Kuzmicki_S.pdf

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ

ROK XLVII NR 3 (166) 2006

Sławomir Kuźmicki

Akademia Marynarki Wojennej

EWOLUCJA NAPĘDU

OKRĘTÓW PODWODNYCH

OD POŁOWY XX WIEKU

STRESZCZENIE

W artykule przedstawiono rozwiązania uniezależniające napęd okrętów podwodnych od

wykorzystania powietrza atmosferycznego. Opisano poszczególne rozwiązania układów siłowni

okrętów podwodnych stosowane współcześnie. Opisano również wykorzystanie baterii akumula-

torów na konwencjonalnych okrętach podwodnych.

WSTĘP

Od skonstruowania pierwszych pojazdów podwodnych następował ich roz-

wój zarówno pod względem napędu, uzbrojenia, jak i wykorzystania w walce.

Do poruszania się jednostek podwodnych wykorzystywano napęd różnego

rodzaju. Początkowo były to wiosła, silniki pneumatyczne, maszyny parowe, żagle

(w położeniu nawodnym), a nawet napęd chemiczny.

Od końca XIX wieku modyfikacjom ulegał praktycznie tylko napęd wyko-

rzystywany przez okręty podwodne do poruszania się na powierzchni morza. Po-

czątkowo używane do tego były silniki naftowe, następnie benzynowe, aż w końcu

zaczęto montować powszechnie dziś stosowane silniki wysokoprężne (tzw. Diesle).

Układ Diesle – motory elektryczne pozwolił na możliwość ładowania baterii

akumulatorów na morzu, co w znacznym stopniu przyczyniło się do zwiększenia ich

możliwości działania, a przede wszystkim autonomiczności. Oczywistym jest, że ze

względu na potrzebę dostarczania dużych ilości powietrza do Diesli ładowanie aku-

mulatorów mogło odbywać się tylko na powierzchni, a po skonstruowaniu chrap 1 na

głębokości peryskopowej.

1 Urządzenie pozwalające na dostarczenie do zanurzonego okrętu podwodnego powie-

trza potrzebnego do pracy silników spalinowych oraz wentylacji okrętu.

Sławomir Kuźmicki

Pod koniec II wojny światowej Niemcy podjęły próbę jeszcze jednej mody-

fikacji napędu okrętów podwodnych, montując na nich tzw. turbinę Waltera.

Poprawiono w ten sposób znacznie osiągane przez okręty prędkości oraz uniezależ-

niono prawie całkowicie działalność bojową okrętu podwodnego od powietrza at-

mosferycznego. Jednak duża wadliwość tego urządzenia spowodowała rezygnację

z szerszego wykorzystania rozwiązania w budownictwie okrętowym.

W świetle powyższych rozważań autor niniejszego artykułu postanawia

prześledzić rozwój napędu okrętów podwodnych po zakończeniu II wojny światowej.

BATERIE AKUMULATORÓW

Od czasu, gdy w 1883 roku inżynier Stefan Drzewiecki zainstalował na

okręcie podwodnym silnik elektryczny, a także baterie akumulatorów do jego zasi-

lania, układ ów stał się na bardzo długi czas kanonem na jednostkach tej klasy.

Praktycznie stosowany jest po dzień dzisiejszy jako jeden z głównych rodzajów

napędu okrętów podwodnych, pomimo dość kłopotliwej eksploatacji. Zastosowanie

napędu elektrycznego wiąże się z koniecznością okresowego wynurzania okrętu

podwodnego na powierzchnię lub na głębokość peryskopową i stanięcia na chrapy 2

w celu uzupełnienia zapasów energetycznych. Zastosowanie napędu elektrycznego

znacznie ogranicza również podwodną prędkość okrętu, a zasięg zmniejsza się wraz

ze zwiększaniem prędkości. Nawet obecnie przy prędkości „cała naprzód” pobór

prądu z baterii jest tak duży, że ogranicza poruszanie się okrętu jedynie do czasu

niewiele dłuższego od 1 godziny, a w niektórych typach okrętów znacznie poniżej

tej wartości.

Od końca XIX wieku baterie akumulatorów przeszły wiele udoskonaleń, ale

w dalszym ciągu podstawowym typem ogniw elektrycznych na okrętach podwod-

nych jest w zasadzie kwasowa bateria ołowiowa. Charakteryzuje się ona dużą trwa-

łością oraz stosunkowo niewielkimi kosztami produkcji i eksploatacji w porównaniu

z innymi typami akumulatorów. Tego typu baterie mają również szereg wad. Przede

wszystkim charakteryzują się dużą masą oraz są kłopotliwe w eksploatacji. Podczas

ich ładowania wydziela się duża ilość ciepła oraz wodoru, co wymusza konieczność

ciągłej i efektywnej wentylacji jam bateryjnych oraz przedziałów, w których bateria

jest zamontowana. Bardzo niebezpieczne jest również zalanie baterii wodą morską,

gdyż powoduje to powstawanie trującego chloru. Ponadto zwiększenie stężenia

2 Określenie to oznacza takie wyważenie okrętu podwodnego na głębokości peryskopo-

wej, aby przez wysunięty ponad powierzchnię morza szyb ssania chrap dostarczyć do wnętrza

okrętu powietrze atmosferyczne.

Zeszyty Naukowe AMW

Ewolucja napędu okrętów podwodnych od połowy XX wieku

zawartości wodoru powyżej 3,8% 3 w powietrzu może skończyć się samozapłonem

i wybuchem, co niejednokrotnie miało już miejsce na okrętach podwodnych,

w tym również polskich 4 .

Obecnie prowadzone są badania w celu przygotowania dla okrętów pod-

wodnych innych typów baterii niż ołowiowa. Większą sprawność od ołowiowych

mają wysokotemperaturowe baterie sodowo-siarkowe, sodowo-niklowo-siarkowe

oraz litowo-jonowe. Planowano nawet montaż baterii sodowo-siarkowych na nie-

mieckich okrętach podwodnych typu 212A, jednak ostatecznie zrezygnowano z tego

projektu na rzecz dotychczas stosowanych. Niebagatelne znaczenie w podjęciu tej

decyzji miały zagadnienia finansowe, a także udoskonalenia poczynione w bateriach

ołowiowych. Między innymi firma „Varta AG” (jeden z ważniejszych producentów

ogniw akumulatorów dla okrętów podwodnych) rozpoczęła produkcję ogniw dwu-

poziomowych 5 , poprawiając tym nie tylko sprawność baterii akumulatorów, ale

również bezpieczeństwo eksploatacji, gdyż w tym układzie rzadziej występują

zwarcia między płytami, zwłaszcza po dłuższym czasie eksploatacji baterii. Przekrój

takiego typu ogniwa przedstawiono na poniższym rysunku.

Rys. 1. Przekrój dwupoziomowego ogniwa baterii akumulatorów

dla okrętów podwodnych

Źródło: http://www.naval-technology.com/contractors/electrical/enersys/, 23.03.2005.

3 Opis techniczny baterii akumulatorów dla ORP „Dzik”, Varta AG, 1994, s. 2.

4 2 grudnia 1964 roku na ORP „Sęp” wydzielający się wodór spowodował eksplozję

baterii akumulatorów, powodując śmierć 7 członków załogi.

5 Bateria akumulatorów składająca się z ogniw dwupoziomowych zastosowana została

między innymi na polskim okręcie podwodnym ORP „Orzeł” w połowie lat 90.

3 (166) 2006

Sławomir Kuźmicki

ERA NAPĘDU JĄDROWEGO

Prawdziwa rewolucja związana z napędem okrętów podwodnych nastąpiła

po II wojnie światowej, gdy Stany Zjednoczone Ameryki Północnej (USA) zwodo-

wały i wprowadziły do służby w 1954 roku okręt podwodny USS „Nautilus”. Okręt

ten 17 stycznia 1955 roku rozpoczął swój pierwszy rejs, wykorzystując po raz

pierwszy w historii reakcję rozszczepienia atomu do napędu 6 .

Pojawienie się napędu atomowego (określanego także jako jądrowy lub nu-

klearny) stworzyło niewyobrażalne do tej pory dla konstruktorów oraz użytkowni-

ków możliwości wykorzystania okrętów podwodnych. Wyeliminowano całkowicie

konieczność okresowego wynurzania się na powierzchnię lub stawania okrętu na

chrapy celem ładowania baterii akumulatorów. Umożliwiło to osiąganie prędkości

podwodnej rzędu 35 – 40 węzłów. Zasięg pływania stał się teoretycznie nieograni-

czony, uzależniony tylko od kondycji psychicznej załogi oraz zapasów żywności.

Co jakiś czas odkrywano kolejne zalety tego rodzaju napędu. USS „Nauti-

lus” płynąc w położeniu podwodnym pod lodami Arktyki, 3 sierpnia 1958 roku

osiągnął Biegun Północny. Z kolei USS „Triton” odbył w położeniu podwodnym bez

wynurzenia rejs dookoła świata trasą przebytą wcześniej przez Magellana. Rejs trwał

60 dni i 21 godzin, a wynurzenie nastąpiło dopiero po 83 dniach i 10 godzinach 7 .

Podstawowym urządzeniem układu napędowego okrętu podwodnego z na-

pędem jądrowym (SSN) jest reaktor atomowy. Większość jednostek z takim napę-

dem wykorzystuje reaktory ciśnieniowo-wodne, które są stosunkowo najmniej

kłopotliwe w eksploatacji.

Sprężarka

Wytwornica

pary

Główna przepustnica pary

Turbina

główna Przekładnia

redukcyjna

Turbo

generator

Napędowy

silnik

elektryczny

Sprzęgło

Łożysko

Prądnica

REAKTOR

Osłona

reaktora

Bateria

akumulatorów

Główna pompa

chłodzenia

Pompa

Silnik skraplacza

reaktora

Rys. 2. Schemat systemu ciśnieniowo-wodnego napędu jądrowego

Źródło: Federation of American Scientists,

http://www.fas.org/man/dod-101/sys/ship/eng/reactor.html, 21.03.2005

6 S. Sutowski, Okręty podwodne wczoraj i dziś , cz. II, AMW, Gdynia 1997/2000, s. 235.

7 Tamże, s. 108.

Zeszyty Naukowe AMW

Ewolucja napędu okrętów podwodnych od połowy XX wieku

Podczas reakcji jądrowej zachodzącej w takim reaktorze wyzwalana jest

bardzo duża ilość energii cieplnej, która poprzez wodę pierwotnego obiegu chłodzą-

cą reaktor przekazywana jest do wytwornicy pary. W obiegu pierwotnym woda

chłodząca utrzymywana jest pod wysokim ciśnieniem, co nie dopuszcza do jej

wrzenia oraz przemiany w parę. Ciśnienie jest uzyskiwane, utrzymywane i regulo-

wane elektrycznie przez spirale grzewcze regulatora ciśnienia obiegu pierwotnego.

Para powstaje z wody wtórnego obiegu dopiero w wytwornicy pary i przewodami

przedostaje się do turbiny parowej, powodując jej pracę, a ta poprzez przekładnie

i linie wałów obraca śrubę okrętową. Para z turbiny po kondensacji w skraplaczu

powraca do wytwornicy pary w postaci płynnej.

O popularności tego rodzaju napędu niech świadczy fakt, że państwa takie

jak USA, Wielka Brytania i Francja całkowicie zrezygnowały z eksploatacji jedno-

stek z napędem klasycznym, pozostawiając na wyposażeniu flot jedynie atomowe

okręty podwodne.

Pomimo bezsprzecznych zalet istnieje również szereg wad napędu atomo-

wego. Jedną z nich są niezmiernie wysokie koszty związane zarówno z budową, jak

i eksploatacją atomowych okrętów podwodnych. Stwarza to sytuację, w której tylko

nieliczne państwa stać na utrzymanie tej klasy okrętów. Na dzień dzisiejszy spośród

czterdziestu sześciu krajów mających okręty podwodne okręty atomowe znajdują się

na uzbrojeniu takich państw, jak: Chiny, Francja, Rosja, USA, Wielka Brytania, co

stanowi około jedną trzecią ogólnej liczby okrętów podwodnych. Marynarka wojen-

na Indii przewiduje zwodowanie okrętu podwodnego z napędem atomowym na

przełomie lat 2006/2007 8 .

Kolejne istotne znaczenie ma ochrona załogi przed promieniowaniem reak-

tora. Ochrona taka wykonana jest najczęściej w postaci płaszcza z ołowiu lub betonu

otaczającego ze wszystkich stron reaktor, który nie pozwala na przedostanie się

szkodliwych czynników poza chronione pomieszczenie. Materiały, z jakich wyko-

nuje się taką osłonę, powodują znaczne zwiększenie masy okrętu, co ogranicza moż-

liwość zamontowania tego rodzaju napędu na jednostkach o mniejszej wyporności.

Istotną wadą takiego napędu jest konieczność chłodzenia reaktora. Wymu-

sza to pracę pomp układu chłodzenia, które są stosunkowo hałaśliwe, co powoduje,

że taki okręt w porównaniu z okrętem podwodnym wykorzystującym napęd elek-

tryczny jest głośniejszy.

Niebagatelne znaczenie mają też problemy związane z ochroną środowiska

naturalnego. Utylizacja zużytych materiałów rozszczepialnych z reaktorów jądro-

wych wymaga specjalnych technologii i urządzeń, a co za tym idzie, jest bardzo

kosztowna.

8 Jane’s Underwater Warfare Systems 2004 – 20 05, Jane’s Information Group UK, p. 16.

3 (166) 2006

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: