Применение высокотемпературных сверхпроводников на надводных кораблях ВМС ведущих зарубежных стран (2021)
Капитан-лейтенант П. Алмазов
В настоящее время при проектировании и строительстве надводных кораблей нового поколения возрастает потребность в компактных энергетических установках (ЭУ) с высоким коэффициентом полезного действия и при этом имеющих высокую надежность. Современные мировые тенденции в области создания новых ЭУ все больше способствуют переходу от традиционных энергетических установок с механической передачей мощности на гребной винт к гибридным главным энергетическим установкам (ГЭУ) либо использующим полное электродвижение.
В целях реализации данных планов в ведущих зарубежных странах (ВЗС) проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР), нацеленные на создание корабельной энергетической установки (КЭУ) нового поколения – объединенной электроэнергетической системы (ОЭЭС, IPS – Integrated Power System) с электрической передачей мощности на гребные винты.
В ОЭЭС предусматривается интеграция составных частей КЭУ (главной энергетической установки и электроэнергетической системы – ЭЭС) в единую систему с централизованным управлением. Новые технологии и конструктивно-схемные решения дадут возможность не только перейти на полное электродвижение, но и совсем исключить пневматические, паровые и гидравлические приводы главных и вспомогательных механизмов и систем КЭУ и заменить их электроприводами.
Данные установки уже поэтапно внедряются на надводных кораблях ВМС ВЗС. Наиболее наглядным примером оснащения ОЭЭС являются американские эскадренные миноносцы с управляемым ракетным оружием типа "Зумвольт". Кроме того, ОЭЭС оснащены британские ЭМ УРО типа "Деринг", авианосцы типа "Куин Элизабет", десантно-вертолетные корабли-доки (ДВКД) типа "Альбион" и ряд других кораблей и судов. По мере того, насколько переход от дизельных и газотурбинных ГЭУ к ОЭЭС становится все более реальным, возрастает потребность в альтернативе применению медных обмоток в электрических машинах. Одной из таких альтернатив является использование явления сверхпроводимости, заключающегося в способности некоторых материалов обладать нулевым сопротивлением электрическому току при температуре ниже критической (Тс – критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние). Однако поскольку большинство известных материалов переходит в сверхпроводящее состояние при температурах, близких к абсолютному нулю (например, при T ~ 4 K = -269 °С – температуре кипения жидкого гелия), их применение крайне затруднительно с технической точки зрения.
Прорывом в данной области стало открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), обладающих значительно более высокой критической температурой (Тс > –196 °С = 77 К – температура кипения жидкого азота). Данные материалы являются крайне востребованными при разработке ЭУ нового поколения благодаря возможности создания сильных магнитных полей и высокой плотности тока при полном отсутствии потерь на сопротивление. Это позволяет создавать корабельные энергетические установки, обладающие значительно меньшей массой и габаритами и при этом большим коэффициентом полезного действия (КПД) по сравнению с традиционными ЭУ. В последние несколько лет производство высокотемпературных сверхпроводников достигло такого уровня, когда провода, катушки и магниты, изготовленные на их основе, могут реализовываться по конкурентоспособным ценам, что приводит к изменениям на рынке производства корабельных ЭУ, в которых используется принцип электродвижения.
Технология применения высокотемпературных сверхпроводников в корабельных энергетических установках в настоящее время реализована в двигателях с широким диапазоном мощностей от 1 до 36,5 МВт. Японской корпорацией "Кавасаки" в 2011 году был разработан электродвигатель с применением ВТСП мощностью 1 МВт, работающий со скоростью 190 об/мин, что привело к уменьшению размеров кормовой части корпуса корабля и повышению гидродинамических характеристик (разработка велась с 2007-го).
Уменьшение размеров стало возможным благодаря тому, что ВТСП-провод может пропускать ток той же силы, что и медный кабель примерно в одной десятой части поперечного сечения. Замена медных обмоток и постоянных магнитов ВТСП-проводами, обеспечивает значительное уменьшение объема и массы электродвигателя и дает возможность создать значительно более высокие уровни магнитных полей. В 2018-м был построен и успешно испытан двигатель мощностью 3 МВт, работающий с частотой вращения от 20 до 160 об/мин и крутящим моментом до 180 килоньютон-метров (кН×м) с КПД 98%
В 2009 году американские компании "Амсс" (AMSC – American Superconductor Corporation) и "Нортроп-Грумман" объявили об успешном завершении заводских приемо-сдаточных испытаний на предприятии "Нортроп-Грумман" в г. Филадельфия (штат Пенсильвания) корабельного гребного электродвигателя с обмотками из ВТСП с номинальной мощностью 36,5 МВт (~49 600 л. с.).
Частота вращения нового электродвигателя составляет 120 об/мин, крутящий момент – 2,9 млн Н×м и имеет КПД >97% Масса двигателя практически в три раза меньше по сравнению с электродвигателями с медной обмоткой той же мощности, при этом габариты уменьшены более чем наполовину – 3,4×4,6×4,1 м. Электродвигатель был спроектирован и построен по заданию научно-исследовательского управления ВМС США (ONR – Offi ce of Naval Research) как главный двигатель для энергетической установки надводных кораблей и подводных лодок нового поколения, в которых будет использоваться принцип полного электродвижения при полной электрификации корабля.
В настоящее время ведутся работы по его адаптации для использования в энергетических установках ЭМ УРО ВМС США следующего поколения, которые должны войти в строй с 2038 года, а также для применения на больших круизных и торговых судах. В частности, планировалась установка электродвигателя с обмотками из ВТСП в составе энергетической установки на третьем корпусе ЭМ УРО типа "Зумвольт" (DDG-1002), так как вырабатываемая мощность и крутящий момент сопоставимы с требованиями, предъявляемыми к электродвигателям кораблей данного типа. Это позволило бы уменьшить массу ЭМ почти на 200 т, однако данные планы не были реализованы в связи с тем, что система криогенного обеспечения в настоящее время более дорогостоящая чем масло, необходимое для охлаждения статора обычного электродвигателя. В случае снижения стоимости системы охлаждения появится возможность создавать новые корабли более экономичными с точки зрения расхода топлива, а также освободить пространство для размещения дополнительной полезной нагрузки.
Подобные разработки в области двигателей с применением технологии ВТСП также ведутся германской компанией "Сименс", где в 2011 году был разработан электродвигатель мощностью 4,7 МВт с частотой вращения 120 об/мин, который успешно продемонстрировал ожидаемые механические и электрические характеристики. Кроме того, по сравнению с обычными электродвигателями, двигатель на ВТСП имеет на четверть меньшую массу и габаритные размерения (общая масса с учетом системы охлаждения менее 40 т), а также увеличенный на 1,5% КПД. По два ВТСП-электродвигателя производства "Сименс" мощностью 4,7 МВт каждый входят в состав ГЭУ фрегатов типа "Баден-Вюртемберг" германских ВМС (головной корабль вошел в боевой состав в конце 2019 года). ГЭД предназначены для развития скорости экономического хода до 16 уз. При увеличении скорости хода выше указанного показателя ГЭД работают совместно с газотурбинным двигателем мощностью 20 МВт через редуктор и самосинхронизирующиеся муфты. Четыре дизель-генератора суммарной мощностью 12 МВт обеспечивают электропитанием ГЭД и общекорабельные потребители.
Недостатком многих существующих электродвигателей на ВТСП является то, что в них данная технология реализована отдельно в роторе или в статоре. Так, например, в электродвигателях со сверхпроводящим ротором и нормально проводящим статором требуется дополнительное пространство для размещения теплоизоляции ротора. Это уменьшает магнитное взаимодействие между катушками ротора и статора. Плотность мощности таких электродвигателей ограничена достижимой плотностью магнитного потока в воздушном зазоре (до 4 Тл). Полный потенциал применения высокотемпературных сверхпроводников может быть достигнут только в полностью сверхпроводящем электродвигателе, то есть в котором и ротор и статор являются сверхпроводящими и в цепи первого нет резистивных элементов. Одна из проблем создания таких электродвигателей заключается в том, что в сверхпроводящем статоре возникают гистерезисные потери при скольугодно малой амплитуде переменного магнитного поля. Потери переменного тока в сверхпроводящем статоре зависят от частоты и могут быть уменьшены до приемлемого уровня за счет использования двухполюсной конструкции и низкой частоты тока.
В большинстве ВЗС приоритетным направлением разработок в этой области является совершенствование конструкции катушек на ВТСП для достижения наибольших показателей плотности тока. Одним из перспективных вариантов является применение катушки с двойной спиралью (DH – Double-Helix) для сверхпроводящего ротора синхронного электродвигателя в сочетании со сверхпроводящим статором. Такая конструкция позволяет достичь мощности, намного превосходящей удельную, получаемую в классических синхронных сверхпроводящих электродвигателях. Высокая плотность тока в сверхпроводящих обмотках позволяет уменьшить размер катушки статора и обеспечивает более сильное магнитное взаимодействие.
В одном из созданных прототипов электродвигателя на основе данной катушки использовался ток частотой 2 Гц при скорости вращения 120 об/мин и тонкий проводник из диборида магния (MgB2), охлажденный до температуры 20 K с полем магнитной индукции 2 Тл. Учитывая текущий прогресс в создании тонких проводников можно предположить, что в ближайшем будущем станет возможным уменьшить их диаметр до 10–15 мкм.
Если это удастся реализовать, то гистерезисные потери в обмотке статора из диборида магния для электродвигателя с частотой 2 Гц составят около 45 мВт на 1 см3. Такой уровень тепловыделения может быть компенсирован системой криогенного охлаждения.
Такая конструкция катушки подходит для использования со сверхпроводящими кабелями с высокой токовой нагрузкой, которые могут быть выполнены в виде многожильных кабелей с круглым сечением или в виде нескольких слоев тонких проводников. Когда на катушку с двойной спиралью, намотанную на сверхпроводник, подается сильный ток возбуждения, создаваемое магнитное поле обеспечивает высокую выходную мощность даже в относительно небольшом электродвигателе. Ротор включен в сверхпроводящую цепь без внешнего соединения с корпусом электродвигателя.
Высокая мощность достигается в сочетании с плотно прилегающим сверхпроводящим трехфазным статором, в котором используется чередующаяся структура из обычных седловидных сверхпроводящих катушек для достижения эффективной магнитной связи между ротором и статором. Большая тепловая нагрузка на криогенную систему, связанную с токоподводами уменьшается за счет использования преобразователя магнитного потока (FPT – Flux Pump Transformer) для возбуждения ротора.
Все катушки в роторе и преобразователе основаны на конструкции с двойной спиральной обмоткой, которая обеспечивает прочность и надежность ротора.
Такая конфигурация обмотки также позволяет более точно управлять напряжением и приводит к повышению допустимой нагрузки по току чувствительных к напряжению ВТСП-проводников. Таким образом, электродвигатель может быть полностью сверхпроводящим и работать при больших значениях тока, так как ограничивающим фактором являются резистивные потери в переходах между преобразователем магнитного потока и катушками ротора (обычно 9–10 Ом на соединение).
Достоинства, присущие высокотемпературным сверхпроводникам, позволяют создавать и другие принципиально новые компактные системы, способные генерировать высокие значения магнитного поля. Одно из таких устройств – безвинтовой магнитогидродинамический двигатель (МГД) для корабельной электроэнергетической системы. Простейший по своей конструкции МГД-двигатель представляет собой цилиндр, с внешней стороны которого расположены обмотки катушки, а во внутреннем канале по противоположным сторонам размещены сердечники электромагнита.
Канал заполнен жидкостью, которая должна быть электролитом, то есть содержать растворенные ионы за счет электролитической диссоциации солей. В корабельных МГД-двигателях роль электролита выполняет морская вода. Во время работы на катушку электромагнита подается напряжение, возникает магнитное поле, которое заставляет морскую воду (электролит) протекать через канал, создавая реактивную струю, придающую движущую силу кораблю.
Поскольку в данной конструкции отсутствуют движущиеся механизмы, уровень гидродинамического шума проходящей сквозь двигатель воды и работающих электромагнитов значительно меньше шумов классических движителей надводных кораблей и подводных лодок.
Однако, несмотря на относительно простой принцип работы, долгое время отсутствовала техническая возможность реализации таких двигателей по причине низкого КПД, достигающего значений не более нескольких процентов. В случае использования обмоток электромагнитов из обычных материалов, таких как медь, алюминий со стальным сердечником, величина магнитной индукции β ограничивается условиями насыщения сердечника и составляет около 2 Тл. При такой индукции даже для достижения КПД 3–5% масса электромагнита должна составлять несколько сотен тонн.
Таким образом, для получения приемлемых массо-габаритных характеристик МГД-двигателей необходимы электромагнитные системы, способные создавать сильные магнитные поля. При этом крайне важно, чтобы такие системы потребляли минимум электроэнергии на собственные нужды. Согласно расчетам, для получения значений КПД ≥ 30% требуются магнитные поля с индукцией β ≥ 10 Тл.
Применение сверхпроводников позволило достичь требуемых значений магнитных полей. Так, на примере японского опытового судна "Ямато-1" (Yamato-1), разработанного корпорацией "Мицубиси хэви индастриз" (Mitsubishi Heavy Industries), была продемонстрирована возможность включения в состав корабельных энергетических установок магнитогидродинамического двигателя, разработанного на основе МГД-генератора.
На судне установлены два подруливающих устройства, в состав которых входят шесть трехметровых седловидных ВТСП-катушек, создающих поперечное поле 4 Тл и тягу 16 кН. При испытаниях судно достигло максимальной скорости в 8 уз (около 15 км/ч).
Разработка судовых прототипов МГД-двигателей также проводилась в Китае, где была испытана модель корабля с МГД-двигателем мощностью 4,7 кВт и массой одна тонна. Энергетическая установка прототипа генерировала поле магнитной индукции 5 Тл и тягу всего 40–45 Н. Также запланированы испытания прототипов, энергетическая установка которых может генерировать поле магнитной индукции до 15 Тл.
Таким образом, была доказана принципиальная применимость МГД-двигателей на водном транспорте, но не на боевых кораблях. Невозможность достижения скоростей хода, которые обеспечивают современные ЭУ с гребными винтами (27–32 уз), а также высокая стоимость конструкции при незначительных практических результатах сдерживает развитие этой технологии в коммерческом судостроении и тем более в военном.
В последнее время на новых проектах боевых надводных кораблей высокотемпературные сверхпроводящие материалы все чаще используются не только в составе энергетических установок. Так, одним из важнейших направлений защиты кораблей от магнитных мин является применение систем размагничивая их корпусов, требующих использования электрических кабелей значительной протяженности и массы. В настоящее время размагничивание кораблей происходит на стационарном стенде в базе, но когда корабль выполняет боевые задачи вдали от места постоянной дислокации и, например пересекает экватор, он вновь может стать заметным для морских мин. По этой причине одной из приоритетных задач является создание активной системы размагничивания, встроенной в корпус корабля и которая способна работать при его движении. В США проводятся работы по изготовлению из ВТСП специальных магнитных петель, которые опоясывают корпус корабля во всех направлениях и предназначены для устранения или значительного снижения магнитного поля корабля, что позволит защитить его от морских мин с электромагнитным взрывателем.
Активное развитие концепции применения высокотемпературных сверхпроводников в системах размагничивания началось в 2004 году, когда научно-исследовательское управление ВМС США профинансировало исследования применения ВТСП в качестве альтернативы медным кабелям в системах размагничивания кораблей.
Необходимость проведения исследований была обусловлена сложностями с установкой трехосевой размагничивающей системы, котораяпришланасменудвухосевой, использовавшейся в Соединенных Штатах со времен Второй мировой войны. Трехосевая система размагничивания позволяет снизить уровень магнитного поля корабля на 95%, что значительно больше по сравнению с двухосевой системой, у которой данный показатель составляет около 75% Увеличение эффективности произошло благодаря разделению катушек по трем осям, однако при этом значительно увеличилось количество требуемого медного кабеля. В процессе размагничивания используется постоянный ток, поэтому такие системы являются наиболее подходящими для применения в них технологии ВТСП, поскольку каждый размагничивающий контур, состоящий из нескольких медных кабелей, может быть заменен одним эквивалентным по току ВТСП-кабелем.
После проведенных исследований в данной области, трехосевая одноконтурная система размагничивания с применением ВТСП была установлена и протестирована на борту эскадренного миноносца "Хиггинс" типа "О. Бёрк" мод. 2 (DDG-76). В результате достигнуто снижение массы кабельной системы на 80%
По приблизительным оценкам, один ВТСП-кабель диаметром 4,45 см (1,75 дюйма) эквивалентен 14 аналогичным по сечению медным кабелям.
Использование ВТСП-кабелей в системах размагничивания корпусов кораблей вместо традиционных медных, позволяет сократить их общую длину более чем на 80%, массу – на 50–80, энергопотребление – на 25 и стоимость – на 75%
Испытания системы размагничивания на основе ВТСП на борту эскадренного миноносца "Хиггинс" проходили в течение девяти месяцев. За это время корабль преодолел в общей сложности 37 037 миль. Общее количество времени работы криогенной системы составило 8 979 ч, из которых 5 962 – непрерывно. Успешное завершение проведенных испытаний подтвердило возможность и целесообразность применения ВТСП в системах размагничивания кораблей. Аналогичная система была установлена на фрегатах типов "Фридом" и "Индепенденс", авианосцах типа "Джеральд Форд", десантно-вертолетных кораблях-доках типа "Сан-Антонио", а также универсальных десантных кораблях типа "Америка". В настоящее время несколько кораблестроительных компаний рассматривают возможность реализации данной технологии при создании новых проектов боевых надводных кораблей.
Еще одной областью с большим потенциалом использования ВТСП является оружие. За последние 15 лет исследования в США и Европе в области создания рельсовых электромагнитных пушек (РЭМП) достигли такого уровня, что следует ожидать перехода от применяемых в настоящее время артиллерийских установок с пороховыми зарядами к этой новой технологии в следующих поколениях надводных кораблей американских ВМС, которые войдут в боевой состав с 2035 по 2045 год. В настоящее время созданы экспериментальные образцы рельсовых электромагнитных пушек, способные разгонять снаряды массой от 300 г до 3,5 кг, до скорости ~2,3–2,5 км/с. В них используются конденсаторы с энергией в диапазоне 2–10 МДж, которые способны быстро заряжаться.
В будущем на серийных образцах РЭМП массу снарядов планируется увеличить до 20 кг, что приблизительно соответствует массе артиллерийских снарядов, применяемых в настоящее время. Для защиты кораблей от гиперзвуковых ракет необходим высокий темп стрельбы. Чтобы заряжать конденсаторы с такой скоростью обычные электрические цепи должны быть очень большого размера и массы. Высокотемпературные сверхпроводники могут быть ключевой технологией, которая позволит избавиться от данных недостатков.
Перспективные надводные корабли будут нести значительно более энергоемкое оружие, нуждающееся в электропитании большой мощности. Использование сверхпроводниковых технологий позволит обеспечить производство и распределение больших потоков энергии с низкими потерями, а также снизить массу кабельной системы кораблей в несколько раз. ВТСП будет основной технологией, которая сможет обеспечить высокую плотность энергии. По предварительным оценкам, ВТСП-генератор в будущем должен развивать мощность 40 МВт и иметь вдвое меньшую массу и габариты, а также существенно более низкий уровень шумовых характеристик по сравнению с традиционным. Также остается актуальной проблема разминирования прибрежных акваторий.
 |
|
Сравнение стоимости систем размагничивания с применением медных кабелей и ВТСП-материалов |
Необходимость использования эффекта сверхпроводимости при решении этой задачи было подтверждено созданием в 80-е годы ХХ века электромагнитных тралов с применением технологии низкотемпературной сверхпроводимости. Так, новый буксируемый вертолетом морской трал имел массу в восемь раз меньшую, чем его прототип с медными проводами (1,5 т вместо 12 т). Перспективы развития данного направления связаны с реализацией технологии высокотемпературной сверхпроводимости на электромагнитных тралах нового поколения.
С открытием высокотемпературной сверхпроводимости появились принципиально новые возможности при практическом применении данной технологии на надводных кораблях военно-морских сил ведущих зарубежных государств.
Технология применения ВТСП в КЭУ в настоящее время реализована в электродвигателях с широким диапазоном мощностей. В перспективе применение данной технологии позволит создавать эффективные, компактные, малошумные и мощные силовые установки с низким уровнем электромагнитного излучения.
По совокупности стоимостных, массогабаритных и технических характеристик ВТСП-электродвигатели обладают целым рядом преимуществ по сравнению с классическими двигателями с медными обмотками.
Достоинства высокотемпературных сверхпроводников позволяют создавать принципиально новые компактные системы, способные генерировать высокий уровень магнитного поля. Одно из таких устройств – безвинтовой магнитогидродинамический двигатель, разработка которого в настоящий момент находится на стадии экспериментальных образцов с несколькими проведенными демонстрациями возможностей.
Таким образом, применение высокотемпературных сверхпроводящих материалов в перспективе позволит более гибко проектировать и создавать энергетические установки благодаря снижению массо-габаритных характеристик отдельных ее частей. Помимо этого, способность сверхпроводников второго поколения генерировать сильные магнитные поля в компактных системах в будущем позволит преодолеть технические трудности при разработке новых видов оружия, работающих на новых физических принципах, например, такого как лазерные установки и электромагнитные пушки.
Ожидается, что массовое внедрение технологии ВТСП в конструкцию надводных кораблей и подводных лодок будет реализовано в течение ближайших 20 лет, когда экономическая выгода от применения данной технологии будет значительно увеличена за счет минимизации конструкционных ограничений, а также оптимизации процессов изготовления ВТСП-лент.