Động lực không phụ thuộc vào không khí AIP (Air-independent propulsion), hoặc năng lượng không phụ thuộc vào không khí, là bất kỳ công nghệ đẩy hàng hải nào cho phép tàu ngầm phi hạt nhân hoạt động mà không cần tiếp cận với oxy trong khí quyển (bằng cách nổi lên mặt nước hoặc sử dụng ống hút khí). AIP có thể tăng cường hoặc thay thế hệ thống động cơ diesel-điện, cũng có nghĩa là tăng thời gian lặn của các tàu phi hạt nhân.
Tàu ngầm phi hạt nhân hiện đại có khả năng “tàng hình” hơn tàu ngầm hạt nhân; mặc dù một số lò phản ứng trên tàu ngầm hiện đại được thiết kế dựa vào tuần hoàn tự nhiên. Hầu hết các lò phản ứng hạt nhân của hải quân đều sử dụng máy bơm để luân chuyển liên tục chất làm mát lò phản ứng, tạo ra một lượng tiếng ồn có thể nghe thấy được. Mặt khác, các tàu ngầm phi hạt nhân chạy bằng năng lượng ắc-quy hoặc AIP có thể gần như im lặng. Trong khi các thiết kế chạy bằng năng lượng hạt nhân vẫn chiếm ưu thế về thời gian lặn, tốc độ, tầm hoạt động và hiệu suất dưới sâu đại dương. Các tàu ngầm tấn công phi hạt nhân nhỏ, công nghệ hiện đại có thể đạt hiệu quả cao trong các hoạt động ven biển và gây ra mối đe dọa đáng kể đối với các tàu ngầm hạt nhân kém tàng hình và kém cơ động hơn.
AIP thường được thực hiện như một nguồn phụ trợ cho động cơ diesel truyền thống cung cấp lực đẩy khi nổi. Hầu hết các hệ thống như vậy tạo ra nguồn điện, từ đó điều khiển một động cơ điện để đẩy hoặc nạp ắc-quy cho tàu. Hệ thống điện của tàu ngầm cũng được sử dụng để cung cấp các tiện ích cao cấp như thông gió, chiếu sáng, sưởi ấm, làm mát… mặc dù điều này tiêu thụ một lượng điện năng nhỏ so với mức cần thiết cho động cơ đẩy.
AIP có thể được trang bị thêm vào tàu ngầm hiện có bằng cách lắp ráp thêm một phần thân tàu. AIP thường không cung cấp độ bền hoặc năng lượng để thay thế lực đẩy phụ thuộc vào không khí, nhưng cho phép độ bền dưới nước lâu hơn so với tàu ngầm chạy bằng động cơ thông thường. Một máy phát điện thông thường điển hình cung cấp tối đa 3 MW và nguồn AIP khoảng 10% trong số đó. Động lực đẩy của tàu ngầm hạt nhân thường lớn hơn nhiều – 20 MW.
Hải quân Hoa Kỳ ký hiệu phân loại các tàu chạy bằng AIP là “SSP”, các tàu ngầm tấn công diesel-điện cổ điển là “SSK”.
Lịch sử
Trong quá trình phát triển tàu ngầm, vấn đề tìm kiếm các dạng động lực đẩy dưới nước một cách thỏa đáng vẫn luôn dai dẳng. Những chiếc tàu ngầm đầu tiên được cung cấp năng lượng bởi con người với các chân vịt quay bằng sức người, chúng nhanh chóng bị sử dụng hết không khí bên trong; những con tàu này phải di chuyển trong phần lớn thời gian trên bề mặt với cửa sập mở hoặc sử dụng một số dạng ống thở, cả hai đều tiềm tàng nguy hiểm và dẫn đến một số vụ tai nạn ban đầu. Sau đó, các tàu chạy bằng động cơ sử dụng khí nén hoặc hơi nước, hoặc điện, phải được sạc lại từ bờ hoặc từ động cơ hiếu khí trên tàu.
Nỗ lực sớm nhất về nhiên liệu có thể đốt cháy hiếu khí là vào năm 1867, khi kỹ sư người Tây Ban Nha Narciso Monturiol đã phát triển thành công động cơ hơi nước hiếu khí hoặc không khí chạy bằng hóa chất.
Năm 1908, Hải quân Đế quốc Nga hạ thủy tàu ngầm Pochtovy, sử dụng động cơ xăng nạp khí nén và thông khí dưới nước.
Hai cách tiếp cận này, sử dụng nhiên liệu cung cấp năng lượng cho hệ thống chu trình mở và cung cấp oxy cho động cơ hiếu khí trong chu trình kín, là đặc điểm của AIP ngày nay.
Các kiểu loại AIP
Động lực độc lập với không khí (phi hạt nhân) có thể ở nhiều dạng khác nhau. Tất cả các tàu ngầm AIP hiện đang hoạt động đều yêu cầu oxy cho AIP, thường được lưu trữ dưới dạng chất lỏng (LOX). Tầm hoạt động của tàu ngầm AIP chủ yếu bị giới hạn bởi lượng LOX mà nó có thể mang theo.
Hệ thống chu trình mở
Trong Thế chiến II, công ty Walter của Đức đã thử nghiệm với các tàu ngầm sử dụng hydro peroxide (đậm đặc cao) thử nghiệm làm nguồn cung cấp oxy dưới nước. Những tuabin hơi nước đã qua sử dụng này sử dụng hơi nước được đốt nóng bằng cách đốt cháy nhiên liệu diesel trong môi trường hơi nước/oxy được tạo ra do sự phân hủy hydro peroxide bằng chất xúc tác kali permanganat.
Một số tàu thử nghiệm đã được sản xuất, mặc dù công việc không phát triển thành bất kỳ tàu chiến đấu khả thi nào. Một nhược điểm là sự không ổn định và khan hiếm nhiên liệu liên quan. Một lý do khác là mặc dù hệ thống tạo ra tốc độ cao dưới nước, nhưng nó lại tốn nhiên liệu quá mức; chiếc tàu đầu tiên, V-80, cần 28 tấn nhiên liệu để di chuyển 50 hl (93 km), và các thiết kế cuối cùng tốt hơn một chút.
Sau chiến tranh, một chiếc tàu Type XVII, U-1407, bị đánh đắm vào cuối Thế chiến II, đã được trục vớt và đưa vào hoạt động trở lại trong Hải quân Hoàng gia với tên gọi HMS Meteorite. Người Anh đã chế tạo hai mẫu cải tiến vào cuối những năm 1950, HMS Explorer và HMS Excalibur. Meteorite không dễ chịu với thủy thủ đoàn của nó, mọi người coi nó là nguy hiểm và dễ bay hơi; con tàu được mô tả chính thức là 75% an toàn. Danh tiếng của Excalibur và Explorer tốt hơn một chút; những chiếc tàu được đặt tên là Excruciater và Exploder.
Liên Xô cũng đã thử nghiệm công nghệ này và một chiếc thử nghiệm đã được chế tạo động cơ Walter sử dụng hydro peroxide.
Hoa Kỳ cũng đã nhận được một tàu Type XVII, U-1406, và tiếp tục bắt đầu hai dự án tàu ngầm AIP. Dự án SCB 66 đã phát triển một tàu ngầm hạng nhỏ thử nghiệm, X-1, được hạ thủy vào tháng 9/1955. Ban đầu nó được cung cấp năng lượng bởi động cơ hydro peroxide/diesel và hệ thống ắc-quy cho đến khi xảy ra vụ nổ nguồn cung cấp hydro peroxide vào ngày 20/5/1957. X-1 sau đó được chuyển đổi thành động cơ diesel-điện.
Dự án thứ hai của Hải quân Hoa Kỳ là tàu ngầm AIP cỡ lớn, dự án SCB 67 vào năm 1950, sau này là SCB 67A. Chiếc tàu ngầm này, được chỉ định là SSX, sẽ có một trong ba động cơ đẩy đang được phát triển:
– động cơ hydro peroxide chu trình mở Walther (được gọi là Alton),
– động cơ hơi nước oxy lỏng (Ellis) và
– tuabin khí AIP (Wolverine).
Đến cuối năm 1951, Hải quân nhận ra rằng mặc dù các thiết kế hạt nhân cạnh tranh nặng hơn do được che chắn, nhưng chúng lại nhỏ gọn hơn ba động cơ AIP: SSX sẽ dài hơn SSN gần 40 feet. SSN có thể sẽ yên tĩnh hơn và ít phức tạp hơn so với công nghệ AIP của thời điểm này. Đến năm 1952 các lò phản ứng hạt nhân đã tiến xa trong quá trình phát triển, có vẻ như tàu ngầm SSX sẽ không cần thiết như một giải pháp tạm thời. Dự án bị hủy bỏ vào ngày 26/10/1953.
Liên Xô và Vương quốc Anh, những quốc gia duy nhất khác được biết là đang thử nghiệm công nghệ này vào thời điểm đó, cũng đã từ bỏ nó khi Mỹ phát triển lò phản ứng hạt nhân đủ nhỏ để đẩy tàu ngầm. Các quốc gia khác, bao gồm Đức và Thụy Điển, sau đó đã bắt đầu phát triển AIP.
Nó được Anh và Liên Xô giữ lại để phóng ngư lôi, mặc dù bị Liên Xô vội vàng bỏ rơi sau thảm kịch HMS Sidon. Cả sự cố này và việc mất tàu ngầm Kursk của Nga đều do tai nạn liên quan đến ngư lôi chạy bằng hydro peroxide.
Động cơ diesel chu trình kín
Công nghệ này sử dụng một động cơ diesel của tàu ngầm có thể hoạt động bình thường ở chế độ nổi, nhưng ở chế độ ngầm cũng có thể sử dụng chất oxy hóa, thường được lưu trữ dưới dạng oxy hóa lỏng. Vì kim loại sẽ cháy trong oxy nguyên chất nên oxy thường được pha loãng với khí thải tái chế. Argon thay thế khí thải khi khởi động động cơ.
Vào cuối những năm 1930, Liên Xô đã thử nghiệm động cơ chu trình kín, và một số tàu nhỏ lớp M đã được chế tạo bằng hệ thống REDO, nhưng không chiếc nào được hoàn thành trước cuộc xâm lược của Đức vào năm 1941.
Trong Thế chiến II, Kriegsmarine của Đức đã thử nghiệm một hệ thống như vậy để thay thế cho hệ thống Walter peroxide, thiết kế các biến thể của tàu ngầm Type XVII U-boat và tàu ngầm loại nhỏ Seehund Type XXVIIB, tương ứng là Type XVIIK và Type XXVIIK, mặc dù cả hai đều không được hoàn thiện trước khi chiến tranh kết thúc.
Sau chiến tranh, Liên Xô đã phát triển tàu ngầm nhỏ lớp Quebec nặng 650 tấn, trong đó có 30 chiếc được chế tạo từ năm 1953 đến năm 1956. Những chiếc này có ba động cơ diesel, hai động cơ thông thường và một động cơ chu trình kín sử dụng oxy lỏng.
Liên Xô gọi loại này là “hệ thống đẩy đơn”, oxy được thêm vào sau khi khí thải đã được lọc qua chất hấp thụ hóa học gốc vôi. Tàu ngầm cũng có thể chạy động cơ diesel bằng ống hút khí. Quebec có ba trục truyền động: động cơ diesel 32D 900 bhp (670 kW) trên trục giữa và hai động cơ diesel M-50P 700 bhp (520 kW) trên trục ngoài. Ngoài ra, một động cơ “creep” 100 mã lực (75 kW) được ghép nối với trục giữa. Tàu có thể chạy ở tốc độ chậm chỉ bằng cách sử dụng động cơ diesel ở giữa.
Bởi vì oxy hóa lỏng không thể được lưu trữ vô thời hạn, những chiếc tàu này không thể hoạt động xa căn cứ. Điều đó thật nguy hiểm; ít nhất 7 tàu ngầm đã bị nổ, và một trong số đó, M-256, bị chìm sau một vụ nổ và hỏa hoạn. Đôi khi chúng được đặt biệt danh là “bật lửa”. Chiếc tàu ngầm cuối cùng sử dụng công nghệ này đã bị loại bỏ vào đầu những năm 1970.
Tàu ngầm Type 205 cũ U-1 của Hải quân Đức (hạ thủy năm 1967) được trang bị động cơ thử nghiệm 3.000 mã lực (2.200 kW).
Tuabin hơi chu trình kín
Hệ thống MESMA của Pháp (Module d’Energie Sous-Marin Autonome) do nhà máy đóng tàu DCNS của Pháp cung cấp. MESMA có sẵn cho các tàu ngầm lớp Agosta 90B và lớp Scorpène. Nó thực chất là một phiên bản sửa đổi của hệ thống đẩy hạt nhân với nhiệt sinh ra từ ethanol và oxy. Cụ thể, một động cơ điện tuabin hơi thông thường chạy bằng hơi nước được tạo ra từ quá trình đốt cháy etanol và oxy dự trữ ở áp suất 60 atm. Quá trình xả áp này cho phép thải khí carbon dioxide ra khỏi tàu ở bất kỳ độ sâu nào mà không cần máy nén khí thải.
Mỗi hệ thống MESMA có giá khoảng 50-60 triệu USD. Khi được lắp đặt trên tàu Scorpènes, nó yêu cầu thêm phần thân tàu dài 8,3 m, nặng 305 tấn vào tàu ngầm và dẫn đến tàu ngầm có thể hoạt động trong hơn 21 ngày dưới nước, tùy thuộc vào các biến số như tốc độ. Trên Agosta 90B, hệ thống AIP cho phép tàu ngầm hoạt động 16 ngày dưới nước và cho nó tầm hoạt động 1.400 hl (2.600 km).
Một bài báo trên Tạp chí Undersea Warfare lưu ý rằng: “mặc dù MESMA có thể cung cấp công suất đầu ra cao hơn các giải pháp thay thế khác, nhưng hiệu quả vốn có của nó là thấp nhất trong số bốn ứng cử viên AIP và tỷ lệ tiêu thụ oxy của nó cũng cao hơn tương ứng.”
Động cơ chu trình Stirling
Công ty đóng tàu Thụy Điển Kockums đã chế tạo 3 tàu ngầm lớp Gotland cho Hải quân Thụy Điển được trang bị động cơ Stirling phụ đốt cháy nhiên liệu diesel bằng oxy hóa lỏng để chạy máy phát điện 75 kW dùng cho động cơ đẩy hoặc ắc-quy sạc. Khả năng chịu đựng dưới nước của những con tàu 1.500 tấn là khoảng 14 ngày ở tốc độ 5 hl/g (9,3 km/h), với tầm hoạt động xấp xỉ 1.700 hl.
Kockums đã tân trang và nâng cấp các tàu ngầm lớp Västergötland của Thụy Điển với phần plugin Stirling AIP. 2 chiếc (Södermanland và Östergötland) đang phục vụ tại Thụy Điển với tên gọi lớp Södermanland, và hai chiếc khác đang phục vụ tại Singapore với tên gọi Archer (Archer và Swordsman).
Kockums cũng giao động cơ Stirling cho Nhật Bản. 10 tàu ngầm Nhật Bản được trang bị động cơ Stirling. Tàu ngầm đầu tiên trong lớp, Sōryū, được hạ thủy vào ngày 5/12/2007 và được giao cho hải quân vào tháng 3/2009. Chiếc thứ 11 của lớp là chiếc đầu tiên được trang bị pin lithium-ion mà không có động cơ Stirling. Tàu ngầm này có thể có tầm hoạt động từ AIP là 6500 hl và có thể lặn trong 40 ngày.
Tàu ngầm lớp Blekinge mới của Thụy Điển có hệ thống AIP Stirling làm nguồn năng lượng chính. Khả năng đi biển khi lặn sẽ là hơn 18 ngày ở tốc độ 5 hl/g khi sử dụng AIP.
Pin nhiên liệu (fuel cells)
Siemens đã phát triển một đơn vị pin nhiên liệu 30-50 kW, một thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu và chất oxy hóa thành điện năng. Pin nhiên liệu khác với pin ở chỗ chúng yêu cầu nguồn nhiên liệu liên tục (chẳng hạn như hydro) và oxy, được vận chuyển trong bình chứa chịu áp để duy trì phản ứng hóa học. 9 trong số các thiết bị này được tích hợp vào tàu ngầm U-31 1.830 tấn của HDW (Howaldtswerke Deutsche Werft AG), tàu dẫn đầu Type 212A của Hải quân Đức. Các tàu khác thuộc lớp này và tàu ngầm xuất khẩu được trang bị AIP của HDW, lớp Dolphin, Type 209 mod và Type 214, sử dụng hai mô-đun 120 kW (160 mã lực), cũng của Siemens. Type 212 có thể lặn trong 21 ngày; một chiếc tàu ngầm như vậy đã thực hiện hành trình 1.600 hl chỉ bằng AIP vào năm 2016.
Sau thành công của HDW trong các hoạt động xuất khẩu, một số nhà chế tạo đã phát triển các bộ phận phụ trợ pin nhiên liệu cho tàu ngầm, nhưng tính đến năm 2008, không có nhà máy đóng tàu nào khác có hợp đồng đóng tàu ngầm được trang bị như vậy.
AIP được triển khai trên lớp S-80 của Hải quân Tây Ban Nha dựa trên bộ xử lý etanol sinh học (do Hynergreen từ Abengoa, SA cung cấp) bao gồm buồng phản ứng và một số lò phản ứng Coprox trung gian, biến BioEtOH thành hydro có độ tinh khiết cao. Đầu ra cung cấp cho một loạt pin nhiên liệu từ Collins Aerospace (cũng cung cấp pin nhiên liệu cho Tàu con thoi).
Công cụ cải tổ được cung cấp nhiên liệu bằng etanol sinh học và oxy (được lưu trữ dưới dạng chất lỏng trong bể đông lạnh áp suất cao), tạo ra hydro dưới dạng sản phẩm phụ. Hydro được tạo ra và nhiều oxy hơn được cung cấp cho các pin nhiên liệu.
Trung Quốc đã và đang nghiên cứu động cơ pin nhiên liệu cho tàu ngầm AIP. Viện Vật lý Hóa học Đại Liên được cho là đã phát triển động cơ pin nhiên liệu 100 kW và 1000 kW.
Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Vật liệu Hải quân của Tổ chức Nghiên cứu và Phát triển Quốc phòng Ấn Độ phối hợp với Larsen & Toubro và Thermax đã phát triển pin nhiên liệu axit photphoric 270 kW (PAFC) để cung cấp năng lượng cho tàu ngầm lớp Kalvari dựa trên thiết kế Scorpène. Tất cả 6 tàu ngầm lớp Kalvari sẽ được trang bị thêm AIP trong lần nâng cấp đầu tiên. Nó tạo ra điện bằng cách phản ứng với hydro được tạo ra từ natri borohydride và oxy được lưu trữ với axit photphoric đóng vai trò là chất điện phân.
Các tàu ngầm lớp Tridente của Hải quân Bồ Đào Nha cũng được trang bị pin nhiên liệu.
Điện hạt nhân
Động lực đẩy không phụ thuộc vào không khí là một thuật ngữ thường được sử dụng trong bối cảnh cải thiện hiệu suất của các tàu ngầm chạy bằng động cơ thông thường. Tuy nhiên, với vai trò là nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ, điện hạt nhân nằm trong định nghĩa kỹ thuật của AIP. Ví dụ, đề xuất sử dụng một lò phản ứng nhỏ 200 kW cho năng lượng phụ trợ-được AECL đặt tên là “pin hạt nhân” – có thể cải thiện khả năng hoạt động dưới băng của các tàu ngầm Canada.
Lò phản ứng hạt nhân đã được sử dụng từ những năm 1950 để cung cấp năng lượng cho tàu ngầm. Tàu ngầm đầu tiên như vậy là USS Nautilus được đưa vào hoạt động năm 1954. Ngày nay, Trung Quốc, Pháp, Ấn Độ, Nga, Anh và Mỹ là những quốc gia duy nhất đã chế tạo và vận hành thành công tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân.
Tàu ngầm AIP phi hạt nhân
Tính đến năm 2017, khoảng 10 quốc gia đang chế tạo tàu ngầm AIP với gần 20 quốc gia vận hành tàu ngầm dựa trên AIP:
– Đức (Pin nhiên liệu): lớp Dolphin; Type 209-1400mod; Type 212; Type 214; Type 218 Singapore 2 đang được xây dựng / 2 kế hoạch nữa, dự kiến giao hàng đầu tiên vào năm 2020.
– Thụy Điển (AIP Stirling): lớp Gotland.
– Nhật Bản (AIP Stirling): lớp Harushio và lớp Soryū.
– Pháp (MESMA): Agosta 90B, Scorpène.
– Tây Ban Nha (Pin nhiên liệu): lớp S-80.
– Ấn Độ (Pin nhiên liệu): lớp Kalvari.
– Nga (Pin nhiên liệu): Project 677 (lớp Lada); Project 1650 (lớp Amur).
– Trung Quốc (AIP Stirling): Type 041 (lớp Yuan); Type 032 (lớp Qing).
– Hàn Quốc (Pin nhiên liệu): lớp Dosan Ahn Changho./.
