Η ικανότητα ενός συμβατικού υποβρυχίου να παραμένει σε κατάδυση για μεγάλα χρονικά διαστήματα αποτελεί κρίσιμο παράγοντα επιβιωσιμότητας και επιχειρησιακής αποτελεσματικότητας. Τα κλασικά συστήματα diesel–electric βασίζονται σε συσσωρευτές μολύβδου-οξέος, οι οποίοι παρουσιάζουν χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα και περιορισμένη αυτονομία. Η ανάγκη περιοδικής χρήσης αναπνευστήρα (snorkel) για φόρτιση των μπαταριών αυξάνει σημαντικά το ακουστικό και ρανταρικό ίχνος του υποβρυχίου.

Η τεχνολογία Air Independent Propulsion (AIP) αναπτύχθηκε για να καλύψει αυτό το κενό, επιτρέποντας παραγωγή ισχύος σε πλήρη κατάδυση χωρίς πρόσβαση σε ατμοσφαιρικό αέρα. Μεταξύ των διαφόρων τεχνολογιών AIP, ο κινητήρας Stirling αποτελεί μία από τις πλέον ώριμες και επιχειρησιακά αποδεδειγμένες λύσεις.

Ο κινητήρας Stirling, πατενταρισμένος το 1816, είναι κινητήρας εξωτερικής καύσης κλειστού κύκλου. Παρά το υψηλό θεωρητικό θερμοδυναμικό του όριο, η πρακτική του εφαρμογή περιορίστηκε για δεκαετίες λόγω τεχνολογικών περιορισμών. Το ενδιαφέρον αναβίωσε τον 20ό αιώνα, ιδιαίτερα σε εφαρμογές χαμηλού θορύβου.

Στη Σουηδία, όπου η πυρηνική πρόωση δεν αποτέλεσε πολιτικά ή στρατηγικά αποδεκτή λύση, η Kockums Marine AB (KMAB) ανέπτυξε ένα ολοκληρωμένο σύστημα Stirling AIP για συμβατικά υποβρύχια. Το σύστημα δοκιμάστηκε αρχικά σε αυτόνομο πλωτό τμήμα και στη συνέχεια ενσωματώθηκε επιχειρησιακά στο υποβρύχιο HSwMS Nacken της κλάσης Α14 Nacken, αποδεικνύοντας δραστική αύξηση της υποβρύχιας αυτονομίας από ημέρες σε εβδομάδες. Έκτοτε το σύστημα της Kockums τοποθετήθηκε στα νεότερα υποβρύχια κλάσης Α19 Gotland του σουηδικού ναυτικού, ενσωματώθηκε μέσω προγράμματος αναβάθμισης στα τέσσερα υποβρύχια κλάσης Α17 Vastergotland, έχει τοποθετηθεί στα δέκα ιαπωνικής σχεδίασης και κατασκευής υποβρύχια κλάσης Soryu ενώ η εξελιγμένη εκδοχή του συστήματος πρόκειται να τοποθετηθεί στα νέας γενιάς υποβρύχια του σουηδικού και πολωνικού ναυτικού κλάσης A26 Blekinge, τα οποία αναμένεται να αρχίσουν να παραδίδονται από το 2031 και μετά.

Αρχή λειτουργίας του κινητήρα Stirling

Ο κινητήρας Stirling είναι ένας εξωτερικά θερμαινόμενος κινητήρας με κλειστό κύκλο λειτουργίας. Όσον αφορά τη συμπίεση και την εκτόνωση, λειτουργεί παρόμοια με έναν συμβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης, αλλά διαφέρει με δύο βασικούς τρόπους: τα έμβολα ισχύος λειτουργούν σε ένα κλειστό σύστημα αερίου εργασίας ηλίου (ή υδρογόνου) και η θερμότητα μεταφέρεται συνεχώς στον κύκλο μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας.

Το απλούστερο περιγραφικό μοντέλο της διαδικασίας Stirling αποτελείται από δύο έμβολα. Eνα που λειτουργεί σε κρύο και ένα σε θερμό χώρο, τα οποία κινούνται με τη βοήθεια θερμικής εκτόνωσης ενός αερίου. Το αέριο «εργασίας», το οποίο περικλείεται μεταξύ των εμβόλων, κινείται συνεχώς μπρος-πίσω μεταξύ του θερμού και του ψυχρού χώρου και θερμαίνεται ή ψύχεται συνεχώς. Το αέριο διέρχεται από έναν αναγεννητή, ο οποίος αποθηκεύει θερμότητα όταν το αέριο κινείται από τη θερμή στην ψυχρή πλευρά και εκπέμπει θερμότητα όταν το αέριο κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Τα δύο έμβολα συνδέονται μηχανικά μεταξύ τους για να επιτευχθεί η σωστή μεταβολή του όγκου.

Αρχή λειτουργίας του συστήματος Stirling AIP

Η παραγωγή θερμότητας και η μετατροπή της σε μηχανικό έργο είναι πλήρως διαχωρισμένες μέσω εναλλάκτη θερμότητας. Στο υποβρύχιο σύστημα AIP:

• Η καύση γίνεται σε υπερπιεσμένο θάλαμο, χρησιμοποιώντας συμβατικό καύσιμο (diesel) και υγρό οξυγόνο το οποίο βρίσκεται αποθηκευμένο σε δεξαμενή. Η πίεση καύσης είναι σταθερή και ρυθμισμένη στα 20-30 bar, επιτρέποντας τη λειτουργία έως και 200-300 m χωρίς τη χρήση συμπιεστή καυσαερίων.
• Η θερμότητα μεταφέρεται μέσω εναλλάκτη στον κύκλο Stirling και το εργαζόμενο αέριο (συνήθως ήλιο) εκτελεί κλειστό θερμοδυναμικό κύκλο. Για τον έλεγχο της πεπιεσμένης καύσης ντίζελ χρησιμοποιώντας καθαρό οξυγόνο, το οποίο παράγει θερμοκρασία φλόγας 4000 °C, χρησιμοποιείται ανακυκλοφορία καυσαερίων για τη μείωση της θερμοκρασίας της φλόγας σε αποδεκτό επίπεδο κάτω των 2000 °C. Ένας μικροεπεξεργαστής παρακολουθεί τον κινητήρα και τις μεταβλητές επεξεργασίας στις βασικές λειτουργίες.
• Η μηχανική ισχύς μετατρέπεται σε ηλεκτρική μέσω γεννήτριας για να δώσει κίνηση στο υποβρύχιο.
• Τα προϊόντα καύσης είναι νερό και διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο διαλύεται εύκολα στο νερό του περιβάλλοντος. Τα καυσαέρια (κυρίως CO₂) αποβάλλονται απευθείας στη θάλασσα χωρίς ανάγκη συμπιεστή, επιτρέποντας λειτουργία σε μεγάλο βάθος. Η ψύξη των καυσαερίων επιτρέπει στα προϊόντα καύσης να εγκαταλείπουν το όχημα σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία, ελαχιστοποιώντας την υπέρυθρη ακτινοβολία.
• Οι πιέσεις στον κύκλο Stirling μεταβάλλονται ομαλά, γεγονός που οδηγεί σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα κραδασμών και θορύβου.
• Η ρύθμιση της θερμοκρασίας καύσης επιτυγχάνεται με ανακυκλοφορία καυσαερίων χωρίς απώλεια απόδοσης.

Το αποτέλεσμα είναι ένα σύστημα με ελάχιστο ακουστικό, θερμικό και μαγνητικό ίχνος, ιδανικό για ελαχιστοποίηση της πιθανότητας εντοπισμού του υποβρυχίου. Η απουσία εσωτερικών εκρήξεων μέσα στους κυλίνδρους κατά τη διάρκεια της καύσης τον κάνουν έναν σχετικά αθόρυβο κινητήρα. Οι μετρήσεις θορύβου που έγιναν από το US Navy πριν από περίπου 25 χρόνια έδειξαν ότι ο κινητήρας stirling είναι δεκαπέντε φορές πιο αθόρυβος σε σύγκριση με έναν κοινό κινητήρα εσωτερικής καύσης.

Σήμερα η SAAB προσφέρει στο νέας γενιάς υποβρύχιο Α26 τον νεότερης γενιάς κινητήρα Kockum V4 275R MkV Stirling που θα έχει καλύτερη απόδοση σε σύγκριση με το προηγούμενο μοντέλο. Συγκριτικά θα έχει μικρότερη κατανάλωση και θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεγαλύτερα βάθη, έως 250 μέτρα ενώ το χωροταξικό αποτύπωμα μέσα στο υποβρύχιο θα είναι μικρότερο ελευθερώνοντας χώρο εσωτερικά. Το υποβρύχιο εκτός του κηνητήρα V4 275R MkV Stirling θα διαθέτει και τρεις ηλεκτρομηχανές, μια έκδοση του κινητήρα ντίζελ Scania DSI14, καθώς και συστοιχίες μπαταριών που συμπληρώνουν τους διατιθέμενους τρόπους πρόωσης. Οι μπαταρίες διατίθενται σε δύο συστοιχίες και με επιλογή του πελάτη μπορεί να είναι είτε οι παλαιότερες και δοκιμασμένες μπαταρίες μολύβδου-οξέως είτε οι νεότερες ιόντων λιθίου. Η μέγιστη ταχύτητα του Α26 σε κατάδυση είναι 20 κόμβοι και 6 κόμβοι με χρήση ΑΙΡ. Σε πλεύση με αναπνευστήρα η ταχύτητα είναι μεγαλύτερη των 12 κόμβων. Με χρήση του συστήματος ΑΙΡ το υποβρύχιο μπορεί να πλεύσει 18 ημέρες ενώ η μέγιστη διάρκεια αποστολής είναι 45 ημέρες.