilgjengeligheten til det aktuelle drivstoffet. En annen ulempe var at mens systemet produserte høye undervannshastigheter, var det ustabilt med drivstoff; den første ubåten, VS 80 , forbrukte 28 tonn drivstoff for å reise 50 nautiske mil. De endelige designene tillot ikke å håpe på bedre ytelse. Ved å bruke denne teknologien ble det laget U-båter type XVII , alltid for mer eksperimentelle enn operasjonelle formål .
Etter krigen ble en Type XVII u - båt - U-1407 - som hadde blitt senket på slutten av andre verdenskrig, gjenfunnet og satt tilbake i tjeneste i Royal Navy som HMS Meteorite . Britene bygde deretter to forbedrede modeller på slutten av 1950 -tallet : HMS Explorer og HMS Excalibur ( Explorer-klassen ). Meteoritten var ikke populær blant mannskapene, som anså den som farlig og uforutsigbar ; ubåten ble offisielt beskrevet som "75% sikker". Omdømmet til Explorer og Excalibur var litt bedre, så mye at de to båtene fikk kallenavnene 'Exploder' og 'Excruciater'.
Sovjetunionen eksperimenterte også med denne teknologien og bygde en eksperimentell ubåt som brukte hydrogenperoksid i en Walter-motor : Project 617 (S-99) Whale . [12]
USA mottok også en u - båt av type XVII - U-1406 - og fortsatte å bruke hydrogenperoksid i en eksperimentell lommeubåt av dvergtype , SS X-1 . Denne ble opprinnelig drevet av en hydrogenperoksid/dieselmotor og batterisystem, inntil hydrogenperoksidtilførselen eksploderte 20. mai 1957. SS X-1 ble senere konvertert til en dieselelektrisk. [1. 3]
USSR , Storbritannia og USA , de eneste landene som er kjent for å ha eksperimentert med denne teknologien på den tiden, forlot den da disse landene senere lyktes i å utvikle en atomreaktor som er liten nok for ubåtfremdrift. Andre nasjoner, inkludert Vest-Tyskland og Sverige , vil da gjenoppta utviklingen av AIP.
Systemet ble brukt til fremdrift av torpedoer av britene og Sovjetunionen , selv om det raskt ble forlatt av førstnevnte etter tragedien til HMS Sidon . Som år etter den russiske ubåten Kursk , gikk Sidon også tapt på grunn av funksjonsfeil som involverte hydrogenperoksiddrevne torpedoer .
Denne teknologien bruker en ubåtdieselmotor som kan drives konvensjonelt på overflaten, men som også kan utstyres med et oksidasjonsmiddel , vanligvis lagret som flytende oksygen , når den er nedsenket. Siden metallet i en motor vil brenne i rent oksygen, blir oksygenet vanligvis fortynnet med den resirkulerte eksosgassen. Argon erstatter eksosgassen når motoren startes.
På slutten av 1930-tallet . Sovjetunionen eksperimenterte med lukket syklus motorer og noen små ubåter av typen M 'Maljutka' (serie XV - prosjekt 96) ble bygget ved hjelp av REDO -systemet , men ingen ble fullført før den tyske invasjonen i 1941. [14]
Under andre verdenskrig eksperimenterte Kriegsmarine med et slikt system som et alternativ til Walters hydrogenperoksidsystem , og designet varianter av Type XVII og Type XXVIIB Seehund u -båter , henholdsvis Type XVIIK og Type XXVIIK , også hvis ingen av dem ble fullført før slutten av krigen.
Etter krigen utviklet Sovjetunionen den lille ubåten på 650 tonn (720 korte tonn ) til prosjekt 615 (Quebec-klassen) , hvorav tretti ble bygget mellom 1953 og 1956. Disse hadde tre dieselmotorer, to var konvensjonelle og en var lukket sløyfe med flytende oksygen . En prototype ble installert i M-401 ubåten for tester som varte fra 1940 til 1945. [15]
I det sovjetiske systemet, kalt "enkelt fremdriftssystem", ble oksygen tilsatt etter at eksosgassen ble filtrert gjennom en kalkbasert kjemisk absorbent. Ubåten kunne også navigere på dieselmotor alene og med snorkel . Quebecs hadde tre drivaksler : en 900 hk (670 kW ) 32D diesel på midtakselen og to 700 hk (520 kW ) M-50P- motorer på de ytre akslingene. I tillegg hadde en 100 hk (75 kW ) "kryp" -motor blitt koblet til den sentrale akselen. Båten kunne navigere i lav hastighet med kun den sentrale akselen dieselmotor. [16]
Siden flytende oksygen ikke kan lagres på ubestemt tid, kunne disse ubåtene ikke operere langt fra en base. Systemet var farlig: Minst syv ubåter fikk eksplosjoner, og en av dem, M-256 , sank etter en eksplosjon og brann. Disse ubåtene fikk noen ganger kallenavnet zažigalkami . Den siste ubåten som brukte denne teknologien ble tatt ut av drift på begynnelsen av 1970 -tallet .
U -1 (S180) ubåten av U-205-klassen til Bundesmarine (tidligere U-201-klassen ) hadde blitt utstyrt med en eksperimentell enhet på 3 000 hk (2 200 kW ).
Den svenske skipsbyggeren Kockums bygde tre ubåter i Gotland-klassen for Svenska marinen utstyrt med en ekstra Stirling-motor som brenner flytende oksygen og diesel for å drive 75 kW (101 hk ) elektriske generatorer for fremdrift eller opplading av batteriene. Dykketiden for disse 1 500 t (1 700 korte tonn ) ubåtene er omtrent 14 dager ved 5 kn (5,8 mph ; 9,3 km/t ).
Kockums har også pusset opp og oppgradert de tidligere 4 svenske ubåtene i Västergötland-klassen , og lagt til en skrogseksjon med en AIP Stirling-modul. To ubåter ( Södermanland og Östergötland ) er i tjeneste i Sverige som Södermanland-klassen og de to andre er i tjeneste i Singapore som Archer-klassen [ Archer (tidligere Hälsingland ) og Swordsman (tidligere Västergötland )].
Kockums leverte også (på lisens) Stirling-motorer til Japan . De nye japanske ubåtene i Soryu-klassen vil alle være utstyrt med Stirling-motorer. Den første ubåten - Soryu (SS-501) - ble skutt opp 5. desember 2007 og ble bestilt av Kaijō Jieitai 30. mars 2009. Tidligere hadde Kockums levert en Stirling-motor for å drive Asashio-ubåten (TSS-3601, ex SS) -589) av Harushio-klassen .
De nye svenske ubåtene av A26-klassen (i planleggingsstadiet) har AIP Stirling-systemet som hovedstrømkilde. Dykketiden til disse ubåtene vil være mer enn 18 dager ved 5 kn (5,8 mph ; 9,3 km/t ) ved bruk av AIP.
Det kinesiske 711 Research Institute-CSHGC har utstyrt den eksperimentelle ubåten av typen 032 Qing og ubåter av typen 039A / 041 Yuan med et AIP-system av Stirling -typen . Videre er sistnevnte klasse også solgt, i eksportversjon, til Pakistan og Thailand og disse ubåtene forventes også å være utstyrt med AIP-systemet. [18] [19]
På 1980-tallet utviklet Siemens en 30–50 kW (40–67 hk ) brenselcellemodul ( FCM eller BZM ) – type PEM FC – en enhet som konverterer den kjemiske energien fra et drivstoff til elektrisitet. Brenselceller skiller seg fra batterier ved at de krever en kontinuerlig kilde til drivstoff (som hydrogen ) og oksygen for å støtte den kjemiske reaksjonen , som transporteres i trykktanker. Ni 34 kW (46 hk ) FCM 34 type PEM FC -enheter er installert i HDWs 1 830 t (2 020 korte tonn) U-31 ubåt , Deutsche Marines U - 212A klasse blyskip og andre U-212A ubåter . . HDW eksportubåter utstyrt med AIP ( Dolphin klasse , type U-209 mod og type U-214 ) bruker to 120 kW (160 hk ) FCM 120 (andre generasjon) moduler også produsert av Siemens . I tillegg er tredje generasjon 80–160 kW (110–210 hk ) FCM NG -moduler under utvikling. [21] [22]
Marinha Portuguesa - ubåter av Trident -klassen (eller U-209PN) av U-214-typen er også utstyrt med AIP Fuel Cell . [23]
Etter den vellykkede eksporten av HDWs AIP-ubåter [24] har andre produsenter utviklet brenselcelleenheter for ubåter: spesielt det russiske selskapet Rubin Design Bureau [25] med 667 Lada-prosjektet og det spanske Navantia [26] med S. -80 klasse ; Imidlertid hadde disse to klassene i begge tilfeller flere konstruksjonsproblemer: 667 Lada-prosjektet ble stoppet ved 3 ubåter (i stedet for de 8 planlagte) og S-80-klassen , som skulle settes i drift i 2017, vil settes i drift. tjeneste i 2022.
AIP implementert på S-80-klassen til Armada Española er basert på en bioetanolprosessor (levert av Hynergreen fra Abengoa ) bestående av et reaksjonskammer og flere mellomliggende CO PROX -reaktorer som transformerer BioEtOH til høyrent hydrogen ( hydrogenproduksjon ). Effekten driver en serie med 300 kW (400 hk ) brenselceller fra Proton Exchange Membrane (PEMFC) fra UTC Power (som også leverte brenselcellene til romfergen ). " Reformatoren " drives med bioetanol som drivstoff og oksygen (lagret som flytende oksygen i en høytrykks kryogentank), og genererer hydrogen og karbondioksid som et biprodukt. [27] [28]
Russland utvikler sitt eget AIP-system, som skulle monteres på 4. generasjons konvensjonelle ubåter av 667 Lada-prosjektet og på eksportvarianten ( prosjekt 667E Amur ). Imidlertid er 667 Lada-prosjektet kansellert og bare 3 ubåter, av de 8 planlagte, vil bli bygget og i utgangspunktet uten AIP-system (som imidlertid kan installeres i fremtiden); mens 667E Amur-prosjektet ennå ikke har funnet noen kunder for eksport. Med 667 Lada-prosjektet stoppet , har Russland besluttet å starte på nytt med et nytt 5. generasjons konvensjonelt ubåtprosjekt : Kalina-prosjektet . Det russiske AIP-prosjektet er unikt ved at hydrogenet som kreves for kraftproduksjon oppnås gjennom «reformen» av diesel om bord i ubåten. Hydrogen lagres ikke om bord og produseres etter behov, noe som øker sikkerheten til fremdriftssystemet. Vanlig diesel , standard for alle dieselelektriske ubåter, brukes til å generere hydrogen. Systemet trenger ikke ekstra komponenter og følgelig ingen ekstra reserve for lagring. Det er heller ikke behov for spesiell infrastruktur, installert på bakken, for å generere og lagre hydrogen. [29] [30] [31] [32] [33]
Den indiske forsvarsforsknings- og utviklingsorganisasjonen har utviklet et AIP-system basert på fosforsyrebrenselcellen (PAFC) for å drive de to siste ubåtene i Kalvari-klassen , basert på Scorpène-klasseprosjektet . [34] [35]
DCNS tilbyr også sitt eget AIP "Fuel Cell 2nd Generation" ( FC2G ) system for ubåtene Scorpène og Shortfin Barracuda . [36] [37]
Det franske systemet MESMA ( Module d'Energie Sous-Marine Autonome ) tilbys av det franske verftet DCNS . MESMA brukes på ubåter av Agosta 90B-klassen og kan installeres på ubåter av Scorpène-klassen . Det er egentlig en modifisert versjon av deres kjernefysiske fremdriftssystem med varmen generert av etanol og oksygen . Spesielt er et konvensjonelt dampturbinkraftverk drevet av dampen som genereres ved forbrenning av etanol og oksygen lagret ved et trykk på 60 bar. Denne trykkkokingen lar deg drive ut karbondioksidet om bord på alle dyp uten eksoskompressor.
Hvert MESMA-system koster rundt 50-60 millioner dollar . Systemet, når det er installert på Scorpène-klassen , krever tillegg av en skrogseksjon på 8,3 m (27 fot ) ganger 305 t (336 korte tonn ), og resulterer i en ubåt som er i stand til å operere i opptil 18 dager under vann, avhengig av variabler som hastighet. [39] [40]
En artikkel i "Undersea Warfare Magazine" bemerker at: "Selv om MESMA kan tilby overlegen utgangseffekt til andre alternativer, er dens iboende effektivitet den laveste av de fire AIP-kandidatene, og oksygenforbruket er tilsvarende høyere." . [40] [41]
| Land | AIP-type | AIP-produsent | Ubåter | Operatører | Mengder og notater |
|---|---|---|---|---|---|
| Kina | Stirling | 711 Forskningsinstitutt-CSHGC | type 032 Qing | Marinen fra Folkets frigjøringshær | 1 av 1 i tjeneste |
| Kina | Stirling | 711 Forskningsinstitutt-CSHGC | type 039A / 041 Yuan | Marinen fra Folkets frigjøringshær | 15 av 20 i tjeneste, variant av Song-klassen |
| Kina | Stirling | 711 Forskningsinstitutt-CSHGC | Hangor klasse type S26T | Pak Bahr'ya Kongthap Ruea Thai | eksportvariant av type 039A / 041 Yuan , 8 + 3 skal lages |
| Frankrike | MESMA | DCNS | Khalid klasse (Agosta 90B) | Pak Bahr'ya | 3 av 3 i bruk [42] |
| Frankrike | MESMA | DCNS | Scorpène klasse | for eksport [43] | |
| Frankrike | FC2G | DCNS | Scorpène klasse | for eksport [43] | |
| Frankrike | FC2G | DCNS | Kortfinnet Barracuda | Royal Australian Navy | 12 å bygge |
| Tyskland | PEMFC | Siemens - ThyssenKrupp | Delfinklasse | Heil HaYam HaYisraeli | de 3 i den andre serien |
| Tyskland | PEMFC | Siemens - ThyssenKrupp | klasse U-209-1400mod | mulig ettermontering av enkelte enheter | |
| Tyskland | PEMFC | Siemens - ThyssenKrupp | klasse U-212 A | Deutsche Marine marinen Kongelige Norske Sjøforsvaret | 6 operative av 8 planlagte4 av 4 i tjeneste4 å bygge |
| Tyskland | PEMFC | Siemens - ThyssenKrupp | klasse U-214 | Polemikó Nautikó Daehanminguk Haegun Marinha Portuguesa Türk Deniz Kuvvetleri | 4 operative av 6 planlagte7 operative av 9 planlagte2 av 2 i tjeneste6 å bygge |
| Tyskland | PEMFC | Siemens - ThyssenKrupp | klasse U-218 SG | Republikken Singapores marine | 2 under bygging av 4 planlagt |
| Japan | Stirling | Kawasaki - Kockums | Asashio (TSS-3601) | Kaijō Jieitai | ettermontering av 1 ubåt, tatt ut av drift |
| Japan | Stirling | Kawasaki - Kockums | Soryu klasse | Kaijō Jieitai | 8 i tjeneste av 13 planlagt |
| India | FAPC | DRDO | Kalvari klasse | Indisk marine | 2 å bygge, indisk versjon av Scorpène-klassen |
| Russland | Brenselcelle | Rubin Design Bureau | 677 Lada-prosjektet | Voenno-morskoj flot | 1 i drift og 2 under bygging |
| Russland | Brenselcelle | Rubin Design Bureau | 677E Amur-prosjektet | eksportversjon av Lada-klassen | |
| Russland | Brenselcelle | Rubin Design Bureau | Kalina-prosjektet | i prosjektet | |
| Spania | PEMFC | Abengoa | klasse S-80 | Armada Española | 4 under bygging |
| Sverige | Stirling | Kockums | Gotland klasse | Svenska marinen | 3 av 3 i tjeneste |
| Sverige | Stirling | Kockums | Västergötland klasse | Svenska marinen | ettermontering av de 4 ubåtene, nedlagt |
| Sverige | Stirling | Kockums | Södermanland klasse | Svenska marinen | ettermontering av 2 ubåter av Västergötland-klassen |
| Sverige | Stirling | Kockums | Bueskytter klasse | Republikken Singapores marine | ettermontering av 2 ubåter av Västergötland-klassen |
| Sverige | Stirling | Kockums | klasse A26 | Svenska marinen | 2 i utvikling |