Кто первым применил серебряно-цинковые аккумуляторы на подводных лодках (и зачем?)

Техника редко развивается "линейно", и многие решения были найдены столетия назад, но, для промышленного их использования цивилизации нужно было еще "дорасти". Прототипом современной серебряно-цинковой батарейки в 1800‑м году стало изобретение итальянского учёного-физика Алессандро Вольта. Практическое применение изобретение получило только в 40‑х годах 19‑го столетия, когда были созданы первые ампульные элементы питания — довольно громоздкие устройства, в которые необходимо было заливать электролит непосредственно во время использования.

Что представляет собой конструкция современных серебряно-цинковых элементов питания? Цинковый анод и катод из оксида серебра, разделённые сепаратором, находятся в растворе электролита (KOH или NaOH), конструкция запрессована в металлический корпус. Элементы питания различаются по размеру, мощности и ёмкости.

Серебряно-цинковые аккумуляторы находят применение в узких нишах, таких как космос, военная техника, медицина и так далее. Например, их преимущества отлично подошли для использования в качестве источника питания передатчиков первого искусственного спутника Земли, запущенного в СССР 4 октября 1957 года. Но, то космос, а мы смотрим... "подводный космос" (освоение которого ничуть не проще).

Первые серебряно-цинковые аккумуляторы (в дальнейшем, будем писать просто СЦ) были применены отнюдь не на подводных лодках, а в торпедах (речь идет об экспериментальном применении.

Причем (как ни странно), несмотря на то, что эксперименты с электрическими торпедами начались раньше, сами торпеды этого типа появились позже, уже после того, как появились СЦ АКБ на подводных лодках. Первой торпедой оснащенной такой ССН, стала 400-мм торпеда СЭТ-40 с серебряно-цинковой аккумуляторной батареей, созданная в 1962 г. под руководством В.И.Сендерихина. Нет, были электроторпеды и ранее, например, ЭТ-80 — советская электрическая торпеда. Это была первая советская серийная противокорабельная бесследная торпеда с системой беспузырной стрельбы на основе электродвигателя постоянного тока (марка ПМ5-2). Разработана в 1938—1942 году, принята на вооружение в 1942 году. Использовалась советскими подводными лодками во время Великой Отечественной войны. Но, объетивно говоря, для электроторпеды свинцовые батареи вообще... малоприменимы.

Почему? Ответ будет в конце статьи. Что касается подводных лодок, то, на применение СЦ аккумуляторов тоже достаточно долго решиться не могли.

И в головах конструкторов на тот момент еще слабо укладывался тот факт, что можно потратить тонны серебра только для того, чтобы создать аккумулятор для целой подводной лодки.

Возможно, я ошибаюсь, но при сравнении разных данных из разных источников, получается, что пионерами в этом "безумном" решении были советские инженеры. В США подводные лодки с СЦ аккумуляторными батареями (в дальнейшем, АКБ) появились чуть позже. Так, испытания СЦ АКБ на экспериметальной лодке "Альбакор" (США) велись в 1962-64 годах. У нас 651-й проект появился в 1960 году (всего их, по памяти, было 16 штук).

Причем, СЦ АКБ впервые применили не на атомных подводных лодках (АПЛ), а на обычных. Это потом они "перекочевали" на АПЛ.

Эскизный проект 651 большой дизельной подводной лодки с ракетным вооружением и серебряно-цинковой аккумуляторной батареей был разработан на основании Постановлений СМ №1149-592 и №1190-610 от 17 и 25 августа 1956 г. и тактико-технического задания ВМФ, утверждённого 28 января 1957 г. ПЛ пр.651 должна была быть вооружена крылатыми ракетами П-5 для стрельбы по площадям и противокорабельными самонаводящимися ракетами П-6 (обе разработки ОКБ-52). В мае 1958 года разработанный по этому заданию эскизный проект был утверждён и на его основе разработан технический проект, который был утверждён в январе 1959 года.

Проект был разработан в ЦКБ МТ «Рубин» под руководством главного конструктора А.С.Кассациера и его заместителей К.З.Саравайского, Ф.А.Шарова и С.Е.Липелиса, а главным наблюдающим от ВМФ был назначен капитан 2 ранга И.А. Коцюбин. Разработка рабочих чертежей и технической документации была начата в первом квартале 1959 г. и закончена в первом квартале 1960 г. Проверка размещения на ПЛ всего оборудования и личного состава была проведена натурным макетированием. 1, 2 и 3 отсеки макетировались на заводе №196; 4 и 5 – на заводе №194; 6, 7 и 8 – на Балтийском судостроительном заводе. В дальнейшем по указанию руководства МСП вся техническая документация по проекту 651 была передана в ЦКБ-112 МСП. Подводная лодка пр.651 была, как и все советские ПЛ того времени, выполнена двухкорпусной с развитым ограждением прочной рубки и надстройкой. Прочный корпус был образован из цилиндра диаметром 6900 мм и двух усечённых конусов в оконечностях. Поперечными плоскими водонепроницаемыми переборками прочный корпус разделялся на восемь отсеков. Все переборки были рассчитаны на испытательное давление 10 кгс/кв.см с обеих сторон. Шпангоуты устанавливались как внутри, так и снаружи прочного корпуса. Для погрузки и выгрузки главных механизмов была предусмотрена возможность вырезки листов обшивки и набора прочного корпуса с последующей их сваркой встык. Прочная рубка была овальной, а её крыша имела форму кругового цилиндра с образующей, параллельной диаметральной плоскости. Главный балласт размещался в 14 цистернах. Две из них – №4 и №11, являлись аварийно-балластными и служили для восстановления плавучести лодки при потере герметичности одного ракетного контейнера из каждой пары, а шесть цистерн (№№ 2,3,5,7,12 и 13) были топливно-балластными. Остальные цистерны главного балласта, кроме №1, размещённой в носовой оконечности и имевшей кингстон, заполнялись через шпигаты. Вентиляция всех междубортных цистерн была раздельной. Управление кингстонами и клапанами вентиляции было дистанционное гидравлическое. Замещение массы выпущенных ракет производилось приёмом воды в прочные цистерны, которые находились во II отсеке и в междубортном пространстве в районе расположения кормовых контейнеров. Нормальный запас топлива размещался в пяти топливных цистернах внутри прочного корпуса и в шести забортных цистернах, две из которых были в оконечностях (№ 6 и № 11), а остальные – в нижней части междубортного пространства. Конструкции прочного и наружного корпусов были рассчитаны с учётом требований противоатомной защиты. Большие трудности вызывала разработка кормового комплекса, который должен был обеспечить большие скорости хода и одновременно возможно низкий уровень шумности ПЛ. Эти трудности усугублялись ещё и тем, что лодка имела мощные гребные электродвигатели (6000 л.с.), требовавшие гребных винтов такого диаметра, при котором винты не размещались в принятых главных размерениях лодки, а увеличение последних вело к потере скорости. К тому же гребные электродвигатели с трудом вписывались в диаметр прочного корпуса и ограничивали угол развала линии валов. После ряда конструктивных проработок был выбран вариант, в котором применялись направляющие насадки для гребных винтов, а кормовой оконечности придавалась такая архитектурная форма, которая позволяла существенно уменьшить длину лодки. Гребные винты проектировались малошумными. Выбранный движительный комплекс давал возможность уменьшить диаметр гребного винта до приемлемой величины и одновременно повысить критические скорости хода (т.е. скорости, при которых резко повышается шумность). Все корпусные конструкции, обеспечивающие погружение на предельную глубину, а также плоские поперечные переборки прочного корпуса были выполнены из стали марки АК-25 с пределом текучести 60 кгс/кв.мм. Отдельные конструкции выполнялись из стали марки АК-27 с пределом текучести 52 кгс/кв.мм. На первых пяти подводных лодках наружный корпус, прочные наружные цистерны, стабилизаторы и ограждение прочной рубки были выполнены из маломагнитной стали марки 45Г17ЮЗ, с пределом текучести 40 кгс/кв.мм, на остальных эти конструкции изготовлялись из стали СХЛ. В период освоения маломагнитной стали 45Г17ЮЗ судостроительные заводы встретились со значительными технологическими трудностями в части правки и резки стали. Это объясняется тем, что маломагнитная сталь имеет повышенное коробление, обусловленное физическими свойствами стали – повышенным коэффициентом линейного расширения и низкой теплопроводностью. Кроме того, она трудно поддается механической обработке. Всё это привело к большому объёму работ по правке и подгонке сварных конструкций, а, следовательно, к увеличению остаточных напряжений в них. Наружный корпус серийных ПЛ пр.651 был покрыт нерезонансным противогидролокационным покрытием с рупорными каналами НППРК-4ДЗ. Но на первых шести кораблях такого покрытия не было, так как ко времени их готовности технология ещё не была освоена. При установке покрытия надводное водоизмещение лодок возросло 3174 до 3300 куб.м. Энергетическая установка ПЛ пр.651 состояла из следующих элементов: • два главных дизеля 1Д43 (Коломенского завода), четырёхтактные, двенадцатицилиндровые, с газотурбинным наддувом, со встроенным редуктором, нереверсивные, мощностью 4000 л.с. каждый при 440 об/мин, и один дизель 1ДЛ42 (также Коломенского завода), четырёхтактный, шестицилиндровый с газотурбинным наддувом мощностью 1720 л.с. при 700 об/мин., спаренный с генератором постоянного тока ПГ-142. На ПЛ была установлена система дистанционного автоматизированного управления (ДАУ), предназначенная для управления дизелями, шинно-пневматическими муфтами и захлопками газоотвода и подачи воздуха к дизелям, включая сигнализацию о параметрах работы дизелей и о положении шинно-пневматических муфт. Система ДАУ также управляла захлопками РДП и обеспечивала блокировку дизелей и главных гребных электродвигателей при их работе в режиме РДП и защиту дизелей по ряду предельных параметров. Кроме поста ДАУ, дизелями можно было управлять с местных постов управления, расположенных на носовых торцах дизелей. Система ДАУ значительно упростила обслуживание дизелей во время их работы и позволила управлять дизелями одному человеку, который находился вне дизельного отсека. Из особенностей дизельной установки следует также отметить их газоотводы, выполненные из титанового сплава; • два главных гребных электродвигателя ПГ-141, мощностью по 6000 л.с. каждый (при 500 об/мин.), и два электродвигателя экономического хода ПГ-140, мощностью по 200 л.с. каждый (при 155 об/мин.);

Что касается аккумуляторов, то, серебряно-цинковая аккумуляторная батарея на проекте 651 была типа 30/3, состоящая из четырёх групп по 152 элемента в каждой группе. Максимальная сила разрядного тока составляла 14000 ампер в течение 1,5 часов. Максимальная ёмкость длительного режима разряда составляла 30000 ампер-часов при разрядном токе 250 ампер. Батарея имела срок службы 35-40 условных циклов или 12-18 месяцев по времени. Для обеспечения максимальных режимов разряда батареи было предусмотрено её охлаждение дистиллированной водой по замкнутому циклу. Помимо значительно большей ёмкости по сравнению со свинцовой батареей, серебряно-цинковая батарея допускала, в случае необходимости, перерыв в зарядах, неполное их проведение, и не требовала, как правило, доливок на протяжении гарантийного периода эксплуатации. Батарея имела систему дистанционного контроля за её работой, что значительно облегчало обслуживание. В 1961 году, из-за отсутствия в стране необходимого количества серебра, было принято решение об ограничении применения серебряно-цинковых аккумуляторных батарей примерно половиной серии подводных лодок пр.651, а впоследствии число ПЛ с этой батареей было уменьшено до трёх. На остальных лодках устанавливались свинцовые аккумуляторные батареи типа 60СМ-П (изделие 422) в количестве 448 элементов (по 112 элементов в каждой группе). Максимальная сила разрядного тока этой батареи составляла 9000 ампер в течение одного часа, а максимальная емкость длительного режима разряда 15000 ампер-часов при разрядном токе 250 ампер.
Управление гребными электродвигателями осуществлялось при помощи щитов, имевших водяную систему охлаждения и обеспечивающих пуск, реверс и все предусмотренные моторные и генераторные режимы. Для поддержания чистоты охлаждающей дистиллированной воды, от которой зависит сопротивление изоляции щитов управления гребными электродвигателями и аккумуляторной батареи, в системе водяного охлаждения были установлены ионитовые фильтры. Серебряно-цинковые аккумуляторные батареи и водяное охлаждение щитов управления гребными электродвигателями применялись на отечественных ПЛ впервые.

Так все-таки, ради чего такие затраты?

По сравнению со свинцово-кислотными обладали гораздо большей удельной емкостью и меньшими габаритами. Кроме того, серебряно-цинковые аккумуляторы позволяли получать большие токи при кратковременных режимах разрядки, постоянное до конца разряда напряжение и малую скорость саморазряда. Их достоинством являлось и то, что они не полностью заливались электролитом, что упрощало управление подводной лодкой, так как исключалось выплескивание электролита при кренах и дифферентах. В свинцово-кислотном аккумуляторе уровень электролита не допускает наклон элементов более 45-50° (что осложняет его использование, например, в торпедах), а серебряно-цинковый может нормально работать в любом горизонтальном и вертикальном положении, поскольку электролит не выливается из-за его малого количества и герметичной пробки, установленной в корпусе элемента. Но сейчас поговаривают о "закате" эпохи СЦ аккумуляторов. Чем их заменяют? Об этом в следующей статье...