Polska Orka niewykrywalna? Sprawdzamy, co potrafi szwedzki AIP

Największym ograniczeniem okrętów podwodnych był zawsze ograniczony czas przebywania pod wodą. Przy pływaniu w położeniu nawodnym silnik elektryczny napędzający śrubę jest bowiem zasilany przez układ: generator elektryczny i silnik diesla. Pod wodą jest to jednak niemożliwe i wtedy korzysta się z zapasu energii, jaki zapewniają baterie akumulatorów kwasowo-ołowiowych. A ten zapas przy korzystaniu z silnika bardzo szybko się zużywa i zasadniczo starcza na trzy doby.

Później trzeba się wynurzyć na powierzchnię, by po włączeniu silnika diesla ponownie naładować akumulatory. Pewnym rozwiązaniem były chrapy, a więc specjalna rura, którą wysuwano na powierzchnię i którą dostarcza się powietrze do silników. Rozwiązanie to jest nawet stosowane na atomowych okrętach podwodnych do zasilania awaryjnego napędu konwencjonalnego.

Chrapy mają jednak wady. Przy wzburzonym morzu mogą być zalewane wodą, co może doprowadzić do zasysania powietrza przez silniki spalinowe z wnętrza okrętu. Chrapy są dodatkowo wykrywane przez radary (np. ze statków powietrznych) nawet wtedy, gdy są pokryte specjalną powłoką antyradarową. Dodatkowo po włączeniu silników w strefie, gdzie nie można się wynurzać, zwiększa się hałas, który może doprowadzić do wykrycia okrętu podwodnego, np. przez sonoboje.

To właśnie z tego powodu opracowano podwodny system ładowania akumulatorów, który w sposób nieco mylący nazwano napędem niezależnym od powietrza AIP (Air Independent Propulsion). „W sposób mylący”, ponieważ do czasu wprowadzenia akumulatorów litowo-jonowych wszystkie inne rozwiązania AIP w rzeczywistości korzystały z powietrza – gazów, które były dla nich magazynowane w specjalnych zbiornikach lub były pozyskiwane ze spalanego paliwa. Prawidłowa nazwa powinna więc brzmieć: „napęd niezależny od powietrza atmosferycznego”.

Jeszcze do niedawna większość okrętów podwodnych wyposażonych w AIP miała ten napęd oparty na tzw. ogniwach paliwowych – wymagających dostarczenia wodoru i tlenu. Gazy te były początkowo magazynowane w specjalnych zbiornikach, co w przypadku wodoru sprawiało duże problemy. Dlatego wprowadzono później system AIP, w którym wodór dla ogniw był pozyskiwany z paliwa.

Odmienne rozwiązanie opracowali Francuzi, którzy dla swoich okrętów typu Agosta 90B i Scorpène proponowali moduł MESMA (Module d’Energie Sous-Marine Anaérobie), który był tak naprawdę powieleniem napędu zastosowanego na atomowych okrętach podwodnych. Podstawową różnicą było zastosowanie zamiast reaktora turbiny parowej o zamkniętym obiegu parowym Rankine’a (z wodą jako czynnikiem roboczym). Ostatecznie zrezygnowano jednak z tego rozwiązania i obecnie, by wydłużyć czas przebywania pod wodą, we Francji proponuje się po prostu przejście na akumulatory litowo-jonowe.

Swoją ścieżką poszli również Szwedzi, którzy do ładowania akumulatorów w zanurzeniu (jak również do napędzania głównego silnika elektrycznego i silników sterujących poziomem powietrza i wody w zbiorniku trymującym – pozwalającym na kontrolę głębokości) zaproponowali napęd AIP oparty o silnik Stirlinga. I to właśnie to rozwiązanie będzie najprawdopodobniej wykorzystane na polskich Orkach.

Szwedzi jako pierwsi zastosowali napęd AIP

Pierwszymi, operacyjnymi okrętami podwodnymi, które otrzymały napęd niezależny od powietrza oparty na silnikach Stirlinga, były szwedzkie jednostki typu Gotland (A19) (wprowadzane do służby w latach 1995-1996). Jednak wcześniej prototypową wersję tego rozwiązania zamontowano na cywilnym statku „Saga” i po testach stworzono sekcję o długości 8 m, którą wkomponowano dla prób w stary okręt podwodny HMwMS „Näcken” (typu A14). Ten modułowy sposób budowy zachowano również w późniejszych pracach.

W ten sposób można bowiem stosunkowo łatwo doinstalować moduł Kockums Stirling AIP na już działających okrętach podwodnych, poprzez dołożenie do nich po prostu jednej, kompletnej sekcji o długości 7,5 m (co automatycznie było związane ze zwiększeniem wyporności). Tak zrobiono na starszych od Gotlandów jednostkach typu Västergötland (A17), które zaczęto wprowadzać do linii w 1987 r.

Okręty te miały jako pierwsze otrzymać napęd AIP już w trakcie budowy, jednak ze względu na opóźnienie w programie, otrzymały go dopiero w latach 2003 i 2004 – podczas remontu. Mają je więc dwa pierwsze okręty HMwMS „Västergötland” i HMwMS „Hälsingland”, które zostały w 2005 roku sprzedane do Singapuru (gdzie służą jako typ Archer pod nazwami: RSS „Archer” i RSS „Swordsman”) oraz dwa kolejne: #PHOTO[ id: 1799140 | desc: Szwedzki okręt podwodny HMwMS „Södermanland” z napędem niezależnym od powietrza Kockums Stirling AIP, który w programie Orka może być przekazany Polsce jako rozwiązanie pomostowe ] i HMwMS „Östergötland”, pozostawione w szwedzkiej marynarce wojennej.

Co ciekawe, o ile na nowszych Gotlandach (A19) zastosowano moduł Kockums Stirling AIP w wersji MkII, to na starszych jednostkach typu A17 wprowadzono już zmodernizowany, nowszy moduł Kockums Stirling AIP MkIII. Jest to ważne, ponieważ HMwMS „Södermanland” będzie prawdopodobnie zaproponowany polskiej Marynarce Wojennej jako rozwiązanie pomostowe, wykorzystywane do czasu dostarczenia Polsce docelowych okrętów podwodnych typu Blekinge (A26). Jednostki te mają już otrzymać moduł Kockums Stirling AIP w wersji MkV, jednak różnice w sposobie wykorzystania i szkolenia takiego napędu w porównaniu do A17 nie są duże.

Jak działa moduł AIP z silnikiem Stirlinga?

Silnik Stirlinga wykorzystywany w systemie AIP na szwedzkich okrętach podwodnych jest teoretycznie tłokowym silnikiem, przetwarzającym energię cieplną w mechaniczną. Ciepło to nie jest jednak wytwarzane wewnątrz silnika, ale dostarczane z zewnątrz, ze specjalnej komory – w procesie spalania standardowego paliwa diesla z wykorzystaniem skroplonego tlenu LOX (Liquid Oxygen). Energia cieplna wytworzona w tym procesie spalania służy do „podgrzewania” w silniku tłokowym gazu roboczego (helu), który się rozpręża i wypycha tłok. Później ten gaz jest chłodzony w specjalnej chłodnicy, zmniejsza swoją objętość, co powoduje cofnięcie tłoka.

Energia mechaniczna tych tłoków jest pobierana z wału połączonego z tarczą korbową i służy do obracania alternatora, wytwarzającego energię elektryczną, niezbędną do ładowania akumulatorów i zasilania silników. Gazy otrzymane w wyniku spalania paliwa w komorze i przekazujące ciepło do silnika są również chłodzone (do temperatury 30ºC), jednak po zmieszaniu z wodą są wydalane na zewnątrz okrętu. Mają one przy tym wyższe ciśnienie niż ciśnienie otaczającej okręt wody morskiej, a więc mogą być usuwane bez potrzeby użycia dodatkowej sprężarki (co zmniejsza hałas i ogranicza zużycie energii).

Cechą szwedzkiego rozwiązania jest przede wszystkim niska sygnatura termiczna i akustyczna (brak rozrządu, wydechu i umieszczenie silnika w specjalnym module akustycznym). Trzeba jednak zaznaczyć, że Kockums Stirling AIP jest „głośniejszy” od ogniw paliwowych (ze względu na obecność ruchomych części mechanicznych). Silniki Stirlinga są również łatwe w eksploatacji. Wykorzystują one bowiem takie samo paliwo jak typowe silniki diesla oraz ciekły tlen, gromadzony w specjalnych zbiornikach.

Limitem dla tego napędu jest więc tak naprawdę tylko zapas zabieranego tlenu. Ponowne uzupełnienie zapasów jest zresztą bardzo proste i szybkie (trwa od trzech do sześciu godzin – czyli tyle samo czasu, ile trzeba na uzupełnienie paliwa konwencjonalnych OP bez napędu AIP) oraz może być realizowane na morzu (przez standardowe okręty zaopatrzeniowe i bez potrzeby tworzenia dodatkowej, specjalistycznej infrastruktury).

Wadami tego rozwiązania są mała prędkość (do 6 w) gwarantowana pod wodą na tym napędzie (na akumulatorach podwodna prędkość maksymalna to około 20 w), konieczność magazynowania dużych ilości tlenu oraz niższa sprawność konwersji energii (ok. 40%) w porównaniu do ogniw paliwowych (około 80%). Moduł AIP Stirling jest jednak prostszy, łatwiejszy w konserwacji i bardziej opłacalny w eksploatacji od ogniw paliwowych.

Według producenta Saab Kockums, po zamontowaniu na szwedzkich okrętach podwodnych dwóch jednostek Kockums Stirling AIP (każda o mocy do 75 kW) zwiększono ich czas przebywania w zanurzeniu do ponad czternastu dni. W przypadku Orki ten czas ma być wydłużony do 18 dni.