Propulsione A.I.P.

1.  Premessa

 

Come abbiamo visto, per quasi un secolo i sommergibili (e poi i sottomarini) sono sempre stati dotati di impianti propulsivi convenzionali (Diesel-Elettrici) o atomici.

Quanto sopra è avvenuto, negli anni, attraverso alcuni salti tecnologici fondamentali: partendo dai sistemi D/E iniziali (prima, durante e dopo le due guerre mondiali), attraverso l'avvento dello SNORKEL (subito dopo la fine della II G.M.), fino ad arrivare ai battelli atomici (negli anni 50).

 

Per le ragioni che abbiamo spiegato nelle precedenti sezioni, il piccolo e silenzioso battello convenzionale ha continuato ad essere preferito e ricercato in molti ambiti (per ragioni operative, politiche, economiche, logistiche, etc.). Questo ha spinto i proggettisti (già a partire dagli anni '60) a ricercare soluzioni tecnologiche mirate ad ottenere sottomarini convenzionali sempre più performanti e indipendenti dall'aria (per limitare al minimo l'impiego dello Snorkel, che rende i battelli convenzionali molto vulnerabili in quanto "facilmente" rilevabili dal nemico).

 

Con l'acronimo A.I.P. (Air Indipendent Propulsion) ci si riferisce proprio a dette tecnologie che, ancora oggi, ricercano sistemi propulsivi che consentano ai battelli convenzionali di ricorrere il meno possibile allo Snorkel (facendo quindi a meno dell'aria).

 

Come vedremo, nel corso degli anni, sono stati studiati vari sistemi A.I.P. Alcuni si sono dimostrati efficaci (e vengono attualmente impiegati), altri sono stati abbandonati o superati. Le cause che hanno determinato il successo/insuccesso dell'integrazione di questi sistemi propulsivi a bordo dei battelli, ruotano attorno a questi determinanti fattori :

 

 

 

 

2.  Principali Sistemi A.I.P.

2.a  Sistema " WALTER "

 

Sebbene si tratti di un sistema nato, sviluppato e utilizzato a partire dagli anni '30 (quindi ben prima dell'avvento dello Snorkel o del nucleare), rientra a pieno merito tra i sistemi AIP. Viene dal genio dell'Ingegnere tedesco Helmut Walter (1900-1980) che lo sviluppò presso i cantieri "KRUPP" di Kiel.

 

E' un sistema basato sull'azione di una turbina a gas alimentata da Perossido di Idrogeno H2O2 (acqua ossigenata).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il Perossido di Idrogeno (H2O2), grazie ad un catalizzatore, viene scisso in vapore e ossigeno che vengono miscelati con il gasolio in una camera di combustione. La miscela (gas + vapore) ad alta pressione e alta temperatura muove una turbina a gas e viene convogliata in un condensatore. Qui viene separata acqua che viene reimmessa in ciclo. Il resto viene espulso fuori bordo (con compressori e pompe).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il primo prototipo fu installato su un piccolo battello denominato " V80 " nel 1940.  Durante le prove in mare raggiunse l'incredibile velocità di 28/30 nodi. Nonostante vari problemi legati all'instabilità del Perossido d'Idrogeno, il sistema fu installato su vari battelli della classe XVIIA (320 ton) e XVIIB (400 ton).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il sistema venne inoltre prescelto per essere installato su una nuova classe di battelli della classe XXVI-W (842 ton); l'ordine emesso dal Governo tedesco nel 1944 prevedeva la fornitura di ben 250 unità !! (poi ridotta a 100 unità, per insufficiente capacità produttiva di H2O2 da parte dell'industria tedesca)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Alcuni di questi battelli furono impostati ma nessuno venne completato a seguito della sconfitta della Germania nella II G.M. (con la distruzione dei cantieri di Kiel e di Amburgo).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A guerra finita, questo sistema fu acquisito dagli alleati (UK, USA, URSS) che provarono ad impiegarlo con scarsi risultati (su tutti i battelli sperimentali su cui il sistema Walter venne installato si verificarono gravi esplosioni ed incidenti mortali). Come nel caso del sommergibile britannico " HMS EXPLORER " che, dopo vari gravi incidenti, venne tristemente nominato (dai sommergibilisti inglesi) " EXPLODER ".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CONSIDERAZIONI FINALI

 

Il sistema WALTER, sebbene avvenieristico ai tempi della sua invenzione, non si è mai rivelato sicuro e affidabile. L'unico vero vantaggio consisteva nell'elevata potenza che poteva esprimere e nelle altissime velocità che poteva assicurare.

 

PRO

 

CONTRO

2.b  Sistema  " A.M.P.S. "

 

L'acronimo sta per Autonomous Marine Power Source. E' un sistema che è stato studiato negli anni '80 e che, in teoria, non dovrebbe essere incluso tra i sistemi AIP. Si tratta infatti di un sistema essenzialmente NUCLEARE ma realizzato in modo molto compatto e ridotto. Fu studiato per la Marina Militare Canadese, con il supporto della US Navy americana.

 

L'idea era quella di utilizzare piccoli reattori nucleari (Slow Poke) fino ad allora impiegati nelle Università per fini accademici.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il principio di funzionamento è praticamente identico a quello atomico, impiegato sui battelli nucleari. Rimase solo uno studio. Nessun prototipo fu mai realizzato.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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2.c   Sistema C.C.D.  - DIESEL A CICLO CHIUSO

 

Anche questo sistema deriva da un'idea tedesca studiata negli ultimi anni della II G.M. (in parallelo con il sistema Walter che, tuttavia, venne assolutamente preferito e quindi ulteriomente sostenuto e sviluppato). E' un sistema che ha destato particolare interesse in quanto, apparentemente, impiegabile su comuni battelli Diesel Elettrici, a seguito di un'apposita attività di refitting. Il sistema è infatti essenzialmente rivolto alla modifica di comuni motori diesel (installati su tutti i battelli convenzionali).

 

L'idea di base è quella di mandare all'aspirazione del motore una miscela di gas che simuli l'aria atmosferica (costituita dal 70% di Ossigeno e dal 30% di gas inerte Azoto). Invece di prendere l'aria dall'atmosfera, il motore aspira una miscela di gas composta da Ossigeno puro (da conservare a bordo) e da parte dei gas di scarico prodotti dallo stesso motore (opportunamente puliti e filtrati).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il sistema appare relativamente semplice, ma in realtà evidenzia due criticità non trascurabili. Una consiste nell'esigenza di dotare l'unità di appositi serbatoi di ossigeno (cosa abbastanza comune sui battelli AIP, ma difficile da integrare su un battello già esistente). L'altro punto dolente è la gestione del gas di scarico in eccesso che va smaltito fuori bordo o va stoccato in appositi contenitori.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Anche questo sistema, alla fine della II G.M. fu oggetto di attenzione da parte dello spionaggio alleato. USA e UK non furono particolarmente interessati, a differenza dell'Unione Sovietica che svolse ulteriori ricerche e applicò il sistema a bordo di vari battelli sperimentali, per poi utilizzarlo per un'intera classe di sommergibili (Pr. 615).

A seguito di vari incidenti (connessi con lo stoccaggio dell'ossigeno) e della complessità del sistema, lo stesso fu poi definitivamente abbandonato.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ESPERIENZA ITALIANA

 

Negli anni '70, la società italiana MARITALIA (già SSOS), su un'idea dell'Ingegnere Giunio Santi (oggi, titolare di "GSE Trieste") sviluppò un progetto molto interessante che sarebbe stato propulso dal sistema Diesel a Ciclo Chiuso (CCD Closed Cycle Diesel). Nello stabilimento di Fiumicino (RM) venne studiato un prototipo del motore e furono condotti vari esperimenti.

 

Oltre ad introdurre, per la prima volta in Italia, un'ipotesi di sottomarino AIP, il progetto di Maritalia prevedeva un'altra importante e innovativa soluzione tecnica che consisteva nello scafo TOROIDALE.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lo scafo resistente sarebbe stato costituito non già dalle solite lamiere rinforzate con ossature trasversali a " T ", ma con una serie di toroidi (ciambelloni) di vari diametri, saldati tra loro. Uno scafo di quel tipo, oltre ad assicurare la necessaria robustezza strutturale, aveva il pregio di offrire al battello dei volumi in cui stivare l'ossigeno (all'interno dei toroidi). Lo stesso volume, una volta consumato l'ossigeno, poteva essere utilizzato per stivare i gas di scarico (in eccesso) opportunamente compressi.

 

Questa soluzione toroidale destò particolare attenzione; molta di più di quella che generò il motore CCD (mai perfettamente messo a punto). La soluzione progettuale fu successivamente acquisita da FINCANTIERI (che da sempre costruisce i nostri battelli) che condusse ulteriori studi e varie sperimentazioni. Nonostante risultati abbastanza promettenti, il progetto non ebbe seguito e fu abbandonato.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NOTA:

Anche lo scrivente nel 1992, insieme ad un collega e caro amico, si è cimentato in uno studio universitario mirato alla progettazione di un battello a propulsione CCD. Nel nostro caso, decidemmo di stivare l'ossigeno in una particolare sfera poppiera.

2.d  Sistema " MESMA "

 

L'acromino sta per " Module d'Energie Sous-Marine Autonome ". E' un sistema ideato dai francesi (DCN) che ruota attorno al principio di funzionamento di una Turbina a Gas a ciclo chiuso. Prevede l'uso di ETANOLO e di OSSIGENO che producono una combustione in un bruciatore; il bruciatore fornisce calore al un generatore di vapore che muove una turbina, a cui è assialmente collegato un generatore di corrente. I gas di scarico del bruciatore sono espulsi fuori bordo (preriscaldando l'acqua che va al generatore di vapore).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Il sistema è stato ampiamente sperimentato dai francesi, mediante il refitting di alcuni vecchi battelli della classe "AGOSTA" (3 dei quali venduti alla Marina del Pakistan che, tuttavia, hanno creato non pochi problemi).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il progetto franco-spagnolo " SCORPENE " (battello convenzionale da circa 1600 ton già ordinato da varie marine militari) prevede anche una versione AIP dotata di questo sistema (con un incremento del dislocamento di circa 250 ton). Dopo un iniziale interesse da parte della Marina indiana (che poi ha puntato ad altro), al momento non risultano manifestazioni di interesse da parte di eventuali committenti.

2.e   Sistema STIRLING

 

Si tratta di un sistema ideato e prodotto in Svezia dalla "Kockums" (ora SAAB). Si basa sulla produzione di energia elettrica da parte di un generatore mosso da una "Macchina Alternativa a Combustione ESTERNA".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il principio è molto simile a quello del comune motore a scoppio, ma nel sistema Stirling non c'è "scoppio"; l'espansione del gas che muove lo stantuffo nel cilindro, viene provocata da un surriscaldamento che proviene dall'esterno del cilindro (e non già da una combustione interna al cilindro). Quanto sopra, evidentemente, lo rende molto più silenzioso di un motore a scoppio.

 

Il calore viene generato da un bruciatore che funziona con carburante comune e OSSIGENO; il prodotto di combustione va espulso fuori bordo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Il sistema è stato installato su alcuni battelli svedesi della classe " GOTLAND " e della successiva classe " VASTERGOTLAND" (2 dei quali ceduti alla Marina di Singaopore). La Marina svedese ne ha previsto l'impiego anche per la futura classe denominata " TYPE A26 " che, dopo un'attività contrattuale molto travagliata, dovrebbe portare alla costruzione di due unità di prevista consegna tra il 2024 e 2025.
Lo Stirling della Svedese Kockums (poi SAAB) è stato sempre molto apprezzato dalla Marina giapponese che, grazie ad un accordo con Kawasaki, ha condotto varie sperimentazioni su battelli esistenti (es. "TSS ASASHIO" della classe " Harushio ").
A seguito del successo della sperimenazione sul "ASASHIO" la Marina giapponese ha dato via al successivo programma per la realizzazione di 12 battelli della nuova classe "SORYU" (che sta interessando molto il mercato asiatico ed è già oggetto di vero interesse da parte della Marina indiana).
Anche la Marina cinese ha un suo programma di impiego del sistema Stirling a bordo dei suoi sottomarini. Si tratta di un programma indipendente che si basa su studi condotti in ambito nazionale dal " 711th Research Institute of the China Shipbuilding Heavy Industry Group Corp " che hanno portato alla realizzazione di un motore Stirling cinese, prodotto dalla " Shanghai Qiyao Propulsion Technology Ltd.". Il suo primo impiego sperimentale fu attuato su un grosso battello convenzionale da 6600 ton. della classe " QUING ".









































La Marina cinese ha poi integrato il suo sistema STIRLING a bordo dei battelli della classe " YUAN " (che pare sia in produzione anche la Marina tailandese che ha ordinate 3 unità).





2.f   Sistema a "FUEL CELLS"  (Celle a Combustibile)

Le celle a combustibile sono state largamente impiegate in ambito spaziale già dagli anni '60 (tutte le navicelle  Apollo ne erano dotate) per generare corrente elettrica in modo indipendente dall'aria. La loro integrazione a bordo di un sottomarino è invece stata opera dei tedeschi dei cantieri HDW e della SIEMENS che, già dagli anni '80, avviarono un complesso programma dedicato a questo sistema.

Il principio su cui si basa questo sistema è quello della ELETTROLISI INVERSA.
Nel caso della elettrolisi (normale) sappiamo che in una cella elettrolitica, applicando corrente agli elettrodi, otteniamo il gorgogliamento di Ossigeno e Idrogeno. Nel caso inverso, facciamo gorgogliare Idrogeno e Ossigeno nella soluzione elettrolitica e otteniamo una corrente sugli elettrodi. Sembra una cosa facile ... ma non lo è affatto !
Si tratta, in altre parole, di una scatola magica alla quale fornisco Ossigeno e Idrogeno, ottenendo corrente continua e acqua ! Il tutto in assoluto silenzio, in quanto non c'è alcuna parte meccanica in movimento. E' solo una reazione chimica che, in molti casi, avviene a temperatura ambiente.

Esistono infatti molti tipi di Celle a Combustibile. Noi qui tratteremo quelle a Membrane Polimeriche (PEM - Polymeric Exchange Membranes) che sono attualmente impiegate sui battelli tedeschi e italiani del programma U212A.

Su questi battelli, esiste un normale sistema propulsivo Diesel-Elettrico (dotato di batterie di accumulatori e anche di Snorkel) che ha in più la possibilità di produrre energia elettrica grazie a queste celle.

Ovviamente, per il loro funzionamento, le celle necessitano di ossigeno e idrogeno che il battello deve conservare a bordo. Il sistema di stivaggio può variare ma, normalmente, si usa stivare l'ossigeno allo stato liquido (da far evaporare quando necessario). Per l'idrogeno esistono altri sistemi: quello impiegato dal programma U212A prevede il suo stoccaggio a livello molecolare, all'interno di particolari idruri metallici (metalli porosi, in grado di catturare le molecole di idrogeno).

 

Se il principio di funzionalmento di una fuel cell è semplice, non lo è affatto la sua integrazione a bordo di un sottomarino dove, oltre alle celle stesse, devono anche essere ospitate le scorte dei reagenti necessari (Ossigeno e Idrogeno).

 

Tale complessa opera di integrazione, tuttavia, ha dato vita ad un sistema AIP che, a mio parere, non ha rivali. La possibilità di muoversi nelle aree di operazioni con un sistema di produzione dell'energia che non prevede alcuna parte meccanica in movimento, fornisce infatti un vantaggio tattico enorme (in termini di rumore indotto, di vibrazioni, di segnature, di portate dei sensori, etc.).

 

 

PRO

 

CONTRO

N.N.

I primi esperimenti furono condotti da SIEMENS e HDW negli anni '80 a bordo di un vecchio battello della classe " Type 205 ".
Il sistema a FUEL CELLS è ormai impiegato da molti anni dalla Marina Italiana e da quella Tedesca che, nell'ambito del programma congiunto U212A, hanno realizzato rispettivamente 4 e 6 unità. I risultati operativi ottenuti hanno ampiamente soddisfatto le aspettative. Quanto sopra anche grazie ad altre soluzioni tecnologiche che riguardano la piattaforma (prima fra tutte, quella del Motore Elettrico Principale a magneti permanenti) e il sistema di combattimento.




















Per quanto ha tratto con la Marina Italiana, dopo le prime 4 unità della classe "TODARO", costruite in Italia da Fincantieri, a fine 2020 è partito un nuovo programma di acquisizione di 4 unità del tipo "U212A NFS" (Near Future Submarine) che saranno caratterizzate da ulteriori importanti innovazioni tecnologiche (nel campo idrodinamico, per le batterie, per i sistemi di sollevamento delle antenne, per il sistema di combattimento, etc.).
2021 - Giampiero Ranieri