Двигатели Стирлинга на подводных лодках
Если немецкие специалисты развивают воздухонезависимые силовые установки на основе топливных элементов, то их шведские коллеги еще с 1960-х годов прорабатывают возможность применения на субмаринах двигателя Стирлинга. Этот тип двигателя был запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом еще в 1816 году. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Двигатель Стирлинга может преобразовывать в работу любую разницу температур.
Преимущества двигателя Стирлинга
От всех известных преобразователей энергии прямого цикла (дизелей, паровых и газовых турбин, карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, электрохимических генераторов и др.), которые могут использоваться в составе воздухонезависимых установок, двигатели Стирлинга выгодно отличаются целым рядом качеств, которые обуславливают перспективу их применения на подлодках. Это практическая бесшумность в работе из-за отсутствия взрывных процессов в цилиндрах двигателя и клапанного механизма газораспределения и достаточно плавного протекания рабочего цикла при относительно равномерном крутящем моменте, что напрямую влияет на акустическую скрытность подлодки. Высокий к, п. д. (до 40 %), что значительно выше соответствующего показателя лучших образцов дизелей и карбюраторных двигателей. Кроме того, возможность использования в качестве горючего нескольких типов углеводородного топлива (соляровое топливо, сжиженный природный газ, керосин и др.). Эксплуатация двигателей Стирлинга, работающих на традиционном топливе, не требует создания сложной береговой инфраструктуры (в отличие от электрохимических генераторов). Моторесурс современных двигателей Стирлинга составляет 20-50 тыс. часов, что в три — восемь раз превышает срок жизни топливных элементов (около 6 тыс. часов). При сроке эксплуатации ПЛ порядка 25-30 лет п рименение двигателей Стирлинга позволит сократить необходимое количество подводных лодок на 35-40 % по сравнению с потребным числом лодок с электрохимическими генераторами (из-за более высокой надежности).
Применение на субмаринах
Характеристики двигателя Стирлинга делают его весьма перспективным для применения на подводном флоте. Шведская фирма «Кокумс» уже несколько десятилетий работает в этой области. Еще в 1960-е годы высказывались предложения об установке двигателей Стирлинга на строившихся в то время субмаринах типа «Шеормен», но до этого не дошло — силовая установка потребовала гораздо больше времени на доводку.
Предложенная инженерами «Кокумс» схема реализации цикла Стирлинга предусматривает сжигание дизельного топлива в камере высокого давления. Окислителем служит кислород, хранящийся на подлодке в жидком виде. Давление в камере сгорания выше, чем давление воды снаружи субмарины, что позволяет удалять продукты сгорания в воду. В качестве рабочего тела выбрали гелий.
Результатом работы шведских специалистов стал двигатель, известный под обозначением 4V-275R. Впервые он был опробован на экспериментальной коммерческой субмарине «Сага», построенной во Франции в 1987 году по проекту фирмы «Комекс». Лодка подводным водоизмещением 545 т получила силовую установку, состоявшую из дизеля надводного хода мощностью 175 кВт и двух двигателей 4V-275R мощностью по 75 кВт. Привычный для дизель-электрических ПЛ электродвигатель подводного хода на «Саге» отсутствовал. Запас жидкого кислорода в криогенных емкостях составлял 6500 кг. Решение, примененное на «Саге», не годилось для боевых подлодок, поскольку маломощные двигатели Стирлинга не могли обеспечивать достаточно высокую скорость подводного хода. Однако такие двигатели могут устанавливаться в качестве вспомогательной силовой установки на дизель-электрических ПЛ, обеспечивая подзарядку аккумуляторов в подводном положении. Благодаря этому продолжительность пребывания субмарины под водой увеличивается до двух и более недель — в зависимости от запаса жидкого кислорода.
В 1988 году после переоборудования вернулась в строй ВМС Швеции ПЛ «Нэккен», получившая дополнительную секцию корпуса длиной 8 м, в которой установили два двигателя 4V-275R и емкости для жидкого кислорода. В 2001-2004 годах она находилась в аренде в ВМС Дании, после чего была выведена из боевого состава. В 2003-2004 годах аналогичной переделке (с установкой секции длиной 12 м) подверглись две ПЛ типа «Вестергетланд», а в 2009-2010 годах — еще две однотипные лодки, проданные Сингапуру. Ранее, в 1996 году, в состав ВМС Швеции вошли три ПЛ типа «Готланд» — первые, на которых двигатели Стирлинга были изначально предусмотрены проектом. Будут применены такие двигатели и на перспективных шведских ПЛ проекта А26.
Помимо Швеции, ПЛ с двигателями Стирлинга строятся в Японии. В 2002 году их установили на подлодке «Асасио» (типа «Харусио»), а с 2009 года вступают в строй серийные ПЛ нового типа «Сорю» (семь в строю, две строятся и две заказаны), на которых устанавливается по четыре двигателя 4V-275R.
