Батареи нового типа увеличат время плавания под водой
Научно-технический прогресс готовит нам очередную революцию в области военно-морских вооружений: в обозримом будущем на смену классической дизель-электрической подводной лодке придут субмарины с так называемыми анаэробными или «воздухонезависимыми» энергетическими установками (ВНЭУ).
Однако сказать точно, какими они будут, пока что не представляется возможным ввиду продолжающегося соревнования идей. А также в силу различных подходов к финансированию НИОКР и строительства опытовых судов, принятых ведущими морскими державами.
Недостатки классики
Чем плоха классическая дизель-электрическая подводная лодка (ДЭПЛ)? А тем, что она никакая не «подводная», а «ныряющая». Ведь для зарядки аккумуляторных батарей, питающих гребной электродвигатель подводного хода (а на современных субмаринах он же обеспечивает движение и на поверхности) используется дизель-генератор, для работы которого необходим атмосферный воздух.
Всплывая на поверхность для подзарядки аккумулятора, подлодка становится мишенью для надводных кораблей и авиации противника. Процессы всплытия и погружения сопровождаются сильным шумом, легко улавливаемым средствами гидролокации. Кроме того, субмарина на поверхности заметна для радиолокаторов, не говоря уже о средствах видовой разведки. Даже появление так называемого устройства шноркель (известного также как РДП: устройство работы дизеля под водой) и электролодок (ДЭПЛ с повышенной аккумуляторной емкостью) не спасло «волчьи стаи» гросс-адмирала Карла Дёница от разгрома во Второй мировой войне.
Сегодня самые продвинутые в технологическом отношении отечественные ДЭПЛ, например проекта 677 «Лада», могут провести под водой не более 9–10 дней и пройти малым экономическим ходом (3–4 узла) расстояние до 650 миль. Это обстоятельство давало критикам проекта, среди которых тогдашний (2007–2012) главком ВМФ России адмирал Высоцкий, право говорить о ДЭПЛ (вообще и в частности) как об «мозгах и оружии» сидящих на «энергетике Второй мировой войны».
Владимир Сергеевич не прав: первыми дизель-электрическими субмаринами считаются французская Z постройки 1905 года и российская «Минога», спущенная на воду в 1908-м. Словом, ДЭПЛ эксплуатируются уже 115 лет и их серийное строительство продолжается. На те же «лады» имеется совокупный заказ МО РФ на шесть кораблей, из которых пока готово только два.
Атом не предлагать
Параллельно с ними Россия уже более 65 лет активно строит атомные крейсера с паропроизводящими установками (ППУ) на основе ядерного реактора. Они обладают дальностью плавания, ограниченной лишь выносливостью экипажа, запасом еды и предметов первой необходимости для обеспечения жизнедеятельности на борту.
По сути, атомная ППУ представляет собой анаэробную энергетическую установку. Однако это обстоятельство обычно игнорируется в общих рассуждениях как на страницах печати, так и даже во внутренних документах судостроителей и госструктур. Вместо того под термином «ВНЭУ» там рассматриваются только решения, не связанные с физикой деления атомного ядра. Причина в том, что многие страны по политическим и иным соображениям не хотят связываться с атомной энергетикой и вооружением. Размещение таковых на корабле неизбежно ведет к большой размерности, высокой стоимости постройки и содержания, что неприемлемо для многих стран мира по финансовым и иным соображениям.
Экспорт атомоходов усложнен действующими договоренностями сверхдержав. Поэтому подлодка проекта 670 сдавалась в аренду, а не продавалась Индии, где использовалась в течение 1988–1991 годов под обозначением S-71 Chakra. Сегодня в распоряжении индийских моряков имеется АПЛ S-72 проекта 971И, взятая в 2012 году на условиях 10-летней аренды.
Пока что эти два примера – единственные в мире, где бы субмарина с энергетикой на основе физики деления ядра, построенная одной страной, передавалась на эксплуатацию другому государству. Этот факт очередной раз подтверждает особые отношения стратегического партнерства, сложившиеся между Россией и Индией.
Индийский конкурс
Между тем та же Индия проводит международный конкурс на шесть неатомных подводных лодок с ВНЭУ с правом дополнительного заказа еще на такое же количество по оговоренной ранее контрактной стоимости. Согласно местным источникам, на днях ожидается рассылка запроса на коммерческое предложение (request for proposal, RFI).
По условиям соответствующего тендера 75И базовый проект должен быть предложен иностранным участником, который уже построил и сдал в эксплуатацию субмарину-прототип, по параметрам подходящую в качестве исходной платформы для создания некого индийского варианта.
Конкурс проводит военное ведомство Индии, среди приглашенных участников – компании из России, Германии и Франции. Порой к ним также причисляют Швецию, Испанию и даже Японию. Однако по имеющейся у нас информации от индийских источников, фирмы этих стран либо отказались отвечать на запросы из Дели, либо не могут их удовлетворить по существу.
Приведенный выше список государств, где идут работы по «неатомным» ВНЭУ, далеко не полный. В нашем случае он искусственно ограничен индийскими специалистами. А они тщательно изучили вопрос и обратились лишь к тем, кто хорошо продвинулся в решении вопросов, обладает знаниями и умениями и готов поделиться ими за некую плату.
Требование обязательного включения ВНЭУ в список систем будущей субмарины индийского флота значительно повышает технические риски реализации соответствующего проекта. Анализ показывает, что ни один из известных типов анаэробных установок не является идеальным во всех отношениях, каждая имеет свои преимущества и недостатки. Кроме того, судостроителям необходимо учитывать особенности географических зон, условия базирования и уровень подготовки личного состава флота главного заказчика и иностранных клиентов.
Германский путь
Дальше всех по удовлетворению потребностей флота своей страны и ее ближайших союзников по блоку НАТО продвинулась немецкая фирма Howaldtswerke-Deutsche Werft (HDW) из состава концерна ThyssenKrupp Marine System. Она построила (1998–2017) серию из 10 субмарин типа 212А с ВНЭУ на базе так называемых топливных элементов с интерметаллидным хранением водорода. Шесть эксплуатируется Германией, остальные – Италией.
В ходе приемо-сдаточных испытаний подлодка U-32 военно-морских сил Германии продемонстрировала возможность непрерывного подводного плавания в течение 18 дней, а также покрыла расстояние 2800 км (1512 миль) без всплытия на поверхность. Это довольно высокие показатели, и они активно используются немцами в качестве доказательства правильности их пути.
Выбранная немецкими кораблестроителями анаэробная энергетическая установка построена на основе системы генерирования электрической энергии с применением топливных элементов. Исследования по ним ведутся уже более полувека, причем в СССР таковые рассматривались как для подводных кораблей, так и космических. Как правило, речь идет об алкалиновых, но есть и иные: так, индийские ученые экспериментируют с фосфорокислотными.
Отдадим должное разработчикам типа 212А: они сумели пройти долгий путь от теоретических и экспериментальных исследований к практической реализации своих идей в металле. Только между моментами первого пуска экспериментальной ВНЭУ и поставки готовой субмарины флоту прошло четверть века!
Добиться результата фирме HDW помогли власти Европейского союза, профинансировавшие долгосрочные программы науки и промышленности по внедрению водородной энергии в автомобильный и морской виды транспорта. С середины 70-х годов прошлого века деятельность в сфере водородного топлива, включая работы по хранению водорода и его транспортировке, выполнялась многими европейскими компаниями, прежде всего автогигантами. Затем, после образования ЕС, данное направление активно поддерживалось и финансировалось общеевропейскими структурами, что помогло привлечь дополнительные коммерческие инвестиции.
Так или иначе, специалисты фирмы HDW сумели вывести на международный рынок субмарину с хорошо работающей ВНЭУ. Она обеспечивает малый шум при движении под водой, низкие температуры силовой установки, а выбросы сводятся лишь к сливу обычной воды, получаемой в результате химической реакции на борту.
Дизель-электрическая субмарина оказывается не подводным, а ныряющим кораблем. Фото с сайта www.mil.ru
Проблемные моменты
Вместе с тем германская энергетическая установка имеет проблемные моменты. Во-первых, большую техническую сложность и высокую стоимость. Во-вторых, она является дополнением к существующей энергетике классической ДЭПЛ и, соответственно, влечет за собой существенное увеличение размерности корабля. Подводные лодки типа 212А более чем в три раза крупнее тех, которым пришли на смену в германском флоте, – тип 206. Так, полное водоизмещение составляет 1840 т против 500 т.
В-третьих, предложенная HDW анаэробная установка требует длительного изучения материальной части экипажем субмарины и береговых служб, а также возведения необходимой береговой инфраструктуры.
Самой большой проблемой предложенного HDW решения считается тема так называемого интерметаллидного хранения водорода. Водородный металлогидрид, используемый в субмаринах типа 212А, обеспечивает высокий уровень безопасности экипажа, но вызывает рост объемов и массы. При большом удельном весе металлогидридного сплава содержание в нем водорода весьма низкое. По этой причине судостроителям приходится идти на многочисленные компромиссы, стараясь обеспечить требуемые тактические характеристики лодки при значительной массе перевозимого ею металлогидрида. Среди них – уменьшение боезапаса до 12 торпед (против 18 на российских и французских ДЭПЛ).
Следующим проблемным моментом является применимость предложенной HDW энергетической установки в различных климатических зонах, прежде всего на севере и в тропиках. Особенно сложной представляется работа германской системы в теплых водах Индийского океана.
Высокая температура забортной воды может вызвать самопроизвольный эффект увеличения температуры металлогидрида именно в тот момент, когда идет процесс выделения водорода. Он сам по себе сопровождается повышением температуры сплава. Соответственно возникает опасность непроизвольного выделения дополнительного количества водорода сверх нужной меры. А на севере холод забортной воды может, наоборот, уменьшить количество выделяемого водорода ниже требуемого.
Оптимизация под НАТО
Фирма HDW оптимизировала параметры энергетической системы субмарин типа 212A для эксплуатации в Балтийском и Северном морях в соответствии с оперативными планами флота собственной страны. Когда же начались переговоры с Италией, проект пришлось изменить с учетом климатических условий Средиземного моря.
При этом надо помнить, что флоты европейских стран – членов НАТО эксплуатируются вблизи побережья там, где у Североатлантического блока имеется полный контроль над использованием воздушного и морского пространства. Соответственно подводники могут без опаски вплывать и пользоваться дизель-генераторами для подзарядки аккумуляторов, а топливные элементы использовать лишь при крайней необходимости. Об этой их практике свидетельствует и анализ учений, проводимых в рамках взаимодействия военных блока НАТО.
В рамках развертывания группировки субмарин германского типа странами Североатлантического договора воздвигнуты и функционируют многочисленные объекты водородной инфраструктуры. Они заняты производством этого топлива с заданной степенью чистоты, а также средств его хранения и доставки на специально выделенные военно-морские базы. Заметим при этом, что возведение подобной береговой инфраструктуры было важной частью международной программы в рамках блоковой солидарности.
Экспортный тип 214
Решившись на запуск масштабного проекта по внедрению неатомных субмарин с дополнительной энергетической установкой на основе топливных элементов и интерметаллидного хранения водорода, фирма HDW изначально рассчитывала на экспорт. Иначе вернуть вкладываемые собственные средства и коммерческие инвестиции не представлялось бы возможным.
Поэтому, создав под требования собственного флота тип 212А, фирмачи приступили к работе над экспортным вариантом. Им стал тип 214, отличающийся увеличенными размерами: длина выросла с 56 до 65 м.
Согласно утверждениям разработчика, тип 214 создавался прежде всего для заказчиков среди стран НАТО: Португалии (поставлена пара лодок), Греции (четыре поставлены, еще две строятся), Турции (сборка шести по лицензии). Однако есть и иное объяснение: первоначальный проект на поверку оказался бесперспективным для дальнейшего развития. Особенно с учетом появления новых видов ракетно-торпедного оружия: на них просто не хватало места.
Между тем техническая возможность его интеграции на борт в будущем стала критически важной для сохранения позиций HDW на глобальном рынке ввиду появления у ее продукции сильного соперника. Прежде всего российских ДЭПЛ семейства «Варшавянка» в вариантах проекта 877ЭКМ (для Индии) и 636М (для Китая), отличавшихся от предшествующих установкой мощнейшего ракетного комплекса Club-S.
Маркетинговые исследования показывали: сложная в постройке и эксплуатации германская субмарина, к тому же требовательная к береговой инфраструктуре, имеет низкие шансы в Юго-Восточной Азии. К настоящему времени она «получила прописку» только в Южной Корее, где реализуется программа по приобретению и сборке девяти корпусов. Низкий спрос в регионе объясняется отсутствием дорогой водородной инфраструктуры европейского типа, на развертывание которой уйдут десятилетия. К тому же зачем покупать немецкую «золотую рыбку» если та окажется еще и «безоружной» перед лицом улучшенных российских «Варшавянок» (проекты 636.1 и 636.3), не говоря уже о новом поколении, воплощенном в конструкции «Лады».
Друзья-конкуренты из Франции
При всей показной «европейской солидарности» между странами Старого Света ведется жесткая конкуренция. Помимо российских кораблестроителей подвинуть HDW на глобальном рынке с радостью готовы французские и шведские.
Так, гораздо менее сложный в техническом плане, но лучше вооруженный «Скорпен» (классическая ДЭПЛ в современном французском исполнении) обошел немцев в конкурсах в Индии, Малайзии, Чили и Бразилии. Кроме прочего, это показало: подлодку традиционной схемы рано списывать в утиль. Тем более, когда существуют простые решения, позволяющие немного поднять ее автономность. Кстати, базовая версия способна пройти под водой на скорости 4 узла расстояние 550 миль – намного хуже результата испытаний U-32.
Проводя активный маркетинг «экспортно ориентированного» проекта «Скорпен» (на вооружении ВМС Франции стоят только атомные субмарины), рассчитанного на страны, в перспективе желающие заиметь ДЭПЛ с ВНЭУ, французы порой сильно лукавили. Ими, в частности, предлагалась в качестве опции установка дополнительного отсека с ВНЭУ весьма экзотического типа – MESMA, представляющую паровую турбину замкнутого цикла, потребляющую этанол и кислород.
Однако данный тип анаэробной установки нашел применение лишь на опытных судах и прототипах «диверсионных» лодок. Энергетическая отдача крайне низкая, но по формальным признакам MESMA вполне подходила под определение ВНЭУ. На это купились в Индии, когда проводили международный тендер проекта 75. В итоге получили: планируемые сроки строительства серии из шести лодок «Кальвари» (модификация «Скорпен») выдержать не удалось даже при том, что по факту ни одна из них ВНЭУ оснащена не будет. Слишком уж низки оказались параметры у тех, что можно установить в дополнительном отсеке, врезав его в центр корпуса лодки данного проекта.
Стремясь успокоить индийских партнеров, откровенно расстроенных ходом практической реализации проекта 75, шесть лет тому назад французы сообщили им о разработке топливного элемента второго поколения, предназначенного для применения в перспективной анаэробной установке на основе риформинга дизельного топлива. Если врезать отсек с подобной ВНЭУ в ходе капитального ремонта, подводная автономность «Кальвари» увеличится до трех недель. Заинтересовать клиента новым планом пока не удалось: индийцы рассчитывают прежде всего на аналогичную установку, разрабатываемую собственными силами специалистов Naval Systems Laboratory, входящего в структуру Министерства обороны.
Мы ломим – гнутся шведы…
Шведы предложили и практически реализовали проект по внедрению анаэробной установки на основе двигателей Стирлинга в качестве дополнения к батарее с гребным электромотором. Они потребляют дизельное топливо и жидкий кислород, причем выхлоп легко выделяется за борт на малых и средних глубинах (при этом выступая неким демаскирующим признаком в случае наличия у противника надлежащей сенсорной аппаратуры). По факту данная система стала первой ВНЭУ, достигшей боевой готовности на рубеже веков. Сегодня она используется на субмаринах ВМС Швеции, Сингапура, Японии и Китая.
Шведские подводные лодки типа «Готланд» (построено три в 1992–1998 годах) при подводном водоизмещении около 1600 т имеют подводную автономность до двух недель. Сильной стороной двигателей Стирлинга считается низкий шум. Он меньше, чем у дизель-генераторов ДЭПЛ, что дает некое тактическое преимущество при зарядке батарей. А компактность позволила шведам построить лодки сравнительно малого водоизмещения.
Размер имеет значение для небольшого и мелкого Балтийского моря с его интенсивным коммерческим судоходством. Поскольку схожие условия наблюдаются и в Малаккском проливе, Сингапур принял решение на покупку пары старых шведских субмарин типа «Вестеръётланд», прошедших капремонт с установкой двигателей Стирлинга, и приобретение партии новой постройки.
А вот японцы, затратив много времени на совершенствование приобретенных у Швеции образов двигателей и создание собственных, недавно отказались от их дальнейшего развития. Дело в том, что они строят субмарины значительно большего водоизмещения (свыше 4 тыс. т), которым требовалось не два, а четыре двигателя Стирлинга для обеспечения приемлемой скорости подводного хода. Попытки создать моторы данного типа повышенной мощности с возможностью использования в качестве единой силовой установки закончились провалом.
Перспектива
Вместо использования двигателей Стирлинга на субмаринах семейства «Сорю», японцы с 11-го корпуса решились на замену свинцово-кислотной батареи на капсулизированный, не выделяющий в качестве побочного продукта водород аккумулятор типа «йон–литий». Словом, принятая на вооружение в марте 2020 года субмарина SS511 «Орю» является классической ДЭПЛ – и вместе с тем первой в мире с литиевой батареей. За счет повышенной раза в полтора емкости аккумулятора, а также лучших его свойств по токам заряда и разряда новая лодка обладает тактическими характеристиками не хуже, чем у предыдущих с ВНЭУ.
По такому же пути планирует пойти и отечественный флот, уже эксплуатирующий батареи нового типа на подводной технике специального назначения. Согласно подсчетам специалистов ЦКБМТ «Рубин», постановка аккумулятора «йон–литий» увеличит время непрерывного плавания под водой без всплытия на поверхность с 9–10 до 13–15 суток.
Технически появление на флоте литиевых батарей не отменяет ВНЭУ. Поэтому многие флоты мира, включая отечественный, продолжают работу как над первым, так и вторым направлением. Их усилия сосредотачиваются на новых способах получения и хранения водорода, необходимого для выработки электричества топливными элементами. О том, какие работы проводятся, мы расскажем в последующих публикациях.
Владимир Карнозов
Владимир Александрович Карнозов – военный аналитик.
