Потянет ли Россия «морское Сколково»?
Продолжение. Начало читайте в предыдущем номере (копия статьи на ВПК.name).
Важной инновационной технологией является применение на БНК и в других системах оружия на новых физических принципах (ОНФП).
Нетрадиционные возможности
По оценкам потребного поражающего потенциала, удовлетворяющего требованиям современного боя (в основном ПВО), проведенным в середине 70-х годов, обоснована целесообразность развертывания исследований в области создания пучкового, СВЧ, лазерного и кинетического оружия. Все эти работы были развернуты в свое время в СССР и США, поскольку именно эти страны обладали значительным научным заделом и развитой базой фундаментальных и прикладных исследований.
Реализация комплексов пучкового оружия оказалась наиболее проблематичной. Главную трудность по-прежнему вызывает проблема доставки пучка заряженных частиц в концентрации, достаточной для поражения цели, на значительные расстояния (5–10 км). Это требует огромных энергозатрат и биологической защиты экипажа носителя. Принципиальная возможность уничтожения летательного аппарата (ЛА) высокоэнергетическим излучением СВЧ-диапазона доказана уже давно. Однако реализация потребных характеристик такого оружия, обладающего также значительной энергоемкостью, по существующим оценкам требует создания огромных антенн, что неприемлемо для кораблей любого класса.
Комплексы лазерного оружия динамично разрабатываются в рамках НИОКР, проводимых ВМС США по двум программам. Первым корабельным комплексом лазерного оружия (ЛО1) планируется выводить из строя приемники оптико-электронных систем наведения ПКР. Другой комплекс лазерного оружия (ЛО2) для разрушения планера воздушной цели (ВЦ) планировалось принять на вооружение еще в 2000 году. По результатам проведенных исследований выявлены значительное энергопотребление комплексов, опасность вредного воздействия бликов на личный состав при работе комплекса, значительные массогабаритные характеристики (таблица 1). В настоящее время работы находятся на стадии ОКР, а в 2011 году проведены первые успешные испытания.
Таблица 1. Основные ТТХ разрабатываемых в США комплексов лазерного оружия
Метательное оружие, в том числе электродинамические ускорители массы (ЭДУМ), кинетическое оружие, рельсовые пушки, основано на физическом принципе движения проводника в магнитном поле, что позволяет разгонять материальные объекты (снаряды) до гиперзвуковых скоростей, придавая им кинетическую энергию, достаточную для механического разрушения ЛА. Электромагнитные пушки призваны заменить традиционные артиллерийские установки ПРО-ПВО кораблей. Однако энергоемкость выстрела таких пушек не менее чем в пять раз превышает энергоемкость традиционных артиллерийских установок (АУ). Например, необходимо обеспечить силу тока в таких пушках порядка 106 А, и они имеют существенно большие, чем у обычных АУ, массогабаритные характеристики. Тем не менее в США работы в этом направлении продолжаются, в частности для замены МЗАК Vulcan Phalanx Mk.15.
Вторым перспективным направлением развития ЭДУМ является разработка электромагнитной катапульты (ЭКТ) для авианосцев на замену паровой. Работы в США ведутся с начала 90-х годов. В ходе исследований к 2000 году была разработана ЭКТ, движущая сила которой почти в 1300 кН создается линейным бесщеточным асинхронным электродвигателем постоянного тока с системой возбуждения на постоянных магнитах. Для оценки эффективности применения новой катапульты разработчики использовали уменьшенную демонстрационную модель. Сравнительные характеристики ЭКТ и паровой катапульты приведены в таблице 2.
Таблица 2. Сравнительные характеристики катапульт
В настоящее время разработка ЭКТ вступила в завершающую стадию, предполагается ее установка на АВ Gerald R Ford CVN-78 ВМС США.
Уникальные энергетика и движители
Инновационные технологии в энергетические установки и движители стали внедряться только в 90-х годах. В подводном кораблестроении это характеризовалось внедрением ядерных реакторов с естественной циркуляцией теплоносителя на малошумных ходах с последующим переходом на постоянный ток и термоэлектрические преобразователи энергии для малошумного хода.
Инновационной технологией в атомных энергетических установках (АЭУ) также является доведение ресурса активной зоны реактора до срока службы самой ПЛА, что позволяет исключить трудоемкую и весьма сложную операцию перезарядки реактора.
Для ГЭУ неатомных подводных лодок (НАПЛ) такой технологией являются воздухонезависимые энергетические установки (ВНЭУ) AIP (Atmosphere Independent Power). Их применение позволило примерно в пять раз увеличить дальность подводного плавания НАПЛ. Основными типами ВНЭУ, отработанных к началу XXI века, являются ЭХГ (разработка началась в 50-х годах), ПТУ закрытого цикла (ПТУЗЦ или MESMA – развитие ПГТУ 40-х годов) и закрытый цикл двигателя Стирлинга (ЗЦСт – развитие схемы ДУЗЦ с 30-х годов).
Опыт создания всех этих установок позволил выявить их сильные стороны: при прочих равных условиях наибольшая дальность плавания достигается у ЗЦСт и ЭХГ (в 1,5–2 раза по сравнению с ПТУЗЦ); наибольшим уровнем шума обладает ЗЦСт, затем ПТУЗЦ (65% уровня шума от ЗЦСт), а наименьшим – ЭХГ (25% уровня шума от ЗЦСт или примерно на 10–15% выше, чем у схемы ГЭД+АБ); наименьшую стоимость имеет ПТУЗЦ (примерно 50% стоимости ЭХГ), затем ЗЦСт (75% стоимости ЭХГ) и на последнем месте – ЭХГ (в пять раз дороже обычной ДЭУ); при использовании в ЭХГ водорода в качестве топлива, а кислорода в качестве окислителя продуктом сгорания становится обыкновенная вода, которая может сбрасываться в расходную цистерну, при этом двигательная установка получается полностью независимой от окружающей среды; при сгорании дизельного топлива в среде кислорода в ЗЦСт или ПТУЗЦ большая часть продуктов сгорания растворяется в морской воде.
В настоящее время Германия является единственной страной, которая строит серийные НАПЛ с применением ЭХГ (проект 212). Эти ПЛ строятся для Италии и планируются для Турции, а по измененному проекту – для Греции и Республики Корея (проект 214). В дальнейшем возможным станет создание ЭХГ, для которых водород будет готовиться прямо на ПЛ из более дешевых безопасных компонентов. Россия также способна строить НАПЛ с ЭХГ (опытная лодка успешно испытывалась еще в СССР). Разработан проект отсека с такой установкой, который при желании может быть врезан в НАПЛ с обычной ДЭУ. По такому пути идут почти все разработчики ВНЭУ, кроме Германии.
ВНЭУ типа ЗЦСт была разработана в Швеции, испытана и внедрена в 2008 году на все НАПЛ (проекты А17, А19), находящиеся в составе ВМС. Сама установка изготавливается в виде отдельного отсека. Япония с 2009-го все новые НАПЛ оснащает такой же ВНЭУ. Китай также начал оборудовать свои НАПЛ проекта 041 (или 039A) ВНЭУ подобного типа.
ВНЭУ типа MESMA создана во Франции в виде отдельного отсека. Она предназначалась для оснащения НАПЛ проектов Agosta-90 и Scorpene. В настоящее время ВНЭУ установлена на одной Agosta-90B ВМС Пакистана и будет использоваться еще на двух лодках в ходе модернизации.
Одним из перспективных направлений в развитии ВНЭУ может быть внедрение так называемых силикатных реакторов, работающих на основе расщепления высокомодульных силикатов. Их мощность, по оценкам ученых СССР-России, могла бы быть примерно в 1,5–2 раза меньше, чем ядерных, при этом сама установка не требует биологической защиты. В начале 90-х годов в России ВНИПИ «Энергопром» совместно с Физико-энергетическим институтом и ОКБ «Гидропресс» были разработаны чертежи и смонтирована опытная установка этого типа, на которой начались эксперименты.
На большинстве ПЛ в качестве движителя применяется малошумный гребной винт фиксированного шага. Однако новейшие ПЛА оснащаются движителем насосного типа pump-jet. Это позволяет получить несколько лучшие акустические характеристики.
В надводном кораблестроении также осуществляется внедрение инновационных технологий. Для достаточно крупных БНК (АВ, ДК, ЭМ и ФР) происходят значительные изменения в типе и структуре ГЭУ, для малых БНК (КРВ, БКА) изменения незначительны.
Основным направлением в развитии ГЭУ крупных БНК стало внедрение единой электроэнергетической установки (ЕЭЭУ) и соответственно переход на полное электродвижение. В таких системах любой источник электроэнергии используется как на движение, так и на обеспечение других потребителей энергии.
При использовании ЕЭЭУ обеспечиваются плавность регулирования оборотов гребного винта, то есть достигаются хорошие маневренные качества корабля, минимальные скорости корабля, значительное снижение уровня акустических шумов и вибрации за счет отсутствия механических передач и длинных линий валов. Применение ЕЭЭУ позволяет также достаточно гибко использовать все корабельные источники электроэнергии для обеспечения движения и таким образом достигнуть высокой экономичности ЭУ в целом.
По мнению экспертов, ЭУ с ЕЭЭУ позволяют экономить до 40 процентов топлива по сравнению с эксплуатируемыми ГЭУ БНК, что существенно увеличивает дальность плавания. При использовании ЕЭЭУ на БНК водоизмещение корабля уменьшится на 10 процентов, а персонал для обслуживания сократится почти на 40 процентов.
Размещение источников электроэнергии возможно в верхней части корпуса и даже в надстройке, что сокращает длину воздуховодов, газоходов и упрощает обесшумливание. Наконец, внедрение на БНК энергозатратного ОНФП возможно только при применении ЕЭЭУ.
Передовые позиции в создании таких ГЭУ для БНК основных классов занимает Великобритания. Вначале была построена серия ФР проекта 23 с частичным электродвижением (полный ход обеспечивает ГТД, а экономичный – ЭД), затем в 2009 году построен ЭМ проекта 45 с ЕЭЭУ. Во Франции перспективные ФР проекта FREMM пока будут иметь только частичное электродвижение. Подобные ЕЭЭУ размещаются также на ЭМ типа Zumwalt DDG-1000 ВМС США, а в перспективе будут использоваться на АВ Queen Elizabeth ВМС Великобритании и, возможно, на АВ проекта PA2 ВМС Франции и новом ФР Advancia, предлагаемом французской компанией DCNS. Подобные ГЭУ довольно распространены на новых ДК. Так, УДК Mistral ВМС Франции, УДК Rey Juan Carlos I ВМС Испании, ДВКД Rotterdam ВМС Нидерландов и ДТД Albion ВМС Великобритании тоже имеют ЕЭЭУ.
Повышение энерговооруженности кораблей с ЕЭЭУ и снижение массы ЭУ возможно при использовании двух инновационных технологий. Во-первых, это применение сверхпроводимости, по внедрению которой с конца 70-х годов ведутся НИОКР. Во-вторых, это новые источники электроэнергии и прежде всего ЭХГ с расплавленным и твердополимерным электролитом (РЭ и ТПЭ), работающие на дизельном топливе и кислороде воздуха.
Особенностью генераторов с расплавленным электролитом является высокая рабочая температура, что обеспечивает образование водорода внутри самой батареи топливных элементов и тем самым исключает необходимость предварительной переработки дизельного топлива. Создание малогабаритных ЕЭЭУ для БНК на базе генераторов с ТПЭ мощностью до 50 МВт ожидается после 2015 года (таблица 3). Подобная установка, вероятно, будет размещена на перспективном ФР Advancia.
Таблица 3. Сравнительные оценки ЭХГ (РЭ, ТПЭ) с ДГ и ГТГ
Инновационной технологией для движителей БНК является применение винторулевых колонок (ВРК) с размещенными в них погруженными электро-двигателями (ПЭД). Специалисты относят к положительным моментам таких движителей прежде всего отказ от рулей, валов и освобождение объема корпуса от машинного отделения, получение высокой маневренности и ряд других преимуществ. К отрицательным моментам – сложность обслуживания, связанную с частыми постановками кораблей в док, так как провести осмотр ПЭД на плаву невозможно. Тем не менее на УДК Mistral и УДК Rey Juan Carlos I они размещены.
Инновационной технологией является и внедрение водометных двигателей (ВМД) на достаточно крупные БНК класса ФР. К положительным моментам эксперты относят упрощение ГЭУ за счет отказа от сложных редукторов и рулей, легкость организации совместной работы различных двигателей, возможность совмещения газовыхлопа и струи ВМД для снижения тепловой заметности и шума. К отрицательным моментам – трудности проектирования и создания ВМД с высоким КПД. Тем не менее на ФР программы LCS размещены ВМД, а на ФР проекта MEKO A-200SAN – комбинированный движитель – ГТД работает на ВМД, а ДД – на винтах регулируемого шага (ВРШ).
Защита и скрытность
Ныне имеется не так много инновационных технологий в вопросах защиты ПЛ и БНК. В подводном кораблестроении защита в традиционном понимании как специальная конструкционная защита (КЗ) практически отсутствует. Основное внимание уделяется специальным мероприятиям по повышению скрытности, причем активное гашение как шумоизлучения, так и облучения может рассматриваться как инновационная технология. В надводном кораблестроении защита подразделяется на КЗ от обычных средств поражения и от ОМП.
В настоящее время, по нашему мнению, никаких инновационных технологий КЗ нет, а есть в ряде случаев повторение прошлого (локальное и цитадельное бронирование, экранирование в виде второго борта). Исключением была попытка применить в ЭМ Zumwalt DDG-1000 так называемую водобронную защиту, идея которой также уходит в прошлое. Предполагалось, что в боевой обстановке ЭМ будет находиться в полупогруженном состоянии. Однако позже больше не упоминалось о применении такой защиты.
Поскольку к КЗ стали относить и конструкции, направленные на обеспечение взрывопожаробезопасности, то внедрение стационарных и дистанционно управляемых средств борьбы с пожаром во всех помещениях корабля можно рассматривать как одну из инновационных технологий защиты.
Защита от ОМП в настоящее время в связи с террористической угрозой приобретает особое значение. Новой инновационной технологией здесь является создание для БНК полностью закрытой вентиляции, исключающей поражение экипажа неизвестными отравляющими веществами. Но для такой системы на БНК надо создавать специальную зону защиты и иметь ограниченный по численности экипаж. Всему этому соответствует ЭМ типа Zumwalt DDG-1000 с экипажем чуть больше 140 человек, который к тому же имеет ограниченный выход на верхнюю палубу.
Окончание следует.
Владислав Никольский, доктор технических наук, профессор
Николай Новичков, кандидат технических наук
