Воздухонезависимая двигательная установка ( АИП ), или воздухонезависимая энергетическая установка , — это любая морская двигательная технология, позволяющая неатомной подводной лодке работать без доступа к атмосферному кислороду (всплывая на поверхность или используя трубку ). АИП может дополнить или заменить дизель-электрическую двигательную установку неатомных судов.
Современные неатомные подводные лодки потенциально более скрытны, чем атомные подводные лодки ; Хотя некоторые современные подводные реакторы спроектированы так, чтобы полагаться на естественную циркуляцию, большинство морских ядерных реакторов используют насосы для постоянной циркуляции теплоносителя реактора, создавая определенное количество заметного шума . [1] [2] С другой стороны, неатомные подводные лодки, работающие от батарей или AIP, могут практически бесшумно работать. Хотя конструкции с ядерными двигателями по-прежнему доминируют по времени погружения, скорости, дальности и характеристикам в глубоководном океане; Небольшие высокотехнологичные неатомные ударные подводные лодки могут быть высокоэффективными в прибрежных операциях и представлять значительную угрозу для менее скрытных и менее маневренных атомных подводных лодок. [3]
АИП обычно реализуется как вспомогательный источник с традиционным дизельным двигателем , обеспечивающим надводную тягу. Большинство таких систем вырабатывают электроэнергию, которая, в свою очередь, приводит в движение электродвигатель или заряжает аккумуляторы лодки . Электрическая система подводной лодки также используется для предоставления «гостиничных услуг» — вентиляции, освещения, отопления и т. д. — хотя это потребляет небольшое количество энергии по сравнению с энергией, необходимой для движения.
АИП может быть модернизирован в существующие корпуса подводных лодок путем установки дополнительной секции корпуса. AIP обычно не обеспечивает выносливости или мощности , которые могли бы заменить атмосферную двигательную установку, но обеспечивает большую автономность под водой , чем подводная лодка с традиционным двигателем. Типичная традиционная электростанция обеспечивает максимум 3 мегаватта , а источник AIP — около 10% от этой суммы. [ нужна цитата ] Мощность силовой установки атомной подводной лодки обычно намного превышает 20 мегаватт.
ВМС США используют классификационный индекс корпуса «SSP» для обозначения лодок с двигателем AIP, сохраняя при этом «SSK» для классических дизель-электрических ударных подводных лодок . [а]
При разработке подводной лодки постоянно сохранялась проблема поиска удовлетворительных форм движения под водой. Самые ранние подводные лодки были оснащены гребными винтами с ручным приводом, которые быстро расходовали воздух внутри; этим судам приходилось большую часть времени перемещаться по поверхности с открытыми люками или использовать какую-либо дыхательную трубку, что по своей сути опасно и приводило к ряду ранних аварий. Позже на судах с механическим приводом стали использовать сжатый воздух, пар или электричество, которые приходилось заряжать с берега или от бортового аэробного двигателя.
Самая ранняя попытка создания топлива, которое могло бы гореть анаэробно, была предпринята в 1867 году, когда испанский инженер Нарцисо Монтуриоль успешно разработал анаэробный или воздухонезависимый паровой двигатель с химическим приводом. [4] [5]
В 1908 году Императорский флот России спустил на воду подводную лодку «Почтовый» с бензиновым двигателем, питаемым сжатым воздухом и выхлопным газом под водой.
Эти два подхода: использование топлива, которое обеспечивает энергию для системы открытого цикла, и подача кислорода в аэробный двигатель в замкнутом цикле, характеризуют AIP сегодня.
Воздухонезависимая двигательная установка (неядерная) может принимать различные формы. Всем действующим в настоящее время подводным лодкам AIP для AIP требуется кислород [ необходимы разъяснения ] , который обычно хранится в виде жидкости (LOX). Дальность действия подводной лодки AIP в первую очередь ограничена количеством LOX, которое она может нести. [6]
Во время Второй мировой войны немецкая фирма Walter экспериментировала с подводными лодками, которые использовали концентрированную перекись водорода в качестве источника кислорода под водой. В них использовались паровые турбины , использующие пар, нагретый при сжигании дизельного топлива в атмосфере пара/кислорода, создаваемой разложением перекиси водорода катализатором на основе перманганата калия .
Было построено несколько экспериментальных лодок, но в жизнеспособные боевые корабли работа так и не превратилась. Одним из недостатков была нестабильность и нехватка используемого топлива. Во-вторых, хотя система обеспечивала высокую подводную скорость, она была расточительна с топливом; первой лодке, V-80 , требовалось 28 тонн топлива, чтобы пройти 50 морских миль (93 километра), и окончательный проект был немногим лучше.
После войны одна лодка Типа XVII, U -1407 , затопленная в конце Второй мировой войны , была спасена и вновь принята в состав Королевского флота как HMS Meteorite . В конце 1950-х годов британцы построили две улучшенные модели: HMS Explorer и HMS Excalibur . Метеорит не пользовался популярностью у экипажей, которые считали его опасным и нестабильным; она была официально описана как безопасная на 75%. [7] Репутация Экскалибура и Эксплорера была немногим лучше; лодки получили прозвища Excruciater и Exploder. [8]
Советский Союз также экспериментировал с этой технологией, и была построена одна экспериментальная лодка , на которой в двигателе Вальтера использовалась перекись водорода .
Соединенные Штаты также получили лодку типа XVII U-1406 и приступили к реализации двух проектов подводных лодок AIP. Проект SCB 66 разработал экспериментальную сверхмалую подводную лодку X-1 , которая была спущена на воду в сентябре 1955 года. Первоначально она была оснащена перекисью водорода/дизельным двигателем и аккумуляторной системой до взрыва ее запаса перекиси водорода 20 мая 1957 года. X-1 позже был переоборудован в дизель-электрический. [9] [10]
Вторым проектом ВМС США была полноразмерная подводная лодка AIP под номером SCB 67 в 1950 году, позже SCB 67A. Эта подводная лодка, получившая обозначение SSX, будет иметь одну из трех разрабатываемых двигательных установок: установку перекиси водорода открытого цикла Walther (названную Alton ), паровую установку с жидким кислородом (« Ellis ») и газовую турбину AIP (« Wolverine »). К концу 1951 года военно-морской флот осознал, что, хотя конкурирующие ядерные конструкции были тяжелее из-за защиты, они были более компактными, чем три установки AIP: SSX будет длиннее, чем SSN, почти на 40 футов. SSN, вероятно, будет тише и проще, чем технология AIP того времени. К 1952 году ядерные реакторы уже были в разработке, и казалось, что подводная лодка SSX не понадобится в качестве временного решения. Проект был отменен 26 октября 1953 года. [11]
СССР и Великобритания, единственные страны, которые, как известно, экспериментировали с этой технологией в то время, также отказались от нее, когда США разработали ядерный реактор, достаточно маленький для движения подводных лодок. Другие страны, в том числе Германия и Швеция, позже возобновят разработку AIP.
Он был сохранен для запуска торпед Великобританией и Советским Союзом, хотя первые поспешно отказались от него после трагедии HMS Sidon . И это, и гибель российской подводной лодки «Курск» произошли из-за аварий с торпедами, работающими на перекиси водорода.
В этой технологии используется подводный дизельный двигатель , который может работать обычным способом на поверхности, но при погружении в него также можно снабжать окислителем , обычно хранящимся в виде жидкого кислорода . Поскольку металл двигателя горит в чистом кислороде, кислород обычно разбавляют 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 М-класса был построен с использованием системы REDO, но ни одно из них не было построено до немецкого вторжения в 1941 году.
Во время Второй мировой войны немецкая Кригсмарине экспериментировала с такой системой в качестве альтернативы пероксидной системе Вальтера, разрабатывая варианты своей подводной лодки Типа XVII и своей сверхмалой подводной лодки типа XXVIIB Seehund , Типа XVIIK и Типа XXVIIK соответственно, хотя ни одна из них не была завершена. до окончания войны.
После войны СССР разработал небольшую 650-тонную подводную лодку класса «Квебек» , тридцать из которых были построены в период с 1953 по 1956 год. Они имели три дизельных двигателя: два обычных и один замкнутого цикла, работающий на жидком кислороде.
В советской системе, называемой «единой двигательной установкой», кислород добавлялся после фильтрации выхлопных газов через химический поглотитель на основе извести. Подводная лодка также могла запускать дизельный двигатель с помощью шноркеля. У «Квебека» было три приводных вала : дизель 32D мощностью 900 л.с. (670 кВт) на центральном валу и два дизеля М-50П мощностью 700 л.с. (520 кВт) на внешних валах. Кроме того, к центральному валу был соединен «ползучий» двигатель мощностью 100 л.с. (75 кВт). Лодку можно было развивать на малой скорости, используя только центральный дизель. [12]
Поскольку жидкий кислород не может храниться бесконечно, эти лодки не могли работать далеко от базы. Это было опасно; по меньшей мере семь подводных лодок пострадали от взрывов, а одна из них, М-256 , затонула в результате взрыва и пожара. Иногда их прозвали зажигалками. [13] Последняя подводная лодка, использующая эту технологию, была списана в начале 1970-х годов.
Бывшая подводная лодка U-1 типа 205 ВМС Германии ( спущена на воду в 1967 году) была оснащена экспериментальной установкой мощностью 3000 л.с. (2200 кВт).
Французскую систему MESMA (Module d'Energie Sous-Marin Autonome) предлагает французская верфь DCNS. MESMA доступна для подводных лодок класса Agosta 90B и Scorpène . По сути, это модифицированная версия их ядерной двигательной установки, в которой тепло вырабатывается за счет этанола и кислорода. В частности, традиционная паротурбинная электростанция приводится в действие паром, образующимся при сгорании этанола и запасенного кислорода под давлением 60 атмосфер . Такое сжигание под давлением позволяет выбрасывать выхлопной углекислый газ за борт на любой глубине без использования выхлопного компрессора.
Каждая система MESMA стоит около 50–60 миллионов долларов. Установленный на Scorpènes, он требует добавления к подводной лодке секции корпуса длиной 8,3 метра (27 футов) и массой 305 тонн, в результате чего подводная лодка может работать под водой более 21 дня, в зависимости от таких переменных, как скорость. [14] [15] На Agosta 90B система AIP позволяет подводной лодке работать 16 дней под водой и обеспечивает дальность действия 1400 морских миль (2600 км; 1600 миль). [6]
В статье в журнале Undersea Warfare Magazine отмечается: «Хотя MESMA может обеспечить более высокую выходную мощность, чем другие альтернативы, его собственная эффективность является самой низкой из четырех кандидатов AIP, и скорость потребления кислорода у него соответственно выше». [15]
Шведская судостроительная компания Kockums построила для ВМС Швеции три подводные лодки класса Gotland , оснащенные вспомогательным двигателем Стирлинга , который сжигает дизельное топливо с жидким кислородом и приводит в действие электрические генераторы мощностью 75 кВт для движения или зарядки аккумуляторов. Подводная автономность лодок водоизмещением 1500 тонн составляет около 14 дней на скорости 5 узлов (5,8 миль в час; 9,3 км / ч) с приблизительным запасом хода 1700 морских миль. [6]
Компания Kockums отремонтировала и модернизировала шведские подводные лодки класса Västergötland , установив секцию плагина Stirling AIP. Два ( Södermanland и Östergötland ) находятся на вооружении в Швеции как класс Södermanland , а два других находятся на вооружении в Сингапуре как класс Archer ( Archer и Swordsman ). [ нужна цитата ]
Kockums также поставляла двигатели Стирлинга в Японию. Десять японских подводных лодок были оснащены двигателями Стирлинга. Первая подводная лодка этого класса, Sōryū , была спущена на воду 5 декабря 2007 года и передана ВМФ в марте 2009 года. Одиннадцатая подводная лодка этого класса является первой подводной лодкой, оснащенной литий-ионными батареями без двигателя Стирлинга. [16] Эта подводная лодка может иметь дальность полета от AIP до 6500 морских миль и может оставаться под водой в течение 40 дней. [6]
Новая шведская подводная лодка класса Blekinge имеет систему Stirling AIP в качестве основного источника энергии. Автономность подводного плавания составит более 18 суток на скорости 5 узлов с использованием AIP. [ нужна цитата ]
Компания Siemens разработала топливный элемент мощностью 30–50 киловатт — устройство, преобразующее химическую энергию топлива и окислителя в электричество. Топливные элементы отличаются от батарей тем, что для поддержания химической реакции им требуется непрерывный источник топлива (например, водорода) и кислорода, которые транспортируются в резервуарах под давлением. Девять из этих единиц включены в состав подводной лодки U-31 компании Howaldtswerke Deutsche Werft AG водоизмещением 1830 тонн , головного корабля типа 212A ВМС Германии . Другие лодки этого класса и экспортные подводные лодки HDW, оснащенные AIP, класса Dolphin , Type 209 mod и Type 214 , используют два модуля мощностью 120 кВт (160 л.с.), также от Siemens. [17] Тип 212 может оставаться под водой в течение 21 дня; одна такая подводная лодка в 2016 году прошла путь длиной 1600 морских миль исключительно по AIP. [6]
После успеха Howaldtswerke Deutsche Werft AG в экспортной деятельности несколько строителей разработали вспомогательные установки на топливных элементах для подводных лодок, но по состоянию на 2008 год ни одна другая верфь не имеет контракта на постройку подводных лодок с таким оснащением. [ нужна цитата ]
AIP, реализованный на классе S-80 ВМС Испании, основан на процессоре биоэтанола (предоставленного Hynergreen из Абенгоа , ЮАР), состоящем из реакционной камеры и нескольких промежуточных реакторов Coprox, которые преобразуют BioEtOH в водород высокой чистоты. Выходная мощность питает серию топливных элементов компании Collins Aerospace (которая также поставляла топливные элементы для космического корабля "Шаттл" ).
В риформер подается биоэтанол в качестве топлива и кислород (хранящийся в виде жидкости в криогенном резервуаре высокого давления), в результате чего в качестве побочного продукта образуется водород. Произведенный водород и дополнительное количество кислорода подаются в топливные элементы . [18]
Китай исследует двигатели на топливных элементах для подводных лодок AIP. Сообщается, что Даляньский институт химической физики разработал двигатели на топливных элементах мощностью 100 кВт и 1000 кВт. [19]
Лаборатория исследования военно-морских материалов Индийской организации оборонных исследований и разработок в сотрудничестве с Larsen & Toubro и Thermax разработала топливный элемент на основе фосфорной кислоты (PAFC) мощностью 270 киловатт для питания подводных лодок класса «Кальвари» , основанных на конструкции Scorpène . Все шесть подводных лодок класса «Кальвари» будут оснащены AIP во время первой модернизации. Он производит электричество путем реакции с водородом, образующимся из борогидрида натрия , и запасенным кислородом с фосфорной кислотой, действующей в качестве электролита. [20] [21] [22]
Подводные лодки класса Tridente ВМС Португалии также оснащены топливными элементами.
Воздухонезависимая двигательная установка — это термин, обычно используемый в контексте улучшения характеристик подводных лодок с традиционными двигателями. Однако, как вспомогательный источник энергии, ядерная энергия подпадает под техническое определение AIP. Например, предложение использовать небольшой 200-киловаттный реактор для вспомогательной энергетики, названный AECL « ядерной батареей », могло бы улучшить подводные возможности канадских подводных лодок. [23] [24]
Ядерные реакторы используются с 1950-х годов для питания подводных лодок. Первой такой подводной лодкой стал военный корабль США « Наутилус» , введенный в эксплуатацию в 1954 году. Сегодня Китай , Франция , Индия , Россия , Великобритания и США являются единственными странами, которые успешно построили и успешно эксплуатируют атомные подводные лодки.
По состоянию на 2017 год около 10 стран строят подводные лодки AIP, и почти 20 стран эксплуатируют подводные лодки на базе AIP: