Неатомные подводные лодки с анаэробными энергетическими установками

ДЭПЛ типа «Сорю»

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 находится 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.

Недостатки.

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.

Достоинства.

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.

 

ДЭПЛ типа «Готланд»

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.

ДЭПЛ тип 212

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

ДЭПЛ типа «Скорпена»

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

Макет субмарины проекта 750Б

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.