أنظمة الدفع الأحدث للغواصات
إن الشعبية المتزايدة بين البحريات لامتلاك أساطيل الغواصات الخاصة بها تؤدي إلى تطورات جديدة في قوة الدفع للغواصات.
إذا كان برنامج الغواصات SEA 1000 في أستراليا قد علّم العالم شيئاً ما، فهو أن تقرير كيفية دفع أسطول الغواصات ليس بالمهمة السهلة. ويكمن وراء التعقيدات التقنية شيء من التنازلات/ التسويات الجيوسياسية قد تشبه بيئة إقليمية متوترة بشكل متزايد، فقد بلور برنامج SEA1000 العديد من التحديات المتعلقة بأنظمة دفع الغواصات: كيفية الوصول إلى التوازن الصحيح بين المدى والسرعة والبصمة.
قال بن سالتر، مدير الأعمال البحرية في مركز تحويل القوة لشركة GE Power: «من حيث المبدأ، سيكون للمنصة، التي توفر المدى البعيد والسرعة العالية وأفضل بصمة وأدنى نسبة من المخاطر، الأفضلية في جميع البيئات الافتراضية». ومع ذلك، فإن تحقيق هذا التوازن الدقيق يخضع بالضرورة للقيود التي تفرضها تكنولوجيات اليوم. وتابع سالتر: «إن التسوية تأتي من خلال استعداد البلد للاستثمار بغية تحقيق رؤيته في الحد الأدنى من القدرة المطلوبة». سواء نظرنا إلى أنواع مختلفة من أنظمة الدفع المستقلة عن الهواء (AIP) أو الطاقة النووية، فإن الأمر كله يعود في النهاية إلى الملف العملاني للبحرية والمنطقة، إضافة إلى التهديدات التي من المحتمل أن تواجهها.
في كتابهم «الفوز البحري في القرن الحادي والعشرين»، التكتيكات في الجيل الخامس للقتال البحري، بحسب ما أشار كل من تيبو لافيرنه وفرانسوا أوليفييه كورمان إلى المجال التحتمائي كبيئة تسهّل التخفي بسبب الغموض المتأصل فيه. وأضافا: «غموض الرؤية وكذلك الموجات الكهرومغناطيسية، وإلى حد ما، غموض الموجات الصوتية، التي يكون انتشارها معقداً بشكل خاص». والعواقب المترتبة على هذا التعتيم هي عدم اليقين والمفاجأة والانتشار في كل مكان.
وبالتالي فإن الدور الرئيسي للغواصة، باعتبارها الجهة الفاعلة الرئيسية في المجال التحتمائي، هو نتيجة للاستفادة الكاملة، مما يمكن أن يقدمه التعتيم على المستوى التكتيكي والاستراتيجي.
وقال إيان دنكان، المهندس الرئيسي في BMT للزميلة «أرمادا»: «في هكذا سياق، العامل الأكبر في عالم الغواصات هو «البصمة». البصمة المغناطيسية، وهي بالطبع، ولكن أيضاً والأهم من ذلك أي نوع من الذي ينتج عن نظام دفع الغواصة: ضجيج محرك الديزل، أو بصمة الأشعة تحت الحمراء (IR) الناجمة عن حرارة العادم، أو الحقول الكهربائية الناجمة عن داسر الغواصة.
أحد الحلول الرئيسية لبعض هذه المشكلات هو القدرة على البقاء مغموراً وبعيداً عن سطح الماء لأطول فترة ممكنة. إذا كانت الغواصة تحت سطح الماء، فسيكون من المستحيل على الرادار التقاط صاريها أو المقطع العرضي الراداري (RCS) للمئفاق، أو نظام الأشعة تحت الحمراء لكشف بصمتها الحرارية أو كاشف الشذوذ المغناطيسي (MAD) لإدراك وجودها تحت سطح الماء مباشرة.
ومع ذلك، لا يزال هناك تحديان رئيسيان كانا الدافع وراء معظم الأبحاث في مجال أنظمة دفع الغواصات على مدى العقود الماضية: القدرة على البقاء مغمورة بالمياه لأطول فترة ممكنة، أي كيفية تخزين ما يكفي من الطاقة على متن الغواصة؛ والحد من الضوضاء. وهذا الأخير له أهمية خاصة مع استمرار تطور التهديدات. «إن بيئة التهديد تتزايد باستمرار، ليس مع التحسين المستمر في أجهزة الاستشعار التقليدية فحسب، مثل الصفائف المقطوعة، والطافيات الصوتية، وما إلى ذلك، ولكن أيضاً مع الاستخدام المتزايد للعربات السطحية غير الآهلة (USVs) والعربات التحتمائية غير الآهلة (UUVs)، المستخدمة من كلا سطح ومنصة الغواصة» بحسب ما وأوضح سالتر. بالإضافة إلى ذلك، فإن التكنولوجيات الناشئة، على غرار الذكاء الاصطناعي (AI) والحوسبة، تستعد لتصبح عوامل تمكين حاسمة لأنظمة الاستشعار التحتمائية، «ما يزيد من التحديات التي تواجهها أساطيل الغواصات»، كما أضاف سالتر.
ولمواجهة هذه التحديات اليوم، تقدم تكنولوجيا الغواصات نوعين مختلفين من أنظمة الدفع: التقليدية – وهو الدفع الكهربائي الديزلي المعياري والدفع المستقل عن الهواء (AIP) – أو النووية. «إن الاختيار بين هذين النظامين هو في الواقع مسألة تتعلق بالحركية»، وفقاً لخبير دفع الغواصات في شركة Naval Group.
وأوضح خبير في Naval Group: «تسهّل الغواصات النووية أو المدفوعة بالطاقة النووية الحركية الاستراتيجية». «إنها تسمح للبحريات الانتقال من مسرح عمليات إلى آخر في وقت أقل بفضل سرعة التقدم العالية وبدون قيود على الوقود». وبعبارة أخرى، فإن العامل الوحيد الذي يحد من بقاء الغواصة المدفوعة بالطاقة النووية في البحر هو قدرة الطواقم على البقاء تحت سطح الماء لأشهر عديدة في المهمة الواحدة.
وتوضح وكالة حماية البيئة (EPA) في الولايات المتحدة الأميركية الدفع النووي كما يلي: تنقسم الذرات في المفاعل النووي لرفع الحرارة التي تُستخدم فيما بعد لإنتاج بخار عالي الضغط؛ يقوم البخار بعد ذلك بتشغيل توربينات الدفع التي توفر الطاقة اللازمة لتشغيل الدواسر. بمجرد أن يبرد البخار، فإنه يتكثف مرة أخرى ويعود إلى طبيعته المرئية، والذي يتم تغذيته مرة أخرى إلى النظام لبدء العملية من جديد.
هناك العديد من المميزات للغواصات المدفوعة بالطاقة النووية. أولاً، يتميز الدفع النووي بقوة تكثيف المياه، حيث يوفر مستويات الطاقة المطلوبة بكفاءة من دون استخدام حيّز كبير جداً على متن الغواصات. ثانياً، يوفر الدفع النووي القدرة على التحمل، على الرغم من بعض المحاذير التي تستند إلى مستويات تخصيب اليورانيوم المستخدم في المفاعل.
تعمل البحرية الأميركية (USN) والبحرية الملكية البريطانية (RN)، التي تشاطر معها USN التكنولوجيا، على تشغيل اليورانيوم عالي التخصيب (HEU) على سبيل المثال (أكثر من 20 بالمائة من يورانيوم U-235). وبحسب الوكالة النووية العالمية (WNA)، يتضمن هذا النوع من الدفع حياة خدمة طويلة. اعتماداً على الاحتياجات العملانية، على غرار العديد من الأسلحة والمستشعرات الموجودة على المتن، إن حياة الخدمة للمفاعل النووي الذي يستخدم اليورانيوم عالي التخصيب يمتد إلى ما بين 20 و 35 عاماً. بالنسبة لبعض الغواصات، يعني هذا العمل على الطاقة النووية المشابهة طوال حياة الخدمة الكاملة من الغواصات.
وقد اختارت دول أخرى استخدام اليورانيوم عالي التخصيب، على غرار روسيا والهند.
من ناحية أخرى، تُدفع الغواصات الفرنسية بيورانيوم مخفض التخصيب أو منضّب (LEU). ووفقاً لتقرير خاص كتبه آلان تورنيول دو كلوس ونشره اتحاد العلماء الأميركيين في ديسمبر/كانون الأول 2016، بعنوان «الاختيار الفرنسي للدفع النووي البحري - لماذا تم اختيار اليورانيوم المخفض التخصيب»، كان هذا الاختيار في الغالب نتيجة عدم توافر الميزانيات المالية اللازمة. عندما اختارت البحرية، في سبعينيات القرن الماضي، استخدام المفاعلات النووية لدفع غواصاتها، كان مجال الطاقة المدني حقق بالفعل تقدماً مهماً في مجال الطاقة النووية، التي تستخدم اليورانيوم المخفض التخصيب. وقررت وزارة الدفاع الفرنسية ببساطة الاستفادة من هذا التقدم.
وقد وجد تقرير «تورنيول دو كلوس» الخاص أن الفرق الحقيقي الوحيد بين استخدام اليورانيوم المخفض التخصيب واليورانيوم العالي التخصيب في النواة النووية هو العمر الذي تسمح به هذه النواة. وعلاوة على ذلك، يخلص التقرير إلى أن «الاختيار بين اليورانيوم المخفض التخصيب واليورانيوم العالي التخصيب [...] لا يؤثر على الأداء الفوري للغواصة».
ووفقاً لِـ «وكالة الأنباء العالمية»، يُعتقد أن الصين تستخدم وقود اليورانيوم المخفض التخصيب، «على الأقل في المفاعلات السابقة».
إن الغواصات التي تعمل بالطاقة النووية مطلوبة، بشكل خاص، من قبل الدول التي تسعى إلى إبراز قوتها في جميع أنحاء العالم. وحقيقة أنها لا تحتاج إلى استنشاق الهواء - أي الوصول إلى عمق المئفاق لاستنشاق الأوكسجين- هذا يعني أنها قادرة على الإبحار لمسافات طويلة من دون أن يتم اكتشافها. وهذا ما أشار إليه خبير Naval Group في مجال «الحركية الاستراتيجية»، وهو ما دفع أستراليا إلى إلغاء اختيارها الأصلي لتقنية AIP مع Naval Group.
لكن مثل هكذا اختيار تكنولوجي، بحسب ما قال سالتر لمنظمة العفو الدولية، «مقيد للغاية ومكلف جداً».
وهذا هو التحدي الذي تواجهه دول مثل أستراليا، التي كانت، حتى وقت قريب جداً، تعارض بشدة الطاقة النووية، وبالتالي تفتقر إلى البنية التحتية الداعمة الحيوية. ومن خلال السير في الطريق النووي، ستعتمد أستراليا بشكل كبير، على الأقل في العقود الأولى من البرنامج وعمليات الغواصات، على شركائها في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة. ستكون الدولتان الشريكتان في AUKUS مسؤولتين عن تدريب أفراد البحرية الملكية الأسترالية (RAN)، بينما سيتعين على أستراليا أيضاً الاستثمار بشكل كبير في تطوير المهارات المتعلقة بالطاقة النووية - بدءًا من التعليم الثانوي وصولاً إلى درجات الهندسة و... التشريعات. بالإضافة إلى ذلك، سيتعين على أستراليا أيضًا الاعتماد على المملكة المتحدة لإدارة نفاياتها النووية، والتي تشكل أكلاف نقل وإدارة إضافية.
«تسهّل الغواصات التقليدية الحركية التكتيكية»، وفقاً لخبير Naval Group. تعتمد هذه الغواصات على أنظمة AIP التي تتميز عادةً بمزيج من مولدات الديزل والبطاريات وإما تقنية خلايا الوقود أو محرك Stirling لتشغيل البطارية وعلبة التروس - أو المحرك الكهربائي بشكل متزايد.
لا تتطلب أنظمة AIP أن تعود الغواصات إلى السطح لإعادة شحن البطارية. وبهذا المعنى، فإنها توفر قدرًا كبيرًا من حرية التصرف مثل الدفع النووي، وهو أيضاً مستقل عن الهواء بشكل فعال. وفي المقابل، فإن استقلالية أنظمة AIP محدودة للغاية، وتتراوح بشكل عام بين أسبوعين إلى ثلاثة أسابيع. وأوضح دنكان أن «هذا يرجع أساساً إلى المساحة المحدودة المتاحة على متن السفينة لتخزين الموارد اللازمة لتوليد الطاقة». على هذا النحو، سيكون دفع محرك «ستيرلنغ» محدودًا بكمية الأكسجين والديزل التي يمكن حملها على متن السفينة، في حين أن تكنولوجيا خلايا الوقود ستكون محدودة بالأكسجين والهيدروجين المتوفرين.
ومع ذلك، وعلى مدى السنوات القليلة الماضية، اعتمدت شركات مثل «ساب» Saab وThyssenkrupp Marine Systems (TKMS) خطوات مهمة في تطوير محرك ستيرلينغ وتكنولوجيا خلايا الوقود، على التوالي.
وقال ماتس أبراماسون، رئيس قسم تصميم الغواصات في وحدة أعمال Saab Kockums: «في Saab، ركزنا على كفاءة الأكسجين، الذي يتم تخزينه كمادة سائلة في غواصاتنا والذي يؤثر في الحجم الإجمالي للغواصة». وبهذا المعنى، وكما فعلت مع غواصاتها التي تعمل بالديزل والكهرباء (SSK)، طورت شركة Saab مفهوم المحركات المعيارية: وحدة صغيرة مغلفة تحتوي على محرك ستيرلينغ والأنظمة المساعدة ذات الصلة».
وأوضح أبراماسون: «إن وحدة Stirling هذه لها حجم تقريبي لغسالتين». «إن التصميم المعياري يلغي الحاجة إلى وجود مساحة مخصصة للآلات على متن المنصة.» ووفقاً لاحتياجاتها العملانية، يمكن للقوات البحرية اختيار ما إذا كانت ترغب في استخدام وحدتين أو ثلاث أو أكثر، ما يزيد من استقلالية الطاقة. هذه التكنولوجيا خفية للغاية وقد تم اختبارها بنجاح في كل من غواصات «سودرمانلاند» و«جوتلاند» وستظهر على الغواصة A26.
«سيحمل الطراز A26 ثلاثاً من أحدث الوحدات المدمجة للغاية. وقال أبراماسون: «سيوفر نظام A26 Stirling نحو ثلاثة أسابيع من استقلال الهواء، اعتماداً على عوامل مثل درجة حرارة الماء والسرعة وتشغيل الأنظمة».
يقدم استخدام الوحدات أيضًا فائدتين إضافيتين. أولا، يسهل احتواء الضوضاء والحرائق، ما يجعل الغواصة أكثر هدوءاً وأكثر أماناً. ثانياً، لها بصمة لوجستية أقل. واختتم أبراهامسون كلامه قائلاً: «كل ما تحتاجه لإعادة تزويد نظام Stirling بالوقود هو وقود الديزل القياسي ذاته المستخدم في محركات الديزل الرئيسية والشاحنات المزودة بالأوكسجين السائل، الأمر الذي يستغرق بضع ساعات فقط ويزيد من الجهوزية العملانية». وهذا على النقيض من بعض أنظمة AIP الأخرى التي لديها عملية تزود بالوقود أكثر تعقيداً وطويلة.
كما يتم إحراز تقدم في تقنيات خلايا الوقود. في معرض UDT2023، تحدثت الزميلة AI مع بيتر هوشيلت، رئيس قسم الأبحاث والتكنولوجيا في شركة thyssenkrupp Marine Systems، الذي عرض أحدث التطورات التي حققتها الشركة في تكنولوجيا خلايا الوقود. يعتمد النظام الجديد على تقنية معيارية، حيث يمكن استبدال مجموعات خلايا الوقود بسهولة بواسطة طاقم صغير مكون من ثلاثة أو أربعة أفراد يمكنهم إزالة المجموعة القديمة واستبدالها بالجديدة في غضون ساعات قليلة. وعلق هوشيلت قائلاً: «يتم إنتاج مجموعات خلايا الوقود الجديدة هذه بواسطة شركة TKMS، وهي متاحة بسهولة أكبر ويمكن أيضاً حملها على متن السفينة لزيادة التوافق التشغيلي».
وهي أقل استهلاكاً للأكسجين من تقنيات AIP الأخرى، وبالتالي تتطلب خزان أكسجين أصغر، فإن تكنولوجيا خلايا الوقود لها تأثير منخفض في الغواصة. سيتم دمج الجيل الجديد من بطاريات خلايا الوقود في الغواصة البحرية الألمانية من النوع 212CD.
وقال دنكان: «إذا كنت تقوم بالدفاع عن الوطن وحماية المنطقة الاقتصادية (الحضرية) الخالصة، فإن غواصات AIP هي منصات مقتدرة للغاية توفر لك النفقات والصعوبة السياسية للطاقة النووية». يعتبر هذا النوع من الدفع مثاليًا، على سبيل المثال، للقوات البحرية التي تعمل بشكل أساسي في المناطق الساحلية.
«إن مخزن الطاقة المعتمد على الرصاص الحمضي مقروناً بمحرك مغناطيسي دائم يتغذى بالعاكس هو أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا في عالم اليوم، [...] ومع ذلك فإن كيمياء مخازن طاقة البطارية هي مجال سريع التطور في الوقت الحالي،» كما علق سالتر. في الواقع، تهتم العديد من الدول بتطوير واستخدام بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) لتحل محل بطاريات حمض الرصاص (LAB).
وعلق خبير Naval Group قائلاً: «توفر تقنية Li-ion قدرة أكبر بفضل كثافة الطاقة القصوى على متن الغواصة، والتي تعد بالزيادة في المستقبل مع إدخال بطاريات الحالة الصلبة». بالإضافة إلى ذلك، يمكن شحن بطاريات Li-ion أثناء وجودها في البحر، لتصل إلى 98 بالمائة من حالة الشحن (SoC) من خلال المرحلة الثانية من عملية الشحن. على الرغم من أنه يمكن أيضاً إعادة شحن بطاريات LAB في البحر، إلا أنها تنتج غاز الهيدروجين ما يتطلب عمليات تخفيف إضافية وتتطلب أيضاً إجراءات روتينية للبطارية في فترات الصيانة لتحقيق 100 بالمائة. أخيراً، بغض النظر عما إذا كانت مشحونة بالكامل أم لا، تطلق بطاريات Li-ion تدفقاً مستمراً من الطاقة وبالتالي توفر قدراً أكبر من الحركية التكتيكية.
حالياً، يوجد أسطول واحد فقط من الغواصات في العالم يعمل ببطاريات Li-ion، من فئة Soryu اليابانية. ومع ذلك، أعلنت إدارة برنامج الاستحواذ الدفاعي في كوريا الجنوبية (DAPA) في كانون الثاني/ يناير 2022 أن غواصات Batch-II التابعة لشركة ROKN ستحتوي أيضاً على بطاريات Li-ion.
وفي أوروبا، يبحث عدد من شركات بناء السفن أيضاً في هذه التكنولوجيا. بدأت Naval Group في تطوير حلها في العام 2006 لتحقيق تأهيل النظام في العام 2020، مع التركيز بشكل خاص على السلامة، حيث يمكن أن تواجه بطاريات Li-ion مشكلات تتعلق بالسلامة مع تيارات الأعطال العالية التي تؤدي إلى الهروب الحراري. وأضاف الخبير: «لقد ركزنا على اختيار الكيمياء التي توفر التوازن الصحيح بين كثافة الطاقة والسلامة». يتضمن ذلك نظام مراقبة البطارية الذي سيشرف على سلوك كل عنصر، ما يوفر للمشغل الحدود الضرورية للتشغيل والصيانة. كما أنها تحتوي على سلسلة من اختبارات عدم الانتشار وأنظمة الحماية الكهربائية التي تضمن أنه حتى في حالة وقوع حوادث، لن يكون لها تأثير على البطارية ككل.
وتعمل شركة Thyssenkrupp Marine Systems أيضًا على تطوير بطاريات Li-ion بالشراكة مع شركة Saft الفرنسية. خلال فعاليات معرض UDT2023، أخبر هوشيلت الزميلة AI أن شركته تقدم التكنولوجيا للبحرية الألمانية من أجل غواصاتها المستقبلية 212CD. أخيراً، أضاف أبراماسون أن Saab تدير أيضاً برنامجاً للبحث والتطوير (R&D) حول تكنولوجيا البطاريات، بما في ذلك Li-ion.
«تتمثل الآثار المترتبة على [تزايد بيئات التهديد] في أنه سيكون هناك تركيز متزايد على إدارة البصمة في جميع المنصات، حتى مع انخفاض أنظمة طاقة البصمة وتكنولوجيا المحركات، وعلى ميزات لتحسين نسب الأخطاء في المنصات التقليدية، مثل اعتماد بطاريات الكثافة ذات الطاقة العالية. وتؤكد العديد من برامج البحث والتطوير الجارية التي تركز على أجزاء مختلفة من الدفع البحري، ومعظمها مستمدة من المجال المدني، هذا الاتجاه.
على مستوى المحرك، على سبيل المثال، قامت شركة Saab بإجراء تحسينات على محركات SSK الخاصة بها وابتعدت عن مجموعات المولدات التقليدية لتطوير مجموعة مولدات ديزل حديثة بقدرة 500 كيلووات تقريباً مع مولدات مغناطيسية دائمة. يتم الآن إنتاج هذه المحركات الجديدة، مثل محرك Stirling، في وحدات مدمجة مقاومة للحريق والضوضاء يمكن تركيبها على المنصة وفقاً لمتطلبات المهمة. وأوضح أبراماسون: «إنك تقوم بتحجيم نظام توليد الطاقة لديك بشكل فعال». يمكن للبحرية اختيار عدد الوحدات التي تحتاجها للملف التشغيلي، ويمكن أيضاً تثبيت الوحدات بجوار وحدات Stirling من دون الحاجة إلى مساحة آلية محددة. فيما يتعلق بأنظمة AIP، تجري Navantia حالياً تجارب لنوع جديد من الدفع يسمى BEST (تقنية التخفي بالإيثانول الحيوي). يتكون نظام AIP من الجيل الثالث من مُعيد تشكيل الإيثانول الحيوي الذي ينتج الهيدروجين، والذي يتفاعل لاحقاً مع الأوكسجين في خلية الوقود لإنتاج الكهرباء. وبحسب الموقع الإلكتروني للشركة، فإن هذا النظام يمكّن السفينة من العمل بشكل مستقل تحت الماء لمدة تصل إلى ثلاثة أسابيع. وعلق دنكان قائلاً: «الميزة الرئيسية للإيثانول الحيوي هي أنه سائل يسهل إدارته وحمله، ويمكن استخدامه أيضاً لتشغيل محرك الديزل، ما يعني أنك ستحمل نوعاً واحداً فقط من الوقود على الغواصة». واختتم دنكان حديثه قائلاً: «إن النظام لم يدخل الخدمة بعد، ولكن إذا ثبت أنه موثوق، فقد تغير هذه التكنولوجيا الجديدة قواعد اللعبة بالنسبة لـ AIP».
أخيراً، فيما يتعلق بالبطاريات، وعلى الرغم من أن Li-ion هي التكنولوجيا الأكثر تقدماً حالياً التي يتم تطبيقها على دفع الغواصات، فقد أشار جميع الأشخاص الذين تمت مقابلتهم إلى أن الكيمياء تتطور باستمرار وأن البحث عن بدائل إضافية مستمر. على سبيل المثال، قال هوشيلت إن شركة TKMS تراقب أيضاً التطورات المتعلقة ببطاريات الحالة الصلبة، «والتي ستكون أكثر مرونة بكثير حيث أن مولد الديزل سيشحن البطارية ولن تكون هناك حاجة بعد الآن للهيدروجين والأكسجين».
وخلص أبراماسون إلى القول: «علينا أن نتكيف باستمرار مع التهديدات الجديدة والأداء المتزايد للتهديدات الجديدة». «هذه أوقات مثيرة للاهتمام لأن هناك الكثير مما يحدث في العالم المدني والذي يمكن تطبيقه على دفع الغواصات، وليس هناك من شك في أنه سيكون هناك أكثر من طريقة للمضي قدماً لمواصلة زيادة كثافة الطاقة وخفض البصمة وزيادة الاستقلالية».^
