Per propulsione si intende un sistema che consente al sommergibile di muoversi autonomamente nel proprio ambiente. E’ costituito da una riserva di energia, un sistema che trasforma questa energia in movimento meccanico (generalmente) e un apparato che apparato che trasforma il movimento in spinta per il battello. L’esempio più semplice è, come nei primi battelli di fine ottocento, un gruppo di accumulatori denominato batteria (una serie di grandi “pile”) che costituisce la riserva di energia, un motore elettrico che trasforma l’energia in movimento meccanico e un’elica che trasforma il movimento meccanico in spinta per il sommergibile. Per ognuno di questi apparati esistono diverse modalità di lavoro e, ovviamente, impianti ausiliari per massimizzarne le capacità di rendimento o di efficacia bellica.
Si definisce convenzionale un battello a propulsione “diesel-elettrica”. Il sistema, che nel tempo ha visto varie configurazioni, è costituito da uno o più gruppi di motori endotermici (generalmente diesel), che trasformano l’energia chimica del carburante in movimento meccanico. Questo movimento può essere impiegato per la produzione di energia elettrica, attraverso un alternatore o una dinamo, oppure direttamente per muovere il propulsore (in genere un’elica). Il secondo caso non trova più applicazione dalla fine della 2^G.M. per la maggiore flessibilità del secondo tipo di configurazione. L’energia elettrica prodotta, attraverso un quadro (detto “di propulsione” ) viene smistata alle batterie, per ricaricarle, o direttamente al motore elettrico di propulsione che, d’ora in avanti, abbrevieremo in MEP. Quando i diesel sono in moto il battello deve essere in contatto con l’atmosfera e questo puo avvenire tramite i portelli, quando è in superficie, o tramite una canna denominata “snorkel”, quando è a quota periscopica. A quote maggiori l’unica energia disponibile è quella accumulata nelle batterie che, sempre attraverso il quadro di propulsione, la erogano al MEP. Il propulsore connesso al MEP, per le relativamente basse potenze in gioco, è generalmente un’elica, che apporfondiremo nel paragrafo propulsori. Un esempio di propulsione convenzionale è quella dei sottomarini classe “Sauro”, approfondita qui, mentre per le batterie Pb-acido, normalmente impiegate a bordo, qui ci sono maggiori informazioni.
Lo snorkel è un’invenzione italiana, pochi lo sanno. Fu l’ing. Ferretti ad intuirne le potenzialità e ad applicarlo sul sommergibile H3 ma i tempi non erano maturi e, nonostante il progetto dei sommergibili cl. Sirena lo prevedesse, non fu mai installato. La necessità bellica fece sì che i tedeschi sfruttarono la stessa intuizione ma messa in atto da un olandese qualche anno dopo il Ferretti. L’esigenza era quella di “nascondere” un sommergibile che sta ricaricando le batterie di propulsione dai radar avversari e la soluzione consisteva in una canna che, elevata dalla torretta, metteva in comunicazione l’interno del battello (e quindi i i motori diesel) con l’atmosfera. L’aria entra proprio per la depressione creata di motori in moto e, dopo avere “lavato” l’atmosfera interna, viene bruciata dai motori ed espulsa fuori bordo attraverso un apposito condotto. Maggiori contenuti al link .
L’evoluzione dei radar e di altri sistemi di individuazione dei battelli ha portato alla ricerca di nuove soluzioni, che ancora oggi si stanno sviluppando, che rendessero il battello indipendente dall’atmosfera esterna. Pionieri furono i tedeschi che, con l’ing Walter, svilupparono un sistema di propulsione a perossido di idrogeno, sperimentato con successo sul V80 – primo vero sottomarino- nel 1944 (qui maggiori info) . Il sistema consentiva di impiegare il perossido, stivato in apposite casse, per la combustione con il gasolio. Questo sistema fu apporfondito dalla Gran Bretagna nell’immediato dopoguerra ma con scarsi risultati e, quindi, abbandonato. I sistemi indipendenti dall’aria tornarono in auge, sempre a causa dello sviluppo di tecnologie di ricerca sempre più performanti, negli anni ’70, che videro il fiorire di diverse tecnologie per produrre l’energia da inviare al MEP in alternativa al diesel; eccone alcuni:
- il sistema C3D, sviluppato in Italia dalla Maritalia, consisteva in un motore diesel nel quale il comburente (l’aria) veniva sostituito da una miscela di ossigeno e gas di scarico purificati, questi ultimi in sostituzione dell’azoto nell’atmosfera. L’ossigeno era stivato nello scafo resistente, costituito da una serie di toroidi affiancati, mentre i residui in eccesso della combustione venivano smaltiti fuori bordo con un ingegnoso sistema di miscelazione con l’acqua. Il sistema è stato abbandonato per il fallimento della ditta ma ha suscitato l’interesse di altre Marine (compresa quella statunitense) e stimolato la sperimentazione di numerosi cantieri. Ad oggi, a causa della difficoltà ad abbattere la rumorosità, gli sono preferiti altri sistemi.
- le Fuel Cell (o celle combustibili) sono tra i sistemi maggiormente diffusi nelle ultime generazioni di sottomarini di costruzione italo-tedesca. Consiste in un “contenitore” nel quale vengono fatti confluire idrogeno e ossigeno, opportunamente stivati a bordo, che entrano a contatto attraverso una membrana che ne evita l’esplosione. Il contatto genera acqua, calore e, cosa che più interessa, energia elettrica, che viene ottenuta con la massima silenziosità perché non ci sono parti in movimento. L’ossigeno viene conservato liquido in appositi contenitori mentre l’idrogeno è allo stato gassoso ma imprigionato nel reticolo di una molecola per evitare che trafile all’esterno dei relativi contenitori. La ricerca sta cercando in introdurre sistemi di produzione di idrogeno direttamente dal combustibile conservato a bordo attraverso impianti detti reformer. E’ il sistema di propulsione dei nostri battelli più moderni, che potrete approfondire qui e qui
- il sistema Stirling, principalmente adottato dalla Marine svedese e Giapponese, è sostanzialmente un motore esotermico alimentato con ossigeno stivato liquido a bordo e il normale gasolio. Per semplificare, il una camera di combustione senza parti mobili viene bruciato il combustibile con continuità e i gas generati (dotati di elevata pressione) vengono solo successivamente inviati a dei pistoni che generano il movimento meccanico per muovere l’alternatore. Non avvenendo il classico “scoppio” dei normali motori endotermici, il rumore prodotto è decisamente ridotto ed è possibile abbatterlo ulteriormente con le attuali tecnologie. Rimane comunque un sistema piu rumoroso e con il problema dello smaltimento dei gas combusti.
- il sistema MESMA consiste, semplificando, in una caldaia alimentata a etanolo e ossigeno per generare vapore che va ad alimentare un turboalternatore. Sviluppato dai francesi è in acquisizione da parte di diverse marine (pakistan, india, cile). I vantaggi e gli svantaggi sono simili al motore stirling
- le batterie ad elevata capacità che si vorrebbero sviluppare sono batterie che consentano di svolgere l’intera missione senza ricaricarle. La tecnologia oggi disponile oggi sembra ancora lontana da questo obbiettivo ma ci sono studi approfonditi in corso per le batterie ZEBRA (sodio-nickel cloruro) e le batterie LiPO (litio-polimero). Per le prime il problema sembra consistere nel’elevatissimo calore in cui operano mentre, per le seconde, il limite è costituito dalle elevate potenze in gioco. Maggiori informazioni al link
L’energia nucleare
Ma il generatore di energia indipendente dall’aria per eccellenza è il “nucleare”. Il combustibile è materiale fissile (uranio) che attraverso una reazione controllata produce elevato calore; questo viene sfruttato per trasformare acqua (in un caso anche sodio: l’Alfa sovietico) in vapore che viene successivamente inviato a delle turbine, collegate direttamente alle eliche per mezzo di riduttori. L’intuizione è da accreditare all’ammiraglio statunitense Hyman G. Rickover, i cui studi e la ferrea volontà sfociarono nel USS Nautilus, primo battello nucleare della storia che abbiamo discusso qui. Essendo totalmente indipendente da combustibili e comburenti può assicurare energia per tempi davvero lunghi: si è passati dai pochi ani del Nautilus all’intero ciclo operativo (circa 30 anni) degli ultimi battelli statunitensi. Una ulteriore modifica, tutta a vantaggio della silenziosità, è consistita nell’eliminare il riduttore (fonte di elevato rumore) collegando la turbina a degli alternatori, e, come avviene nei battelli convenzionali, alimentare un motore elettrico di propulsione, come apporfondito qui. Le Marine dotate di questa propulsione sono davvero poche, anche se in aumento: USA, Russia, Cina, Gran Bretagna e Francia, mentre India e Brasile stanno cercando di ottenere questa tecnologia, di cui abbiamo parlato anche qui. La gestione del combustibile è forse il problema maggiore, esploso alla morte dell’impero sovietico con la necessità di smaltire un elevatissimo numero di reattori; ma in tutte le nazioni esiste un sito per lo stoccaggio di materiale radiottivo e Betasom non poteva non trattare il problema al link.
Il propulsione universalmente adottato sulle imbarcazioni, a meno di particolari necessità, è l’elica, che può essere immaginata come una vite con tanti filetti quante sono le pale che si affita nel fluido in cui è immersa. Le pale, di varie forme e dimensioni, sui sottomarini ha generalmente forma falciata e a passo fisso (significa che le pale non cambiano inclinazione) per contenere al massimo cavitazione e rumore irradiato. Le pale sono montate su un fuso che è connesso all’asse, da cui riceve il moto e a cui ritrasmette la spinta. La tecnologia moderna dei motori elettrici a magneti permanenti potrebbe consentire, in futuro, di eliminare questa linea d’asse, abbattendo ulteirormente la rumorosità ed eliminando un dei punti deboli di tutti i battelli; la tenuta stagna tra scafo e linea asse. Per approfondire sulle eliche
Le grandi potenze in gioco sui battelli nucleari hanno invece portato ad una soluzione differente: il “pump jet”, che può essere assimilato ad una serie di eliche inframezzate da statori, come in una turbina, protetti da un mantello che ne assorbe il rumore. Il problema maggiore di questo propulsore sembra essere la bassa efficienza nella marcia indietro e in manovra, tanto che alcuni sottomarini sono dotati di elica di manovra retraibile. Alcune sperimentazioni di pumpjet sono state effettuate su batteli convenzionali, ma sembra senza successo. per maggiori info.
Non può infine essere dimenticata la propulsione magnetoidrodinamica, portata alla ribalta dal film “Caccia a Ottobre Rosso”. Si tratta di una tecnologia ancora in corso di sviluppo, che ha visto la nascita di alcuni prototipi su unità di superficie ma niente di più. Il sistema si basa sula produzione di enormi campi magnetici, generati grazie a bobine di superconduttori (che, come noto, abbisognano di temperature bassissime per funzionare), che agiscono sulle particelle ionizzate presenti in acqua; in questo modo l’acqua sarebbe “spinta via” e se questa spinta viene opportunamente canalizzata, anche il battello riceverà una reazione uguale e contraria. Ecco lo stato dell’arte