Применение криогенных технологий в вооружении и военной технике иностранных государств (2023)
Полковник Б. Гайдар;
полковник А. Степанов,
доктор технических наук
Современные криогенные технологии позволяют практически использовать измененные в условиях криогенных температур (от 120 °К или от –153,15 °C и ниже) химические, физические, механические и другие свойства различных материалов. В настоящее время существует большое число зарубежных серийных и перспективных образцов вооружения и военной техники (ВВТ), имеющих в своем составе отдельные элементы, работающие или хранимые при такой температуре.
Исторически первым примером применения криогенных технологий в серийном вооружении является использование жидкого кислорода (температура сжижения при нормальном давлении 90,19 °К (–182,96 °C)) в качестве окислителя топлива – этилового спирта для немецких баллистических ракет "Фау-2", достигавших гиперзвуковой скорости полета 1700 м/с. После Второй мировой войны криогенное жидкое топливо в паре кислород/керосин применялось для заправки первых межконтинентальных американских ракет "Титан", а позже в комбинации кислород/водород – на ракетах-носителях космических многоразовых аппаратов "Спейс Шатл". Два вида отмеченных комбинаций жидкого топлива до сих пор широко используются в различных ракетах-носителях, запускаемых космическими державами, в том числе для доставки на орбиту спутников военного назначения.
Стоит подчеркнуть, что как компонент топлива для ракет и самолетов жидкий водород (температура сжижения 20,28° K (–252,87 °C)) имеет значительное преимущество по сравнению с высококипящим углеводородным топливом. Топливо вида Н2+О2 имеет наименьшую молекулярную массу и наибольший удельный импульс. При его увеличении на 1% дальность полета ракеты увеличивается на 5–6% Но в то же время водород в присутствии кислорода горюч и крайне взрывоопасен и требует дорогостоящих технических и организационных мер для безопасного производства, хранения и транспортировки.
С начала XXI века активно исследуются возможности криогенных технологий для применения в зарубежной военной авиационной технике. Характерным примером этому является высотный беспилотный летательный аппарат (БПЛА) на жидком водородном топливе "Фантом Ай", созданный американской компанией "Боинг" и совершивший первый полет в 2012 году. В качестве полезной нагрузки использовалась аппаратура разведки, целеуказания и связи, высота полета 18 км, продолжительность – до 4 сут без дозаправки. В ходе летных испытаний также исследовалась возможность установки твердотельного лазера.
Последний раз, в 2014 году, БПЛА находился в воздухе около 9 ч на высоте до 16 км, после чего в 2015‑м он был передан в музей испытательного центра ВВС США.
Вместе с тем исследования по созданию военных БПЛА с двигателями на криогенном топливе продолжаются как в США, так и в ряде других стран, например, в Китае и Индии. Перспективным направлением исследований в настоящее время является создание гиперзвуковых аппаратов на жидком водородном топливе.
Еще один химический элемент, применяемый в военной авиации в жидкой форме – кислород. Он используется в некоторых системах снабжения кислородом для обеспечения дыхания членов экипажа. Коэффициент расширения кислорода при смене жидкого агрегатного состояния на газообразное составляет 860 : 1 при 20 °C. Это позволяет хранить его в жидком состоянии в криогенном сосуде малой вместимости, а при необходимости испарять с образованием большого объема газообразного кислорода.
Также жидкий кислород широко применяется на зарубежных подводных лодках (ПЛ) с анаэробными или воздухонезависимыми энергетическими установками (ВНЭУ). Продолжительность непрерывного нахождения в подводном положении дизельных ПЛ ограничена необходимостью периодического всплытия (обычно раз в 3–4 сут) для подзарядки аккумуляторных батарей. Применение ВНЭУ позволяет увеличить это время до 20 и более суток. Основными типами современных анаэробных установок, применяемых на ПЛ совместно с традиционными дизельными двигателями, являются двигатели Стирлинга и электрохимические генераторы.
В подлодках с двигателями Стирлинга жидкий кислород используется в качестве окислителя для дизельного топлива. Перспективным видом топлива для применения на ПЛ с такими ВНЭУ считается СПГ. В энергетических установках с электрохимическим генератором тока в качестве реагентов, поступающих из специальных резервуаров к электродам, используются водород и кислород.
Наиболее применяемый способ хранения кислорода – в жидком состоянии, водорода – в форме металлгидрида. В отличие от установок на гальванических элементах, требующих частой подзарядки, эти энергетические установки могут работать до тех пор, пока осуществляется подвод реагентов.
Другим важным направлением применения криогенных технологий в ВМС ряда стран является использование высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов в системе размагничивания корпусов кораблей с целью снижения заметности для минного оружия. По принципу действия она представляет собой электромагнитную катушку, которая генерирует магнитное поле таким образом, что оно компенсирует магнитное поле корабля. Основу стандартных размагничивающих систем составляют многотонные сети, образованные медными электрическими кабелями – петлями катушки, уложенными внутри корпуса корабля.
ВТСП кабели сделаны из специального многослойного материала, удельное сопротивление которого при охлаждении до криогенных температур в десятки раз ниже, чем у электротехнической меди.
Обычно применяется охлаждение жидким гелием и азотом (соответствующие температуры кипения 4,2 °К и 77,36 °К).
Это позволяет работать на плотностях тока, в десятки раз превышающих показатели обычных проводников при комнатной температуре. В целом такая система размагничивания позволяет экономить 50–80% веса за счет уменьшения длины кабелей и 25% энергопотребления.
Отдельно следует отметить все более широкое использование ВТСП кабелей в корабельных энергетических установках нового поколения, применяемых на новых кораблях ВМС США и Великобритании. Они вырабатывают необходимое количество электроэнергии, обеспечивая одновременно и движение корабля (вращение гребных винтов), и функционирование оружия, и обеспечивающих систем (управления, разведки, связи и пр.) в различных условиях оперативной обстановки, часто приводящих к неравномерной и даже непредсказуемой нагрузке на энергосистему корабля.
Например, это возможно при комплексном применении новых энергоемких видов ВВТ (лазерного, электромагнитного и др.).
В настоящее время исследуется эффективность различных способов реализации модулей – накопителей электроэнергии (в том числе водородных топливных элементов) для удовлетворения внезапно возникающих энергетических потребностей.
Таким образом, объединенные корабельные энергетические системы нового поколения и современные системы размагничивания корпусов кораблей создаются путем внедрения ряда перспективных технологий, в частности, криогенных, обеспечивающих сверхпроводимость ВСТП с целью повышения энергетической эффективности и снижения массо-габаритных характеристик соответствующего оборудования.
Следующей областью применения криогенных технологий в военной технике являются охлаждаемые тепловизионные приборы, устанавливаемые во многих системах оптико-электронной разведки, прицеливания и самонаведения, размещаемые на самых разнообразных носителях – от спутников и ракет до танков и снайперских винтовок. Их преимущество в обеспечении лучшей четкости, так как они могут определять мельчайшие изменения в температуре вплоть до 0,1 °C. Для охлаждения используются либо модульные микрокриогенные системы (МКС) на основе двигателя Стирлинга, максимальные габаритные размеры которого не превышают нескольких сантиметров, либо применяются другие схемы охлаждения, требующие наличия термостатированных емкостей с расходуемым хладагентом.
Современные МКС позволяют криостатировать фоточувствительные элементы приемных устройств различного типа на температурном уровне, принимающем значение в диапазоне от –183 до –213 °C.
Криостатирование нужно для предотвращения тепловой генерации шумов, ухудшающих параметры приемников инфракрасного излучения.
Завершая обзор примеров применения криогенных технологий в вооружении и военной технике, необходимо отметить следующее. В статье рассмотрены достаточно известные примеры использования таких технологий. Однако есть образцы ВВТ без элементов, работающих в условиях криогенных температур, но требующих для функционирования материалы, полученные в таких условиях (например, технические и редкие газы, выделенные в результате криогенного разделения воздуха и применяемые в лазерных установках). Кроме того, существуют разнообразные методы криогенного охлаждения, широко используемые в различных системах двойного назначения, таких как вычислительная техника (например, квантовые компьютеры), радиотехника (криостатируемая радиоприемная аппаратура) и т. д. Все это говорит о большом числе существующих направлений использования криогенных технологий в военном деле. Более того, создание самых перспективных образцов ВВТ – гиперзвуковых БПЛА; ПЛ с высокой автономностью и малой заметностью, корабельных энергетических установок с меньшими массо-габаритными характеристиками, но высокой эффективностью; мощных газодинамических лазеров, способных решать задачи противовоздушной и противоракетной обороны, – обязательно потребует применения таких технологий.
В этих условиях технологически развитые страны (США, Китай, европейские государства) постоянно разрабатывают и практически реализуют программы НИОКР по совершенствованию способов применения криогенных технологий в вооружении и военной технике. Цель выполнения таких программ – применение существующих и разработка новых криогенных технологий, критически важных для создания образцов ВВТ с повышенными боевыми возможностями.