Closed-cycle propulsion program

Closed-cycle propulsion program (program napędu w obiegu zamkniętym) realizowany w późnych latach czterdziestych XX w. przez Marynarkę Wojenną Stanów Zjednoczonych program budowy okrętów podwodnych z niejądrowym napędem niezależnym od dostępu powietrza (AIP).

Geneza

System Waltera

Podstawowe założenia napędu w obiegu zamkniętym, opracowane zostały w 1930 roku w stoczni Germania przez Hellmutha Waltera. Oparty na jego założeniach relatywnie złożony system, stosował katalityczny rozkład stężonego nadtlenku wodoru (perhydrolu). Perhydrol był przechowywany w zbiorniku poniżej głównego kadłuba sztywnego, skąd ciśnienie wody wypychało go do porcelanowej komory, gdzie wchodził w kontakt z niezbędnym do dekompozycji katalizatorem. Skutkiem tego procesu, powstawała para wodna i tlen o temperaturze 963 °C - przechodzące następnie do komory spalania, gdzie następował zapłon oleju napędowego, oraz - w celu zwiększenia temperatury i ilości pary - natrysk wody na powstały w procesie spalania gaz. Mieszanina pary i gazu przenoszona była rurociągami do turbiny, a następnie do kondensatora, gdzie następowała ekstrakcja wody i powstałego w komorze spalania dwutlenku węgla, który był następnie wyprowadzany na zewnątrz okrętu.

U-1406 w 1945 roku. Widoczne otwarte wrota zbiorników perhydrolu

Po przeprowadzonych z sukcesem próbach w roku 1940, złożono zamówienie na pierwsze okręty podwodne wyposażone w napęd Waltera V-80, U-792 i U-794. Ostatnie z tych okrętów - oznaczone jako typ XVIIA - przyjęto do służby w październiku 1943 roku. Kolejna para okrętów tego typu U-793 i U-795, weszła do służby w kwietniu 1944. W marcu 1944 U-793 z admirałem Dönitzem pod pokładem, osiągnął pod wodą prędkość 22 węzłów, w czerwcu zaś tego samego roku, U-792 osiągnął zmierzoną prędkość 25 węzłów. Osiągnięcie przez te okręty tak wysokich na owe czasy prędkości podwodnych, stanowiło tym większe osiągnięcie, iż okręty te okazały się łatwe w prowadzeniu z dużymi prędkościami.

Okręty z napędem Waltera nękane jednak były plagą problemów mechanicznych i związanych z obsługą. Dodatkowo, posiadały niską sprawność oraz traciły znaczną część energii z powodu wzrostu ciśnienia zwrotnego wody na system wydechowy - w miarę wzrostu głębokości zanurzenia.

Konstrukcja operacyjnych okrętów z napędem Waltera - typu XVIIB rozpoczęła się w stoczni Blohm & Voss w Hamburgu. Kriegsmarine planowała także budowę "atlantyckich" jednostek z napędem Waltera - zamówione zostały nawet dwie jednostki typu XVIII: U-796 oraz U-797, jednakże budowa tych większych jednostek przestała być kontynuowana wiosną 1944 roku. W ich miejsce, 26 maja 1944 roku podpisano kontrakt na budowę jednostek typu XXVIW o wyporności 842 ton, których oczekiwana prędkość podwodna przy zasięgu 160 mil morskich (300 km), wynosiła 24 węzły. Początkowo planowano budowę 250 jednostek tego typu, budowę kilku z nich rozpoczęto już w stoczni Blohm & Voss, jednakże żadnej nie ukończono.

Inne wczesne systemy w obiegu zamkniętym

Obok napędu Waltera, testowano także inne koncepcje napędu w cyklu zamkniętym. W typie okrętów XVIIK, próbowano zastosować działający w zamkniętym obiegu silnik Diesla Kreislauf, używający w operacjach podwodnych zmagazynowanego tlenu. Projekt typu XXXVIW z kolei, przewidywał zastosowanie systemu opartego na czterech szybkich silnikach diesla zaadaptowanych z napędów kutrów torpedowych. Również w tym przypadku, zamierzano zastosować zmagazynowany tlen oraz utleniacz w celu spalania. Żaden z tych okrętów nie został jednak zbudowany.

Systemy w obiegu zamkniętym używające zmagazynowanego tlenu, posiadają przewagę większej dostępności tego ostatniego, nad perhydrolem używanym przez napęd Waltera, do ich słabych stron natomiast należy waga tlenu zmagazynowanego w stanie gazowym. W celu rozwiązania tego problemu, podjęto studia nad możliwością produkcji tlenu na pokładzie okrętu. W związku z rozwojem sytuacji wojennej i kurczeniem się niemieckich zasobów, skompletowano jedynie trzy okręty z obiegiem zamkniętym wyposażone do walki - były to U-1405, U-1406 oraz U-1407 - wszystkie typu XVIIB. Żaden z nich, nie wszedł jednak do służby operacyjnej. Okręty te zapowiadały jednakże zbliżającą się rewolucję w konstrukcji okrętów podwodnych - wejścia do użytku operacyjnego jednostek niezależnych od dostępu powietrza atmosferycznego. Wszystkie trzy wybudowane bojowe jednostki z obiegiem zamkniętym, w chwili zakończenia wojny znajdowały się w brytyjskiej strefie okupacyjnej - w Flagensburgu oraz w Cuxhaven. W związku z ustaleniami podjętymi w trakcie konferencji poczdamskiej w lipcu 1945 roku, U-1406 przejęły Stany Zjednoczone, U-1407 natomiast Wielka Brytania.

Amerykański napęd obiegu zamkniętego

Amerykańscy, brytyjscy i sowieccy oficerowie Marynarki oraz technicy, w ruinach III Rzeszy poszukiwali planów i komponentów programu Waltera. Nieskończone i zbombardowane U-1408 oraz U-1410 zostały znalezione przez Brytyjczyków w hamburskiej stoczni Blohm & Voss. W Kilonii, brytyjskie wojska przejęły kontrolę nad w większości niezniszczonym zakładem Walterwerke, i aresztowały samego profesora Waltera z jego zespołem, który po dokonanym przez Brytyjczyków wraz z Amerykanami przesłuchaniu, został przerzucony na Zachód. W przeciwieństwie do US Navy, brytyjska Royal Navy zrewitalizowała U-1407 i po pewnych ulepszeniach, 25 września 1945 roku wcieliła go do służby jako HMS "Meteorite". Siłownia Waltera tego okrętu - określana w programie brytyjskim jako High-Test Peroxide (HTP) - została wymontowana, odnowiona i ponownie zainstalowana.

Amerykańska marynarka wojenna była żywo zainteresowana możliwościami stwarzanymi przez niezależny od dostępu powietrzna zewnętrznego napęd w cyklu zamkniętym. W początkach roku 1945 na konferencji oficerów okrętów podwodnych w Waszyngtonie określono zalety tego rodzaju napędu, oraz wstępne charakterystyki takiego napędu dla okrętu o wyporności podwodnej 1200 ton wyposażonego w siłownię Waltera o mocy 7500 koni mechanicznych i prędkości podwodnej 20 węzłów utrzymywanej przez 12 godzin. Studia przeprowadzone przez Bureau of Ships, ze względów kosztowych określiły preferencję marynarki w postaci napędu w cyklu zamkniętym opartym o przechowywany tlen w stanie ciekłym, zamiast o perhydrol. Na rozważania Marynarki nad zastosowaniem tego rodzaju napędów, znacząco wpływała jednak tocząca się już debata nad zastosowaniem napędu jądrowego dla okrętów podwodnych. Po wojnie, nad napędem w obiegu zamkniętym, pracowało kilka agencji. Raport z 1946 roku wskazywał na ogółem 6 projektów takiego napędu. Wśród nich znajdował się program Naval Engineering Experiment Station w Annapolis, prowadzony w oparciu o znajdujący się tam 2500-konny napęd Waltera pochodzący z przekazanego do USA U-1406. W ośrodku tym znajdował się także 7500-konny napęd planowany przez Niemców dla typu XXVI oraz 50-konny napęd Kreislauf. Ten ostatni napęd, w amerykańskiej koncepcji, wykorzystywał produkty spalania w silniku Diesla do rozcieńczania ciekłego tlenu lub perhydrolu oraz zmniejszania jego temperatury spalania dla celów podwodnego napędu za pomocą silnika Diesla. Od samego początku jednakże, zdawano sobie sprawę z ograniczeń tego rodzaju napędu - małej mocy oraz dużego poziomu hałasu generowanego przez silniki diesla. Mimo że wszystkie siłownie obiegu zamkniętego testowane w Annapolis sprawiały wiele problemów, ostatecznie zaproponowano kilka możliwych do zastosowania rozwiązań. Dla pierwszych amerykańskich okrętów mających korzystać z napędu w cyklu zamkniętym - jednostek typu Tang - zaproponowano opartą na turbinie gazowej siłownię Wolverine, która jak oczekiwano, będzie w stanie zapewnić moc 7500 KM, i napędzać okręty tego typu z podwodną prędkością 25 węzłów przez 10 godzin.

W latach 1948–1950 Marynarka podjęła jednak studia porównawcze napędów w obiegu zamkniętym oraz nuklearnego. Wyrażano w ich ramach pogląd, iż z uwagi na małą dostępność materiałów niezbędnych dla napędu jądrowego (paliwo jądrowe) oraz konieczność konkurowania przez napęd jądrowy o zasoby materiałów nuklearnych z innymi programami atomowymi, nie jest on konkurencyjny wobec napędu w cyklu zamkniętym. Podobne opinie wyrażało także Biuro okrętów, co nie przeszkadzało jednakże w budowie w tym samym czasie prototypu okrętowej siłowni nuklearnej na pustyni w Idaho (Idaho National Laboratory). Analizy te i badania, potwierdziły dowództwu Marynarki, ze potencjał napędu jądrowego daleko przekracza możliwości chemicznego napędu w obiegu zamkniętym, o ile tylko uda się zapewnić niezbędną ilość zasobów nuklearnych. W konsekwencji, badania i fundusze na rozwój napędu chemicznego zostały zatrzymane, a w 1950 roku Kongres autoryzował budowę pierwszego na świecie okrętu podwodnego napędzanego przez siłownię jądrową.

Bibliografia

• Norman Polmar: Cold War Submarines, The Design and Construction of U.S. and Soviet Submarines. K. J. More. Potomac Books, Inc, 2003. ISBN 1-57488-530-8. Brak numerów stron w książce
• Norman Friedman, James L. Christley: U.S. Submarines Since 1945: An Illustrated Design History. Naval Institute Press. ISBN 1-55750-260-9. Brak numerów stron w książce