Submarines'te Elektrikli ve Geleneksel Taht Sistemleri Karşılaştırmalı

Giriş: Undersea Power'ın Sessiz Motoru

20. yüzyılın başlarında belirleyici bir deniz platformu olarak ortaya çıkana göre, denizaltılar hız, dayanıklılık ve çalkantılı sistemlere bağlı olarak, elektrik ve geleneksel tahrikler arasında temel olarak bir denizaltının operasyonel profili şekillendirdi - ne kadar derin kalabilir, ne kadar uzun süre alt kalabilir ve her denizaltının vidasını çevirmek için bir güç kaynağı gerektirdiğine bağlı olarak, mühendislik yaklaşımları maliyetle, karmaşıklıkta, karmaşık ve taktiksel kapasitede farklı ticari devreler taşıyan her bir şekilde değişir.

Deniz stratejistleri ve deniz mühendisleri için, bu ayrımları anlamak önemlidir. Sualtı operasyonlarının askeri misyonların bilimsel araştırma, kaynak araştırması ve altyapı koruması, denizaltıların neler başarabileceğini yeniden tanımlamak. Bugün, endüstri bir geçiş noktasında duruyor: geleneksel dizel-elektrik sistemleri yaygın olarak kalır, ancak gelişmiş elektrik mimarisi de - havadan bağımlı propulsion (AIP) ve tam lityum iyonlu batarya santralleri dahil - denizaltıların hangi denizaltıların elde edebileceğini yeniden finanse eder.

Bu makale, hem de derinleşen aileleri inceler, ilgili güçlüleri ve zayıf yönleri keşfeder ve bir sonraki denizaltıları şekillendirecek olan gelişen teknolojileri anketler.

Geleneksel Taht Sistemleri

Geleneksel denizaltı tahrik uzun zamandır dizel-elektrik olarak bilinen bir karma konfigürasyona dayanıyordu. Bu sistem, şarjdan sadece şarj pilleri şarj eden jeneratörleri kullanmaya hizmet ediyor, ancak elektrikli motorlar pervane döndürürken.

Diesel-Elektrik Sistemleri Nasıl Çalışır

Bir dizel-elektrikli denizaltı, bir veya daha fazla dizel motorlar elektrik jeneratörlerine yol açıyor.Denizli motorlar yüzeyli veya periferik batarya bankalarıyla dolup, denizaltılar temiz hava, yakıp elektrik enerjisi üretmek için elektrik enerjisine güveniyor. - genellikle doğrudan-şimdili (DC) veya alternatif motorlara yönlendiriliyor.

Alttayken, dizel motorlar tamamen kapatılır çünkü yanmak için oksijen gerektirir.Denizli tekneler sessiz bir şekilde batarya gücü üzerinde çalışır, ancak dayanıklılık, bataryanın enerji kapasitesiyle sınırlıdır. Geleneksel denizaltılar, bataryaların gerekli olduğu noktaya kadar 48 ila 96 saat boyunca altmış kalabilirler.

Geleneksel dizel-Elektrik Sistemlerinin Avantajları

Geleneksel Sistemlerin Sınırları

Elektrikli Taht Sistemleri

Modern elektrik tahrik sistemleri, gelişmiş yönetim sistemleri ile donatılmış hibrit dizel-elektrik tasarımlarından bir çıkış temsil eder. Bu sistemler, sualtı çalışan motorlara geniş ölçüde kategorize edilebilir.

Havaya bağlı Propulsion (AIP)

AIP sistemleri, atmosfer oksijenine erişmeksizin elektrik sularını üretmek için ⁇ olmayan bir denizaltıya izin verir.En yaygın AIP teknolojileri şunları içerir:

AIP sistemleri, bataryaların tamamen ihtiyacının yerine gelmiyor - çoğu AIP denizaltıları yüksek hızlı sprintler için geleneksel bataryalar taşır ve AIP bitkisini düşük hızlı loiterlik için kullanırlar. Ancak, haftalarca submerged dayanıklılıklarını dramatik bir şekilde genişletirler, geleneksel denizaltılara ulaşmalarını sağlarlar.

Full Electric Propulsion with Advanced Battery

AIP gelişimine paralel olarak, batarya kimyasındaki gelişmeler, yalnızca genişletilmiş görevler için depolanmış elektrik enerjisi üzerinde çalışabilmelerini sağlar. Lityum-iyon aküler, şimdi elektrikli araçlar ve ağ depolamalarında yaygındır, denizaltı kullanımı için uyarlanır. Geleneksel öncü-acid akülere kıyasla, lityum-iyon paketleri teklif eder:

Japonya'nın yüksek kaliteli:0)Sōryū-class[Dönetici] denizaltılar, daha sonra teknelerde lityum-iyon akülerini benimsemek için ilk olarak, gelişmiş batarya yönetim sistemlerini ve titiz güvenlik testlerini gerektiren önemli mühendislik zorlukları arasındaydı.

Elektrik Propulsion Avantajları

Zorluklar Elektrikli Sistemleri

Head-to-Head Karşılaştırma: Geleneksel vs. Electric Propulsion

Her bir tahrik felsefesinin operasyonel etkilerini açıklamak için, aşağıdaki tablo, deniz planlayıcıları ve denizaltı ekiplerinin çoğu önemli boyutlardaki anahtar farklılaştırıcıları özetliyor.

Submerged Endurance

[FONT:0)Traditional dizel-elektrik: [Dönetici: 0,4 gün düşük hızda, aküler yeniden şarj gerektirir.ETHFLT:2).Elektrik (AIP veya lityum-ion): [DDDüzgünüzde 14–30 gün, AIP'in şarjı ile bir araya getirdiği genişletilmiş görevlerin olasılığı ile.

Akustik Signature

[FONT:0]Traditional:[Dönetici:[Dönetici: 0,2) Katılık işlemleri sırasında sessiz olan bataryalar, dizel şarj döngüsü sırasında gürültüyü her seferinde yüksek algılama riski kabul etmelidir.

Hız ve Sprint Capability

[FONT:0]Traditional: [Dönetici: [Dönetici: 0,3] Dizel motorlar geçiş için yüksek yüzey hızını sağlayabilir ve bataryalar 20+ düğümün kısa gecikme hızlarını hala tükenmeden önce genişletilebilir. [Dönetici:2).

Yaşam döngüsü Maliyetleri

[FONT:0]Traditional: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici: 8] Düşük bakım maliyetleri ve daha sık sık kullanılan batarya yedek maliyetleri ve daha sık sık sık dizel motor bakımı için kuru temizleme masraflarına bağlıdır.]

Operasyonel Risk Profil

[FONT:0)Traditional:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:)) Perskop derinlikte harcanan en az zaman, radar ve görsel algılamanın karmaşıklığıdır. Ancak, hidrojen işleme veya lityum-ion termal yönetimi için son derece başarısız modları, mürettebatların tespit edilmesi için eğitilmesi gerekir.

Teknoloji Maturity

[FONT:0]Traditional:[Dönetici: [Dönetici: 0,2] Elektrik: [Dönetici sistemler operasyonel olarak kanıtlanmış ancak gelişmiştir. Yakıt hücreleri hala navies'de evrensel olmayan özel bileşenler ve kullanım prosedürleri gerektirir.

Submarine Propulsion

Propulsion manzara hızla değişiyor. Birkaç gelişmekte olan teknoloji ve tasarım felsefeleri geleneksel ve nükleer denizaltı yetenekleri arasındaki boşluğu daha da yakınlaştırmaya söz veriyor.

Hybrid AIP-Battery Systems

Bir sonraki mantıksal adım, büyük lityum-iyon akü bankaları ile AIP bitkilerinin sorunsuz bir şekilde entegrasyonudur, bu yapılandırmada akıllı güç dağıtım yazılımı tarafından yönetilen AIP sistemi sürekli düşük hızda şarj edilirken, bataryalar bu karma yaklaşımı benimsemekte ve yedekleme rezervini sağlayabilir.

Sürekli Magnet Motors ile Bütün Kontrollü Tümleşik Full-Elektrikli Drive

Geleneksel tahrik motorları – DC veya AC indüksiyonu – verimlilik kayıpları ve genel sistemi geliştirebilecek bazı yeni denizaltı tasarımları (PMSMs) daha yüksek tork yoğunluğu sunar, hız aralığında daha büyük verimlilik sağlar ve daha düşük akustik gürültü. Gelişmiş silikon güç elektronikleriyle bir araya geldiğinde, PMSMs enerji kayıpları azaltır ve genel sistemi güvenilirliğini arttırır. İsveç'in Blekinge-class ve Tip Alman Type 212CD dahil olmak üzere birkaç yeni denizaltı tasarımı.

Süperilet Propulsion

Yüksek sıcaklık süper iletkenleri (HTS) sıfır dirençli kayıplarla muazzam akımları taşıyabilir, son derece kompakt ve güçlü elektrikli motorlar sağlar. ABD'deki deniz araştırma programları, Japonya ve Avrupa, HTS motorlarını krigen soğutma ve sistem entegrasyonunda pratik zorluklar keşfederse, süper iletken güç yoğunluk ve sessiz operasyon sunabilir, potansiyel olarak konvansiyonel hulls'taki nükleer santrallerin rekabet performansını sağlayan elektrikli tahrik sistemleri sağlayabilir.

Enerji Depolama Lityum-Ion

Katı devlet pilleri, lityum-sulfur hücreleri ve akış pilleri, denizaltı uygulamaları için potansiyel olarak yeni başlayanlar olarak soruşturma altında bulunuyor. Katı devlet pilleri, özellikle yüksek enerji yoğunluğuna, daha hızlı şarja ve sıvı elektrolitlerin sağlam iletkenlerle değiştirilmesine söz veriyor.

Yakıt Hücreleri

Proton exchange membranı (PEM) yakıt hücreleri, şu anda Type 212 ve Type 214 teknelerde kullanılıyor, daha yüksek güç atıkları ile geliştiriliyor ve daha düşük değerli metal katalizör yüklemeleri ile daha da genişletilebilir. Solid oksit yakıt hücreleri (SOFCs), dizel ve mol dahil olmak üzere daha geniş bir yakıt aralığında faaliyet gösteren, daha uzun menzilli saf hidrojen depolama ihtiyacı olmadan.

Hibrit Nükleer-Elektrik

Nükleer tahrik ayrı bir kategori olmasına rağmen, bir sonraki nükleer denizaltılar, güç elektronik ve motor teknolojisini geleneksel olarak güçlü elektrikli teknelerle paylaşan daha verimli bir bitkidir. ABD Donanması'nın Columbia-class denizaltıları ve İngiltere'nin Dreadnought sınıfı bu elektrikli otomobillerin azaltılması ihtiyacını ortadan kaldırır.

Deniz Kuvvetleri için Stratejik Takplikasyonlar

Elektrikli ve geleneksel tahrik arasındaki seçim sadece bir mühendislik tercihi değildir - deniz stratejisi, güç yapısı ve dağıtım modelleri. Navies işletim dizel-elektrik denizaltıları, uzun süre boyunca güvenilir bir su içme yeteneği olmadan, hava üstünlüğünün garanti altına alınamadığı durumlarda daha küçük bir kanalda işletme yeteneğinin kısıtlanması gerekir.

Sınırlı bütçelerle ülkeler için, modern elektrik tahriki, deniz kontrollerini kıyı sularında daha büyük rakiplere meydan okumanın bir yolunu sunuyor.AIP teknolojisi ve gelişmiş bataryaların çoğalması, kendi platformlarının kırılganlığını azaltmak ve operasyonel erişimlerini genişletmek için elektrikli tahriklerde bulunuyor.

[FONT:0] Endüstri analistleri [Dönetici:0] [Dönetici:0], tipik devriyeler sırasında bir nükleer teknenin alt üst hız ve daha az elektrik marjı ile, iki on iki on yıl içinde konvansiyonel bir denizaltının, daha düşük yüksek hız ve daha az elektrik marjı ile şarj olmayan yük devreleri ile bir nükleer teknenin alt katılabileceğini tahmin ediyor.

Çevre ve Operasyonel Tahminler

Taktik performans ötesinde, elektrik tahrik sistemleri, daha geniş deniz sürdürülebilirliği hedefleri ile uyum sağlayan çevresel avantajlar sunar. Diesel-elektrik denizaltıları yanma gazlarını yayarlar -karbon dioksit, azot oksitleri ve partikülleri - motorlarını çalıştırdıkları her zaman, özellikle de yakıt hücreleri, sadece su buharı, özellikle de çalışan bir ürün olarak üretir ve batarya gücü üzerine sıfır emisyonlar azaltırken.

Ancak, elektrik tahrikinin çevresel ayak izi sıfır değildir. Battery üretimi, özellikle de lityum-iyon kimyagerleri için, elektrikli tahrikli ve enerji depolama seçeneklerinin tam yaşam döngüsünü dikkate almalı, sadece hizmet emisyonları için hidrojen üretimine ihtiyaç duymaz.

Port altyapısı başka bir faktördür. Diesel-elektrik denizaltıları standart yakıt işleme ekipmanları ile herhangi bir deniz üssünde yakıt yakıt dağıtma sistemleri ile yeniden yakıt tedarik edebilir. Elektrikli denizaltılar, yüksek güç tedariklerini batarya bankalarına teslim edebilecek istasyonların şarj edilmesini ve yakıt-uygulama teknelerinin hidrojen depolamasına ve tüm limanlarda mevcut olamayacağı sistemlerine ihtiyaç duyar.

Sonuç: Underwater Propulsion

Geleneksel dizel tahrik, küresel navies'e nesiller için sadık bir şekilde hizmet etti, güvenilir, uygun fiyatlı ve savaş karşıtı bir şekilde denizaltıları su yoluyla hareket ettirebilmenin bir yoluydu. Ancak, kalıcı su gözetimi ve anti-submarine savaş yeteneklerinin ilerlemeye devam ettiği bir dönemden daha da zor hale geldi. Yeniden yükleme gereksinimi sadece bir rahatsızlık değil - belirlenen rakipler tarafından sömürülenebilecek taktik kırılganlık kırılganlığıdır.

Elektrikli tahrik sistemleri, yakıt tipi AIP, gelişmiş lityum-iyon aküleri veya hibrit konfigürasyonlar, bu sınırlamaları ele alalım. Daha uzun süre dayanıklılık, sessiz operasyon ve daha yüksek maliyetlere ve yeni güvenlik zorluklarının tespit edilmesine rağmen, teknolojik gelişim yörüngeleri açıkça elektriksel mimarilere güvenmektedir.

Deniz planlayıcıları bugün tedarik kararları almak için, mesaj açıktır: elektrikli tahrik altyapısı, mürettebat eğitimi ve sistem entegrasyonu istenmiyor - önümüzdeki on yıllarda denizlerin yoğunlaştığı denizaltılar için önemlidir.

[FONT:0) Belirli AIP teknolojileri ve batarya gelişmeleri hakkında daha fazla okuma için, [[Döneticileri:0)Amerikan Deniz Mühendisleri Topluluğu ) ve [[Ücretsiz enerji depolama araştırma programları [FLT: 5)