Подводные лодки с топливным элементом
ВИНИТИ 07-2004г стр.30-33.
Подводные лодки с топливным элементом
М. А. Куршев
Во французском журнале Science et Vie опубликована статья, описывающая возможности применения в подводных лодках нового, не зависимого от воздуха привода AIP (Air Independent Propulsion), который позволяет увеличить их автономность в подводном положении в четыре раза.
Как отмечается в статье, мечтой подводников является подводная лодка Virginia, имеющая автономность в погруженном состоянии три месяца и максимальную скорость 55 км/ч в любом положении. Данная лодка, построенная в Ньюпорте (Великобритания), оснащена ядерной силовой установкой. Привилегию на обладание подобными лодками сохраняют пять государств - США, Россия, Великобритания, Франция и Китай. Для 39 стран, владеющих подводными флотами, остается следовать столетнему принципу: движение с помощью дизеля на поверхности и с помощью электричества - в подводном положении. Однако аккумуляторы дают ничтожную автономность: четыре дня при скорости 9 км/ч или 1 ч в максимальном режиме со скоростью 45 км/ч. Подводные лодки данного типа проводят до 20% своего времени на поверхности, заряжая аккумуляторы, подвергаясь при этом опасности быть обнаруженными радарами. Но ситуация в мире подводников изменилась в 1996 г., когда ВМС Швеции ввели в эксплуатацию первую подводную лодку из серии "революционных" дизельных лодок с силовой установкой AIP. Речь шла о том, чтобы придать дизель-электрическим подводным лодкам новое средство подзарядки аккумуляторов без обращения к двигателю, потребляющему воздух. Предложены были два решения: первое включало тепловой беззвучный двигатель (Stirling, турбина, дизель), запитываемый топливом (этанол, дизтопливо) и окислителем (чистый и растворенный кислород). Второе решение, находившееся в стадии испытаний, было более перспективным, а также обеспечивающим бесшумность: применение топливных элементов, запитываемых кислородом и водородом.
"Эти системы дают возможность в три-четыре раза увеличить автономность в подводном положении при скорости 9-12 км/ч, - резюмировал /. Lebreton, технический директор ведомства морского строительства Франции (DCN), сторонник системы AIP Mesma (module d'energie sous-mrrin autonome - автономный модуль энергии подводных лодок). - Если подлодке необходимо двигаться с максимальной скоростью, она может это делать с заряженными аккумуляторами, используя на 100% свой потенциал".
"Вполне очевидны тактические преимущества, - пояснил также N. Friedman, эксперт по подводному оружию и сотрудник морского института США. - Благодаря выигрышу в автономности, достигаемому с помощью AIP, подводная лодка может постоянно выполнять патрулирование в погруженном положении, невидимая и бесшумная. Перед лицом мощной противолодочной обороны это потенциально дает решающий козырь".
Здесь следует упомянуть, считает автор статьи, переоборудование двух старых подводных лодок Швеции. Выгоду извлекли верфи Howaldtswerke Deutsche Werft (HDW), г. Киль (ФРГ), первый производитель дизель-электрических лодок в мире. Эти немецкие верфи, выкупленные в 2002 г. американским инвестиционным фондом, получили 19 из 22 заказов, не считая шведского контракта в 2001 г. HDW выкупили предприятия Kockums. Однако не все было достигнуто с появлением этого типа субмарины: несмотря на значительно большую автономность, чем у классических моделей, их скорость в погруженном положении оставалась ограниченной. Но, как утверждает пресс-атташе судоверфи Thyssen Nordseewerke-TNSW (ФРГ) S. Deucker: "Подводная лодка, идущая с максимальной скоростью, становится глухой и слепой из-за производимых ею гидродинамических шумов. Сущность подводного патрулирования, включая патрулирование атомных субмарин, состоит в медленном движении при прослушивании во всех направлениях" .
На вопрос, являются ли подавляющим преимущества атомных подводных лодок над классическими, N. Friedman ответил следующее: "Подводная лодка с AIP может атаковать ракетами дальнего радиуса действия, например, Exocet, из-под воды, не раскрывая своего местонахождения. Эту особенность надо учитывать. Но субмарины AIP не могут длительное время уходить от преследования, если они будут обнаружены при атаке с небольшой дальности. Атомная установка обеспечивает решающее преимущество по мобильности. Если атомная подлодка может совершать плавание вокруг земного шара, то лодка AIP остается прибрежным охотником."
Но лодки типа AIP могут частично компенсировать этот недостаток своей пониженной стоимостью: немецкая лодка типа 212 с топливным элементом может стоит 350 млн. евро, что наполовину дешевле атомной французской лодки Rubis и почти в 2 раза меньше стоимости американской лодки Virginia. Кроме того, не обязательно покупать новую подводную лодку, так как модули AIP могут быть установлены на любой дизель-электрической лодке.
Остается последний вопрос относительно риска, который может создать новый силовой привод AIP. По мнению директора королевского музея подводных лодок в Портсмуте (Великобритания) J. Tall, немцы ощутили его во время последней войны, английские и советские специалисты унаследовали его из прежних разработок. Все упирается во взрывоопасность жидкого кислорода. Но это препятствие в наши дни, кажется, благополучно преодолено. Качество трубопроводов и прогресс в освоении смесей сделали проблему неактуальной. Ни одного инцидента не было зафиксировано в течение тысяч часов плавания экспериментальных немецких лодок U-I (1987 г.), шведской Nacken (1988 г.) и трех также шведских лодок типа Gotland, находящихся в эксплуатации с 1996 г. Силовая установка AIP завоевала свое место под солнцем, считает автор.
Более того, конструкторы начали соперничать с тем, чтобы сделать этот класс подводных кораблей более конкурентоспособным, а именно, в области привода. В настоящее время топливные элементы устанавливаются на 19 из 22 у.ке заказанных лодок. Французское ведомство DCN кредитовало применение системы AIP Mesma на одной из трех заказанных Пакистаном лодок. В то же время простой дизель AIP судоверфей THSW (ФРГ) и RDM (Нидерланды) никакого успеха не имеет.
В статье приводится описание принципов действия, преимуществ и недостатков четырех конкурирующих типов силовых установок для подводных лодок.
1. Дизельный двигатель AIP. Это электрогенератор с дизелем, запитываемым смесью кислорода и аргона. Последний может быть рекуперирован.
Преимущества. Обеспечивает в подводном положении несколько большую скорость, чем конкурирующие приводы. Выдержал 260 ч испытаний и 20 погружений в Балтийском море без выявленных проблем по надежности.
Недостатки. Жидкий кислород создает опасность при утечке. Производимый шум трудно устранить. Несмотря на положительные выводы из проведенных испытаний, ВМС ФРГ выбрали топливный элемент.
2. Турбина Mesma. Это паровая турбина, которая запитывается этанолом и жидким кислородом. Пар вращает альтернатор.
Преимущества. Работает при высоком давлении, не возникают проблемы эжекции отработавших газов на глубине в 400 м. Обладает бесшумностью, турбина показала эффективность на стендовых испытаниях.
Недостатки. Этанол является нестандартным топливом, поэтому возможны трудности в снабжении. Жидкий кислород представляет опасность в результате утечки. Технология уже устарела.
3. Двигатель Stirling. Электрогенератор с двигателем, в котором используется взрыв гелия, нагретого во внешней камере, где сгорают дизельное топливо и кислород.
Преимущества. Система компактна и бесшумна в том случае, если она легко монтируется. Имеется опыт эксплуатации в течение более десяти .чет на пяти подводных лодках ВМС Дании и Швеции.
Недостатки. Наличие жидкого кислорода на борту. Повышенное рабочее давление, сохраняется также проблема удаления газов. Низкая энергетическая производительность.
4. Топливный элемент. Прямая конверсия химической энергии в электрическую при помощи реакции водорода с кислородом, приводящей к образованию воды.
Преимущества. Экологически чистая система, выделяющая только воду. Кроме того, она обеспечивает высокую энергетическую эффективность, гарантирующую повышенную автономность. Возможно дальнейшее совершенствование топливных элементов.
Недостатки. Циркуляция на борту двух газов (кислорода и водорода), обладающих высокой воспламеняемостью. Технология появилась недавно, недостаточно освоена, отличается довольно высокой стоимостью.
В статье также приводятся некоторые сведения о немецкой подводной лодке типа 212А с топливными элементами. Данная лодка в 12 экземплярах заказана для ВМС ФРГ, Италии и Греции, стоимость каждой лодки, как уже ранее сообщалось, 350 млн. евро. Лодка 212А отличается от дизель-электрических лодок компоновкой силовой установки AIP: резервуары с кислородом размещены под палубой, водород хранится под килем в специальных резервуарах в виде гидрида в соединении с атомами металла и, наконец, серия из девяти топливных элементов с единичной мощностью в среднем 40 кВт. Данные элементы в подводном положении заряжают аккумуляторы, размещенные в носовой части судна. Топливные элементы имеют невысокую рабочую температуру (80°С) и значительную производительность: 65% скрытой энергии водорода превращаются в электрическую энергию для привода лодки и систем оружия.
На лодке 212А установлены дизельный двигатель мощностью 4243 л. с. и электрический двигатель мощностью 3875 л. с. для движения под водой.
Science & Vie.- 2003.- Novembre.- P. 82-85.
