«Полное электродвижение»: концепция боевых кораблей будущего

Перспектива того, что на боевых кораблях будущего будет установлено вооружение, построенное на новых физических принципах, способствует тому, что интерес военных моряков к теме электродвижения растет. Сама идея, которая предполагает объединение силовой установки корабля и его вооружения в единый контур на основе электрической энергии представляется очень заманчивой. А значит, данная тема все более плотно исследуется инженерами и конструкторами, в том числе и на российских предприятиях судостроительной отрасли.

Системами вооружений, построенными на новых физических принципах, можно назвать, в частности, перспективные комплексы, которые используют электромагнитный импульс для временного или даже перманентного вывода из строя РЛС, радиотехнических и цифровых систем, вычислительных машин вражеских кораблей. Помимо этого возможным представляется использование электроэнергии корабля для запуска и разгона снаряда (рельсотрон). Не стоит лишь забывать о том, что все подобные системы требуют очень больших запасов электрической энергии на борту корабля, а также возможности ее восстановления или поддержания на требуемом уровне без захода судна на базу.

В наши дни электромоторы применяются на боевых кораблях и в составе главной энергетической установки, и в качестве вспомогательного движителя. Так как современные двигатели являются высокооборотными, приходится между ними и винтом размещать понижающий редуктор, потери мощности в нем могут доходить до 2%. А в случае электрической системы приходится использовать преобразователи частоты и генераторы с общим КПД менее 90%. Это ниже, чем у «чисто механической» системы (к примеру, газовая турбина и главный турбозубчатый агрегат). Поэтому в экономическом плане электродвижение представляется невыгодным.

В свое время изобретение гребного электродвигателя дало достаточно резкий скачок всему развитию подводного судостроения, тогда как применительно к надводным боевым судам оно решает лишь вспомогательные задачи. Несмотря на это энтузиасты более широкого применения на флоте «электромагнитной силы» никуда не исчезают. Стремясь подогреть к данной теме интерес, они вводят в обращение новые термины, к примеру, «расширенное применение электродвижения».

Реализовать полное электродвижение возможно лишь тогда, когда винт (или другой движитель) на всех режимах движения корабля приводится в действие лишь электромотором. В том случае, если на борту судна имеются механические источники энергии (турбина, дизельный двигатель и т.д.), обладающие возможностью крутить вал винта (чаще всего на больших ходах), то можно говорить о «прямом приводе со вспомогательным электродвигателем», или «частичным электродвижением».

«Полное электродвижение», которое построено на преобразовании механической энергии в электрическую, а затем снова в механическую энергию, понижает общий КПД. Это необходимо учитывать и кораблестроителям, и военным морякам. Представляется, что ожидаемое появление электромагнитных пушек (на фрегатах, корветах и эсминцах) и катапульт (на авианосцах) сделает некоторые потери энергии, возникающие при ее преобразовании из одного вида в другой, оправданными и возможными.

Литий-ионные батареи для подлодок

В связи с общей тенденцией на рост энергопотребления разнообразными системами кораблей (включая РЛС, БИУС, ГАК и другими) конструкторам требуется все более внимательно подходить к вопросу выработки и сохранения электроэнергии. В этом плане передовые в научно-техническом отношении страны мира довольно активно ведут работы по созданию литий-ионных батарей повышенной емкости. Есть свои успехи в этой области и в России.

Стоит отметить, что сам литий-ионный аккумулятор (Li-ion) впервые был выпущен компанией Sony еще в 1991 году, однако длительное время эти аккумуляторы использовались лишь в гражданской сфере. Данный тип аккумулятора сегодня очень широко распространен во всей бытовой технике и электронике, находя также применение и в качестве накопителя энергии в различных энергетических системах, и в качестве источника энергии в электромобилях. Сегодня это наиболее популярный вид аккумулятора для таких устройств, как ноутбуки, мобильные телефоны, цифровые видеокамеры и фотоаппараты, а также электромобили.

Литий-ионные аккумуляторы очень хорошо зарекомендовали себя в работе, но до недавнего времени им не находилось применения на флоте. Несмотря на то, что подобные аккумуляторы обладают рядом важных преимуществ перед классическими кислотными батареями, включая способность выдерживать повышенные токи разряда и зарядки, повышенную емкость, болей долгий жизненный цикл, меньшие расходы в ходе эксплуатации и т.д.

Естественно, все это не могло остаться в стороне от конструкторов военно-морской техники. К примеру, в конце 2014 года российское ЦКБ «Рубин», специализирующееся на проектировании подводных лодок и ведущее в нашей стране бюро подводного кораблестроения, заявило об успешном проведении цикла испытаний новых литий-ионных батарей, предназначенных для неатомных подводных лодок. Об этом журналистам рассказывал тогда генеральный директор ЦКБ «Рубин» Игорь Вильнит. Подобные батареи значительно увеличивают автономность подлодок, обладая большим сроком службы, а также не требуют для обслуживания и работы сложного оборудования.

В то же время в российском флоте применяются аккумуляторные батареи, срок действия которых ограничен, а цена, по оценкам экспертов, может достигать 300 млн. рублей. По словам Андрея Дьячкова, ранее возглавлявшего ЦКБ «Рубин», современные литий-ионные аккумуляторные батареи позволят увеличить время нахождения подводных лодок под водой минимум в 1,4 раза, в то время как потенциал данной технической идеи используется в настоящее время лишь на 35-40%, сообщало РИА Новости.

Направление является перспективным для флота, это давно заметили во всем мире. По информации ресурса shephardmedia.com, в марте 2020 года Военно-морские силы самообороны Японии собираются ввести в строй первую в мире неатомную подлодку (11-я в серии субмарин типа Soryu), которая получит литий-ионные аккумуляторные батареи. Это позволит японцам отказаться от использования на подлодках не только традиционных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, но и воздухонезависимых двигателей Стирлинга.

Японская неатомная подводная лодка SS 503 Hakuryū типа Soryu.

Согласно словам вице-адмирала в отставке Масао Кобаяси, использование литиево-ионных аккумуляторных батарей «должно драматически изменить действия неатомных подводных лодок». Такие батареи обеспечивают субмаринам продолжительность подводного хода, которая сопоставима с продолжительностью хода при использовании воздухонезависимых энергетических установок (ВНЭУ) на небольших скоростях, однако при этом за счет высокой емкости они могут обеспечить довольно высокую продолжительность подводного хода и на больших скоростях, что особенно важно для подлодок при выходе их в атаку или при уклонении от противника. При этом в отличие от ВНЭУ, подводная лодка в состоянии постоянно пополнять запас энергии в литиево-ионных батареях за счет подзарядки батарей с использованием устройства РДП (устройство для работы двигателя под водой).

Согласно словам вице-адмирала Кобаяси, литиево-ионные батареи также отличаются более коротким временем подзарядки в сравнении со свинцово-кислотными батареями, это достигается за счет большей силы заряда тока. Также такие аккумуляторы долговечнее, а электрические схемы с их использованием проще в построении электрических сетей и управлении. Оборотной стороной медали называют высокую стоимость литиево-ионных батарей. Так контрактная цена 11-й субмарины типа Soryu составляет 64,4 миллиарда иен (порядка 566 миллионов долларов), против 51,7 миллиарда иен (454 миллиона долларов) у десятой лодки этого же типа. Почти вся разница в цене субмарин придется на литий-ионные аккумуляторные батареи и соответствующие электросистемы.

Использование гребных электродвигателей

Для военных моряков очень большое значение имеет уменьшение демаскирующих признаков. Лучше всего этому способствует использование гребного электродвигателя (ГЭД), который считается наиболее малошумным из всех распространенных сегодня корабельных силовых установок. Правда, для надводного судна снижение акустического поля является не таким актуальным, как для подводного флота. Все дело в том, что главным демаскирующим фактором для надводных кораблей является заметность в радиолокационном (радиоволны хорошо отражаются от надстроек и борта), а также инфракрасном полях (силовая установка, построенная на основе двигателя внутреннего сгорания).

Поэтому для надводных кораблей наиболее актуальным уменьшение гидроакустического поля представляется для специализированных судов — противолодочных (сторожевых) кораблей. Чаще всего они ведут поиск вражеских субмарин в режиме малого и среднего хода — не более 15 узлов (около 28 км/ч) с помощью гидроакустических комплексов с буксируемыми, погружаемыми и подкильевыми антеннами. Дальность действия таких антенн напрямую зависит от вибрационного и шумового «портретов» корабля-носителя, чем ниже скорость движения судна, тем эффективнее работают антенны.

Модель ГЭД

Именно меньшая шумность — основное достоинство установок с электродвижением. Никакую другую энергетическую установку невозможно сделать менее шумной, чем установку с электродвигателем. При этом существенный вклад в общий шумовой «фон» корабля вносит гребной вал, который жестко связан через редуктор с основными двигателями. Для снижения этого шума используются специальные муфты. Помимо этого вибрация двигателей передается и на обшивку корпуса судна (корабельные двигатели, редукторы, механизмы ставят на фундамент, который жестко связан с набором корпуса, а тот в свою очередь — с обшивкой корпуса). Именно обшивка корабля излучает колебания во внешнюю среду (в воду), а это и является источником шума, который называют структурным. Для снижения «структурного шума» широко практикуется установка всех механизмов на амортизаторы.

В энергетических установках с полным электродвижением гребной вал никак не связан с основным (для него) источником шума — главным двигателем, так как на всех режимах хода он вращается лишь электродвигателем. Помимо этого в «электрической» главной энергетической установке генератор вместе с первичным двигателем можно расположить даже в надстройке корабля (к примеру, так размещена часть дизель-генераторов на британских фрегатах проекта 23), максимальным образом удалив их от наружной обшивки судна.

Правда, на скорости движения более 15 узлов все преимущества электродвижения в плане бесшумности такого хода заканчиваются. Это происходит из-за того, что главной составляющей подводного шума (на некотором удалении от судна) становится шум от кавитации гребного винта. Поэтому на боевых кораблях имеет смысл бороться со снижением шума от ГЭУ лишь на скоростях до 15 узлов. Поэтому и применение электродвижения можно использовать лишь для обеспечения кораблю поискового хода, что и подходит противолодочным судам.

Сегодня известны примеры, когда отдельные конструкторы пытались снизить акустическую заметность боевых кораблей при помощи сокращения длины валов, утверждая, что такое решение достигается с помощью грамотного размещения элементов силовой установки внутри корпуса боевого корабля и надстройки. Некоторые из таких решений действительно были реализованы на практике, к примеру, на британских эсминцах тип 45 Daring, силовая установка которых состоит из 2-х газовых турбин Rolls-Royce, пары дизель-генераторов Wärtsilä, а также электродвигателей Converteam. Для КВМС с 2003 по 2011 год было построено 6 таких эсминцев.

Эсминец тип 45 Daring

В США активно ведется строительство перспективных эсминцев нового поколения, получивших обозначение Zumwalt. Работы стартовали еще в 2008 году, головной корабль серии вступил в строй в октябре 2016 года. Энергетическая установка корабля включает газовые турбины и асинхронные электродвигатели мощностью 36,5 МВт с рабочим напряжением 6600 В. На третий корабль серии DDG-1002 Lyndon B. Johnson планируется поставить высокотемпературный сверхпроводимый синхронный двигатель с постоянными магнитами, его мощность составит те же 36,5 МВт, а частота вращения вала — 2 оборота в секунду.

В то же время начальная эксплуатация эсминца нового поколения продемонстрировала всему миру, что он еще ненадежен и страдает от детских болезней, его эксплуатация сопровождается многочисленными поломками. Так 22 ноября 2016 года ГЭУ эсминца Zumwalt вышла из строя в тот момент, когда он проходил Панамский канал. Обездвиженный корабль пришлось буксировать на базу с помощью самых обыкновенных буксиров, которые не обременены силовыми установками нового типа.

Еще одним положительным качеством электродвижения помимо снижения шумности, можно назвать повышение маневренности судов. Как у газовой турбины, так и у дизеля существует значение минимальной мощности, следовательно, есть и минимальное значение устойчивой скорости хода. В то время как при помощи электродвигателя можно достаточно легко менять частоту и направление вращения гребного вала, а значит скорость и направление движения судна. Благодаря этому главная энергетическая установка с электродвигателем уже достаточно давно применяется на тех кораблях, которые по своему назначению должны обладать максимально возможной маневренностью: буксиры, паромы, ледоколы, плавучие краны и т.п.

Азиподы

В перспективе еще одним несомненным плюсом электродвижения для боевых кораблей может стать отказ от использования гребных валов. Начиная с 1992 года в качестве гребных электродвигателей (ГЭД) начали довольно широко использоваться винто-рулевые комплексы (ВРК) с погруженным гребным двигателем (podded drive), в которых ГЭД был вынесен за пределы корпуса корабля и установлен в подводной капсуле (коконе), обладающей высокими гидродинамическими свойствами.

Azipod — azimuthing podded propulsion system

Типовые ВРК создают или с одним упорным, или с двумя соосными (тяговым и упорным) винтами. В нашей стране наибольшее распространение получили финские системы под обозначением «Азипод» (Azipod — azimuthing podded propulsion system) с одним упорным винтом и ГЭД мощностью от 1,5 до 4,5 МВт. Основными достоинствами ВРК называют: возможность разворота капсулы в горизонтальной плоскости сразу на 360 градусов, то есть реверс направления вращения винта на 100% мощности; валопровод и возможность функционирования винта фиксированного шага на небольших скоростях (до 0,1 от нормальной). Помимо этого ВРК позволяет значительно снизить уровень вибрации и шума силовой энергетической установки, а также установить электроэнергетическое оборудование в труднодоступных для размещения груза местах, это, в свою очередь, позволяет конструкторам более рационально использовать полезное пространство корабля.

Самым эффективным источником тока для ВРК называют сеть переменного тока, которая позволяет не только повысить экономичность и надежность главной энергетической установки, но и использовать для привода винта асинхронные двигатели, оснащенные короткозамкнутым ротором и не требующие обслуживания в процессе эксплуатации. Для того чтобы улучшить пусковые качества асинхронного привода, достаточно часто применяются глубокопазные и двухклеточные роторы специального исполнения. Частоту вращения винта в системах, называемых Azipod, можно регулировать при помощи тиристорных преобразователей частоты. Использование ВРК на практике существенно повышает маневренность кораблей и позволяет даже довольно крупным из них обходиться в порту без помощи со стороны буксиров. Помимо этого отсутствие гребных валов повышает полезный объем в корпусе судна.

Известно, что системы электродвижения были применены на российском транспорте вооружений «Академик Ковалев», который был построен на ЦС «Звездочка» в Северодвинске и принят в состав флота в декабре 2015 года. Особенностью корабля проекта 20180ТВ, созданного специалистами ЦМКБ «Алмаз», стала его движительная установка: дизель-генераторы корабля вырабатывают электричество, которое питает электродвигатели в составе ориентируемых винторулевых комплексов. Благодаря наличию на корабле ВРК, этот транспорт вооружений отличается повышенной маневренностью, он может удерживать заданный курс при существенном волнении на море и успешно решать задачи, поставленные перед ним командованием ВМФ. В настоящее время ЦС «Звездочка» осуществляет постройку второго корабля в рамках того же проекта.

Специалисты считают, что подводные и надводные корабли с электродвижением, наиболее распространенные уже сегодня, в дальнейшем будут лишь совершенствоваться, особенно с учетом все более широкого применения винто-рулевых комплексов. При этом в будущем электродвижение на кораблях военно-морского флота во всех странах мира будет приобретать все больший размах.

/Сергей Юферев, topwar.ru/