Подводный нон-стоп

Опубликовано: 5 октября 2016 г. в 13:22, 112 просмотровКомментировать

«Главное для подводника вовремя смыться», — говорил командир подлодки Щ-721 в легендарном военном фильме «Капитан счастливой «Щуки». Со времен Великой отечественной прошел не один десяток лет. Отечественные дизель-электрические субмарины стали быстрее, прибавили в автономности, глубине погружения, вооруженности. И все же ахиллесовой пятой до сих пор остается время нахождения под водой: даже самые современные корабли вынуждены всплывать через три-четыре дня, чтобы подзарядить аккумуляторы. Такой скромный запас хода ставит решение главной для подводника задачи в разряд трудновыполнимой. Исправить ситуацию должны воздухонезависимая энергетическая установка и литий-ионные батареи.

Подводный нон-стоп

Кислород плюс водород

На первый взгляд, вполне уместным покажется вопрос: а зачем вообще развивать дизель-электрическое направление, когда есть атомные подлодки? Однако при многообразии преимуществ атом имеет и ряд недостатков, в частности большую шумность и дороговизну эксплуатации. Именно поэтому крупные морские державы (исключение США и Великобритания) содержат смешанный подводный флот. Это значит, что дизель-электрическая схема по-прежнему продолжает свое развитие, в том числе по части разработки и эксплуатации воздухонезависимых энергетических установок (ВНЭУ).

Принцип работы ВНЭУ, со ссылкой на Википедию, основан на преобразовании химической энергии в электрическую без движения и горения, что позволяет подводной лодке плавать, не поднимаясь на поверхность. Взаимодействие кислорода и водорода приводит к бесшумной выработке электроэнергии с образованием единственного побочного продукта — дистиллированной воды. КПД установки достигает 70% и, что немаловажно, шум работающего агрегата ниже, чем естественный морской.

В современном судостроении известны несколько типов ВНЭУ: двигатели с внешним подводом тепла (Стирлинга), дизели замкнутого цикла, паротурбинные установки замкнутого цикла и, наконец, энергетические установки с электрохимическими генераторами. Неудивительно, что такое разнообразие определило совершенно разные пути, по которым пошли производители. Надо признать, Запад в этом значительно преуспел.

По верфям и странам

Именно шведы нашли возможным использование на подводных лодках двигателей, получивших свое название по имени создателя — Роберта Стирлинга. Главное их отличие от двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что рабочее тело находится в закрытом контуре и его химический состав не изменяется. В конце 80-х годов прошлого столетия идея нашла свое воплощение на головной субмарине типа «Наккен». Первый опыт оказался успешным, и в следующем проекте «Готланд» новинка пошла в серию. Сегодня вместе с показателем в 20 суток без всплытия шведские судостроители прилично отточили эту технологию, а лодки с двигателями Стирлинга ходят под флагами Австралии, Сингапура и Японии.

Еще один законодатель моды — Германия. С конца 90-х годов бундесмарине получает в свое распоряжение малые ПЛ проекта 212\214 с гибридной энергетической установкой с электрохимическим генератором и интерметаллидном хранении водорода. Главный акцент немецких разработчиков направлен именно на электрическую часть силового агрегата, состоящую из протон-обменных топливных элементов и серебряно-цинковых аккумуляторов. ВНЭУ, как и лодка в целом, оказалась весьма удачной. В результате, те же, что и у шведов, 20 суток под водой плюс поставки во многие страны мира. Кстати, производителем упомянутых топливных элементов является концерн Siemens.

Лодка с двигателем Стирлинга

Французы для своих подводных охотников типа Scorpene Basic-AlP создали установку MESMA (Module d’Energie Sous-Marine Autonome), в основе которой турбина замкнутого цикла. В камере сгорания сжигается этанол, испаряющий воду. Полученный пар подается на генератор мощностью 200 кВт, а затем уходит в конденсатор, где охлаждается забортной водой. Охлажденная вода снова поступает в парогенератор и т.д. Таким образом, паротурбинная установка работает по замкнутому циклу. Кислородом для сжигания этанола приходится запасаться на берегу, его заливают в специальные емкости.

А что же Россия? Пока ВМФ страны не имеет ни одной лодки с ВНЭУ. Однако последние несколько лет ЦКБ «Рубин», ведущее отечественное конструкторское бюро подводного кораблестроения, всерьез занимается работой по ее созданию. Все, что касается новинок оборонки держится в секрете, поэтому скупость информации вполне объяснима. Известны лишь незначительные детали.

Путь, который предпочли французы и шведы, наши конструктора отвергли из-за наличия в конструкции механических частей — дополнительного источника шума, а лодка, в первую очередь, должна быть скрытной. Поэтому за основу, как и у немцев, взят электрохимический генератор. Вот только хранить водород у себя под боком нашим морякам не придется — это пожаро- и взрывоопасно, его будут получать путем переработки дизельного топлива непосредственно на борту. Собственно сам процесс выработки тока идет совершенно бесшумно, что полностью устраивает заказчика в лице Министерства обороны. К тому же, в таком варианте не требуется дополнительная береговая инфраструктура и сложные системы на самой субмарине. Проектная энергетическая мощность российской ВНЭУ составит 400 кВт, что вдвое больше, чем у зарубежных аналогов. Предполагается, что лодки, оборудованные установкой, будут способны находиться под водой не менее 25 суток.

Не ВНЭУ единой

Одновременно с созданием ВНЭУ идут работы по использованию на ПЛ литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ). Преимущество последних в сравнении с ранее применявшимися АБ уже доказано и не вызывает сомнений в их перспективности. Так в сравнительном докладе представителей французской компании SAFT, занимающейся разработкой различных систем вооружения, были сопоставлены оценки примерно одинаковых ДЭПЛ, оснащенных традиционной свинцово-кислотной и литий-ионной батареями. При одинаковых объемах отсеков, где установлены источники питания вместе с обслуживающими их системами, на скорости в 5 узлов (около 10 км/ч, экономрежим) ПЛ с литий-ионной батареей получает преимущество по дальности хода почти в 3 раза в сравнении с лодкой, оснащенной свинцово-кислотными аккумуляторами. В режиме больших скоростей (порядка 18 узлов) преимущество увеличивается до 4-х раз.

Кроме того, ЛИАБ выдерживают хранение в разряженном состоянии в течение нескольких лет, а их конструкция позволяет выдерживать большие механические (взрывные) нагрузки. Стоимость одного Вт/ч для литий-ионного аккумулятора в расчете на один цикл до 25 раз ниже, чем свинцово-кислотного. К тому же ЛИАБ практически не требует ухода, т.е. является малообслуживаемой, что в стесненных условиях и ограниченном пространстве большой плюс для экипажа. Сюда следует добавить повышение пожаро-взрывобезопасности всей лодки, снижение себестоимости расходов на содержание, а в будущем отказ от аккумуляторной ямы с обслуживающими ее системами.

Перспективность направления учли в ЦКБ «Рубин», изобрели, а затем и запатентовали электроэнергетическую систему с ЛИАБ и всережимной системой электродвижения (Схема 1), которая, вполне возможно, найдет свое применение на практике.

Электроэнергетическая система для перспективных неатомных подводных лодок

Электроэнергетическая система для перспективных неатомных подводных лодок содержит две группы АБ1, разделенные на полугруппы 2, каждая из которых подключена к силовой сети через сдвоенные автоматические выключатели 10, два распределительных щита 4 подключены к полугруппам аккумуляторной батареи 2 через диодные развязки 9, два дизель-генератора 3 и два распределительных щита 4 подключены к силовой сети через щиты управления с коммутационно-защитной аппаратурой 5, всережимная система электродвижения (СЭД) 6состоит из гребного электродвигателя 7, системы его электропитания 8 и подключена к силовой сети через щиты управления с коммутационно-защитной аппаратурой 5 с помощью обратных силовых диодов 11, установленных в системе электропитания 8 гребного электродвигателя 7.

Работа электроэнергетической системы осуществляется следующим образом (выдержки из патента, авторы Никифоров Б., Батрак Д., Чигарев А., Игнатьев К. — все ЦКБ «Рубин»):

«Каждая группа ЛИАБ 1 разбита на полугруппы 2. Защита каждой полугруппы ЛИАБ 2 оттоков короткого замыкания обеспечивается ее подключением через сдвоенные автоматические выключатели 10. Такая схема подключения и защиты ЛИАБ позволяет при необходимости наращивать количество элементов аккумуляторной батареи, тем самым повышая ее суммарную энергию. Электропитание потребителей обеспечивается от распределительных щитов 4. Для надежного электропитания важных потребителей в аварийных ситуациях предусмотрены два распределительных щита 4, подключенных непосредственно к полугруппам ЛИАБ 2 через диодные развязки 9, что обеспечивает равномерный разряд и поддержание одинакового уровня напряжений на полугруппах ЛИАБ 2.

Для обеспечения хода во всех режимах эксплуатации подводной лодки применена всережимная система электродвижения 6, состоящая из гребного электродвигателя 7 и системы его электропитания 8. В системе электропитания 8 реализовано последовательное соединение групп ЛИАБ 1 правого и левого бортов. Для сохранения безостановочной работы всережимной системы электродвижения 6, при выходе из строя одной из групп ЛИАБ 1, в системе электропитания 8 установлены силовые обратные диоды 11».

Таким образом, даже без ВНЭУ подводная автономность лодки увеличивается до 10 суток.

От «Варшавянки» до «Калины»

Основой неатомного подводного флота России являются «Варшавянки» — одни из самых малошумных и высокоманевренных ДЭПЛ в мире. Однако запас подводного хода у представителей проекта 636.6 составляет около 700 км при скорости немногим более 5 км/ч и чем она выше, тем быстрее истощается заряд батарей. Вместе с тем, глубина противолодочной обороны авианосной ударной группировки США составляет почти 600 км. Несложно догадаться, насколько необходимы нашим подводникам новые технологии.

Последние новости из ЦКБ «Рубин» обнадеживают: тесты опытного макета ВНЭУ на стенде прошли успешно. Сейчас ведутся обязательные морские испытания на Балтике. Установка представляет собой независимый модуль, поэтому может быть смонтирована и на подлодки, строящиеся в настоящее время. Речь, в первую очередь, идет о заложенных ПЛ «Кронштадт» и «Великие Луки» проекта 677 «Лада», пришедшего на замену «Варшавянке». По крайней мере, такие планы озвучивало ранее Минобороны. Однако буквально в начале 2016 года риторика главного военного ведомства страны кардинально изменилась.

Намучившись с «Санкт-Петербургом», головной лодкой «Лады», от развития проекта решили отказаться. Две вышеупомянутые субмарины достроят, а весь остальной бюджет, выделенный на серию, перенаправят на разработку перспективного проекта 5-го поколения «Калина», с закладкой головной субмарины сразу после 2020 года. Тогда начнут устанавливать ВНЭУ и ЛИАБ. Если к этому добавить годы строительства и разного рода причины, постоянно отодвигающие сроки, то на горизонте вырисовывается минимум 2030 год. Остается надеяться, что сегодняшние передовые технологии останутся таковыми спустя полтора десятилетия.

Анастасия КРАВЕЦ

Источник: Материал размещен в журнале «Электротехнический рынок», №4 (70) Июль-Август 2016

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.