L'air-independent propulsion (in sigla AIP, in italiano propulsione anaerobica) è una tecnologia di propulsione navale che permette ad un sottomarino non nucleare di operare senza aver accesso all'ossigeno atmosferico (cioè senza andare in superficie o senza usare lo snorkel). I sistemi AIP possono aumentare o sostituire il sistema di propulsione diesel-elettricoLa trasmissione diesel-elettrica – utilizzata generalmente nelle locomotive, nelle navi e nei sottomarini – è un sistema che comprende un motore diesel collegato ad un generatore elettrico, che produce l'elettricità che alimenta il motore elettrico di trazione. In pratica, il motore diesel non è connesso direttamente alle ruote o alle eliche, ma è il motore elettrico che le fa muovere; questo sistema non ha bisogno di frizione o di altri organi meccanici di trasmissione dei sottomarini e delle navi non nucleari.
La United States Navy usa l'hull classification symbol "SSP" per classificare i sottomarini dotati di propulsione AIP, mentre mantiene la sigla "SSK" per i sottomarini d'attacco classici a propulsione diesel-elettrica.United States Navy Glossary of Naval Ship Terms (GNST). SSI is sometimes used, but SSP has been declared the preferred term by the USN. SSK (ASW Submarine) as a designator for classic diesel-electric submarines was retired by the USN in the 1950s, but continues to be used colloquially by the USN and formally by navies of the British Commonwealth and corporations such as Jane's Information Group.
I moderni sottomarini non nucleari sono potenzialmente più stealth dei sottomarini nucleari; un reattore nucleare navale deve pompare costantemente il liquido di raffreddamento, generando una certa quantità di rumore rilevabile. D'altra parte i sottomarini non nucleari che funzionano con batterie o con l'AIP possono essere praticamente silenziosi. Mentre i sottomarini nucleari continuano ad essere superiori nei tempi di immersione e nelle prestazioni oceaniche profonde, i piccoli sottomarini d'attacco non nucleari ad alta tecnologia sono altamente efficaci nelle operazioni costiere e costituiscono una minaccia significativa per i sottomarini nucleari meno furtivi e con minore capacità di manovra, spesso figlia delle maggiori dimensioni e tonnellaggio.
L'AIP è di solito implementata come fonte ausiliaria, con il tradizionale motore diesel che svolge la propulsione di superficie. La maggior parte di questi sistemi produce energia elettrica che a sua volta alimenta un motore elettrico per la propulsione o ricarica le batterie della nave. Il sistema elettrico del sottomarino è anche utilizzato per alimentare i servizi ausiliari – ventilazione, illuminazione, riscaldamento, ecc. –, anche se questo consuma una piccola quantità di potenza rispetto a quella richiesta per la propulsione.
L'AIP può essere installato in scafi di sottomarini esistenti inserendo una sezione di scafo aggiuntiva (retrofit). L'AIP normalmente non fornisce la durata o la potenza per sostituire la propulsione dipendente dall'aria, ma consente un'immersione più lunga di un sottomarino a propulsione convenzionale. I gruppi elettrogeni diesel forniscono massimo 3 megawatt di potenza, mentre una sorgente AIP circa il 10% di questa. Un impianto di generazione nucleare sottomarina è di solito molto superiore a 20 megawatt.
Le prestazioni in immersione dei 3 sistemi AIP attuali – "Fuel Cell", "Stirling" e "MESMA" – sono lontane da quelle che può offrire un sottomarino nucleare (30 giorni a ) e si limitano generalmente a massimo 3 settimane a . Inoltre, dato che il sistema è costoso, può essere eventualmente installato a posteriori e l'efficacia è relativa al tipo di missione che la marina militare deve compiere con i propri sottomarini, l'installazione di un sistema AIP non è necessariamente conveniente. Un'alternativa ai sistemi AIP è l'uso di batterie agli ioni di litio (LIB).
+ Prestazioni sottomarini DCNS Classe Tipo AIP Prestazioni in immersione diesel-elettrico no 90B diesel-elettrico MESMA 2 settimane a 4 nodi nucleare no illimitate a 20 nodi CM diesel-elettrico no CM diesel-elettrico 1 settimana AM diesel-elettrico MESMA 2 settimane AM diesel-elettrico FC2G 3 settimane nucleare no illimitate a più di 23 nodi diesel-elettrico FC2G 3 settimane
Storia
Nello sviluppo del sottomarino, il problema della ricerca di forme soddisfacenti di propulsione subacquea è stato persistente. I primi sommergibili furono alimentati con eliche azionate a mano, che rapidamente consumavano l'aria dentro; questi vascelli dovevano muoversi per gran parte del tempo sulla superficie con i portelli aperti o utilizzando una sorta di tubo di respirazione, in entrambi i casi il sistema era pericoloso e causò un certo numero di incidenti. Più tardi, i vascelli a comando meccanico usavano l'aria compressa o il vapore, o l'elettricità, e dovevano essere ricaricati dalla riva o, a bordo, da un motore aerobico.
Il primo tentativo di un combustibile che brucia anaerobicamente è stato nel 1867, quando Narcís Monturiol sviluppò con successo – nel sommergibile Ictíneo II – un motore a vapore anaerobico (o indipendente dall'aria) alimentato chimicamente.
Nel 1908 la Marina Navale dell'Impero Russo lanciò il sottomarino Pochtovy che usava un motore a benzina alimentato con aria compressa ed esaurito sott'acqua.
Questi due approcci, l'uso di un combustibile che fornisce energia a un sistema a ciclo aperto, e la fornitura di ossigeno ad un motore aerobico in un ciclo chiuso, caratterizzano oggi l'AIP.
Descrizione I sistemi AIP sono relativamente recenti (sono utilizzati dalla metà degli anni novanta), anche se alcuni sistemi furono sperimentati, senza successo, dai tedeschi (verso il 1944) e dai sovietici (negli anni '50), e vanno dal semplice uso delle riserve di ossigeno liquido alle più recenti tecnologie come le celle a combustibile dei sottomarini diesel-elettrici.
L'utilizzazione di questi sistemi è un vantaggio per le marine militari che non fanno ricorso alla propulsione nucleare.
Le limitazioni dei sommergibili convenzionali a propulsione diesel-elettrica sono notevoli, in quanto i battelli durante le immersioni utilizzano un motore elettrico alimentato da batterie che hanno bisogno di ricarica utilizzando un motore diesel accoppiato ad un alternatore. Il motore diesel a sua volta necessita di ossigeno e il sottomarino è costretto a fornire l'aria esterna al motore diesel navigando in superficie o a quota periscopica ricevendo l'aria necessaria attraverso lo snorkel, rischiando di essere rilevato dal radar (rilevazione del periscopio e dello snorkel), dai sensori a infrarossi o chimici (rilevamento dei gas di scarico) o dal sonar passivo (rumore dei motori diesel) delle unità di superficie nemiche ed inoltre l'autonomia delle batterie è limitata.
Per superare questi limiti sono stati progettati sistemi di propulsione più efficienti, che permettano di rimanere sott'acqua più a lungo. Un tentativo fu la propulsione Walter, un motore chimico a combustione che funzionava a perossido di idrogeno e alimentava una turbina la quale forniva sufficiente potenza per alimentare tutto il sottomarino. Durante la seconda guerra mondiale sono stati progettati con questo sistema di propulsione gli U-Boot tedeschi "Tipo XXIV" e "Tipo XXVI", ma non sono stati completati. Tali progetti erano stati ripresi dai sovietici nel dopoguerra, ma sono stati presto abbandonati in favore della propulsione nucleare, in quanto la classe Quebec, in cui tale sistema di propulsione venne sperimentato, era molto inaffidabile e soggetta ad esplosioni ed incendi. Per questo motivo i sottomarini di questa classe erano chiamati ironicamente "accendini", in quanto l'ossigeno liquido è stato fonte di frequenti incendi.
Sistemi AIP Esistono 5 tipi di propulsione AIPIn realtà, i tipi di sistemi AIP sarebbero 6, in quanto la propulsione nucleare è da considerarsi la forma ultima di propulsione anaerobica. In pratica, i sistemi AIP in uso sono solamente 3 (Stirling, Fuel Cell e MESMA), i sistemi e non sono utilizzati nei sottomarini moderni.La propulsione indipendente dall'aria è un termine normalmente utilizzato nel contesto del miglioramento delle prestazioni dei sottomarini a propulsione convenzionale. Tuttavia, come alimentazione ausiliaria, la potenza nucleare rientra nella definizione tecnica di AIP. Vi fu ad esempio la proposta di utilizzazione un piccolo reattore nucleare da per avere della potenza ausiliaria – definito dall'AECL come una "batteria nucleare" – al fine di migliorare le capacità sotto i ghiacci dei sottomarini canadesi.
Sistemi a ciclo aperto
Propulsione Walter a ciclo aperto a perossido di idrogeno ().
Durante la seconda guerra mondiale, la ditta tedesca Walter sperimentò sottomarini che utilizzavano perossido di idrogeno concentrato () come fonte di ossigeno sotto l'acqua. Questi usavano delle turbine a vapore, impiegando il vapore riscaldato dalla combustione del combustibile diesel nell'atmosfera di vapore/ossigeno creato dalla decomposizione del perossido di idrogeno attraverso un catalizzatore di permanganato di potassio.
Sono state prodotte diverse imbarcazioni sperimentali, anche se il lavoro non maturò in nessun vascello operativo. Un inconveniente era l'instabilità e la disponibilità del combustibile in questione. Un altro inconveniente era che mentre il sistema produceva elevate velocità subacquee, era instabile con il combustibile; il primo sommergibile, il VS 80, ha consumato 28 tonnellate di carburante per percorrere 50 miglia nautiche. I progetti definitivi non consentivano di sperare in migliori prestazioni. Usando questa tecnologia, furono realizzati, sempre a scopo più sperimentale che operativo, gli u-boot tipo XVII.
Dopo la guerra, un u-boot del tipo XVII – U-1407 –, che era stato affondato alla fine della seconda guerra mondiale, fu recuperato e rimesso in servizio nella Royal Navy come . I britannici hanno poi costruito due modelli migliorati alla fine degli anni '50: e (). Il Meteorite non godeva di buona fama tra gli equipaggi, che lo consideravano pericoloso e imprevedibile; il sottomarino era stato ufficialmente descritto come "sicuro al 75%". La reputazione dellExplorer e dellExcalibur era di poco migliori, tanto che i 2 battelli erano soprannominati 'Exploder' e 'Excruciater'.
Anche l'Unione Sovietica ha sperimentato questa tecnologia e ha costruito un sottomarino sperimentale che ha utilizzato il perossido di idrogeno in un motore Walter: progetto 617 (S-99) Whale.
Gli Stati Uniti hanno inoltre ricevuto un u-boot del tipo XVII – U-1406 –, e hanno continuato ad usare il perossido di idrogeno in un sommergibile tascabile sperimentale tipo "midget", il SS X-1. Questo era originariamente alimentato da un motore perossido di idrogeno/diesel e da sistema di batterie, fino all'esplosione della sua alimentazione di perossido di idrogeno il 20 maggio 1957. L'SS X-1 è stato successivamente trasformato in un diesel-elettrico.
L'URSS, il Regno Unito e gli Stati Uniti, i soli paesi noti per aver sperimentato questa tecnologia in quel momento, la abbandonarono quando questi paesi più tardi riuscirono a sviluppare un reattore nucleare abbastanza piccolo per la propulsione sottomarina. Altre nazioni, tra cui la Germania Ovest e la Svezia, riprenderanno poi lo sviluppo dell'AIP.
Il sistema è stato utilizzato per la propulsione dei siluri da parte dei Britannici e dell'Unione Sovietica, sebbene sia stato abbandonato rapidamente dai primi a seguito della tragedia del . Come anni dopo il sottomarino russo , anche il Sidon è andato perduto a causa di malfunzionamenti che hanno coinvolto dei siluri propulsi a perossido di idrogeno.
Motori diesel a ciclo chiuso
Motore diesel a ciclo chiuso () con riserva di ossigeno liquido a bordo.