Эволюция воздухонезависимых энергоустановок для неатомных подлодок
Российская ДЭПЛ "Санкт-Петербург", головной корабль пр. 677. В будущем подлодки этого типа могут получить ВНЭУ. Фото Wikimedia Commons
Основная масса современных подводных лодок оснащена дизель-электрическими энергоустановками. Такие устройства имеют характерные недостатки, из-за чего осуществляется поиск удобных и выгодных альтернатив. Как показывает практика, современный уровень технологий позволяет создавать эффективные энергоустановки для неатомных подлодок, причем речь идет о системах разных архитектур.
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.
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. Шведскими разработками заинтересовалась Япония. По лицензии она собрала ВНЭУ для подлодок типа «Сорю». Ввиду больших габаритов и водоизмещения японские НАПЛ несут сразу четыре двигателя v4-275R.
Подводные турбины
В ходе развития проекта Scorpène французские кораблестроители предложили свой вариант ВНЭУ на основе альтернативного двигателя. Такая установка под названием Module d'Energie 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.
НАПЛ Scorpène в версии с топливными элементами для ВМС Индии. Графика Hisutton.com
Установка MESMA предлагалась разным заказчикам. К примеру, ее планировалось использовать в проекте Scorpène-Kalvari для Индии. Однако опытная установка показала недостаточные характеристики, и интерес к проекту резко сократился. В итоге новые французские ДЭПЛ по-прежнему оснащаются дизелями – хотя разработчики уже анонсировали новую модернизацию с внедрением других перспективных решений.
В 2019 г. российские кораблестроители объявили о разработке принципиально новой ВНЭУ на основе газотурбинного двигателя замкнутого цикла. В ее состав включаются емкости для сжиженного кислорода: он испаряется и подается к двигателю. Выхлопные газы предлагается замораживать и выбрасывать наружу только при всплытии в безопасном районе. Подобная ВНЭУ прорабатывается в рамках проекта П-750Б.
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. Во время работы ВНЭУ водород, получаемый из металлогидрида, вместе с кислородом поступают на специальные мембраны и электроды, где происходит выработка тока.
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 2006-2017 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. Ранее сообщалось, что свои топливные элементы разрабатываются в России. ВНЭУ такого типа уже прошла стендовые испытания, и в будущем ее проверят на опытовом корабле.
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 2015 и 2017 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 2018 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. В частности, субмарина получила только аккумуляторы с их размещением во всех доступных объемах, в т.ч. между прочным и легким корпусами. Зарядка батарей должна осуществляться в базе, до выхода в море.
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
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.
Информация