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 בעירה 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 להישאר 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 את הצוללת Pochtovy, בעלת מנוע בנזין, תוך שימוש באוויר דחוס ופליטת גזי השרפה 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 מאוד 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 השרפה הממוחזרים מן המנוע. בהתנעה הראשונית כאשר עדיין אין גזי שרפה, 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 השרפה 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 לאחסן 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 ושרפה. 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. שרפה זאת שמתבצעת בלחץ מאפשרת לפלוט את גזי השרפה (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
שמאל|ממוזער|250px|מנוע סטרלינג
שמאל|ממוזער|250px|דיאגרמה של תא דלק PEM

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 וואט (75kW) 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.

תאי דלק

חברת סימנס מגרמניה פיתחה תא דלק בעל הספק של 30–50 קילווט. תשע יחידות כאלה מותקנות בצוללת U-31 מתוצרת מספנות HDW שבקיל. הצוללת היא הראשונה מדגם 212A של הצי הגרמני בעלת הדחק של 1,830 טון. צוללות נוספות מדגם זה, וצוללות ליצוא נוספות של מספנת HDV, (דגמי mod-209, ודגמי 212 ו-214), מצוידות בשתי יחידות המספקות 120 קילווט כל אחת.

כל תאי הדלק שמותקנים בצוללות מתוצרת גרמניה, הם מטיפוס PEM, ופותחו בחברת סימנס (Siemens).

אנרגיה גרעינית
כורים גרעיניים להנעת צוללות נמצאים בשימוש מאז שנות ה-50 של המאה ה-20. 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 גם כאשר מדובר רק על שיפור 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.

דגמי צוללות קונבנציונליות המצוידות ב-AIP

דגמי צוללות בהן הותקנו עד שנת 2010 מערכות AIP:
 תכנון  דגם  הדחק (טון)  המשתמש  סוג AIP צרפתי-ספרדי סקורפין  1,700 צרפת וספרד טורבינת קיטור ספרדי  S-80  2,400  ספרד  טורבינת קיטור גרמני  דגם 209  1,810  גרמניה  תאי דלק גרמני דגם 212  1,830 גרמניה ואיטליה תאי דלק גרמני דגם 214  1,980  ציים שונים תאי דלק רוסי  לָדָה - Лада  2,700  רוסיה  תאי דלק רוסי  אָמוּר - Amyp 950  רוסיה  תאי דלק יפני  אסשיו - Harushio 2,750  יפן  מנוע סטרלינג יפני  סוריו - Sōryū  4,200 יפן  מנוע סטרלינג שוודי  גוטלנד - Gotland 1,450  שוודיה מנוע סטרלינג שוודי  זודרמנלנד - Södermanland 1,500  שוודיה  מנוע סטרלינג סינגפורי  ארצ'ר - Archer 1,180  סינגפור  מנוע סטרלינג סיני  041  ???  סין  מנוע סטרלינגגרמנידולפין AIP2,400ישראלתאי דלק

קישורים חיצוניים
 אדווארד ס. ויטמן, Air–Independent Propulsion, מתוך "Undersea Warfare" - כתב העת הרשמי של שייטת הצוללות האמריקאית, סתיו 2001, באתר הצי האמריקני
 דון וולש, The AIP Alternative, מתוך כתב העת האמריקאי Sea&Power
 MESMA AIP Propulsion, פרסום MESMA על AIP

הערות שוליים

קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
קטגוריה:צוללות
קטגוריה:הנעה (טכנולוגיה)