System AIP BEST i przyszłość hybrydyzacji  na okrętach podwodnych typu S-80

Navantia przekonuje, że opracowane przez nią rozwiązanie oparte na bioetanolu pozwala konwencjonalnym okrętom podwodnym działać dłużej, skrycie i bezpieczniej – nawet w konfiguracjach hybrydowych z akumulatorami litowo-jonowymi. Czy rzeczywiście mamy do czynienia z przełomem, czy tylko dobrze opakowaną próbą nadgonienia konkurencji?

System AIP BEST i jego znaczenie dla okrętów podwodnych typu S-80

Niniejszy materiał zawiera szczegółową analizę możliwości, jakie oferuje system AIP trzeciej generacji oparty na bioetanolu – pod względem technologicznym, taktycznym i operacyjnym. Przyjrzymy się także jego potencjalnej roli w hybrydowych konfiguracjach siłowni z wykorzystaniem akumulatorów litowo-jonowych oraz temu, czy i w jakim zakresie jednostki typu S-80 mogą odpowiadać na potrzeby Marynarki Wojennej RP w przyszłości.

Zachęcam wszystkich zainteresowanych – do samodzielnej oceny wartości tej oferty w świetle opublikowanych danych. Czy Hiszpanie rzeczywiście mają konkurencyjną propozycję? Czy AIP BEST to technologia przełomowa, czy tylko atrakcyjnie opakowany kompromis?

Znaczenie konwencjonalnych okrętów podwodnych jest powszechnie uznawane. Do tego stopnia, że nawet kraje, które nie posiadają konwencjonalnych okrętów podwodnych, takie jak główne mocarstwa Europy Zachodniej, ostatecznie polegają na swoich sojusznikach. Ich jednostki uzupełniają eskortę dla swoich atomowych odpowiedników w niektórych operacjach podwodnych, które nie wymagają długotrwałego rozmieszczenia, ale wymagają maksymalnej dyskrecji.

Wśród nich wyróżniają się operacje wywiadowcze dotyczące obiektów brzegowych, doków, baz przejściowych lub manewrów sił zadaniowych na głębokości peryskopowej. Zmniejszona prędkość patrolowa jest zatem konieczna, a samo przebicie się przez powierzchnię wody, w celu uzyskania informacji wywiadowczych w spektrum elektromagnetycznym, staje się istotnym źródłem niedyskrecji dla tego typu platformy.

Wymagany poziom ukrycia osiąga się dzięki platformie zdolnej do działania przez tygodnie w otwartych konfrontacjach, wykorzystującej ciężkie torpedy oraz naddźwiękowe pociski przeciwokrętowe. Te przedłużające się konfrontacje są bardziej skuteczne w porównaniu z pierwszym uderzeniem nawodnej  grupy zadaniowej stojącej u  wybrzeży przeciwnika, otwarcie narażając zarówno swój obronę  powietrzną na nową walkę przeciwlotniczą zademonstrowaną podczas wojny na Ukrainie, jak i własną platformę , która obecnie nie może stawić czoła atakowi ze względu na nasycenie nowych naddźwiękowych i hipersonicznych manewrujących efektorów, unieruchamiających jej pokład startowy.

Poza operacjami wywiadowczymi, istotnym elementem jest czas przebywania w zanurzeniu po naładowaniu akumulatorów nakonwencjonalnym okręcie podwodnym. Jegozdolność do działania bez wykrycia zależą bezpośrednio od pojemności akumulatorów, a także mocy dieslowych alternatorów (DAR).

Historycznie rzecz biorąc, konwencjonalne okręty podwodne wykorzystywały w swoich akumulatorach technologię kwasowo-ołowiową. Ich eksploatacja  jest powszechnie znana, wymaga szeregu systemów pomocniczych oraz bezpiecznego i skutecznego zarządzania wydzielanym w jamach bateryjnych wodorem. Niższy reżim ładowania generuje  wyższą pojemność akumulatorów, około 50 procent więcej niż wyższy reżim, co jest bezpośrednio związane z prędkością okrętu podwodnego w różnych scenariuszach. Ponadto należy zauważyć, że intensywność ładowania nie może być utrzymywana na wysokim poziomie przez cały czas.

Po osiągnięciu ustawionego napięcia wodór wydostaje się z akumulatorów, co wymaga zmniejszenia intensywności ładowania, marnując energię DAR w momencie, w którym okręt podwodny jest narażona na wykrycie podczas przebywania na chrapach. Jednak jedną z zalet tego rodzaju akumulatorów jest to, że pojemność pozostaje niezmieniona, więc osiągnięcie głębokiego rozładowania przy dużej prędkości nie oznacza, że akumulator ma taki sam stan rozładowania przy małej prędkości, a w rzeczywistości jest on większy.

Systemy beztlenowe jako rozwiązanie poprawiające niewykrywalność

Celem projektantów jest opracowanie rozwiązań, które pozwolą  wydłużyć czas, przez który  okręty podwodne pozostaną niewykrywalne. Badania nad beztlenowymi generatorami energii opartymi na nadtlenku wodoru są dokumentowane od czasów II wojny światowej. Od tego czasu opracowano  różne koncepcje mające na celu osiągnięcie bardziej wydajnych i bezpiecznych rozwiązań w ramach projektów, które nazywamy pierwszą generacją.

Początkowo opierały się na wykorzystaniu maszyn termicznych, takich jak systemy silników wysokoprężnych o zamkniętym cyklu (silniki Stirlinga), system tłokowy z zewnętrznym spalaniem lub systemy oparte na turbinach parowych napędzanych spalaniem zewnętrznym. Silnik Stirlinga odniósł spory sukces zainstalowano go na 20 okrętach podwodnych oraz w 25 zanurzalnych jednostkach pywających , które według szacunków posiada Chiny. System oparty na turbinie nie miał jednak tyle szczęścia – prawdopodobnie ze względu na wątpliwe wyniki – i zainstalowano go tylko na  czterech okrętach podwodnych marynarki wojennej Pakistanu.

Zastosowanie technologii ogniw paliwowych z magazynowaniem wodorków metali w latach 90 stanowiło skok jakościowy w rozwoju systemów beztlenowych do tego stopnia, że jest ona nadal z powodzeniem sprzedawana, a zainstalowano ją na ponad 50 okrętach podwodnych o wyporności około 2000 ton. Technologia ta, którą nazywamy technologią drugiej generacji, pozwala uniknąć stosowania elementów wirujących  jako podstawy wytwarzania energii, obecnych w poprzedniej generacji, a także konieczności odprowadzania spalin na zewnątrz.

Natomiast pojemność magazynowa pozwala na kilka dni pracy, a integracja nieporęcznych i ciężkich butli z wodorem ogranicza możliwości projektowe okrętu podwodnego, co sprawia, że nie nadaje się on do oceanicznych okrętów podwodnych typu SSK. Z tego powodu na  okrętach podwodnych o wyporności  powyżej 3000 ton zalety tego systemu są znacznie mniejsze w porównaniu z rozwiązaniem opartym na integracji dodatkowych komór akumulatorowych wykorzystujących technologię litowo-jonową. Takie podejście przyjęła ostatnio japońska marynarka wojenna w najnowszych okrętach podwodnych typu Sōryū.

Okręt podwodny S-80 to okręt o wyporności  3000 ton, którego wielkość pozwala na przewożenie dużego ładunku broni i czujników, a także charakteryzujący się dużą wytrzymałością i wysokim standardem warunków życia. Takie możliwości nie byłyby możliwe do osiągnięcia w przypadku zastosowania systemu AIP z wodorem przechowywanym w dużej ilości metalowych butlach. Posiadanie takiej dużej liczby butli, które byłyby potrzebne do osiągnięcia takiej samej  sprawności jak w przypadku systemu Navantia BEST AIP naruszyłaby równowagę masy i wyporności co wiązałoby się z drastycznym zwiększeniem objętości kadłuba sztywnego. 

Najlepszy czynnik wyróżniający AIP dla okrętów podwodnych S-80

Ambicje nowych programów budowy konwencjonalnych okrętów podwodnych wymagają nowego jakościowego skoku technologicznego w celu uzyskania platform o większym zasięgu działania pod wodą, co wykładniczo zmniejsza prawdopodobieństwo wykrycia. Oznacza to, że wymagania dotyczące zasięgu i czasu przebywania w zanurzeniu  z małą prędkością będą teraz mierzone w tygodniach, a nie w dniach, co stanowi wyzwanie związane z zapewnieniem większej mocy energetycznej na pokładzie bez uszczerbku dla konstrukcji lub innych możliwości platformy.

Rozwiązanie tego problemu można skutecznie uzyskać dzięki systemom AIP trzeciej generacji, najnowocześniejszym systemom AIP, takim jak BEST (Bio Ethanol Stealth Technology) opracowanym przez Navantia dla okrętów podwodnych klasy S-80. System Navantia BEST AIP wytwarza wodór na żądanie z paliwa płynnego (bioetanolu), które jest przechowywane w konwencjonalnych zbiornikach konstrukcyjnych w temperaturze i ciśnieniu otoczenia. Dzięki temu rozwiązanie to jest bardziej wydajne, bezpieczniejsze i tańsze w utrzymaniu niż wodór przechowywany w metalowych butlach. System BEST AIP wytwarza odpowiednią moc do ładowania akumulatorów i umożliwia okrętowi podwodnemu patrolowanie przy zachowaniu maksymalnej niewykrywalności.

Z punktu widzenia bezpieczeństwa zagrożenia wynikające z pracy z substancjami łatwopalnymi są w wielu przypadkach równoważne zagrożeniom związanym z systemami opartymi na akumulatorach, a także magazynowaniem wodorków metali, ponieważ zarządzanie wodorem i czystym tlenem na pokładzie odbywa się w podobny sposób. Podobnie jak w systemach pierwszej generacji, pojawia się konieczność odprowadzania spalin poza kadłub okrętu, dlatego też ślad takiego okrętu podwodnego działającego w trybie AIP nie różni się od śladu konwencjonalnego okrętu podwodnego poruszającego się wyłącznie na napędzie elektrycznym.

^{Fot. Navantia}

System BEST hiszpańskiej Navantii rozwiązuje te problemy, wykorzystując konwencjonalne systemy w celu wykrywania i eliminowania potencjalnych zagrożeń wynikających z ich działania oraz zapewniając poziom niewykrywalności poprzez odprowadzanie strumienia wody morskiej z krystalicznym roztworem gazów spalinowych, niewykrywalnym w wodach oddalonych od tras żeglugowych. Ponadto zastosowanie bioetanolu zamiast paliwa kopalnego eliminuje potencjalne ryzyko detekcji śladów chemicznych za pomocą czujników chemicznych.

Skrytość kontra wykrywalność: analiza skuteczności platform SSK i SSN w działaniach ASW

Pomijając szczegóły matematyczne modelu statystycznego, wyniki ilościowe dla 3000 symulowanych przypadków przedstawiono na wykresie Montecarlo, w scenariuszu z tylko jedną krawędzią, w którym obszar poszukiwań nie przekracza 1 000 000 km² (pas wybrzeża o długości 1000 km i szerokości 100 km), przebywanie w zanurzeniu trwało 300 godzin kiedy SSK prowadził działania zwiadowcze z dwoma podniesionymi masztami.

Podczas tego ćwiczenia uzyskaliśmy wyniki, które wymagają uwagi. Ostatecznie istnieje 50% prawdopodobieństwo, że zostaliśmy wykryci przez przeciwnika. Przeprowadzono hipotetyczny scenariusz, idealne poszukiwania z dokładnym nakładaniem się pasów poszukiwań, ale korzystając z poprzednich doświadczeń, można ocenić realistyczne zakłócenia równoważne nadmiernym przeczesywaniom i wprowadzić je do poszukiwań w ciągu 300 godzin na ponad 78 proc. wspomnianego obszaru patrolowego.

Podejście to, powodujące spadek efektywności ASW, zakłada wzrost zdolności maskujących nawet o 70%, ale nadal jest niezadowalające ze względu na zakładane koszty taktyczne. Pozostałe 30% prawdopodobieństwa wykrycia wiąże się z ciągłą obecnością zakłóceń SAR w śladzie, aby utrzymać 300 godzin rozpoznania bez przerwy. Należy podkreślić, że przerwanie tego procesu prowadzi do spadku wartości maskujących do poziomów istotnych dla operacji. 

W związku z tym oceniono, że kampania bezpiecznej komunikacji w połączeniu z automatycznym gromadzeniem danych wywiadowczych może odbywać się w cyklach „4/4”, czyli 4 minutach użytkowych (pomijając manewry) co 4 godziny, poświęconych częściowo na przyśpieszenie manewrów i prędkości z wykorzystaniem akumulatorów kwasowo-ołowiowych (dwukrotnie więcej w akumulatorze litowym, gdzie obliczona tutaj przewaga wzrosłaby). Ta sama kalkulacja wskazuje obecnie, że prawdopodobieństwo całkowitego braku wykrycia przez przeciwnika wzrasta do ponad 90%. Wartość ta wskazuje operacyjnie na znaczenie tego typu platformy.

Należy zauważyć, że powtarzając tego typu obliczenia dla SSN, w najpopularniejszym zachodnim standardzie, ten sam model generuje prawdopodobieństwo dla tego samego warunku nieco poniżej 50%, zasadniczo dlatego, że ustawiono ten sam czas i obszar. Ponieważ w przypadku zwiększenia obszaru patrolowania, a tym samym zmniejszenia czasu przebywania w zanurzeniu zapewnianego przez elektrownię jądrową, różnica między „zdolnością do rzeczywistej niewykrywalności” a hałasem emitowanym w paśmie szerokopasmowym SSN staje się 6 do 12 dB razy większa przy minimalnych prędkościach ciągłych.

Nowe horyzonty, akumulatory litowo-jonowe

Obecnie trwają prace nad opracowaniem systemu akumulatorów litowo-jonowych przeznaczonych do okrętów podwodnych. Stanowi on znaczne ulepszenie w stosunku do akumulatorów kwasowo-ołowiowych, umożliwiając ładowanie z bardzo dużą intensywnością i znacznie ograniczając liczbę systemów pomocniczych. Z operacyjnego punktu widzenia system akumulatorów litowych umożliwia nurkowanie z większą mocą, co przekłada się na poprawę IR. Dłuższy czas przebywania pod powierzchnią wody  z wykorzystaniem całkowitej mocy urządzeń pomocniczych oznacza więcej czasu zanurzenia, ponieważ akumulator jest bardziej naładowany, oraz znaczną poprawę w odniesieniu do czasu, przez jaki okręt podwodny może poruszać się z dużą prędkością.

Jednak opracowanie systemów akumulatorów litowych do zastosowań w okrętach podwodnych wiąże się z wyzwaniami technicznymi, szczególnie w zakresie bezpieczeństwa.

Hybrydowy napęd nowej generacji na okrętach typu S-80

Wreszcie, hybrydyzacja technologii AIP trzeciej generacji z technologią akumulatorów litowo-jonowych umożliwi szybkie ładowanie za pomocą systemu generatora dieslowskiego oraz większą wytrzymałość przy maksymalnej prędkości, gdzie zwiększenie prędkości ma duże znaczenie taktyczne. Takie podejście zwiększy możliwości okrętów podwodnych nowej generacji, zapewniając lepsze osiągi i przewagę taktyczną.

Połączenie systemu AIP i systemu akumulatorów litowych (LIB) znacznie wydłuża czas zanurzenia okrętu podwodnego dzięki:

• Wydajności systemu AIP trzeciej generacji.
• Szybkiemu ładowaniu podczas pływania z peryskopem.
• Możliwości utrzymania okrętu podwodnego na maksymalnej prędkości przez większą liczbę godzin.

Oceniono zalety zastąpienia systemu AIP większą liczbą modułów LIB. W pierwszej kolejności należy zauważyć, że taka konfiguracja wiąże się z mniejszą złożonością konstrukcji, ponieważ nie wymaga montażu i konserwacji instalacji chemicznej wewnątrz okrętu podwodnego, ale zapewnia krótszy czas przebywania w zanurzeniu niż okrętu podwodnego wyposażonego w system AIP.

Na podstawie powyższych rozważań można wyciągnąć następujące wnioski:

1. Konwencjonalne okręty podwodne mogą osiągnąć maksymalną dyskrecję przy zmniejszonej prędkości w czasie patrolu, wyróżniając się w operacjach wywiadowczych na głębokości peryskopowej w porównaniu z atomowymi okrętami podwodnymi.
2. Okręt podwodny zdolny do utrzymania maksymalnej dyskrecji przez wiele tygodni stanowi nową przewagę dla okrętów podwodnych typu SSK: uniemożliwia przeciwnikowi kontrolę nad wodami za pomocą sił powierzchniowych. Akumulatory kwasowo-ołowiowe są dobrze znaną technologią, ale samo zastosowanie konfiguracji spalinowo-elektrycznej ma wpływ na czas zanurzenia, a co za tym idzie, na wskaźnik dyskrecji.
3. Systemy beztlenowe pierwszej lub drugiej generacji zostały przedstawione jako rozwiązanie zwiększające czas przebywania  średnich okrętów podwodnych podczas zanurzenia; jednak ich pojemność magazynowa ogranicza wytrzymałość do kilku dni, a integracja nieporęcznych i ciężkich metalowych butli wodorowych systemów drugiej generacji sprawia, że projekt ten jest nieopłacalny dla rynku konwencjonalnych okrętów podwodnych.
4. Systemy AIP trzeciej generacji, takie jak BEST koncernu Navantia, stanowią najbardziej optymalne  rozwiązanie konstrukcyjne dla oceanicznych okrętów podwodnych SSK.
5. Dzięki bezpiecznej kampanii komunikacyjnej w połączeniu z automatycznym gromadzeniem danych wywiadowczych w cyklach 4/4 na okręcie podwodnym takim jak S-80, wyposażonym w najnowocześniejszy system AIP, prawdopodobieństwo całkowitego braku wykrycia przez  przeciwnika wzrasta do ponad 90%, co z operacyjnego punktu widzenia wskazuje na przewagę tego typu platformy (typu SSK) nad okrętem podwodnym o napędzie jądrowym (typu SSN), które wynosiłoby mniej niż 50%.
6. Technologia akumulatorów litowo-jonowych ma istotne zalety w porównaniu z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi, takie jak prędkość  i wykorzystanie obciążenia; istnieją jednak aspekty bezpieczeństwa, których nie można pominąć na etapie projektowania i które mogą stanowić wyzwanie techniczne. Wydaje się jednak oczywiste, że połączenie technologii AIP trzeciej generacji z technologią akumulatorów litowo-jonowych pozwoli na wykorzystanie zalet szybkiego czasu ładowania w oparciu o system generatorów dieslowskich oraz wydłużenie czasu przebywania w położeniu podwodnym p przy maksymalnym obciążeniu energetycznym, gdzie operowanie z maksymalną prędkością  ma duże znaczenie taktyczne.

Na zakończenie pragnę zaznaczyć, że pozostawiam czytelnikowi przestrzeń do własnej oceny – zarówno w zakresie przedstawionych rozwiązań technologicznych, jak i ogólnej wartości hiszpańskiej oferty. Czy S-80 z systemem AIP BEST rzeczywiście może być konkurencyjny wobec pozostałych propozycji w programie Orka? Odpowiedź na to pytanie pozostawiam osobom zainteresowanym tematem oraz decydentom odpowiedzialnym za wybór zdolności operacyjnych Marynarki Wojennej RP w nadchodzącej przyszłości.

Źródło: spsnavalforces.com/Adam Woźnicki