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Propulsión independiente del aire

La propulsión independiente del aire ( AIP , por sus siglas en inglés), o energía independiente del aire , es cualquier tecnología de propulsión marina que permite a un submarin...

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La propulsión independiente del aire ( AIP , por sus siglas en inglés), o energía independiente del aire , es cualquier tecnología de propulsión marina que permite a un submarino no nuclear operar sin acceso al oxígeno atmosférico (mediante la salida a la superficie o el uso de un snorkel ). La AIP puede complementar o reemplazar el sistema de propulsión diésel-eléctrica de los buques no nucleares.

Los submarinos modernos no nucleares son potencialmente más sigilosos que los submarinos nucleares ; aunque algunos reactores de submarinos modernos están diseñados para depender de la circulación natural, la mayoría de los reactores nucleares navales utilizan bombas para hacer circular constantemente el refrigerante del reactor, generando cierta cantidad de ruido detectable . [ 1 ] [ 2 ] Por otro lado, los submarinos no nucleares que funcionan con energía de batería o AIP pueden ser prácticamente silenciosos. Si bien los diseños de propulsión nuclear aún dominan en tiempos de inmersión, velocidad, alcance y rendimiento en aguas profundas, los pequeños submarinos de ataque no nucleares de alta tecnología pueden ser muy efectivos en operaciones costeras y representan una amenaza significativa para los submarinos nucleares menos sigilosos y menos maniobrables. [ 3 ]

El sistema AIP se suele implementar como fuente auxiliar, mientras que el motor diésel tradicional se encarga de la propulsión en superficie. La mayoría de estos sistemas generan electricidad, que a su vez alimenta un motor eléctrico para la propulsión o recarga las baterías del submarino . El sistema eléctrico del submarino también se utiliza para proporcionar servicios generales (ventilación, iluminación, calefacción, etc.), aunque esto consume poca energía en comparación con la necesaria para la propulsión.

El sistema AIP se puede adaptar a los cascos de submarinos existentes mediante la inserción de una sección adicional. Si bien el AIP no suele proporcionar la autonomía ni la potencia necesarias para reemplazar la propulsión atmosférica, permite una mayor autonomía bajo el agua que un submarino de propulsión convencional. Una planta de energía convencional típica proporciona un máximo de 3 megavatios , y un sistema AIP genera alrededor del 10 % de esa potencia. La planta de propulsión de un submarino nuclear suele ser mucho mayor que 20 megavatios.

La Armada de los Estados Unidos utiliza el símbolo de clasificación de casco "SSP" para designar los submarinos propulsados ​​por AIP, mientras que conserva "SSK" para los submarinos de ataque diésel-eléctricos clásicos . [ a ]

Historia

Una réplica del Ictineo II , el submarino pionero de Monturiol, en Barcelona.

En el desarrollo de los submarinos, el desafío de encontrar sistemas de propulsión subacuática satisfactorios ha sido constante. Los primeros submarinos se impulsaban con hélices accionadas manualmente, lo que agotaba rápidamente el suministro de aire; en consecuencia, estas embarcaciones a menudo tenían que operar en la superficie con las escotillas abiertas o utilizar algún tipo de tubo de respiración, ambas opciones intrínsecamente peligrosas y que provocaron numerosos accidentes iniciales. Posteriormente, las embarcaciones de propulsión mecánica utilizaban aire comprimido, vapor o electricidad, que debían recargarse desde tierra o mediante un motor aeróbico a bordo.

El primer intento de crear un combustible que ardiera anaeróbicamente data de 1867, cuando el ingeniero español Narciso Monturiol desarrolló con éxito una máquina de vapor anaeróbica o independiente del aire, impulsada químicamente. La máquina funcionaba con una mezcla de clorato de potasio y zinc, que reaccionaba para generar calor y, convenientemente, oxígeno. [ 4 ] [ 5 ]

En 1908, la Armada Imperial Rusa botó el submarino Pochtovy , que utilizaba un motor de gasolina alimentado con aire comprimido y con los gases de escape expulsados ​​bajo el agua.

Estos dos enfoques, el uso de un combustible que proporciona energía a un sistema de ciclo abierto y el suministro de oxígeno a un motor aeróbico en un ciclo cerrado, caracterizan la propulsión independiente del aire (AIP) en la actualidad.

Tipos

La propulsión independiente del aire (no nuclear) puede adoptar diversas formas. Todos los submarinos AIP actualmente en funcionamiento requieren oxígeno para su funcionamiento, el cual suele almacenarse en estado líquido (LOX). El alcance de un submarino AIP está limitado principalmente por la cantidad de LOX que puede transportar. [ 6 ]

Sistemas de ciclo abierto

Submarino enano X-1 en exhibición en la Biblioteca y Museo de la Fuerza Submarina en los Estados Unidos.

Durante la Segunda Guerra Mundial, la empresa alemana Walter experimentó con submarinos que utilizaban peróxido de hidrógeno de alta concentración como fuente de oxígeno bajo el agua. Estos submarinos empleaban turbinas de vapor , que utilizaban vapor calentado mediante la combustión de gasóleo en la atmósfera de vapor/oxígeno creada por la descomposición del peróxido de hidrógeno mediante un catalizador de permanganato de potasio .

Se fabricaron varios prototipos experimentales, aunque el proyecto no llegó a convertirse en buques de combate viables. Una desventaja era la inestabilidad y la escasez del combustible. Otra era que, si bien el sistema alcanzaba altas velocidades bajo el agua, consumía muchísimo combustible; el primer prototipo, el V-80 , requería 28 toneladas de combustible para recorrer 50 millas náuticas (93 kilómetros) , y los diseños finales no eran mucho mejores.

Tras la guerra, un submarino Tipo XVII, el U-1407 , hundido al final de la Segunda Guerra Mundial , fue rescatado y reincorporado a la Marina Real como HMS Meteorite . Los británicos construyeron dos modelos mejorados a finales de la década de 1950, el HMS Explorer y el HMS Excalibur . El Meteorite no era popular entre sus tripulaciones, que lo consideraban peligroso e inestable; oficialmente se describía como un 75 % seguro. [ 7 ] La reputación del Excalibur y el Explorer no era mucho mejor; los submarinos fueron apodados Excruciater y Exploder. [ 8 ]   

La Unión Soviética también experimentó con esta tecnología y se construyó un barco experimental que utilizaba peróxido de hidrógeno en un motor Walter .

Estados Unidos también recibió un submarino Tipo XVII, el U-1406 , y posteriormente inició dos proyectos de submarinos AIP. El proyecto SCB 66 desarrolló un minisubmarino experimental , el X-1 , que fue botado en septiembre de 1955. Originalmente, funcionaba con un motor diésel/peróxido de hidrógeno y un sistema de baterías hasta que una explosión en su suministro de peróxido de hidrógeno ocurrió el 20 de mayo de 1957. Posteriormente, el X-1 fue convertido a diésel-eléctrico. [ 9 ] [ 10 ]

El segundo proyecto de la Armada de los EE. UU. fue un submarino AIP de tamaño completo bajo el SCB 67 en 1950, posteriormente SCB 67A. Este submarino, designado SSX, contaría con una de las tres plantas de propulsión en desarrollo: una planta de peróxido de hidrógeno de ciclo abierto Walther (denominada Alton ), una planta de vapor de oxígeno líquido ( Ellis ) y una turbina de gas AIP ( Wolverine ). A finales de 1951, la Armada se percató de que, si bien los diseños nucleares de la competencia eran más pesados ​​debido al blindaje, eran más compactos que las tres plantas AIP: el SSX sería casi 40 pies más largo que el SSN. El SSN probablemente sería más silencioso y menos complejo que la tecnología AIP de la época. Para 1952, los reactores nucleares estaban tan avanzados en su desarrollo que parecía que el submarino SSX ya no sería necesario como solución provisional. El proyecto se canceló el 26 de octubre de 1953. [ 11 ]

La URSS y el Reino Unido, los únicos otros países que se sabía que experimentaban con esta tecnología en aquel momento, también la abandonaron cuando Estados Unidos desarrolló un reactor nuclear lo suficientemente pequeño para la propulsión de submarinos. Otras naciones, como Alemania y Suecia, retomarían posteriormente el desarrollo de la propulsión independiente del aire (AIP).

Fue conservado para propulsar torpedos por Gran Bretaña y la Unión Soviética, aunque los primeros lo abandonaron precipitadamente tras la tragedia del HMS Sidon  . Tanto este suceso como la pérdida del submarino ruso Kursk  se debieron a accidentes relacionados con torpedos propulsados ​​con peróxido de hidrógeno.

Motores diésel de ciclo cerrado

Esta tecnología utiliza un motor diésel submarino que puede funcionar de forma convencional en la superficie, pero que también puede recibir un oxidante , generalmente almacenado como oxígeno líquido , cuando está sumergido. Dado que el metal del motor ardería en oxígeno puro, este se diluye habitualmente con gases de escape reciclados . Al arrancar el motor, se sustituyen los gases de escape por argón .

A finales de la década de 1930, la Unión Soviética experimentó con motores de ciclo cerrado, y se construyeron varios buques pequeños de la clase M utilizando el sistema REDO , pero ninguno se completó antes de la invasión alemana en 1941.

Durante la Segunda Guerra Mundial, la Kriegsmarine alemana experimentó con un sistema de este tipo como alternativa al sistema de peróxido de Walter, diseñando variantes de su submarino Tipo XVII y de su minisubmarino Tipo XXVIIB Seehund , los Tipo XVIIK y Tipo XXVIIK respectivamente, aunque ninguno de ellos se completó antes del final de la guerra.

Tras la guerra, la URSS desarrolló el pequeño submarino de la clase Quebec , de 650 toneladas , del que se construyeron treinta entre 1953 y 1956. Estos contaban con tres motores diésel: dos convencionales y uno de ciclo cerrado que utilizaba oxígeno líquido.

En el sistema soviético, denominado «sistema de propulsión simple», se añadía oxígeno después de que los gases de escape se filtraran mediante un absorbente químico a base de cal. El submarino también podía utilizar su motor diésel mediante un snorkel. El Quebec tenía tres ejes de transmisión : un motor diésel 32D de 900 CV (670 kW) en el eje central y dos motores diésel M-50P de 700 CV (520 kW) en los ejes exteriores. Además, un motor auxiliar de 100 CV (75 kW) estaba acoplado al eje central. El submarino podía funcionar a baja velocidad utilizando únicamente el motor diésel central. [ 12 ]      

Debido a que el oxígeno líquido no se puede almacenar indefinidamente, estos submarinos no podían operar lejos de una base. Era peligroso; al menos siete submarinos sufrieron explosiones, y uno de ellos, el M-256 , se hundió tras una explosión e incendio. A veces se les apodaba " encendedores de cigarrillos". [ 13 ] El último submarino que utilizó esta tecnología fue desguazado a principios de la década de 1970.

El antiguo submarino U-1 de la Armada alemana , del tipo 205 (botado en 1967), estaba equipado con una unidad experimental de 3.000 hp (2.200 kW) .  

Turbinas de vapor de ciclo cerrado

El sistema francés MESMA ( Module d'Energie Sous-Marin Autonome ) es ofrecido por el astillero francés DCNS . MESMA está disponible para los submarinos de las clases Agosta 90B y Scorpène . Se trata esencialmente de una versión modificada de su sistema de propulsión nuclear, que utiliza calor generado por etanol y oxígeno. Concretamente, una planta de energía convencional de turbina de vapor se alimenta con vapor generado por la combustión de etanol y oxígeno almacenado a una presión de 60 atmósferas . Esta combustión a presión permite expulsar el dióxido de carbono de escape al mar a cualquier profundidad sin necesidad de un compresor de escape.

Cada sistema MESMA cuesta alrededor de 50 a 60 millones de dólares. Tal como está instalado en el Scorpènes, requiere agregar una sección de casco de 8,3 metros (27 pies) y 305 toneladas al submarino, y da como resultado un submarino capaz de operar durante más de 21 días bajo el agua, dependiendo de variables como la velocidad. [ 14 ] [ 15 ] En el Agosta 90B, el sistema AIP permite que el submarino opere 16 días bajo el agua y le da un alcance de 1400 millas náuticas (2600 km; 1600 mi) . [ 6 ]   

Un artículo de la revista Undersea Warfare Magazine señala que: "aunque MESMA puede proporcionar una mayor potencia de salida que las otras alternativas, su eficiencia inherente es la más baja de los cuatro candidatos AIP, y su tasa de consumo de oxígeno es correspondientemente mayor". [ 15 ]

motores de ciclo Stirling

HSwMS Gotland en San Diego

El astillero sueco Kockums construyó tres submarinos de la clase Gotland para la Armada sueca , equipados con un motor Stirling auxiliar que quema gasóleo con oxígeno líquido para accionar  generadores eléctricos de 75 kW, ya sea para propulsión o para cargar baterías. La autonomía sumergida de estos buques de 1500 toneladas es de aproximadamente 14 días a 5 nudos (5,8 mph; 9,3 km/h) , con un alcance aproximado de 1700 millas náuticas. [ 6 ]   

Kockums reacondicionó y modernizó los submarinos suecos de la clase Västergötland con una sección de enchufable AIP Stirling. Dos de ellos ( Södermanland y Östergötland ) están en servicio en Suecia como la clase Södermanland , y otros dos están en servicio en Singapur como la clase Archer ( Archer y Swordsman ).

Kockums también suministró motores Stirling a Japón. Diez submarinos japoneses fueron equipados con motores Stirling. El primer submarino de la clase, Sōryū , fue botado el 5 de diciembre de 2007 y entregado a la armada en marzo de 2009. El undécimo de la clase es el primero que está equipado con baterías de iones de litio sin un motor Stirling. [ 16 ] Este submarino puede tener un alcance desde AIP de 6500 millas náuticas y puede permanecer sumergido durante 40 días. [ 6 ]

El nuevo submarino sueco de la clase Blekinge utiliza el sistema AIP Stirling como principal fuente de energía. Su autonomía sumergido superará los 18 días a 5 nudos con el sistema AIP activado.

pilas de combustible

Un submarino tipo 212 de la Armada alemana , equipado con un sistema AIP de pila de combustible.
Diagrama del módulo AIP de pila de combustible desarrollado por la DRDO de la India.

Siemens ha desarrollado una unidad de pila de combustible de 30 a 50 kilovatios , un dispositivo que convierte la energía química de un combustible y un oxidante en electricidad. Las pilas de combustible se diferencian de las baterías en que requieren una fuente continua de combustible (como hidrógeno) y oxígeno, que se transportan en el buque en tanques presurizados, para mantener la reacción química. Nueve de estas unidades están incorporadas en el submarino U-31 de 1830 t de Howaldtswerke Deutsche Werft AG , buque líder del Tipo 212A de la Armada alemana . Los demás submarinos de esta clase y los submarinos de exportación equipados con AIP de HDW, clase Dolphin , Tipo 209 mod y Tipo 214 , utilizan dos módulos de 120 kW (160 hp) , también de Siemens. [ 17 ] El Tipo 212 puede permanecer sumergido durante 21 días; Uno de esos submarinos realizó un viaje de 1600 millas náuticas únicamente con AIP en 2016. [ 6 ] Tras el éxito de Howaldtswerke Deutsche Werft AG en sus actividades de exportación, varios constructores desarrollaron unidades auxiliares de pila de combustible para submarinos, pero a partir de 2008  Ningún otro astillero tiene un contrato para un submarino equipado de esa manera.

El AIP implementado en la clase S-80 de la Armada Española se basa en un procesador de bioetanol (suministrado por Hynergreen de Abengoa ) que consta de una cámara de reacción y varios reactores intermedios Coprox, que transforman el BioEtOH en hidrógeno de alta pureza. El producto resultante alimenta una serie de pilas de combustible de Collins Aerospace (que también suministró pilas de combustible para el Transbordador Espacial ). El reformador se alimenta con bioetanol como combustible y oxígeno (almacenado en estado líquido en un tanque criogénico de alta presión), generando hidrógeno como subproducto. El hidrógeno producido y más oxígeno se alimentan a las pilas de combustible . [ 18 ]

China ha estado investigando motores de pila de combustible para submarinos AIP. Según se informa, el Instituto de Física Química de Dalian desarrolló motores de pila de combustible de 100  kW y 1  MW. [ 19 ]

El Laboratorio de Investigación de Materiales Navales de la Organización de Investigación y Desarrollo de la Defensa de la India , en colaboración con Larsen & Toubro y Thermax, ha desarrollado una pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC) de 270 kilovatios para alimentar los submarinos de la clase Kalvari , basados ​​en el diseño Scorpène . Los seis submarinos de la clase Kalvari serán modernizados con AIP durante su primera revisión. Produce electricidad mediante la reacción con hidrógeno generado a partir de borohidruro de sodio y oxígeno almacenado, con ácido fosfórico actuando como electrolito. [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

Los submarinos de la clase Tridente de la Armada portuguesa también están equipados con pilas de combustible.

Energía nuclear

La propulsión independiente del aire es un término que se usa normalmente en el contexto de la mejora del rendimiento de los submarinos de propulsión convencional. Sin embargo, como fuente de energía auxiliar, la energía nuclear se incluye en la definición técnica de AIP. Por ejemplo, una propuesta para usar un pequeño reactor de 200 kilovatios como fuente de energía auxiliar —denominado por Atomic Energy of Canada Limited (AECL) como una " batería nuclear "— podría mejorar la capacidad de los submarinos canadienses para operar bajo el hielo. [ 23 ] [ 24 ]

Los reactores nucleares se utilizan desde la década de 1950 para propulsar submarinos. El primer submarino de este tipo fue el USS Nautilus, que entró en servicio en 1954. Actualmente, China , Francia , India , Rusia , el Reino Unido y Estados Unidos son los únicos países que han construido y operado con éxito submarinos de propulsión nuclear.

Submarinos AIP no nucleares

A partir de 2017Una decena de naciones están construyendo submarinos con propulsión independiente del aire (AIP), y casi veinte naciones operan submarinos basados ​​en AIP:

Referencias

  1. ↑ "S8G" . GlobalSecurity.org . Alexandria, Virginia . Consultado el 20 de septiembre de 2021 .
  2. ↑ Polmar, Norman (2004). «10: Submarinos nucleares de segunda generación». Submarinos de la Guerra Fría: diseño y construcción de submarinos estadounidenses y soviéticos (1.ª ed.). Washington, DC: Potomac Books. ISBN  1574885308.
  3. ↑ "Los submarinos del mañana: la opción no nuclear" . DefenseWatch. Archivado del original el 7 de julio de 2012. Consultado el 2 de julio de 2012 .
  4. ↑ Cargill Hall, R. (1986). Historia de la cohetería y la astronáutica: actas del tercer al sexto simposio de historia de la Academia Internacional de Astronáutica, volumen 1. Publicación de la conferencia de la NASA. Sociedad Astronáutica Americana por Univelt, pág. 85. ISBN 0-87703-260-2
  5. ↑ Un submarino a vapor: el Ictíneo. Revista Low-tech, 24 de agosto de 2008.
  6. 1 2 3 4 5 Meredith, Iain (2017–2018). "Opciones de Canadá para operar bajo el hielo: Propulsión independiente del aire en submarinos" (PDF) . Colegio de las Fuerzas Canadienses .
  7. ↑ Paterson, Lawrence (2008). La última apuesta de Dönitz: la campaña de submarinos costeros, 1944-1945 . Barnsley, Reino Unido: Pen & Sword . ISBN 9781844157143.
  8. ↑ Miller, David (2002). «Explorer – class». The Illustrated Directory of Submarines of the World . St. Paul, Minnesota: MBI Publishing. pp. 326–327 . ISBN  0760313458.
  9. ↑ "SS X-1" . Asociación de Buques Navales Históricos. Archivado del original el 18 de agosto de 2013. Consultado el 24 de febrero de 2014 .
  10. ↑ Friedman (1994) , págs. 217–222.
  11. ↑ Friedman (1994) , págs. 47–48.
  12. ↑ Preston, Antony (1998). Guerra submarina . Brown Books. pág. 100. ISBN  1-897884-41-9.
  13. ↑ Norman Polmar, Kenneth J. Moore. Submarinos de la Guerra Fría: Diseño y construcción de submarinos estadounidenses y soviéticos . pág. 44.
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  21. ↑ "Tecnología nacional clave para submarinos supera un hito importante: DRDO" . The Hindu . 9 de marzo de 2021. ISSN 0971-751X . Consultado el 11 de marzo de 2021 . 
  22. ↑ "DRDO y Naval Group France firman un pacto para instalar un sistema AIP de fabricación nacional en los submarinos de la clase Kalvari" . The Indian Express . 24 de enero de 2023. Consultado el 24 de enero de 2023 .
  23. ↑ Julie H. Ferguson (10 de marzo de 2014). A través de un periscopio canadiense: La historia del Servicio Submarino Canadiense . Dundurn. pág. 363. ISBN  978-1-4597-1056-6.
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Notas

  1. ↑ Glosario de términos navales de la Armada de los Estados Unidos (GNST). A veces se usa SSI, pero la Armada de los Estados Unidos ha declarado que SSP es el término preferido. La designación SSK (Submarino Antisubmarino) para los submarinos diésel-eléctricos clásicos fue retirada por la Armada de los Estados Unidos en la década de 1950, pero continúa siendo utilizada coloquialmente por la Armada de los Estados Unidos y formalmente por las armadas de la Commonwealth británica y corporaciones como Jane's Information Group.

Fuentes

  • Friedman, Norman (1994). Submarinos estadounidenses desde 1945: una historia ilustrada de su diseño . Annapolis, Maryland: Instituto Naval de los Estados Unidos. ISBN 1-55750-260-9.

Lecturas adicionales

  • Thornton, LCDR Grant B. (1994). Una herramienta de diseño para la evaluación de la propulsión independiente de la atmósfera en submarinos (PDF) (tesis de maestría en Arquitectura Naval e Ingeniería Marina y maestría en Ingeniería Mecánica). Instituto Tecnológico de Massachusetts.
  • Whitman, Edward C. (otoño de 2001), "Propulsión independiente del aire: la tecnología AIP crea una nueva amenaza submarina" , Guerra submarina , n.º  13, Armada de los Estados Unidos, archivado del original el 8 de diciembre de 2007.
  • Rogoway, Tyler (23 de octubre de 2014). "Suecia tiene un submarino tan letal que la Marina de los EE. UU. lo contrató para que hiciera de villano" . Foxtrot Alpha . Recuperado el 17 de enero de 2017 .
  • Lars Bahnemann (6 de noviembre de 2024). "Impulsando el futuro del submarino: cómo contrarrestar los nuevos desafíos de la guerra antisubmarina con baterías de iones de litio y propulsión independiente del aire" . European Security & Defence .