Энергетические установки неатомных подводных лодок зарубежных стран ч1 (2023)

Вице-адмирал И. Мухаметшин;
капитан 1 ранга О. Третьяков,
доктор технических наук, доцент

С 1990-х годов основные усилия большинства европейских стран, обладающих технологиями неатомного подводного кораблестроения, были сосредоточены на повышении скрытности подводных лодок (ПЛ) за счет исключения необходимости периодического их всплытия для подзарядки аккумуляторных батарей.

Сегодня можно констатировать, что как на серийно строящихся для национальных флотов неатомных подводных лодках (НАПЛ), так и в активно продвигаемых на экспортный рынок проектах в качестве обязательного элемента присутствуют воздухонезависимые энергетические установки (ВНЭУ), способные длительно работать при нахождении ПЛ в подводном положении.

По состоянию на 2021 год в составе иностранных флотов насчитывалось более 50 таких НАПЛ, причем за последнее десятилетие их количество удвоилось.

Следует подчеркнуть, что традиционные дизель-электрические подводные лодки хотя и остаются сегментом мирового рынка НАПЛ, но продолжают вытесняться подводными лодками с ВНЭУ. Это происходит и на уже строящихся подлодках, например, на проектах "Скорпен" ("Наваль груп", Франция) и "Исаак Пераль" ("Навантия", Испания).

Схема продольного разреза НАПЛ типа "Скорпен" с врезкой блока ВНЭУ "Месма"

Гребной электродвигатель "Пермасин"

Принципиальная схема работы ВНЭУ "Месма"

Монтаж модуля (слева) с парогазовой турбиной замкнутого цикла и блок корпуса НАПЛ проекта "Агоста"

Блок корпуса второй НАПЛ проекта "Агоста" с ВНЭУ "Месма" погружен на судно для транспортировки из Шербура в Нант для проведения испытаний, апрель 2010 года

ВНЭУ "Кокумс" с двигателями Стирлинга

Оборудование ДЭПЛ "Некей" ВНЭУ "Кокумс" Mk II, 1988 год

НАПЛ "Готланд" проекта A19. Модернизация в части вооружения с заменой ВНЭУ (2013)

Электрохимические генераторы "Сименс"/HDW, применяемые в проектах НАПЛ 212A и 214

Расположение элементов ВНЭУ с ЭХГ НАПЛ проекта 212A

НАПЛ проекта 214

Строительство НАПЛ, обладающих для эффективного решения большинства типовых боевых задач высокой подводной автономностью, определяется наличием базовых технологий, позволяющих создать мощные гребные электродвигатели (ГЭД), собственно ВНЭУ и аккумуляторные батареи (АБ) значительно увеличенной по сравнению с традиционными источниками энергоемкости и малым временем заряда.

Наиболее перспективными считаются синхронные электродвигатели с постоянными магнитами семейства "Пермасин" (PERMASYN). Опытный образец такого ГЭД (номинальная мощность 1,1 кВт) был создан германской компанией "Сименс" в 1987 году, серийные двигатели значительно большей мощности (около 2 МВт) применяются в пропульсивных установках НАПЛ проектов 212, 212А, 214 и (в перспективе) 216. Основное преимущество этих ГЭД – высокие удельные энергетические характеристики.

Согласно данным производителя, работая на постоянном токе напряжением от 300 до 560 В при температуре в отсеке от 0 до +45 °C (допустимая температура охлаждающей забортной воды +32 °C) и относительной влажности воздуха до 80%, двигатель "Пермасин" НАПЛ проекта 212 развивает максимальную мощность до 2 МВт, сохраняя работоспособность при крене ПЛ до 15° и дифференте до 10°. Допускается двухминутная 10-процентная перегрузка ГЭД по вращающему моменту, а также 10-минутная работа при крене до 45° и дифференте до 30°.

На протяжении 15 лет дизель-электрические подводные лодки оснащаются ВНЭУ трех типов. Два основаны на тепловых циклах и механических способах преобразования энергии: с использованием парогазовой турбины замкнутого цикла либо двигателя Стирлинга. К третьему типу относятся ВНЭУ на топливных элементах (ТЭ), или установки с электрохимическими генераторами (ЭХГ), действие которых основано на принципе прямого преобразования химической энергии водородного топлива в электрическую, минуя тепловые циклы.

Установка "Месма" (MESMA) с парогазовой турбиной замкнутого цикла разработана французской компанией DCNS (в настоящее время – "Наваль груп").

В ней тепловая энергия, получаемая с использованием термодинамического цикла Рэнкина с помощью двухфазного рабочего тела, преобразуется в электрическую. Парогазовая смесь получается в процессе сжигания в специальной камере этанола и кислорода, хранящегося в жидком состоянии в криогенной цистерне (создана на основе аналога, используемого в ракете-носителе "Ариан"), и подается в камеру в газообразном виде.

Продуктами сгорания являются водяной пар и диоксид углерода (углекислый газ).

Последний под избыточным давлением удаляется за борт в виде пузырьков малого диаметра, которые не успевают выйти на поверхность. Перегретый пар вращает ротор турбины (до 10 000 об/мин), позволяющий развить мощность не менее 200 кВт. Отработанный пар подается в конденсатор с забортной водой, удаляемой затем обратно за борт, а конденсат подается снова в парогенератор.

Общее количество опресненной воды в контуре "парогенератор – конденсатор" около 500 л. Выходная мощность ВНЭУ регулируется подачей компонентов газовой смеси в камеру.

"Месма" была установлена только на трех дизель-электрических подводных лодках проекта "Агоста", строившихся для ВМС Пакистана с привлечением французских специалистов.

Одну ВНЭУ "Месма" смонтировали в процессе строительства последнего, третьего корпуса НАПЛ "Хамза" (Карачи, 2006), а две другие были смонтированы в ходе плановой модернизации.

Ограниченное применение установок с парогазовой турбиной на НАПЛ обусловлено недостатками рабочего процесса.

Во-первых, образующийся при работе ВНЭУ "Месма" кильватерный след из пузырьков диоксида углерода обнаруживается активными гидроакустическими средствами. Кроме того, в выбрасываемых за борт продуктах сгорания присутствует непрореагировавший кислород, поскольку для полного сгорания этанола он должен находиться в камере сгорания в избытке. Это значительно снижает скрытность НАПЛ и вызывает повышенный расход кислорода.

ВНЭУ на основе двигателя Стирлинга – двигателя с внешним подводом теплоты впервые стала размещать на своих подводных лодках Швеция. В данных установках в качестве горючего используется смесь дизельного топлива с кислородом, хранящегося на борту в криогенной цистерне в жидком состоянии. Под действием чередования высоких и низких температур, подаваемых к замкнутым цилиндрам, в них возникает разряжение и сжатие рабочего тела, создающего поступательное движение поршней, вращающих вал установки. Продукты сгорания частично удаляются за борт, а оставшиеся после очистки и обогащения кислородом вновь подаются в камеру сгорания.

Выбор двигателей Стирлинга (мощность 75 кВт, сухая масса 750 кг) определялся его очевидными преимуществами:
– высокая удельная мощность и хорошие характеристики крутящего момента;
– уровень шумности, пониженный на 20–25 дБ относительно эквивалентного по мощности дизельного двигателя;
– отработанность технологий производства, высокая надежность и простота эксплуатации.

Вместе с тем процесс внешнего подвода тепла происходит через теплообменник, что сопряжено с дополнительными потерями, поэтому КПД двигателей Стирлинга считается невысоким.

К недостаткам также относят повышенную коррозию впускных и выпускных теплообменников из-за больших перепадов температуры, что требует использования дорогостоящих материалов и дизельного топлива с низким содержанием серы.

В 1988 году, после успешных опытов на исследовательской подводной лодке SAGA, компания "Кокумс" оборудовала ДЭПЛ "Некей" проекта A14 модернизированной ВНЭУ с двумя двигателями Стирлинга.

В 1992–1997 годах по проекту A19 были построены три НАПЛ с ВНЭУ (тип "Готланд").

Кроме того, в ходе ремонта и модернизации в 2004–2005 годах на двух ДЭПЛ проекта A17 были "врезаны" ВНЭУ в цилиндрической вставке длиной 8,5 м.

Реальные перспективы появления ВНЭУ с двигателями Стирлинга на мировом рынке, а также победа шведов в международном тендере на строительство шести ДЭПЛ для ВМС Австралии стали причинами приобретения в 1999 году "Кокумс АВ" германским концерном подводного кораблестроения "Ховальдсверке-Дойче верфь" (развивающего технологии ВНЭ с ЭХГ) с целью убрать опасного конкурента. Только в 2014-м предприятия, переименованные в TKMS AB, были выкуплены шведским концерном "Сааб дефенс".

Однако, несмотря на действия шведских властей, широкому развитию ВНЭУ с двигателями Стирлинга все-таки помешал целый ряд объективных обстоятельств и активное противодействие конкурентов, проявившееся в неудаче и закрытии шведского проекта НАПЛ "Викинг" и значительной задержке начала строительства НАПЛ проекта A26 для ВМС Швеции.

Вместе с тем, после успешных испытаний на учебной подводной лодке TSS-3501 "Асасио" в 2007 году, лицензию на ВНЭУ "Кокумс" Mk III для использования в пропульсивной установке новой серии своих НАПЛ приобрела Япония ("Кавасаки хейви индастриаз").

Лицензионные ВНЭУ с двигателями Стирлинга мощностью по 75 кВт эксплуатируются на десяти серийных НАПЛ типа "Сорю" ВМС Японии.

Производство аналогичных установок в последние годы освоено в КНР. Они используются в составе гибридной установки, как минимум одной из китайских подводных лодок проекта 039C (полное подводное водоизмещение около 3 600 т).

Подтверждением состоявшемуся применению ВНЭУ с двигателями Стирлинга на подводных лодках ВМС Народно-освободительной армии Китая может служить активное продвижение на экспорт НАПЛ проекта S26T и впервые предпринятая в 2019 году демонстрация макета этой установки на международной выставке морской техники.

Во ВНЭУ на основе топливных элементов в процессе, обратном электролизу воды, происходит превращение химической энергии непосредственно в электрическую. Начало работ над созданием ЭХГ в Германии было положено в 1980 году инвестициями компаний "Ховальдсверке-Дойче верфь", "Ферростаал" и IKL, морские испытания провели в 1988-м.

Основой применяемых в подводном кораблестроении ТЭ является предназначенный для осуществления ионообмена твердый полимерный электролит, выполненный как мембрана между водородом и кислородом (успешно использовался в космической программе "Дже- мини"). При выборе возможного типа ТЭ принимались во внимание прежде всего следующие эксплуатационные характеристики: взрывопожаробезопасность, практически полное отсутствие шума при химической реакции, достаточно высокий КПД и относительно низкая рабочая температура. Для хранения на борту НАПЛ энергоносителя применяется металлогидридный способ окислителя – криогенный.

Анализ технических характеристик ВНЭУ различных типов показывает, что установки с ЭХГ по многим параметрам значительно превосходят остальные. В частности, такая установка обеспечивает наиболее высокую эффективность генерирования энергии (ВНЭУ НАПЛ проекта 214 полный КПД процесса около 60%), имеет почти втрое меньший расход кислорода и наименьший уровень шума. На втором месте по эффективности находится ВНЭУ с двигателями Стирлинга, однако несколько уступает ей установка с парогазовой турбиной замкнутого цикла по шумности и температурным параметрам.

Достоверные данные о режимах плавания современных зарубежных НАПЛ под ВНЭУ по понятным причинам не стали достоянием гласности, поэтому к их оценке следует подходить с осторожностью.

Согласно публикациям в открытых источниках, японская НАПЛ типа "Сорю" при плавании с ВНЭУ мощностью 300 кВт (двигатели Стирлинга V4-275RIII) может развивать максимальный подводный ход 7 уз, движение 5-узловым ходом возможно в течение 440 ч, что соответствует дальности плавания 2 200 миль.

Германская НАПЛ проекта 212A может идти 8-узловым подводным ходом 45 ч, а 4-узловым – 440. Запас 4-узлового подводного хода составляет до 1 250 миль (312 ч).

В рекламных материалах китайской НАПЛ проекта S26T сообщается, что она будет способна развивать максимальный подводный ход 22 уз, запас хода при 80-проц. зарядке АБ – 260 миль, при движении под ВНЭУ – 768 миль (20 сут).

ВНЭУ мощностью до 300 кВт с топливными элементами водородно-кислородного типа и полимерным электролитом разработки "Сименс AG" используются в проектах НАПЛ 212А, 214 и 218SG ("Тиссен-Крупп марин системз"), состоящих на вооружении ВМС семи государств и сохраняющих традиционную энергетическую установку из дизель-генератора со свинцово-кислотной АБ.

Габаритные размеры модуля FCM120 мощностью 120 кВт, вырабатывающего постоянный ток напряжением около 215 В, составляют 0,5 х 0,53 х 1,76 м, масса (без электронного блока управления) – 930 кг.

Качественный состав и численность подводных лодок с ВНЭУ
Проект (тип) НАПЛ / тип ВНЭУ	Страна-строитель импортер	Количество НАПЛ в боевом составе флотов
		2020 г.	Прогноз к 2030 г.
209PN, 212А, 214, 218SG / ЭХГ: 9 х 34 кВт BZM34 или 2 х 240 кВт BZM120	Германия Италия, Республика Корея, Израиль, Греция, Португалия, Сингапур, Турция	32	35
А17 ("Вестергётланд") А19 ("Гётланд") A26 ("Блекинг") A17S ("Челленджер") "Коллинз" (модернизация) / Стирлинг Mk III или Mk IV	Швеция Сингапур Австралия	5 - 2 - -	5 2 - 2 -
"Агоста"/"Месма" 1 х 200 кВт	Франция Пакистан	2	3
S-80A/BEST 1 x 300 кВт Испания - 3 P-75I/(DRDO)	Индия	-	-
"Сорю"/ 4 х 150 кВт Стирлинг V4-275R "Орю"/ЛИАБ	Япония	10 2	10 4
039C "Юань"/ Стирлинг или ЛИАБ	КНР	1	6
Итого		54	70

(Окончание следует)

Зарубежное военное обозрение. - 2023. - №5. - С. 76-82