מערכות הנעה לצוללות ללא תלות באוויר חיצון

מערכות הנעה לצוללות ללא תלות באוויר חיצון או בשם הלועזי A.I.P) Air Independent Propulsion) הוא מונח המקיף את כל הטכנולוגיות המאפשרות לצוללת לנוע מתחת לפני המים, בלי הצורך לעלות על פניהם או להיעזר בשנורקל על מנת להשתמש באוויר לצורך הפעלת מנוע שריפה פנימית שיספק אנרגיה להפעלתן. המונח אינו כולל בדרך כלל צוללות גרעיניות כי בהן לא קיימת מלכתחילה תלות כלשהי באוויר החיצון לצורך הנעת הצוללת.
צי ארצות הברית משתמש בסימול SSP לסמן צוללות שמותקן בהן AIP, בזמן שצוללות סטנדרטיות דיזל-חשמל מסומנות SS בלבד.
בצוללות שבהן מותקנת מערכת AIP מותקנות גם מערכות ההנעה הרגילות (הנעת דיזל/חשמל), כיוון שתפקיד ה- AIP הוא רק להגדיל את הזמנים והטווחים בהם הצוללת מנותקת מן האוויר החיצון. בשאר מצבי ההפלגה השימוש הוא במערכות ההנעה הרגילות.

הרקע הרעיוני

כאשר צוללת נמצאת במצב של צלילה מלאה, דהיינו מנותקת מן האוויר החיצון, האנרגיה האצורה בה נמצאת במצברי חשמל, אשר מספקים את הכוח הדרוש להנעה ולשימושי המערכות השונות שלה. כמות האנרגיה מגבילה את פעילות הצוללת למשכי זמן קצובים לפי שגרות ההפעלה ומהירות התנועה. לאחר ניצול האנרגיה הזאת חייבת הצוללת לטעון מחדש את המצברים, פעילות המחייבת להעלות שנורקל ולהפעיל את מנועי הדיזל, או לחלופין- לצאת מצלילה ולעלות על פני המים, ובכל מקרה להיחשף לאפשרויות של התגלות. מטרת החיפושים אחרי אלטרנטיבות הנעה היא למצוא פתרונות אשר יאפשרו לצוללת להשאר בצלילה מלאה למשכי זמן ארוכים יותר ולהגדיל את טווח הפעולה שלה ללא חשיפה. מדינות שונות עסקו בפיתוח מערכות הנעה אלטרנטיביות בכיוונים שונים.

היסטוריה

בשנת 1867, הצליח נרסיס מונטוריול אי אסטריול (Narcís Monturiol i Estarriol) לפתח גרסה מוקדמת של מערכת הנעה אנאירובית (שאינה משתמשת באוויר). בשנת 1908, השיק הצי הרוסי הצארי את הצוללת Pochtovy בעלת מנוע בנזין, תוך שימוש באוויר דחוס ופליטת גזי השריפה אל תוך המים. בתקופת מלחמת העולם השנייה, עסקה חברה גרמנית בשם ולטר (Walter) בפיתוח ותכנון של צוללת שנקראה צוללת ולטר, המונעת בזמן צלילה בעזרת חמצן שהופק ממי חמצן מרוכזים. ההנעה הייתה באמצעות טורבינת קיטור. הקיטור נוצר משריפת סולר על ידי החמצן שהופרד ממי החמצן בעזרת אשלגן פרמנגנט ששימש כקטליזטור. נבנו מספר צוללות מסוג זה. אחת מהן, U-1407, אשר טובעה על ידי הגרמנים בסוף המלחמה, הוצפה מחדש ושופצה על ידי הצי הבריטי והוכנסה לשימוש בשם HMS Meteorite בצי הבריטי.
בשנות ה-50 המאוחרות, בנו הבריטים שני דגמים משופרים של צוללות המתבססות על הנעה באמצעות מי חמצן, HMS Explorer ו-HMS Excalibur וגם הצי הסובייטי ערך ניסויים בטכנולוגיה הזאת, ובנה צוללת ניסוי אחת.
הרעיון להשתמש במי-חמצן נזנח בגלל הסיכון ליצירת ריאקציה כימית חריפה בין מי החמצן ומתכות שונות, ובגלל העובדה שמי חמצן מרוכזים הם מאד לא יציבים. הטכנולוגיה ננטשה סופית כאשר נודע שהאמריקאים הצליחו לבנות כור גרעיני קטן המספיק להנעת צוללות. השימוש היחיד שנותר בטכנולוגיה הזאת היה במספר סוגי טורפדו בצי הבריטי והסובייטי, שהופסק גם הוא בעקבות האסון בצוללת HMS Sidon. האסון ב-HMS Sidon וגם בצוללת הרוסית קורסק נבע מתקלות בטורפדו המונעים באמצעות מנועי מי-חמצן.

מנוע דיזל במעגל סגור

טכנולוגיה זאת משתמשת במנוע דיזל של הצוללת, אשר פועל בצורה רגילה בהפלגה על פני המים, אבל יכול לפעול בצלילה על ידי אספקת חמצן, שמאוחסן בלחץ במצב נוזלי. מאחר שהמתכת במנוע עלולה להתאכל על ידי החמצן הנקי, הוא מדולל בדרך כלל בעזרת גזי השריפה הממוחזרים מן המנוע. בהתנעה הראשונית כאשר עדיין אין גזי שריפה, מדולל החמצן בעזרת גז ארגון.
בתקופת מלחמת העולם השנייה ערך הצי הגרמני ניסויים במערכת כזאת כאלטרנטיבה למערכת מי החמצן של ולטר, וגם בנה צוללת ננסית דגם XXVIIB בשם "כלב ים" (זה-הונד Seehund). המנוע שהותקן בה היה מנוע דיזל בעל הספק של 96 כוח סוס, אשר היה בשימוש רחב בצי הגרמני והיה זמין בכמויות גדולות. החמצן היה מאוחסן בשידרית הצוללת בכמות של 1,250 ליטר ובלחץ של 4 אטמוספירות. ההערכה הייתה שלצוללת תהיה מהירות תת-מימית של 12 קשרים ימיים וטווח של 70 מיילים ימיים. במהירות של 7 קשרים ההערכה הייתה שהטווח יגדל ל-150 מיילים.
לאחר המלחמה המשיכו הסובייטים בניסויים מן המקום שאליו הגיעו הגרמנים, והשקיעו מאמצים ותקציבים רבים בפיתוח הטכנולוגיה הזאת, כולל בניית צוללות מדגם Quebec בת 650 טון. בין השנים 1953 ו-1956 נבנו שלושים צוללות מדגם זה. בכל צוללת הותקנו שלושה מנועי דיזל, שניים רגילים, ואחד מנוע במחזור סגור המופעל באמצעות חמצן נוזלי.
במערכת ההנעה הסובייטית, שנקראה "מערכת הנעה יחידה", סופק החמצן למנוע באמצעות העברת גזי השריפה דרך מסנן מבוסס סיד, אשר ספח חלק מדו-תחמוצת הפחמן. הצוללת יכלה לנוע גם בצלילה תוך שימוש במנועי הדיזל הרגילים ואספקת אוויר דרך שנורקל. לצוללות Quebec היו שלושה מנועים שפעלו על שלושה צירים. על הציר המרכזי הותקן מנוע מטיפוס 32D בעל 900 כ"ס, ועל שני הצירים האחרים הותקנו מנועים מטיפוס M-50P בעלי 700 כ"ס כל אחד. בנוסף, הותקן על הציר המרכזי גם מנוע חשמלי ל"זחילה איטית" של הצוללת המיועד למצבים בהם דרוש שקט מרבי, הן להאזנה והן כדי למנוע גילוי.
מכיוון שלא ניתן לאכסן חמצן נוזלי לזמן ממושך, לא יכלו צוללות אלה להתרחק מבסיסן. זאת הייתה גם מערכת מסוכנת. לפחות שבע צוללות סבלו מתאונות ופיצוצים בהן, ואחת מהן, M256, אף טבעה כתוצאה מפיצוץ ושריפה. הן כונו בלעג "מציתי סיגריות". הצוללת האחרונה מדגם זה הוצאה מהשרות בשנות ה-70 המוקדמות.
הצי הגרמני התקין בצוללת שיצאה מן השרות U-01 מדגם 205 מנוע ניסיוני בעל 3,000 כ"ס.

טורבינת קיטור במעגל סגור

במערכת זו החום מופק מבעירת אתנול וחמצן. המדובר ביחידת כוח של טורבינת קיטור קונבנציונלית אשר מונעת בעזרת הקיטור המופק מתהליך של שריפת אתנול וחמצן נוזלי שמאוכסן בלחץ של 60 אטמוספירות. שריפה זאת שמתבצעת בלחץ מאפשרת לפלוט את גזי השריפה (דו-תחמוצת פחמן) למים בכל עומק ללא צורך בשימוש במדחס.
ההתקנה של מערכת מסוג זה כפי שהיא מתוכננת עבור דגמי אגוסטה (Agosta 90B), וסקורפן (Scorpène) הצרפתי, מאפשרת לפעול בצלילה רציפה במשך 21 ימים ויותר, כתלות במשתנים השונים כמו מהירות הפלגה ועוד.

מנועי סטרלינג

המספנה השוודית קוקומס (Kockums) שבמאלמה, בנתה שלוש צוללות מדגם גוטלנד (Gotland) עבור הצי השוודי, שבכל אחת מותקן מנוע סטרלינג כמנוע נוסף. מנוע זה, שצורך חמצן נוזלי וסולר מניע גנרטור בהספק של 75 קילו וולט-אמפר ( 75kVA) לצורך הנעה או טעינת מצברים. מערכת זו מאפשרת לצוללת במשקל 1,500 טון שהייה בצלילה למשך 14 יום ברציפות, במהירות של 5 קשרים ימיים.
מספנת קוקומס מספקת מנועי סטרלינג גם לצי הצוללות של יפן. כל הצוללות החדשות ביפן מצוידות במנועי עזר אלה. הצוללת הראשונה בדגם החדש, Sōryū, הושקה ב-5 בדצמבר ונמסרה לצי בחודש מרץ 2009.

אנרגיה גרעינית

כורים גרעיניים להנעת צוללות נמצאים בשמוש מזה כ-50 שנה. הראשונה שבהן הייתה הצוללת האמריקנית נאוטילוס (USS Nautilus). נכון לתחילת המאה ה-21, מופעלות צוללות המונעות באמצעות אנרגיה גרעינית על ידי ארצות הברית, בריטניה, צרפת, רוסיה, סין והודו. פרט להודו, כולן גם חברות קבועות במועצת הביטחון של האו"ם, והן המדינות היחידות שהצהירו כי ברשותן גם נשק גרעיני. הודו השלימה את בניית הגוף של צוללת גרעינית רק בשנת 2009, ובנייתה אמורה להסתיים תוך מספר שנים. קיים מידע כי גם בברזיל עוסקים במחקר בנושא הנעה גרעינית לצוללות. אולם, AIP הוא המונח המקובל בשימוש כאשר מדובר בשיפור ביצועי הנעה בצוללות קונבנציונליות.
הצעות לשלב כור גרעיני כמנוע עזר, אשר נכלל בקטגוריה של AIP הועלו בעבר. לדוגמה, הייתה הצעה לשלב כור קטן בהספק של 200 קילווט כמנוע עזר (המונח הנבחר היה "מצבר גרעיני"), כדי לשפר את ביצועי הצוללות הקנדיות בצלילות מתחת לקרח.