Воздухонезависимые энергоустановки стали важным направлением развития подводного кораблестроения
Еще 15 лет назад ученые и промышленность вели агитацию за внедрение воздухонезависимой энергетики на подводные лодки. Сегодня в мире уже накоплен опыт эксплуатации различных типов установок, который показывает, что востребованными оказались два типа – с двигателями Стирлинга и с электрохимическими генераторами (ЭХГ). Другие варианты остались «нишевыми» (турбина MESMA компании DCNS) или так и не вышли из лабораторий. Российские военные моряки и проектанты выбрали установку с ЭХГ, сделав ставку на простоту и безопасность эксплуатации, а также невысокие требования к системе базирования.
Воздухонезависимая энергетическая установка (ВНЭУ) повышает скрытность подлодки, но платой за это становится рост стоимости корабля и всего его жизненного цикла, повышение требований к инфраструктуре и подготовке экипажей, и это отнюдь не полный список. Ни одна из сегодняшних ВНЭУ не является идеальной во всех аспектах – каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Флот каждой страны по-разному относится к этим «плюсам и минусам» – ведь каждый флот решает свои задачи, действует в своих условиях и, самое главное, имеет разные финансовые возможности. Это приводит к спросу на корабли с разными типами ВНЭУ и даже на подлодки вовсе без ВНЭУ.
СТИРЛИНГ
ВНЭУ с двигателем Стирлинга – сравнительно простая установка, использующая типовое для подлодок дизельное топливо и жидкий кислород. Создание установки от замысла до реализации на боевой подлодке потребовало менее 15 лет.
Установку нельзя считать идеальной по скрытности, но она вполне адекватна особенностям Балтийского моря. Его сложная география и интенсивное судоходство делают ненужным снижение акустического поля подлодки до абсолютного минимума, а «теснота» Балтики требует создания небольших кораблей, которым как раз подходят не очень мощные двигатели Стирлинга. Видимо, по этим же причинам шведские подлодки были в свое время выбраны ВМС Сингапура: условия в Малаккском проливе и прилежащих к нему акваториях весьма схожи с балтийскими.
Причины приобретения Японией лицензии на шведскую ВНЭУ менее очевидны. Японские подлодки действуют не только во внутренних морях, но и в океане. Трудно предположить, что японские компании не справились бы с созданием ВНЭУ и инфраструктуры, да и военный бюджет Японии нельзя назвать чрезвычайно ограниченным, однако Морские силы самообороны Японии предпочли лицензировать существующую установку, а не разрабатывать собственную. В результате малая мощность двигателей Стирлинга заставила японских проектантов «умножить ВНЭУ на два» – на более крупных японских подлодках установка состоит из четырех двигателей, а не из двух, как на шведских.
ЭХГ
Второй тип ВНЭУ, электрохимические генераторы, прочно ассоциируется с германскими проектами подлодок типов 212А и 214. Немецкие проектанты создали подлодку с почти что «абсолютной» ВНЭУ – бесшумной, низкотемпературной, на выходе процесса – обычная вода. Плата за это – сложность и высокая стоимость установки, существенный рост размеров корабля, высокие требования к береговой инфраструктуре.
Процесс создания этой ВНЭУ оказался весьма длительным. От начала работы до сдачи боевого корабля прошло более 25 лет, и это несмотря на давно и целенаправленно идущие в Европе работы по внедрению водородной энергетики во все сферы техники.
Основной вопрос установок с ЭХГ – хранение водорода. Выбранное германскими проектантами интерметаллидное хранение водорода (хранение водорода в сплаве металла) позволяет обеспечить высокую безопасность, но требует больших весов и объемов, что не позволяет создавать лодки с большой подводной автономностью – для лодок типов 212А она составляет около двух недель. Впрочем, для ВМС Германии и Италии, действующих на Балтике, в Северном море и в Средиземноморье, эта величина вполне достаточна. Германские и итальянские субмарины большую часть времени действуют в условиях господства на море союзных сил, в силу чего они могут использовать скрытные режимы ВНЭУ не постоянно, а лишь при необходимости.
Аналогичную ВНЭУ имеют экспортные лодки типа 214. Их подводная автономность оказалась вполне достаточной для Португалии, Греции и Турции, чьи ВМС действуют в тех же условиях Средиземноморья. Страны Европы, которые покупают подлодки с такой установкой, с одной стороны, могут опираться на уже созданную инфраструктуру производства и хранения водорода, а с другой – новые пользователи эту инфраструктуру расширяют.
В Восточной Азии подлодки типа 214 и германскую версию ВНЭУ выбрали пока только ВМС Южной Кореи. Замкнутый театр, сравнительно небольшие отстояния районов патрулирования от собственных баз, наличие крупных собственных и союзных сил – все это имеет много общего с ситуацией в Средиземном море.
Таким образом, ВНЭУ с ЭХГ и интерметаллидным хранением водорода имеет множество преимуществ с «лодочной» точки зрения, но не позволяет создавать подлодки с подводной автономностью свыше двух недель и требует наличия дорогостоящей водородной инфраструктуры.
U214 Son Won-Il, оснащенной ВНЭУ.
Фото со страницы Республики Корея в Flickr
ТИПЫ РИФОРМИНГА
Указанные выше проблемы заставили разработчиков искать новые решения. Одним из ответов стало хранение водорода в виде химических соединений с последующим расщеплением этих соединений и извлечением из них водорода (риформингом). Наиболее известны риформинг спиртов (метилового и этилового) и дизельного топлива. Передача на подлодку и хранение на ее борту этих жидкостей значительно проще, чем водорода.
Получение водорода из спиртов достаточно несложно, этот процесс дает мало углекислого газа (выхлопа). Однако метиловый спирт ядовит, да и этиловый спирт, по замечанию опытного германского подводника, «представляет для экипажа не меньшую угрозу, чем метиловый». Цистерны, арматура и трубопроводы со спиртом требуют тщательной герметизации и контроля как при эксплуатации, так и при погрузке этого топлива. Для использования спиртов необходима дорогостоящая береговая инфраструктура.
С точки зрения эксплуатации наиболее привлекателен риформинг дизельного топлива. Дизельное топливо на подлодках используется давно, оно недорого и вполне безопасно, все военно-морские базы мира имеют нужную инфраструктуру. На лодке хранится всего один вид топлива – как для дизель-генераторов (при их наличии), так и для ВНЭУ. Это ощутимая экономия, потому что за 30 лет службы корабля расходы на топливо «съедают» львиную долю эксплуатационных затрат.
Однако эти преимущества не даются даром. Риформинг дизельного топлива требует наибольшего расхода кислорода, он идет при самых высоких температурах и дает наибольшее количество выхлопа, а получаемый водород нужно тщательно очищать. Есть некоторое сходство с ядерным реактором – ядерная установка также весьма сложна, но она является «единым двигателем» и дает подлодке самые большие возможности.
РАБОТЫ ПО РИФОРМИНГУ
Компания HDW начала работы по установкам риформинга еще в 90-е годы прошлого века, в их результате был создан опытный образец риформера метанола. Но размер этой установки не позволял безболезненно интегрировать ее в корабли существующих проектов, а экономический кризис заставил ВМС Германии отказаться от финансирования этого проекта. Сегодня компания TKMS (наследник HDW) продолжает работы по этому риформеру для экспортных лодок типа 216. Финансовые кризисы существенно влияют на судьбу новой техники, а реализация перспективных разработок зависит от возможности найти зарубежного заказчика.
Весьма амбициозный испанский проект подводной лодки S-80 («Isaac Peral») основан на использовании ЭХГ и риформера этилового спирта. Испанские проектанты успешно создали широкую мировую кооперацию и получили вполне обнадеживающие первые результаты, в том числе работающий стендовый образец риформера малой мощности. Однако ряд проблем в проекте самой подлодки и неизбежные сложности при переходе от стендовых образцов к реальной технике привели к срыву сроков реализации проекта. Это, в свою очередь, создало проблему с его финансированием. Будет ли этот проект реализован – еще предстоит увидеть. Интересно отметить, что ВМС Испании пошли путем разработки оригинального проекта лодки, включая создание «с нуля» установки риформинга этанола со всеми вытекающими сложностями, тогда как ВМС Португалии предпочли купить готовые субмарины типа 214. Ближайшие соседи, оказывается, могут иметь заметно разные ценности.
В 2014 году компания DCNS объявила о создании и успешных испытаниях стендового образца «ЭХГ второго поколения» с риформером дизельного топлива. Эта установка предлагается для подлодок типа «Scorpene» – считается, что ее применение доведет подводную автономность этих лодок до трех недель и более. Другой проект DCNS, более крупная субмарина, известная под именами «SMX Ocean» и «Shortfin Barracuda», был выбран ВМС Австралии для своей программы SEA-1000. Экспортный заказ, вероятно, позволит компании DCNS довести свою ВНЭУ до работоспособного состояния.
В Индии также ведутся работы по созданию ВНЭУ на основе риформинга боргидрида натрия для подводных лодок типа «Kalvari».
Военно-морской флот России еще в 90-х годах сделал выбор в пользу ЭХГ, а в 2008 году – в пользу системы риформинга дизельного топлива. Условия, в которых действуют российские подлодки, заметно отличаются от европейских. Это открытые театры (Северный и Тихоокеанский), десяток баз подлодок на значительном расстоянии друг от друга, в том числе в малообжитых районах с суровым климатом. Отсюда и требование к снижению затрат на создание и содержание инфраструктуры. Лодки далеко уходят от баз и большую часть времени находятся под угрозой со стороны многочисленного и умелого противника, то есть должны длительно находиться в скрытных режимах. Все эти проблемы может решить только риформинг дизтоплива.
Правда, экономический кризис 90-х, а также то, что острой необходимости во ВНЭУ не было, – у российского флота есть атомные подводные лодки, ядерный реактор можно считать «идеальной ВНЭУ» – замедлили создание анаэробной установки. Однако в середине нулевых эти работы возобновились. Как заявил в конце ноября главком ВМФ РФ Владимир Королев, «мы продолжаем работу над двигательной установкой воздухонезависимого типа, это наша перспектива, наше будущее».
