Ponorky třídy Gotland - Evoluce švédského pohonu AIP

Autor : Ivan ˝Zajcev˝ Zajac / Zajcev 🕔22.05.2011 📕13.708

Neutrální Švédsko bylo ve vývoji ponorek vždy do značné míry samostatné, ale v průběhu druhé světové války začalo být patrné, že švédská konstrukční škola poněkud zaostává za světovým vývojem. Nečekaným, ale o to cennějším zdrojem informací pro ni proto byla německá ponorka U 3503 pokrokové třídy XXI. Tu potopila její posádka na konci války ve švédských teritoriálních vodách. Po vyzdvižení v roce 1946 prošla důkladným rozborem. S využitím získaných poznatků bylo v letech 1953 až 1960 postaveno šest jednotek první švédské poválečné třídy Hajen (typ A 10), s výtlakem pod hladinou dosahujícím 900 t. Ty patřily k typickým poválečným ponorkám, jejichž konzervativní, i když důkladně vyhlazený tvar trupu indikoval, že jejich konstruktéři stále kladli značný důraz na dosažení vysoké rychlosti na hladině.

Za první skutečně moderní švédské ponorky se dá považovat až další třída Sjöormen (A 11), jejíž dlouhý vývoj začal v roce 1954. V průběhu vývoje však byla zavržena její původní podoba A 11 a do konstrukce byla zapracována řada nových řešení. Při vývoji vylepšené verze A 11B se Švédové se nechali inspirovat americkou experimentální ponorkou USS Albacore, dokončenou v roce 1953.

Po vzoru USS Albacore

USS Albacore byla na svou dobu revoluční konstrukcí, která ovlivnila další vývoj ponorek na celém světě. Základní myšlenkou konstruktérů bylo optimalizování konstrukce pro výkony pod hladinou, s tím, že výkony na hladině byly obětovány. Za tímto účelem použili nový kapkovitý tvar trupu s kruhovým průřezem po celé délce, nazvaný příznačně „body of revolution“. Tento tvar zajišťoval optimální ob tékání vodou, s čímž souvisela další dů ležitá změna – ponorka byla poháněna jen jedním šroubem umí stěným v ose trupu. Záď ve tvaru kuželu totiž zajistila, že voda sminimem turbulencí proudící na šroub výrazně zvýšila jeho účinnost. Použití jednoho šroubu s větším průměrem umožnilo snížit jeho otáčky a tím i hlučnost, přičemž účinností nadále překonával tehdy standardní řešení se dvěma rychlootáčkovými šrouby menšího průměru. Balastní nádrže, do té doby obvykle umístěné po stranách tlakového trupu, byly přesunuty před a za něj. To umožnilo, aby byl průměr tlakového trupu jen o málo menší než průměr vnějšího lehkého trupu ponorky. Tlakový trup USS Albacore měl proto podstatně větší průměr než v případě starších ponorek a mohl pojmout více palub. Zde je nutné zdůraznit, že právě plocha vnitřních palub je jeden z kriticky důležitých faktorů při konstrukci ponorky, protože se od ní přímo odvíjí vybavení, které může ponorka nést. Použití tří palub u USS Albacore umožnilo značně zkrátit její trup proti ponorkám smenším počtem palub, při zachování stejného vnitřního objemu. Menší poměr délky k šířce měl za následek značné zvýšení obratnosti ponorky. Kapkovitý trup dále zajistil velmi dobrou stabilitu i při plavbě vysokými rychlostmi, což byl problém, který trápil všechny typy s klasickým tvarem trupu. Při porovnání s klasickou ponorkou o stejném výtlaku měla USS Albacore celkově menší plochu povrchu trupu, což snižovalo jeho odpor. V první fázi testů dosáhla ponorka pod hladinou rychlosti až 25 uzlů v dobách, kdy první jaderná ponorka USS Nautilus s bídou překračovala 23 uzlů.

Tím však příspěvek USS Albacore k ponorkové revoluci zdaleka neskončil. V průběhu její 19leté kariéry prošla celkem pěti fázemi testů dalších nových řešení. V první fázi byla záďová kormidla přesunuta před šroub, což zlepšilo jejich účinnost. V třetí fázi byla tato křížová kormidla nahrazena dalším pokrokovým řešením, kormidly do X. Jejich plocha mohla být zmenšena díky faktu, že na změně směru plavby nebo hloubky ponorky se podílely všechny čtyři současně, a ne jen polovina jako v případě kormidel křížových. Menší plocha kormidel dále přispívala ke snížení odporu ponorky.

Švédsko mělo v 50. letech velmi dobré vztahy s USA, s čímž souvisel také přístup k vojenským technologiím. Švédští konstruktéři tak mohli být zasvěceni do tajů konstrukce USS Albacore. Aplikace všech novinek do návrhu typu A 11B však byla náročným předsevzetím a vedla ke značnému zdržení ve vývoji. Potřeba nových ponorek ale byla urgentní, a Švédové se proto rozhodli uplatnit část řešení na přechodné třídě Draken (A 12). V letech 1957 až 1962 bylo postaveno šest těchto ponorek, představujících mírně zvětšený a zdokonalený typ Hajen. Lišily se použitím dieselelektrického pohonu, kde diesely poháněly pouze generátory proudu a ne také přímo hřídele šroubů jako doposud. Dále byla záď upravena pro použití jen jednoho „tichého“ nízkootáčkového šroubu, poháněného přímo elektromotorem, a nová byla i zadní křížová kormidla umístěná před šroubem.

Sjöormen bez AIP

Vývoj třídy A 11B byl nakonec dokončen až v roce 1963. Vnější tvar trupu a poloha věže v jeho přední části byly odvozeny od USS Albacore. Třída Sjöormen však ani zdaleka nepředstavovala její kopii. Pro maximální využití vnitrního objemu Švédové zvolili plnější linie trupu na přídi a zádi. Celkově se konstruktéři nehnali za maximální možnou rychlostí. Menší odpor kapkovitého trupu byl využit spíše k tomu, aby pro plavbu stejnou rychlostí ponorka potřebovala menší výkon pohonu, což přispívalo ke zvýšení výdrže akumulátorů. Od USS Albacore byla převzata také kormidla do X. Ta kromě výše zmíněné výhody nepřesahovala obrys trupu a umožnila dosednutí ponorky na dno bez hrozby jejich poškození. Tato taktika byla používána k ukrytí ponorky před protivníkem a optimální pro ni byla mělká moře jako Balt. A 11B se od svého vzoru lišila použitím jednotrupé koncepce místo koncepce dvoutrupé a pouze dvěma palubami v tlakovém trupu, což bylo diktováno jeho menšími rozměry. Švédové zavedli také řadu novinek. Aplikace široké automatizace procesů v ovládání ponorky a jejího pohonu jim umožnila snížit počet členů posádky proti předešlým člunům o třetinu. Například nový systém řízení umožňoval manévrovat s ponorkou jen jednomu muži oproti dosavadním třem. Na rozdíl od předešlých ponorek se přední hloubková kormidla přestěhovala z trupu na věž, kde hluk způsobený obtékáním vody kolem nich méně rušil činnost příďového sonaru. Dalším novým švédským řešením bylo použití torpédometů dvou ráží. Větší 533mm byly určeny hlavně pro protilodní torpéda, menší 400mm pro lehká protiponorková torpéda. Jejich dosah a účinek bojové hlavice měly v podmínkách Baltu postačovat na ničení ponorek protivníka a vzhledem k faktu, že byly podstatně menší, došlo k úspoře vnitřního prostoru bez snížení počtu nesených zbraní. V letech 1965 až 1969 bylo postaveno pět ponorek třídy Sjöormen.


Ponorka Näcken byla použita k otestování pohonu Stirling AIP

Velmi málo známou skutečností je, že pro A 11B se původně počítalo s další technickou novinkou – pohonem nezávislým na dodávkách atmosférického vzduchu (AIP – Air Independent Propulsion). Pohon AIP měl minimalizovat nutnost použití šnorchlu nebo vynoření ponorky pro doplnění kyslíku, potřebného k činnosti dieselgenerátorů. Tím by se výrazně snížilo riziko jejího odhalení. Konstruktéři loděnic Kockums již od 50. let zvažovali různé typy dieselů s uzavřeným pracovním cyklem. Ty však byly zavrženy pro tehdy nepřekonatelné technické problémy a v 60. letech se zájem zaměřil na palivové články a tzv. Stirlingův motor. Ani zde Švédové nedosáhli většího úspěchu, protože požadavky námořnictva daleko přesahovaly technologické možnosti své doby (a přiznejme reálně i dnešní doby). Požadován byl totiž pohon AIP, který měl být hlavním zdrojem energie pro ponorku nejen při plavbě pod hladinou, ale i na hladině. Klasické akumulátory měly být z velké míry vypuštěny a pro případy nouze měla zůstat jen malá rezervní sada, dobíjená malým diesel - generátorem. Nakonec tak bylo od pohonu AIP pro třídu Sjöormen upuštěno a byla použita klasická dieselelektrická soustava. Jedinou novinkou bylo použití nových kompaktních vysokootáčkových dieselů, přeplňovaných turbodmychadly.

Koketování s pohonem AIP však neskončilo po neúspěchu s jeho aplikací u třídy Sjöormen. Následující roky se intenzivně pracovalo na jeho uvedení do provozuschopné formy. Švédové své další snahy soustředili na Stirlingův motor. Koncem 60. let loděnice Kockums koupily od nizozemské firmy Philips, která se vývojem tohoto motoru zabývala již delší dobu, potřebné licence. Dále byl zakoupen poloviční balík akcií firmy United Stirling, čímž byl získán přístup k technologiím. Vývoj ponorkové aplikace Stirlingova motoru se po předešlých zkušenostech zaměřil na jeho využití v AIP, určené jako pomocný pohon s relativně malým výkonem. Ten měl být schopen dlouhodobě zásobovat ponorku energií pouze při plavbě malou rychlostí pod hladinou, kdy jsou energetické nároky na pohon relativně nízké. Nemělo se již tedy jednat o pohon hlavní, se kterým by mohla ponorka vyvinout plnou rychlost.

Poslední konvenční třídy

Vývoj funkčního pohonu AIP však byl mimořádně náročnou úlohou a vyžadoval dlouhý čas. Souběžně s ním proto byly stavěny další typy ponorek s výlučně konvenčním pohonem.


Ponorky třídy Västergötland jsou přímými předchůdci třídy Gotland

Následovníky třídy Sjöormen byly tři poněkud menší jednotky třídy Näcken (A 14), postavené v letech 1972 až 1981. U nich byl použit upravený tvar trupu, který byl s menšími změnami převzat i dalšími třídami. Vyznačoval se zachováním konstantního průměru na většině délky, což zjednodušilo technologii výroby. Proti třídě Sjöormen byla použita plnější příď, která umožnila zvětšit počet 533mm torpédometů ze čtyř na šest a pou žít větší anténu příďového sonaru. Dále byla třída vybavena výrazným hrbem (lehkým trupem) na vrchu tlakového trupu pro usnadnění pohybu posádky na hladině. Věž se přesunula z přední části trupu ke středu a počet vodotěsných sekcí tlakového trupu byl snížen z pěti na pouhé dvě. Toto řešení snižující v případě průniku vody bezpečnost ponorek se stalo standardem nejen ve Švédsku, ale také v jiných západních zemích. Jeho nevýhodu evidentně převážily výhody v podobě většího vnitřního prostoru, možnost jeho efektivnějšího využití a úspory hmotnosti. Nový automatizovaný bojový řídicí systém přispěl k další redukci posádek ponorek a současně zvětšoval jejich bojové schopnosti. U třídy Näcken se poprvé upustilo od přehledového periskopu a stejně jako další švédské ponorky byla vybavena jen útočným periskopem. Proti typu A 11B došlo ke zmenšení průměru tlakového trupu o 0,37 m, což omezilo vnitřní prostor. Typ A 14 se z tohoto důvodu musel spokojit jen s jedním dieselgenerátorem.


Stirlingův motor 4V-275R vyvinutý firmou Kockums pro aplikaci na ponorkách

I navzdory velkým vylepšením nepanovala s třídou Näcken úplná spokojenost, což lze připisovat také omezené bezpečnosti dané použitím jen jednoho dieselu. Její stavba byla zastavena ve prospěch dokonalejšího typu A 17, který měl nahradit stárnoucí Drakeny. U něj bylo požadováno zlepšení schopnosti protiponorkového boje, což mělo být dosaženo instalací pokročilého hydrolokačního komplexu s bočními sonary a nového integrovaného bojového řídicího systému. Průměr tlakového trupu byl zvětšen zpět na 6,06 m a výzbroj byla zesílena o jeden 400mm torpédomet. Ponorky byly pokryty anechoickým potahem tlumícím emise jejich vlastního hluku a částečně pohlcujícím „pingy“ aktivních sonarů protivníka. V letech 1983 až 1990 byly postaveny celkem čtyři jednotky této třídy, pojmenované Västergötland.


Gotland během stavby. Jasně je vidět charakteristický tvar trup zavedený poprvé ve třídě Näcken

Počátkem 80. let dospěl do pokročilého stadia rovněž vývoj Stirlingova motoru. Jeho výsledkem se stal vidlicový čtyřválec 4V-275R s krátkodobým maximálním výkonem 75 kW (trvalým 65 kW) při 2000 ot/min. Stejně jako u všech variací Stirlingových motorů je u něj spalování externím procesem, který neprobíhá přímo v pracovních válcích, ale v externí spalovací komoře. Vzniklá tepelná energie je prostřednictvím výměníku tepla předávána přes stěny válců pracovnímu médiu, kterým je přesně vypočtený objem inertního plynu. Konstruktéři firmy Kockmus z důvodů vyšší bezpečnosti na ponorkách upřednostnili helium před vodíkem. Dodané teplo způsobuje rozpínání inertního plynu ve válcích, což vyvolává pohyb pístů. Následně je horký plyn z válců odváděn do chladiče k ochlazení a poté se vrací zpět do válců a celý cyklus se opakuje. Pohyb pístů je klikovou hřídelí přenášen na generátor proudu. Vzniklou elektrickou energií se pak pohání hlavní elektromotor, nebo se nabíjejí akumulátory ponorky. Motor 4V-275R spaluje klasickou naftu a jako okysličovadlo mu slouží kyslík skladovaný v tekuté formě pod tlakem 30 atmosfér v kryogenních nádržích. Spotřeba na kW vyrobeného výkonu je 250 g paliva a 950 g kyslíku. Zajímavým řešením je, že helium se ve válcích nachází jen v případě činnosti motoru. V opačném případě je odsáto do skladovacích nádrží a do válců je napuštěn dusík. K jejich výměně opět dochází při nastartování motoru.

Stirling firmy

Kockums Externí spalování Stirlingových motorů na rozdíl od spalování interního (jako například u dieselů pracujících v uzavřeném cyklu) odděluje spalovací proces od procesů, měnících tepelnou energii na mechanickou práci. To přináší celou řadu výhod. Spalování v externí komoře je plynulým procesem a ne sérií explozí, jako v případě spalování ve válcích. Stirlingův motor proto vykazuje pouze minimální vibrace a jeho chod je velmi tichý. Hlučnost ponorky, která ho používá, je podstatně menší než hlučnost konvenční ponorky dobíjející akumulátory dieselgenerátory za užití šnorchlu. Projektanti firmy Kockums se lišácky vypořádali s potřebou odvádění výfukových zplodin pod hladinou. Spalovací komora je přetlaková a spalování v ní probíhá pod tlakem 20 atmosfér (limitem komory je 30 atmosfér), tedy vyšším než tlak okolní vody do hloubky 200 m. Zplodiny tak mo hou být do této hloubky odváděny přímo do vody bez potřeby jejich „tlakování“ kompre sorem, který by představoval další nechtěný zdroj hluku. Maximální hloubka, ve které do káže motor 4V- 275R bez úprav výfukového systému pracovat, je 300 metrů. To je ale dosažitelné jen za vy užití limitního tlaku komory při spalování. Výfukový systém je vybaven chladičem zplodin, který je ochlazuje z cca 700°-750° na pouhých 25°. Zplodiny se při vypouštění z ponorky speciálním difusorem mísí s okolní vodou, čímž dochází k jejich dalšímu ochlazování. Výslední IČ stopa ponorek používajících tento pohon je minimální. Navíc se při tomto procesu vytváří minimum bublin, které by mohly demaskovat polohu ponorky.


Ponorky třídy Gotland byly vyvíjeny jako náhrada za třídu Sjöormen

Firma Kockums zahájila testování samotného motoru na pozemním stendu v roce 1983. Souběžně běžel vývoj celého pohonu (pro zjednodušení dále jen Stirling AIP) se všemi potřebnými subsystémy. Pro usnadnění jeho instalace na nových ponorkách byla soustava rozdělena do několika modulů. Problémovější však byla jeho instalace na starší ponorky, které obvykle nemají dostatek volného prostoru. Řešení se našlo v umístění celého pohonu do samostatné trupové sekce, kterou se měl prodloužit trup ponorky. Sekce měla být navržena tak, aby si vynutila co nejmenší změny ve vnitřní konstrukci původních částí trupu. Projektanti firmy Kockums začali její studie v roce 1984 a v prosinci téhož roku došlo k objednání experimentální sekce s jedním motorem, nazvané Kraftmyggan. Dodána byla v roce 1985 a zkušební tým švédského námořnictva zanedlouho začal s jejími zkouškami v zaplaveném doku.


Ponorkou Sjöormen byla zahájena současná větev vývoje švédských ponorek. Kapkovitý tvar trupu, zaoblená příď a kormidla do X jsou dědictvím po experimentální ponorce USS Albacore

Porovnání TTD ponorek třídy Gotland s jejich předchůdci

Třída Sjöormen Näcken Västergötland Gotland
Výtlak na hladině (t) 1 130 980 1 070 1 384
Výtlak pod hladinou (t) 1 210 1 050 1 143 1 494
Max. délka trupu (m) 50,0 49,5 48,5 60,6
Max. šířka trupu (m) 6,06 5,7 6,06 6,06
Ponor na hladině (m) 5,1 5,5 5,6 5,6
Výkon dieselů (kW) 2x 810 1x 1325 2x 795 2x 960
Výkonu pohonu AIP (kW) - - - 2x 75
Výkonu elektromotoru (kW) 1x 1 100 1x 1 100 1x 1 320 1x 1 320
Max. rychlost pod hladinou (uzly) 20 20 20 20
Max. rychlost na hladině (uzly) 15 10 11 10
Operační hloubka ponoření (m) 150 150 300 200
Počet torpédometů x ráže v mm (palebný průměr torpéd) 4x 533 (8)
2x 400 (4)
6x 533 (8)
2x 400 (4)
6x 533 (12)
3x 400 (6)
4x 533 (12)
2x 400 (4)
Posádka 23 19 20 23
Autor : Ivan ˝Zajcev˝ Zajac / Zajcev 🕔22.05.2011 📕13.708

Komentáře Disqus

Komentáře Facebook

Sociální sítě

Reklama

Poslední komentáře