Воздухонезависимая энергетическая установка

Подводная лодка U31 типа 212 ВМС Германии, использующая анаэробную энергетическую установку.

Воздухонезависимая (анаэробная) энергетическая установка (англ. Air-Independent Propulsion или AIP) — понятие, которое предусматривает использование технологии, позволяющей подводной лодке двигаться длительное время без необходимости всплывать на поверхность или использовать шноркель. AIP может дополнять или заменять дизель-электрическую двигательную установку неатомных субмарин.

Общие сведения

Подводная лодка «Почтовый».

Хотя системы охлаждения некоторых ядерных реакторов для подводных лодок уже основаны на принципе естественной циркуляции, большинство атомных энергетических установок используют достаточно шумные насосы.

По этой причине, и по ряду других, находящиеся в настоящий момент на вооружении атомные подводные лодки потенциально обладают меньшей скрытностью, чем современные субмарины, использующие энергетические установки других типов. Неатомные подводные лодки, работающие на аккумуляторных батареях или оборудованные AIP, могут быть практически бесшумными.

Хотя субмарины с атомными ЭУ по-прежнему лидируют по скорости, автономности и глубоководным характеристикам, небольшие высокотехнологичные неатомные ударные подводные лодки могут быть высокоэффективны в прибрежных операциях и представляют значительную угрозу для менее скрытных и менее маневренных атомных подводных лодок.

История

Схема двигателя Вальтера, работающего по «холодному» принципу

1 — ёмкости для перекиси водорода, 2 — насос, 3 — камера разложения, 4 — турбина, 5 — редуктор, 6 — муфта, 7 — гребной электродвигатель, 8 — упорный подшипник, 9 — гребной винт, 10 — прочный корпус.

Самая ранняя попытка создания теплового двигателя, для работы которого не требовался бы воздух, была предпринята в 1867 году, когда испанский инженер Нарцисо Монтуриоль (исп. Narcís Monturiol i Estarriol) успешно разработал анаэробный двигатель с химическим приводом для подводных лодок собственной конструкции.

В 1908 году Российский Императорский флот спустил на воду подводную лодку «Почтовый», которая при движении под водой использовала бензиновый двигатель, работающий на сжатом воздухе, с выпуском выхлопных газов под воду.

В первой половине XX века конструкторы разных стран пытались разработать надежный анаэробный двигатель. Ведь субмарина, всплывая на поверхность на подзарядку аккумуляторов, полностью демаскирует себя. 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 авиации противника.

Схема двигателя Вальтера, работающего по «горячему» принципу

1 — дизель-генератор, 2 — камера разложения, 3 — камера сгорания, 4 — сепаратор, 5 — дозирующее устройство, 6 — трехкомпонентный питательный насос, 7 — бустерные насосы, 8 — цистерна перекиси водорода, 9 — цистерна жидкого топлива, 10 — цистерна пресной воды, 11 — насос отвода избыточной воды, 12 — отвод избытка охлаждающей воды за борт, 13 — конденсатный насос, 14 — конденсатор, 15 — электродвигатель, 16 — главная турбина, 17 — разобщительные муфты, 18 — центробежный компрессор выхлопных газов, 19 — поршневой компрессор выхлопных газов, 20 — отвод выхлопных газов за борт, 21 — редуктор, 22 — главный гребной электродвигатель, 23 — приводной ремень, 24 — гребной электродвигатель экономического хода, 25 — упорный подшипник.

Классификация

Проблему обеспечения скрытного и как можно более длительного движения подводных лодок в погруженном состоянии пытаются решить различными способами.

В неатомных подводных лодках AIP иногда выступает в качестве вспомогательной энергетической установки, в дополнение к традиционному дизельному двигателю. Большинство систем AIP вырабатывают электроэнергию, которая, в свою очередь, приводит в действие электродвигатель, подзаряжает аккумуляторные батареи, а также используется для вентиляции, освещения, отопления и т.д.

Двигательные установки на основе «Цикла Вальтера»

Немецкий инженер-изобретатель Гельмут Вальтер (нем. Hellmuth Walter) разработал серию двигательных установок, которые использовали в качестве энергоносителя и одновременно окислителя концентрированную перекись водорода, разлагаемую с помощью различных катализаторов, главным из которых был перманганат натрия, калия или кальция.

При реакции разложения перекиси водорода выделяется большое количество теплоты, и образуется так называемый «парогаз». Температура парогаза, в зависимости от степени начальной концентрации перекиси водорода, может достигать 700 С° - 800 С°.

В однокомпонентных двигателях Вальтера, работающих по «холодному» принципу, использовалась концентрированная до 80-85 % перекись водорода и катализатор. В двигателе Вальтера, работающего по «горячему» принципу, использовалось двухкомпонентное топливо, где одним компонентом была перекись водорода, а в качестве второго компонента использовалась, например, смесь гидразина, метанола и воды.

Схема дизельной энергетической установки замкнутого цикла

1-тепловой двигатель (дизель), 2-сепаратор, 3-конденсатор углекислого газа, 4-компрессор, 5-конечный сепаратор, 6-испаритель кислорода

На основе «Цикла Вальтера» в Германии до конца Второй мировой войны был разработан целый ряд жидкостно-реактивных двигателей и паро-газовых двигателей подводных лодок и торпед.

После войны в некоторых странах, в том числе в Соединенных Штатах, Великобритании и СССР, осуществлялись проекты по разработке двигателей подводных лодок с использованием «Цикла Вальтера». В 1950-х годах эти проекты были остановлены после появления компактных ядерных реакторов для подводных лодок. Также, после ряда аварий, постепенно было прекращено использование торпед, приводимых в действие перекисью водорода.

Дизельные двигатели замкнутого цикла

Подводная лодка M-296 проекта А615, оснащенная дизельной двигательной установкой замкнутого цикла.

Данный тип ДУ основан на применении дизельного двигателя, который при движении на поверхности работает на атмосферном кислороде, а в погруженном состоянии использует сжиженный окислитель, обычно жидкий кислород. Для защиты узлов двигателя от коррозии при контакте с чистым кислородом, его смешивают с выхлопными газами. При запуске двигателя вместо выхлопного газа к кислороду добавляют аргон.

В конце 1930-х годов в Советском Союзе создавались экспериментальные двигатели замкнутого цикла РЕДО («Регенеративный Единый Двигатель Особого назначения») для подводных лодок типа «Малютка», но ни одна из субмарин с такими ДУ не была завершена.

Во время Второй мировой войны для Кригсмарине создавались экспериментальные системы замкнутого цикла в качестве альтернативы ДУ, работающих по «Циклу Вальтера». Двигательную установку планировалось установить на подводные лодки типа XVII, но ни одна из таких лодок не была закончена до конца войны.

После войны в СССР была разработана небольшая 650-тонная подводная лодка типа А615 - единственная в мире серия подводных лодок с подводным движением на дизельном двигателе. Субмарины этого типа строились в период с 1953 по 1956 год. У них было три дизельных двигателя — два обычных и один с замкнутым циклом, использующий жидкий кислород.

Поскольку жидкий кислород нельзя хранить бесконечно, такие субмарины не могли работать вдали от своей базы. Кроме этого, хранение больших объемов жидкого кислорода было опасно; несколько подводных лодок пострадали от взрывов и пожаров. Последняя подводная лодка, использовавшая эту технологию, была списана в начале 1970-х годов.

Паровые турбины замкнутого цикла

Схема простейшей турбинной установки, работающей по замкнутому циклу

ГТ – газовая турбина; К – компрессор; ТО – теплообменник; ОХЛ – охладитель; ЭГ – электрогенератор.

В паровых турбинах замкнутого цикла рабочее тело (водяной пар) непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, не обновляясь.

Двигатель, основанный на этом принципе, может иметь два режима работы - надводный и подводный. В надводном режиме для получения рабочего тела используется тепло от горения углеводородного горючего и атмосферного воздуха. В подводном режиме атмосферный воздух заменяется кислородом. На выходе из турбины рабочее тело снова конденсируется.

Примером такой системы является французский энергетический модуль подводных лодок (фр. Module d'Energie Sous-Marin Autonome или MESMA). Этот модуль устанавливается на субмарины типа Agosta 90B и Scorpène. Двигательная установка использует тепло, вырабатываемое при сгорании этанола и кислорода при давлении 60 атмосфер. Такой режим работы под давлением позволяет выбрасывать углекислый газ за борт на любой глубине без использования вытяжного компрессора.

При установке MESMA, Scorpène двигаться под водой без всплытия более 21 дня. На Agosta-90B система MESMA позволяет подводной лодке работать под водой 16 дней.

Хотя система MESMA может обеспечивать более высокую выходную мощность, чем другие современные типы AIP, ее эффективность является самой низкой, при высоком уровне потребления кислорода.

ДУ на основе двигателя Стирлинга

Принципиальная схема двигателя Стерлинга для подводной лодки.

В дви́гателе Сти́рлинга рабочее тело (газ или жидкость) движется в замкнутом объёме, под влиянием на периодического нагрева и охлаждения с извлечением энергии из возникающего при этом изменения давления. Двигатель может использовать любой источник тепла.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом (англ. Robert Stirling) 27 сентября 1816 года.

Ещё в первой половине 1960-х годов рассматривалась возможность установки двигателей Стирлинга на шведских подводных лодках. Но только в 1988 году головная субмарина типа Näcken в порядке эксперимента была переоборудована под эти двигатели. С ними она прошла под водой более 10 000 часов.

Первыми серийными шведскими субмаринами стали подводные лодки типа Gotland, изготовленные на судостроительной фирме Kockumsvarvet Malmö Sverige. В качестве источника тепловой энергии здесь используется горение дизельного топлива с жидким кислородом. Двигатель приводит в действие электрические генераторы мощностью 75 кВт.

В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга.

Двигатели Стирлинга также используются в новейших японских подводных лодках.

Топливные элементы

Схема топливного элемента c протонообменной мембраной.

Топливный элемент (англ. Fuel cell) преобразует химическую энергию топлива (часто водорода) и окислителя (часто кислорода) в электричество с использованием окислительно-восстановительных реакций. Топливные элементы отличаются от батарей тем, что для поддержания химической реакции требуется постоянный источник энергии (и, следовательно, топлива), тогда как в батарее химическая энергия обычно поступает от веществ, которые уже присутствуют в батарее. Топливные элементы могут непрерывно вырабатывать электроэнергию до тех пор, пока поступают горючее и окислитель.

Первые топливные элементы были изобретены сэром Уильямом Гроувом (англ. Sir William Grove) в 1838 году. Первое коммерческое использование топливных элементов началось почти столетие спустя, после изобретения водородно–кислородного топливного элемента Фрэнсисом Томасом Бэконом (англ. Francis Thomas Bacon) в 1932 году.

Топливные элементы бывают разных типов, в том числе

• топливные элементы с протонообменной мембраной;
• кислотные топливный элементы на основе фосфорной кислоты;
• щелочные топливные элементы;
• высокотемпературные топливные элементы, с рабочими температурами 800-1000 °C.

Все типы топливных элементов имеют одинаковые конструктивные особенности:

• Вещество-электролит, которое обычно определяет тип топливного элемента и может быть изготовлено из ряда веществ, таких как гидроксид калия, карбонаты солей и фосфорная кислота.
• Используемое топливо. Наиболее распространенным топливом является водород и кислород.
• Анодный катализатор, обычно мелкодисперсный порошок платины, расщепляет топливо на электроны и ионы.
• Катодный катализатор, часто никелевый.
• Газодиффузионные слои, предназначенные для противодействия окислению.

Современные неатомные подводные лодки ряда стран используют топливные элементы в качестве вспомогательного источника энергии.

Подводные лодки типа 212 ВМС Германии и типа Salvatore Todaro ВМС Италии используют топливные элементы с протонообменной мембраной, позволяющие оставаться под водой неделями без необходимости всплывать.

AIP на субмаринах типа S-80 Plus ВМС Испании использует кислород и водород высокой чистоты, получаемый при разложении биоэтанола в специальных реакторах.

Китай также проводит исследования двигателей на топливных элементах для своих подводных лодок.

Литиевые батареи

Также существует тенденция к возвращению в современных проектах неатомных подводных лодок к традиционной дизель-электрической схеме с использованием более ёмких современных типов аккумуляторов (например, литий-полимерных или литий-ионных).

Примерами подводных лодок, использующих подобный подход, являются французские Shortfin Barracuda, которые должны были быть поставлены Австралии, или южнокорейские подлодки KSS-III Batch II.

Основным недостатком такой энергетической установки является её высокая стоимость.

Современные подводные лодки с AIP

По состоянию на 2017 год, около 10 стран строят подводные лодки AIP, и почти 20 стран эксплуатируют такие подводные лодки.

Место производства	Тип AIP	Изготовитель	Тип подводных лодок	Служба	Примечания
Германия	Топливный элемент	ThyssenKrupp Marine Systems	Тип Dolphin	Израиль	В эксплуатации
			Тип 209 модификации 1400	Республика Корея Греция Египет	В эксплуатации
			Тип 212	Норвегия Италия Германия	Норвегия планирует закупить четыре подводные лодки на базе типа 212 к 2025 году.
			Тип 214	Республика Корея Греция Португалия Турция	В общей сложности 13 в эксплуатации, 5 в стадии строительства, 8 запланировано
			Тип 218SG	Сингапур	Первые 2 лодки планируется ввести в эксплуатацию к 2023 году.
Швеция	Двигатель Стирлинга	Kockumsvarvet Malmö Sverige	Тип Gotland	Швеция	В эксплуатации
			Тип Archer	Сингапур	В эксплуатации
			Тип Södermanland	Швеция	В эксплуатации
			Тип Blekinge	Швеция	Строительство
Япония	Двигатель Стирлинга	Kawasaki Heavy Industries Kockumsvarvet Malmö Sverige	Тип Harushio	Япония	В эксплуатации
			Тип Sōryū	Япония	В эксплуатации
Франция	Паровая турбина замкнутого цикла	Naval Group	Тип Agosta–90B	Пакистан	В эксплуатации
Испания	Топливный элемент	Navantia	Тип S-80 Plus	Испания	Планируется установка
Индия	Топливный элемент	Defence Research and Development Organisation	Тип Kalvari	Индия	Планируется установка
Россия	Топливный элемент	Конструкторское бюро «Рубин» НИИСЭТ им. Крылова	Проект 677 «Лада»	Россия	Стадия подготовительных работ
Китай	Двигатель Стирлинга	China State Shipbuilding Corporation	Тип 039A	Китай	15 в эксплуатации, 5 в стадии строительства
			Тип 032	Китай	Экспериментальная подводная лодка
			Тип Hangor	Пакистан	Строительство
Корея	Топливный элемент	Hyundai Heavy Industries Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering	Тип KSS-III	Республика Корея	Испытания

См. также

• Двигатель Вальтера
• Двигатели Стирлинга на подводных лодках

Литература и источники информации

Литература

• В. А. Довыдовский, Р. В. Рюмин, А. Г. Чукарев Энергетические установки воздухонезависимых подводных аппаратов. — Молодой ученый. — 2016. — № 10 (114). — С. 183-187. URL: https://moluch.ru/archive/114/29436/.

Ссылки

• Двигатель Вальтера
• Анаэробный двигатель принцип работы и устройство
• Дизельные подлодки «Лада». Новый контракт ВМФ России
• ГТУ замкнутого и полузамкнутого циклов
• Подводные лодки проекта 615
• U212 / U214 Submarines^(англ.)
• Fuel cell^(англ.)
• Barracuda-class submarine (France)^(англ.)
• KSS-III submarine^(англ.)
• Air-independent propulsion^(англ.)

Галерея изображений

• 

  Экспериментальная подводная лодка U-1407 типа XVIIB с двигателем, работающим на основе «Цикла Вальтера».

• 

  Сверхмалая подводная лодка X-1 первоначально использовала двигатель Вальтера. Музей подводных сил, США.