Воздухонезависимая двигательная установка ( AIP ) или воздухонезависимая энергетическая установка — это любая технология морского двигателя , которая позволяет неатомной подводной лодке работать без доступа к атмосферному кислороду (путем всплытия или использования шноркеля ). AIP может дополнять или заменять дизель-электрическую двигательную установку неатомных судов.
Современные неатомные подводные лодки потенциально более скрытны, чем атомные подводные лодки ; хотя некоторые современные реакторы подводных лодок спроектированы так, чтобы полагаться на естественную циркуляцию, большинство морских ядерных реакторов используют насосы для постоянной циркуляции охлаждающей жидкости реактора, создавая некоторое количество обнаруживаемого шума . [1] [2] Неатомные подводные лодки, работающие от аккумуляторов или AIP, с другой стороны, могут быть практически бесшумными. В то время как конструкции с ядерными двигателями по-прежнему доминируют по времени погружения, скорости, дальности и глубоководным характеристикам, 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. [3]
AIP обычно реализуется как вспомогательный источник, с традиционным дизельным двигателем, управляющим поверхностным движением. Большинство таких систем генерируют электроэнергию, которая в свою очередь приводит в действие электродвигатель для движения или подзаряжает батареи 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 той, которая требуется для движения.
AIP можно модернизировать в существующие корпуса подводных лодок , вставив дополнительную секцию корпуса. AIP обычно не обеспечивает выносливость или мощность, необходимые для замены атмосферно-зависимой движительной установки, но обеспечивает большую выносливость под водой , чем у обычной подводной лодки. Типичная обычная электростанция обеспечивает максимум 3 мегаватта , а источник AIP — около 10% от этого. [ необходима цитата ] Мощность энергетической установки атомной подводной лодки обычно намного больше 20 мегаватт.
Военно-морские силы США используют обозначение корпуса «SSP» для обозначения лодок, работающих на воздушной нагнетательной установке, сохраняя при этом обозначение «SSK» для классических дизель-электрических ударных подводных лодок . [a]
В ходе развития подводной лодки проблема поиска удовлетворительных форм движения под водой была постоянной. Самые ранние подводные лодки приводились в движение человеком с ручными винтами, которые быстро расходовали воздух внутри; этим судам приходилось большую часть времени двигаться на поверхности с открытыми люками или использовать какую-либо форму дыхательной трубки, что было по своей сути опасно и приводило к ряду ранних аварий. Позднее суда с механическим приводом использовали сжатый воздух или пар, или электричество, которые нужно было подзаряжать с берега или от бортового аэробного двигателя.
Самая ранняя попытка получить топливо, которое бы горело анаэробно, была в 1867 году, когда испанский инженер Нарцисо Монтуриоль успешно разработал химический анаэробный или воздухонезависимый паровой двигатель. Двигатель работал на смеси хлората калия и цинка, которые реагировали, выделяя тепло и, что удобно, кислород. [4] [5]
В 1908 году Российский императорский флот спустил на воду подводную лодку «Почтовый» , в которой использовался бензиновый двигатель, работавший на сжатом воздухе и выпускавший отработанные газы под водой.
Эти два подхода — использование топлива, обеспечивающего энергией систему открытого цикла, и обеспечение кислородом аэробного двигателя в замкнутом цикле — характеризуют AIP сегодня.
Воздухонезависимая тяга (неатомная) может принимать различные формы. Все действующие в настоящее время подводные лодки AIP требуют кислорода для AIP, [ необходимо уточнение ], который обычно хранится в виде жидкости (LOX). Дальность 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 высококонцентрированную перекись водорода в качестве источника кислорода под водой. Они использовали паровые турбины , применяя пар, нагреваемый путем сжигания дизельного топлива в пароводяной/кислородной атмосфере, создаваемой разложением перекиси водорода катализатором перманганатом калия .
Было построено несколько экспериментальных лодок, хотя работа не переросла в жизнеспособные боевые суда. Одним из недостатков была нестабильность и дефицит используемого топлива. Другим было то, что хотя система обеспечивала высокую подводную скорость, она была расточительна в отношении топлива; первой лодке, V-80 , требовалось 28 тонн топлива, чтобы пройти 50 морских миль (93 километра), а окончательные проекты были немногим лучше.
После войны одна лодка типа XVII, U-1407 , которая была затоплена в конце Второй мировой войны , была спасена и повторно введена в состав Королевского флота как HMS Meteorite . Британцы построили две улучшенные модели в конце 1950-х годов, HMS Explorer и HMS Excalibur . Meteorite не пользовалась популярностью у своих экипажей, которые считали ее опасной и нестабильной; официально она была описана как на 75% безопасная. [7] Репутация Excalibur и Explorer была ненамного лучше; лодки получили прозвища Excruciater и Exploder. [8]
Советский Союз также экспериментировал с этой технологией, и была построена одна экспериментальная лодка , в которой использовалась перекись водорода в двигателе Вальтера .
Соединенные Штаты также получили лодку типа XVII, U-1406 , и приступили к двум проектам 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 двигателем на перекиси водорода/дизелем и аккумуляторной системой до взрыва ее запаса перекиси водорода 20 мая 1957 года. Позднее X-1 была преобразована в дизель-электрическую. [9] [10]
Вторым проектом ВМС США была полноразмерная подводная лодка AIP под SCB 67 в 1950 году, позже SCB 67A. Эта подводная лодка, обозначенная как SSX, должна была иметь одну из трех разрабатываемых пропульсивных установок: установку Walther с открытым циклом перекиси водорода (названную Alton ), паровую установку с жидким кислородом ( Ellis ) и газовую турбину AIP ( Wolverine ). К концу 1951 года ВМС поняли, что хотя конкурирующие ядерные проекты были тяжелее из-за экранирования, они были компактнее трех установок AIP: SSX была длиннее SSN почти на 40 футов. SSN, вероятно, была бы тише и менее сложной, чем технология AIP того времени. К 1952 году ядерные реакторы были настолько продвинуты в разработке, что казалось, что подводная лодка SSX не понадобится в качестве временной меры. Проект был отменен 26 октября 1953 года. [11]
СССР и Великобритания, единственные другие страны, которые, как известно, экспериментировали с этой технологией в то время, также отказались от нее, когда США разработали ядерный реактор, достаточно малый для движения подводных лодок. Другие страны, включая Германию и Швецию, позже возобновили разработку AIP.
Он был сохранен для приведения в движение торпед британцами и советскими властями, хотя от него поспешно отказались первые после трагедии HMS Sidon . И это, и потеря русской подводной лодки «Курск» были вызваны авариями с участием торпед, приводимых в движение перекисью водорода.
Эта технология использует подводный дизельный двигатель , который может работать на поверхности обычным образом, но который также может быть снабжен окислителем , обычно хранящимся в виде жидкого кислорода , при погружении. Поскольку металл двигателя будет гореть в чистом кислороде, кислород обычно разбавляется переработанным выхлопным газом . Аргон заменяет выхлопной газ при запуске двигателя.
В конце 1930-х годов Советский Союз экспериментировал с двигателями замкнутого цикла, и несколько небольших судов класса М были построены с использованием системы REDO, но ни одно из них не было завершено до немецкого вторжения в 1941 году.
Во время Второй мировой войны немецкие Кригсмарине экспериментировали с такой системой в качестве альтернативы пероксидной системе Вальтера, проектируя варианты своей подводной лодки типа XVII и сверхмалой подводной лодки типа XXVIIB Seehund , соответственно, типа XVIIK и типа XXVIIK, хотя ни один из проектов не был завершен до конца 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 «системой одинарного движения», кислород добавлялся после того, как выхлопные газы фильтровались через химический абсорбент на основе извести. Подводная лодка также могла запускать дизель с помощью шноркеля. У Quebec было три приводных вала : дизель 32D мощностью 900 л. с. (670 кВт) на центральном валу и два дизеля M-50P мощностью 700 л. с. (520 кВт) на внешних валах. Кроме того, к центральному валу был присоединен двигатель «ползучести» мощностью 100 л. с. (75 кВт). Лодка могла двигаться на малой скорости, используя только центральный дизель. [12]
Поскольку жидкий кислород нельзя хранить бесконечно, эти лодки не могли работать вдали от базы. Это было опасно; по крайней мере семь подводных лодок пострадали от взрывов, и одна из них, M-256 , затонула после взрыва и пожара. Иногда их называли зажигалками. [13] [ необходима полная цитата ] Последняя подводная лодка, использовавшая 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).
Французская система MESMA ( Module d'Energie Sous-Marin Autonome ) предлагается французской верфью DCNS. MESMA доступна для подводных лодок классов Agosta 90B и Scorpène . По сути, это модифицированная версия их ядерной двигательной установки с теплом, вырабатываемым этанолом и кислородом. В частности, обычная паротурбинная электростанция работает на паре, вырабатываемом при сгорании этанола и хранящегося кислорода под давлением 60 атмосфер . Такое сжигание под давлением позволяет выбрасывать за борт отработанный углекислый газ на любой глубине без использования выхлопного компрессора.
Каждая система MESMA стоит около 50–60 миллионов долларов. При установке на Scorpènes требуется добавить к подводной лодке 8,3-метровую (27 футов) секцию корпуса весом 305 тонн, что позволяет подводной лодке работать под водой более 21 дня, в зависимости от таких переменных, как скорость. [14] [15] На Agosta 90B система AIP позволяет подводной лодке работать под водой 16 дней и обеспечивает ей дальность плавания 1400 морских миль (2600 км; 1600 миль). [6]
В статье в журнале Undersea Warfare Magazine отмечается, что: «хотя MESMA может обеспечить более высокую выходную мощность, чем другие альтернативы, ее внутренняя эффективность является самой низкой из четырех кандидатов AIP, а скорость потребления кислорода у нее соответственно выше». [15]
Шведская судостроительная компания Kockums построила три подводные лодки класса Gotland для ВМС Швеции , которые оснащены вспомогательным двигателем Стирлинга , сжигающим дизельное топливо с жидким кислородом для приведения в действие 75-киловаттных электрогенераторов для движения или зарядки аккумуляторов. Подводная выносливость 1500-тонных судов составляет около 14 дней при скорости 5 узлов (5,8 миль в час; 9,3 км/ч), с приблизительной дальностью плавания 1700 морских миль. [6]
Компания Kockums отремонтировала и модернизировала шведские подводные лодки класса Västergötland с помощью вставной секции Stirling AIP. Две из них ( Södermanland и Östergötland ) находятся на вооружении в Швеции как класс Södermanland , а две другие находятся на вооружении в Сингапуре как класс Archer ( Archer и Swordsman ). [ требуется ссылка ]
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 флоту в марте 2009 года. Одиннадцатая в этом классе — первая, которая оснащена литий-ионными батареями без двигателя Стирлинга. [16] Эта подводная лодка может иметь дальность плавания от AIP 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. Подводная продолжительность плавания составит более 18 дней на скорости 5 узлов с использованием AIP. [ необходима 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 перевозятся на судне в герметичных баках. Девять из этих блоков установлены на подводной лодке U-31 водоизмещением 1830 тонн компании Howaldtswerke Deutsche Werft AG , головном судне типа 212A немецкого флота . Другие лодки этого класса и экспортные подводные лодки HDW, оснащенные AIP, класса Dolphin , типа 209 mod и типа 214 , используют два модуля мощностью 120 кВт (160 л. с.), также производства Siemens. [17] Тип 212 может оставаться под водой в течение 21 дня; Одна такая подводная лодка совершила путешествие протяженностью 1600 морских миль исключительно на AIP в 2016 году. [6]
После успеха Howaldtswerke Deutsche Werft AG в экспортной деятельности несколько судостроителей разработали вспомогательные установки на топливных элементах для подводных лодок, но по состоянию на 2008 год ни одна другая верфь не имела контракта на постройку подводной лодки, оборудованной таким образом. [ необходима цитата ]
AIP, реализованный на S-80 класса ВМС Испании , основан на биоэтанол-процессоре (предоставленном Hynergreen из Abengoa ), состоящем из реакционной камеры и нескольких промежуточных реакторов Coprox, которые преобразуют BioEtOH в водород высокой чистоты. Выходной продукт питает ряд топливных элементов от Collins Aerospace (которая также поставляла топливные элементы для Space Shuttle ).
В реформер подается биоэтанол в качестве топлива и кислород (хранящийся в виде жидкости в криогенном баке высокого давления), генерируя водород в качестве субпродукта. Полученный водород и еще больше кислорода подаются в топливные элементы . [18]
Китай исследовал двигатели на топливных элементах для подводных лодок AIP. Даляньский институт химической физики , как сообщается, разработал двигатели на топливных элементах мощностью 100 кВт и 1 МВт. [19]
Лаборатория исследований военно-морских материалов индийской организации оборонных исследований и разработок в сотрудничестве с Larsen & Toubro и Thermax разработала 270-киловаттный фосфорно-кислотный топливный элемент (PAFC) для питания подводных лодок класса Kalvari , которые основаны на конструкции Scorpène . Все шесть подводных лодок класса Kalvari будут модернизированы с помощью AIP во время их первой модернизации. Он вырабатывает электроэнергию, реагируя с водородом, полученным из борогидрида натрия , и сохраненным кислородом с фосфорной кислотой, действующей в качестве электролита. [20] [21] [22]
Подводные лодки класса «Триденте» ВМС Португалии также оснащены топливными элементами.
Термин «воздухонезависимая пропульсия» обычно используется в контексте улучшения характеристик подводных лодок с обычным двигателем. Однако, как вспомогательный источник питания, ядерная энергия попадает в техническое определение AIP. Например, предложение использовать небольшой реактор мощностью 200 киловатт для вспомогательной энергии — стилизованное AECL как « ядерная батарея » — может улучшить подледные возможности канадских подводных лодок. [23] [24]
Ядерные реакторы использовались с 1950-х годов для питания подводных лодок. Первой такой подводной лодкой был USS Nautilus , введенный в эксплуатацию в 1954 году. Сегодня Китай , Франция , Индия , Россия , Великобритания и США являются единственными странами, которые успешно построили и эксплуатируют атомные подводные лодки.
По состоянию на 2017 год около 10 стран строят подводные лодки с АИП, а почти 20 стран эксплуатируют подводные лодки с АИП: