Γαλλικά υποβρύχια Scorpene Evolved – Το νέας γενιάς γαλλικό AIP – Ανάλυση των νέων τεχνολογιών πρόωσης που προσφέρει η Naval Group

Αναστάσιος Παπανδρέου

Τα S-80 Scorpène προσφέρονται σε τρεις εκδόσεις, την αρχική CM-2000 που είναι η συμβατική diesel-electric έκδοση του υποβρυχίου, την ΑΜ-2000 που είναι η έκδοση ΑΙΡ και την CA-2000 που είναι μια diesel-electric έκδοση μικρότερου εκτοπίσματος και δυνατοτήτων για παράκτια ύδατα. Μέχρι σήμερα έχουν παραδοθεί ή είναι υπό κατασκευή 14 μονάδες για τέσσερα ναυτικά.

Η αρχή έγινε τη δεκαετία του 2000 με δύο υποβρύχια για το ναυτικό της Χιλής και δύο για το ναυτικό της Μαλαισίας που κατασκευάστηκαν από κοινού μεταξύ των δύο εταίρων. Μετά την αποχώρηση της Navantia από τη συνεργασία η Naval Group έχει επιτύχει πωλήσεις για τέσσερα υποβρύχια στο ναυτικό της Βραζιλίας και έξι στο ινδικό ναυτικό τα οποία κατασκευάζονται όλα τοπικά. Παράλληλα η Navantia χτίζει τέσσερα υποβρύχια S-80Α, παράγωγα του γαλλικού S-80 Scorpène προσαρμοσμένα στις ισπανικές επιχειρησιακές απαιτήσεις.

Σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρία το Scorpène, είναι ιδανικό για δράση και έχει υψηλή λειτουργική αποτελεσματικότητα. Στιβαρό και ανθεκτικό, είναι ένα ωκεάνιο υποβρύχιο σχεδιασμένο και για επιχειρήσεις σε ρηχά νερά. Πολλαπλών χρήσεων, εκπληρώνει όλο το φάσμα των αποστολών, όπως Αντί-Επιφανειακό και Ανθυποβρυχιακό Πόλεμο, ειδικές επιχειρήσεις, επιθετική ναρκοθέτηση και συλλογή πληροφοριών.

Ο σχεδιασμός της γάστρας του Scorpène ακολουθεί γενεαλογικά την προτεινόμενη diesel-electric έκδοση του πυρηνικού επιθετικού υποβρύχιου κλάσης Amethyste. Η μορφή του κύτους έχει υδροδυναμικά αποδοτικό σχεδιασμό με εκτεταμένο παράλληλο μεσαίο τμήμα και στρογγυλεμένη πλώρη. Η πρύμνη είναι επιμήκης και χαρακτηρίζεται από τα πτερύγια διεύθυνσης σχήματος σταυρού που καταλήγουν σε μια επτάφυλη προπέλα χαμηλού θορύβου. Το υποβρύχιο έχει μήκος 66-82 μέτρα, διάμετρο ανθεκτικού σκάφους 6,2 μέτρα, ολικό ύψος 12,3 μέτρα, βύθισμα 5,8 μέτρα και εκτόπισμα σε κατάδυση 1600-2000 τόνους. Το κύτος του υποβρυχίου είναι κατασκευασμένο από χάλυβα αντοχής HLES 80 (ισοδύναμο του HY80) για βελτιστοποίηση του βάρους της γάστρας πίεσης σε σχέση με την αντοχή. Κατά συνέπεια το υποβρύχιο μπορεί να φέρει μεγαλύτερο φορτίο όπλων και καυσίμων επί του σκάφους σε σχέση με συμβατικά σχέδια. Περισσότερες αναλυτικές πληροφορίες μπορείτε να διαβασετε σε προηγούμενο άρθρο μας ΕΔΩ.

Ο γαλλικός ναυπηγικός κολοσσός Naval Group έχει προχωρήσει τα τελευταία χρόνια στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών για τα υποβρύχια συμβατικής πρόωσης Scorpene. Εκτός των νέας τεχνολογίας ηλεκτρονικών συστημάτων που εκ των πραγμάτων ενσωματώνονται σε νέα υπό κατασκευή υποβρύχια, η ανάπτυξη νέων συστημάτων πρόωσης αναβαθμίζουν εξίσου την ικανότητα εκτέλεσης των αποστολών ενός υποβρυχίου. Δηλαδή η επαύξηση των δυνατοτήτων ενός υποβρυχίου ως προς την επίτευξη μεγαλύτερης ταχύτητας, την επίτευξη μεγαλύτερης διάρκειας υποβρύχιας πλεύσης και την επίτευξη μεγαλύτερης εμβέλειας παίζουν εξίσου πολύ σημαντικό ρόλο στην ικανότητα ενός υποβρυχίου να φέρει σε πέρας μεγαλύτερο εύρος αποστολών.

Τα δύο νέας τεχνολογίας συστήματα πρόωσης τα οποία προσφέρει η Naval Group για τα δικής της σχεδίασης υποβρύχια συμβατικής πρόωσης είναι οι νέας τεχνολογίας μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li +ion, LIB) και το σύστημα αναερόβιας πρόωσης FC2G ΑΙΡ τύπου PEM (Proton Exchange Membrane).

Μπαταρίες Ιόντων Λιθίου

Όλα τα υποβρύχια συμβατικής πρόωσης μέχρι σήμερα φέρουν μπαταρίες μολύβδου-οξέος. Η πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία ήταν μια μπαταρία μολύβδου-οξέος, που εφευρέθηκε από τον Gaston Planté το 1859. Οι μπαταρίες μολύβδου έχουν μεγάλη δημοτικότητα λόγω του χαμηλού κόστους, της στιβαρότητας και της χαμηλής αυτοεκφόρτισης. Στον αντίποδα τα μειονεκτήματά τους είναι η χαμηλή ενεργειακή τους πυκνότητα και οι αρνητικές περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος αποτελούνται από μια άνοδο μετάλλου μολύβδου και μια κάθοδο διοξειδίου του μολύβδου. Ο ηλεκτρολύτης αποτελείται από θειικό οξύ. Καθώς η μπαταρία αποφορτίζεται, τα δύο ηλεκτρόδια αντιδρούν σε θειικό μόλυβδο και το θειικό οξύ αντιδρά σε νερό. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης απελευθερώνεται αέριο υδρογόνο και οξυγόνο λόγω της ηλεκτρόλυσης του νερού, το οποίο εξαερίζεται από τα ανοίγματα στο πάνω μέρος της μπαταρίας. Αυτό σημαίνει ότι οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος πρέπει να ξαναγεμίζονται, κάτι που απαιτεί τακτική συντήρηση. Για την αντιμετώπιση αυτού έχουν σχεδιαστεί νέου τύπου μπαταρίες μολύβδου-οξέος με ρυθμιζόμενη βαλβίδα (VRLA), όπου ο ηλεκτρολύτης αντικαθίσταται από ένα τζελ. Ωστόσο, αυτός ο τύπος μπαταρίας έχει σχεδιαστεί με χαμηλή πιθανότητα υπέρτασης για να αποτρέπει την παραγωγή αερίου κατά τη φόρτιση. Λόγω της διάβρωσης της καθόδου, μια μπαταρία μολύβδου-οξέος είναι ικανή για 200-300 κύκλους.

Η Naval Group σήμερα προσφέρει μια νέα έκδοση του υποβρυχίου, το Scorpene Evolved το οποίο είναι εξοπλισμένο με μπαταρίες νέας γενιάς ιόντων λιθίου. Το λίθιο είναι το ελαφρύτερο μέταλλο από όλα τα μέταλλα και έχει ένα από τα υψηλότερα ηλεκτρικά δυναμικά. Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, τα θετικά φορτισμένα ιόντα λιθίου (Li+) μετακινούνται από την άνοδο στην κάθοδο κατά την εκφόρτιση. Αυτά τα χαρακτηριστικά παρέχουν τη μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από άποψη όγκου και βάρους. Επίσης, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν χαμηλό βαθμό συντήρησης και δεν απαιτείται προγραμματισμένη κυκλική χρήση για να διατηρηθεί η επιθυμητή διάρκεια ζωής τους. Η αυτοεκφόρτιση είναι λιγότερο από 50% σε σύγκριση με τις μπαταρίες νικελίου-καδμίου. Η γήρανση συμβαίνει στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, με αποτέλεσμα την επιδείνωση της χωρητικότητας της μπαταρίας.

Γενικά, ένα πολύ μεγάλο μειονέκτημα μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι η πιθανότητα θερμικής διαφυγής. Αυτή η διαδικασία μπορεί να συμβεί όταν πυροδοτούνται εξώθερμες χημικές αντιδράσεις λόγω φυσικής ή ηλεκτρικής κατάχρησης, όπως βραχυκύκλωμα, εξωτερική θέρμανση ή υπερβολική (απο)φόρτιση. Τα αποτελέσματα μιας θερμικής διαφυγής είναι υψηλές θερμοκρασίες, σχηματισμός τοξικών αερίων και ο κίνδυνος έκρηξης και πυρκαγιάς.

Τα βασικά πλεονεκτήματα των μπαταριών αυτών σε σύγκριση με τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι:

1. Μικρότερο Βάρος
2. Μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα που αποδίδει μεγαλύτερη αποθήκευση ενέργειας στον ίδιο όγκο.
3. Πολύ μικρό χρόνο φόρτισης
4. Περισσότερους κύκλους φόρτισης
5. Σχεδόν μηδενική ανάγκη συντήρησης
6. Μεγαλύτερο χρόνο ζωής κατά περίπου 40%

Όσον αφορά την αποστολή ενός υποβρυχίου αυτό μεταφράζεται σε μεγαλύτερη αυτονομία σε υποβρύχια πλεύση με χρήση μπαταριών. Μικρότερο χρόνο έκθεσης του υποβρυχίου κατά τη διάρκεια φόρτισης της μπαταρίας με την χρήση του πετρελαιοκινητήρα τόσο όσον αφορά το χρόνο φόρτισης όσο και λόγω του μικρότερου αριθμού φορτίσεων.

Σύμφωνα με την Naval Group το νέο Scorpene Evolved με τις μπαταρίες λιθίου θα μπορεί να παραμείνει στη θάλασσα για 80 ημέρες από τις οποίες οι 78 κάτω από την επιφάνεια ή να έχει εμβέλεια άνω των 8000 ν.μ. Οι νέες μπαταρίες δίνουν στο υποβρύχιο δυνατότητες πλεύσης αντίστοιχες υποβρυχίων με σύστημα ΑΙΡ, χωρίς όμως το κόστος και τη δυσκολία λειτουργίας και συντήρησης ενός συστήματος ΑΙΡ.

FC2G ΑΙΡ (Fuel Cells 2nd Generation Air Independent Propulsion)

Το δεύτερο σύστημα πρόωσης νέας τεχνολογίας που προσφέρει η Naval Group για τα υποβρύχια, είναι ένα δεύτερης γενιάς σύστημα αναερόβιας πρόωσης FC2G το οποίο στηρίζεται στην τεχνολογία Fuel Cells PEM (μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων). Τα συστήματα αυτά παράγουν ρεύμα και νερό κατά την ένωση ατόμων υδρογόνου H2 και οξυγόνου Ο2 τα οποία περνούν μέσα από ειδικές μεμβράνες του συστήματος Fuel Cell. Το ρεύμα χρησιμοποιείται για την κίνηση του ηλεκτροκινητήρα ενώ το νερό αποβάλλεται από το υποβρύχιο. Η ιδιαιτερότητα του συγκεκριμένου συστήματος σε σχέση με τα υπάρχοντα, είναι ότι το υδρογόνο δεν είναι αποθηκευμένο σε ειδική δεξαμενή μέσα στο υποβρύχιο, αλλά μέσω μιας σειράς διεργασιών εξάγεται το υδρογόνο που χρειάζεται από το καύσιμο diesel που έχει στις δεξαμενές του το υποβρύχιο. Με αυτόν τον τρόπο το νέο σύστημα γλυτώνει βάρος και χώρο μέσα στο υποβρύχιο αλλά και απαλείφει το κόστος αγοράς υψηλής καθαρότητας υδρογόνου 99% που χρειάζεται το σύστημα Fuel Cells για να λειτουργήσει.

Όπως φαίνεται και στις παρακάτω φωτογραφίες, το σύστημα αυτό δουλεύει ως εξής:

Το καύσιμο diesel περνάει πρώτα από τον αναμορφωτή (reformer) όπου με τη βοήθεια υψηλής θερμοκρασίας, πίεσης και διοχέτευσης οξυγόνου και ατμού το καύσιμο μετατρέπεται σε αέριο (atomization) έτσι ώστε να είναι δυνατή στη συνέχεια η απαγωγή των στοιχείων που απαρτίζουν τη δομή ενός καυσίμου diesel.

Το προϊόν που προκύπτει από την πρώτη διεργασία είναι ένα συνθετικό αέριο πλούσιο σε υδρογόνο το οποίο περιέχει επίσης διοξείδιο του άνθρακα, μονοξείδιο του άνθρακα και ατμό, το οποίο διέρχεται στη συνέχεια μέσω ενός αντιδραστήρα «μετατόπισης ατμού» όπου γίνεται η μετατροπή του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο και αυξάνεται η συγκέντρωση του υδρογόνου στο αέριο. Στη συνέχεια περνάει μέσω μεμβρανών καθαρισμού όπου συγκρατούνται το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό, για να δώσει καθαρό υδρογόνο έτοιμο να χρησιμοποιηθεί στις κυψέλες καυσίμου. Το υδρογόνο αποθηκεύεται σε αεριζόμενο κλειστό χώρο που έχει σχεδιαστεί για να διασφαλίζει ότι οποιαδήποτε διαρροή μπορεί να ελεγχθεί με ασφάλεια. Στις κυψέλες καυσίμου το υδρογόνο ενώνεται με το οξυγόνο που είναι αποθηκευμένο σε χαμηλή θερμοκρασία ως υγρό στη δεξαμενή LOX το οποίο πριν έχει αναμιχθεί με άζωτο αποδίδοντας έναν «συνθετικό αέρα», με αποτέλεσμα ένα μείγμα που είναι πολύ λιγότερο αντιδραστικό από το καθαρό οξυγόνο.

Διαγραμματική απεικόνιση του συστήματος FC2G

Η διαδικασία οδηγεί επίσης σε ένα υπολειμματικό αέριο που τροφοδοτείται σε έναν καταλυτικό καυστήρα για να θερμάνει ολόκληρο το σύστημα και να προθερμάνει τα αντιδραστήρια. Παρά το γεγονός ότι το τελικό υπολειμματικό αέριο είναι διαφορετικό από αυτό που παράγεται από ένα σύστημα Mesma AIP, η ομάδα της DCNS μπόρεσε να αξιοποιήσει κομμάτια του τμήματος του συστήματος Mesma για να διαλύσει γρήγορα αυτά τα απαέρια στο θαλασσινό νερό. «Το πρόγραμμα Mesma περιλάμβανε μια σημαντική προσπάθεια για τη διάλυση των καυσαερίων κοντά στο κύτος χωρίς να διακυβεύεται η ακουστική, οπτική ή θερμική υπογραφή του υποβρυχίου.

Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα του συστήματος FC-2G της Naval Group είναι ο αρθρωτός σχεδιασμός του. Πιο συγκεκριμένα, αυτό σημαίνει ότι όπως και ο προκάτοχός του, το σύστημα είναι συσκευασμένο ως ενιαίο τμήμα κύτους, γνωστό και ως μονάδα. Αυτό το τμήμα μήκους 10 μέτρων μπορεί να προσαρμοστεί σε οποιοδήποτε SSK με διάμετρο κύτους τουλάχιστον 6 μέτρα, συμπεριλαμβανομένης, φυσικά, της οικογένειας Scorpene. Το μισό τμήμα της γάστρας καταλαμβάνεται από τη δεξαμενή οξυγόνου. Η μονάδα FC-2G μπορεί να ενσωματωθεί σε υποβρύχια νέας κατασκευής ή ως μέρος μετασκευής. Το σύστημα FC-2G είναι εξίσου συμβατό τόσο με μπαταρίες νέας γενιάς όσο και με συμβατικούς τύπους μολύβδου-οξέος.

ΠΗΓΗ https://defencereview.gr