Являются ли китайские ПЛ с воздухонезависимым двигателем Стирлинга инновацией

До сих пор существовали два основных класса подводных лодок (ПЛ) - дизель-электрические и атомные. Сейчас, похоже, появился новый класс ПЛ, который займет промежуточное место между этими двумя классами. Это ПЛ с воздухонезависимой энергетической установкой (AIP submarines).

Существуют различные типы воздухонезависимых энергоустановок: 

• Дизельные двигатели закрытого цикла

• Паровые турбины закрытого цикла 

• Двигатели Стирлинга

• Топливные элементы

ВМС разных стран разрабатывают свои варианты воздухонезависимых энергоустановок для ПЛ:

•   Германия – топливные элементы

•   Швеция –  двигатель Стирлинга

•   Япония – двигатель Стирлинга

•   Франция – установка MESMA

•   Испания – топливные элементы

•   Индия – топливные элементы

•   Россия – топливные элементы

•   КНР – двигатель Стирлинга

Вот, например, схема перспективной российской ПЛ с топливными элементами.
  

 

Рис.1. Пропульсивная установка перспективной российской ПЛ проекта Амур 1650. Источник

Amur 1650 AIP module – воздухонезависимая энергетическая установка ПЛ проекта Амур 1650; Power plant module with electro-chemical generators - энергетическая установка с электрохимическими генераторами; 1. Liquid oxygen tank - бак для хранения жидкого кислорода; 2. Monitoring panels - системы контроля; 3. Hydrogen accumulators - баллоны для хранения водорода; 4. Heat exchangers - теплообменники; 5,6. Technical water tanks - баки для хранения технической воды; 7. Ventilation and burning system - системы вентиляции и сжигания; 8. Fuel cells - топливные элементы.

 

Ниже мы рассмотрим только проекты ПЛ с двигателем Стирлинга. Корпорация China Shipbuilding and Offshore International продемонстрировала на международной выставке вооружений IDEX 2017 модель подводной лодки типа S-26 с двигателем Стирлинга, что позволило сделать ПЛ воздухонезависимой.
 

На обычной дизель-электрической ПЛ для забора воздуха для работы дизеля используется шноркель - устройство изобретенное немецкими подводниками в ходе Второй Мировой войны.

 

Рис.2. Обычная дизель-электрическая ПЛ, использующая шноркель. Источник

 

Рис.3. Схема энергетической установки обычной дизель-электрической ПЛ. Источник

Air  intake - воздухозаборник; Diesel exhaust - выброс выхлопных газов; Isolation valve - стопорный клапан; Diesel engine - дизельный двигатель; Gen. - генератор; Control - система управления; Electric motor - электромотор; Batteries - аккумуляторные батареи.

 

Рис.4. Принципиальная схема устройства перспективной энергетической  установки воздухонезависимой ПЛ с двигателем Стирлинга. Источник

Nitrogen (N2) - азот; Oxygen (O2) - кислород; Hydrogen (H2) - водород; Fuel cell - топливный элемент; Electrolytes - электролиты; Battery - батарея; Air-independent propulsion - воздухонезависимая ЭУ; ПЛ, оснащенная воздухонезависимой энергетической установкой, может заряжать аккумуляторные батареи, не всплывая, что значительно повысит ее скрытность по сравнению с обычными дизельными ПЛ; A fuel cell - топливный элемент - это электрохимическое устройство, которое преобразует водород и кислород в воду, электроэнергию и тепло.

Важнейшей характеристикой для обеспечения скрытности ПЛ является отсутствие выбросов двигателя. Все газы, необходимые для эффективной работы воздухонезависимой энергетической установки, хранятся в танках на борту лодки. 

 

Китайская ПЛ проекта 039A (Обозначение по классификации НАТО - ПЛ класса Yuan) является первой воздухонезависимой ПЛ китайских ВМС (People's Liberation Army Navy - PLAN).  

 

ПЛ с воздухонезависимой энергоустановкой побила рекорды по дальности плавания, максимальной глубине погружения, потоплению судов-мишеней при сравнимых условиях для дизель-электрических ПЛ.  
 

Корабль может пробыть в подводном положении примерно от двух до трех недель, что значительно повышает живучесть ПЛ. Время нахождения в подводном положении для традиционных дизель-электрических лодок составляет от 10 до 100 часов, после чего лодка должна всплыть для перезарядки аккумуляторных батарей. Однако воздухонезависимые ПЛ могут перезаряжать аккумуляторные батареи в подводном положении. 

Помимо того, что воздухонезависимая энергоустановка играет роль двигателя (главного или вспомогательного), она также обеспечивает освещение, регенерацию воздуха, охлаждение и выполняет другие функции. 

Подводные лодки с воздухонезависимыми энергоустановками более эффективны при ведении боевых действий и уступают только атомным ПЛ. Правда, в настоящее время их постройка обходится дороже обычных дизель-электрических ПЛ, но в будущем они могут стать распространенным техническим решением. 

Таиланд покупает у КНР ПЛ класса S26 T Yuan, которые, как было заявлено, строятся специально для Таиланда на основе проекта ПЛ 039A Yuan. Эти корабли будут иметь длину 78 м при ширине 9 м и оснащены воздухонезависимыми энергоустановками. 
 

Двигатель, используемый на воздухонезависимых ПЛ китайской постройки, является двигателем Стирлинга, импортированным из Швеции в 1980 гг. Как заявлено, КНР сумела скопировать двигатель и монтирует на ПЛ проекта 039B  собственную версию этого двигателя.  КНР потратила примерно 10 лет на разработку бренда нового типа двигателя, основанного на китайской интеллектуальной собственности.

Насколько хорош бренд нового двигателя, и насколько соблюдены права интеллектуальной собственности в данном вопросе, можно только гадать. В китайских заявлениях содержится только приведенная выше информация и не более того. 
 

Фактически постройка китайских подводных лодок была бы невозможна за эти сроки без использования советских технических решений и технологий. Однако лучшие образцы советских дизель-электрических ПЛ заимствовали многие решения, примененные на прототипах германских кораблей времен Второй Мировой войны.  
 

Подводя итог, получается, что китайские ПЛ класса Yuan  являются воплощением смеси технологий и технических решений, разработанных в других странах и объединенных в одном изделии. Китай держит в секрете информацию по конструкции варианта двигателя Стирлинга, использованного при постройке ПЛ класса Yuan.
 

Поэтому можно только упомянуть общие принципы аналогичного двигателя. Двигатель Стирлинга является двигателем закрытого цикла с рабочим телом, постоянно находящимся в системе. Источник энергии используется для нагрева рабочего тела, которое в свою очередь приводит в движение поршни и поддерживает работу двигателя. Двигатель сопряжен с генератором, вырабатывающим электроэнергию и заряжающим батареи. 

 

Рис.5. Анаэробный двигатель Стирлинга для ПЛ разработки компании SAAB в модульном исполнении. Источник

 

  Рис.6.  Внешний вид двигателя Стирлинга (справа) и вставка дополнительного отсека для установки модульного двигателя с Стирлинга на существующих ПЛ (слева). Источник

 

Шведы используют на своих кораблях двигатель Стирлинга в качестве вспомогательного двигателя для подводного хода, при наличии на ПЛ дизелей для обеспечения хода в надводном положении.

Вопрос об использовании двигателя Стирлинга в качестве главного двигателя, вроде бы, находится в разработке для перспективной подводной лодки проекта Viking.

Таким образом, на сегодня вопрос использования анаэробных энергетических установок на неатомных ПЛ из стадии концептуального проектирования перешел на стадию постройки опытных образцов, используемых на конкретных подлодках и испытаний. 

Автор: Олег Губарев

 

Источники

 

1. Explained: How Air Independent Propulsion (AIP) Works! 

2. China’s First AIP Submarine Unit Breaks Records

3.Voitenko M. Chinese AIP submarines not the best choice