анаэробный двигатель для подводной лодки что это такое
Особенности российской анаэробной установки
Согласно информации интернет-газеты «Известия», Федеральное государственное унитарное предприятие (ФГУП) «Крыловский научный центр» сообщило о том, что создание первой субмарины с анаэробной, то есть воздухонезависимой, энергетической установкой (ВНЭУ) приведет к значительному технологическому прорыву в кораблестроении.
— заявил исполнительный директор указанного предприятия Михаил Загородников.
В первую очередь, ВНЭУ избавляет корабль от необходимости всплывать на поверхность для подзарядки аккумуляторов и пополнения запаса воздуха, необходимого для работы дизель-генераторов в подводном положении.
Как указывается, в настоящее время в наибольшей мере в деле разработки ВНЭУ продвинулись немцы, создавшие подлодку проекта U-212/214. В 2014 году о своих успехах в этом направлении сообщила французская DCNS, оснастившая рассматриваемой установкой субмарину типа «Scorpene». Проектом более крупной субмарины компании, востребованным ВМС Австралии, является «SMX Ocean» (он же «Shortfin Barracuda»). В Индии ВНЭУ разрабатывается применительно к лодкам типа Kalvari (на базе Scorpene).
В отличие от указанного зарубежного опыта российская ВНЭУ подразумевает совершенно иной метод функционирования: водород не перевозится на борту, а получается непосредственно в установке с помощью реформинга дизельного топлива.
Эксперт в области военно-морских вооружений Владимир Щербаков полагает, что субмарины с ВНЭУ позволяют успешно действовать в акваториях, плотно контролируемых неприятелем.
По его мнению, лодки данного типа имеют высокий экспортный потенциал, в особенности в странах, не обладающих атомным подводным флотом. Для России, как он считает, на данном этапе достаточно ограничиться парой лодок проекта «Лада» для отработки технологий и подготовки специалистов.
На текущий момент «Адмиралтейские верфи» в Санкт-Петербурге строят две «Лады»: «Кронштадт» и «Великие Луки». Головная субмарина этого проекта — «Санкт-Петербург» — проходит опытную эксплуатацию на Северном флоте. Анаэробной энергетической установки на ней пока нет.
Россия построит анаэробную подводную лодку за счет Индии
В 2019 году в России все же начнется опытно-конструкторская работа по созданию анаэробной установки для перспективных неатомных подводных лодок. Деньги на нее должна выделить Индия.
10 апреля президент Объединенной судостроительной корпорации Алексей Рахманов заявил, что в 2019 году стартуют работы по разработке в воздухонезависимой энергетической установки для неатомных субмарин.
В начале марта издание FlotProm сообщало, что работы по созданию анаэробной установки приостановлены из-за недостатка финансирования. Теперь деньги нашлись.
Но не в российском бюджете.
В первую очередь стоит понять, почему для российского подводного флота эта тема важна, но не приоритетна.
ВНЭУ сейчас является одним из основных трендов для перспективных неатомных субмарин. И это главный момент, потому что для России атомный флот находится в абсолютном приоритете. Именно он является главным морским элементом сдерживания для США и стран НАТО. Если в свое время Соединенные Штаты сделали акцент на авианосцах, то Советский Союз, понимая, что финансово стране будет очень сложно тягаться с американцами и их союзниками, упор сделал на этом элементе ядерной триады.
Дизель-электрические лодки тоже остались в составе ВМС, однако место им было уготовано преимущественно на задворках. Их автономность была в разы ниже, чем у атомных субмарин, также они были намного более шумны. Однако появление первых лодок с анаэробными установками изменило ситуацию и отношение к неатомным лодкам.
Субмарины с ВНЭУ фактически бесшумны. Их принцип прост: лодку ведут вперед электрические моторы, питающиеся от батарей, перезарядка которых может производится от дизельных генераторов как на поверхности, так и на глубине. И если предыдущие поколение неатомных лодок было гораздо более шумным, чем атомные субмарины, то с появлением воздухонезависимых энергетических установок ситуация поменялась на диаметрально противоположную.
Вторым недостатком дизель-электрических субмарин было то, что время их нахождения под водой было значительно ниже, чем у атомных подводных лодок в среднем порядка 20 дней против 60-90. Однако новое поколение подводных кораблей с ВНЭУ способно оставаться под водой не менее 45 суток: такой срок заявляется, к примеру, для проекта «Лада».
Батарея БТЭ-50К-Э на испытательном стенде в Крыловском государственном научном центре
Топливом для двигателей станет водород высокой степени очистки, который будет получаться прямо на борту субмарины путем преобразования дизельного топлива в водородосодержащий газ, который будет подаваться в топливные элементы, вырабатывающие электричество.
Также на стадии разработки находится конвертор углеводородного топлива.
Проблема в том, что в подобных подводных кораблях Российская Федерация хоть и заинтересована, но в гораздо меньшей степени чем в атомных подлодках. Ряд российских предприятий (например, «Малахит», ведущий работы по газотурбинным двигателям, работающим по замкнутому циклу, с 2010 года) занимались ВНЭУ в инициативном порядке.
Решение пришло со стороны Индии. Нью-Дели потребовалась новая дизель-электрическая лодка, и Россия ее предложила в феврале 2019 года. ДЭПЛ «Амур-1650» является экспортной версией проекта «Лада». Проект заинтересовал индусов, которые готовы, обеспечить необходимое финансирование. Эту информацию, согласно сообщениям ресурса Mil.Press, подтвердил научный руководитель Крыловского государственного научного центра Валерий Половинкин.
20 сентября 2018 года состоялся спуск на воду субмарины Б-586 «Кронштадт», второго подводного корабля проекта 677. Именно эти лодки в перспективе планируется оснастить ВНЭУ. Предположительно, двигатель должен быть готов в 2021 году.
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.
«Рубину» брошен вызов
Однако и теперь ядерно-энергетическая установка, даже в ее модульном варианте для подводной лодки или ледокола, 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 умельцами «Малахита» 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» 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 подлодки и создающейся для нее анаэробной установки. А на Международном военно-морском салоне в Петербурге уже открыто представили макет корабля с такой инновационной ВНЭУ.
Представители минобороны не скрывают, что давно хотели бы иметь в составе нашего флота новые типы неатомных подлодок, которые бы сочетали в себе преимущества атомных субмарин с меньшими габаритами и меньшей акустической заметностью. Сообщалось, что над проектом такой субмарины с воздухонезависимой энергоустановкой не первый год работают в Центральном конструкторском бюро морской техники «Рубин».
Новым подтверждением тому стал опубликованный недавно годовой отчет Объединенной судостроительной корпорации, куда входят и «Рубин», и «Малахит». В нем, среди прочего, упоминается проект под названием «Перспектива «Н» со сроком реализации до 2025 года, в котором участвует «Рубин». Из лаконичной справки о том, что сделано в 2018 году, узнаем: «Выполнялись работы по созданию корабельного образца воздухонезависимой энергетической установки и специального плавучего стенда для проведения испытаний воздухонезависимой энергетической установки совместно с литий-ионной аккумуляторной батареей».
По сведениям из открытых источников, российский подход к созданию воздухонезависимых энергоустановок принципиально отличается от зарубежных аналогов методом получения водорода. Его выработка в требуемом количестве обеспечивается прямо на борту подлодки методом реформинга дизельного топлива. Благодаря этому запасы водорода высокой чистоты не придется возить с собой на борту.
В руководстве ВМФ России заявляли, что ожидают получить готовую анаэробную установку от «Рубина» в 2021-2022 годах. Теперь, комментируя премьеру «Малахита» на морском салоне в Петербурге, недавно назначенный главкомом 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».
Парогенераторная анаэробная энергетическая установка MESMA
Французская парогенераторная анаэробная энергетическая установка MESMA (Module D’Energie Sous Marine Autonome) позволяет увеличить дальность подводного плавания неатомной субмарины в три – три раз при скорости 4-5 узлов.
Неатомные подводные лодки по-прежнему остаются высокоэффективным средством вооруженной борьбы на море. Скрытность и малошумность являются их существенным преимуществом над атомными подлодками. Однако необходимость регулярного всплытия на поверхность для зарядки аккумуляторов существенно снижает скрытность субмарин. Создание воздухонезависимых энергетических установок (ВНЭУ) для подводных лодок, позволяющих во много раз увеличить время пребывания неатомной субмарины под водой, – важная задача современного кораблестроения. Дальше всех в разработке и внедрении ВНЭУ продвинулись Швеция, Германия и Франция.
Примечательно, что подходы к ВНЭУ у этих стран принципиально различаются. Шведские субмарины оборудуются двигателями Стирлинга. Германия пошла по пути создания электрохимического генератора с интерметаллидными накопителями водорода. Французские инженеры создали парогенераторную анаэробную установку MESMA (Module d’Energie Sous-Marine Autonome) – автономный энергетический модуль для субмарин.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ MESMA
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. Кислородные цистерны разработаны компанией «Эр Ликид» (Air Liquide) на основе аналога, используемого в ракете-носителе «Ариан». Низкая температура жидкого кислорода, в частности, используется для кондиционирования воздуха в отсеках субмарины. 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.
ОБЗОР
Производством субмарин с установками MESMA с 1998 года занимается концерн DCN. Первый контракт на ВНЭУ MESMA был заключен DCN с ВМС Пакистана. ВНЭУ установили на подводной лодке «Хамза» (тип «Агоста» 90Б).
Успешное внедрение MESMA в Пакистане инициировало заказ Индией шести субмарин типа «Скорпена» (модель Basic-AlP) с тремя ВНЭУ этого типа. Предполагается возможность лицензионного строительства данных субмарин на индийских верфях компанией «Магазон Док Лтд.»
Для установки MESMA на субмарине «Скорпена» требуется врезка новой секции длиной 8,3 м (27 футов). Модуль спроектирован таким образом, что секцию можно устанавливать не только на строящихся подводных лодках, но и при модернизации введенных в эксплуатацию.
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. В дальнейшем скорость хода с использованием MESMA можно будет поднять за счет повышения мощности турбины и электрогенератора.
Для обеспечения малошумности все вращающиеся или движущиеся механизмы MESMA установлены на двухкаскадных амортизаторах.