Ziemowit Sokołowski: Okręty podwodne o napędzie atomowym – turboparowym cz. 11

Dodano: 13 kw. 2023, 6:53

Zastosowanie napędu atomowego w okrętach podwodnych zwiększyło zdecydowanie zarówno prędkość, jak i zasięg w stosunku do okrętów o tradycyjnym napędzie dieslowskim (na powierzchni) i elektrycznym (w zanurzeniu) – przy wykorzystaniu pojemności baterii akumulatorów. W stanie „półzanurzonym” (głębokość peryskopowa) i przy wykorzystaniu tzw. „chrap”, do napędu mogły być również stosowane silniki wysokoprężne. W okresie I wojny światowej max. prędkość w pływaniu nawodnym nie przekraczała 17 węzłów (17 w), tj. 31,5 km/h oraz 10 w (18,5 km/h) w pływaniu podwodnym. W okresie II w. ś. max. prędkość w pływaniu nawodnym wzrosła do 23 w (42,6 km/h), przy zasięgu do kilku tys. Mm. W pływaniu podwodnym zasięg, przy prędkości 10 w, nie przekraczał 100 Mm (185 km).
Dopiero pod sam koniec II w. ś, udoskonalone pod względem kształtu (na podobieństwo wieloryba), niemieckie okręty typu XXI osiągnęły prędkości podwodne do 16 w (29,6 km/h). Zastosowanie wynalazku prof. Helmutha Waltera (turbiny pracującej na paliwie powstałym z rozkładu wody utlenionej) w okrętach typu XXVI, umożliwiło uzyskiwanie prędkości podwodnej rzędu 20 w (37 km/h) przez okres kilku godzin. Dzięki turbinie Waltera okręty uzyskały możliwość jednolitego napędu w pływaniu zarówno pod wodą jak i na jej powierzchni. Nieliczne egzemplarze okrętów z tym napędem oraz konstrukcje wywodzących się z nich, stały się przedmiotem prób dokonywanych w latach powojennych przez Anglików i Amerykanów. Niedopracowany jeszcze wówczas napęd okazał się jednak dosyć kłopotliwy, nie obyło się bez kilku – niegroźnych na szczęście – awarii. W związku z tym brytyjscy marynarze załogi jednego z eksperymentalnych okrętów o nazwie HMS „Explorer”, wykazali się anglosaskim poczuciem humoru, nazywając swoją jednostkę imieniem „Exploder”!.
W okresie politycznego odprężenia, zaraz po wojnie, zaniechano dalszych eksperymentów z turbiną Waltera. Udoskonalony kształt okrętów serii XXI i XXVI stał się jednak pierwowzorem dla późniejszych konstrukcji powojennych.

Jak wcześniej wspomniano, pierwszym atomowym okrętem podwodnym był zbudowany w 1954 roku USS „Nautilus”. Był to okręt o napędzie 2-śrubowym i tradycyjnych jeszcze kształtach kadłuba. Najbardziej spektakularnym jego osiągnięciem było w 1958 r. podwodne przejście z Hawajów przez Cieśninę Beringa i Biegun Północny (w dn 3 VIII) do Portland w Anglii. Było to zresztą jego drugie „podejście” na trasie arktycznej pod lodami bieguna. Pierwsze (w 1957 r.) nie powiodło się z powodów trudności w nawigacji. W podbiegunowych szerokościach geograficznych kompas magnetyczny jest bezużyteczny, a na żyrokompasie również nie można polegać. W sytuacji zanurzenia pod grubą warstwą lodu nie można zastosować innych wypróbowanych sposobów określenia kąta drogi nad dnem oraz pozycji. W rejsie zakończonym sukcesem, pomyślnie przetestowano system nawigacji inercyjnej, stosowany odtąd również w długodystansowym lotnictwie. USS „Nautilus” posiadał wyporność nawodną/podwodną 3,8/4,0 tys. ton. Napęd stanowił reaktor (S2W) Westinghouse, zasilający turbiny parowe o mocy 22 MW (15 tys. KM), z przekazaniem momentu obrotowego na 2 czteroskrzydłowe śruby napędowe. Okręt uzyskiwał w zanurzeniu prędkość 22,5 w (41,7 km/h). Wymiary: długość/szerokość/zanurzenie wynosiły odpowiednio: 97,4 /8,4/ 6,7 m.
Obecnie państwa będące pierwszoplanowymi potęgami na oceanach, tj. USA i Rosja, dysponują atomowymi flotami okrętów podwodnych (z rakietami balistycznymi i uzbrojeniem torpedowym), liczącymi po kilkadziesiąt okrętów – w różnym stanie zaawansowania technicznego. Okręty z tym napędem wchodzą również w skład morskich sił zbrojnych Wielkiej Brytanii i Francji. Napęd atomowy zapewnia okrętom podwodnym praktycznie nieograniczony zasięg oraz czas przebywania w morzu, zarówno pod wodą jak i na powierzchni. Główną barierą w tym względzie stała się wytrzymałość psychofizyczna załóg okrętów. Napęd nuklearny gwarantuje również utrzymywanie nieograniczonych w czasie wysokich prędkości, zarówno na powierzchni jak i pod wodą. System nawigacji inercyjnej pod wodą i na powierzchni oraz system nawigacji satelitarnej na powierzchni, pozwalają na precyzyjne określenie pozycji okrętów w każdym miejscu i czasie. Charakterystyczną cechą współczesnych okrętów podwodnych jest to, że dzięki zoptymalizowaniu kształtu i wymiarów kadłuba, prędkości rozwijane pod wodą są z reguły o kilka węzłów wyższe niż na powierzchni morza. W nowszych typach jednostek prędkości podwodne wyraźnie przekraczają 30 węzłów.
Do napędu okrętów podwodnych służą z reguły 1 do 2 wodnych ciśnieniowych reaktorów atomowych, o sumarycznej mocy w przedziale 11-59 MW (15-80 tys. KM). Reaktory dostarczają parę nasyconą do 1-2 turbin parowych, napędzających śruby o stałym skoku. W okrętach USA, Wielkiej Brytanii i Francji dominuje napęd 1-śrubowy. Łopaty śrub napędowych w liczbie 4-7, mają specyficzny kształt (scythe shaped), „podobny do kosy”, co pozwala uniknąć kawitacji. M.in. dzięki temu uzyskuje się dobrą wydajność, również przy niskich obrotach oraz cichobieżność – tak ważną dla okrętów wojennych.

Niektóre typy rosyjskich okrętów podwodnych, określanych wg nomenklatury amerykańskiej jako: „Typhoon”, „Delta”, „Echo”, „Oscar” i „Yankee-Class” – posiadają napęd 2-śrubowy. Najmniejszym okrętem podwodnym z napędem atomowym jest francuski „Rubis”, posiadający wyporność nawodną/podwodną 2,3/2,6 tys. ton. Największym – rosyjski okręt balistyczny klasy „Typhoon”, zbudowany w 1981 r., o wyporności nawodnej/podwodnej 25 tys. t/30 tys. t. Jego długość wynosi 170 m, zanurzenie 11,5 m i szerokość aż 23 m! Największymi amerykańskimi balistycznymi okrętami podwodnymi, są okręty klasy „Ohio”. Mają tę samą długość, co okręty klasy „Typhoon”, nieco mniejsze zanurzenie (11,1 m) i zdecydowanie mniejszą szerokość – 12,8 m. W związku z tym ich wyporność nawodna/podwodna 16,8/17,7 tys. ton – wynosi 67,2% / 62,3% wyporności ich rosyjskich odpowiedników. Okręty amerykańskie klasy „Ohio” jako źródło energii posiadają reaktor wodny S8G o naturalnej cyrkulacji, dostarczający parę nasyconą do dwóch zestawów turbin o max. mocy 44 MW (60 tys. KM). Jeden zestaw turbin przeznaczony jest do wysokiej, drugi do niskiej prędkości okrętu. Według źródeł angielskich max. prędkość okrętu przekracza 20 w. Dla porównania, rosyjskie okręty typu „Typhoon” wyposażone są w 2 reaktory wodne ciśnieniowe, zaopatrujące w parę turbiny o łącznej mocy 55-59 MW (75-80 tys. KM). Turbiny napędzają 2 śruby, zapewniając max. prędkość 24 w (44,4 km/h). Charakterystyczną cechą architektury tego okrętu jest to, że silosy wyrzutni pocisków balistycznych (w ilości 2 x 10) usytuowane są w przedniej części okrętu, a więc przed kioskiem. Spośród różnorodnych pod względem przeznaczenia i uzbrojenia (co nie jest przedmiotem niniejszego opracowania) okrętów podwodnych o napędzie atomowym, pod względem prędkości wyróżniają się okręty torpedowe (attack submarine) typów: „Los Angeles” (USA) – 31 w, „Sierra” (Rosja) – 32 w, a zwłaszcza „Alfa” (Rosja) – 43 w (79.6 km/h). Problem prędkości wynika m.in. z zastosowania odmiennego niż woda pod ciśnieniem czynnika chłodzącego reaktor. Już na drugim amerykańskim okręcie z napędem atomowym – „Sea Wolf” – zastosowano płynny sód. Sód w postaci płynnej wymaga stałej, bardzo wysokiej temperatury dla uniknięcia krzepnięcia w rurociągach. Eksperyment z płynnym sodem okazał się nieudany, gdyż po 2 latach powrócono do tradycyjnego reaktora chłodzonego wodą. Odmienną substancję chłodzącą reaktor zastosowali Rosjanie na okręcie typu „Alfa”, zbudowanym w 1972 r.- był to płynny bizmut. Prawdopodobnie w wymienniku ciepła uzyskano parę przegrzaną, która napędzając 2 turbiny pozwoliła na uzyskanie bardzo wysokiego wskaźnika 12,8 KM (9,4 kW) / 1 tonę wyporności w zanurzeniu. Analogiczny wskaźnik dla wybranych typów okrętów podwodnych wynosi odpowiednio (w KM/1 tonę wyporności podwodnej): „Typhoon” 2,7, „Ohio” 3,2 , „Delta IV” 5,2, „Sierra” 5,3, „Resolution” 1,8.

„Alfa” to typ stosunkowo niewielkiego okrętu podwodnego o wyporności nawodnej/podwodnej 2,9/3,7 tys. ton, o długości/szerokości/zanurzeniu odpowiednio: 81,4 /9,5 / 7,0 m. Urządzeniami napędowymi są reaktor chłodzony płynnym metalem i 2 turbiny o mocy 34,6 MW (47 tys. KM), napędzające 2 generatory zasilające silnik elektryczny sprzężony z pojedynczą 7-skrzydłową śrubą napędową. Kadłub okrętu wykonany z tytanu pozwala na zanurzenie do 900 m pod powierzchnię morza.
Wielkie poruszenie wśród zachodnich ekspertów wywołało zbudowanie przez Rosjan w 1981 r. podwodnego nosiciela rakiet balistycznych (Ballistic missile submarine) „Typhoon”. Ten niewątpliwie największy na świecie okręt podwodny ma ponadto potężne uzbrojenie w postaci wyrzutni torpedowych usytuowanych na samym dziobie. Szczególne zdumienie wywołała ekstremalnie duża szerokość okrętu, prawie o 80% większa niż porównywanego największego amerykańskiego okrętu balistycznego typu „Ohio”. Przypuszczano, że rosyjski okręt wyposażony jest w dodatkowy napęd magnetohydrodynamiczny (MHD), wywołujący ruch wody morskiej oraz samego okrętu na zasadzie odrzutu. Inna wersja przypuszczeń odnosiła się do napędu działającego na zasadzie tworzenia różnoimiennych pól magnetycznych w wodzie i na okręcie (napęd EMT), zapewniających ruch okrętu w pożądanym kierunku. Obydwa rodzaje napędu nie wymagają pośrednictwa tradycyjnego pędnika, potrzebują natomiast wielkich mocy oraz instalacji dodatkowych urządzeń, dla których niezbędna jest dodatkowa przestrzeń. Być może to właśnie jest przyczyną tak niezwykłej szerokości okrętu.

Zakończenie

Napęd parowy, realizowany w postaci maszyny tłokowej, należy niewątpliwie do przeszłości. Dobrze się jednak stało, że przywiązanie do tradycji i poszanowanie kultury technicznej w pewnych krajach przyczyniło się do zachowania i utrzymania w ruchu niektórych statków napędzanych parową maszyną tłokową. Duże wrażenie robią do dziś tylnokołowe statki pasażerskie, pływające po Missisippi przy dźwiękach tradycyjnego jazzu. Również ponad stuletni, a zachowany w świetnym stanie niewielki statek szwedzki „Sofiero”, żeglujący po rzece Lagan wpadającej do Cieśniny Kattegat, stanowi miejscową atrakcję turystyczną. Wypada w tym miejscu wspomnieć również o polskim holowniku „Nadbór” czy lodołamaczu „Stettin” (Szczecin). Silniki parowe w postaci turbin przetrwają prawdopodobnie na morzach i na lądzie przez jeszcze długi czas, gdyż ich zalety są niepodważalne.
Rozważania na temat tłokowej maszyny parowej byłyby niepełne, gdyby przynajmniej nie wspomnieć o ich zastosowaniu w innych gałęziach transportu. W 1906 r. Fred Marriott na samochodzie parowym „Rockett” o mocy 200 KM pobił rekord prędkości, osiągając 205,4 km/h. W 1936 r. również parowóz po raz pierwszy przekroczył barierę prędkości 200 km/h. W początkowej fazie rozwoju lotnictwa także próbowano zastosować napęd parowy. Np. w 1852 r. Francuz Gifford skonstruował do napędu swego sterowca silnik parowy o mocy 3 KM (2,25 kW). Silnik ważył 150 kg i był uznany w tym czasie za szczyt techniki! Natomiast u schyłku XIX stulecia Clement Adler zbudował do swych samolotów parowe silniki tłokowe o mocy 14,7-22 kW (20-30 KM), o masie 60-90 kg (bez wody ,paliwa i chłodnicy).

Ziemowit Sokołowski