Воздухонезависимая энергетическая установка подводных лодок

Введение

Система движителя для подводных лодок, работающая без доступа к атмосферному кислороду

Воздухонезависимая энергетическая установка (AIP), или воздухонезависимая силовая установка, – это любая технология морского движителя, позволяющая неатомной подводной лодке функционировать без доступа к атмосферному кислороду (путем всплытия или использования шноркеля). AIP может дополнять или заменять дизель-электрическую систему движителя неатомных судов. Современные неатомные подводные лодки потенциально более скрытны, чем атомные; хотя некоторые современные ядерные реакторы спроектированы для использования естественной циркуляции, большинство военно-морских ядерных реакторов используют насосы для постоянной циркуляции теплоносителя реактора, создавая определенный уровень обнаруживаемого шума. Неатомные подводные лодки, работающие на аккумуляторных батареях или AIP, напротив, могут быть практически бесшумными. В то время как атомные энергетические установки по-прежнему доминируют по времени погружения, скорости, дальности и характеристикам в глубоководных условиях, небольшие высокотехнологичные неатомные ударные подводные лодки могут быть весьма эффективны в прибрежных операциях и представлять значительную угрозу для менее скрытных и менее маневренных атомных подводных лодок. AIP обычно реализуется как вспомогательный источник, при этом традиционный дизельный двигатель обеспечивает движение на поверхности. Большинство таких систем генерируют электроэнергию, которая, в свою очередь, приводит в движение электродвигатель для движителя или заряжает аккумуляторы лодки. Электрическая система подводной лодки также используется для обеспечения "бытовых нужд" – вентиляции, освещения, отопления и т.д. – хотя это потребляет небольшое количество энергии по сравнению с энергией, необходимой для движителя. AIP может быть установлено на существующие корпуса подводных лодок путем вставки дополнительной секции корпуса. AIP обычно не обеспечивает выносливость или мощность, достаточную для замены движителя, зависимого от атмосферного кислорода, но позволяет увеличить время пребывания под водой по сравнению с подводной лодкой с традиционной движительной установкой. Типичная традиционная электростанция обеспечивает максимум 3 мегаватт, а источник AIP – около 10% от этой мощности. Мощность атомной подводной лодки обычно намного превышает 20 мегаватт. ВМС США используют классификационный символ корпуса "SSP" для обозначения лодок, работающих на AIP, сохраняя при этом "SSK" для классических дизель-электрических ударных подводных лодок.

Air independent propulsion (AIP), or air independent power, is any marine propulsion technology that allows a non nuclear submarine to operate without access to atmospheric oxygen (by surfacing or using a snorkel). AIP can augment or replace the diesel electric propulsion system of non nuclear vessels. Modern non nuclear submarines are potentially stealthier than nuclear submarines; although some modern submarine reactors are designed to rely on natural circulation, most naval nuclear reactors use pumps to constantly circulate the reactor coolant, generating some amount of detectable noise. Non nuclear submarines running on battery power or AIP, on the other hand, can be virtually silent. While nuclear powered designs still dominate in submergence times, speed, range and deep ocean performance; small, high tech non nuclear attack submarines can be highly effective in coastal operations and pose a significant threat to less stealthy and less maneuverable nuclear submarines. AIP is usually implemented as an auxiliary source, with the traditional diesel engine handling surface propulsion. Most such systems generate electricity, which in turn drives an electric motor for propulsion or recharges the boat's batteries. The submarine's electrical system is also used for providing "hotel services"—ventilation, lighting, heating etc.—although this consumes a small amount of power compared to that required for propulsion. AIP can be retrofitted into existing submarine hulls by inserting an additional hull section. AIP does not typically provide the endurance or power to replace atmospheric dependent propulsion, but allows for longer underwater endurance than a conventionally propelled submarine. A typical conventional power plant provides 3 megawatts maximum, and an AIP source around 10% of that. A nuclear submarine's propulsion plant is usually much greater than 20 megawatts. The United States Navy uses the hull classification symbol "SSP" to designate boats powered by AIP, while retaining "SSK" for classic diesel electric attack submarines.

История

В разработке подводных лодок проблема поиска удовлетворительных способов передвижения под водой оставалась постоянной. Самые ранние подводные лодки приводились в движение вручную, с помощью рукоятки, вращающей винт, что быстро истощало воздух внутри; этим судам приходилось большую часть времени передвигаться на поверхности с открытыми люками или использовать какую-либо форму дыхательной трубки, что было по своей сути опасно и приводило к ряду ранних аварий. Позже механически приводимые в движение суда использовали сжатый воздух, пар или электричество, которые требовали подзарядки от берега или от бортового двигателя, работающего на кислороде. Первая попытка создать топливо, способное гореть без доступа кислорода, была предпринята в 1867 году, когда испанский инженер Нарсисо Монтуриол успешно разработал химически управляемый анаэробный, или воздухонезависимый, паровой двигатель. В 1908 году Императорский Российский флот спустил на воду подводную лодку "Почтовый", которая использовала бензиновый двигатель, работающий на сжатом воздухе и выпускающий выхлопные газы под водой. Эти два подхода – использование топлива, обеспечивающего энергией систему открытого цикла, и подача кислорода к двигателю, работающему на кислороде, в системе замкнутого цикла – и сегодня характеризуют воздухонезависимую энергетическую установку (AIP).

Типы

Не зависимое от воздуха движение (неядерное) может принимать различные формы. Все современные подводные лодки с воздухонезависимой энергетической установкой (ВНЭУ) требуют кислорода для работы ВНЭУ, который обычно хранится в жидком виде (LOX). Дальность плавания подводных лодок с ВНЭУ в первую очередь ограничена количеством LOX, которое они могут нести. Репутация подводных лодок Excalibur и Explorer была не лучше; их прозвали Excruciater и Exploder. Советский Союз также экспериментировал с этой технологией и построил один экспериментальный корабль, использовавший перекись водорода в двигателе Уолтера. Соединенные Штаты также получили подводную лодку типа XVII, U 1406, и приступили к двум проектам подводных лодок с ВНЭУ. Проект SCB 66 разработал экспериментальную миниатюрную подводную лодку X 1, которая была спущена на воду в сентябре 1955 года. Первоначально она была оснащена двигателем, работающим на перекиси водорода и дизельном топливе, а также аккумуляторной системой, пока 20 мая 1957 года не произошел взрыв запасов перекиси водорода. Позже X 1 была переоборудована в дизель-электрическую. Второй проект ВМС США представлял собой полноразмерную подводную лодку с ВНЭУ в рамках SCB 67 в 1950 году, позднее SCB 67A. Эта подводная лодка, обозначенная SSX, должна была получить одну из трех разрабатываемых энергетических установок: установку с открытым циклом на перекиси водорода Уолтера (под названием Alton), установку на жидком кислороде, производящую пар (Ellis), и газовую турбину с ВНЭУ (Wolverine). К концу 1951 года ВМС пришли к выводу, что, хотя конкурирующие ядерные проекты были тяжелее из-за экранирования, они были более компактными, чем три установки ВНЭУ: SSX была бы длиннее SSN почти на 40 футов. SSN, вероятно, была бы тише и менее сложной, чем технология ВНЭУ того времени. К 1952 году разработка ядерных реакторов продвинулась настолько, что необходимость в SSX как во временном решении отпала. Проект был отменен 26 октября 1953 года. СССР и Великобритания, единственные другие страны, известные своими экспериментами с этой технологией в то время, также отказались от нее, когда США разработали ядерный реактор, достаточно маленький для использования на подводных лодках. Другие страны, включая Германию и Швецию, позже возобновили разработку ВНЭУ. Она была сохранена для привода торпед британцами и Советским Союзом, хотя первые поспешно отказались от нее после трагедии. И это, и гибель российской подводной лодки "Курск" были вызваны авариями с торпедами, работающими на перекиси водорода.

Air independent propulsion (non nuclear) can take various forms. All currently active AIP submarines require oxygen for AIP, which is commonly stored as a liquid (LOX). AIP submarine range is primarily limited by the amount of LOX it can carry. The reputations of Excalibur and Explorer were little better; the boats were nicknamed Excruciater and Exploder. The Soviet Union also experimented with the technology and one experimental boat was built which utilized hydrogen peroxide in a Walter engine. The United States also received a Type XVII boat, U 1406, and went on to begin two AIP submarine projects. Project SCB 66 developed an experimental midget submarine, X 1, which was launched in September 1955. It was originally powered by a hydrogen peroxide/diesel engine and battery system until an explosion of her hydrogen peroxide supply on 20 May 1957. X 1 was later converted to a diesel electric. The second U. S. Navy project was of a full sized AIP submarine under SCB 67 in 1950, later SCB 67A. This submarine, designated SSX, would have one of three propulsion plants under development: a Walther open cycle hydrogen peroxide plant (termed Alton), a liquid oxygen steam plant (Ellis), and an AIP gas turbine (Wolverine). By late 1951 the Navy realized that while the competing nuclear designs were heavier due to shielding, they were more compact than the three AIP plants: the SSX would be longer than the SSN by nearly 40 feet. The SSN would likely be quieter and less complicated than the AIP technology of this time. By 1952 the nuclear reactors were so far along in development it appeared that the SSX submarine would not be needed as a stopgap. The project was cancelled on 26 October 1953. The USSR and the UK, the only other countries known to be experimenting with the technology at that time, also abandoned it when the US developed the nuclear reactor small enough for submarine propulsion. Other nations, including Germany and Sweden, would later recommence AIP development. It was retained for propelling torpedoes by the British and the Soviet Union, although hastily abandoned by the former following the tragedy. Both this and the loss of the Russian submarine Kursk were due to accidents involving hydrogen peroxide propelled torpedoes.

Дизлевые двигатели с замкнутым циклом

Эта технология использует подводный дизельный двигатель, который может работать в обычном режиме на поверхности, но при погружении может снабжаться окислителем, обычно хранящимся в виде жидкого кислорода. Поскольку металл двигателя горел бы в чистом кислороде, кислород обычно разбавляется переработанными выхлопными газами. Аргон заменяет выхлопные газы при запуске двигателя. В конце 1930-х годов Советский Союз экспериментировал с двигателями замкнутого цикла, и ряд небольших судов класса М был построен с использованием системы REDO, но ни одно из них не было завершено до немецкого вторжения в 1941 году. Во время Второй мировой войны немецкий военно-морской флот экспериментировал с подобной системой как альтернативой системе пероксида Уолтера, разрабатывая варианты своих подводных лодок типа XVII U и карманных подводных лодок типа XXVIIB Seehund, соответственно, типа XVIIK и типа XXVIIK, хотя ни одна из них не была завершена до конца войны. После войны СССР разработал небольшую 650-тонную подводную лодку, из которых тридцать были построены в период с 1953 по 1956 год. Они были оснащены тремя дизельными двигателями – два обычных и один замкнутого цикла, работающий на жидком кислороде. В советской системе, называемой "единой пропульсивной системой", кислород добавлялся после фильтрации выхлопных газов через химический абсорбент на основе извести. Подводная лодка также могла работать на дизельном топливе, используя шноркель. Подводный корабль "Квебек" имел три вала: дизель 32D на центральном валу и два дизеля M 50P на внешних валах. Кроме того, к центральному валу был присоединен двигатель малого хода ("creep" motor). Корабль мог двигаться на малой скорости, используя только центральный дизель. Поскольку жидкий кислород нельзя хранить неограниченно долго, эти лодки не могли действовать далеко от базы. Это было опасно: по меньшей мере семь подводных лодок пострадали от взрывов, и одна из них, советская подводная лодка М 256, затонула после взрыва и пожара. Их иногда называли "зажигалками". Последняя подводная лодка, использующая эту технологию, была списана в начале 1970-х годов. Бывшая подводная лодка немецкого флота типа 205, немецкая подводная лодка U 1 (спущена на воду в 1967 году), была оснащена экспериментальным блоком.

This technology uses a submarine diesel engine which can be operated conventionally on the surface, but which can also be provided with oxidant, usually stored as liquid oxygen, when submerged. Since the metal of an engine would burn in pure oxygen, the oxygen is usually diluted with recycled exhaust gas. Argon replaces exhaust gas when the engine is started. In the late 1930s the Soviet Union experimented with closed cycle engines, and a number of small M class vessels were built using the REDO system, but none were completed before the German invasion in 1941. During World War II the German Kriegsmarine experimented with such a system as an alternative to the Walter peroxide system, designing variants of their Type XVII U boat and their Type XXVIIB Seehund midget submarine, the Type XVIIK and Type XXVIIK respectively, though neither was completed before the war's end. After the war the USSR developed the small 650 ton submarine, of which thirty were built between 1953 and 1956. These had three diesel engines—two were conventional and one was closed cycle using liquid oxygen. In the Soviet system, called a "single propulsion system", oxygen was added after the exhaust gases had been filtered through a lime based chemical absorbent. The submarine could also run its diesel using a snorkel. The Quebec had three drive shafts: a 32D diesel on the centre shaft and two M 50P diesels on the outer shafts. In addition a "creep" motor was coupled to the centre shaft. The boat could be run at slow speed using the centreline diesel only. Because liquid oxygen cannot be stored indefinitely, these boats could not operate far from a base. It was dangerous; at least seven submarines suffered explosions, and one of these, Soviet submarine M 256, sank following an explosion and fire. They were sometimes nicknamed cigarette lighters. The last submarine using this technology was scrapped in the early 1970s. The German Navy's former Type 205 submarine German submarine U 1 (launched 1967) was fitted with an experimental unit.

Парные турбины с замкнутым циклом

Французская система MESMA (Module d'Energie Sous Marin Autonome) предлагается французской верфью DCNS. MESMA доступна для подводных лодок Agosta 90B и . Это, по сути, модифицированная версия их ядерной энергетической установки, в которой тепло генерируется за счет этанола и кислорода. В частности, обычная паровая турбинная установка приводится в действие паром, образующимся при сжигании этанола и кислорода, хранящегося под давлением 60 атмосфер. Такое сжигание позволяет выбрасывать углекислый газ за борт на любой глубине без использования выхлопного компрессора. Каждая система MESMA стоит около 50–60 миллионов долларов. При установке на подводные лодки типа Scorpène требуется добавление 305-тонного секции корпуса, что обеспечивает подводной лодке возможность действовать под водой более 21 дня, в зависимости от таких факторов, как скорость. В статье в журнале Undersea Warfare Magazine отмечается: «хотя MESMA может обеспечивать более высокую выходную мощность, чем другие альтернативы, ее собственная эффективность является самой низкой среди четырех кандидатов на AIP, а скорость потребления кислорода соответственно выше». Эта подводная лодка может иметь дальность действия до 6500 морских миль при использовании AIP и оставаться под водой до 40 дней. Подводные лодки типа 212 могут оставаться под водой в течение 21 дня; одна из таких подводных лодок в 2016 году совершила 1600-мильный переход исключительно на AIP. Китай проводит исследования двигателей на топливных элементах для подводных лодок с AIP. Сообщается, что Даляньский институт химической физики разработал топливные элементы мощностью 100 кВт и 1000 кВт. Лаборатория исследований военно-морских материалов Индийской организации оборонных исследований и разработок в сотрудничестве с Larsen & Toubro и Thermax разработала 270-киловаттный топливный элемент на фосфорной кислоте (PAFC) для питания , которые основаны на конструкции. Все шесть подводных лодок класса "Калвари" будут оснащены AIP во время их первой модернизации. Электричество вырабатывается в результате реакции водорода, полученного из боргидрида натрия, и запасенного кислорода, при этом фосфорная кислота выступает в качестве электролита. Подводные лодки португальского ВМФ также оснащены топливными элементами.

The French MESMA (Module d'Energie Sous Marin Autonome) system is offered by French shipyard DCNS. MESMA is available for the Agosta 90B and s. It is essentially a modified version of their nuclear propulsion system with heat generated by ethanol and oxygen. Specifically, a conventional steam turbine power plant is powered by steam generated from the combustion of ethanol and stored oxygen at a pressure of 60 atmospheres. This pressure firing allows exhaust carbon dioxide to be expelled overboard at any depth without an exhaust compressor. Each MESMA system costs around $50–60 million. As installed on the Scorpènes, it requires adding an , 305 tonne hull section to the submarine, and results in a submarine able to operate for greater than 21 days underwater, depending on variables such as speed. On the Agosta 90B, the AIP system allows the submarine to operate 16 days under water and gives it a range of
An article in Undersea Warfare Magazine notes that: "although MESMA can provide higher output power than the other alternatives, its inherent efficiency is the lowest of the four AIP candidates, and its rate of oxygen consumption is correspondingly higher." This submarine may have a range from AIP of 6500 nautical miles and can remain submerged for 40 days. The Type 212 can remain submerged for 21 days; one such submarine conducted a 1600 nautical mile journey solely on AIP in 2016. China has been researching fuel cell engines for AIP submarines. The Dalian Institute of Chemical Physics reportedly developed 100 kW and 1000 kW fuel cell engines. The Naval Materials Research Laboratory of Indian Defence Research and Development Organisation in collaboration with Larsen & Toubro and Thermax has developed a 270 kilowatt phosphoric acid fuel cell (PAFC) to power the s, which are based on the design. All six Kalvari class submarines will be retrofitted with AIP during their first upgrade. It produces electricity by reacting with hydrogen generated from sodium borohydride and stored oxygen with phosphoric acid acting as an electrolyte. The Portuguese Navy s are also equipped with fuel cells.

Ядерная энергия

Воздушно-независимый двигатель – это термин, обычно используемый в контексте повышения эффективности подводных лодок с традиционной силовой установкой. Однако, как вспомогательный источник питания, ядерная энергия соответствует техническому определению ВНД. Например, предложение использовать небольшой 200-киловаттный реактор для вспомогательных нужд, обозначенное AECL как "ядерная батарея", может улучшить возможности канадских подводных лодок под ледом. Ядерные реакторы используются для привода подводных лодок с 1950-х годов. Первой такой подводной лодкой была USS Nautilus, вступившая в строй в 1954 году. На сегодняшний день Китай, Франция, Индия, Россия, Великобритания и Соединенные Штаты – единственные страны, успешно построившие и эксплуатирующие атомные подводные лодки.