Перспективная военная техника требует беспроводной передачи энергии
Создаваемая на концепциях прошлого века военная техника приблизилась к порогу, за которым гигантские усилия и затраты дают неадекватно низкий результат. Одна из причин – существенное возрастание энергопотребления новых объектов ВВСТ. Есть ли выход из тупика?
Различные виды энергии (механическая, тепловая, электрическая и др.) востребованы на всех этапах боевого применения: разведка, передача информации, ее обработка, использование оружия, защита от противника, маневр и т. п. В настоящее время генерация осуществляется заранее, а энергоносители доставляются службами МТО. Но требуемые войскам объемы и темпы начинают превращаться в самодовлеющую цель и проблему.
По следам Теслы
Ситуацию усугубляет появление новых видов ВВСТ (электромагнитных пушек, оружия направленной энергии). Становится все более очевидным, что в развитии системы вооружения нужна смена концепций энергообеспечения. Иначе невозможно реализовать потенциал, закладываемый в новые образцы.
“Для применения рельсотрона корабль должен обеспечить генерацию мощностью от 10 до 25 мегаватт, что уже достигнуто”
Обращает на себя внимание такая тенденция. С одной стороны, ведется активная разработка полностью электрических и гибридных объектов военной техники. С другой – создаются системы и средства генерации без затрат или с уменьшенными затратами доставляемых в войска энергоносителей (солнечные батареи, ветряки, новые виды топлива). Одновременно ведутся фундаментальные исследования (особенно активно в США и Японии) по беспроводной передаче энергии на большие расстояния, что представляется наиболее привлекательным. Идея заключается в том, что мощный источник (АЭС, гидроэлектростанция и т. п.) запитывает приемные устройства образцов ВВСТ по воздушному (космическому) каналу. Внедрение такой схемы почти полностью исключило бы необходимость доставки огромных объемов энергоносителей (горючего) в войска, радикально повысив их боеготовность и боеспособность.
Возможность передачи энергии на расстояние без проводов впервые доказал и продемонстрировал на опыте в Колорадо-Спрингс в 1899–1900 годах Никола Тесла. Электрический импульс передавался на 40 километров. Однако повторить подобный опыт не удалось до сих пор.
В 1968-м американский специалист в области космических исследований Питер Глэйзер предложил размещать крупные панели солнечных батарей на геостационарной орбите, а вырабатываемую ими энергию (5–10 ГВт) передавать на Землю сфокусированным пучком СВЧ-излучения, преобразовывать в постоянный или переменный ток и раздавать потребителям.
Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком КПД передачи энергии таким пучком – 70–75 процентов. Но реализовать это пока довольно сложно. Достаточно сказать, что диаметр передающей антенны должен быть равным километру, а наземное приемное устройство иметь размеры 10х13 километров для местности на широте 35 градусов. Поэтому проект был забыт, но недавно с учетом новейших технологических достижений исследования возобновлены. Ставятся опыты по беспроводной передаче энергии с использованием лазера.
Но наш автопоезд…
Если с разработкой новых способов генерации и электропередачи пока успехи не столь значительны, то в области создания полностью электрических объектов впечатляют. Нельзя сказать, что идея военной (и не только) техники на этой основе абсолютно нова. Экономически и технически привлекательной ее сделал прогресс в генерировании, накоплении, преобразовании и распределении электроэнергии, в твердотельной электронике большой мощности, автоматизации и управлении. Полностью электрические объекты обладают меньшей шумностью, более высоким КПД, возможностью рационального распределения мощности между потребителями, высокой экологичностью и другими качествами, которые делают их весьма привлекательными как в гражданской, так и в военной областях.
Первые машины с электротрансмиссией относятся к началу прошлого века, когда американская компания "ЛеТурно" начала использовать электропривод на самоходных скреперах. А с 1954 года выпускались уникальные сверхтяжелые вездеходы, снегоходы, военные транспортеры-эвакуаторы и многосекционные автопоезда, оборудованные всеми ведущими колесными движителями с приводом от генератора, установленного на головном автомобиле-тягаче (лидере). На них впервые в мировой практике стали использовать мощные компактные электромоторы, вмонтированные непосредственно в ступицы колес автомобиля.
Первый советский активный двухсекционный автопоезд с упрощенным электроприводом колес прицепа был разработан в 1959-м. Но достичь полного согласования работы всех ведущих колес с источниками энергии так и не удалось. Дальнейшие разработки других отечественных предприятий также не привели к ожидаемому успеху. Камнем преткновения стала проблема автоматизации управления машинами с электротрансмиссией: рациональное распределение потоков энергии между узлами, минимальный расход топлива первичного двигателя внутреннего сгорания, оптимальный температурный режим с максимальным КПД и т. д. Не хватало ни вычислительных мощностей ЭВМ того времени, ни соответствующего программного обеспечения.
Ситуация радикально изменилась в последние годы и к идее полностью электрических объектов ВВТ вернулись на новом качественном уровне. Появление безэкипажных машин подогрело интерес еще больше. Через электротрансмиссию проще создавать полностью автоматизированные боевые объекты, управляемые по радиоканалу или через программируемое устройство.
Под солнечным парусом
Наиболее актуальной реализацию концепции полностью электрического объекта следует признать в военно-морской технике. Причин несколько:
- высокая протяженность силовых передач (трансмиссий) различного назначения, большая номенклатура исполнительных механизмов и преобразователей энергии различного типа: механических, тепловых, гидравлических и электрических;
- значительное количество потребителей энергии: приводы гребных валов, артиллерийских и ракетных установок, радиолокационные станции и комплексы РЭБ, другие механизмы;
- появление систем вооружения, требующих больших энергозатрат (ВВТ направленной энергии, электромагнитные пушки и т. п.).
Основу полностью электрических кораблей составляет единая (интегрированная) энергосистема, включающая высоковольтные объекты генерации и распределения энергии, компактные модули ее накопления и преобразования, АСУ энергопотреблением в различных режимах функционирования (полного хода, боевого применения оружия, маневрирования и т. д.). Наиболее показательный опыт – американская программа DDG 1000 и построенный по ней эсминец "Зумвольт". К сожалению, многие отечественные СМИ сосредоточились на технических и технологических промахах этого проекта, уведя внимание читателей далеко в сторону от смысла разработки корабля и даже несколько дискредитировав идею.
DDG 1000 – концентратор последних достижений американской науки и техники в области комплексов и систем вооружения. Но все они интегрированы в корабль через понимание характерных особенностей функционирования, места и роли с учетом возможностей энергетики эсминца (Integrated Power System – IPS). Она обеспечивает снабжение всех систем и агрегатов, контролирует их работу и управляет ими. Переход на полное электродвижение позволил высвободить значительные объемы внутренних помещений для размещения боезапаса, создать комфортные условия для экипажа. Паровые, пневматические и гидравлические приводы всех механизмов полностью заменены на электрические. Суммарная мощность энергосистемы – около 80 МВт – достаточна для установки перспективного оружия (лазерного, СВЧ, электромагнитных пушек) без значительного ущерба для работоспособности других потребителей.
Корабль обладает низкой радиолокационной заметностью. Эффективная площадь рассеивания (ЭПР) почти в 50 раз меньше, чем у эсминцев предыдущего поколения. Невидимка!
Управление осуществляется через общекорабельную компьютерную среду (Total Ship Computing Environment – TSCE) с единым программным обеспечением и использованием "коммерческого" интерфейса, которые помимо всего прочего обеспечивают простоту обслуживания и обучения экипажа. Надстройка эсминцев типа "Зумвольт" выполнена из композитных материалов.
На третьем корпусе подобного эсминца планируется установить гребные электродвигатели с использованием эффекта высокотемпературной сверхпроводимости, электромагнитные пушки. Для применения рельсотрона корабль должен обеспечить генерацию мощностью от 10 до 25 МВт, что уже достигнуто.
Можно продолжить перечисление новшеств, которые применены либо планируются на данном корабле, но у американцев уже появилась морская платформа следующего поколения, которой не обладает ни одна другая страна. Пока только французская судостроительная компания DCNS объявила о планах создания полностью электрического боевого корабля Advansea к 2025 году.
Что касается подводной техники, то гибридное или полностью электрическое энергоснабжение изначально было условием ее конструирования, поэтому нет смысла подробно обсуждать новации в этой области.
В гражданском судостроении также разрабатываются модели, способные обходиться энергией Солнца. Реализуются три концепции: ход судну и энергопитание дают паруса с расположенными на них солнечными батареями, они же размещены на корпусе – для движения и добывания из воды водорода, вырабатываемая энергия используется для питания электродвигателей гребных валов и подзарядки аккумуляторных батарей.
Круизное судно Suntech VIP австралийской судостроительной компании Solar Sailor построено в 2010 году по первой концепции. По второй – катамаран Energy Observer, который в настоящее время готовится к кругосветному путешествию. По третьей – немецкий Planet Solar Turanor, спущенный на воду в 2010-м и в 2012-м совершивший кругосветку. Полностью электрическая беспилотная американская лодка Solar Voyager (5,5 метра в длину и 0,76 в ширину) на солнечных батареях спущена на воду в июне 2016 года и прошла испытания. Над подобными проектами работают в Японии, Голландии, Италии, других странах. Это пока экзотика, но со временем она найдет применение в военном судостроении.
Робкий "Росток"
Другой вид военной техники, наиболее привлекательный для реализации концепции полностью электрического объекта и предполагающий при этом внедрение значительного количества инновационных продуктов, – летательные аппараты. Применительно к военной области речь пока правильнее вести о БЛА.
Пилотируемые полностью электрические аппараты до сих пор разрабатывались как демонстраторы передовых технологий. В 2012 году Long-ESA установил рекорд скорости для самолетов с электродвигателем, разогнавшись во время испытания до 326 километров в час. Швейцарский Solar-Impulse способен неограниченно долго летать за счет Солнца (с использованием батарей в качестве источника энергопитания). В 2015–2016 годах на нем выполнен (с посадками) полет вокруг земного шара. Единственный пока самолет, применяемый для практических целей, – двухместный тренировочный Airbus E-Fan. Немецкая компания Lilium Aviation разработала полностью электрический конвертоплан Lilium Jet. Летные испытания прошли в беспилотной версии.
Все эти аппараты (применительно к военной области) можно рассматривать как прототипы разведывательных в силу низкой шумности, но не более того. Основная сложность создания пилотируемых электрических самолетов – недостаточная емкость батарей и резко возрастающие требования к грузоподъемности в силу наличия на борту человека. Тем не менее некоторые авиационные фирмы уже работают над проектами гибридных авиалайнеров. В частности, этим занимаются EADS совместно с Rolls-Royce. Декларируемые цели – сокращение количества потребляемого топлива, уменьшение вредных выбросов в окружающую среду, уменьшение шумности.
Что касается беспилотников, то среди них полностью электрических достаточно много, созданных как за рубежом, так и в нашей стране (правда, на импортных комплектующих), причем и самолетных, и вертолетных схем. Установлены первые мировые рекорды: британский QinetiQ-Zephyr с питанием от солнечных батарей в 2010 году пробыл в воздухе две недели.
Применение в военной области имеет широкие перспективы: мониторинг, разведывательно-ударные действия, целеуказание и т. п. В целом же создание такой авиатехники предполагает решение многих инновационных задач, включая разработку высокопрочных композитных материалов, сверхъемких батарей, малогабаритных электродвигателей с высоким КПД, систем автоматического управления.
Что касается наземной военной техники, то здесь спектр гибридных (сочетание двигателя внутреннего сгорания, электрогенератора, накопителей энергии, полностью электрических приводов) и целиком электрических разработок достаточно широк, причем определенные успехи есть и у отечественных конструкторов.
Но, как и в предыдущих случаях, возникает вопрос: в чем преимущества? Электрическая трансмиссия дает возможность оптимизировать режимы работы движителя (колес или гусениц), бесступенчато регулировать скорость движения и силу тяги в широком диапазоне, обеспечить создание эффективных антиблокировочных и антипротивобуксовочных систем. Это позволяет снизить требования к квалификации и психофизическому состоянию водителей при повышении основных показателей подвижности.
Электротрансмиссии имеют высокие характеристики надежности, технологичности производства, эксплуатации и ремонта, возможностей контроля. Снижается шумность, повышается экологичность. Перспективна возможность электропитания вооружения и оснащения с высоким энергопотреблением радиолокационных станций и систем РЭБ, электротермохимических или ЭМИ-пушек и т. п.
Одна из задач – создание мощных малогабаритных тяговых электродвигателей. Наибольшие успехи в этом достигнуты в США и Германии, где они изготовлены на основе постоянных магнитов с использованием редкоземельных элементов (самария, кобальта и др.), имеющих высокую степень магнетизма. Это позволило значительно снизить объем и массу электрических машин, облегчить управление.
В России боевая колесная машина с гибридной энергоустановкой и электротрансмиссией на базе БТР-90 "Росток" создана в результате научно-исследовательской работы "Крымск". Как сообщалось, на ходовых испытаниях при мощности двигателя почти в полтора раза меньшей, чем у прототипа, экспериментальный образец гибридного бронетранспортера показал значительно лучшие результаты. Запас хода по топливу – в полтора раза больше, чем у БТР-90.
Что касается безэкипажных (дистанционно-пилотируемых и роботизированных) полностью электрических объектов, то за рубежом и у нас в стране создана огромная номенклатура образцов наземного вооружения и техники. Их развитие идет ускоренными темпами, обусловленными потребностями войск, ведущих боевые действия в Афганистане, Ираке, Сирии, других регионах, а также внутренними потребностями. У нас это обеспечение деятельности МВД, ФСБ, Росгвардии, МЧС, других ведомств.
Реализация концепции полностью электрических или гибридных объектов ВВСТ осуществляется во всех передовых странах мира. Наиболее системно и практически – в США, Германии, Франции, Великобритании. Есть научно-технические заделы для разработки и производства широкой номенклатуры изделий, позволяющей в недалекой перспективе сформировать основу системы вооружения, построенной на полностью электрических машинах. Она обеспечит эффективное, комплексное применение оружия, созданного на новых физических принципах.
Проектирование полностью электрических объектов военной техники не является некой данью моде. Это одно из магистральных направлений формирования системы вооружения будущего. Появление новых способов генерации, передачи и потребления энергии, применения ее для поражения противника существенно изменит возможности войск, характер и содержание процесса их материально-технического и тылового обеспечения. Настораживает, что в нашей стране и Вооруженных Силах пока отсутствует системный подход к определению перечня, содержания и результатов по такого рода работам.
Василий Буренок, президент РАРАН, доктор технических наук, профессор
Опубликовано в газете "Военно-промышленный курьер" в выпуске № 20 (684) за 31 мая 2017 года
