Дизель-электрические установки на подводных лодках
Эксперименты изобретателей с различными типами силовых установок для субмарин к концу XIX века привели к выводу, что для подводного хода идеальным является электромотор.
Однако установка электромотора сразу же вела к вопросу: откуда брать электроэнергию? Единственным ответом было – от аккумуляторов. Но аккумуляторы в то время имели еще очень несовершенную конструкцию и небольшую емкость при солидных массогабаритных характеристиках. «Электроходы» – чисто электрические субмарины – одно время строились и даже служили в боевом составе флотов, но имели один весьма существенный недостаток: ограниченную автономность, обусловленную тем, что зарядку аккумуляторов можно было осуществлять только на базе. Пытаясь преодолеть это ограничение, ряд изобретателей развивали конструкции субмарин с двумя двигателями: электромотором для подводного хода и другим двигателем (чаще всего паровой машиной) для надводного. Но ведь паровая машина может вращать и электрогенератор, заряжая аккумуляторные батареи! К такому простому выводу впервые пришел Джон Холланд, предложивший в 1888 году проект субмарины «Плунжер-1», на которой паровые машины могли заряжать аккумуляторы. Она так и не была построена, но послужила отправной точкой для дальнейших работ.
«КЕРОСИНКИ» И «ГАЗОЛИНКИ»
Эксплуатация паровых машин на подлодках была весьма неудобной из-за длительного времени подготовки к погружению – ведь надо было погасить котел, убрать дымовую трубу и выполнить целый ряд других операций. Поэтому пароэлектрические подлодки большого распространения не получили. Гораздо более удобными были двигатели внутреннего сгорания (ДВС), начавшие распространяться в 1880-х годах. Они имели меньшие габариты и большую удельную мощность по сравнению с паровыми машинами, а подготовка к погружению субмарины с таким двигателем была более простой и сводилась к тому, чтобы заглушить мотор и закрыть воздухозаборные и выхлопные отверстия. Первой субмариной, в которой на практике была реализована схема силовой установки, ставшая классической (ДВС для движения на поверхности и зарядки аккумуляторов плюс электромотор для подводного хода) стала «Плунжер-3» конструкции все того же Дж. Холланда. Лодка, построенная в 1897 году, имела подводное водоизмещение 75 т, была снабжена 45-сильным керосиновым двигателем и электромотором мощностью 50 л. с, а в состав вооружения помимо торпедного аппарата входила пневматическая пушка для стрельбы динамитными снарядами. Лодка оказалась удачной – ее приняли в состав флота США и эксплуатировали в качестве учебной до 1913 года.
Примеру Холланда последовали другие конструкторы. В частности, Саймон Лэйк применил вместо керосинового двигателя газолиновый. Его субмарина «Протектор», построенная в 1902 году, имела водоизмещение 174 т и оборудовалась двумя такими моторами (по 240 л. с.) и двумя электродвигателями (по 120 л. с.) В 1904 году эта лодка была продана России, получив название «Осетр». Впоследствии российский флот получил еще девять субмарин системы Лэйка. Также в начале XX века на подлодках многих стран получили распространение бензиновые двигатели.
ДИЗЕЛЬНАЯ ЭРА
При всех своих преимуществах ДВС, работающие на легком топливе (керосине, газолине, бензине), имеют один существенный недостаток с точки зрения их применения на подлодках: это топливо легко испаряется, создавая в замкнутом объеме субмарины взрывоопасную смесь с воздухом. Поэтому на смену таким моторам быстро пришли дизельные двигатели, лишенные подобного недостатка. Одним из пионеров применения дизелей в подводном кораблестроении стал француз Максим Лобеф, по проекту которого в 1904 году построили лодки «Эгрет» и «Сигонь» водоизмещением 250 т. Силовая установка этих лодок состояла из 150-сильного дизеля и 130-сильного электромотора. В 1908 году в России по проекту Ивана Бубнова построили малую (123 т) дизель-электрическую лодку «Минога», а в 1909-м – среднюю (468 т) субмарину «Акула». Уже к началу Первой мировой войны дизель-электрические субмарины стали наиболее распространенными, а после нее полностью вытеснили другие типы подлодок.
ШНОРКЕЛЬ
Для обеспечения работы дизельного двигателя в подводном положении было создано устройство, известное как шноркель, или же РДП («работа дизеля под водой»). Оно представляет собой выдвижное устройство (наподобие перископа) с двумя трубами – воздухозаборной и выхлопной (с глушителем). Изобретателем РДП считается русский офицер-подводник Николай Гудим (в 1910 году), но распространение это устройство получило лишь во время Второй мировой войны в подводном флоте Германии. Для вентиляции и зарядки аккумуляторов лодке со шноркелем можно вместо всплытия идти на перископной глубине (около 15 метров).
На поверхности находится головка трубы, которая по сравнению со всплывшей субмариной была малозаметна. К недостаткам применения шноркеля относятся проблемы, связанные с возможностью визуального или радарного обнаружения судна неприятелем (так как сам шноркель и дым из его трубы гораздо заметнее перископа), а также тот факт, что корабль идет вслепую и «вглухую» из-за шума собственных двигателей – то есть оператор гидролокатора не может выполнять своих обязанностей, что чревато неприятными последствиями.
Суровая судьба дизель-электрических подлодок
Не секрет, что не существует вещей, которые были бы только положительными или только отрицательными. В некотором роде не являются исключением из этого правила и подводные лодки. При всех плюсах атомных подлодок, как то автономность, ограниченная только «человеческим фактором» или превосходные боевые характеристики, они обходятся дорого. Причем не только в плане строительства – для их эксплуатации требуется создание специфической инфраструктуры для обслуживания атомных силовых установок. Но не все страны могут себе позволить такие расходы, а подводный флот им требуется. В этой ситуации устаревшие на первый взгляд дизель-электрические лодки (ДЭПЛ или ДПЛ) еще долго будут оставаться единственной дешевой и удобной альтернативой атомным. Для справки напомним, что только две страны, имеющие или строящие подводные лодки, отказались от дизель-электрических: США и Великобритания. Россия, Китай и Франция (к ним до конца года должна присоединиться Индия, получающая российскую атомную лодку К-152 «Нерпа») имеют смешанный подводный флот, состоящий и из атомных, и из дизельных лодок. Все прочие страны, эксплуатирующие подлодки, имеют только ДЭПЛ.
Подлодки на распутье
— полное электродвижение. В таком случае подлодка не имеет механических связей между дизелями и винтами – последние всегда вращаются электромоторами. На большинстве лодок с полным электродвижением применяются два двигателя: главный и экономического хода; хотя в самых последних проектах их роль играет один мотор с двумя режимами работы.
— топливные элементы. Дальнейшее развитие предыдущей системы. Топливные элементы на основе различных химических соединений позволили увеличить емкость аккумуляторов и снизить шум. Эта система пока что не получила большого распространения, но ей прочат большое будущее.
— ДЭПЛ с двигателями Стирлинга. Применение этого двигателя значительно повышает время пребывания лодки в подводном положении без серьезных потерь в других показателях. Интересная и заслуживающая внимания система, но таких лодок было построено чуть более десятка – это шведский проект «Готланд», французский «Сага», а также японские «Сорю».
Основным типом отечественных ДЭПЛ на данный момент являются лодки проекта 877 «Палтус» конца 70-х. Общее количество этих лодок, включая экспортные, превышает четыре десятка. В середине 90-х было начато строительство экспортных ДЭПЛ проекта 636 «Варшавянка», созданного на основе «Палтуса». Примерно в это же время проект 877 был значительно переработан в 677 «Лада». Недавно появились нерадостные новости о судьбе последних.
Будем надеяться, ЦКБ «Рубин» справится с доработкой проекта и к 2013 году начнется полноценное строительство «Лад». Главными отличиями проектов 877 и 677 является конструкция (у последней – однокорпусная) и силовая установка. На «Палтусах» и «Варшавянках» имеется два электродвигателя, главный и экономического хода. На «Ладах» функции обоих выполняет один двигатель. Также было серьезно обновлено оборудование, улучшена эргономика центрального поста и создана интегрированная система управления всеми вооружениями. Вооружение лодок проекта 677 состоит из шести торпедных аппаратов (533 мм) с боезапасом в 18 или 16 торпед УСЭТ-80К, мин (до 44 штук) и десяти пусковых установок для ПКР. Также на борту имеется ПЗРК «Игла-1М» и шесть ракет для нее. Отдельно специалисты из ЦКБ «Рубин» отмечают экологичность лодки – за счет систем переработки отходов за борт сливается только чистая вода, а все остальные «компоненты» лодка отвозит на базу, где они и утилизируются. При всех выявленных на испытаниях недостатках проект 677 является весьма и весьма перспективным, требуется только некоторая «работа над ошибками», точный объем и состав которой, похоже, засекречен.
Среди зарубежных стран лидером в строительстве ДЭПЛ считается Германия. Так, к примеру, немецкие подлодки проекта 209 с 1971 года поставлялись в 13 стран, всего их было построено более шести десятков. Таким образом, «209» стали самыми коммерчески успешными подлодками в истории. В конце 90-х Израиль получил три лодки проекта 800 Dolphin, являющегося доработкой 21-го проекта под его требования. Более новыми немецкими ДЭПЛ являются лодки проекта 212. Главное, на что обращают внимание немцы, продвигая свои новые лодки – электрическая часть силовой установки. Состоит она из девяти протон-обменных топливных элементов производства Siemens и 144 серебряно-цинковых аккумуляторов. Вооружение проекта 212 состоит из шести торпедных аппаратов калибра 533 миллиметра (боезапас – 12 торпед различных типов) и ПКР. Вместо торпед лодка может нести мины.
Четыре лодки проекта 212 уже вошли в строй Бундесмарине, еще две строятся. По заказу Италии была создана модификация 212А: две такие лодки уже переданы заказчику, еще две будут сданы после 2013 года. С экспортной версией 212-го проекта – проектом 214 – вышла неприятная история: в начале этого года, как подводная лодка, всплыли коррупционные истории десятилетней давности. Тогда ряду греческих чиновников от обороны бюргеры-подрядчики сделали «презенты» на полсотни миллионов евро. Взятки, похоже, не помогли и несколько лет производитель лодок, фирма HDW, имела проблемы со сдачей головной греческой лодки. В 2008 году появилась новость о намерении Пакистана купить для своего флота лодки проекта 214, но с тех пор более новой информации не появлялось.
Самым новым французским проектом ДЭПЛ являются лодки Scorpene. Работы над проектом велись компанией DCN с начала 90-х, причем Scorpene изначально делались как экспортные лодки. К концу десятилетия к Франции присоединились испанцы из Izar. В результате работ было создано три модификации лодки. Покупатель может выбрать из:
— Scorpene Basic. Обычная дизель-электрическая лодка, вооруженная шестью торпедными аппаратами (запас 18 торпед) с возможностью стрельбы противокорабельными ракетами. На лодке могут применяться ПКР SM-39 Exocet или Sub-Garpoon.
— Scorpene Basic-AIP. Та же «Скорпен-Бейсик», но с воздухонезависимой энергетической установкой (ВНЭУ) MESMA. Эта паротурбинная установка, сжигая в камере сгорания топливо (скорее всего, этанол, хотя иногда упоминают дизельное топливо) в кислородной атмосфере, испаряет воду. Пар подается на генераторную установку мощностью до 200 кВт. После турбины генератора пар поступает в конденсатор, где охлаждается забортной водой. Охлажденная вода снова поступает в парогенератор и т.д. Таким образом, паротурбинная установка работает по замкнутому циклу. Необходимый кислород в жидком виде заливается в специальную цистерну на базе.
— Scorpene Compact. Как видно из названия, компактная версия лодки. Может комплектоваться ВНЭУ и предназначена для работы недалеко от береговой линии.
В итоге заказчик может выбрать не только тип силовой установки, но и наиболее подходящий ему вариант рубки (отличаются разным составом выдвижного оборудования) и количество и тип дизель-генераторов.
На данный момент построено четыре лодки Scorpene: две для Чили и две для Малайзии. Также некоторое время назад Франция продавала лодки проекта Agosta. Из 13 построенных сейчас во флотах Испании и Пакистана находятся девять таких лодок.
Не избежали проблем и немцы. Помимо коррупционных скандалов, у них есть и чисто технические беды. Например, лодки проекта 214 получились шумнее, чем надо. В ряде источников упоминается, что при испытаниях головной лодки для Южной Кореи было зафиксировано значительное превышение шума относительно заявленного производителем. После этого корейцам пришлось ставить винт собственной разработки: это уменьшило шум, но ненамного. Другая проблема немецких лодок связана с аккумуляторами. У серийных серебряно-цинковых батарей оказалась неприятная особенность: если разрядить их до уровня в 30-40% от максимального заряда, то при ряде условий у них может появиться т.н. эффект памяти. Конечно, батарею можно использовать и с ним, но тогда серьезно падает автономность лодки. Ходят слухи, что Южная Корея даже собирается снять со своих 214-х лодок новые «перспективные» батареи немецкого производства и купить для их замены российские.
Французские лодки, как и все прочие, также не безгрешны. Так, к примеру, из трех версий Scorpene реально строится только базовая. ВНЭУ еще не готова к массовому производству, да и не особо выгодна. Индия уже затребовала, чтобы на «Скорпенах» для их флота была воздухонезависимая энергетическая установка. Франция согласилась, но увеличила сроки и цену чуть ли не в два раза. Иногда также встречаются претензии к оборудованию Scorpene, но на фоне ценовых проблем их даже не замечаешь.
Еще один момент, где во всей красе всплывает экономика – вооружение. К примеру, американская торпеда Mk-48 последней седьмой модификации (2008 г.) стоит 3,8 млн. долларов. Предыдущая версия, шестая, кроме американского флота закупалась только Бразилией, да и та вряд ли стала покупать много торпед по такой цене. Прочие страны, а именно Канада, Австралия и Нидерланды, преспокойно пользуются 4-й версией торпеды (около 2-2,5 млн. долларов за штуку). Для сравнения, российская торпеда УСЭТ-80 в поздних модификациях стоит около одного миллиона долларов, при этом она не сильно уступает в характеристиках американской конкурентке. Таким образом, может быть просто невыгодно топить торпедой за 3,5 миллионов какой-нибудь ракетный катер, стоящий не сильно дороже. А если принять во внимание возможность непопадания торпеды в цель…
Что же до ракет, то тут наблюдается какой-никакой паритет. Вышеупомянутые лодки различных стран используют три основных типа ракет: Exocet, Sub-Harpoon и «Калибр». В плане дальности с отрывом лидируют российская и американская ракеты: максимальная дальность пуска у них составляет 300 и 280 км соответственно. Максимальная дальность «Экзосета» – всего 180 км, и то, только у последней модификации (block 3). По скоростным, массогабаритным и ценовым параметрам ракеты в целом схожи.
Как видим, абсолютно хороших и абсолютно плохих дизель-электрических подлодок на этой планете пока нет. Одни выигрывают в оборудовании, другие в автономности, но все подвержены одним и тем же проблемам. У всех современных ДЭПЛ есть ограничения по продолжительности использования дизельных установок во избежание их перегрева. У всех стран, делающих ДЭПЛ, есть одни и те же проблемы с аккумуляторами, обусловленные их физико-химической стороной. Наконец, внедрять новые технологии – дело небыстрое и нелегкое.