WSTĘPNE WYMAGANIA TAKTYCZNO-TECHNICZNE DLA OKRĘTU PATROLOWEGO OPV DLA MW RP

Transkrypt

1 Kwiatkowski Karol 1, Lus Tomasz 2 WSTĘPNE WYMAGANIA TAKTYCZNO-TECHNICZNE DLA OKRĘTU PATROLOWEGO OPV DLA MW RP Wstęp Sytuacja geopolityczna w okresie po zimnej wojnie spowodowała rozpoczęcie procesu przeniesienia ciężkości działań sił morskich z akwenów oceanicznych do strefy przybrzeżnej oraz ochrony morskich szlaków komunikacyjnych[1]. Drugim obok ochrony strefy przybrzeżnej środkiem ciężkości działań współczesnych sił morskich jest ochrona morskich szlaków komunikacyjnych, które dla wielu państw stanowią podstawowy sposób realizacji wymiany handlowej. Współczesny proceder piractwa morskiego jest związany z działalnością kryminalną, głównie chęcią zysku. Zmienia się także jego charakter, piraci preferują nieliczne załogi na małych szybkich łodziach, które atakują wielkie statki transportowe, np. tankowce we wrażliwych miejscach (np. cieśninach). Na otwartym morzu, z dala od brzegu, piraci wykorzystują większe jednostki, jako zabezpieczenie i zaopatrzenie dla małych szybkich jednostek [2]. Do patrolowania akwenów dotkniętych plagą piractwa wykorzystywane są głównie okręty od klasy korwety poprzez fregaty, niszczyciele do okrętów desantowych. Zwalczanie piractwa na morzu nie wymaga jednak aż tak wyspecjalizowanych platform. Najważniejszymi cechami okrętów kierowanych do tego typu zadań jest duża autonomiczność oraz możliwość prowadzenia działań z wykorzystaniem pokładowego śmigłowca oraz grupy abordażowej. Ważnym elementem tych działań jest także zdolność do uzupełniania zapasów na morzu. Nowe zadania, przed którymi stanęły współczesne siły morskie spowodowały, że zmianie uległy również założenia konstrukcyjne nowych okrętów. Jednostki przystosowane dotychczas do wypełniania zadań na oceanach okazały się niedostosowane do nowych warunków działań, a przede wszystkim zbyt cenne by 1 Mgr inż. K. Kwiatkowski, student, Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni, Wydział Mechaniczno-Elektryczny 2 Kmdr dr inż. T. Lus, adiunkt, Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni, Wydział Mechaniczno-Elektryczny ryzykować ich użycie blisko lądu zajmowanego przez przeciwnika. Projektując nowe jednostki pod uwagę bierze się nie tylko ich możliwości bojowe, ale także ograniczenia finansowe. Właśnie te ostatnie spowodowały, że dużego znaczenia zaczęły nabierać dotychczas niedoceniane duże jednostki patrolowe Offshore Patrol Vessel (OPV) [3]. Definicja okrętów patrolowych Okręty patrolowe różnią się między sobą wielkością a ich wyporność waha się w przedziale od kilkuset do kilku tysięcy ton. Konstrukcję ich determinują potrzeby danych sił morskich, położenie geograficzne kraju oraz sytuacja polityczna panująca w rejonie. Określenie, jaki powinien być okręt patrolowy jest o tyle trudne, że tak naprawdę zadania patrolowe może wykonywać praktycznie każdy okręt, musi być tylko odpowiedniej wielkości. W czerwcu 2001 roku Grupa Uzbrojenia Marynarki Wojennej NATO (NNAG) powołała specjalistyczny zespół, którego zadaniem było opracowanie norm i specyfikacji w zakresie projektowania i budowy małych okrętów przybrzeżnych oraz okrętów OPV o wyporności od ok. 600 ton do ok ton [4]. Celem tego zespołu, poza pracą badawczo-rozwojową była stymulacja nowego myślenia w pozyskaniu małych okrętów wojennych, oceny standardowych formatów specyfikacji okrętów NATO-PfP, oraz poszukiwanie i rozpowszechnianie informacji o nowych technologiach i materiałach stosowanych w budowie okrętów. Państwa uczestniczące w pracach zespołu posiadały różne definicje okrętów OPV. W związku z tym, jednym z pierwszych zadań było opracowanie wspólnej definicji określającej te okręty. Na podstawie kompleksowego przeglądu istniejących konstrukcji, zdecydowano, że definicje te mogą być opracowane przez zdefiniowanie hierarchii misji, operacji, zadań oraz możliwości. Operacje morskie mogą być podzielone na cztery typy: tzw. pomoc militarną, patrol militarny, kontrolę militarną i siłę militarną. Pomoc militarna obejmuje wszystkie łagodne operacje, takie jak Logistyka 6/

2 856 Logistyka 6/2014 pomoc humanitarna i operacje reagowania w przypadku katastrof. Patrol militarny odnosi się do egzekwowania prawa lub operacji o charakterze policyjnym. Kontrola militarna dotyczy wszystkich operacji kontrolnych na morzu. Siła militarna dotyczy wszystkich operacji projekcji siły [4]. Kontrola militarna i siła militarna dotyczą często działalności prowadzonej w środowisku średniego lub wysokiego zagrożenia, zatem operacje te prowadzone są zazwyczaj przez okręty typu korweta, fregata i większe. Okręty OPV specjalizują się w prowadzeniu operacji patrol militarny. Okręty OPV posiadają również możliwości prowadzenia operacji humanitarnych i związanych z niesieniem pomocy w przypadku wystąpienia klęsk żywiołowymi. Mogą być również wykorzystywane, jako alternatywa okrętów SLC (Littoral Combat Ship) do prowadzenia pomocy militarnej oraz prowadzenia patroli militarnych. Jednakże operacje te często są określane, jako ich misje drugorzędne. Małe okręty przybrzeżne (SLC) oraz pełnomorskie okręty patrolowe OPV często są tej samej wielkości i działają w podobnych warunkach, ale są bardzo różne. SLC są okrętami zwykle przeznaczonymi do działań w środowisku walki wysokiego zagrożenia, w zasięgu ataku samolotów z baz lądowych oraz pocisków przeciwokrętowych odpalanych z brzegu, oznacza to okręty działające do około 250 mil morskich. Wyposażone są w sensory, systemy obserwacji i rozpoznania (C4ISR) oraz uzbrojenia. Zwykle działają ze stałych baz lub wysuniętych okrętów zaopatrzeniowych, zazwyczaj przeprowadzają operację i wracają po uzupełnienie środków. W porównaniu z OPV, SLC mają zazwyczaj znacznie wyższą prędkość, zwiększoną żywotność oraz dużo niższe sygnatury pól fizycznych. Małe okręty przybrzeżne (SLC) wykonują zadania bojowe, natomiast pełnomorskie okręty patrolowe (OPV) zadania egzekwowania prawa morskiego, prowadzenia akcji poszukiwawczo-ratowniczych oraz misje humanitarne. Okręty OPV są na ogół wolniejsze, dlatego też ich kadłuby są zwykle pełniejsze niż SLC, z wyższym wskaźnikiem pełnotliwości. Wolniejsze OPV posiadają również stosunkowo mniejszą moc zespołu napędowego. Często są wyposażone w specjalne systemy napędowe do prowadzenia operacji na małych prędkościach. Ze względu na różnice w wyposażeniu OPV mogą posiadać mniejsze załogi również dlatego, że często składają się z zawodowych marynarzy w miejsce często zmieniającego się, mniej doświadczonego personelu wojskowego. Okręty OPV są specjalnie zaprojektowane do patrolowania wód wyłącznej strefy ekonomicznej, a zatem, specjalizują się w przeprowadzaniu operacji policyjnych, które są ich głównym zadaniem. Okręty tego typu są często wyposażone w jedną lub dwie szybkie, małe łodzie. Tabela 1. Podstawowe dane wybranych jednostek OPV Nazwa Wyporno ść (t) Prędko ść (w) Wymiary dł/szer (m) Moc (MW) 1 Damen OPV /12,7 2x1, Damen OPV /13,7 2x2, Fassmer OPV ,2/14 b.d Fassmer OPV ,6/13 2x4,08 5 L Adroit OPV /13 2x5,6 6 MEKO OPV ,3/13,9 2x4,45 7 River OPV ,5/13,6 2x4,125 8 BAM Meteoro ,9/14,2 2x5,92 Źródło: opracowanie własne Ponieważ opłacalność staje się coraz większym problemem w projektowaniu okrętów wojennych, istnieje tendencja do projektowania okrętów przeznaczonych do wykonywania wielu misji. Aby uniknąć wzrostu kosztów budowy, jako alternatywę stosuje się modularyzację. Nowe OPV w celu zwiększenia ich możliwości patrolowych są często wyposażone w pokład śmigłowcowy oraz hangar. Niektóre państwa przewidują miejsca pod przyszłe uzbrojenie w celu wykorzystania tych okrętów do ekspedycyjnych operacji pokojowych lub operacji, które są odpowiednikiem operacji reagowania kryzysowego. W porównaniu do większości okrętów klasy korweta lub fregata jednostki OPV posiadają krótszy kadłub oraz wyższą wolna burtę. Te cechy konstrukcyjne związane są z polepszeniem dzielności morskiej okrętów kosztem zmniejszenia ich prędkości maksymalnej. Możliwość długotrwałego działania w złych warunkach hydrometeorologicznych jest także jednym z czynników odróżniających OPV od innych jednostek patrolowych [4]. Misje okrętów OPV obejmują głównie działania regionalne, gdyż okręty te posiadają ograniczoną autonomiczność, zasięg i dzielność morską. Dodatkowo posiadają ograniczoną zdolność bojową w odniesieniu

3 do niektórych zagrożeń. Niemniej jednak, platformy te mogą okazać się niezwykle przydatne przy wspieraniu i prowadzeniu misji projekcji siły, szczególnie w odniesieniu do działań przybrzeżnych. Przykłady konstrukcji okrętów patrolowych OPV Pełnomorskie okręty patrolowe (OPV) to najszybciej rozwijający się segment rynku okrętów wojennych. Co najmniej 19 państw zamówiło w ostatnim okresie w sumie 112 okrętów OPV a w planach zamówień jest kolejne 190 okrętów o wartości ponad 45 mld USD. W ciągu ostatnich 2 lat łączna liczba zamówień wzrosła o 11% a przewiduje się, że wciągu kolejnych wzrośnie do 27%. Azja ma największy udział w flocie okrętów OPV wynoszący 39% oraz 46% w ilości zamówień. Z kolei część floty OPV należąca do Ameryki Południowej wzrosła z 10 do 14% w ciągu ostatnich 2 lat. W tym samym czasie liczba zamówień na okręty w Afryce wzrosła z 6% do 13%, a na Bliskim Wschodzie z 8% do 10% zaś w Europie spadła z 23% do 9% [5]. Okręty budowane jako patrolowce można teoretycznie zaszeregować do dwóch grup. Pierwsza obejmuje konstrukcje z uzbrojeniem i systemami C4I porównywalnymi z korwetami lub nawet małymi fregatami, druga to okręty wyposażone jedynie w lekkie uzbrojenie i podstawową elektronikę. Na którą z tych grup okrętów zdecyduje się dany kraj, zależy od jego specyficznych wymagań morskich wynikających z położenia geograficznego, aspiracji politycznych oraz przeznaczenia i roli sił morskich. Patrząc na poszczególne konstrukcje OPV można dostrzec, że większość z nich jest bardzo podobna. Pojawia się coraz więcej projektów nowatorskich, z rozwiązaniami, które z założenia mają poprawić możliwości bojowe OPV, zwiększając ich bezpieczeństwo i szybkość działania. Damen OPV 1400 i OPV 1800 Ponad 25 wybudowanych przez firmę Damen okrętów patrolowych o różnych rozmiarach posiada slip rufowy dla łodzi abordażowych. Wszystkie OPV posiadają wgłębienia na niskiej wolnej burcie po obu stronach kadłuba, aby ułatwić podbieranie rozbitków, nurków oraz załadunek grup abordażowych na pokład łodzi. Okręty OPV Damen są przystosowane do przyjmowania śmigłowców morskich o masie do 10 ton klas, takich jak Sea King i NH-90[6]. Rys. 1. Sylwetka Damen OPV 1400 [6] Fassmer OPV 80 i OPV 2020 Fassmer GmbH & Co. wspólnie z Imtech Marine Germany zaprojektowało okręt OPV 80. Jednostki tego typu zamówione zostały przez państwa Ameryki Południowej w ilości 11 sztuk [7]. Kadłub i nadbudówki okrętów wykonane są ze stali. W celu zmniejszenia skutecznej powierzchni odbicia ich przekrój poprzeczny przypomina literę X. Pokład górny posiada duże lądowisko dla średniej wielkości śmigłowców morskich przystosowane do prowadzenia operacji w nocy i w dzień. Okręt może pomieścić do trzech łodzi przechwytujących, w tym 11-to metrową łódź abordażową na rufowym slipie. Oprócz OPV 80 w ofercie firmy Fassmer znajdują się także okręty OPV 90, które są powiększoną wersją projektu OPV 80 oraz OPV 2020 istniejący w formie koncepcji okrętu wielozadaniowego. OPV 2020 napędzany będzie całkowicie elektrycznym zespołem napędowym umożliwiającym uzyskanie maksymalnej elastyczności działania, w połączeniu z minimalnym zużyciem paliwa i emisji CO 2 i NOx, zgodnie z przyszłymi przepisami ochrony środowiska. Rozmieszczenie łodzi, śmigłowców, AU- V, AAV oraz innych pojazdów na pokładzie OPV 2020 można dostosować odpowiednio do scenariusza misji. Dzięki zastosowaniu rozwiązań modułowych OPV2020 jest również przystosowany do zadań minowych i ASW [7]. Rys.2. Sylwetka Fassmer OPV 80 [7] Logistyka 6/

4 DCNS Gowind L Adroit OPV GOWIND, to nowa rodzina okrętów oceanicznych zaprojektowanych przez DCNS przeznaczona do prowadzenia operacji przybrzeżnych oraz oceanicznych. Wstępnie przewidywano stworzenie czterech typów tych jednostek, które oznaczano jako [8]: Gowind Control do ochrony interesów we własnej strefie ekonomicznej oraz do nadzorowania wód przybrzeżnych, wliczając w to transport żołnierzy wojsk specjalnych; Gowind Presence do patrolowania na pełnym morzu, dzięki zwiększonemu zasięgowi, większej samowystarczalności i zdolności do interwencji, m.in. w efekcie wyposażenia ich w hangar dla śmigłowca; Gowind Action do reagowania siłowego z wykorzystaniem uzbrojenia przeciwlotniczego i przeciwokrętowego; Gowind Combat do wykonywania większości zadań, jakie są stawiane okrętom w czasie działań wojennych, ze zwalczaniem okrętów podwodnych włącznie. 858 Logistyka 6/2014 Ostatecznie program ograniczono do dwóch typów okrętów: korwety Gowind do zwalczania okrętów podwodnych oraz pełnomorskiego okrętu patrolowego OPV Gowind. Zgodnie z zasadami stealth, burty okrętu L Androit widziane z przodu składają się w wyraźny deltoid. Nadbudówki zapewniają hangar dla 5 tonowego śmigłowca oraz lądowisko o nośności do 10t. Okręt może również przenosić dwie sztywno kadłubowe nadmuchiwane łodzie (RHIBs), a także pełne wyposażenie dla systemów bezzałogowych. Dwa slipy rufowe to rzadkie rozwiązanie jak na okręty tej wielkości. Pozwalają one jednak na szybkie i bezpieczne opuszczenie łodzi od razu z załogą w ciągu pięciu minut, bez jakichkolwiek manewrów sygnalizujących tę operację. L'Adroit jest wyposażony w dwa silniki Diesla ABC V12 o mocy 5600kW każdy przy 1000 obr/min. Silniki napędzają dwie linie wałów ze śrubami napędowymi o zmiennym skoku. Układ napędowy zawiera również dziobowy ster strumieniowy. Blohm und Voss klasa MEKO OPV Sprawdzoną metodę modułowego konstruowania i budowy okrętu zastosowano przy projektowaniu okrętów Blohm + Voss klasy MEKO OPV. Stosunek długości do szerokości wynoszący 6:1, aktywne stabilizatory płytowe, dziób z gruszką oraz wysoka dziobówka czynią okręt bardzo stabilnym. Ma to wpływ na zwiększenie wydajności czujników, broni i zmniejszenie zmęczenia załogi oraz wykonywania operacji śmigłowcowych oraz łodzi w trudnych warunkach morskich. Zastosowany układ napędowy CODAD, dwóch średnioobrotowych silników wysokoprężnych połączonych pojedynczo przez nieskomplikowane przekładnie do każdego wału daje solidny napęd, prosty w obsłudze i utrzymaniu. Rys.3. Sylwetka MEKO OPV [9] Vosper Thornycroft OPV klasy River Nowe okręty klasy River zastąpiły w Wielkiej Brytanii pięć okrętów OPV klasy Island [10]. Okręty klasy River mają prawie 80m długości oraz pełną wyporność 1700 ton. Projekt został zrealizowany przez firmę Vosper Thornycroft. Konstrukcja kadłuba daje bardzo dobre charakterystyki dzielności morskiej, nawet przy wysokich stanach morza, a silniki o mocy 4125kW przy pełnej wyporności pozwalają na osiągnięcie prędkość ok. 20w przy stanie morza 4. Półaktywny zbiornik stabilizujący tłumi kołysanie boczne przy wszystkich prędkościach, również podczas postoju. Okręty mają stalową konstrukcję z podwójnym skośnodennym kadłubem. Kształt dziobu stawia bardzo niski opór falowy, co daje oszczędność paliwa oraz komfortowe charakterystyki dzielności morskiej. Załoga zwykle liczy 28 członków. Okręt jest wyposażony w dwie łodzie RIB. Średnioobrotowe silniki wysokoprężne Ruston 12 RK 270 napędzają dwie śruby napędowe o regulowanym skoku. Okręt ma trzy silniki pomocnicze Caterpillar oraz generatory Newgate Stamford o mocy 250kW i generator awaryjny. Okręt wyposażony jest w dziobowy ster strumieniowy Veth Motoren VT o mocy 185kW [10]. Navantia BAM klasy Meteoro Okręt wyposażony jest w lądowisko, sprzęt ratunkowy i medyczny, który może być wykorzystywany w różnych misjach. Może przenosić również sześć pojemników z BSP, celami powietrznymi, warsztatami lub wyposażeniem do prac podwodnych. BAM posiada pokład śmigłowcowy o wymiarach 24,7m na 13,5m umożliwiający prowadzenie operacji startów i lądowań śmigłowców typu AB-212, NH-90 lub SH-3D Sea King. Hangar może pomieścić śmigłowiec AB-212 lub NH-90. Okręt posiada napęd CODOE. System integruje dwa silniki wysokoprężne 4500 kw oraz dwa silniki

5 elektryczne o mocy 750kW napędzające dwie śruby napędowe o regulowanym skoku. Energię elektryczną wytwarzają cztery agregaty prądotwórcze o mocy 660kW i generator awaryjny o mocy 260kW. Układ napędowy zapewnia maksymalną prędkość 20w [11]. Charakterystyka okrętów OPV Kadłuby Charakter misji wykonywanych przez okręty OPV wymaga od tych jednostek dobrej dzielności morskiej przy jednoczesnym utrzymaniu prędkość nawet w trudnych warunkach atmosferycznych. Kształt kadłuba określa charakterystyki i wysokie osiągi okrętu. Kadłuby tych okrętów opierają się na konwencjonalnych rozwiązaniach wypornościowych i obejmują następujące formy: obłodenne, skośnodenne oraz podwójnie skośnodenne. Okręty wojenne o małej wyporności i obłym kadłubie są użytkowane przez światowe marynarki wojenne od początku XX wieku. W przeważającej części, projekty te zostały zastąpione przez kadłuby skośnodenne a następnie podwójnie skośnodenne. Większość z projektowanych dziś okrętów posiada już kadłuby skośnodenne. Forma kadłuba o kształcie skośnodennym (kształt litery V) jest obecnie szeroko stosowana w okrętach OPV i SLC. Taki kształt kadłuba skutkuje relatywnie niskim kołysaniem wzdłużnym, małymi ruchami nurzania i myszkowania oraz zapewnia wyjątkowe tłumienie kołysania bocznego. Podczas operowania w warunkach falowania dziobowego dodatkowy opór hydrodynamiczny jest znacznie zmniejszony w porównaniu z konwencjonalnymi, obłodennymi formami kadłuba. Stosowanie gruszek dziobowych znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia zjawiska slamingu. Dlatego okręty OPV z kadłubami w kształcie litery V z gruszkami dziobowymi są w stanie korzystać z większej mocy przy wyższych stanach morza niż okręty o obłym kształcie kadłuba. Jednakże stosowanie gruszek dziobowych zwiększa zanurzenie kadłuba[4]. Siłownie We współczesnych konstrukcjach okrętowych najczęściej stosowanym źródłem mocy jest silnik spalinowy ze względu na prostą konstrukcję. Czynnik uproszczenia konstrukcji nie jest jedynym argumentem decydującym o wyborze rodzaju silnika. Takie cechy okrętu jak elastyczność, osiągi oraz niezawodność są ważniejsze, dlatego też coraz częściej, jako źródło mocy stosuje się turbiny gazowe oraz silniki elektryczne. Dowolny układ napędowy, niezależnie od odmiany elementu napędowego oraz generującego moc, aby działać potrzebuje systemu przekazującego moc, który umożliwi przekazanie mocy ze źródła mocy do pędnika. Przekazywanie to może odbywać się w sposób pośredni (przez przekładnię) lub bezpośredni (bez przekładni). W zakresie przenoszenia mocy, najlepszym silnikiem o szerokim zakresie regulacji obrotów jest silnik elektryczny. Poprzez zmianę amplitudy i częstotliwości napięcia zasilającego, regulować można prędkość obrotową wału od zera do powyżej nominalnej. Kontrola napięcia zasilania umożliwia zmianę kierunku obrotów a w konsekwencji może zostać pominięta przekładnia a tym samym zwiększy się sprawność elementu przekazywania mocy. Element konwersji mocy, pędnik jest niezbędny do wytworzenia ruchu jednostki z mocy mechanicznej przekazywanej z elementu transmisji. W rzeczywistości pędnik zamienia energię mechaniczną na siłę napędową. Główna część tej energii mechanicznej służy do wytworzenia momentu obrotowego. Kombinowane systemy napędowe W programach budowy okrętów mogą być wykorzystywane różne alternatywne mechaniczne i elektryczne systemy napędowe. Wybór najbardziej odpowiedniego układu zależy od platformy okrętu oraz zamierzonego profilu misji, pozwalając na optymalne zarządzanie energią i zużyciem paliwa. Optymalnym systemem napędu mechanicznego jest system kombinowany, który umożliwia wykorzystanie wysokoprężnych silników spalinowych przy prędkościach krążowniczych i przejścia na turbiny gazowe (w zależności od wielkości okrętu i żądanej prędkości) do wyższych prędkości. W nowoczesnych hybrydowych systemach napędowych okrętów silniki elektryczne coraz bardziej przejmują rolę silnika wysokoprężnego dla prędkości przejścia podnosząc elastyczność operacyjną. Sercem kombinowanego układu napędowego jest przekładnia, która umożliwia swobodne ustawienie źródeł napędu i może w ten sposób wspierać różne misje okrętu. Poniżej wymienione zostały przykłady połączonych systemów napędowych morskich [12]: CODAD (COmbined Diesel And Diesel); CODELOD (COmbined Diesel-ELectric Or Diesel); CODOG (COmbined Diesel Or Gas turbine); CODAG (COmbined Diesel And Gas turbine); CODELAG (COmbined Diesel-ELectric And Gas turbine). Tabela 2. przedstawia przegląd różnych instalacji układów napędowych porównując napęd hybrydowy mechaniczny i elektryczny. Systemy mecha- Logistyka 6/

6 niczne były stale rozwijane od prostych rozwiązań CODAD do bardzo złożonych CODAG z przekładnią zbiorczą. Równolegle, systemy elektryczne były coraz bardziej akceptowane w zastosowaniach okrętowych. Okręty patrolowe ze względu na charakter prowadzonych misji mają bardzo zróżnicowane zapotrzebowanie na moc zespołu napędowego. Ze względu na warunki eksploatacyjne oraz wyporność posiadają w większości napędy typu CODAG i CODELOD. Układ CODAG jest wynikiem rozwoju układów napędowych pochodzących głównie od CODOG. Podstawowy układ napędowy oparty jest na silnikach wysokoprężnych o prędkościach obrotowych od 1000 do 1300 obr/min oraz turbinach gazowych o prędkościach obrotowych od 3300 do 3600 obr/min. Silniki wysokoprężne zapewniają mniejsze zużycie paliwa w całym spektrum obciążenia i prędkości niż inne źródła napędu takie jak na przykład turbiny gazowe. Tabela 2. Przykładowe układy napędowe występujące na okrętach Typ napędu CO- DOG CO- DAG CODE- LOD CODE- LAD CODE- LOG CODE- LAG 860 Opis wysokoprężny lub turbina gazowa wysokoprężny i turbina gazowa elektryczny lub silnik wysokoprężny elektryczny i silnik wysokoprężny elektryczny lub turbina gazowa elektryczny i turbina gazowa Logistyka 6/2014 Zakres mocy w MW DE GT DE 5 9 GT DE 5 10 EM DE 5 10 EM EM 2 3 GT EM 4 6 GT Okręty L Adroit MEKO National Security Cutter (NSC) Damen 1400 Damen 1800 Fassmer 80 Fregata klasy FREMM Fregata klasy F-125 Źródło: opracowanie własne; DE silnik wysokoprężny, GT silnik turbinowy, EM silnik elektryczny. Utrzymują również odpowiednią sprawność aż do niskiego poziomu obciążeń około 15%. Turbiny gazowe mają mały ciężar oraz gabaryty przy dużej mocy znamionowej, a więc zapewniają większą gęstość mocy niż silniki wysokoprężne. Kombinowany układ napędowy optymalizuje prędkość i zasięg jednostki poprzez połączenie dwóch lub większej liczby źródeł napędu do jednego lub większej liczby pędników. Napęd hybrydowy Napędy hybrydowe stosowane w konstrukcjach okrętowych powstały z potrzeby bardziej ekonomicznego wykorzystania paliw oraz spełnienia norm ochrony środowiska bez utraty efektywności i wydajności napędu. Ideą tego rozwiązania jest optymalizacja sprawności napędu okrętu poprzez połączenie w jeden zespół napędowy mocy mechanicznej i elektrycznej. Konwencjonalne napędy spalinowe mają zwykle zainstalowaną łączną ilość mocy taką, aby spełnić tryb pracy wymagający najwyższego poziomu mocy. Gdy okręt operuje w trybie gdzie wymagana jest znacznie mniejsza moc napędowa silnik wysokoprężny działa przy niskim obciążeniu. Silniki wysokoprężne pracują z najniższym jednostkowym zużyciem paliwa przy ok. 85% obciążeniu. Poniżej pewnego obciążenia (około 50%), dodatkowym problemem z powodu niepełnego spalania stają się osady w silniku. System napędu hybrydowego oferuje swój potencjał właśnie w trybach pracy z obciążeniami częściowymi [13]. Kombinowany napęd hybrydowy łączy w sobie cechy spalinowo-mechanicznego zespołu z cechami zespołu spalinowo-elektrycznego. W swojej najbardziej podstawowej formie konfiguracja składa się silnika wysokoprężnego połączonego z przekładnią, która z kolei napędza śrubę. Do przekładni podłączona jest również maszyna elektryczna (EM), która może pracować w trybie generatora prądu lub silnika elektrycznego. Daje to możliwość pracy w trybie Power Take Off (PTO) lub w trybie Power Take In (PTI). Pełnomorskie okręty patrolowe pływają z prędkością patrolową. W tym przypadku moc może być generowana przez silnik elektryczny. Kiedy okręt zobowiązany jest odpowiedzieć na wezwanie zachodzi konieczność przejścia na wyższe prędkości operacyjne. W tym przypadku główne silniki mogą stanowić źródło napędu z silnikiem elektrycznym, jako generatorem. Na rysunku 4 przedstawiono, że przy niskich prędkościach pływania (obszar 3) nie jest wymagana duża moc napędowa. Dostarczana moc z głównego silnika wysokoprężnego powoduje niskie i nieefektywne obciążenie tego źródła napędu. Niezbędną do płynięcia okrętu moc może dostarczyć mały silnik elektryczny, który może być zasilany przez generatory pomocnicze. Są one zwykle mniejsze niż silnik główny, więc będą pracować na wyższym obciążeniu. Dla przykładu, jeśli zarówno główny silnik jak i pomocnicze zespoły prądotwórcze są średnio obrotowe to uzyskają lepszą sprawność. Przy normalnej działalności operacyjnej (obszar 2) główny silnik pracuje w zakresie zoptymalizowanego zużycia paliwa. Zazwyczaj prądnica wału napędowego jest także podłączona do przekładni (PTO), ponieważ jest to najbardziej ekonomiczny sposób dostarczania mocy do śruby napędowej oraz systemu elektrycznego okrętu. Przy wysokich prędko-

7 ściach (obszar 1) prądnica wału może być użyta, jako silnik elektryczny, który dostarczy dodatkową moc do napędu [14]. Moc [kw] 80% Czas [%] Zastosowanie zintegrowanych agregatów prądotwórczych jest najbardziej racjonalnym rozwiązaniem w przypadku konstrukcji okrętów patrolowych ze względu na ich wielkość oraz zakres i rodzaj wykonywanych zadań. Podsumowanie 15% Rys. 4. Wykres profilu operacyjnego okrętu Źródło: opracowanie własne 5% Prędkość [w.] Generator Generator w spalinowym zespole prądotwórczych może być oddzielnym urządzeniem bezpośrednio podłączony do koła zamachowego silnika lub zintegrowanym z silnikiem (np. Wärtsilä Auxpac oraz MAN GenSet). Ma to na celu zaoszczędzenia miejsca na okręcie oraz sprawia, że konstrukcja jest bardziej opłacalna. W konwencjonalnych systemach prądotwórczych, jako generator elektryczny stosowana jest zazwyczaj maszyna synchroniczna. Morskie generatory synchroniczne posiadają pewne różnice w porównaniu z klasycznymi. Typowy generator morskiego przeznaczenia charakteryzuje [15]: liczba biegunów od 4 do 10; znamionowa prędkość obrotowa odpowiednio od 1800 obr/min (60 Hz) do 500 obr/min (50 Hz); wzbudzenie bezszczotkowe przez zewnętrzny biegun pomocniczy prądnicy synchronicznej (prąd stały na stojanie, prąd przemienny indukowany na uzwojeniu wirnika, a następnie prostownik) umieszczony na tym samym wale; specyficzne standardy montażowe (zazwyczaj przeznaczone do wybranego silnika Diesla); systemy chłodzenia, obieg zamknięty z chłodnicą wody. Zintegrowany zespół prądotwórczy posiada szereg zalet a niektóre z nich to: parametry pracy obu zespolonych urządzeń są dostosowane; silnik spalinowy oraz generator montowane są na jednej płycie; posiadają urządzenia do rozpraszania wibracji, hałasu oraz naprężeń, które mogą rozprzestrzeniać się po kadłubie okrętu. Okręty patrolowe OPV są projektowane, jako stosunkowo małe ale dobrze wyposażone okręty wojenne stanowiące uzupełnienie większych okrętów takich jak fregaty czy korwety. Budowane zgodnie ze standardami okrętów marynarki wojennej spełniają wszystkie niezbędne normy. Każdy kraj określa zestaw unikalnych warunków, które decydują o wyborze konstrukcji oraz wyposażeniu okrętu OPV. Analizując poszczególne konstrukcje OPV można dostrzec, że większość z nich jest podobna ale pojawia się coraz więcej projektów nowatorskich, z rozwiązaniami, które z założenia mają poprawić możliwości bojowe OPV, zwiększając ich bezpieczeństwo i szybkość działania. Ich wybór jest jednak związany z pewnym ryzykiem, którego nie ma, jeżeli się wybierze konstrukcję standardowo wykorzystywaną w innych państwach. Warunki, które powinien spełniać przyszły okręt patrolowy można sprowadzić do niskich kosztów budowy, skuteczności w działaniu, niskich kosztów eksploatacji oraz podatności na modernizacje. Projektując jednostkę trudno jest spełnić wszystkie te warunki ale należy dążyć do znalezienia równowagi pomiędzy nimi. Pełnomorski okręt patrolowy musi zapewnić załodze bezpieczeństwo oraz odpowiednie warunki do służby. Musi być przystosowany do działań w każdych warunkach atmosferycznych. Odpowiednia wyporność oraz mocna konstrukcja są jednymi z warunków koniecznych, które musi spełnić przyszły okręt patrolowy. Wyporność jest parametrem, który najlepiej pokazuje kierunki rozwoju okrętów patrolowych oraz różnice występujące pomiędzy poszczególnymi typami OPV. Zwiększanie wyporności okrętów jest coraz bardziej widoczną tendencją. Jeszcze kilkanaście lat temu typowy okręt patrolowy posiadał wyporność rzędu 500 ton. Jednak dynamiczny rozwój tego typu konstrukcji spowodował również wzrost tonażu okrętów OPV. Wyporność najpopularniejszych europejskich konstrukcji zawiera się przedziale od 1400 do 2000 ton. Nie jest to regułą i dla przykładu hiszpański BAM Meteoro posiada wyporność 2840 ton a holenderski okręt OPV typu Holland aż 3750 ton. Większa wyporność stwarza lepsze warunki bytowe dla załogi, większe Logistyka 6/

8 możliwości działania przy wysokim stanie morza i wykorzystania w takich warunkach zabieranego uzbrojenia, w tym śmigłowca. Duży okręt daje również możliwość zabrania większej ilości zapasów, a więc zwiększenia autonomiczności. Umożliwia zabranie kontenerów z pomocą humanitarną, zorganizowanie szpitala oraz ewakuację ludzi z zagrożonego rejonu. W przypadku współczesnych okrętów patrolowych szczególnego znaczenia nabiera pokład rufowy. Największą cześć pokładu rufowego zajmuje lądowisko, które jest już standardem i służy do obsługi załogowych i bezzałogowych statków powietrznych. Na samej rufie zlokalizowany jest dok służący do wodowania łodzi hybrydowych dla grup specjalnych lub kontrolno-abordażowych. Dok pozwala na szybki załadunek ludzi na pokład łodzi w czasie ruchu jednostki i bezpieczne ich wodowanie. Może być wykorzystywany również przez bezzałogowe pojazdy morskie(bpm). Rodzaj zastosowanego systemu napędowego jest parametrem, który będzie decydował o przyszłych kosztach eksploatacji jednostki. W przypadku okrętów OPV nie występuje konieczność stosowania rozwiązań, które zapewnią wysoką prędkość jednostki. Rekompensuje się to poprzez wykorzystanie śmigłowca lub lotniczych systemów bezzałogowych oraz szybkich łodzi interwencyjnych. Przez większość czasu patrolowce poruszają się z małymi prędkościami i takiemu sposobowi działania powinno się podporządkować ich konstrukcję. Systemem, który jest w stanie sprostać tym wymogom jest kombinowany system napędowy w układzie CO- DLAD. Dwa silniki wysokoprężne przez oddzielne przekładnie wraz z dedykowanymi silnikami elektrycznymi napędzają dwie linie wałów. Dodatkowym zabezpieczeniem ma być trzeci generator. Cały zespół napędowy powinien być rozmieszczony w dwóch separowanych pomieszczeniach, co zapewni jego działanie nawet, gdy jedno zostanie zniszczone lub uszkodzone. Zastosowanie napędu hybrydowego ma pozwolić na odłączenie silników wysokoprężnych podczas pływania na małych prędkościach. Streszczenie W artykule przedstawiono analizę rozwiązań konstrukcyjnych okrętów patrolowych o wyporności około 2000 ton w zakresie konstrukcji kadłuba, siłowni oraz elektrowni. Analizę tę przeprowadzono w oparciu o literaturę oraz materiały dostępne w Internecie dotyczące rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych w okrętach patrolowych projektowanych przez europejskie firmy konstrukcyjne oraz stocznie. W oparciu o dostępną literaturę, opisano zadania realizowane przez okręty patrolowe, przeprowadzono analizę przykładowych konstrukcji występujących na rynku europejskim. Przeprowadzono analizę charakterystyk kadłubów okrętowych, dokonano przeglądu różnych typów układów napędowych porównując napęd mechaniczny i elektryczny oraz dokonano przeglądu elektrowni okrętowych stosowanych na okrętach. Na koniec przedstawiono wstępne wymagania taktyczno-techniczne dla potencjalnie budowanego w przyszłości okrętu zwracając uwagę na jego funkcje, kadłub, układ napędowy i wyposażenie elektrowni okrętowej. Abstract PRELIMINARY TECHNICAL- TACTICAL REQUIREMENTS FOR PATROL SHIP OPV TYPE FOR POLISH NAVY. The paper presents an analysis of the structure solutions of patrol ships with a displacement of 2,000 tons in the construction of the hull and power plant. Analysis was carried out on the basis of literature and materials available on the internet for the design solutions used in the patrol ships designed by the European construction companies and shipyards. Based on the available literature the tasks performed by patrol ships and the analysis of the hull structure present on the European market had been described. An analysis of the characteristics of ship hulls, an overview of the different types of propulsion systems by comparing the mechanical propulsion and electric propulsion of the ship had been given. Finally, a pre-tactical and technical requirements for the ship potentially built in the future paying attention to its functions, the hull, propulsion system and electric equipment had been presented. Literatura 1. Strategia sektorowa do Strategii Bezpieczeństwa Narodowego Rzeczypospolitej Polskiej, Ministerstwo Obrony Narodowej, Warszawa Szubrycht T., Rocznik Bezpieczeństwa Morskiego Rok V-2011, Akademia Marynarki Wojennej, Gdynia Dura M., Jeden z najlepiej wyposażonych patrolowców świata, Nowa Technika Wojskowa nr 4, Warszawa NATO Naval group 6 specialist team on small ship design, NATO/PfP Working Paper on small ship design, NAVAL, Offshore Patrol Vessels, Defense IQ July Damen, Materiały reklamowe, Logistyka 6/2014

9 7. Fassmer, Materiały reklamowe, 8. DCNS, Materiały reklamowe, 9. Blohm+Voss, Materiały reklamowe, BAE SYSTEMS, Materiały reklamowe, Navantia, Materiały reklamowe, Pinnekamp B., Hoppe F., Heger M., Combined Marine Propulsion Systems: Optimization and Validation by Simulation, Alexandria Kwasieckyj B., Hybrid propulsion systems- Efficiency analysis and design methodology of hybrid propulsion systems, Delft University of Technology, Augsburg Hybrid Propulsion, Flexibility and maximum efficiency optimally combined, MAN Diesel & Turbo, Kopenhaga Balashov S., Design of marine generators for alternative diesel-electric power systems, Lappeenranta University of Technology, Lappeenranta Logistyka 6/