Jak švédská ponorka porazila americké námořnictvo

Tuto epizodu Real Engineering vám přináší Brilliant, problémy řešící web, který vás učí myslet jako inženýr. Armáda Spojených států má nejsilnější a nejrozmanitější námořnictvo světa. Americká flotila letadlových lodí je tak velká, že letectvo amerického námořnictva je druhé největší na světě, překonává jej pouze samotné americké letectvo. Jedna letadlová loď třídy Nimitz, jako je USS Ronald Reagan, jaderně poháněná loď za 6,2 miliardy dolarů, může nést dvojnásobek letounů oproti libovolné cizí lodi.



O to více je šokující, že ji „potopila“ jediná dieselová ponorka ze Švédska během válečných her v roce 2005. Samotná ponorka s cenou odpovídající jedné F-35, tedy 100 milionů dolarů, se zvládla proplížit kolem celé operační skupiny s obranou proti ponorkám, dostala se do rudé zóny a několikrát zasáhla USS Ronald Reagan torpédy, prakticky ji potopila a bez odhalení se vytratila zpět do oceánu.



Šlo o jedno z mnoha cvičení, kde se švédská ponorka třídy Gotland osvědčila jako moc nenápadná i pro nejsilnější námořnictvo. Ponorka byla tak hrozivá, že si ji americká armáda na rok pronajala, aby vyvinula strategie proti této tiché hrozbě. Čím se třída Gotland liší od jiných ponorek? Hlavním nástrojem k odhalení nepřátelských ponorek je sonar. Vlastně jde o vyladěné ucho, které funguje jako echolokace velryb a delfínů a vytváří 3D mapu okolního oceánu.



Existuje aktivní sonar. Ponorka vyšle signál neboli ping a poslouchá jeho odrazy, ale ve válce se tato strategie nepoužívá, protože nepřátelé mohou odhalit ping a zjistit vaši pozici. Proto se používá pasivní sonar bez pingu, který pouze poslouchá. Tyto elektronické uši jsou tak přesné, že lze určit národnost ponorek na základě operační frekvence střídavého proudu v jejich napájecích systémech.



Frekvenci střídavého proudu 60 Hz na amerických ponorkách lze odlišit od 50 Hz na evropských ponorkách, pokud nejsou transformátory s další elektronikou náležitě izolovány. Švédové dokázali vyrobit tak tichou ponorku, že je prakticky neodhalitelná pasivním sonarem. Jak to zvládli za tak nízkou cenu? Gotland byla první ponorkou na světě, která používala Stirlingův motor k výrobě energie.



Stirlingův motor není nový koncept, první byl vytvořen a patentován Robertem Stirlingem roku 1816. S inspirací v řadě výbuchů parních kotlů na počátku průmyslové revoluce chtěl Stirling vytvořit bezpečnější motor, který nepotřeboval tak vysoké tlaky. Nemůžu se patlat s animací tak staré kresby, takže zkusme něco snazšího. Vytvořil uzavřený válec s pevně daným množstvím izolovaného plynu.



Jedna strana válce má velký vyrovnávací prostor, který umožňuje relativně stálý tlak na této straně pístu, zatímco na druhé straně tlak kolísá kvůli střídavým tepelným cyklům. Když se plášť válce ohřeje, tlak se zvýší a přiměje píst k pohybu, dokud se tlak nevyrovná. Když chladíme vnější část válce výměníkem, tlak klesne a píst se znovu pohne. Jde o základní tlakový cyklus, který vytváří mechanickou práci. Avšak jde o nesmírně neúčinný systém, protože většina vložené energie ve formě tepla se ztrácí chladícím cyklem.



Ne do plynu, ale do stěny válce, která nevykonává žádnou mechanickou práci. Robert Stirling to vyřešil přidáním dvojčinného pístu, který může vést plyn z jednoho konce na druhý. Proto může být jeden konec stále horký a druhý stále chladný. Stěna válce tudíž již neprochází teplotním cyklem. Tlakový cyklus zde funguje mírně odlišně. Vzduch v horkém konci se nejprve roztáhne a zatlačí posunovač do kontaktu s pístem.



Tím přemístí další studený vzduch k ohřátí a roztažení, což umožní pístu pracovat. Vzduch v horkém konci nemůže uniknout a je hnán k chladnému konci, kde je ochlazen, což znovu vede k další práci pístu. Toto je nový tlakový cyklus. Účinnost tohoto systému může být dále zvýšena umístěním tepelné baterie do rozvodu mezi horkým a chladným válcem. Zde se konzervuje velká část tepla, která by se jinak ztratila chlazením, a teplo se vrací do vzduchu, který prochází skrz.



Robert Stirling toto nazval regenerátorem. Teď známe základ použitelného motoru. Přidáním chladícího systému a topné komory vytvoříme větší teplotní rozdíl k řízení chodu motoru. Účinnost lze navyšovat přidáním dalšího potrubí k propojení horkého a chladného konce spolu s dalšími regenerátory a přidáním žeber ke zvětšení oblasti, která umožňuje přenos tepla.



Říkal jsem snazší? Pardon, myslel jsem lehčí k přečtení. Možná se mi líbí mizérie. Stirlingův motor nakonec ustoupil do ústraní se zlepšením dostupnosti oceli pro bezpečnější parní kotle, ale v posledních dekádách zažil obnovu, Gotland je jeho nejznámější implementací. Gotland má dva Stirlingovy motory, které produkují teplo z nafty a tekutého kyslíku. V provozu mají generátory výkon 75 kW.



Generátory mohou pohánět přímo elektrické motory nebo dobíjet baterie, které dodají rychlost navíc v případě potřeby. Zplodiny se stlačují a ukládají na palubě, což umožňuje ponorce zůstat pod hladinou 2 týdny. Mnohem déle než kterákoliv jiná dieselová ponorka. A proč je tak tichá oproti jiným ponorkám? Není nutné složitě vysvětlovat, proč motor s vnitřním spalováním, který získává výkon drobnými, kontrolovanými explozemi, vydává zvuky.



Nebo jaderné ponorky za miliardy dolarů, které musí pumpovat spoustu chladiva do reaktorů, aby předešly roztavení. Tím tvoří dost hluku k odhalení pasivním sonarem v určité vzdálenosti. Nedávno odtajněné informace navíc naznačují, že ruské ponorky využívají tyto nástroje k detekci slabých stop radiace, které zanechávají jaderné ponorky. Tím má švédská ponorka další způsob, jak se vyhnout odhalení. Jde o fascinující aplikaci zákonů termodynamiky.



Překlad: L1ght www.videacesky.cz