что такое внэу на подводной лодке
Эволюция воздухонезависимых энергоустановок для неатомных подлодок
Основная масса современных подводных лодок оснащена дизель-электрическими энергоустановками. Такие устройства имеют характерные недостатки, из-за чего осуществляется поиск удобных и выгодных альтернатив. Как показывает практика, современный уровень технологий позволяет создавать эффективные энергоустановки для неатомных подлодок, причем речь идет о системах разных архитектур.
Проблемы и решения
Главный недостаток ДЭПЛ состоит в необходимости регулярной подзарядки батарей за счет дизель-генератора. Для этого подлодка должна всплывать на поверхность или двигаться на перископной глубине – что повышает вероятность обнаружения противником. При этом продолжительность подводного плавания на аккумуляторах обычно не превышает нескольких суток.
В целом можно выделить несколько подходов к созданию ВНЭУ. Первый предусматривает перестройку дизель-генератора с использованием другого двигателя, менее требовательного к поступающему воздуху. Второй предлагает выработку электроэнергии при помощи т.н. топливных элементов. Третий заключается в совершенствовании батарей, в т.ч. вплоть до отказа от собственной генерации.
Альтернатива Стирлинга
Первой НАПЛ с полноценной ВНЭУ, принятой на вооружение, в 1996 г. стал шведский корабль Gotland. Эта подлодка имела длину 60 м и водоизмещение 1600 т, а также несла 6 торпедных аппаратов двух калибров. Ее энергоустановку построили на основе стандартной дизель-электрической и дополнили новыми компонентами.
Надводный ход и выработка энергии обеспечиваются двумя дизелями MTU 16V-396 и парой генераторов Hedemora V12A/15-Ub. Гребной винт на всех режимах приводится во вращение электродвигателем. В подводном положении подлодка вместо дизелей запускает двигатель Стирлинга типа Kockums v4-275R, использующий жидкое горючее и сжиженный кислород. Запас последнего позволяет оставаться под водой до 30 суток без необходимости всплытия. Кроме того, двигатель Стирлинга отличается меньшим шумом и не так демаскирует подлодку.
По проекту «Готланд» построили три новые подлодки; второй и третий корпуса ввели в строй в 1997 г. В начале двухтысячных годов был реализован проект с шифром Södermanland. Он предусматривал модернизацию двух ДЭПЛ типа Västergötland с установкой ВНЭУ от проекта Gotland. Шведскими разработками заинтересовалась Япония. По лицензии она собрала ВНЭУ для подлодок типа «Сорю». Ввиду больших габаритов и водоизмещения японские НАПЛ несут сразу четыре двигателя v4-275R.
Подводные турбины
В ходе развития проекта Scorpène французские кораблестроители предложили свой вариант ВНЭУ на основе альтернативного двигателя. Такая установка под названием Module d’Energie Sous-Marine Autonome (MESMA) предлагалась потенциальным клиентам для использования на подлодках новой постройки.
Проект MESMA предлагал особый паротурбинный двигатель, работающий на этаноле и сжатом воздухе. Сгорание спирто-воздушной смеси должно было давать пар для турбины, приводящей в движение генератор. Продукты горения в виде углекислого газа и водяного пара под высоким давлением предлагалось сбрасывать за борт во всем диапазоне рабочих глубин. По расчетам, НАПЛ Scorpène с ВНЭУ MESMA могла бы оставаться под водой до 21 сут.
Установка MESMA предлагалась разным заказчикам. К примеру, ее планировалось использовать в проекте Scorpène-Kalvari для Индии. Однако опытная установка показала недостаточные характеристики, и интерес к проекту резко сократился. В итоге новые французские ДЭПЛ по-прежнему оснащаются дизелями – хотя разработчики уже анонсировали новую модернизацию с внедрением других перспективных решений.
В 2019 г. российские кораблестроители объявили о разработке принципиально новой ВНЭУ на основе газотурбинного двигателя замкнутого цикла. В ее состав включаются емкости для сжиженного кислорода: он испаряется и подается к двигателю. Выхлопные газы предлагается замораживать и выбрасывать наружу только при всплытии в безопасном районе. Подобная ВНЭУ прорабатывается в рамках проекта П-750Б.
На топливных элементах
К концу девяностых годов свой вариант ВНЭУ создала Германия. В 1998 г. началось строительство головной НАПЛ нового пр. «Тип 212», оснащенной подобной системой. Немецкий проект предусматривал использование системы Siemens SINAVY, сочетающей электродвигатель и водородные топливные элементы. Для движения в надводном положении сохранили дизель-генератор.
Комплекс SINAVY включает протонообменные топливные элементы Siemens PEM на основе металлогидрида с цистерны со сжиженным кислородом. Для большей безопасности, емкости с металлогидридом и кислородом расположены в пространстве между прочным и легким корпусами. Во время работы ВНЭУ водород, получаемый из металлогидрида, вместе с кислородом поступают на специальные мембраны и электроды, где происходит выработка тока.
Автономность подлодки «212» достигает 30 сут. Важным преимуществом ВНЭУ SINAVY является практически полное отсутствие шума во время работы при достаточно высоких характеристиках. В то же время, она сложна в производстве и эксплуатации, а также имеет иные недостатки.
Для ВМС Германии было построено шесть субмарин «212». В 2006-2017 гг. четыре таких корабля поступили на службу в испанский флот. На базе «212» создан проект «214», предусматривающий сохранение существующей ВНЭУ. Такие подлодки пользуются большой популярностью на международном рынке. Получены заказы от четырех стран более чем на 20 лодок. 15 кораблей уже построены и сданы заказчикам.
Следует отметить, что ВНЭУ на основе топливных элементов разрабатывают не только в Германии. Параллельно с проектом MESMA во Франции разрабатывался вариант НАПЛ Scorpène с применением топливных элементов. Именно такие подлодки продали Индии. Сейчас создаются элементы нового поколения. Ранее сообщалось, что свои топливные элементы разрабатываются в России. ВНЭУ такого типа уже прошла стендовые испытания, и в будущем ее проверят на опытовом корабле.
Подлодка на аккумуляторах
Появление принципиально новых двигателей и средств генерации не исключает необходимости дальнейшего развития существующих технологий и агрегатов. Так, высокое значение сохраняют аккумуляторные батареи уже известных и освоенных типов. В перспективных проектах они даже рассматриваются в качестве единственного источника энергии для всех систем.
Любопытные процессы наблюдаются в японском кораблестроении. Япония была одной из первых стран, освоивших ВНЭУ с двигателем Стирлинга, однако в 2015 и 2017 гг. были заложены две подлодки доработанного проекта «Сорю» без подобных систем. Места под штатные батареи и агрегаты ВНЭУ отдали под современные литий-ионные аккумуляторы. За счет этого продолжительность подводного плавания удалось увеличить вдвое в сравнении с батареями прошлого поколения.
С 2018 г. ведется строительство подлодок нового проекта «Тайгэй», изначально разработанного с применением дизель-электрической установки и литий-ионных аккумуляторов. Головной корабль нового проекта уже спущен на воду, а с прошлого года строятся еще два корпуса. Всего планируется построить семь подлодок с принятием в строй с 2022 г.
Известно множество проектов сверхмалых подлодок, оснащенных только аккумуляторными батареями. В будущем такая архитектура может найти применение и в «больших» проектах. Недавно французские судостроители представили концепт-проект SMX31E, объединяющий массу самых смелых решений. В частности, субмарина получила только аккумуляторы с их размещением во всех доступных объемах, в т.ч. между прочным и легким корпусами. Зарядка батарей должна осуществляться в базе, до выхода в море.
По расчетам, на полной зарядке SMX31E сможет оставаться под водой в течение 30-60 суток, в зависимости от скорости движения и общего потребления энергии. При этом планируется обеспечить полную работоспособность всех штатных и дополнительных приборов, комплексов и т.д.
В процессе эволюции
Таким образом, в последние десятилетия наблюдается значительный прогресс в области ВНЭУ для НАПЛ. Разработаны, испытаны, внедрены в проекты и поставлены на службу разные варианты подобных систем с теми или иными особенностями и преимуществами. Впрочем, даже последние воздухонезависимые установки имеют те или иные недостатки. Они остаются сложными и дорогими, как в производстве, так и в эксплуатации.
Несмотря на преимущества в тактико-технических характеристиках, НАПЛ с ВНЭУ пока не могут вытеснить ДЭПЛ «традиционной» архитектуры. Более того, последние развиваются и тоже используют самые современные технологии и компоненты. Ярким примером такой конкуренции разных классов являются процессы развития японского подводного флота, вернувшегося к дизель-электрической схеме на новом техническом уровне.
По всей видимости, конкуренция воздухонезависимых и дизель-электрических установок в обозримом будущем продолжится – и явный фаворит пока отсутствует. При этом очевидно, что в выигрыше оказываются флоты мира. Они получают возможность выбирать оптимальный вариант энергоустановки, наиболее полно соответствующий всем предъявляемым требованиям.
LiveInternetLiveInternet
—Цитатник
Геометрическое выражение сознания. Перевод статьи Энн Тинг в журнале «.
Сев во многих регионах входит в активную фазу, всего по России засеяно более 2 млн га, а его эффек.
—Ссылки
—Всегда под рукой
—Метки
—Рубрики
—Музыка
—Подписка по e-mail
—Поиск по дневнику
—Статистика
Воздухонезависимые энергетические установоки (ВНЭУ) для оснащения подводных лодок
Подводный сюрприз Путина
С появлением новой русской подводной лодки «Лада» в прошлое уйдёт целая эпоха американского «господства на море», Вашингтон фактически потеряет главный инструмент «проецирования силы» на удалённые регионы и рискует окончательно утратить свою глобальную геополитическую роль.
Многие действительно важные новости, имеющие прямое отношение к изменению военно-стратегического баланса сил в Евразии, проходят мимо внимания массового читателя.
Вот одна из таких новостей.
13 октября 2014 года информагентство «РИА Новости» со ссылкой на источник в оборонно-промышленном комплексе РФ сообщило: «В России принято решение о серийном производстве воздухонезависимых энергетических установок (ВНЭУ) для оснащения будущих подводных лодок проекта 677 «Лада». Испытания опытного макета ВНЭУ на стенде завершились успешно. Следующие испытания будут проводиться уже непосредственно на лодке».
Это сообщение прошло практически незамеченным, даже среди военных обозревателей никто не обратил на него особого внимания. А зря! Ибо это решение знаменует собой настоящую революцию в области военного подводного кораблестроения.
Достоинства и недостатки подводных охотников
Сегодня все подводные лодки по типу энергетических установок делятся на два вида: ПЛ с ядерной энергетической установкой (атомным реактором) и дизель-электрические подводные лодки (ДЭПЛ), двигающиеся в надводном положении при помощи дизеля, а в подводном – используя электромоторы, черпающие энергию от аккумуляторных батарей.
Атомные ПЛ обладают целым рядом выдающихся достоинств: практически неограниченным временем пребывания под водой, высокой скоростью подводного хода и большой глубиной погружения, способностью нести огромное количество самого разнообразного вооружения и оборудования.
Но, увы – главное достоинство ядерной энергетической установки, её мощность, является одновременно источником основного недостатка, свойственного подводным атомоходам. Этот недостаток – большая шумность. Наличие на борту АПЛ атомного реактора (а иногда и двух) со всем комплексом сопутствующих механизмов: турбинами, генераторами, насосами, холодильными установками, вентиляторами и т.д. – неизбежно порождает огромное количество разночастотных колебаний и вибраций и требует сложнейших технологий для снижения уровня шумов, являющихся главным демаскирующим фактором любой АПЛ.
Зато дизель-электрическая подлодка под водой практически бесшумна. Электромоторы, питающиеся энергией аккумуляторных батарей, не требуют наличия турбин и другого высокошумного оборудования. Поэтому ДЭПЛ крадётся в океанских глубинах, практически не шумя, подобно опасной хищной рыбе, выслеживающей зазевавшуюся добычу.
Однако рыба эта может находится под водой относительно недолго – всего несколько суток. Притом двигается она в океанской глубине очень медленно, экономя запас энергии, который по сравнению с атомными «акулами» просто ничтожен. А недостаток энергии, в свою очередь, налагает серьёзные ограничения на водоизмещение, вооружение и другие ключевые характеристики ДЭПЛ. По сути, эти лодки не являются полностью «подводными», их можно скорее назвать «ныряющими», так как большую часть времени на маршрутах развёртывания они проводят в надводном положении, да и в районах боевого патрулирования вынуждены регулярно всплывать и включать дизеля для подзарядки аккумуляторных батарей.
Так, например, у новейшей российской ДЭПЛ проекта 636.3 запас подводного хода составляет всего 400 миль. И двигается она под водой в основном экономходом со скоростью 3 узла, то есть 5,4 км/час. Поэтому преследовать свою добычу под водой такая лодка не может. Она вынуждена полагаться на данные разведки, которая должна вывести её в заданную точку на маршруте развёртывания кораблей противника. Отсюда и главный способ боевого использования ДЭПЛ – т.н. «завеса», т.е. развертывание подводных лодок в линию, перпендикулярную курсу вероятного движения цели, на определенных интервалах друг от друга. При этом вся группа участвующих в ней подлодок управляется с внешнего командного пункта, что создаёт дополнительные демаскирующие факторы и снижает боевую устойчивость и эффективность группировки ПЛ. Если учесть к тому же, что глубина эшелонированной противолодочной обороны современной американской авианосной ударной группировки составляет свыше 300 миль (т.е. более 550 км), становится понятным, как непросто нашим ДЭПЛ противостоять такому противнику.
Поэтому неудивительно, что заветной мечтой всех подводников является создание подводной лодки с принципиально новой энергетической установкой, которая позволит совместить в себе достоинства атомных и дизель-электрических подводных лодок: мощность и скрытность, большую автономность подводного плавания и малую шумность…
Сказка стала былью
Так вот: российские подводные лодки 677-го проекта «Лада» с воздухонезависимой энергетической установкой как раз и являются серьёзнейшим прорывом в этом направлении, выводящим подводный флот России на принципиально новые рубежи.
«Лады» невелики, их водоизмещение почти в два раза меньше, чем у знаменитой «Варшавянки». Зато комплекс её вооружений очень серьёзен и непривычно велик. Помимо традиционного минно-торпедного вооружения ДЭПЛ (6 торпедных аппаратов 533-мм, 18 торпед или мин), 667-й проект – первая в мире неатомная подводная лодка, оснащённая специализированными пусковыми установками для крылатых ракет (10 вертикальных ПУ в средней части корпуса). Причём эти КР могут быть как оперативно-тактическими, ударно-противокорабельными, так и ракетами большой дальности, предназначенными для поражения стратегических целей в глубине территории противника (о них см. подробнее в статье «Ракетный сюрприз Путина»).
Оснащение лодки такой анаэробной установкой позволило немцам увеличить время нахождения ее в подводном положении до 20 суток. И сейчас германские «малютки» с ВНЭУ различных модификаций находятся на вооружении Германии, Италии, Португалии, Турции, Израиля, Кореи и еще нескольких стран.
Шведский концерн Kockums Submarin Systems, в свою очередь, в конце прошлого века начал строительство подлодок класса Gotland с ВНЭУ на основе т.н «двигателя Стирлинга». При его использовании эти лодки также могут находиться под водой без подзарядки аккумуляторных батарей до 20 суток. И сейчас ПЛ с двигателями Стирлинга есть не только в странах Скандинавии, но и в Австралии, Японии, Сингапуре и Таиланде.
О ВНЭУ нашей лодки известно пока немного. Так же как и у немцев, в ее основе будет электрохимический генератор. Но она будет принципиально отличаться тем, что водород, необходимый для работы ВНЭУ, будет получаться прямо на борту с помощью переработки имеющегося дизельного топлива. Поэтому российская ВНЭУ будет значительно экономичнее немецкого аналога, что позволит увеличить время её непрерывного нахождения лодки под водой до 25 суток. Одновременно и стоить «Лада» будет существенно меньше, чем немецкие лодки проекта 212\214.
До 2020 года российский же флот рассчитывает получить 14 единиц таких новых неатомных подводных лодок 4-го поколения.
От себя добавлю, что развёртывание в составе Российского ВМФ дополнительно двух-трёх соединений «Лад» способно принципиально изменить соотношение сил не только на Балтике, Каспии и Чёрном море, но и на Севере, и в Средиземноморье, в Атлантике и Индийском океане. На Севере, в Баренцевом море такие лодки способны гарантированно прикрыть маршруты развёртывания российских подводных стратегических ракетоносцев от любых посягательств противолодочных сил США и стран НАТО, что существенно повысит боевую устойчивость морской компоненты наших стратегических ядерных сил.
Сейчас наши ракетоносцы несут боевую службу по большей части под льдами Арктики, где они практически недоступны для вражеского воздействия. Американцы могут засечь, отследить и поразить наш подводный крейсер лишь на этапе его перехода в район боевого патрулирования. А «Лады» 667-го проекта идеально приспособлены для противодействия американским АПЛ, следящим за нашими «стратегами», так как слышат их на дистанциях гораздо больших, чем американцы способны услышать «Ладу». В таких условиях поражение вражеской субмарины – то ли «Ладой» самостоятельно, то ли с помощью наведения на неё сил противолодочной авиации и надводных кораблей – становится делом техники.
Что касается Средиземного моря, Атлантики и Индийского океана, то наличие в их водах в достаточном количестве подводных лодок, подобных «Ладе», практически обнуляет там американскую военно-морскую мощь, ядром которой являются авианосные ударные группировки (АУГ). Ещё в советские времена «дизелюхи» проекта 641Б умудрялись прорывать противолодочную оборону авианосцев и, бывало, всплывали прямо под носом у обалдевших американских адмиралов. И лишь малый запас подводного хода, отсутствие дальнобойного ракетного вооружения да невозможность оставаться в подводном положении больше 3-х суток давали американцем шанс в этом противостоянии с советскими подводниками.
Сегодня, при условии, что «Лада» будет действительно способна оставаться под водой до 25 дней, её боекомплект включит в себя мощный противокорабельный ракетный комплекс, подобный «Калибру», а разведка и наведение ПЛ на АУГ будет осуществляться с использованием эшелонированной разведки, включающей космическую группировку, такого шанса у хвалёных штатовских авианосцев уже не будет! А это значит, что в прошлое уйдёт целая эпоха американского «господства на море», Вашингтон фактически потеряет свой главный инструмент «проецирования силы» на удалённые регионы и окончательно утратит свою глобальную геополитическую роль.
Подлодку с воздухонезависимой энергоустановкой представили в Петербурге
Характеристики этого аппарата, заявленные его разработчиками из Санкт-Петербургского морского бюро машиностроения «Малахит», впечатляют: 1200 миль непрерывная подводная дальность плавания с учетом ВНЭУ. Предельная глубина погружения — 300 метров, автономность — до 30 суток, экипаж — 18-20 человек, плюс группа из 16 боевых пловцов.
ВНЭУ — это воздухонезависимая энергетическая установка, в основе которой инновационный газотурбинный двигатель замкнутого цикла. То есть такой, что может работать без прямой подпитки воздухом из атмосферы, как того требуют дизельные агрегаты, давно используемые в подводном кораблестроении. Атомный реактор — это тоже воздухонезависимая энергоустановка, пришедшая на флот более полувека назад. Но она пока что остается довольно громоздкой, дорогой и сложной в эксплуатации. И годится не для всякого подводного аппарата, в том числе по критерию «стоимость-эффективность».
А в случае с подводной лодкой прибрежного действия П-705Б, разработанной с СПМБМ «Малахит» в продолжение их же серии малых подводных лодок типа «Пиранья», этот критерий определяющий. Потому конструкторы и задались целью оснастить ее единой энергоустановкой подводного и надводного хода, что значительно, в 5-6 раз, повышает дальность непрерывного подводного плавания в сравнении с проектами «Пиранья-Т», П-550 и «Пиранья-Т.1»
Первые сообщения о том, что в конструкторском бюро «Малахит» проведены испытания воздухонезависимой энергетической установки для перспективной неатомной подлодки, появились в отчете этого бюро за 2018 год. На форуме «Армия-2019″ были приоткрыты некоторые характеристики самой П-750Б и создающейся для нее ВНЭУ. А на Международном военно-морском салоне, проходящем в эти дни в Петербурге, уже открыто представили макет корабля с такой инновационной энергоустановкой.
Выставленный среди уже известных проектов Объединенной судостроительной корпорации, он сразу же привлек внимание — в особенности, иностранных участников салона. Внешние параметры предлагаемого к постройке корабля довольно скромные: длина — 65,5 м, ширина — 7, осадка — 5,2, корпус из стали. Но при этом общая дальность плавания — 4300 миль. Вооружение — торпеды, ракеты и мины штатного для ВМС калибра 533 мм.
По словам официальных представителей СПМБМ „Малахит“, такие подводные лодки предназначены для нанесения ударов по береговым стационарным объектам противника. И не менее эффективно могут использоваться для уничтожения надводных кораблей и подводных лодок, для скрытой транспортировки, высадки и обратного приема на свой борт разведывательно-диверсионных групп. Они же — надежная охрана и защита прибрежных и морских границ путем скрытого патрулирования, постановки минных заграждений. Могут широко использоваться для ведения разведки, в том числе радиотехнической, в назначенных районах и наведения своих сил на силы противника.
Представители Минобороны России не скрывают, что давно хотели бы иметь в составе ВМФ новые типы неатомных подлодок, которые бы сочетали в себе преимущества атомных субмарин с меньшими габаритами и меньшей акустической заметностью. Сообщалось, что над проектом такой ПЛ с воздухонезависимой энергоустановкой не первый год работают в Центральном конструкторском бюро „Рубин“.
По сведениям из открытых источников, российский подход к созданию ВНЭУ принципиально отличается от зарубежных аналогов методом получения водорода. Его выработка в требуемом количестве обеспечивается прямо на борту ПЛ с помощью реформинга дизельного топлива. Благодаря этому запасы водорода высокой чистоты не придется возить на борту подлодки.
В руководстве ВМФ России заявляли, что ожидают получить готовую ВНЭУ от „Рубина“ в 2021-2022 годах. Теперь, комментируя премьеру „Малахита“ на МВМС-2019, недавно назначенный главкомом ВМФ России адмирал Николай Евменов заявил, что решение о выборе проекта воздухонезависимой энергетической установки для подводных лодок может быть принято после сравнительных испытаний того, что предлагают „Рубин“ и „Малахит“.
«Заявленные параметры хороши у каждого предприятия, у каждого конструкторского бюро, — дал понять адмирал Евменов. — Поэтому будем выбирать лучшее. И чем больше будет предложений, тем лучше».
Глава ОСК Алексей Рахманов позицию главкома ВМФ поддержал, сказав, что здоровую конкуренцию между КБ никто не отменял: «Пусть показывают, на что способны наши инженеры. Следующим этапом будет проведение сравнительных испытаний».
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.