Luftunabhängiger Antrieb - Air-independent propulsion

Luftunabhängigen Antrieb ( AIP ) oder luftunabhängige Strom ist jede Schiffsantriebstechnologie , die ein nicht-nukleares ermöglicht submarine ohne Zugriff auf den Betrieb atmosphärischen Sauerstoff (durch Oberflächenbehandlung oder durch Verwendung eines Schnorchels ). AIP kann das dieselelektrische Antriebssystem von nichtnuklearen Schiffen ergänzen oder ersetzen .

Moderne nicht-nukleare U-Boote sind potentiell unauffälliger als nukleare U-Boote ; Obwohl einige moderne U-Boot-Reaktoren auf natürliche Zirkulation ausgelegt sind, verwenden die meisten Marine-Kernreaktoren Pumpen, um das Reaktorkühlmittel ständig umzuwälzen, wodurch ein gewisses Maß an nachweisbarem Geräusch erzeugt wird . Nicht-nukleare U-Boote, die mit Batteriestrom oder AIP betrieben werden, können dagegen praktisch geräuschlos sein. Während nuklearbetriebene Konstruktionen immer noch bei Eintauchzeiten, Geschwindigkeit, Reichweite und Tiefseeleistung dominieren, können kleine Hightech-U-Boote für nichtnukleare Angriffe bei Küstenoperationen sehr effektiv sein und eine erhebliche Bedrohung für weniger unauffällige und weniger manövrierfähige Schiffe darstellen Atom-U-Boote.

AIP wird normalerweise als Hilfsquelle implementiert, wobei der traditionelle Dieselmotor den Oberflächenantrieb übernimmt. Die meisten dieser Systeme erzeugen Strom, der wiederum einen Elektromotor zum Antrieb antreibt oder die Batterien des Bootes auflädt . Das elektrische System des U-Bootes wird auch für "Hoteldienste" verwendet - Belüftung, Beleuchtung, Heizung usw. -, obwohl dies im Vergleich zum Antrieb nur wenig Energie verbraucht.

AIP kann in bestehende U-Boot- Rümpfe nachgerüstet werden, indem ein zusätzliches Rumpfteil eingefügt wird. AIP bietet normalerweise nicht die Ausdauer oder Leistung , um atmosphärischen abhängigen Antrieb zu ersetzen, ermöglicht jedoch ein längeres Eintauchen als ein konventionell angetriebenes U-Boot. Ein typisches konventionelles Kraftwerk liefert maximal 3 Megawatt , eine AIP-Quelle etwa 10 % davon. Die Antriebsanlage eines Atom-U-Boots ist normalerweise viel größer als 20 Megawatt.

Die United States Navy verwendet das Rumpfklassifizierungssymbol "SSP", um von AIP angetriebene Boote zu bezeichnen, während "SSK" für klassische dieselelektrische Angriffs-U- Boote beibehalten wird .

Geschichte

Eine Nachbildung von Ictineo II , Monturiols bahnbrechendem U-Boot, in Barcelona.

Bei der Entwicklung des U-Bootes blieb das Problem bestehen, unter Wasser zufriedenstellende Antriebsformen zu finden. Die ersten U-Boote wurden mit Handkurbelpropellern betrieben, die die Luft im Inneren schnell verbrauchten; Diese Schiffe mussten sich die meiste Zeit mit geöffneten Luken an der Oberfläche bewegen oder eine Art Atemschlauch verwenden, was beides von Natur aus gefährlich war und zu einer Reihe von frühen Unfällen führte. Später verwendeten mechanisch angetriebene Schiffe Druckluft oder Dampf oder Elektrizität, die vom Land oder von einem an Bord befindlichen Aerobic-Motor aufgeladen werden musste.

Der früheste Versuch eines anaerob verbrennenden Brennstoffs war 1867, als der spanische Ingenieur Narciso Monturiol erfolgreich eine chemisch angetriebene anaerobe oder luftunabhängige Dampfmaschine entwickelte.

Im Jahr 1908 startete die Kaiserlich Russische Marine das U-Boot Pochtovy , das einen Benzinmotor verwendete, der mit Druckluft gespeist und unter Wasser ausgestoßen wurde.

Diese beiden Ansätze, die Verwendung eines Kraftstoffs, der ein offenes Kreislaufsystem mit Energie versorgt, und die Sauerstoffversorgung eines aeroben Motors in einem geschlossenen Kreislauf, charakterisieren heute AIP.

Typen

Offene Kreislaufsysteme

Das Mini-U-Boot X-1 ist in der Submarine Force Library and Museum in den Vereinigten Staaten ausgestellt

Während des Zweiten Weltkriegs experimentierte die deutsche Firma Walter mit U-Booten, die hoch getestetes (konzentriertes) Wasserstoffperoxid als Sauerstoffquelle unter Wasser verwendeten. Diese verwendeten Dampfturbinen , bei denen Dampf verwendet wurde , der durch Verbrennen von Dieselkraftstoff in der Dampf/Sauerstoff-Atmosphäre erhitzt wurde, die durch die Zersetzung von Wasserstoffperoxid durch einen Kaliumpermanganat- Katalysator erzeugt wurde .

Mehrere Versuchsboote wurden hergestellt, obwohl die Arbeit nicht zu brauchbaren Kampfschiffen reifte. Ein Nachteil war die Instabilität und Knappheit des betreffenden Brennstoffs. Ein weiterer Grund war, dass das System zwar hohe Unterwassergeschwindigkeiten erzeugte, aber mit Treibstoff extravagant war; das erste Boot, V-80 , benötigte 28 Tonnen Treibstoff, um 50 Seemeilen (93 Kilometer) zurückzulegen, und die endgültigen Designs waren wenig besser.

Nach dem Krieg wurde ein Boot des Typs XVII, U-1407 , das am Ende des Zweiten Weltkriegs versenkt worden war, geborgen und als HMS  Meteorite wieder in die Royal Navy eingesetzt . Die Briten bauten in den späten 1950er Jahren zwei verbesserte Modelle, HMS  Explorer und HMS  Excalibur . Meteorit war bei seinen Besatzungen nicht beliebt, da sie ihn als gefährlich und unbeständig ansahen; Sie wurde offiziell als 75% sicher beschrieben. Der Ruf von Excalibur und Explorer war kaum besser; die Boote wurden Excruciater und Exploder genannt.

Auch die Sowjetunion experimentierte mit der Technologie und baute ein Versuchsboot, das Wasserstoffperoxid in einem Walter-Motor verwendete .

Die Vereinigten Staaten erhielten auch ein Boot vom Typ XVII, U-1406 , und fuhren fort, Wasserstoffperoxid in einem experimentellen Kleinst-U - Boot , X-1, zu verwenden . Es wurde ursprünglich von einem Wasserstoffperoxid / Dieselmotor und einem Batteriesystem angetrieben, bis am 20. Mai 1957 ihre Wasserstoffperoxidversorgung explodierte. X-1 wurde später auf einen Diesel-Elektroantrieb umgebaut.

Die UdSSR, Großbritannien und die USA, die einzigen Länder, von denen zu dieser Zeit bekannt war, dass sie mit der Technologie experimentierten, gaben sie auf, als letztere einen Kernreaktor entwickelten, der klein genug für den Antrieb von U-Booten war. Andere Nationen, darunter Deutschland und Schweden, würden später die Entwicklung von AIP wieder aufnehmen.

Es wurde von den Briten und der Sowjetunion zum Antreiben von Torpedos beibehalten , obwohl es von ersteren nach der HMS  Sidon- Tragödie hastig aufgegeben wurde . Sowohl dies als auch der Verlust des russischen U-Bootes  Kursk waren auf Unfälle mit wasserstoffperoxidgetriebenen Torpedos zurückzuführen.

Dieselmotoren mit geschlossenem Kreislauf

Bei dieser Technologie kommt ein U-Boot- Dieselmotor zum Einsatz , der konventionell an der Oberfläche betrieben werden kann, aber auch unter Wasser mit Oxidationsmittel , meist gespeichert als flüssiger Sauerstoff , versorgt werden kann . Da das Metall eines Motors in reinem Sauerstoff verbrennen würde, wird der Sauerstoff normalerweise mit recyceltem Abgas verdünnt . Argon ersetzt Abgase beim Starten des Motors.

In den späten 1930er Jahren experimentierte die Sowjetunion mit Motoren mit geschlossenem Kreislauf, und eine Reihe kleiner Schiffe der M-Klasse wurden mit dem REDO- System gebaut, aber keines wurde vor der deutschen Invasion im Jahr 1941 fertiggestellt.

Während des Zweiten Weltkriegs experimentierte die deutsche Kriegsmarine mit einem solchen System als Alternative zum Walter-Peroxidsystem und entwarf Varianten ihres U-Bootes vom Typ XVII und ihres Klein- U-Bootes vom Typ XXVIIB Seehund , des Typs XVIIK bzw. des Typs XXVIIK, obwohl beide nicht fertiggestellt wurden vor Kriegsende.

Nach dem Krieg entwickelte die UdSSR das kleine 650-Tonnen - U - Boot der Quebec-Klasse , von dem zwischen 1953 und 1956 dreißig gebaut wurden. Diese hatten drei Dieselmotoren – zwei konventionell und einer mit flüssigem Sauerstoff.

Im sowjetischen System, das als "Einzelantriebssystem" bezeichnet wird, wurde Sauerstoff hinzugefügt, nachdem die Abgase durch ein chemisches Absorptionsmittel auf Kalkbasis gefiltert worden waren. Das U-Boot konnte seinen Diesel auch mit einem Schnorchel betreiben. Der Quebec hatte drei Antriebswellen : einen 32D 900 PS (670 kW) Diesel auf der Mittelwelle und zwei M-50P 700 PS (520 kW) Diesel auf den Außenwellen. Außerdem wurde ein 100 PS (75 kW) "Creep"-Motor an die Mittelwelle gekoppelt. Das Boot konnte nur mit dem Mittelliniendiesel bei langsamer Geschwindigkeit gefahren werden.

Da flüssiger Sauerstoff nicht unbegrenzt gespeichert werden kann, konnten diese Boote nicht weit von einer Basis entfernt operieren. Es war gefährlich; Mindestens sieben U-Boote erlitten Explosionen, und eines davon, M-256 , sank nach einer Explosion und einem Feuer. Sie wurden manchmal als Feuerzeuge bezeichnet. Das letzte U-Boot mit dieser Technologie wurde Anfang der 1970er Jahre verschrottet.

Das ehemalige U- Boot U-1 des Typs 205 der Deutschen Marine (1967 vom Stapel gelaufen) war mit einem experimentellen 3.000 PS (2.200 kW) starken Aggregat ausgestattet.

Geschlossene Dampfturbinen

Das französische MESMA-System (Module d'Energie Sous-Marin Autonome) wird von der französischen Werft DCNS angeboten. MESMA ist für die U-Boote der Agosta 90B und der Scorpène-Klasse verfügbar . Es ist im Wesentlichen eine modifizierte Version ihres nuklearen Antriebssystems mit Wärme, die durch Ethanol und Sauerstoff erzeugt wird . Insbesondere wird ein konventionelles Dampfturbinenkraftwerk mit Dampf betrieben, der aus der Verbrennung von Ethanol und gespeichertem Sauerstoff bei einem Druck von 60 Atmosphären erzeugt wird . Durch diese Druckbefeuerung kann Abgas- Kohlendioxid in jeder Tiefe ohne Abgaskompressor über Bord ausgestoßen werden.

Jedes MESMA-System kostet etwa 50–60 Millionen US-Dollar. Wie auf der Scorpènes installiert, erfordert es das Hinzufügen eines 8,3 Meter (27 ft), 305 Tonnen schweren Rumpfabschnitts zum U-Boot und führt zu einem U-Boot, das abhängig von Variablen wie der Geschwindigkeit länger als 21 Tage unter Wasser betrieben werden kann.

In einem Artikel im Undersea Warfare Magazine heißt es: "Obwohl MESMA eine höhere Ausgangsleistung liefern kann als die anderen Alternativen, ist seine inhärente Effizienz der niedrigste der vier AIP-Kandidaten und sein Sauerstoffverbrauch ist entsprechend höher."

Stirling-Motoren

HSwMS Gotland in San Diego

Der schwedische Schiffbauer Kockums konstruierte drei U-Boote der Gotland- Klasse für die schwedische Marine , die mit einem Stirling- Hilfsmotor ausgestattet sind , der flüssigen Sauerstoff und Dieselkraftstoff verbrennt, um 75 kW elektrische Generatoren zum Antrieb oder Laden von Batterien anzutreiben. Die Ausdauer der 1.500-Tonnen-Boote beträgt rund 14 Tage bei 5  kn (5,8 mph; 9,3 km/h).

Kockums überholte und rüstete die schwedischen U- Boote der Västergötland- Klasse mit einem Stirling-AIP-Plugin-Bereich auf. Zwei ( Södermanland und Östergötland ) sind in Schweden als Södermanland- Klasse im Einsatz , und zwei weitere sind in Singapur als Archer- Klasse ( Archer und Swordsman ) im Einsatz.

Kockums lieferte auch Stirling-Motoren nach Japan. Zehn japanische U-Boote wurden mit Stirling-Motoren ausgestattet. Das erste U-Boot der Klasse, Sōryū , lief am 5. Dezember 2007 vom Stapel und wurde im März 2009 an die Marine ausgeliefert. Das elfte der Klasse ist das erste, das mit Lithium-Ionen-Batterien ohne Stirling-Motor ausgestattet ist.

Das neue schwedische U-Boot der Blekinge- Klasse hat das Stirling AIP-System als Hauptenergiequelle. Die Lebensdauer unter Wasser beträgt mehr als 18 Tage bei 5 Knoten mit AIP.

Brennstoffzellen

U-Boot Typ 212 mit Brennstoffzellenantrieb der Deutschen Marine im Dock

Siemens hat eine 30-50-Kilowatt- Brennstoffzelleneinheit entwickelt , ein Gerät, das die chemische Energie eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in Strom umwandelt. Brennstoffzellen unterscheiden sich von Batterien dadurch, dass sie eine kontinuierliche Brennstoffquelle (wie Wasserstoff) und Sauerstoff benötigen, die in Drucktanks im Schiff transportiert werden, um die chemische Reaktion aufrechtzuerhalten. Neun dieser Einheiten sind in das 1.830 t schwere U- Boot U-31 der Howaldtswerke Deutsche Werft AG, Leitschiff für den Typ 212A der Deutschen Marine, eingebaut . Die anderen Boote dieser Klasse und die mit AIP ausgestatteten Export-U-Boote von HDW ( Dolphin- Klasse , Typ 209 mod und Typ 214 ) verwenden zwei 120 kW (160 PS)-Module, ebenfalls von Siemens.

Nach dem Erfolg der Howaldtswerke Deutsche Werft AG im Exportgeschäft entwickelten mehrere Hersteller Brennstoffzellen-Hilfsaggregate für U-Boote, aber seit 2008 hat keine andere Werft einen Auftrag für ein so ausgestattetes U-Boot.

Das auf der S-80-Klasse der spanischen Marine implementierte AIP basiert auf einem Bioethanol-Prozessor (geliefert von Hynergreen aus Abengoa , SA), der aus einer Reaktionskammer und mehreren Coprox-Zwischenreaktoren besteht, die das BioEtOH in hochreinen Wasserstoff umwandeln. Der Ausgang speist eine Reihe von Brennstoffzellen von Collins Aerospace (die auch Brennstoffzellen für das Space Shuttle lieferte ).

Der Reformer wird mit Bioethanol als Kraftstoff und Sauerstoff (als Flüssigkeit in einem Hochdruck-Kryogentank gespeichert) gespeist, wobei als Nebenprodukt Wasserstoff erzeugt wird. Der erzeugte Wasserstoff und weiterer Sauerstoff wird den Brennstoffzellen zugeführt .

Das Naval Material Research Laboratory der indischen Defence Research and Development Organisation in Zusammenarbeit mit Larsen & Toubro und Thermax hat eine 270 Kilowatt entwickelt Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) an der Macht der Kalvari U - Boote -Klasse , die auf dem basieren Scorpene Design. Alle sechs U-Boote der Kalvari-Klasse werden bei ihrem ersten Upgrade mit AIP nachgerüstet. Es erzeugt Strom, indem es mit Wasserstoff aus Natriumborhydrid und gespeichertem Sauerstoff mit Phosphorsäure als Elektrolyt reagiert.

DRDO AIP (Air Independent Propulsion)-Modell für U-Boot der Kalvari-Klasse

Die U-Boote der Tridente- Klasse der portugiesischen Marine sind ebenfalls mit Brennstoffzellen ausgestattet.

Atomkraft

Luftunabhängiger Antrieb ist ein Begriff, der normalerweise im Zusammenhang mit der Verbesserung der Leistung von konventionell angetriebenen U-Booten verwendet wird. Als Hilfsenergieversorgung fällt die Kernenergie jedoch unter die technische Definition von AIP. Beispielsweise könnte ein Vorschlag, einen kleinen 200-Kilowatt-Reaktor als Hilfsenergie zu verwenden – von AECL als „ Atombatterie “ bezeichnet – die Untereisfähigkeit kanadischer U-Boote verbessern.

Kernreaktoren werden seit den 1950er Jahren zum Antrieb von U-Booten eingesetzt. Das erste derartige U-Boot war die USS Nautilus, die 1954 in Dienst gestellt wurde. Heute sind China , Frankreich , Indien , Russland , Großbritannien und die Vereinigten Staaten die einzigen Länder, die erfolgreich Atom-U-Boote gebaut und betrieben haben.

Nichtnukleare AIP-U-Boote

Ab 2017 bauen etwa 10 Nationen AIP-U-Boote, wobei fast 20 Nationen AIP-basierte U-Boote betreiben:

Land AIP-Typ Bauherren U-Boote mit AIP Betreiber Nummern mit AIP und Notizen
 Deutschland Brennstoffzelle Siemens - ThyssenKrupp Delphin- Klasse  Israel 5 aktiv / 1 im Bau
Typ 209-1400mod  Südkorea

 Griechenland Ägypten
 

1 bestätigte Nachrüstung mit AIP, bis zu 9 zusätzliche Chang Bogo- Klasse eventuell Nachrüstung.
Typ 212  Deutschland Italien Norwegen (geplant)
 
 
10 aktiv / 8 weitere geplant

Norwegen will bis 2025 vier U-Boote auf Basis des Typs 212 beschaffen.

Typ 214  Südkorea Griechenland Portugal Türkei
 
 
 
13 aktiv / 2 im Bau / 8 weitere in Planung

3 türkische Aufträge werden bei der Marinewerft Gölcük gebaut . 3 weitere sind geplant.

Typ 218  Singapur 2 im Bau / 2 weitere in Planung, erste Auslieferung voraussichtlich 2020.
 Schweden Stirling-AIP Kockums Gotland- Klasse  Schweden 3 aktiv
Archer - Klasse  Singapur 2 aktiv (Nachrüstung der Västergötland- Klasse )
Södermanland- Klasse  Schweden 2 aktiv (Nachrüstung der Västergötland- Klasse )
U-Boot der Blekinge- Klasse  Schweden 2 geplant
 Japan Stirling-AIP Kawasaki - Kockums Harushio- Klasse  Japan 1 Nachrüstung: Asashio.
Sōryū Klasse  Japan 12 aktiv
 Frankreich
MESMA Marinegruppe Agosta 90B  Pakistan 3 im Dienst
Scorpène  Chile Brasilien (geplant)
 
6 aktiv (von 7 fertiggestellt) / 4 im Bau / 3 weitere geplant
 Spanien Brennstoffzelle Navantia S-80-Klasse  Spanien 4 im Bau / 4 geplant
 Indien Brennstoffzelle Organisation für Verteidigungsforschung und -entwicklung Kalvari- Klasse  Indien Alle sechs Kalvari- Klassen werden bei ihrem ersten Upgrade mit AIP nachgerüstet
 Russland Brennstoffzelle Rubin Designbüro
NIISET Krylov
Projekt 677 ада (Lada)  Russland Gerüchtestatus: Keine Bestätigung, dass Systeme auf russischen U-Booten einsatzbereit sind
Projekt 1650 Амур (Amur) Keiner
 Volksrepublik China Stirling-AIP 711 Forschungsinstitut-CSHGC Typ 041 (Yuan-Klasse)  Volksrepublik China 15 fertiggestellt und 5 im Bau
Typ 032 (Qing-Klasse)  Volksrepublik China Experimentelles U-Boot
 Südkorea Brennstoffzelle Hyundai Heavy Industries
Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering
U-Boot der Dosan Ahn Changho-Klasse  Südkorea 1 fertiggestellt / 2 im Bau / 6 weitere geplant

Verweise

Anmerkungen

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