Подводные лодки с новыми анаэробными энергетическими установками. Двигатель Стирлинга – принцип работы

Двигатель Стирлинга, принцип работы которого качественно отличается от привычного для всех ДВС, когда-то составлял последнему достойную конкуренцию. Однако на какое-то время о нем забыли. Как этот мотор используется сегодня, в чем заключается принцип его действия (в статье можно найти также чертежи двигателя Стирлинга, наглядно демонстрирующие его работу), и каковы перспективы применения в будущем, читайте ниже.

История

В 1816 году в Шотландии Робертом Стирлингом была запатентована названная сегодня в честь своего изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство очиститель, который в технической литературе называется регенератором, или теплообменником. Благодаря ему производительность мотора возрастала при удерживании агрегата в тепле.

Двигатель признали наиболее прочной паровой машиной из имеющихся на тот момент, так как он никогда не взрывался. До него на других моторах такая проблема возникала часто. Несмотря на быстрый успех, в начале двадцатого столетия от его развития отказались, так как он стал менее экономичным, по сравнению с появившимися тогда другими двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Однако Стирлинг еще продолжал применяться в некоторых производствах.

Двигатель внешнего сгорания

Принцип работы всех тепловых моторов заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии необходимы большие механические усилия, чем при сжатии холодного. Для наглядной демонстрации этого можно провести опыт с двумя кастрюлями, наполненными холодной и горячей водой, а также бутылкой. Последнюю опускают в холодную воду, затыкают пробкой, затем переносят в горячую. При этом газ в бутылке начнет выполнять механическую работу и вытолкнет пробку. Первый двигатель внешнего сгорания основывался на этом процессе полностью. Правда, позже изобретатель понял, что часть тепла можно применять для подогрева. Таким образом, производительность значительно возросла. Но даже это не помогло двигателю стать распространенным.

Позже Эриксон, инженер из Швеции, усовершенствовал конструкцию, предложив охлаждать и нагревать газ при постоянном давлении вместо объема. В результате немало экземпляров стало использоваться для работы в шахтах, на судах и в типографиях. Но для экипажей они оказались слишком тяжелыми.

Двигатели внешнего сгорания от Philips

Подобные моторы бывают следующих типов:

• паровой;
• паротурбинный;
• Стирлинга.

Последний вид не стали развивать из-за небольшой надежности и остальных не самых высоких показателей по сравнению с появившимися другими типами агрегатов. Однако в 1938 году компания Philips возобновила работу. Двигатели стали служить для приводов генераторов в неэлектрофицированных районах. В 1945 году инженеры компании нашли им обратное применение: если вал раскручивать электромотором, то охлаждение головки цилиндров доходит до минус ста девяносто градусов по Цельсию. Тогда решено было применять в холодильных установках усовершенствованный двигатель Стирлинга.

Принцип работы

Действие мотора заключается в работе по термодинамическим циклам, в которых при разной температуре происходит сжатие и расширение. При этом регулирование потоком рабочего тела реализуется за счет изменяющегося объема (или давления - в зависимости от модели). Таков принцип работы большинства подобных машин, которые могут иметь разные функции и конструктивные схемы. Двигатели могут быть поршневыми или роторными. Машины с их установками работают в качестве тепловых насосов, холодильников, генераторов давления и так далее.

Помимо этого, есть моторы с открытым циклом, где регулирование потоком реализуется посредством клапанов. Именно их называют двигателями Эриксона, кроме общего названия имени Стирлинга. В ДВС полезная работа осуществляется после предварительного сжатия воздуха, впрыска топлива, нагрева полученной смеси вперемешку со сгоранием и расширения.

Двигатель Стирлинга принцип работы имеет такой же: при низкой температуре происходит сжатие, а при высокой - расширение. Но по-разному осуществляется нагрев: тепло подводится через стенку цилиндра извне. Поэтому он и получил название двигателя внешнего сгорания. Стирлинг применял периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Последний перемещает газ с одной полости цилиндра в другую. С одной стороны, температура постоянно низкая, а с другой - высокая. При передвижении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость, а вниз - возвращается в горячую. Сначала газ отдает много тепла холодильнику, а затем от нагревателя получает столько же, сколько отдал. Между нагревателем и холодильником размещается регенератор - полость, наполненная материалом, которому газ отдает тепло. При обратном течении регенератор возвращает его.

Система вытеснителя соединена с рабочим поршнем, сжимающим газ в холоде и позволяющим расширяться в тепле. За счет сжатия в более низкой температуре происходит полезная работа. Вся система проходит четыре цикла при прерывистых движениях. Кривошипно-шатунный механизм при этом обеспечивает непрерывность. Поэтому резких границ между стадиями цикла не наблюдается, а Стирлинга не уменьшается.

Учитывая все вышесказанное, напрашивается вывод, что этот двигатель является поршневой машиной с внешним подводом тепла, где рабочее тело не покидает замкнутое пространство и не заменяется. Чертежи двигателя Стирлинга хорошо иллюстрируют устройство и принцип его действия.

Детали работы

Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов. Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД. Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Сравнительная характеристика

В большинстве работающих сегодня двигателей подобного рода используется жидкое топливо. При этом непрерывное давление легко контролировать, что способствует снижению уровня выбросов. Отсутствие клапанов обеспечивает бесшумную работу. Мощность с массой сопоставимы моторам с турбонаддувом, а удельная мощность, получаемая на выходе, равна показателю дизельного агрегата. Скорость и крутящий момент не зависят друг от друга.

Затраты на производство двигателя гораздо выше, чем на ДВС. Но при эксплуатации получается обратный показатель.

Преимущества

Любая модель двигателя Стирлинга имеет много плюсов:

• КПД при современном проектировании может доходить до семидесяти процентов.
• В двигателе нет системы высоковольтного зажигания, распределительного вала и клапанов. Его не нужно будет регулировать в течение всего срока эксплуатации.
• В Стирлингах нет того взрыва, как в ДВС, который сильно нагружает коленвал, подшипники и шатуны.
• В них не бывает того эффекта, когда говорят, что «двигатель заглох».
• Благодаря простоте прибора его можно эксплуатировать в течение длительного времени.
• Он может работать как на дровах, так и с ядерным и любым другим видом топлива.
• Сгорание происходит вне мотора.

Недостатки

Применение

В настоящее время двигатель Стирлинга с генератором используют во многих областях. Это универсальный источник электрической энергии в холодильниках, насосах, на подводных лодках и солнечных электрических станциях. Именно благодаря применению различного вида топлива имеется возможность его широкого использования.

Возрождение

Эти двигатели снова стали развиваться благодаря компании Philips. В середине двадцатого века с ней заключила договор General Motors. Она вела разработки для применения Стирлингов в космических и подводных устройствах, на судах и автомобилях. Вслед за ними другая компания из Швеции, United Stirling, стала заниматься их развитием, включая и возможное использование на

Сегодня линейный двигатель Стирлинга применяется на установках подводных, космических и солнечных аппаратов. Большой интерес к нему вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также Японии идут активные поиски по развитию и совершенствованию его использования.

Будущее

Явные преимущества, которые имеет поршневой и Стирлинга, заключающиеся в большом ресурсе работы, применении разного топлива, бесшумности и малой токсичности, делают его очень перспективным на фоне мотора внутреннего сгорания. Однако с учетом того, что ДВС на протяжении всего времени совершенствовали, он не может быть легко смещен. Так или иначе, именно такой двигатель сегодня занимает лидирующие позиции, и сдавать их в ближайшее время не намерен.

Рендер подводной лодки проекта «Амур-950» с анаэробной энергетической установкой

ЦКБ МТ «Рубин»

Перспективная российская анаэробная энергетическая установка, которую планируется установить на опытовую подводную лодку проекта 677 «Лада» и новую неатомную субмарину проекта «Калина», получит батарею удвоенной мощности. Как пишет Mil.Press FlotProm, электрическая мощность усовершенствованной батареи составит сто киловатт вместо 50 у существующего сегодня образца. Разработку и испытания новой батареи для анаэробных энергетических установок подводных лодок планируется завершить к 2020 году.

Современные дизель-электрические подводные лодки имеют несколько преимуществ перед более крупными атомными подводными кораблями. Одним из главных таких преимуществ является практически полная бесшумность хода в подводном положении, поскольку в этом случае за движение корабля отвечают лишь тихие электромоторы, питающиеся от аккумуляторных батарей. Перезарядка этих батарей производится от дизельных генераторов в надводном положении или на глубине, с которой возможно выставить шноркель, специальную трубу, по которой воздух может подаваться к генераторам.

К недостаткам обычных дизель-электрических подводных лодок относится относительно небольшое время, которое корабль может провести под водой. В лучшем случае оно может достигать трех недель (для сравнения, у атомных подлодок этот показатель составляет 60-90 дней), после чего подлодке придется всплыть и запустить дизельные генераторы. Анаэробная энергетическая установка, для работы которой не нужен забортный воздух, позволит неатомной подводной лодке находиться в подводном положении существенно дольше. Например, подлодка проекта «Лада» с такой установкой может находиться под водой 45 суток.

Перспективная российская анаэробная энергетическая установка будет использовать для работы водород высокой степени очистки. Этот газ будут получать на борту корабля из дизельного топлива методом риформинга, то есть преобразования топлива в водородсодержащий газ и ароматические углеводороды, которые затем будут проходить через установку выделения водорода. Затем водород будет подаваться в водородно-кислородные топливные элементы, где и будет вырабатываться электричество для двигателей и бортовых систем.

Батарея БТЭ-50К-Э на испытательном стенде

Крыловский государственный научный центр

Батарея, иначе называемая электрохимическим генератором, разрабатывается Центральным научно-исследовательским институтом судовой электротехники и технологии. Эта батарея, вырабатывающая электричество за счет реакции водорода и кислорода, получила название БТЭ-50К-Э. Ее мощность составляет 50 киловатт. Мощность усовершенствованной батареи составит сто киловатт. Новая батарея будет входить в состав энергетических модулей перспективных неатомных подлодок мощностью 250-450 киловатт.

Помимо самих электрохимических элементов, иначе называемых водородными топливными ячейками, в состав таких модулей будут входить конверторы углеводородного топлива. Именно в них и будет проходить процесс риформинга дизельного топлива. Как рассказал изданию Mil.Press FlotProm один из разработчиков новой батареи, конвертор углеводородного топлива в настоящее время находится на стадии разработки. Ранее сообщалось, что разработку анаэробной энергетической установки для подводных лодок планируется завершить до конца 2018 года.

В феврале прошлого года исследователи из Технологического института Джорджии о разработке компактной четырехтактовой поршневой установки для каталитического риформинга метана и получения водорода. Новые установки могут быть объединены в цепь, тем самым повышая выход водорода. Установка достаточно компактна и не требует сильного нагрева. Реактор работает по четырехтактному циклу. На первом такте метан, смешанный с паром, через клапаны подается в цилиндр. При этом поршень в цилиндре плавно опускается. После того, как поршень достигает нижней точки, подача смеси перекрывается.

На втором такте поршень поднимается, сжимая смесь. Одновременно цилиндр подогревается до 400 градусов Цельсия. В условиях высокого давления и нагрева происходит процесс риформинга. По мере выделения водорода, он проходит через мембрану, которая останавливает углекислый газ, также образующийся во время риформинга. Углекислый газ при этом поглощается адсорбирующим материалом, смешанным с катализатором.

На третьем такте поршень опускается в самое нижнее положение, резко снижая давление в цилиндре. При этом углекислый газ высвобождается из адсорбирующего материала. Затем начинается четвертый такт, на котором в цилиндре открывается клапан, а поршень вновь начинает подниматься. Во время четвертого такта углекислый газ из цилиндра выдавливается в атмосферу. После четвертого такта цикл начинается снова.

Василий Сычёв

В ближайшее время в России будет создан морской прототип воздухонезависимой (анаэробной) энергетической установки (ВНЭУ) для неатомных субмарин. Об этом сообщил президент «Объединённой судостроительной корпорации» (ОСК) Алексей Рахманов. Такой двигатель позволяет подводным лодкам не всплывать на поверхность для подзарядки аккумуляторных батарей. Субмарины с ВНЭУ отличаются высокой скрытностью и малошумностью, что уменьшает вероятность их обнаружения противником. Анаэробными установками будут оснащаться подлодки «Лада» и «Калина».

Президент «Объединённой судостроительной корпорации» (ОСК) Алексей Рахманов заявил, что в ближайшее время российские специалисты создадут морской прототип воздухонезависимой (анаэробной) энергетической установки (ВНЭУ) для . Также этим силовым агрегатом будет оснащена часть субмарин четвёртого поколения проекта 667 «Лада».

Научно-исследовательские работы по ВНЭУ были завершены в 2014 году. В 2016 году конструкторы провели цикл её наземных испытаний, а в начале этого года протестировали макет установки с газотурбинным двигателем. Разработкой силового агрегата занимаются три санкт-петербургских предприятия: ЦКБ «Рубин», МКБ «Малахит» и Крыловский государственный научный центр (КГНЦ).

ВНЭУ позволяет устранить существенный недостаток современных . Он заключается в том, что дизель-электрическим субмаринам приходится достаточно часто всплывать для восполнения заряда батарей. Таким образом, лодку может легко обнаружить авиация противника. Анаэробная же установка позволяет лодке находиться под водой от 20 до 45 дней.

«В неатомных подлодках дизель выступает в роли генератора энергии для электромоторов. Однако дизельный двигатель не может работать без забортового воздуха, а точнее — кислорода. Поэтому дизель-электрические субмарины вынуждены всплывать ежесуточно или через несколько дней», — пояснил в беседе с RT основатель портала Military Russia Дмитрий Корнев.

По словам эксперта, классическая дизель-электрическая подлодка неспособна продолжительное время двигаться на высоких скоростях и скрыться от современных средств наблюдения. Поднимаясь на поверхность, субмарина практически всегда даёт противнику возможность обнаружить её.

Водород из дизеля

Разработка ВНЭУ стартовала в 1950-х годах в странах Запада и несколько позже — в СССР. Научно-технические изыскания сосредоточились вокруг изучения возможностей воздухонезависимых «двигателей Стирлинга» (разновидность двигателя внешнего сгорания. — RT ).

Однако в течение нескольких десятилетий учёные не могли достичь практического результата из-за сложности и дороговизны эксплуатации подобных агрегатов. В конце 1980-х годов успеха добились шведские специалисты, создавшие первую субмарину с эффективно работающей ВНЭУ.

В 1990-х годах концерн Kockums Submarine System построил три малых подлодки типа Gotland, оснащённых анаэробными установками. Однако их серийное производство не получило развития. В 2000 годы воздухонезависимым двигателем обзавелись ВМС Германии и Силы самообороны Японии.

• Всплытие российской подлодки
• function.mil.ru

Корнев предполагает, что российская ВНЭУ может превзойти зарубежные аналоги. В частности, для генерации электричества отечественная анаэробная установка использует водород высокой степени очистки, который вырабатывается из дизельного топлива. При этом за рубежом запасы водорода загружают на борт субмарин перед выходом в море.

На форуме «Армия-2017» Центральный НИИ судовой электротехники и технологии (входит в КГНЦ) представил образец батареи на основе твердотопливных элементов БТЭ-50К-Э. Этот аккумулятор является одним из важнейших элементов ВНЭУ. Батарея входит в состав энергетических модулей мощностью 250—450 кВт.

«В последние годы активно совершенствуются аккумуляторы, они становятся более ёмкими и компактными. Например, в первой половине октября в Японии была спущена на воду лодка с литиево-ионными батареями. Японцы рассчитывают, что продолжительность пребывания под водой будет сопоставима с тем, на что способна ВНЭУ», — сообщил Корнев.

В то же время, как отметил собеседник RT, сейчас сложно давать прогнозы, насколько успешным будет эксперимент японских ВМС. По мнению Корнева, с большой вероятностью новейшие образцы аккумуляторов ещё долго будут использоваться для увеличения возможностей ВНЭУ.

«Стратегическая и многоцелевая»

Российская анаэробная установка разрабатывается в рамках реализации проекта неатомной подлодки «Калина». 16 октября Алексей Рахманов заявил, что ОСК готова заложить субмарину пятого поколения, как только получит соответствующий заказ от Минобороны.

Ранее топ-менеджер подчёркивал, что «Калина» «будет совершенно другой лодкой с точки зрения физических полей». По его словам, она будет «стратегической и многоцелевой по ряду своих ключевых элементов». Предполагается, что основу ударного вооружения подлодки пятого поколения составит гиперзвуковой ракетный комплекс «Циркон».

В настоящее время самой современной неатомной подлодкой ВМФ является разработки ЦКБ «Рубин». На сегодняшний день в опытной эксплуатации находится субмарина «Санкт-Петербург», в то время как «Кронштадт» и «Великие Луки» планируется передать флоту в 2019 и в 2021 годах соответственно. Строительство ещё двух подлодок заложено в госпрограмме вооружения (ГПВ) до 2027 года. Шестая по счёту «Лада» должна получить ВНЭУ.

В беседе с RT доктор военных наук капитан запаса 1-го ранга Константин Сивков предположил, что «Калина» разрабатывается на базе «Лады», которая относится к четвёртому поколению неатомных подлодок. По его словам, на сегодняшний день ВНЭУ «фактически создана» и потому промышленность готова к производству новейших субмарин.

«Информация об этом проекте засекречена. Но наверняка наши конструкторы возьмут лучшее из подлодок предыдущих поколений, прежде всего от «Лады». Это будет малошумная и почти незаметная для противника лодка. Появление в составе ВМФ «Калины» позволит полноценно реализовать боевой потенциал неатомного компонента подводного флота»,— уверен Сивков.

• Подлодка проекта 677
• function.mil.ru

Дмитрий Корнев заявил, что, скорее всего, «Калина» будет достаточно сильно отличаться от предшественниц. Помимо анаэробного агрегата, на субмарине будут установлены более совершенные батареи и электронное оборудование. По габаритам и ряду других характеристик субмарина заметно превзойдёт «Ладу».

«В нашей стране традиционно строились двухкорпусные подлодки: помимо прочного внутреннего корпуса, у них есть лёгкий водопроницаемый. Подобная конструкция повышает живучесть в случае повреждения, но уменьшает плавучесть и малошумность. С большой вероятностью «Лада» будет однокорпусной, и это несомненный шаг вперёд», — сказал Корнев.

Эксперт считает, что анаэробная установка позволит новейшим российским подлодкам более эффективно выполнять задачи как на малых глубинах (в Чёрном, Балтийском, Средиземном морях), так и в Мировом океане. По мнению Корнева, по своим боевым возможностям приблизятся к более дорогим и мощным атомным образцам.

«Конечно, вряд ли «Калина» будет патрулировать побережье США. Но лодки с ВНЭУ вполне могут отслеживать передвижение атомного подводного флота противника, обеспечивать выход в океан наших крейсеров стратегического назначения и выполнять широкий спектр других боевых задач, включая поражение крупных надводных сил и наземных целей», — подытожил Корнев.

Неразличимые в морской глубине, практически бесшумные и, что самое главное - полностью автономные. Именно таковой будет неатомная субмарина «Лада». Эту возможность лодке обеспечит новейшая анаэробная - воздухонезависимая энергетическая установка (ВНЭУ). Она избавит корабль от необходимости постоянно всплывать на поверхность для подзарядки аккумуляторов и пополнения запаса воздуха, необходимого для работы дизель-генераторов в подводном положении. Благодаря новым агрегатам, «Лада» сможет находиться в подводном положении до нескольких недель, не выдавая своего присутствия.
Неатомные подводные лодки приводятся в движение моторами с помощью накопленной аккумуляторами электроэнергии. Однако, заряда батарей хватает ненадолго. Передвижение в зоне боевого патрулирования со скоростью 2-4 узла в подводном положении может длиться максимум четверо суток; при этом батареи разряжаются на 80%. И для их подзарядки требуется двое суток. При движении с максимальной скоростью, аккумуляторы вообще разряжаются за считанные часы. После этого их приходится подзаряжать с помощью дизеля, которому для работы нужен воздух. То есть, лодка должна обязательно всплыть на поверхность на подзарядку аккумуляторов, тем самым полностью себя демаскировав.
Именно по этой причине во Время второй мировой войны погибло больше экипажей лодок, чем их было уничтожено глубинными бомбами или минами в подводном положении. Всплывавшие на поверхность лодки становились легкой мишенью для барражирующей над морем авиации противника. И зачастую, спасаясь от авиаудара, экипаж совершал экстренное погружение, даже не успев закрыть люк рубочной шахты.
Анаэробный, или воздухонезависимый двигатель - это двигатель, которому для работы не нужен атмосферный воздух. Корабль может не всплывать постоянно на поверхность для подзарядки, а значит, будет оставаться незамеченным для противника.
Пионерами в мировой разработке ВНЭУ считаются немцы с субмариной проекта U-212/214. В 2014 году об успехах в создании аналогичных систем сообщила французская оборонная компания DCNS. Созданная ей установка предназначена для подлодок типа «Scorpene». Другой проект DCNS - более крупная субмарина, известная под именами «SMX Ocean» и «Shortfin Barracuda», был выбран ВМС Австралии для своей программы. Однако самой успешной и опасной считается шведская лодка HSwMS Gotland. Этот корабль стал настоящей легендой. Причем не шведского, а американского флота.
Корабль построен из маломагнитной стали. На его борту стоят 27 компенсирующих электромагнитов, которые полностью исключают обнаружение корабля детекторами магнитных аномалий. Благодаря всережимному электродвигателю и виброзащите механизмов, Gotland практически не различается локаторами даже в непосредственной близости от американских кораблей. Лодка сливается с естественным тепловым и шумовым фоном океана. Но самое главное, что она, вооруженная 18 торпедами, может не всплывать на поверхность до 20 суток.
Самые совершенные российские неатомные подводные лодки проекта 636.3 «Варшавянка» за малошумность и скрытность получили название «черная дыра». Сегодня они вооружены самыми совершенными торпедами и крылатыми ракетами «Калибр». Первые способны потопить любой корабль или даже авианосец. Вторые - уничтожить береговую цель на дальности до 2,5 тысяч километров. Но, как и корабли второй мировой войны, «Варшавянка» вынуждена часто всплывать для подзарядки аккумуляторов, а значит, в длительном противостоянии экипаж такого корабля всегда будет уязвим.

Новейшие подлодки «Лада» идут на смену «Варшавянкам». Сегодня в составе Военно-морского флота уже несет боевую вахту первая субмарина этого проекта «Санкт-Петербург». Вторую - «Кронштадт» сдадут флоту в 2018 году. Третья - «Великие Луки» еще на стапелях судостроительного завода. Предполагается, что следующая за ней лодка будет спущена на воду уже с отечественной анаэробной энергетической установкой. По своим характеристикам она будет существенно отличатся от тех, что стоят на западных кораблях. Над этим сегодня работают два конструкторских бюро традиционно занимающиеся проектированием подводных кораблей: Санкт-петербургское морское бюро машиностроения «Малахит» и Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин».
Детали проекта пока находятся в тайне. Известно, что в основу российской разработки заложен паровой реформинг с электрохимическим генератором на твердотельных элементах. Уже создан его промышленный образец. Из принципиальных технологий в нем реализовано получение из дизельного топлива водорода, создание электрохимического генератора, извлекающего из водорода электрический ток и удаление отходов жизнедеятельности первого цикла. То есть, того, который получается в ходе реакции СО2. Это принципиально отличает российскую систему от зарубежных аналогов, поскольку не нужно возить запас водорода на борту. Его получают непосредственно в установке с помощью реформинга дизельного топлива.Профессор академии военных наук Вадим Козюлин говорит, что появление воздухонезависимых кораблей серьезно повысит боевой потенциал дизель-электрических подводных лодок. Основное место их применения - внутренние моря с малыми глубинами. Это Балтийское, Черное, Каспийское или Южно-Китайское.

МОСКВА, 23 авг — РИА Новости, Андрей Коц. Дизель-электрические подводные лодки (ДЭПЛ) незаменимы в прибрежных и мелководных районах, куда далеко не всегда могут пройти их более тяжелые атомные собратья. Современные российские ДЭПЛ — грозное и универсальное оружие, но по сравнению с атомными подводными лодками у них есть один серьезный недостаток. Если атомоход способен находиться под водой сколь угодно долго, пока не закончится продовольствие, то дизельные субмарины вынуждены периодически всплывать для зарядки аккумуляторных батарей генераторами. Впрочем, благодаря воздухонезависимым энергетическим установкам (ВНЭУ) некоторые современные "дизелюхи" обходятся и без этого.

Без всплытия

Любая субмарина, вне зависимости от конструкции, водоизмещения, вооружения и выучки экипажа, в надводном положении беззащитна, как котенок перед стаей собак. Лодка не располагает значимой корабельной артиллерией, способной дать отпор скоростным катерам абордажных команд противника. Не сможет отбиться от налета противолодочной авиации или противокорабельных ракет. И даже если успеет срочно погрузиться, вряд ли уйдет от "загонщиков", уже точно определивших ее координаты. В мирное время это грозит срывом "автономки". В военное — гибелью лодки и ее экипажа.

Моторы неатомной подводной лодки приводятся в движение аккумуляторными батареями, заряда которых хватает максимум на четверо суток, если субмарина идет со скоростью до пяти узлов. Если же дана команда "Полный вперед!", батареи сядут через несколько часов. Их максимальная зарядка бортовыми дизель-генераторами занимает около двух суток, для этого необходим кислород, поэтому лодка вынуждена всплывать. Конечно, можно использовать режим работы двигателя под водой (РДП). В этом случае подлодка поднимает над поверхностью воды трубу-шнорхель, через которую и поступает воздух. Однако способ, активно использовавшийся еще в середине прошлого века, сегодня резко повышает вероятность обнаружения субмарины радиолокационными, инфракрасными, оптико-электронными и акустическими средствами противника.

Воздухонезависимому, или анаэробному, двигателю прямой доступ к атмосфере не требуется. В настоящее время в мире существует четыре основных типа ВНЭУ: дизельный двигатель замкнутого цикла, двигатель Стирлинга, топливные элементы (электрохимический генератор) и паротурбинная установка замкнутого цикла. Они должны соответствовать следующим требованиям: низкий уровень шумности, малое тепловыделение, приемлемые массогабаритные характеристики, простота и безопасность эксплуатации, большой ресурс и невысокая стоимость.

Важно отметить, что технология изготовления ВНЭУ очень сложная и наукоемкая. В мире не так много государств, освоивших ее полностью. ВМС США темой ВНЭУ не интересовались, предпочтя перевести весь подводный флот на атомную энергию. По тому же пути пошли и французы, построившие тем не менее экспортные субмарины типа "Скорпен". Эти небольшие лодки работают от турбин по замкнутому циклу, используя этанол и жидкий кислород. Автономность без всплытия — около трех недель.

Немцы приняли другую стратегию и в начале нулевых представили серию подлодок проекта U-212/214. У этих субмарин "гибридная" энергетическая установка: в режиме РДП или для хода в надводном положении аккумуляторы заряжаются дизельным генератором мощностью 1050 киловатт. А под водой для экономичного хода в дело вступает воздухонезависимый двигатель Siemens SINAVY Permasin. Его приводит в действие энергетическая установка из девяти протон-обменных топливных элементов, включающих цистерны с криогенным кислородом и емкости с гидридом металла. Эти элементы и обеспечивают вращение гребных винтов.

Роль топливных элементов

Сегодня в России нет дизель-электрических подводных лодок с воздухонезависимой энергетической установкой, однако они должны появиться в ближайшие годы. Представители Минобороны неоднократно утверждали, что первые ВНЭУ получат субмарины проекта 677 "Лада". Тем не менее принятый в строй "Санкт-Петербург" и строящиеся "Кронштадт" и "Великие Луки" по-прежнему полностью зависят от дизель-генераторов. А вот следующую лодку проекта, которую спустят на воду до 2025 года, уже оснастят анаэробной энергетической установкой собственного производства. Большинство данных об этой разработке строго засекречены, но известно, что в основу ее конструкции заложен паровой реформинг с электрохимическим генератором на твердотельных элементах.

"Эксперименты с ВНЭУ проводили еще в Советском Союзе, — рассказал РИА Новости главный редактор журнала "Арсенал Отечества" Виктор Мураховский. — Создать новую силовую установку на современной элементной базе и соответствующую требованиям сегодняшнего дня достаточно сложно. Раньше она должна была обеспечивать запас окисляющего компонента для работы двигателя внутреннего сгорания. Сейчас же подход другой — питание силовой установки топливными элементами. Главный мировой тренд — полный переход на электродвижение без использования дизельных генераторов. В этом случае топливные элементы с большой энергетической емкостью будут напрямую питать электродвигатели. Необходимости всплывать просто не возникнет".

Конструкторское бюро "Рубин", к слову, сообщало о готовности представить воздухонезависимую энергетическую установку для неатомных подводных лодок в 2021-2022 годах. А в апреле текущего года макетный образец ВНЭУ с газотурбинным двигателем замкнутого цикла успешно испытало КБ "Малахит". Новинку предполагается использовать в малых подводных лодках, которые пока существуют только в виде макетов.

Импортозамещение

"Мы разработали линейку малых подводных лодок водоизмещением от двухсот до тысячи тонн, — сообщил РИА Новости ведущий конструктор КБ "Малахит" Игорь Караваев. — Одно из главных их достоинств — применение ВНЭУ. Эти лодки смогут комфортно себя чувствовать в проливных зонах, мелководных районах, гаванях и даже будут способны заходить во вражеские порты и на военно-морские базы. Высокая скрытность, небольшие габариты и возможность неделями оставаться под водой без всплытия делает их идеальными разведчиками и позволяет наносить внезапный удар по кораблям и ключевым объектам прибрежной инфраструктуры".

По словам Виктора Мураховского, чтобы выйти на собственное серийное производство воздухонезависимых энергетических установок и массово ставить их на подводные лодки, необходимо формировать гигантский научно-технический задел для создания топливных элементов, которые будут питать электродвигатели подводного флота. В качестве более дешевой и простой альтернативы он рассматривает разработку перспективных литий-полимерных аккумуляторов, работающих на одной "подзарядке" гораздо дольше, чем имеющиеся сегодня в ВМФ аналоги. "Однако их производство, судя по всему, придется начинать с нуля, потому что на Западе нам такие технологии никто не продаст. А если и продаст, то в один прекрасный день может просто перекрыть поставки", — добавил эксперт.