La propulsión independiente del aire ( AIP ), o potencia independiente del aire , es cualquier tecnología de propulsión marina que permite a un submarino no nuclear operar sin acceso al oxígeno atmosférico (saliendo a la superficie o usando un snorkel ). AIP puede aumentar o reemplazar el sistema de propulsión diesel-eléctrico de buques no nucleares.
Los submarinos no nucleares modernos son potencialmente más sigilosos que los submarinos nucleares ; Aunque algunos reactores 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] Los submarinos no nucleares que funcionan con baterías o AIP, por otro lado, pueden ser prácticamente silenciosos. Si bien los diseños de propulsión nuclear todavía dominan en tiempos de inmersión, la velocidad, el alcance y el rendimiento en las profundidades del océano; Los submarinos de ataque no nucleares pequeños y de alta tecnología pueden ser muy eficaces en operaciones costeras y representar una amenaza importante para los submarinos nucleares menos sigilosos y menos maniobrables. [3]
El AIP generalmente se implementa como una fuente auxiliar, y el motor diésel tradicional se encarga de la propulsión de superficie. La mayoría de estos sistemas generan electricidad, que a su vez acciona un motor eléctrico para propulsión o recarga las baterías del barco . El sistema eléctrico del submarino también se utiliza para proporcionar "servicios de hotel" (ventilación, iluminación, calefacción, etc.), aunque consume una pequeña cantidad de energía en comparación con la necesaria para la propulsión.
El AIP se puede adaptar a los cascos de submarinos existentes insertando una sección de casco adicional. Por lo general, el AIP no proporciona la resistencia o la potencia para reemplazar la propulsión dependiente de la atmósfera, pero permite una resistencia bajo el agua más larga que un submarino de propulsión convencional. Una central eléctrica convencional típica proporciona un máximo de 3 megavatios y una fuente AIP alrededor del 10% de esa cantidad. [ cita necesaria ] 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 barcos propulsados por AIP, aunque conserva "SSK" para los clásicos submarinos de ataque diésel-eléctricos . [a]
En el desarrollo del submarino, el problema de encontrar formas satisfactorias de propulsión bajo el agua ha sido persistente. Los primeros submarinos eran propulsados por personas con hélices de manivela, que rápidamente consumían el aire del interior; Estos buques tenían que moverse durante gran parte del tiempo en la superficie con escotillas abiertas o utilizar algún tipo de tubo de respiración, ambos intrínsecamente peligrosos y que provocaban una serie de accidentes tempranos. Posteriormente, los barcos de propulsión mecánica utilizaban aire comprimido, vapor o electricidad, que debía recargarse desde tierra o desde un motor aeróbico a bordo.
El primer intento de crear un combustible que se quemara anaeróbicamente fue en 1867, cuando el ingeniero español Narciso Monturiol desarrolló con éxito una máquina de vapor anaeróbica o independiente del aire propulsada químicamente. [4] [5]
En 1908 la Armada Imperial Rusa botó el submarino Pochtovy , que utilizaba un motor de gasolina alimentado con aire comprimido y expulsado 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 ciclo cerrado, caracterizan hoy en día al AIP.
La propulsión independiente del aire (no nuclear) puede adoptar diversas formas. Todos los submarinos AIP actualmente activos requieren oxígeno para el AIP, que comúnmente se almacena en forma líquida (LOX). El alcance del submarino AIP está limitado principalmente por la cantidad de LOX que puede transportar. [6]
Durante la Segunda Guerra Mundial, la empresa alemana Walter experimentó con submarinos que utilizaban peróxido de hidrógeno de alta prueba (concentrado) como fuente de oxígeno bajo el agua. Estas turbinas de vapor utilizadas , empleando vapor calentado mediante la quema de combustible diesel en la atmósfera de vapor/oxígeno creada por la descomposición del peróxido de hidrógeno mediante un catalizador de permanganato de potasio .
Se produjeron varios barcos experimentales, aunque el trabajo no maduró hasta convertirse en ningún barco de combate viable. Un inconveniente fue la inestabilidad y escasez del combustible involucrado. Otra fue que, si bien el sistema producía altas velocidades bajo el agua, consumía mucho combustible; el primer barco, el V-80 , requirió 28 toneladas de combustible para viajar 50 millas náuticas (93 kilómetros), y los diseños finales no fueron mucho mejores.
Después de la guerra, un barco Tipo XVII, el U-1407 , que había sido hundido al final de la Segunda Guerra Mundial , fue rescatado y puesto nuevamente en servicio en la Royal Navy como HMS Meteorite . Los británicos construyeron dos modelos mejorados a finales de la década de 1950, el HMS Explorer y el HMS Excalibur . Meteorito no era popular entre sus tripulaciones, que lo consideraban peligroso y volátil; fue descrita oficialmente como 75% segura. [7] La reputación de Excalibur y Explorer no era mucho mejor; los barcos 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 barco Tipo XVII, el U-1406 , y comenzó dos proyectos de submarinos AIP. El Proyecto SCB 66 desarrolló un submarino enano experimental , X-1 , que fue lanzado en septiembre de 1955. Originalmente estaba propulsado por un motor de peróxido de hidrógeno/diesel y un sistema de batería hasta una explosión de su suministro de peróxido de hidrógeno el 20 de mayo de 1957. X-1 Posteriormente se convirtió en 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, más tarde SCB 67A. Este submarino, designado SSX, tendría 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 dio cuenta de que, si bien los diseños nucleares competidores eran más pesados debido al blindaje, eran más compactos que las tres plantas AIP: la SSX sería más larga que la SSN en casi 40 pies. El SSN probablemente sería más silencioso y menos complicado que la tecnología AIP de esta época. En 1952, los reactores nucleares estaban tan avanzados en su desarrollo que parecía que el submarino SSX no sería necesario como solución provisional. El proyecto fue cancelado el 26 de octubre de 1953. [11]
La URSS y el Reino Unido, los únicos otros países que se sabe que estaban experimentando con esta tecnología en ese momento, también la abandonaron cuando Estados Unidos desarrolló el reactor nuclear lo suficientemente pequeño para la propulsión submarina. Otras naciones, incluidas Alemania y Suecia, reiniciarían más tarde el desarrollo del AIP.
Los británicos y la Unión Soviética lo conservaron para propulsar torpedos , aunque los primeros lo abandonaron apresuradamente tras la tragedia del HMS Sidon . Tanto esto como la pérdida del submarino ruso Kursk se debieron a accidentes con torpedos propulsados por peróxido de hidrógeno.
Esta tecnología utiliza un motor diésel submarino que puede funcionar de forma convencional en la superficie, pero que también puede recibir oxidante , normalmente almacenado como oxígeno líquido , cuando está sumergido. Dado que el metal de un motor ardería en oxígeno puro, el oxígeno normalmente se diluye con gases de escape reciclados . El argón reemplaza los gases de escape cuando se arranca el motor.
A finales de la década de 1930, la Unión Soviética experimentó con motores de ciclo cerrado y se construyeron varios buques pequeños de 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 Walter, diseñando variantes de su submarino Tipo XVII y su submarino enano Seehund Tipo XXVIIB , el Tipo XVIIK y el Tipo XXVIIK respectivamente, aunque ninguno de los dos se completó. antes del fin de la guerra.
Después de la guerra, la URSS desarrolló el pequeño submarino clase Quebec de 650 toneladas , de los cuales treinta se construyeron entre 1953 y 1956. Tenían tres motores diésel: dos eran convencionales y uno de ciclo cerrado que utilizaba oxígeno líquido.
En el sistema soviético, llamado "sistema de propulsión único", se añadía oxígeno después de que los gases de escape se hubieran filtrado a través de un absorbente químico a base de cal. El submarino también podría hacer funcionar su diésel mediante un snorkel. El Quebec tenía tres ejes de transmisión : un diésel 32D de 900 CV (670 kW) en el eje central y dos diésel M-50P de 700 CV (520 kW) en los ejes exteriores. Además, se acopló al eje central un motor "lento" de 100 hp (75 kW). El barco se podía navegar a baja velocidad utilizando únicamente el diésel de línea central. [12]
Como el oxígeno líquido no se puede almacenar indefinidamente, estos barcos no podían operar lejos de una base. Fue peligroso; al menos siete submarinos sufrieron explosiones, y uno de ellos, el M-256 , se hundió tras una explosión e incendio. A veces los apodaban encendedores de cigarrillos. [13] El último submarino que utilizó esta tecnología fue desguazado a principios de la década de 1970.
El antiguo submarino Tipo 205 U-1 de la Armada alemana (lanzado en 1967) estaba equipado con una unidad experimental de 3.000 hp (2.200 kW).
El sistema francés MESMA (Module d'Energie Sous-Marin Autonome) lo ofrece el astillero francés DCNS. MESMA está disponible para los submarinos de clase Agosta 90B y Scorpène . Es esencialmente una versión modificada de su sistema de propulsión nuclear con calor generado por etanol y oxígeno. En concreto, una central eléctrica de turbina de vapor convencional funciona con vapor generado a partir de la combustión de etanol y oxígeno almacenado a una presión de 60 atmósferas . Este disparo a presión permite expulsar el dióxido de carbono de escape por la borda a cualquier profundidad sin un compresor de escape.
Cada sistema MESMA cuesta entre 50 y 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 otorga un alcance de 1.400 millas náuticas (2.600 km; 1.600 mi). [6]
Un artículo en la revista Undersea Warfare señala que: "aunque MESMA puede proporcionar 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]
El constructor naval sueco Kockums construyó tres submarinos de clase Gotland para la Armada sueca que están equipados con un motor Stirling auxiliar que quema combustible diesel con oxígeno líquido para impulsar generadores eléctricos de 75 kW para propulsión o carga de baterías. La resistencia bajo el agua de los barcos de 1.500 toneladas es de alrededor de 14 días a 5 nudos (5,8 mph; 9,3 km/h), con un alcance aproximado de 1.700 millas náuticas. [6]
Kockums renovó y actualizó los submarinos suecos de clase Västergötland con una sección de complemento Stirling AIP. Dos ( Södermanland y Östergötland ) están en servicio en Suecia como clase Södermanland , y otros dos están en servicio en Singapur como clase Archer ( Archer y Swordsman ). [ cita necesaria ]
Kockums también entregó motores Stirling a Japón. Diez submarinos japoneses estaban equipados con motores Stirling. El primer submarino de esta clase, Sōryū , fue botado el 5 de diciembre de 2007 y entregado a la marina en marzo de 2009. El undécimo de la clase es el primero que está equipado con baterías de iones de litio sin 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 clase Blekinge tiene el sistema Stirling AIP como principal fuente de energía. La resistencia sumergido será de más de 18 días a 5 nudos utilizando AIP. [ cita necesaria ]
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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 recipiente en tanques presurizados, para mantener la reacción química. Nueve de estas unidades están incorporadas al submarino U-31 de 1.830 t de Howaldtswerke Deutsche Werft AG , buque líder del Tipo 212A de la Armada alemana . Los otros barcos de esta clase y los submarinos de exportación equipados con AIP de HDW, clase Dolphin , Mod Tipo 209 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 en AIP en 2016. [6]
Tras el éxito de Howaldtswerke Deutsche Werft AG en sus actividades de exportación, varios constructores desarrollaron unidades auxiliares de pilas de combustible para submarinos, pero hasta 2008 ningún otro astillero tenía un contrato para un submarino equipado de esta manera. [ cita necesaria ]
El AIP implementado en la clase S-80 de la Armada Española se basa en un procesador de bioetanol (proporcionado por Hynergreen de Abengoa , SA) compuesto por una cámara de reacción y varios reactores intermedios Coprox, que transforman el BioEtOH en hidrógeno de alta pureza. La salida 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 como 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 Dalian de Física Química desarrolló motores de pila de combustible de 100 kW y 1000 kW. [19]
El Laboratorio de Investigación de Materiales Navales de la Organización de Investigación y Desarrollo de 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 clase Kalvari , que se basan en el diseño Scorpène . Los seis submarinos de clase Kalvari serán modernizados con AIP durante su primera actualización. Produce electricidad al reaccionar con hidrógeno generado a partir de borohidruro de sodio y oxígeno almacenado con ácido fosfórico que actúa como electrolito. [20] [21] [22]
Los submarinos de la clase Tridente de la Armada portuguesa también están equipados con pilas de combustible.
La propulsión independiente del aire es un término que se utiliza normalmente en el contexto de mejorar el rendimiento de los submarinos de propulsión convencional. Sin embargo, como fuente de energía auxiliar, la energía nuclear entra dentro de la definición técnica de AIP. Por ejemplo, una propuesta para utilizar un pequeño reactor de 200 kilovatios como energía auxiliar (designado por la AECL como " batería nuclear ") podría mejorar la capacidad bajo el hielo de los submarinos canadienses. [23] [24]
Los reactores nucleares se han utilizado desde la década de 1950 para propulsar submarinos. El primer submarino de este tipo fue el USS Nautilus , encargado en 1954. Hoy en día, 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.
A partir de 2017, unas 10 naciones están construyendo submarinos AIP y casi 20 naciones operan submarinos basados en AIP: