Denizaltılarda Tahrik Sistemleri

Denizaltılar bir ülkenin donanmasının en güçlü ve vazgeçilmez parçasıdır. Gerek operasyonlarını gizlilikle yürütme yetenekleri gerek bilgi ve veri toplama faaliyetleri kapsamında denizaltılar bir donanmanın adeta su altında çarpışan sessiz savaşçıları gibidir. Denizaltıların en önemli özelliği gizlenme olanağından azami ölçüde yararlanarak beklenmedik saldırılarla, dünyanın en güçlü donanmalarını bile bozguna uğratabilme kapasitesidir. Bir denizaltının varlığının söylentisi bile koca bir deniz harekâtını engelleme gücüne sahiptir. 

Denizaltıların ilk tasarım ve teknoloji örnekleri çok daha eskiye dayansa da, modern denizaltı teknolojileri, denizaltıların babası olarak kabul edilen “Philip Holland” ile birlikte 1875 yılı ve sonrasına dayanır.  

Denizaltılar özellikle İkinci Dünya Savaşı’nda gösterdikleri etki ile tüm klasik taktik ve stratejilerin değişmesine neden olmuştur. Ancak belirli aralıklarla su üstüne çıkma mecburiyetleri asıl gücünü gizlilikten alan bu platformlar için uzun süre en önemli riski teşkil etmiştir. ikinci Dünya Savaşı yılları boyunca bu sorunun giderilmesi için çeşitli sistem üzerine çalışılsa da istenen başarı sağlanamamıştır.1950’lerle birlikte atom enerjisi ve AIP adı verilen “Havadan Bağımsız Sistemler” denizaltıların yardımına  yetişmiştir. AIP (Air İndependent Propulsion) i olarak adlandırılan bu sistemler  oksijen gibi bir yakıcı gaza gereksinim duymayacak şekilde, dıştan yanmalı  bir tür motor olan Stirling Motoru ile denizaltı  gibi su taşıtlarının daha uzun süre sualtında kalmasını sağlamak için geliştirilmiş bir güç üretme sistemidir. Walter Türbinleriyle deneme-yanılma tecrübeleriyle  başlayıp AIP ve Nükleer reaktörlere kadar olan bu süreç, güç ve tahrik sistemleri teknolojisini bugün bulunduğu noktaya taşımadaki en önemli tecrübedir.

Walter türbinlerinden nükleer enerji reaktörlerine uzanan bu süreci aşağıdaki gibi özetleyebiliriz.

Walter Türbinleri

Alman mühendis Helmuth Walter tarafından geliştirilen bir teknolojiye dayanır. Savaş sırasında Almanya, savaş sonrasında ise ele geçirilen Alman teknoloji ile İngiltere tarafından deneysel amaçlarla kullanılmıştır.

AIP(Air Independent Propulsion) Havadan Bağımsız İtki Sistemleri

Neden AIP Sistemlere ihtiyaç duyarız?

Havadan Bağımsız İtki Sistemleri denizaltıların görev sırasında gizliliğinin korunmasını sağlayan en önemli teknolojidir. Su altındayken, gemideki piller denizaltıdaki pervaneye ve diğer elektrik sistemlerine güç sağlar. Bu piller 4-5 gün içinde biter ve yeniden şarj edilmesi gerekir. Bu, onları düşman radarları tarafından tespit edilmeye maruz bırakan ve kolay bir hedef haline getiren şnorkelle yüzerek yapılır . Modern şnorkeller, radar emici boya ile kaplanmış ve gizli bir şekle sahip olsa da, yine de yüksek çözünürlüklü radarlar tarafından tespit edilebilirler. Ayrıca şnorkelle yüzerken denizaltı dizel jeneratörlerinin egzoz emisyonlarını algılayabilen dizel koklayıcı adı verilen sensörler de vardır. Her gün yüzeye çıkması gereken bir denizaltı, gizlilik unsurunu kaybeder ve denizaltı karşıtı düşman varlıklara karşı savunmasız duruma geçer.

Bu nedenle dizel-elektrik denizaltılarının motorlarını çalıştırmadan bataryalarını şarj etmelerine imkan tanıyan bir sisteme ihtiyacımız var. Bu onların su altında seyretmeye devam etmelerine ve fark edilmeden kalarak gizliliklerini korumalarına izin verecektir. Sistem ayrıca son derece düşük gürültü ile çalışmalı ve denizaltının performansından ödün vermemelidir. İşte bütün bunlara izin veren sistem, (AIP) Havadan Bağımsız İtki Sistemleridir. Bu sistemleri kendi içerisinde aşağıdaki gibi sıralayabiliriz;

Kapalı Çevrim Dizel Motorlar

Denizaltılar tam dalmış durumdayken dizel makinaları çalıştırmak üzere depolanmış oksijeni kullanırlar. Satıhteyken yani yüzeydeyken veya şnorkel derinliğindeyken dizel makinalar normal şekilde çalıştırılır. Oksijenin, argon gibi durağan gazlarla karıştırıldığı kapalı devre dizel teknolojisinde, yanma sonrası da bu durağan gazlar geri dönüşüme tabi tutulurken, diğer gazlar soğutularak gemiden uzaklaştırılır. Sistemin çalışma prensibi aşağıdaki adımlar şeklinde gerçekleşir;

1-Bir dizel motoru su altındayken çalıştırmak için denizaltıda bir oksijen kaynağı depolamayı içerir. Sıvı oksijen (LOX), denizaltıdaki tanklarda depolanır.

2-Oksijen yanma için dizel motora gönderilir.

3-Motorların hasar görmeden güvenli bir şekilde çalışması için atmosferik oksijen konsantrasyonunu simüle etmeleri gerektiğinden, oksijen inert bir gazla (genellikle argon) karıştırılır ve ardından motora gönderilir.

4-Egzoz gazları soğutulur ve temizlenir bunlardan kalan oksijen ve argonu çıkarmak için ve geri kalan gazlar deniz suyu ile karıştırılarak denize boşaltılır. 5-Egzozdan çıkan argon, oksijenle karıştırıldıktan sonra tekrar dizel motora gönderilir.

Bu teknolojiyle ilgili en büyük zorluk , sıvı oksijenin denizaltılarda güvenli bir şekilde depolanmasıdır. 1960’larda bu teknolojiyi kullanan Sovyet denizaltıları, bu gazları yangına oldukça eğilimli buldular ve daha sonra kullanımlarını bıraktılar. Kapalı Çevrim Dizel AIP, nispeten daha ucuz olmasına ve standart dizel yakıt kullanımıyla lojistiği basitleştirmesine rağmen modern denizaltılar için tercih edilmemektedir .

Kapalı Devre Buhar Türbini

Sistemin çalışma prensibi kısaca Etanol ile oksijenin yakılmasıyla su buharının oluşturulduğu ve bu buharın da türbinden geçirilerek tahrik sağladığı kapalı devre buhar türbinlerine dayanır, aslen nükleer denizaltılarda da tek bir farkla kullanılmaktadır. Söz konusu fark ise su buharı oluştururken etanol ve oksijen yerine nükleer enerjiden yararlanılmasıdır.

Buhar türbinlerini çalıştırmak ihtiyaç duyulan enerji suyun ısıtılması ve buhara dönüştürülmesiyle elde edilir.Bunun için de bir enerji kaynağı kullanır. Nükleer enerjili denizaltılarda suyu buhara dönüştürmek için nükleer reaktörler ısıyı sağlar. Ancak geleneksel kapalı çevrim buhar tahrikinde, aynısını yapmak için nükleer olmayan bir enerji kaynağı kullanılır. Fransız MESMA (Modül d’Energie Sous-Marine Otonom / Otonom Denizaltı Enerji Modülü) mevcut tek sistemdir ve enerji kaynağı olarak etanol ve oksijeni kullanır.Etanol ve oksijenin yanmasıyla üretilen buhar, çalışma sıvısıdır ve türbini çalıştırmak için kullanılır. Bu sistem sayesinde yüksek basınçlı yanma sonucu oluşan atık karbondioksitin herhangi bir derinlikte bir kompresör kullanılmadan denize atılması sağlanır.

Stirling Motoru

Tarihi 1800’lü yılların başına uzanan Stirling Motoru, sistemde kalıcı olarak bulunan bir çalışma sıvısına sahip kapalı çevrim bir motorudur .Sistemin çalışma prensibini özetlemek gerekirse bu çalışma sıvısını ısıtmak için bir enerji kaynağı kullanılır ve bu da pistonları hareket ettirir ve motoru çalıştırır. Motor, elektrik üreten ve pili şarj eden bir jeneratöre bağlıdır.

Sistemin çalışması, bir dış kaynaktan elde edilen ısının çalışma gazına aktarılması üzerine kuruludur. Isınan bu gaz pistonlara gönderilir, hareket sağlanır ve ardından gaz, farklı bir soğutma bölmesine tahliye edilir. Temelinde buharlı motor gibi çalışan Stirling motorları, buhar kullanmasa da oksijen ya da başka gazları “ısıtma- soğutma- geri dönüştürme” prensibine dayanmaktadır ve pek çok platformda kullandığımız içten yanmalı motorların aksine, bir gaz çıkışı yoktur. Bunun yerine gazlar kapalı bir devre içerisinde dolaşımdadırlar.

Yakıt Hücreleri ile karşılaştırıldığında Sterling motorlarını kullanmanın dizel yakıtı ve düşük yakıt ikmali maliyetleri dolasıyla kullanımın daha kolay olduğu görülür.Ayrıca MESMA’dan daha sessizdirler ve bu özellikleri bakımından denizaltıların gizlilik ilkesini tehlikeye atmamış olurlar.

Dezavantaj olarak ise , çok sayıda hareketli parçanın varlığından dolayı Yakıt Hücrelerine kıyasla nispeten gürültülü olmalarıdır. Ayrıca Yakıt Hücrelerine göre daha büyüktürler. Stirling AIP kullanan bir denizaltının operasyon derinliği, AIP devreye girdiğinde 200 m ile sınırlıdır.

Yakıt Hücreleri

Yakıt Hücresi, kimyasal enerjiyi elektriğe dönüştüren bir cihazdır . Bu, bir yakıt ve bir oksitleyici kullanılarak yapılır. Tipik bir yakıt hücresi, Hidrojeni (yakıt) ve Oksijeni (oksitleyici), yan ürünler olarak salınan su ve ısı ile elektriğe dönüştürür. Bu, elektrolitik bir bariyerle ayrılmış, biri pozitif (anot) ve diğeri negatif (katot) olmak üzere iki elektrottan oluşan bir elektrolitik hücre ile yapılır. Katot ve anot arasındaki reaksiyon, pilleri şarj etmek için kullanılan bir elektrik akımı üretir. Reaksiyonları hızlandırmak için kimyasal bir katalizör kullanılır.. Böylelikle içten yanmalı motorlardan farklı olarak, elektrokimyasal bir reaksiyon meydana getirilmektedir. Yakıt pillerinden farklı platformlarda yararlanılmakla beraber, denizaltı gemilerinde özellikle en fazla ilgi çeken uygulama, düşük çalışma sıcaklıkları ve minimum ısı kaybı dolayısıyla Polimer Elektrolit Membran (PEM) teknolojisidir.

Yakıt hücreleri günümüzde en gelişmiş ve tercih edilen AIP teknolojisidir. Bunun nedeni, gizlilik ve elektrik üretiminde sundukları büyük avantajlardır . Yakıt Hücrelerinde neredeyse hiç hareketli parça bulunmadığından, gürültü ve titreşim sorunları minimum düzeyde olduğundan  denizaltının gizliliğine katkıda bulunurlar, bu da denizaltının akustik imzasını önemli ölçüde azaltır. Yakıt Hücreleri, belirli koşullar altında% 80’in üzerinde bir verimlilik elde edebilir. Ayrıca denizaltının yer değiştirmesine bağlı olarak kolayca büyük veya küçük boyutlara ölçeklenebilirler. Bu, her denizaltı sınıfı için farklı sistemler geliştirmekten daha kolaydır. Hidrojen Yakıt Hücreleri, egzoz dumanı üretmediklerinden çevre dostudur ve bu da özel egzoz yıkama ve imha makinelerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Tek dezavantajı oldukça pahalı ve karmaşık sistemler olmalarıdır.

 

Nükleer Reaktörler

Sistemin çalışması denizaltı içerisine konulan 10-15m2’lik alana PWR tipi veya LMFR tipi reaktörlerin konulmasıyla başlar. Reaktörlerden elde edilen yoğun buhar gücü hızlı bir şekilde türbinlere gönderilir ve pervane şaftının dönmesiyle gerekli elektrik jeneratörlerden enerji üretilir. Boşa çıkan buhar ise ısıtma sistemlerinde kullanıldıktan sonra soğutularak reaktöre geri yollanır. Kısaca kapalı çevrim içerisinde döngü gerçekleşir.

Geleneksel denizaltılar ve nükleer denizaltılar arasındaki ana fark, güç üretim sistemidir. Nükleer denizaltılar bu iş için nükleer reaktörleri görevlendirir. Biri, mile bağlı olan elektrik motorlarına güç sağlamak için elektrik üretirken diğeri, buhar türbinlerini çeviren buhar gücünü üretmek için reaktörün ısısına ihtiyaç duyar. Denizaltılarda kullanılan reaktörler küçük bir reaktörden yüksek miktarda enerji dağıtma olanağı sağlamak için genel olarak yüksek derecede zenginleştirilmiş yakıt kullanırlar.

Nükleer reaktör ayrıca, hava kalitesinin bakımı, tuzlu okyanus suyunu damıtarak taze su üretimi, iklimlendirme gibi denizaltının diğer alt sistemlerine enerji sağlar. Tüm nükleer deniz reaktörleri günümüzde, yedek bir güç sistemi olarak dizel üreteçlerle birlikte çalışır.Bu makinalar bir acil ilerleme mekanizmasına elektrik sağlayabildiği kadar, reaktör bozulma ısısı azaltımı için de acil elektrik gücü sağlayabilir.Denizaltılar 30 yıllık işletim süresine kadar nükleer yakıtı taşıyabilir. Sualtındaki zamanı kısıtlayan tek kaynak, mürettebat için erzak ve teknenin bakımıdır.

Denizaltılarda reaktör olarak 2 tip nükleer reaktör kullanılır; Basınçlı Su ile Soğutulan Reaktör(PWR-Pressurized Water Reactor) ve Sıvı Metal ile Soğutulan Reaktörler(LMFR-Liquid Meta Fast Breeder Reactor) dir.Denizaltının ait olduğu donanmaya ve hizmet vereceği süre gibi çeşitli faktörlere göre seçilen reaktör tipi farklılık gösterebilir.

DFF

KAYNAKÇA

• www.vizyonergenc.com
• www.defencyclopedia.com
• Modern Deniz Harp Sistemleri Harp Gemileri/Sami ATALAN/Syf,77-104 /nükleer denizaltılar/konvansiyonel denizaltılar