Растущая популярность среди военно-морских флотов собственных подводных лодок способствует новым достижениям в области подводных силовых установок.
Если австралийская программа подводных лодок SEA 1000 чему-то и научила мир, так это тому, что решение о том, как снабжать энергией свой подводный флот, не является простым делом. Помимо сложности технических и геополитических компромиссов в условиях все более напряженной региональной обстановки, программа SEA1000 выявила множество головоломок, связанных с движителями подводных лодок: как достичь правильного баланса между дальностью, скоростью и заметностью.
«В принципе, платформа с наибольшей дальностью и скоростью хода, лучшим коэффициентом скрытности и наименьшей заметностью будет иметь преимущество практически во всех условиях», - сказал Бен Солтер, директор по военно-морскому бизнесу GE Power Conversion. Однако достижение этого тонкого баланса зависит от ограничений, накладываемых сегодняшними технологиями. «Компромисс заключается в том, сколько страна готова инвестировать, чтобы достичь своего представления о минимально необходимых возможностях», - продолжил Солтер.
Оперативные головоломки
В своей книге «Победа на море в XXI веке. Тактика в пятую эпоху военно-морского боя» (Vaincre one mer au XXIe siècle - La tactique au cinquième âge du combat naval) Тибо Лавернь и Франсуа-Оливье Корман называют подводную область средой, которая позволяет скрываться благодаря присущей ей непрозрачности. «Непрозрачность для зрения, электромагнитных волн и, в определенной степени, непрозрачность для акустических волн, распространение которых особенно сложно», - пишут они. Следствием этой непрозрачности являются неопределенность, внезапность и вездесущность.
Поэтому ключевая роль подводной лодки, как главного действующего лица в подводной области, заключается в том, чтобы в полной мере использовать все возможности непрозрачности на тактическом и стратегическом уровнях».
В таком контексте главным словом в мире подводных лодок является «сигнатура», - сказал AI Ян Дункан, главный инженер BMT. Разумеется, речь идет не только о магнитной сигнатуре, но и, что особенно важно, о любом типе сигнатуры, создаваемой двигательной установкой подводной лодки: шум дизельного двигателя, инфракрасная (ИК) сигнатура, создаваемая теплом выхлопных газов, или электрические поля, создаваемые гребным винтом подводной лодки».
Одним из ключевых решений некоторых из этих проблем является возможность оставаться под водой и вдали от поверхности как можно дольше. Если подводная лодка находится под поверхностью, радар не сможет засечь поперечное сечение мачты или перископа, ИК-система - обнаружить ее тепловую сигнатуру, а детектор магнитных аномалий (MAD) - определить ее присутствие под поверхностью.
Тем не менее, остаются две ключевые проблемы, которые определяли большинство исследований в области движителей подводных лодок в последние десятилетия: возможность оставаться под водой как можно дольше, то есть как накопить достаточно энергии на борту; и снижение уровня шума. Последнее особенно актуально, поскольку угрозы продолжают развиваться. «Угрозы растут не только в связи с постоянным совершенствованием традиционных датчиков, таких как буксируемые антенны, сонобуи и т. д., но и в связи с растущим развертыванием USV [беспилотных надводных аппаратов] и UUV [беспилотных подводных аппаратов], размещаемых как с надводных, так и с подводных платформ», - пояснил Солтер. Кроме того, новые технологии, такие как искусственный интеллект (ИИ) и квантовые вычисления, могут стать важнейшими помощниками для подводных датчиков, что «увеличивает проблемы, с которыми сталкиваются подводные флоты», добавил Солтер.
Для решения этих задач сегодня технология подводных лодок предлагает два различных типа силовых установок: традиционные - стандартные дизель-электрические и воздухонезависимые двигательные установки (AIP) или ядерные. «Выбор между этими двумя системами фактически является вопросом мобильности», - говорит эксперт по подводным силовым установкам Naval Group.
Стратегическая мобильность – переход на ядерное оружие
«Атомные подводные лодки способствуют стратегической мобильности», — пояснил эксперт Naval Group. «Они позволяют флотам перемещаться с одного театра военных действий на другой за меньшее время благодаря более высокой скорости продвижения (без ограничений) и без ограничений по топливу». Другими словами, единственным ограничивающим фактором для постоянства атомной подводной лодки в море является способность людей оставаться под водой в течение нескольких месяцев подряд.
У подводных лодок с ядерной силовой установкой есть множество преимуществ. Во-первых, ядерная силовая установка обладает высокой энергоемкостью, эффективно обеспечивая требуемый уровень энергии и не занимая при этом слишком много места на борту подводных лодок. Во-вторых, ядерная силовая установка обеспечивает выносливость, хотя и с некоторыми оговорками, зависящими от уровня обогащения урана, используемого в реакторе.
ВМС США (USN) и Королевский флот Великобритании (RN), с которыми USN поделились технологией, работают на высокообогащенном уране (ВОУ) (> 20 процентов U-235). По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), этот тип силовой установки отличается длительным сроком службы активной зоны. В зависимости от оперативных потребностей, таких как количество оружия и датчиков на борту, срок службы активной зоны ядерного реактора на ВОУ может составлять от 20 до 35 лет. Для некоторых подводных лодок это означает работу на одном и том же ядерном реакторе в течение всего жизненного цикла. Другие страны, такие как Россия и Индия, тоже решили использовать ВОУ.
Французские подводные лодки, с другой стороны, работают на низкообогащенном уране (НОУ). Согласно специальному отчету, написанному Аленом Турниолем дю Кло и опубликованному Федерацией американских ученых в декабре 2016 года, «Выбор Франции в пользу военно-морского ядерного двигателя — почему был выбран низкообогащенный уран», этот выбор был в основном следствием финансовой выгоды. Когда в 1970-х годах ВМС решили использовать ядерные реакторы для питания своих подводных лодок, гражданская энергетическая сфера уже достигла значительных успехов в ядерной энергетике, которая использует НОУ. Министерство обороны Франции просто решило использовать эти достижения.
Специальный доклад «Турньоль дю Кло» показал, что единственное реальное различие между использованием НОУ и ВОУ для ядерного ядра заключается в сроке службы активной зоны. Как правило, французская атомная подводная лодка должна менять активную зону примерно каждые 10 лет. Кроме того, говорится в докладе, «выбор между НОУ и ВОУ [...] не влияет на непосредственные характеристики подводной лодки».
По данным WNA, Китай, как полагают, использует НОУ-топливо, «по крайней мере, в более ранних реакторах».
Атомные подводные лодки особенно востребованы государствами, стремящимися проецировать силу на весь мир. Тот факт, что им не нужно всплывать на перископную глубину, чтобы вдыхать кислород, означает, что они могут преодолевать большие расстояния, оставаясь незамеченными. Именно это эксперт Naval Group назвал «стратегической мобильностью», и именно это побудило Австралию отказаться от первоначального выбора технологии AIP в компании Naval Group.
Однако, как сказал Солтер, такой выбор технологий «крайне ограничен и чрезвычайно дорог».
Это проблема, с которой сталкиваются такие страны, как Австралия, которая до недавнего времени была категорически против ядерной энергетики и, следовательно, не имеет критической инфраструктуры поддержки. Пойдя по ядерному пути, Австралия будет сильно зависеть, по крайней мере, в первые десятилетия программы и эксплуатации подводных лодок, от своих партнеров из США и Великобритании. Две страны-партнера AUKUS будут отвечать за подготовку персонала Королевского австралийского флота (RAN), в то время как Австралии также придется вкладывать значительные средства в развитие навыков, связанных с ядерной сферой, — от среднего образования до инженерных степеней и… законодательства. Кроме того, Австралии также придется полагаться на Великобританию в вопросах управления своими ядерными отходами, что влечет за собой дополнительные расходы на транспортировку и управление.
Тактическая мобильность – AIP
По словам эксперта Naval Group, «обычные подводные лодки обеспечивают тактическую мобильность». Эти субмарины полагаются на системы AIP, которые обычно представляют собой комбинацию дизельных генераторов, батарей и либо технологии топливных элементов, либо двигателя Стирлинга для питания батареи и передаточного механизма - или, все чаще, электропривода.
Системы AIP не требуют всплытия подводных лодок для подзарядки аккумуляторов. В этом смысле они обладают такой же свободой действий, как и ядерные силовые установки, которые, по сути, также не зависят от воздуха. Однако автономность систем AIP гораздо более ограничена, как правило, она составляет от двух до трех недель. «В основном это связано с ограниченным пространством на борту для хранения ресурсов, необходимых для создания энергии», - объясняет Дункан. Таким образом, двигатели Стирлинга будут ограничены количеством кислорода и дизельного топлива, которые можно взять с собой на борт, в то время как технология топливных элементов будет ограничена доступным кислородом и водородом».
Тем не менее, за последние несколько лет такие компании, как Saab и Thyssenkrupp Marine Systems, предприняли важные шаги в разработке соответственно двигателей Стирлинга и технологий топливных элементов.
«В Saab мы сосредоточились на эффективности кислорода, который хранится в жидкой форме в наших подводных лодках и который влияет на общий размер подводной лодки», — сказал Матс Абрахамссон, глава отдела проектирования подводных лодок в бизнес-подразделении Saab Kockums. В этом смысле, как и для своих дизель-электрических подводных лодок (SSK), Saab разработала концепцию модульных двигателей: один небольшой модуль содержит двигатель Стирлинга и связанные с ним вспомогательные системы.
«Этот модуль Стирлинга имеет размер примерно двух стиральных машин, расположенных бок о бок», — пояснил Абрахамссон. «Модульная конструкция устраняет необходимость иметь на платформе специальное машинное пространство». В зависимости от своих оперативных потребностей военно-морские силы могут выбирать, хотят ли они использовать два, три или более модулей, увеличивая тем самым автономность питания. Эта технология очень скрытна и была успешно проверена на подводных лодках классов Södermanland и Gotland и будет представлена на A26. «A26 будет нести три новейших и очень компактных модуля. Система Стирлинга A26 обеспечит около трех недель воздушной независимости в зависимости от таких факторов, как температура воды, скорость и работающие системы», — сказал Абрахамссон.
Использование модулей также дает два дополнительных преимущества. Во-первых, оно облегчает локализацию шума и распространения огня, делая подводную лодку более тихой и безопасной. Во-вторых, уменьшается логистический фактор. «Все, что нужно для заправки системы Стирлинга, - это то же стандартное дизельное топливо, что и для основных дизелей, и грузовик с жидким кислородом, что занимает всего несколько часов и повышает эксплуатационную готовность», - заключил Абрахамсон. Это контрастирует с некоторыми другими системами AIP, которые имеют более сложный и длительный процесс заправки».
Топливные элементы
Также есть успехи в области технологий топливных элементов. Петер Хаушильдт, руководитель отдела исследований и технологий в компании Thyssenkrupp Marine Systems, представил последние достижения компании в области технологий топливных элементов. Новая система основана на модульной технологии, при этом блоки топливных элементов легко заменяются небольшой группой из трех или четырех человек, которые могут снять старый блок и заменить его новым всего за несколько часов. «Эти новые блоки топливных элементов производятся компанией Thyssenkrupp Marine Systems, они более доступны и также могут перевозиться на борту для повышения эксплуатационной готовности», — прокомментировал Хаушильдт.
Технология топливных элементов, менее требовательная к кислороду, чем другие технологии AIP, и поэтому требующая меньшего кислородного бака, занимает мало места на подводной лодке. Батареи нового поколения на топливных элементах будут установлены на подводной лодке типа 212CD ВМС Германии.
«Если вы занимаетесь обороной родины и защитой ИЭЗ (исключительной экономической зоны), то подводные лодки AIP - это очень мощные платформы, которые избавят вас от расходов и политических сложностей, связанных с ядерной энергетикой», - заявил Дункан. Этот тип силовой установки идеально подходит, например, для военно-морских сил, которые действуют преимущественно в прибрежных районах».
Ажиотаж вокруг литий-ионных аккумуляторов?
«Свинцово-кислотный аккумулятор энергии, соединенный с двигателем с постоянными магнитами, работающим от инвертора, является сегодня передовым достижением, […] однако химия аккумуляторных аккумуляторов в настоящее время является быстро развивающейся областью», — прокомментировал Солтер. Фактически, несколько стран изучают разработку и внедрение литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов для замены свинцово-кислотных аккумуляторов (LAB).
«Литий-ионная технология обеспечивает большую емкость благодаря более высокой удельной энергии на борту, которая обещает увеличиться в будущем с появлением твердотельных батарей», - комментирует эксперт Naval Group. Кроме того, литий-ионные батареи можно заряжать в море, достигая 98-процентного состояния заряда (SoC) на втором этапе процесса зарядки. Хотя батареи LAB также можно заряжать в море, они выделяют газообразный водород, что требует дополнительных мер по снижению риска, а для достижения 100-процентного уровня заряда необходимо проводить профилактику батарей в периоды технического обслуживания. Наконец, независимо от того, полностью ли они заряжены или нет, литий-ионные батареи выделяют постоянный поток энергии, обеспечивая тем самым большую тактическую мобильность.
В настоящее время только один подводный флот в мире использует литий-ионные батареи — японский класс Soryu. Однако Управление программы оборонных закупок Южной Кореи (DAPA) объявило в январе 2022 года, что подводные лодки ROKN Batch-II также будут оснащены литий-ионными батареями.
В Европе ряд судостроителей также рассматривают эту технологию. Naval Group начала разработку своего решения в 2006 году, чтобы достичь сертификации системы в 2020 году, уделяя особое внимание безопасности, поскольку литий-ионные батареи могут иметь проблемы с безопасностью, поскольку высокие токи короткого замыкания могут привести к тепловому выходу из строя. «Мы сосредоточились на выборе химического состава, который обеспечивал бы правильный баланс между плотностью энергии и безопасностью», - говорит эксперт. В состав батареи входит система мониторинга, которая следит за поведением каждого элемента, предоставляя оператору необходимые параметры для работы и обслуживания. Кроме того, в батарее предусмотрен ряд тестов на нераспространение и системы электрической защиты, которые гарантируют, что даже в случае инцидентов они не окажут влияния на батарею в целом.
Thyssenkrupp Marine Systems также работает над разработкой литий-ионных аккумуляторов в партнерстве с французской компанией Saft. Хаушильдт сказал, что его компания предлагает технологию ВМС Германии для своих будущих подводных лодок 212CD.
Наконец, Абрахамссон добавил, что Saab также реализует программу исследований и разработок (НИОКР) в области технологий аккумуляторных батарей, включая литий-ионные.
Сила будущего
Сегодня , Navantia в настоящее время проводит испытания нового типа движителя под названием BEST (Bio-Ethanol Stealth Technology). Эта система AIP третьего поколения состоит из реформера биоэтанола, который производит водород, который затем реагирует с кислородом в топливном элементе для производства электроэнергии. Согласно веб-сайту компании, эта система позволяет судну работать автономно под водой до трех недель. «Главное преимущество биоэтанола заключается в том, что это жидкость, которую легко обрабатывать и переносить, и которую также можно использовать для работы дизельного двигателя, то есть на подводной лодке вам придется перевозить только один вид топлива», — прокомментировал Дункан. «Система пока не введена в эксплуатацию, однако, если она окажется надежной, эта новая технология может стать переломным моментом для AIP», — заключил Дункан.
Наконец, что касается аккумуляторов, хотя литий-ионные в настоящее время являются самой передовой технологией, применяемой в подводных лодках, все специалисты отмечают, что химия постоянно развивается, и ведутся исследования дополнительных альтернатив. Хаушильдт, например, сказал, что Thyssenkrupp Marine Systems также следит за разработками, касающимися твердотельных аккумуляторов, «которые были бы гораздо более гибкими, поскольку дизельный генератор заряжал бы аккумулятор, и больше не было бы необходимости в водороде и кислороде».
«Нам постоянно приходится адаптироваться к новым угрозам и растущей эффективности новых угроз», — заключил Абрахамссон. «Это интересные времена, потому что в гражданском мире происходит так много всего, что можно применить к подводным лодкам, и нет сомнений, что будет больше одного пути, чтобы двигаться вперед, продолжать увеличивать плотность мощности, уменьшать воздействие и увеличивать автономность».