Бесшумные и маневренные: какими будут боевые корабли будущего

 Перспектива появления на боевых кораблях будущего вооружения, построенного на новых физических принципах, повышает интерес военных моряков к теме электродвижения. Идея включить оружие и силовую установку корабля в единый контур на основе электрической энергии - вот, собственно, что дает дополнительные аргументы сторонникам «полного электродвижения». Соответственно, данная тема становится важным направлением работы инженеров-конструкторов, занятых на предприятиях отечественной судостроительной промышленности.

«Системы вооружения, построенные на новых физических принципах» - это некое общее широкое определение, под которое попадают, в частности, перспективные комплексы, что используют электромагнитный импульс для временного или даже перманентного вывода из строя радиолокационных станций, вычислительных машин и прочих радиотехнических и цифровых систем вражеских кораблей. Кроме того, возможно использование электроэнергии корабля для запуска и разгона некоего снаряда. Важно, что подобные системы требуют большого запаса электроэнергии на борту корабля и возможность его восстановления/поддержания без захода в базу.

«Полное электродвижение» реализуется, когда винт (или иной движитель) на всех режимах движения судна приводится в действие только электромотором. Если на борту присутствует механический источник (дизель, турбина и т.п.), имеющий возможность крутить вал винта (обычно на больших ходах), то имеет место «прямой привод со вспомогательным электродвигателем», простыми словами – «частичное электродвижение».

«Полное электродвижение», построенное с преобразованием механической энергии в электрическую, а затем - обратно в механическую, снижает общий КПД. Этот факт приходится учитывать и кораблестроителям, и военным морякам. Представляется, что, применительно к созданию надводного корабля следующего поколения, подход быть согласно решаемых им задач. Ожидаемое появление электромагнитных пушек (для крейсеров, эсминцев) и катапульт (на авианосцах) как бы делает некоторые потери энергии при преобразовании из одного вида в другой оправданными.

Батарея Ion-Lithium

В этой связи, а также учитывая тенденцию на увеличение общего энергопотребления различными системами корабля (включая РЛС, ГАК, БИУС и т.п.), конструкторам приходится более внимательно относиться к теме выработки и сохранения электрической энергии. Передовые в научно-техническом отношении государства мира активно ведут работы по литиевым батареям повышенной емкости. В этой области отечественные специалисты достигли обнадеживающих результатов, включая применение на флоте. В частности, о завершении разработки и испытаний йон-литиевой батареи для подводных лодок сообщало Центральное Конструкторское Бюро Морской Техники «Рубин» - создатель субмарин проектов 955 «Борей», 677 «Лада» и других.

Заметим, что аккумуляторы с биркой Ion-Lithium давно и широко применяются в портативных устройствах (мобильные телефоны и т.п.) и хорошо зарекомендовали. Однако пока не нашли своего места в военно-морском деле. Между тем, они обладают рядом преимуществ перед классическими кислотными батареями, включая повышенную емкость, способность выдерживать повышенные токи разряда и зарядки, длительный жизненный цикл, меньшие расходы в ходе эксплуатации и так далее.

Исторический аспект

Наши соотечественники были среди первых, кто на надводных судах опробовал тяговый электромотор. Его конструкция была предложена русским физиком Борисом Семеновичем Якоби. Использовался прогулочный катер вместимостью 12 пассажиров, который в ходе испытаний прошел несколько десятков километров. Сохранился текст донесения Крузенштерна графу Уварову, в котором, в частности, говорится: «13 сентября 1838 г. на Неве был произведен опыт плавания судна, приводимого в движение электромагнитной силой». Стоит отметить, что на катере не было альтернативной силовой установки, а, значит, на нем был реализован принцип «полного электродвижения». Так что это направление в судостроении никак нельзя считать чем-то совершенно новым.

Следующим интересным этапом в истории отечественного судостроения стала постройка, в начале прошлого века, теплохода «Вандал» с дизель-электрической силовой установкой конструкции Константина Петровича Боклевского. Выбранная схема (дизель приводил в действие электрогенератор, тот заряжал батарею, а затем ток шел на электродвигатель постоянного тока) имела К.П.Д. менее 85%. Продолжительное время судно находилось в активной эксплуатации, и было списано после Революции из-за износа и повреждений. В пятидесятые годы Советский Союз построил серию дизель-электроходов. Подобные суда нашли распространение и продолжают применяться в коммерческом судоходстве. У современных электроходов К.П.Д. на несколько процентов выше, чем у «Вандала».

Сегодня электромоторы применяются на судах и в качестве вспомогательного движителя, и в составе главной энергетической установки. Поскольку современные двигатели – высокооборотные, приходится между ними и винтом устанавливать понижающий редуктор, потери мощности в котором составляют порядка 2%. А в случае электрической системы приходится применять генераторы и преобразователи частоты, с общим КПД менее 90%. Это - ниже, чем у «чисто механической» системы (например, газовая турбина и главный турбозубчатый агрегат). Словом, в экономическом плане электродвижение не выгодно.

Если изобретение гребного электродвигателя дало резкий толчок развитию подводного судостроения, то применительно к боевым надводным кораблям оно решило лишь вспомогательные задачи. Между тем, энтузиасты более широкого использования «электромагнитной силы» не переводятся. Стремясь поднять интерес к теме, они вводят новые термины, типа «расширенное применение электродвижения» и тому подобное.

Стремление описать очередным красивым словосочетанием давно известное направление у специалистов вызывает улыбку и очередной раз доказывает справедливость популярного в народе утверждения, что «новое есть хорошо забытое старое». Вместе с тем, нельзя не отметить и положительные моменты, характерные для электродвижения.

Противолодочный корабль

Для военных моряков важно всемерное снижение демаскирующих признаков, а гребной электродвигатель (ГЭД) считается самым малошумным из всех распространенных типов судовых силовых установок. Правда, для надводного корабля снижение акустического поля не столь актуально как для подводного. Поскольку основным демаскирующим фактором выступает заметность в радиолокационном (радиоволны отражаются от борта и надстроек) и инфракрасном полях (силовая установка на основе двигателей внутреннего сгорания).

Пожалуй, наиболее актуальным снижение собственного гидроакустического поля представляется применительно к случаю противолодочного (или сторожевого) корабля. Как правило, поиск вражеских субмарин ведется на режиме малого и среднего хода (не более 15 узлов) при помощи гидроакустических комплексов с буксируемыми, погружаемыми и подкильевыми антеннами, дальность действия которых зависит от шумового и вибрационного «портретов» корабля-носителя.

Известны примеры того как отдельные конструкторы пытаются снизить акустические признаки корабля путем сокращения длины валов, утверждая что это достигается путем грамотного размещения элементов силовой установки внутри корпуса и надстройки. Некоторые из таких решений нашли применение на английских эсминцах тип 45 Daring с силовой установкой из двух газовых турбин Rolls-Royce, пары дизель-генераторов W?rtsil? и электродвигателей Converteam.

Для Королевского флота построено шесть таких ЭМ в период с 2003 по 2013гг. Все генераторы корабля вырабатывают переменный ток, что облегчает конструкцию и управление ими (создать генераторы повышенной мощности на постоянном токе пока не представляется возможным). Для преобразования переменного тока в постоянный (ГЭД работают на постоянном токе) используются трансформаторы по одному на каждый электромотор.

США ведет строительство эсминцев нового поколения Zumwalt с 2008 года. Энергетическая установка включает газовые турбины и асинхронные электродвигатели мощностью 36,5 МВт и рабочим напряжением 6600 В. На третий корабль DDG-1002 Lyndon B. Johnson планируется установить высокотемпературный сверхпроводимый синхронный двигатель с постоянными магнитами мощностью 36,5 МВт и частотой вращения вала два оборона в секунду. Начальная эксплуатация головного DDG-1000 Zumwalt с октябре прошлого года сопровождается многочисленными поломками. Главная энергетическая установка вышла из строя 22 ноября 2016 года, когда эсминец проходил Панамский канал. Обездвиженный корабль пришлось буксировать на базу при помощи обычных судов, не обремененных многомиллионными силовыми установками новомодного типа.

«Частичное электродвижение»

Понимая, что на большом ходу (свыше 18 узлов) кардинально снизить шумность корабля не получится (из-за явления кавитации винтов и по другим причинам), известные отечественные конструкторы противолодочных кораблей более благосклонно относятся к применению так называемого «частичного электродвижения». Отметим, что первое слово в данном сочетании снимает глубокий налет «научности» и «инновационности», столь желанный для ушей чиновников высоко уровня и изобретателей, жаждущих славы и денег, а потому воспринимается ими негативно.

Вместе с тем, с практической точки зрения именно «частичное электродвижение» представляет наиболее интересное направление для боевых кораблей. Помимо снижения шума, оно также дает возможность повысить маневренные качества судов, особенно при прохождении узкостей, швартовке и т.п. Применение электродвигателя в качестве маневрового средства желательно, коль скоро можно легко задавать/изменять частоту и направление вращения гребного вала, и, следовательно, скорость и направление движения корабля. В настоящее время, вспомогательные электромоторы широко применяются на плавкранах, паромах, буксирах и ледоколах.

Реализация подхода «частичное электродвижение» на ударном корабле (например, класса «эскадренный миноносец») может найти свое воплощение в том, что на борту сохраняться маршевые газовые турбины (они обеспечат высокий КПД). А в ситуации «погони» будут дополнительно задействованы электродвигатели (возможно, в связке с дизель-генераторами), которые можно будет использовать также для маневрирования и/или на режиме «тихого хода» когда требуется обеспечить лучшие условия работы гидроакустики.

Азиподы

Несмотря на многие затрудняющие факторы, энтузиасты упорно продвигают идеи электровижения, и даже настаивают на полном отказе от классических гребных винтов в пользу так называемых «винто-рулевых комплексов» (ВРК). Одним из вариантов их исполнения является использование тягового электромотора в погруженном контейнере-обтекателе (podded drive), вынесенном за пределы корпуса судна.

Примером ВРК является так называемый «азипод», предложенный инженерами фирмы ABB. Подобные решение практикуются ими с начала девяностых годов прошлого века. Слово происходит от патентованного английского «сокращения» Azipod (Azimuthing podded propulsion system), указывающего на систему обеспечения движения путем пространственного ориентирования контейнера-обтекателя с гребным электродвигателем.

«Азиподы» всячески расхваливается создателями, которые неустанно совершенствуют его воплощения в металле. Среди достоинств данного вида ВРК отмечаются: возможность полного разворота по горизонтали (на угол триста шестьдесят градусов) и реверсирования винта (винтов),  что выражается в заметном повышении маневренных свойств судна-носителя, особенно при движении в порту.

Для перспективного авианосца ВМС Франции рассматривался вариант комбинированной дизель-электрической/газотурбинной энергетической установки по схеме CODLAG из двух «эшелонов», каждый включает маршевую газовую турбину мощностью 40МВт, два дизель-генератора на 9-11 МВт, два индукционных ГЭД по 20 МВт. Однако от строительства подобного корабля французские военные моряки отказались, решив потратить бюджет флота на десантные вертолетоносцы «Мистраль» с дизель-электрической силовой установкой включающей РВК с ГЭД мощностью по 7 МВт. Считается, что российский интерес к «мистралям» был вызван, в том числе, и наличием у него продвинутого варианта «азиподов», который мог в последствии найти применение на кораблях ВМФ России других проектов.

Известно, что системы электродвижения применяются на морском транспорте вооружений «Академик Ковалёв». Он был простроен северодвинским ЦС «Звездочка» и принят флотом в декабре 2015 года. Особенностью проекта 20183ТВ разработки ЦМКБ «Алмаз» выступает движительная система: дизель-генераторы вырабатывают  электрический ток, питающий  электродвигатели в составе ориентируемых винто-рулевых комплексов.

Благодаря ВРК, транспорт вооружений обладают повышенной маневренностью и может удерживать заданный курс при значительном волнении моря, что позволяет ему успешно решать задачи, поставленные командованием ВМФ. В настоящее время ЦС «Звездочка» ведет постройку второго корабля проекта «Академик Макеев».