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IL MOTORE SUBACQUEO
Introduzione
In campo militare moderno, quando i dettati di un teatro operativo per
guerra sottomarina richiedono un <<coefficiente di
indiscrezione>> zero ovvero navigazione completamente in
immersione per tutta la durata ), per il sommergibile in questione si
pone un problema di base sulla sua fonte energetica primaria che ha due
sole possibili soluzioni:
- Essere fornito di propulsione nucleare
- Poter ricorrere a tecnologia alternativa.
Sin da quando l'uomo si è avventurato sotto la superficie dell'acqua
trasportato da un mezzo da lui concepito, ha cercato di sviluppare una
forma di propulsione che potesse funzionare autonomamente in
quell'ambiente. Gli esempi più classici relativi all'argomento sono
quelli della propulsione umana, vedi le eliche mosse da pedivelle o
manovelle del secolo scorso sui primi sottomarini di legno, poi i motori
elettrici alimentati da batterie di bordo, sino ad arrivare all'odierna
propulsione nucleare.
Se pertanto viene scartata l'opzione nucleare, resta aperta dunque la
strada dell'energia chimica e della sua trasformazione in lavoro
meccanico.
Per quanto riguarda il motore a combustione classica, si arrivò a
pensarlo dotato di un sistema autonomo di alimentazione dell'aria o a
<< circuito chiuso>>.
<<Circuito chiuso>> significa chiudere il circuito di
aspirazione del motore su quello di scarico, rimuovere i prodotti della
combustione ( CO e CO2 )e ripristinare l'ossigeno consumato, così come
per un sommozzatore che usi l'ARO l'ossigeno viene aggiunto a necessità
dal by-pass e la CO2 viene fissata dalla calce sodata. Nel sistema così
realizzato circola così un fluido particolare, denominato <<aria
sintetica>>, ed in questo circuito si deve mantenere la massa
rigorosamente costante; la composizione dell'aria sintetica è variabile
nel circuito, così come la sua temperatura e pressione, ma
all'aspirazione devono essere ripristinate le condizioni iniziali.
Esistono illustri precedenti in questo campo: la prima applicazione di
motore a circuito chiuso di cui se ne ha notizia risale a Fritz Von Opel
e fu concepita negli anni venti.
Dal 1933 in poi i tedeschi, già leader nel campo dei sommergibili,
inizieranno con il prof. Hellmuth Walter lo studio e la realizzazione di
motori a turbina alimentati da perossido di idrogeno e acqua ( sia dolce
che salata ) senza necessità di apporto di aria atmosferica durante la
combustione, e nel 1940 la ditta tedesca Draeger proporrà uno studio
per propulsioni sottomarine prodotte da motori diesel alimentati da
ossigeno sia gassoso che liquefatto. Diversi esperimenti verranno
portati avanti soprattutto durante la fine della guerra per disporre di
mini-battelli subacquei mono-biposto dotati di forte velocità e
discreta autonomia mediante motori diesel o benzina a circuito chiuso
per attaccare i convogli nemici in località costiere, ma nulla uscirà
dallo stadio di prototipo, anche se avanzato.
Nel dopoguerra, Britannici, Statunitensi, Sovietici, Tedeschi, Svedesi e
Giapponesi si sono dedicati alla soluzione del problema. Fra questi gli
unici a tentare in tempi brevi sono stati i Britannici , con i
sottomarini Excalibur ed Explorer ( 3000 ton. 30 nodi )ed i Sovietici
che hanno messo in linea i 40 battelli da 650 ton della classe Quebec.
Tedeschi e Svedesi hanno sviluppato impianti sperimentali a terra, i
primi dedicandosi alle <<fuel cells>> ( ovvero alimentazione
delle celle di batterie elettriche tramite una combustione a freddo,
principalmente fornita da perossido di idrogeno ) ed alla turbina
<<Walter>> migliorata ( il << Walter Echange Process
>> di cui furono dotati i sottomarini Excalibur ed Explorer),
ovvero dotata di funzionali scambiatori di calore ed i secondi con il
diesel a circuito chiuso, realizzato con un otto cilindri da 1500 hp ,
accantonato in seguito per le << fuel cells >> prima e il
<< motore Stirling>> poi.
Il motore Stirling, o motore a gas caldo della Philips, funziona col
principio fisico che un riscaldamento ed un raffreddamento esterni
producono un gradiente di calore in un cilindro, che può essere
sfruttato per espandere periodicamente un gas " azionante " e
che può quindi essere impiegato per azionare un pistone. La combustione
uniforme e la possibilità di equilibrarlo completamente permettono al
piccolo motore a gas caldo di funzionare silenziosamente e senza
oscillazioni, come un motore elettrico.
I Britannici della Ricardo , infine, su contratto del Ministero della
Difesa, ed i Giapponesi della Hitachi, hanno entrambi sviluppato un
piccolo diesel incapsulato in un contenitore, collaudandolo in pochi
metri d'acqua.
Tutti, è il caso di ricordarlo, hanno adottato una soluzione ibrida,
dove l'impianto di propulsione <<anaerobica>> forniva la
velocità di picco, oppure un ausilio per la carica delle batterie in
immersione.
Comunque già dagli anni 50 in avanti quasi tutte le maggiori Marine da
guerra si convertiranno al nucleare per la sua enorme autonomia.
La sperimentazione italiana.
Nel panorama mondiale del lavoro subacqueo, una delle ditte che si
affacceranno per prime alle immersioni in saturazione nei mari del Nord
per la ricerca petrolifera sarà l'Italiana SSOS (Sub Sea Oil Service).
Creata da una branchia della Micoperi, altra ditta Italiana affermata
nel campo delle installazioni off-shore, la SSOS diventerà famosa per
le sue sperimentazioni quale ditta privata nel campo della saturazione,
realizzando successivamente un laboratorio attrezzato a Zirconia ( BG ),
ma la ricerca non fu solo nel campo umano , bensì anche nella
realizzazione di macchine.
Il progetto di un sottomarino a circuito chiuso venne intrapreso dalla
SSOS nel 1970, dopo prime alcune realizzazioni dotate di motore
elettrico, per rispondere ad allora esistenti esigenze del mercato
relative alla attività off-shore. Il progetto fu seguito direttamente
dall'Ing. Guido G. Santi, allora vicepresidente della SSOS prima e della
Maritalia, ditta nata dal frazionamento della SSOS dopo difficoltà
finanziarie. Alla fine di un'analisi approfondita dei pregi e difetti
dei sistemi ideati, scartati dopo un breve periodo di prove i
monopropellenti per ragioni di sicurezza e costo, fu optato per
l'adozione dei bipropellenti, ed in questo campo la scelta cadde sul
gasolio per autotrazione e sull'ossigeno puro.
Dei due problemi fondamentali, quello di immagazzinare l'energia e
quello di trasformarla in maniera efficiente, fu inizialmente affrontato
il secondo.
Dei cinque cicli esaminati ( Otto, Diesel, Rankine, Bryton, e Stirling )
si scelse il Diesel per i motivi di concezione di progetto, in quanto il
battello sottomarino, dovendo navigare sempre in immersione, non poteva
prescindere né dall'affidabilità del sistema né dal consumo specifico
dell'ossigeno, che doveva essere il minimo possibile; di carattere
pratico, in quanto per il successo dell'impresa era di importanza
fondamentale sia la disponibilità sia la qualità del motore di base.
Sulla base delle ricerche effettuate dalle Marine Tedesca, Statunitense
e Svedese e da parte della Britannica Ricardo e della Giapponese Hitachi
ai primi anni 80, lo schema dell'apparato motore a circuito chiuso
presentava, a fronte della semplicità e dell'affidabilità, un certo
numero di controindicazioni , e precisamente:
- aumento del consumo specifico rispetto a quello dell'aria atmosferica
del 15-20 %
- perdita dell'ossigeno presente nei gas di scarico
- diminuzione della potenza all'asse ( dell'ordine del 25% a 300 mt. di
profondità)
- profondità operativa massima sull'ordine dei 300 mt
I risultati ottenuti dalla SSOS alla fine dei suoi test furono:
- il motore si comporta indifferentemente con aria atmosferica od aria
sintetica, fornendo la massima potenza prevista
- si recupera totalmente l'ossigeno presente nei gas di scarico
- le prestazioni sono indipendenti dalla profondità
- è possibile la scelta dell'iniezione diretta o indiretta
Per ottenere questi risultati si lavorò per oltre quindici anni
trasformando in circuiti chiusi motori Lombardini, General Motors,
Perkins, Fiat, Mercedes e VM, accumulando oltre 20000 ore di moto.
Nei giorni 21 e 22 maggio 1986 l'I-MI-35, il primo sottomarino a
circuito chiuso realizzato dalla SSOS compiva al largo di Taranto una
serie di immersioni di collaudo a 350 mt. di profondità. Alle 14.28 del
22, il piccolo battello riemergeva e veniva depositato dalla gru sulla
coperta del pontone Micoperi 30.
L'I-MI-35, il << tutto-diesel >> subacqueo con a bordo solo
gasolio ed ossigeno, senza batterie elettriche, aveva sviluppato la
piena potenza per oltre un'ora alla massima quota ed era riemerso con
una riserva di energia sufficiente per ulteriori 11 ore.
Ma gli incidenti nei Mari del Nord verificatisi a cavallo degli anni
70-80 nel campo off-shore anche a sottomarini da lavoro ed il successivo
evolversi delle normative sulla sicurezza in questo campo porteranno
progressivamente l'abbandono del progetto nei confronti di una maggiore
versatilità dei ROV Remotely Operated Veichles ) .
Ciò che rimane del sommergibile si trova attualmente in stato
d'abbandono in un area di proprietà della ditta Micoperi a Fiumicino
La Svezia e la situazione attuale
Leggo su una rivista del settore di qualche mese fa delle ricerche e
sviluppo in solitario della Marina Svedese in questo campo, come avviene
in Svezia anche in campo aeronautico.
Durante la fine degli anni 50 ed inizio 60 , un programma di ricerca e
sviluppo fu portato avanti in Svezia per un nuovo tipo di propulsore che
potesse coprire le necessità dei sottomarini. Diverse alternative
vennero prese in esame, incluso il nucleare, il termico, il <<
fuel cells >> e il motore a circuito chiuso. Prototipi di motori a
celle combustibili e circuito chiuso vennero costruiti e testati, ma
difficoltà tecniche e limitazioni economiche fermarono il progetto.
Vennero pertanto prodotti sottomarini convenzionali.
Le difficoltà di realizzare un motore aria-indipendente principale con
tutta la potenza richiesta fecero scivolare l'idea su un motore similare
ma ausiliare, cioè alternato al principale e usato solo quando la
possibilità di mantenere una quota snorkel non era fattibile; non
avrebbe potuto coprire tutte le necessità di potenza ma sarebbero state
sufficienti per basse velocità a stazionamento.
Dopo aver effettuato diverse prove la scelta è caduta sul motore
Stirling quale motore ausiliario, il quale è stato provato prima sotto
test statico e poi in operazioni subacquee.
Nell'autunno dell'87 il sottomarino Neacken venne messo in bacino e fu
inserita una nuova sezione di 8 mt circa contenete il motore Stirling
fra la sala motori e il comparto elettrico., mostrando eccellenti
risultati nei test in mare dell'89 con un tempo di propulsione
dipendente dal motore Stirling dell'85% del totale. Su queste esperienze
il motore ed un nuovo sottomarino denominato Gotland furono disegnati
uno in funzione dell'altro, all'inizio degli anni ottanta. Nel 1990 il
Governo Svedese diede il via libera al Ministero della Difesa di
costruire tre nuovi sommergibili di questa classe. Il contrattista
incaricato della realizzazione dei sottomarini è stata la Kocksums
Submarine Systems AB, che iniziò la costruzione ed effettuò il primo
test in mare relativamente nel luglio 95 per il Gotland, nell'agosto 96
per l'Uppland e il 15 marzo 97 per l'Halland.
Da quei giorni ad ora i tre mezzi sono stati testati in mare per più di
5000 ore mostrando eccezionali doti di versatilità.
Vediamo pertanto che il motore subacqueo continua ad avere una
possibilità di sopravvivenza datagli dai costi ridottissimi se
paragonati al nucleare, e da limiti di sicurezza molto più ampi.
Il futuro ci dirà se a livello armatoriale sarà possibile sfruttare
queste esperienze acquisite.
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