- Альтернатива стирлинга
- В процессе эволюции
- Водородная энергетика подводных лодок. воздухонезависимая энергетическая установка — скрытность и автономность
- На топливных элементах
- Подводные турбины
- Подлодка на аккумуляторах
- Подлодку с воздухонезависимой энергоустановкой представили в петербурге
- Проблемы и решения
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.
Шведская НАПЛ Gotland в американском сухом доке, 2005 г. Фото US Navy
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.
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.
Водородная энергетика подводных лодок. воздухонезависимая энергетическая установка — скрытность и автономность
Как обеспечить главное преимущество подводной лодки — скрытность и длительное время ее нахождения в подводном положении? Кто-то делает турбину по замкнутому циклу, кто-то предлагает двигатель Стирлинга. Naval Group разработал воздухонезависимую установку в которой водород вырабатывается непосредственно на борту подлодки и используется для производства энергии.
Благодаря инновационному решению, разработанному Naval Group теперь любая подводная лодка может производить собственный водород. Отсутствие необходимости загружать или хранить водород на борту — главное преимущество разработки, с точки зрения безопасности при погружении.
Используя уникальные свойства специальных сплавов, специальная мембрана извлекает водород из синтетического газа для питания топливных элементов сверхчистым водородом без необходимости хранения. Водород, таким образом, вырабатывается на борту подлодки и используется для производства энергии, при этом система работает бесшумно.
Для повышения долговечности топливные элементы снабжаются водородом, полученным на борту, и воздухом, что позволяет использовать стандартные технологии мембранных топливных элементов с воздушным протонным обменом
Процесс производства водорода основывается на трех основных этапах: подача дизельного масла из топливных баков, кислорода (из модуля хранения кислорода FC2G) и пара, последний рециркулируется в процессе, риформер превращает эту смесь в богатый водородом синтетический газ, содержащий водород, двуокись углерода и окись углерода плюс вода в паровой фазе.
Остаточный газ выбрасывается в море, где он мгновенно растворяется. Синтетический газ затем проходит в реактор сдвига, где пар приводит в действие реакцию «сдвиг вода-газ», которая выполняет конверсию оксида углерода, генерируя водород, диоксид углерода и воду. Он увеличивает содержание водорода в синтетическом газе до максимально возможного, наряду с почти полным удалением окиси углерода. Реактор сдвига характеризуется высокой компактностью и термическим КПД.
FC2G AIP поставляется в виде модуля, разделенного на две секции: кислородный и энергетический. Первый предназначен для хранения жидкого кислорода, который питает как систему AIP, так и обеспечивает регенерацию подводной атмосферы, а второй содержит четыре основных элемента модуля FC2G AIP: риформер, сменный реактор, очищающую мембрану и PEM (Proton). Все компоненты встроены в специальную секцию с эластичным креплением и подвесными люльками, чтобы избежать какого-либо воздействия на акустические характеристики субмарины. Модуль FC2G AIP также включает в себя проход для персонала, обеспечивающий доступ к другим отсекам подводных лодок, а также к самому модулю для проведения работ по техническому обслуживанию.
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl Enter.
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.
Немецкая подлодка U-32, второй корабль «Тип 212». Фото Минобороны Германии
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 2006-2022 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.
Подводные турбины
В ходе развития проекта Scorpène французские кораблестроители предложили свой вариант ВНЭУ на основе альтернативного двигателя. Такая установка под названием Module dEnergie 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.
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.
Головная подлодка типа «Тайгэй» перед спуском на воду. Фото МСС Японии
Любопытные процессы наблюдаются в японском кораблестроении. Япония была одной из первых стран, освоивших ВНЭУ с двигателем Стирлинга, однако в 2022 и 2022 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 2022 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.
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.
Предлагаемая архитектура подлодки SMX31E. Графика Naval Group
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 2022 год. На форуме «Армия-2022″ 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-2022, 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».
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.
Очевидной альтернативой дизелю является ядерная энергоустановка, однако ее применение не всегда возможно и оправдано из-за сложности и дороговизны. В связи с этим на протяжении нескольких десятилетий прорабатывается вопрос создания воздухонезависимых энергоустановок (ВНЭУ) с желаемыми характеристиками и без недостатков дизель-электрических систем. Ряд новых технологий такого рода успешно доведен до эксплуатации, а ввод в строй других ожидается в ближайшем будущем.
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.
