Кіріспе
Атмосфералық оттегіні пайдаланбастан жұмыс істейтін су асты кемелерінің қозғалтқыш жүйесі. Ауадан тәуелсіз қозғалтқыш (АТҚ) немесе ауадан тәуелсіз қуат – ядролық емес су асты кемелерінің атмосфералық оттегіге қарамастан жұмыс істеуге мүмкіндік беретін теңіз қозғалтқыш технологиясы (үстіңгі бетке шығу арқылы немесе шнорхельді пайдалану арқылы). АТҚ ядролық емес кемелердегі дизель-электрлік қозғалтқыш жүйесін толықтыруы немесе алмастыруы мүмкін. Қазіргі заманғы ядролық емес су асты кемелері ядролық су асты кемелеріне қарағанда жасырын болу мүмкіндігіне ие; кейбір заманауи су асты реакторлары табиғи айналымға негізделгенімен, көптеген теңіз ядролық реакторлары реактор салқындатқышын үздіксіз айналдыру үшін сорғыларды қолданады, бұл қандай да бір деңгейде анықталатын шу тудырады. Ал батареялық қуатпен немесе АТҚ-мен жұмыс істейтін ядролық емес су асты кемелері дерлік дыбыссыз болуы мүмкін. Ядролық қуатпен қамтылған жобалар әлі де су астында қалу уақыты, жылдамдық, қашықтық және терең теңіздегі өнімділік тұрғысынан басымдыққа ие болғанымен, кішкентай, жоғары технологиялық ядролық емес шабуылдық су асты кемелері жағалау аймағындағы операцияларда өте тиімді болуы мүмкін және аз жасырындығы мен маневрлену қабілеті бар ядролық су асты кемелеріне елеулі қауіп төндіреді. АТҚ әдетте қосымша қуат көзі ретінде жүзеге асырылады, ал дәстүрлі дизельдік қозғалтқыш су бетінде қозғалу үшін қолданылады. Мұндай жүйелердің көпшілігі электр энергиясын өндіреді, ол өз кезегінде қозғалтқыш электр қозғалтқышын қозғалтады немесе су асты кемесінің батареяларын зарядтайды. Су асты кемесінің электр жүйесі сондай-ақ «тұрмыстық жағдайды қамтамасыз ету» үшін де қолданылады – желдету, жарықтандыру, жылыту және т.б. үшін, бірақ бұл қозғалтқышқа қажетті қуатпен салыстырғанда аз қуатты тұтынады. АТҚ қолданыстағы су асты кемелерінің корпусына қосымша секция орнату арқылы қайта жабдықталуы мүмкін. АТҚ әдетте атмосфералық оттегіге тәуелді қозғалтқышты алмастыратын төзімділік немесе қуатты ұсынбайды, бірақ дәстүрлі қозғалтқышпен жабдықталған су асты кемесіне қарағанда су астында ұзаққа тозуға мүмкіндік береді. Типикалық дәстүрлі электр станциясы 3 мегаватт қуат береді, ал АТҚ көзі оның шамамен 10% құрайды. Ядролық су асты кемесінің қозғалтқыш қуаты көбінесе 20 мегаваттан асады. АҚШ Әскери-теңіз күштері АТҚ-мен жабдықталған су асты кемелерді белгілеу үшін «SSP» корпустық жіктеу белгісін пайдаланады, ал классикалық дизель-электрлік шабуылдық су асты кемелері үшін «SSK» белгісі сақталады.
Air independent propulsion (AIP), or air independent power, is any marine propulsion technology that allows a non nuclear submarine to operate without access to atmospheric oxygen (by surfacing or using a snorkel). AIP can augment or replace the diesel electric propulsion system of non nuclear vessels. Modern non nuclear submarines are potentially stealthier than nuclear submarines; although some modern submarine reactors are designed to rely on natural circulation, most naval nuclear reactors use pumps to constantly circulate the reactor coolant, generating some amount of detectable noise. Non nuclear submarines running on battery power or AIP, on the other hand, can be virtually silent. While nuclear powered designs still dominate in submergence times, speed, range and deep ocean performance; small, high tech non nuclear attack submarines can be highly effective in coastal operations and pose a significant threat to less stealthy and less maneuverable nuclear submarines. AIP is usually implemented as an auxiliary source, with the traditional diesel engine handling surface propulsion. Most such systems generate electricity, which in turn drives an electric motor for propulsion or recharges the boat's batteries. The submarine's electrical system is also used for providing "hotel services"—ventilation, lighting, heating etc.—although this consumes a small amount of power compared to that required for propulsion. AIP can be retrofitted into existing submarine hulls by inserting an additional hull section. AIP does not typically provide the endurance or power to replace atmospheric dependent propulsion, but allows for longer underwater endurance than a conventionally propelled submarine. A typical conventional power plant provides 3 megawatts maximum, and an AIP source around 10% of that. A nuclear submarine's propulsion plant is usually much greater than 20 megawatts. The United States Navy uses the hull classification symbol "SSP" to designate boats powered by AIP, while retaining "SSK" for classic diesel electric attack submarines.
Тарих
Су асты кемелерін жасау процесінде су астында қанағаттанарлық қозғалтқыш түрлерін табу мәселесі үнемі туып келген. Ең алғашқы су асты кемелері қолмен айналдырылатын пернелермен жабдықталған, олар ішіндегі ауаны тез жұмсап жіберді; осы кемелер көп уақытын бетте ашық люктермен өткізуге немесе тыныс алу құбырын пайдалануға мәжбүр болды, екеуі де қауіпті және көптеген ерте оқиғаларға себеп болды. Кейін механикалық жетегі бар кемелерде қысылған ауа, бу немесе электр энергиясы қолданылды, оларды жағалаудан немесе кемедегі аэробтық қозғалтқыштан қайта зарядтау қажет болды. 1867 жылы испан инженері Нарсисо Монтуриол химиялық түрде жұмыс істейтін, оттегізсіз немесе ауадан тәуелсіз бу қозғалтқышын сәтті жасағанда, отынды оттегізсіз жағуға жасалған алғашқы әрекет болды. 1908 жылы Ресей империясының әскери-теңіз флоты "Почтовый" су асты кемесін іске қосты, ол қысылған ауамен жұмыс істейтін бензин қозғалтқышын пайдаланды және су астында газды шығарып тастады. Ашық цикл жүйесіне энергия беретін отынды пайдалану және жабық циклдегі аэробтық қозғалтқышқа оттегі беру – осы екі тәсіл бүгінгі AIP-тің ерекшелігі болып табылады.
Түрлері
Ауадан тәуелсіз қозғалтқыш (ядролық емес) түрлі формада болуы мүмкін. Қазіргі уақытта қолданыстағы барлық AIP суасты кемелеріне AIP үшін оттегі қажет, ол көбінесе сұйық (LOX) түрінде сақталады. AIP суасты кемесінің қашықтығы негізінен тасымалдай алатын LOX мөлшерімен шектеледі. Экскалибур мен Эксплорердің танымалдығы одан да жақсы болған жоқ; кемелер Excruciater және Exploder деп аталды. КСРО да осы технологиямен тәжірибе жасады және Уолтер қозғалтқышында сутек пероксидін пайдаланған бір тәжірибелік кеме салынды. АҚШ-қа да XVII типті кеме, U 1406 келді және екі AIP суасты кемесі жобасын бастады. SCB 66 жобасы 1955 жылдың қыркүйегінде іске қосылған эксперименталды кішкентай суасты кемесі X 1-ді жасады. Ол бастапқыда сутек пероксиді/дизельді қозғалтқыш және аккумуляторлық жүйемен жұмыс істеді, 1957 жылдың 20 мамырында сутек пероксиді қоры жарылғанша. Кейін X1 дизельді-электрлікке түрлендірілді. АҚШ Әскери-теңіз күштерінің екінші жобасы 1950 жылы SCB 67 (кейін SCB 67A) бойынша толық өлшемді AIP суасты кемесі болды. SSX деп аталған бұл суасты кемесі үш түрлі қозғалтқыш құрылғысының бірімен жабдықталуы керек еді: Уолтер ашық циклді сутек пероксиді орнатылымы (Алтон деп аталды), сұйық оттегі бу орнатылымы (Эллис) және AIP газ турбинасы (Вулверин). 1951 жылдың соңына қарай Әскери-теңіз күштері бәсекелес ядролық жобалар қорғаныс қабырғаларының арқасында ауыррақ болғанымен, үш AIP орнатылымынан гөрі ықшам екенін түсінді: SSX SSN-ден шамамен 40 футқа ұзын болар еді. SSN қазіргі AIP технологиясына қарағанда тыныш және аз күрделі болуы мүмкін. 1952 жылға қарай ядролық реакторлардың дамуы соншалықты алға басты, SSX суасты кемесінің уақытша қажеттілік емес сияқты көрінді. Жоба 1953 жылдың 26 қазанында тоқтатылды. Сол кездегі технологиямен тәжірибе жасаған КСРО мен Ұлыбритания да АҚШ суасты кемелерін қозғалтуға жеткілікті кішкентай ядролық реакторды жасағаннан кейін одан бас тартты. Кейін Германия мен Швеция сияқты басқа елдер AIP-ті қайта әзірлеуді бастады. Ол британдықтар мен кеңестік одақтарда торпедаларды жылжыту үшін сақталды, бірақ трагедиядан кейін біріншісі одан тез бас тартты. Бұл да, орыс суасты кемесі Курсктың жоғалуы да сутек пероксидімен қозғалған торпедаларға байланысты болған апаттардың салдары болды.
Жабық циклді дизельді қозғалтқыштар
Бұл технология су асты дизельді қозғалтқышын пайдаланады, оны әдетте су бетінде жұмыс істеуге болады, бірақ су астында жүзген кезде, әдетте сұйық оттегі түрінде сақталатын тотықтырғышпен жабдықтауға болады. Қозғалтқыш металлы таза оттегіде жануы мүмкін болғандықтан, оттегі көбінесе қайта өңделген түтін газымен араластырылады. Аргон қозғалтқыш іске қосылғанда түтін газын ығыстырады. 1930 жылдардың соңында Кеңес Одағы жабық циклді қозғалтқыштармен тәжірибе жасады және REDO жүйесін қолдана отырып, бірнеше шағын M класты кемелер салынды, бірақ 1941 жылғы неміс шабуылына дейін ешқайсысы аяқталмады. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде неміс Kriegsmarine Вальтер пероксид жүйесіне балама ретінде мұндай жүйені сынады, олардың XVII типті U қайығының және XXVIIB типті Seehund кішкентай су асты қайығының XVIIK және XXVIIK типтеріндегі нұсқаларын жасады, бірақ соғыс аяқталғанға дейін ешқайсысы аяқталмады. Соғыстан кейін КСРО 650 тонналық шағын су асты кемесін жасады, оның отызы 1953 және 1956 жылдар аралығында салынды. Олардың құрамында үш дизельді қозғалтқыш болды – екеуі стандартты, ал біреуі сұйық оттегі қолданатын жабық циклді болды. КСРО жүйесінде, "бірден қозғалтатын жүйе" деп аталатын, оттегі әуе-сору газдары әк негізіндегі химиялық сорғыштан өткезілгеннен кейін қосылды. Су асты кемесі дизелін шноркель арқылы да іске қоса алатын. "Квебек" үш жетек білігіне ие болды: ортаңғы білікте 32D дизелі және сыртқы біліктерде екі M 50P дизелі. Сонымен қатар, орталық білікке "баяу жылдамдық" қозғалтқышы қосылды. Кеме тек ортаңғы дизельді қозғалтқышпен ғана баяу жылдамдықпен жүзе алатын. Сұйық оттекті шексіз сақтау мүмкін болмағандықтан, бұл кемелер базадан алыс қашыққа жүзе алмайтын. Бұл қауіпті болды; кем дегенде жеті су асты кемесі жарылысқа ұшырады, ал олардың бірі, советтік су асты кемесі М 256, жарылыс пен өрт салдарынан батты. Оларды кейде "сигарет тұтандырғыштар" деп атап кеткен. Бұл технологияны қолданған соңғы су асты кемесі 1970 жылдардың басында жойылды. Немец теңіз күштерінің бұрынғы 205 типті су асты кемесі U 1 (1967 жылы суға түсірілген) эксперименталдық құрылғымен жабдықталды.
Жабық циклді бу турбиналары
Француздық MESMA (Module d'Energie Sous Marin Autonome) жүйесін француздық DCNS кеме жасау зауыты ұсынады. MESMA Agosta 90B және s үшін қолжетімді. Бұл негізінен олардың ядролық қозғалтқыш жүйесінің өзгертілген нұсқасы, ал жылу этанол мен оттегінің жануынан пайда болады. Әдеттегі бу турбиналық электр станциясы 60 атмосфералық қысымда этанол мен сақталған оттекті жағу арқылы алынған бумен жұмыс істейді. Бұл қысымды жағу, ауадан шыққан көмірқышқыл газын кез келген тереңдікте, ауа компрессорысыз теңізге шығаруға мүмкіндік береді. Әрбір MESMA жүйесінің құны шамамен 50-60 миллион долларды құрайды. Scorpènes су асты кемелеріне орнатылғанда, ол су асты кемесіне 305 тонналық қосымша корпус бөлігін талап етеді және жылдамдық сияқты факторларға байланысты 21 күннен астам су астында жұмыс істей алатын су асты кемесін қамтамасыз етеді. Agosta 90B су асты кемесінде AIP жүйесі 16 күн су астында жұмыс істеуге мүмкіндік береді және оның қашықтығын арттырады. Undersea Warfare журналындағы мақалада былай делінген: "MESMA басқа баламаларға қарағанда жоғары қуатты қамтамасыз ете алғанымен, оның ішкі тиімділігі төрт AIP үміткерінің ең төменгісі, ал оттегі тұтыну деңгейі де сәйкесінше жоғары". Бұл су асты кемесі AIP арқылы 6500 теңіз милясына дейін қашықтыққа жете алады және 40 күнге дейін су астында қалуы мүмкін. Type 212 су асты кемесі 21 күн бойы су астында қалуы мүмкін; мұндай су асты кеме 2016 жылы тек AIP арқылы 1600 теңіз милялық сапар жасады. Қытай AIP су асты кемелері үшін отын элементтері қозғалтқыштарын зерттеп жатыр. Далянь химиялық физика институты 100 кВт және 1000 кВт отын элементтері қозғалтқыштарын жасады. "Ларсен & Тубро" және "Термакс" компанияларымен бірлесіп, Үндістанның қорғаныс ғылыми-зерттеу және даму ұйымының әскери-теңіз материалдарын зерттеу зертханасы s су асты кемелерін қуаттандыру үшін 270 киловатттық фосфор қышқылы отын жасушасын (PAFC) әзірледі, олар жобалық шешімдерге негіделген. "Калвари" класындағы барлық алты су асты кеме де алғашқы жаңарту кезінде AIP жүйесімен жабдықталады. Ол натрий борогидридінен алынған сутегі мен сақталған оттекті, электролит ретінде фосфор қышқылының қатысуымен әрекеттестіру арқылы электр энергиясын өндіреді. Португалия теңіз күштерінің су асты кемелері де отын жасушаларымен жабдықталған.
An article in Undersea Warfare Magazine notes that: "although MESMA can provide higher output power than the other alternatives, its inherent efficiency is the lowest of the four AIP candidates, and its rate of oxygen consumption is correspondingly higher." This submarine may have a range from AIP of 6500 nautical miles and can remain submerged for 40 days. The Type 212 can remain submerged for 21 days; one such submarine conducted a 1600 nautical mile journey solely on AIP in 2016. China has been researching fuel cell engines for AIP submarines. The Dalian Institute of Chemical Physics reportedly developed 100 kW and 1000 kW fuel cell engines. The Naval Materials Research Laboratory of Indian Defence Research and Development Organisation in collaboration with Larsen & Toubro and Thermax has developed a 270 kilowatt phosphoric acid fuel cell (PAFC) to power the s, which are based on the design. All six Kalvari class submarines will be retrofitted with AIP during their first upgrade. It produces electricity by reacting with hydrogen generated from sodium borohydride and stored oxygen with phosphoric acid acting as an electrolyte. The Portuguese Navy s are also equipped with fuel cells.
Ядролық энергия
Ауадан тәуелсіз қозғалтқыш әдетте дәстүрлі қозғалтқыштары бар су асты кемелерінің өнімділігін арттыру мақсатында қолданылатын термин. Дегенмен, қосымша қуат көзі ретінде ядролық энергия АИП техникалық анықтамасына сәйкес келеді. Мысалы, AECL "ядролық батарея" деп атаған 200 киловатттық реакторды қосалқы қуат ретінде пайдалану ұсынысы Канада су асты кемелерінің мұз астындағы мүмкіндіктерін жақсартуы мүмкін. Ядролық реакторлар 1950 жылдан бері су асты кемелерін қуаттандыру үшін қолданылып келеді. Мұндай алғашқы су асты кеме – 1954 жылы қолданысқа берілген USS Nautilus. Бүгінде Қытай, Франция, Үндістан, Ресей, Ұлыбритания және АҚШ ғана ядролық қуатпен жұмыс істейтін су асты кемелерді жасап, сәтті пайдаланған елдер болып табылады.