Двигательная установка подводной лодки
Проблемы воздухонезависимых энерго-силовых установок
Октябрь 2014 года запомнится масштабной поисковой операцией, которую в своих территориальных водах провели шведские военные. Для поиска иностранной подводной лодки, которая, по сообщениям очевидцев, проникла в акваторию Стокгольмского архипелага, были мобилизованы все военно-морские силы страны. Для розыска субмарины были задействованы сотни военных и использованы современные технологии, но даже эти сверхусилия не позволили обнаружить нарушителя. Результатом многодневного поиска стал снимок морского дна, на котором отчетливо просматриваются следы подлодки. Это единственное доказательство было представлено в оправдание того, что на поисковую операцию было потрачено почти 2,7 млн долларов. Какая это была подлодка, едва ли станет известно в ближайшее время. Но лучше всего умеют водить за нос флот целой страны маленькие дизель-электрические субмарины с воздухонезависимыми двигателями. Это технологии, которые позволяют неатомной подводной лодке небольшого размера быть практически незаметной и длительное время не подниматься на поверхность.
В организации этого переполоха полагали уличить российский флот, скорее всего, подозрения зародились в связи с тем, что незадолго до этого инцидента несколько раз звучали заявления о создании в России принципиально новой подводной лодки. Последние месяцы на официальном уровне неоднократно говорилось о серьезных характеристиках субмарины, главным преимуществом называли ее высокую скрытность и автономность. В частности, говорилось, что они будут обладать ресурсом, который позволит находиться под водой до 20 суток, что должно стать рекордом среди неатомных кораблей.
Проект подводных лодок типа 677 «Лада» реанимирован и признан уникальным
В конце лета главнокомандующий ВМФ адмирал Виктор Чирков сообщил, что в 2015 году Россия приступит к испытаниям подводной лодки с воздухонезависимым двигателем, или, как еще называют, анаэробной силовой установкой, которую уже не первый год разрабатывают в ЦКБ «Рубин». В продолжение темы, 1 октября представители оборонно-промышленного комплекса заявили, что в России в ближайшее время начинается серийное производство анаэробных энергетических установок на водородном топливе для дизельных подводных лодок. Этому решению предшествовали испытания экспериментального двигателя на опытной подлодке Б-90 «Саров», которая используется для тестирования новых образцов вооружений и техники. Также было объявлено, что параллельно проведено тестирование опытного макета на стенде и оно признано успешным. Следующий этап испытания двигателя будет производиться непосредственно на лодке, которой предстоит выходить с этим агрегатом в море. Было также заявлено, что принято решение о серийном производстве этих силовых установок, в настоящее время ведется производство комплектующих деталей для опытного образца.
Характеристики нового российского двигателя не разглашаются, однако известно точно: он относится к типу воздухонезависимых силовых установок. Подобные двигатели имеют самые совершенные на сегодняшний день немецкие дизель-электрические подлодки проектов U-212 и U-214. Сообщается, что российская анаэробная силовая установка основана на преобразовании химической энергии в электрическую без движения и горения. По сути, это электрохимический генератор, где происходит химическая реакция – соединение кислорода и водорода, при этом электроэнергия выделяется бесшумно, а единственным побочным продуктом процесса является дистиллированная вода. КПД такой установки достигает 70 процентов, а уровень шума подлодки на анаэробном ходу ниже естественных морских шумов. От зарубежных аналогов российские установки отличаются методом получения водорода. Чтобы не возить газ высокой чистоты на борту подлодки, его синтезируют из дизтоплива методом реформинга.
Однако эксперты с осторожностью отзываются об этой силовой установке, по некоторым сведениям, этот агрегат далек от совершенства, и лечить его «детские болезни» придется еще не один год. И это порождает дополнительную интригу, ведь новые двигатели делаются для дизель-электрических подлодок типа 677 «Лада»; других значимых проектов в такой высокой степени готовности в России нет. Получается, что от успехов создания этой силовой установки зависит возобновление проекта строительства субмарин этого класса, который был свернут из-за того, что флот не устраивали характеристики предложенного ранее воздухонезависимого двигателя. Планируется, что уже в ближайшее время анаэробный отсек появится на одной из спущенных на воду подлодке «Лада» и пройдет на ней полный цикл испытаний. Если на этот раз экзамен будет сдан, то с 2017 года базовое предприятие судостроительной отрасли, Центр неатомного подводного кораблестроения ОАО «Адмиралтейские верфи», получит заказ на строительство неатомных подводных лодок нового поколения.
Напомним, что подлодки «Лада» предназначены для уничтожения субмарин и надводных кораблей противника. Для снижения шумности в них применены виброизоляторы, всережимный гребной электродвигатель на постоянных магнитах, корпус лодки покрыт материалом, поглощающим сигналы гидролокаторов. Вооружена «Лада» торпедами и ракетоторпедами в горизонтальных и вертикальных пусковых установках. Разработчики субмарины ЦКБ морской техники «Рубин» рекомендовали ее как новейшую дизель-электрическую подводную лодку четвертого поколения, оснащенную вспомогательной анаэробной энергетической установкой. Однако первая лодка серии «Санкт-Петербург» была спущена на воду в классическом дизель-электрическом варианте, это вызвало скандал, а впоследствии приостановку проекта. Теперь выясняется, что в лучшем случае анаэробная установка будет установлена на третьем корабле серии. В настоящее время в разной степени готовности находятся еще два корабля проекта 677 «Кронштадт» и «Севастополь», по всей видимости, их строительство будет возобновлено, если испытание водородного двигателя завершится успешно.
Военные моряки возлагают большие надежды на воздухонезависимые силовые установки, готовы найти им широкое применение: например, не исключается вероятность, что ими оснастят и ветерана российского флота – дизель-электрическую подводную лодку проекта 636 «Варшавянка». Это обосновывается необходимостью экономии средств и оптимизации расходов. В составе флота имеется 23 корабля этого проекта, заложено еще шесть, такое большое число лодок неплохо было бы модернизировать. Тем более что эксперты считают: «Варшавянки» уже отшлифованы и доведены до ума, и их переоборудование для новых двигателей займет максимум два года, а вот на «Ладах» интеграция бортовых систем и энергетической установки может растянуться на 5–10 лет, так как проект еще сырой.
Американцы перешли на атомные подводные лодки
Бывший начальник Главного штаба ВМФ (в 1992–1996 годах) адмирал Валентин Селиванов рассказал «Совершенно секретно», что в Советском Союзе, а затем в России уже на протяжении пятидесяти лет пытаются создать воздухонезависимый двигатель для подводных лодок и только в последнее время наметились сдвиги.
«На все традиционные дизель-электрические подводные лодки устанавливаются мощные аккумуляторные батареи, которые служат единственным источником энергии в подводном положении. Если субмарина двигается в экономичном режиме, то есть со скоростью два узла или четыре километра в час можно не заряжать батареи до трех суток. Но когда появляется необходимость ускориться, чтобы, допустим, оторваться от противника, разогнаться, к примеру, до 17 узлов, то запас энергии сократится до восьми часов. Для сравнения: атомные подлодки находятся в подводном положении месяцами. Только на поверхности судно получает возможность подзарядки батарей, с этой целью используются двигатели внутреннего сгорания, для работы которых требуется кислород. Именно в момент подзарядки подлодки становятся наиболее уязвимыми.
Над проблемой подзарядки батарей в подводном положении первыми задумались немцы, которые во время Второй мировой войны придумали использовать устройство для работы двигателя под водой, так называемый шноркель. По сути, это выхлопная труба, которая выводилась над водой. Но даже это примитивное изобретение существенно улучшило скрытность субмарин: для вентиляции и зарядки аккумуляторов лодке со шноркелем можно было вместо всплытия идти на перископной глубине, около15 метров. При этом на поверхности находилась только вершина трубы, которая по сравнению со всплывшей субмариной была малозаметна. Но это не стало окончательным решением проблемы, поскольку оставалось множество демаркирующих признаков. Только сегодня этот недостаток дизельных подлодок устранен, сейчас распространения получили четыре вида воздухонезависимых двигателей: с внешним подводом тепла (двигатель Стирлинга), дизели замкнутого цикла, паротурбинные установки замкнутого цикла и энергетические установки с электрохимическими генераторами. Эти силовые установки позволяют вырабатывать необходимую энергию без всплытия лодки и по показателям автономности практически сравнялись с атомными.
Кстати, американцы еще в 1960-х годах создали свой анаэробный двигатель, но не стали его использовать, поскольку примерно в то же время полностью отказались от дизельных подводных лодок и делают только атомные. Тем не менее сегодня технологию воздухонезависимых двигателей используют в нескольких странах мира, которые ведут патрулирование во внутренних морях. В ограниченных акваториях лодки этого типа могут справиться с теми же задачами, что и АПЛ, но с меньшими затратами. Развивать такую технологию в России необходимо: без современной силовой установки подводные лодки становятся неконкурентоспособными в море и на рынке вооружений; в последнее время иностранные покупатели требуют, выдвигают условия – ставить на неатомные подлодки анаэробный двигатель».
Россия проиграла конкурентную борьбу в строительстве инновационных двигателей
В мире некоторые страны активно занимаются созданием подлодок, оснащенных воздухонезависимыми двигателями. Главными их плюсами является то, что они проще и дешевле в постройке и эксплуатации, экологичнее, менее шумны. По мнению ведущих специалистов, должен повышаться спрос на неатомные подводные лодки, которые уже в настоящее время по своим характеристикам не только приблизились к атомоходам, но по некоторым показателям даже превосходят их, будучи при этом в несколько раз дешевле. Это значит, что страны, умеющие делать такие субмарины, имеют большой экспортный потенциал. Мировой рынок подводных лодок в ближайшее время составит порядка полутысячи субмарин, стоимость каждой – несколько сотен миллионов долларов.
Пионерами в мировой разработке воздухонезависимых силовых установок вполне закономерно являются немцы, имеющие огромные традиции подводного флота и создавшие эталонный проект U-212/214. Кроме того, в настоящее время анаэробные установки имеют французские подлодки, испанские, шведские, японские и китайские. В 2011 году в Организации оборонных исследований и разработок Индии заявили, что тоже занимаются созданием воздухонезависимой силовой установки для подводных лодок. В последние годы ряд стран, в том числе Швеция, Япония, уже официально сообщают о начале работ по созданию подлодки пятого поколения, где предполагается использование всережимного единого двигателя Стирлинга (который может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла) как для надводного, так и для подводного плавания. По всей видимости, у России пока недостаточно технологий, чтобы в короткие сроки создать воздухонезависимые силовые установки. По сути, Россия – единственная из стран мира, серьезно занимающаяся строительством подводных лодок, которая не смогла создать дизельную субмарину пятого поколения.
Главный редактор журнала «Национальная оборона» Игорь Коротченко рассказал «Совершенно секретно», что сегодня в России наметился некоторый прогресс в создании воздухонезависимых двигателей: «Для России это, по сути, освоение новых технологий, работы по созданию таких силовых агрегатов особенно интенсивно ведутся в последние годы, но, наверное, не так быстро как хотелось бы. Думаю, в ближайшее время их начнут устанавливать на российских подводных лодках».
Между тем еще пять лет назад положение казалось совсем отчаянным, осенью 2009 года появилась информация о возможных закупках зарубежных неатомных подводных лодок четвертого поколения для ВМФ РФ в Германии. Позже руководство ВМФ России опровергло это сообщение, заявив, что речь может идти лишь о закупке новой технологии по производству анаэробных энергетических установок. Позже выяснилось, что контракт не состоялся, поскольку немцы запросили слишком много. По некоторым данным, продавцы настаивали на покупке корабля в полном комплекте, куда входят док, учебный центр, центр материально-технического обеспечения, защищенное укрытие и программа подготовка личного состава в Германии.
Уже даже не верится, что ФРГ и СССР изначально являлись главными конкурентами в борьбе за мировой рынок подводных вооружений. Практически одновременно в середине 1980-х начали работы по созданию неатомных подводных лодок четвертого поколения. В итоге немецкие компании Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH и Thyssen Nordseewerke GmbH спроектировали и в 1998 году заложили четыре неатомные субмарины четвертого поколения проекта 212. Сейчас для подводного флота Германии эти корабли уже построены. Энергетическая установка на лодках проекта 212 включает обычную дизель-электрическую, дополненную анаэробной энергоустановкой на основе электрохимического генератора. А российские моряки по-прежнему живут надеждами и обещаниями представителей ОПК, которые заявляют, что с созданием на «Рубине» собственной воздухонезависимой силовой установки Россия, наконец, догонит Германию.
Развитие неатомных подлодок затормозилось
Главной тенденцией в развитии подводных лодок всегда будет дальнейшее увеличение скрытности. Маленькие субмарины, оснащенные воздухонезависимыми силовыми установками, по мнению экспертов, считаются стандартом незаметности, и небезосновательно. Например, во время двух учений в Атлантике, прошедших в 2003 году, шведская лодка Halland с анаэробными двигателями, которая использовалась как учебная цель, переиграла в дуэльной ситуации испанскую субмарину с обычной дизель-электрической установкой, а затем и французскую атомную субмарину. Позже Halland в Средиземном море сумела уйти от американской атомной подлодки Houston (тип Los Angeles). При этом необходимо отметить, что малошумный и высокоэффективный Halland стоит в 4,5 раза дешевле своих атомных соперников.
Однако, по оценке ряда экспертов, незаметность субмарин практически достигла предела, развитие малых подводных лодок может затормозиться из-за того, что технологии создания топливных элементов воздухонезависимых силовых установок также не двигаются вперед, и дальнейшие возможности для их усовершенствования в ближайшее время не предвидятся. Так, в отчетах Американского физического общества и Национальной академии наук США отмечается: для того чтобы реализовать программу широкого применения водородной энергетики необходимо осуществить технологический прорыв не менее чем в 100 направлениях современной науки. В 2006 году федеральное финансирование водородной программы в Соединенных Штатах было прекращено. Заявлено, что создание таких топливных элементов нерентабельно.
Источник
Двигатели Стирлинга на подводных лодках
Если немецкие специалисты развивают воздухонезависимые силовые установки на основе топливных элементов, то их шведские коллеги еще с 1960-х годов прорабатывают возможность применения на субмаринах двигателя Стирлинга.
Этот тип двигателя был запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом еще в 1816 году. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Двигатель Стирлинга может преобразовывать в работу любую разницу температур.
ПРЕИМУЩЕСТВА ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
От всех известных преобразователей энергии прямого цикла (дизелей, паровых и газовых турбин, карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, электрохимических генераторов и др.), которые могут использоваться в составе воздухонезависимых установок, двигатели Стирлинга выгодно отличаются целым рядом качеств, которые обуславливают перспективу их применения на подлодках. Это практическая бесшумность в работе из-за отсутствия взрывных процессов в цилиндрах двигателя и клапанного механизма газораспределения и достаточно плавного протекания рабочего цикла при относительно равномерном крутящем моменте, что напрямую влияет на акустическую скрытность подлодки. Высокий к, п. д. (до 40 %), что значительно выше соответствующего показателя лучших образцов дизелей и карбюраторных двигателей. Кроме того, возможность использования в качестве горючего нескольких типов углеводородного топлива (соляровое топливо, сжиженный природный газ, керосин и др.). Эксплуатация двигателей Стирлинга, работающих на традиционном топливе, не требует создания сложной береговой инфраструктуры (в отличие от электрохимических генераторов). Моторесурс современных двигателей Стирлинга составляет 20-50 тыс. часов, что в три – восемь раз превышает срок жизни топливных элементов (около 6 тыс. часов). При сроке эксплуатации ПЛ порядка 25-30 лет п рименение двигателей Стирлинга позволит сократить необходимое количество подводных лодок на 35-40 % по сравнению с потребным числом лодок с электрохимическими генераторами (из-за более высокой надежности).
ПРИМЕНЕНИЕ НА СУБМАРИНАХ
Характеристики двигателя Стирлинга делают его весьма перспективным для применения на подводном флоте. Шведская фирма «Кокумс» уже несколько десятилетий работает в этой области.
Еще в 1960-е годы высказывались предложения об установке двигателей Стирлинга на строившихся в то время субмаринах типа «Шеормен», но до этого не дошло – силовая установка потребовала гораздо больше времени на доводку.
Предложенная инженерами «Кокумс» схема реализации цикла Стирлинга предусматривает сжигание дизельного топлива в камере высокого давления. Окислителем служит кислород, хранящийся на подлодке в жидком виде. Давление в камере сгорания выше, чем давление воды снаружи субмарины, что позволяет удалять продукты сгорания в воду. В качестве рабочего тела выбрали гелий.
Результатом работы шведских специалистов стал двигатель, известный под обозначением 4V-275R. Впервые он был опробован на экспериментальной коммерческой субмарине «Сага», построенной во Франции в 1987 году по проекту фирмы «Комекс». Лодка подводным водоизмещением 545 т получила силовую установку, состоявшую из дизеля надводного хода мощностью 175 кВт и двух двигателей 4V-275R мощностью по 75 кВт. Привычный для дизель-электрических ПЛ электродвигатель подводного хода на «Саге» отсутствовал. Запас жидкого кислорода в криогенных емкостях составлял 6500 кг. Решение, примененное на «Саге», не годилось для боевых подлодок, поскольку маломощные двигатели Стирлинга не могли обеспечивать достаточно высокую скорость подводного хода. Однако такие двигатели могут устанавливаться в качестве вспомогательной силовой установки на дизель-электрических ПЛ, обеспечивая подзарядку аккумуляторов в подводном положении. Благодаря этому продолжительность пребывания субмарины под водой увеличивается до двух и более недель – в зависимости от запаса жидкого кислорода.
В 1988 году после переоборудования вернулась в строй ВМС Швеции ПЛ «Нэккен», получившая дополнительную секцию корпуса длиной 8 м, в которой установили два двигателя 4V-275R и емкости для жидкого кислорода. В 2001-2004 годах она находилась в аренде в ВМС Дании, после чего была выведена из боевого состава. В 2003-2004 годах аналогичной переделке (с установкой секции длиной 12 м) подверглись две ПЛ типа «Вестергетланд», а в 2009-2010 годах – еще две однотипные лодки, проданные Сингапуру. Ранее, в 1996 году, в состав ВМС Швеции вошли три ПЛ типа «Готланд» – первые, на которых двигатели Стирлинга были изначально предусмотрены проектом. Будут применены такие двигатели и на перспективных шведских ПЛ проекта А26, Помимо Швеции
ПЛ с двигателями Стирлинга строятся в Японии. В 2002 году их установили на подлодке «Асасио» (типа «Харусио»), а с 2009 года вступают в строй серийные ПЛ нового типа «Сорю» (семь в строю, две строятся и две заказаны), на которых устанавливается по четыре двигателя 4V-275R.
Понравилась статья? Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или поделитесь записью в соцсетях
Источник
Черная дыра "Кронштадта"
Первая серийная дизель-электрическая подводная лодка (ДЭПЛ) четвертого поколения проекта 677 «Лада», что строится на «Адмиралтейских верфях» в Санкт-Петербурге, будет спущена на воду в декабре нынешнего года. Казалось бы, во всех отношениях радостная новость, ведь наш Военно-Морской флот просто заждался современного пополнения. Одно смущает — строительство «Кронштадта» началось еще в далеком 2006 году и не закончено до сих пор.
Это выглядит, по меньшей мере, странно, если учесть, что в последние годы отечественное кораблестроение недостатка в финансировании не испытывает. К тому же головная «Лада» под именем «Санкт-Петербург» находится в опытной эксплуатации на Северном флоте аж с 2010 года. Что же тогда мешало первой серийной подлодке «Кронштадт» раньше увидеть море? И вообще, что за подарок мы получим к Новому году?
С самого начала ДЭПЛ проекта 677 Главный штаб ВМФ анонсировал так: «Россия приступила к созданию принципиально новой неатомной подводной лодки с двигателем замкнутого контура для действий в ближней морской зоне. Идет разработка новой подводной лодки для действий в прибрежных районах с энергетической установкой замкнутого цикла. Такие подлодки смогут в автономной режиме без всплытия находиться под водой по несколько недель».
Это действительно выглядело бы прорывом. Ведь все предыдущие отечественные неатомные подводные лодки имели и имеют общий, но роковой для многих недостаток. Их скрытное непрерывное плавание не могло и не может пока продолжаться больше трех-четырех суток. Потом разряжаются аккумуляторные батареи. Да и содержание углекислого газа в отсеках поднимается выше критических пределов, экипаж начинает задыхаться.
Хочешь или не хочешь, а подвсплывай на перископную глубину и выдвигай засасывающую воздух трубу РДП (устройство для работы двигателя под водой). Часто вблизи вражеских берегов. При полном отсутствии воздушного и морского прикрытия. Когда нет возможности в случае опасности нырнуть в спасительную глубину.
Этот общий для дизель-электрических подводных лодок порок пытались вылечить во многих странах. В СССР еще в 1935 году решили попробовать жидкий кислород, хранившийся в отсеке при температуре минус 180 градусов. Под экспериментальную двигательную установку переоборудовали подводную лодку С-92. Но вскоре оказалось, что жидкий кислород на подводной лодке – технологический тупик.
Другим путем пошли немцы. Их ученые для продолжительной работы двигателей ДЭПЛ в подводном положении предложили перекись водорода. Так, под самый занавес Второй мировой войны появились германские лодки XXVI серии. Они были способны в течение шести часов развивать на глубине подводную скорость до 25 узлов. В боевых действиях эти чудеса техники принять участие не успели. Но трофеями для союзников по антигитлеровской коалиции оказались ценными. На их основе началось послевоенное развитие подводных флотов ведущих стран мира. В том числе и нашего. Получившиеся в итоге энергетические установки стали называть анаэробными.
В середине 50-х годов прошлого века ВМФ СССР получил 29 малых подводных лодок проекта 615 с анаэробными установками. Эти лодки оказались единственными в мире, способными ходить под водой на дизельном двигателе. Их энергетические установки работали в замкнутом цикле с использованием кислорода и твердого химического поглотителя углекислого газа. Правда, горели корабли проекта 615 столь часто, что сами моряки прозвали их «зажигалками». Да и грохотали эти подлодки на глубине слишком сильно. Поэтому в начале 70-х годов были сняты с вооружения.
Однако к 60-м годам прошлого века в океан вышли первые атомные подводные лодки. Они могли осуществлять подводное боевое патрулирование на огромных скоростях и месяцами не показываться на поверхности. Казалось, время ДЭПЛ ушло безвозвратно. Однако о «дизелюхах» пришлось вспомнить. В том числе и потому, что использование подводных атомоходов в Черном и Балтийском морях запрещено международными соглашениями. К тому же каждая ДЭПЛ в среднем в 4,5 раза дешевле своего собрата с ядерным реактором на борту.
В этой области гонки подводных вооружений мы долгое время были в безусловных технологических лидерах. К 90-м годам прошлого века каждая вторая ДЭПЛ в мире была родом с советских верфей. Наиболее удачными подводными кораблями третьего поколения оказались ПЛ третьего поколения проекта 877 «Варшавянка». За малую шумность и высокую скрытность плавания прозванные в НАТО «черными дырами».
Где-то рядом в технологическом смысле тогда находились немцы. США интереса к дизельным подлодкам не проявляли и не проявляют, поскольку их экспансия простирается на весь Мировой океан. А для такого дела больше подходят атомоходы.
Проблему создания надежного анаэробного двигателя, способного обеспечить долгое пребывание на глубине, с наших конструкторов никто не снимал. В результате их усилий в ВМФ СССР к 90-м годам появился «Катран». Это была экспериментальная лодка наиболее надежного и отработанного проекта 613 с энергетической установкой, оснащенной электрохимическим генератором. Однако плавать ей довелось недолго. Советский Союз рухнул, и наше подводное кораблестроение погрузилось в многолетнюю спячку.
За это время в Германии были спроектированы и запущены в серийное производство достаточно эффективные подводные лодки с анаэробными энергетическими установками на основе электрохимического генератора. Их работа, как и в годы Второй мировой войны, основана на использовании водорода. Проект корабля получил номер 212.
Закладка головной подводной лодки серии состоялась в декабре 1999 года. Первые четыре корабля переданы флоту ФРГ в 2005-07 годах. Затем строительство лодок немцы продолжили. В том числе – на экспорт.
Эти достижения так впечатлили российских конструкторов и моряков, что при создании собственных ДЭПЛ мы тоже решили использовать именно водород. И, кажется, сильно ошиблись. Потому что работы над отечественными анаэробными двигателями в ЦКБ МТ «Рубин» возобновились в начале 90-х, но до сих пор не завершены.
Головная ДЭПЛ четвертого поколения «Санкт-Петербург» в декабре 1997 года была заложена на «Адмиралтейских верфях». Считалось, что пока корабль строят, проектирование российской анаэробной энергетической установки с электрохимическим генератором завершат. Не получилось. С горем пополам «Санкт-Петербург» спустили на воду в 2007 году. Но … с обычным дизельным двигателем, что немедленно девальвировало всю затею.
Но мало того. Недоработанный двигатель «Санкт-Петербурга» работал лишь на 60 процентов от запланированной мощности. Возникли и другие проблемы. После долгих мытарств решено было принять подлодку «в опытную эксплуатацию с недоведенным ГЭД». И с глаз долой отправить ее на Северный флот. Причем, в боевой состав не принимать вообще, а оставить для всяческих экспериментов.
Обозленный Главный штаб ВМФ в 2010 году приказал было вообще свернуть работы по проекту «Лада». Пошли даже разговоры, что чем так мучиться, лучше попросту начать закупать у немцев их ДЭПЛ проекта 212. Вместе с вооружением и прочим.
Но со сменой верховного флотского начальства в 2012 году решено было все запустить по новой. Так питерские кораблестроители и взялись за уже ржавевший на стапеле «Кронштадт». Ставить на который, по большому счету, по-прежнему нечего. Разве что давно отработанный двигатель еще с «Варшавянки». Но тогда это будет корабль никакого не четвертого, а третьего поколения.
Другого выхода нет? Почему же? На Германии свет клином не сошелся. Есть опыт и других стран. Прежде всего – Швеции. Там вообще отказались от использования водорода на подлодках. Свои новейшие ДЭПЛ типа Gotland шведы оснастили так называемыми двигателями Стирлинга. Первая из них принята на вооружение в 1996 году. Еще две – в 1997-м. По мнению экспертов, сегодня это лучшие корабли в своем классе.
Основной принцип работы двигателей Стирлинга основан на постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.
Почему же мы не пошли вслед шведам? Эту тему еще в 2011 году «Свободная пресса» обсуждала с директором Инновационно-консультативного центра стирлингмашиностроения, заслуженным изобретателем РФ, доктором технических наук Николаем Кирилловым. Вот фрагменты той давней беседы:
«СП»: — Почему мы отстали в двигателях?
— Потому что копировали немцев. В Германии в последние десятилетия были созданы дизельные подводные лодки проектов 212 и 214. Они тоже могут очень долго не всплывать на поверхность. Но в их двигателях замкнутого цикла использован водород. Оказалось, что плавать на водороде очень дорого. В результате их самый последний – 214-й проект брать никто не хочет. Теперь немцы сами признали, что зашли в тупик. А следом за ними и мы.
«СП»: — Выход есть, или мы отстали навсегда?
— Нас спасает то, что в России существуют серьезные заделы по двигателям Стирлинга . Есть даже опытные образцы.
«СП»: — Но под них надо создавать корабли принципиально других проектов?
— Абсолютно необязательно . Двигателями Стирлинга можно оснастить подводные лодки типа «Лада». Тогда они будут не хуже, чем у шведов, которые на сегодня лидируют в строительстве неатомных субмарин. Это сразу позволит и российскому ВМФ сделать огромный рывок, и много добиться в экспорте такого рода вооружений.
Повторяю, с той поры прошла уйма времени. С помпой анонсирован близкий спуск на воду «Кронштадта». 7 мая снова звоню Кириллову.
«СП»: — Николай Геннадьевич, четыре года назад мы подробно разговаривали с вами о трудностях с созданием российских неатомных подводных лодок типа «Лада». Что-нибудь изменилось с той поры?
— Да практически ничего. «Кронштадт», который в Питере собираются спускать на воду в этом году, — это никакой не корабль четвертого поколения. Будет просто улучшенная старая «Варшавянка». То есть корабль все того же третьего поколения. Потому что анаэробной установки для «Кронштадта» так и не сделали.
«СП»: — А что будет?
— Практически тот же двигатель, что и на всех прежних наших неатомных лодках. С незначительными усовершенствованиями. Поэтому и на «Кронштадте» несение боевого дежурства без всплытия для подзарядки аккумуляторов не сможет продолжаться более четырех суток.
«СП»: — Мы что, так отстали в этой области от зарубежных конкурентов?
— Очень отстали. Долго копировали германский опыт. Тридцать лет пытались изготовить свои топливные элементы на водороде. Получилось крайне дорого. И ресурс небольшой. Да и в целом технологии не отработаны.
А шведы давно поставили на свои лодки двигатели Стирлинга и успешно их освоили. Теперь по тому же пути пошел даже Китай. Там поступили еще проще. Взяли купленную у России «Варшавянку», разрезали на две части. И вставляют в ее корпус собственный отсек с двигателем Стирлинга. Поэтому, думаю, очень скоро мы обнаружим, что в строительстве неатомных подводных лодок отстаем даже от Китая.
«СП»: — Но нам-то что мешает пойти по тому же пути?
— Вообще-то вопрос не ко мне. Хотя я тоже интересовался этим у коллег из ЦКБ «Рубин», которое работает над проектом «Лада». Там мне сказали откровенно: мы за тридцать лет работы над водородными топливными элементами сожрали столько бюджетных денег, что если вдруг признать этот путь ошибочным, нас просто порвут на части.
Сейчас старое руководство «Рубина» убрали. Но и новое занимается неизвестно чем . А анаэробной двигательной установки для российских подводных лодок как не было, так и нет.
«СП»: — С связи с этой проблемой кто-нибудь из Министерства обороны или Главного штаба ВМФ выходил на ваш Центр?
— Никто. Признаюсь вам: я вообще очень боюсь, что в обозримой перспективе Россия потеряет неатомное подводное кораблестроение.
Шведские субмарины типа «Готланд» с двигателями Стирлинга способны непрерывно находиться под водой до 20 суток . Двигатели работают на жидком кислороде, который используется в дальнейшем для дыхания, имеют очень низкий уровень шума.
Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках типа «Сорю».
Источник
Неатомные подводные лодки с анаэробными энергетическими установками
В этой статье речь пойдет о субмаринах с анаэробными или воздухонезависимыми энергетическими установками (ВНЭУ). ВНЭУ – это весьма широкий класс различных двигателей, конструкторских решений, видов топлива. Отличает его от двигательных установок ПЛ 3-го поколения возможность гораздо дольше находиться в подводном положении, что значительно увеличивает скрытность такой подлодки и затрудняет ее обнаружение противолодочной авиацией. Подлодки предыдущего поколения, например, ДЭПЛ проекта 636 «Варшавянка» должны раз в 3-4 дня подниматься к поверхности, включать дизельные двигатели и подзаряжать аккумуляторные батареи. Современные подлодки с ВНЭУ могут находиться под водой неделями.
Рассмотрим основные конструкторские решения, которые применяются при строительстве таких субмарин
Двигатель Стирлинга
Двигатель Стирлинга – тепловая машина, в которой рабочее тело в виде газа или жидкости движется в замкнутом объеме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела, с извлечением энергии из возникающего при этом изменения давления. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.
1. Громоздкость и материалоемкость: у двигателя Стирлинга рабочее тело требуется охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массогабаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.
2. Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и особые виды рабочего тела – водород, гелий.
3. Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогостоящих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, — весьма нетривиальная задача. Чем больше площадь теплообмена, тем больше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно откликается на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.
4. Для быстрого изменения мощности двигателя используются способы, отличные от применяемых в ДВС: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае отклик двигателя на управляющее действие водителя является почти мгновенным.
1. Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач.
2. Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» узлов позволяет «стирлингу» обеспечить небывалый для других двигателей запас работоспособности в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
3. Экономичность — для утилизации некоторых видов тепловой энергии, особенно при небольшой разнице температур, «стирлинги» часто оказываются самыми эффективными видами двигателей.
4. Низкий уровень шума – «стирлинг» не имеет выхлопа из цилиндров, а это значит, что уровень его шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания.
В подлодках с двигателями Стирлинга используется стандартное дизельное топливо и жидкий кислород в качестве окислителя. Пионерами в создании ВНЭУ со «стирлингами» стали шведы. Их подводные лодки типа «Готланд» стали первыми серийными субмаринами с подобными двигателями. Надо сказать, что «стирлинги» уступают современным дизелям по мощности, поэтому их используют как дополнение к классической дизель-электрической силовой установке. Тем не менее, это «дополнение» позволяет ПЛ типа «Готланд» находиться под водой до 20 суток. Скорость на «стирлинге» – 5 узлов. Кроме шведских субмарин двигатели Стирлинга применяются на японских ПЛ типа «Сорю».
Электрохимические генераторы
Еще один тип ВНЭУ – это ЭХГ. Электрохимический генератор создан на базе топливных элементов. По сути, это аккумуляторная батарея с постоянной подзарядкой. Принцип работы энергетической установки с электрохимическим генератором тот же, что и 150 лет назад, когда англичанин Уильям Роберт Гров случайно обнаружил при электролизе, что две платиновые полоски, обдуваемые – одна кислородом, а другая – водородом, помещенные в водный раствор серной кислоты, дают ток. В результате реакции, кроме электрического тока, образовывались тепло и вода. При этом энергетическое превращение происходит бесшумно, а единственным побочным продуктом реакции является дистиллированная вода, которой достаточно легко найти применение на подводной лодке.
По критериям эффективности и безопасности водород решили держать в связанном состоянии в форме металлогидрида (специальный сплав металла в соединении с водородом), а кислород – в сжиженном виде в специальных емкостях между легким и прочным корпусами подлодки. Между водородным и кислородным катодами находятся полимерные электролитные мембраны протонного обмена, выполняющие функцию электролита.
ВНЭУ с ЭХГ нашли применение на немецких субмаринах типа 212. Несмотря на очевидные преимущества разработанной установки на топливных элементах, она не обеспечивает требуемые оперативно-тактические характеристики подводной лодки океанского класса, прежде всего в части, касающейся выполнения скоростных маневров при преследовании цели или уклонении от атаки противника. Поэтому подводные лодки оснащаются комбинированной двигательной установкой, в которой для движения на высоких скоростях под водой используются аккумуляторные батареи или топливные элементы, а для плавания в надводном положении – традиционный дизель-генератор, применяемый также для подзарядки аккумуляторных батарей. Электрохимический генератор, состоящий из девяти модулей топливных элементов, имеет суммарную мощность 400 л. с. и обеспечивает движение лодки в подводном положении со скоростью 3 узла в течение 20 суток с показателями шумности ниже уровня естественных шумов моря.
Совсем недавно успехов в создании ВНЭУ достигли испанцы на ПЛ типа S-80. Они также использовали ЭХГ в качестве анаэробной вспомогательной установки, однако пошли по пути получения водорода из этанола в результате его разложения. Кислород хранится в жидком виде в специальном резервуаре. Длительность пребывания субмарины под водой достигает 15 суток.
Парогенераторная анаэробная энергетическая установка
Французские инженеры создали парогенераторную анаэробную установку MESMA (Module d’Energie Sous-Marine Autonome) — автономный энергетический модуль для субмарин. В работе MESMA используется принцип цикла Ранкина, который состоит из процессов нагревания жидкости, ее испарения и перегрева пара, адиабатного расширения пара и его конденсации. Установка создана на основе паровой турбины, работающей по замкнутому циклу. В качестве горючего используется этанол, окислитель — жидкий кислород. Этанол поступает в камеру сгорания, в которую также поступает кислород уже в газообразном состоянии. Температура горения смеси спирта и кислорода может достигать более 700° С. Продукты сгорания этанола — вода и углекислый газ, высокое давление выделяемого углекислого газа (до 60 атмосфер) позволяет легко его удалять за борт без применения компрессора на глубинах до 600 м.
Срок службы камеры сгорания определен в 30 лет. Таким образом, она используется в течение всего срока эксплуатации подводной лодки.
Теплообменник камеры сгорания разогревает парогенератор, изготовленный из никелевых сплавов. Разогретый пар приводит в действие малошумный высокооборотный турбогенератор переменного тока.
Отработанный пар поступает в никель-алюминий-бронзовый конденсатор, который также является охладителем второго контура. Конденсатор охлаждается проточной забортной водой. Полученный конденсат возвращается в парогенератор. Общее количество воды в системе «парогенератор-конденсатор» — около 500 л. Скорость вращения паровой турбины до 10 тыс. об/мин. Номинальная выходная мощность генератора не менее 200 кВт.
Мощность установки MESMA позволяет развивать субмаринам проекта «Скорпена» подводный ход в 4 узла, при длительности плавания около 250 часов. Для достижения более высоких скоростей используются традиционные аккумуляторные батареи.
Литийионные аккумуляторы
Пятого марта 2020 года японцы спустили на воду 11-ю подлодку проекта «Сорю», однако эта субмарина имеет существенное отличие от других ПЛ этого типа – на ней установлены литийионные аккумуляторные батареи.
За счет использования литийионных аккумуляторов японцы смогли отказаться от использования на новой субмарине как двигателей Стирлинга, так и традиционных свинцово-кислотных батарей.
Литийионные батареи обеспечивают такой ПЛ длительность подводного хода сопоставимую с другими ВНЭУ, а большая емкость новых батарей позволяет субмарине достигать подводной скорости в 20 узлов.
ВНЭУ в российском ВМФ
Конечно же, главный для нас вопрос – это положение с анаэробными двигателями для ПЛ в России. Как обстоят наши дела? К сожалению, наши разработчики пока не достигли успеха в создании ВНЭУ. Первой отечественной ДЭПЛ с ВНЭУ должна была стать субмарина проекта 677 «Лада», но дело не заладилось. Тем не менее, работы по созданию ВНЭУ продолжаются и в 2019 году открыта новая ОКР по данной теме.
В создании ВНЭУ принимают участие ЦКБ «Рубин» – разрабатывающее анаэробную установку на основе ЭХГ и КБ «Малахит», работающее над созданием анаэробного газотурбинного двигателя замкнутого цикла.
Разработка «Малахита» – это единый газотурбинный двигатель, который можно использовать как в надводном, так и в подводном положении. В надводном положении для движения используется атмосферный воздух. Под водой происходит подача окислителя из сосуда Дьюара, где содержится жидкий кислород. Выделяемая турбиной газовая смесь очищается и замораживается, ничего не выделяя наружу. Таким образом, скорость подводного хода без использования аккумулятора (только от ВНЭУ) превышает 10 узлов. «Малахит» разрабатывает не только двигатель, но и ПЛ. Проект имеет шифр П-750Б. Проектируемая подлодка имеет 1450 тонн надводного водоизмещения, экипаж в 18-20 человек, глубину погружения до 300 м, максимальную скорость хода в 18 узлов. Подлодка может иметь на вооружении торпеды, мины и даже крылатые ракеты «Калибр».
Заключение
Осталось ответить на вопрос: почему российский ВМФ нуждается в подлодках с ВНЭУ? По существу, современные ВНЭУ имеют ряд недостатков: малая мощность, что заставляет использовать их вместе с традиционной дизель-электрической энергетической установкой, как следствие – малая скорость подводного хода на ВНЭУ (не относится к ДЭПЛ с литий – ионными аккумуляторами), высокая стоимость, необходимость сооружения на ВМБ специальной инфраструктуры.
И всё же достоинства превосходят недостатки. Главное из них – высокая скрытность и затруднение обнаружения такой ПЛ противолодочной авиацией. Для нас это очень актуально, ведь, например, Япония имеет около сотни современных противолодочных самолетов. Другое достоинство – очень малый уровень шума, зачастую меньший, чем фоновый шум моря. И наконец, как бы дорога ни была субмарина с ВНЭУ, она всё равно дешевле атомной. Кроме того, подлодки с ВНЭУ активно применяются во флотах наших потенциальных противников: Германии, Турции, Японии. В случае конфликта нашим подводникам придётся противостоять более совершенным ПЛ. И если не разрабатывать современных двигателей с ВНЭУ, то технологический разрыв, имеющий место сейчас, со временем станет непреодолимой пропастью.
Источник