Воздушно-независимая силовая установка - Air-independent propulsion

Воздушно-независимая силовая установка (AIP), или же независимая от воздуха мощность,[а] есть ли морская силовая установка технология, позволяющая неядерным подводная лодка работать без доступа к атмосферный кислород (путем всплытия или использования трубка ). AIP может дополнять или заменять дизель-электрическая силовая установка неядерных судов.

Современные неатомные подводные лодки потенциально более малозаметны, чем атомные подводные лодки; реактор атомного корабля должен постоянно перекачивать теплоноситель, генерируя некоторое количество обнаруживаемый шум. С другой стороны, неатомные подводные лодки, работающие от батарей или AIP, могут быть практически бесшумными. В то время как конструкции с ядерными двигателями по-прежнему преобладают в условиях погружения и в глубоководных условиях, небольшие высокотехнологичные неядерные ударные подводные лодки очень эффективны в прибрежных операциях и представляют значительную угрозу для менее незаметных и менее маневренных атомных подводных лодок.[1]

AIP обычно реализуется как дополнительный источник, с традиционным дизель управление надводным движителем. Большинство таких систем вырабатывают электричество, которое, в свою очередь, приводит в движение электродвигатель для движения или подзаряжает двигатель лодки. батареи. Электрическая система подводной лодки также используется для обеспечения «гостиничных услуг» - вентиляции, освещения, обогрева и т. Д. - хотя это потребляет небольшое количество энергии по сравнению с той, которая требуется для движения.

AIP может быть установлен на существующую подводную лодку корпуса вставив дополнительную секцию корпуса. AIP обычно не обеспечивает выносливость или мощность для замены зависимой от атмосферного давления силовой установки, но допускает более продолжительное погружение, чем подводная лодка с традиционным двигателем. Типичная обычная силовая установка обеспечивает 3 мегаватты максимум, а источник AIP - около 10% от этого. Мощность силовой установки атомной подводной лодки обычно намного превышает 20 мегаватт.

В ВМС США использует обозначение классификации корпуса "SSP" для обозначения лодок с AIP, сохраняя "SSK" для классических дизель-электрических двигателей. ударные подводные лодки.[b]

История

Реплика Иктинео II, Первая подводная лодка Monturiol в Барселоне.

При разработке подводной лодки постоянно стояла проблема поиска удовлетворительных форм движения под водой. Самые ранние подводные лодки приводились в движение людьми с винтами с ручным приводом, которые быстро израсходовали воздух внутри; этим судам приходилось большую часть времени перемещаться по поверхности с открытыми люками или использовать какой-либо вид дыхательной трубки, что было опасно по своей природе и приводило к ряду ранних аварий. Позже суда с механическим приводом использовали сжатый воздух, пар или электричество, которые необходимо было заряжать с берега или от бортового аэробного двигателя.

Самая ранняя попытка создать топливо, которое могло бы гореть анаэробно, была предпринята в 1867 году, когда Нарцисо Монтуриоль успешно разработал анаэробный или воздухонезависимый паровой двигатель с химическим приводом.[2][3]

В 1908 году Императорский флот России спустил на воду подводная лодка Почтовый, в котором использовался бензиновый двигатель, питаемый сжатым воздухом и отработавший под водой.

Эти два подхода, использование топлива, обеспечивающего энергию для системы с открытым циклом, и обеспечение кислородом аэробного двигателя в замкнутом цикле, характеризуют AIP сегодня.

Типы

Системы открытого цикла

Миниатюрная подводная лодка X-1 на выставке Библиотека и музей подводных сил В Соединенных Штатах

В течение Вторая Мировая Война немецкая фирма Уолтер экспериментировал с подводными лодками, которые использовали высокопрочная (концентрированная) перекись водорода как источник кислорода под водой. Эти использованные паровые турбины с использованием пара, нагретого за счет сжигания дизельного топлива в атмосфере пара / кислорода, создаваемой разложением пероксида водорода под действием перманганат калия катализатор.

Было построено несколько экспериментальных лодок, но работа не превратилась в какие-либо жизнеспособные боевые суда. Одним из недостатков была нестабильность и дефицит топлива. Другой заключался в том, что хотя система обеспечивала высокие подводные скорости, она была расточительна с топливом; первая лодка, V-80, требовалось 28 тонн топлива для преодоления 50 морских миль (93 км), и окончательный дизайн был немного лучше.

После войны одна лодка Типа XVII, U-1407, который был затоплен в конце Вторая Мировая Война, был спасен и повторно введен в Королевский флот в качестве HMSМетеорит. В конце 1950-х британцы построили две улучшенные модели: HMSИсследователь, и HMSЭкскалибур. Метеорит не пользовался популярностью у экипажей, считавших его опасным и нестабильным; официально она была описана как безопасная на 75%.[нужна цитата ] Репутация Экскалибур и Исследователь были немного лучше; Лодки получили прозвища Excruciater и Exploder.[4]

В Советский союз также экспериментировал с технологией и построена одна экспериментальная лодка которые использовали перекись водорода в Двигатель Вальтера.

Соединенные Штаты также получили лодку Типа XVII, U-1406, и продолжил использовать перекись водорода в экспериментальной сверхмаленькая подводная лодка, X-1. Первоначально он питался от перекиси водорода / дизельного двигателя и аккумуляторной системы до взрыва перекиси водорода 20 мая 1957 года. X-1 позже был преобразован в дизель-электрический.[5]

СССР, Великобритания и США, единственные страны, которые, как известно, экспериментировали с этой технологией в то время, отказались от нее, когда последние разработали ядерный реактор Достаточно малы для движения подводной лодки. Другие страны, включая Германию и Швецию, позже возобновят разработку AIP.

Оставлен для приведения в движение торпеды Британцами и Советским Союзом, хотя первые поспешно отказались от них после HMSСидон трагедия. И это, и потеря Русская подводная лодкаКурск произошли в результате аварий с участием торпед с перекисью водорода.

Дизельные двигатели замкнутого цикла

В этой технологии используется подводная лодка. дизель который может работать обычным образом на поверхности, но также может быть снабжен окислитель, обычно хранится как жидкий кислород, при погружении. Поскольку металл двигателя будет гореть в чистом кислороде, кислород обычно разбавляют переработанным выхлопной газ. Аргон заменяет выхлопные газы при запуске двигателя.

В конце 1930-х годов Советский Союз проводил эксперименты с двигателями замкнутого цикла, и ряд небольших М-класс суда были построены с использованием РЕДО системы, но ни одна из них не была завершена до немецкого вторжения в 1941 году.

Во время Второй мировой войны немецкая Кригсмарине экспериментировали с такой системой в качестве альтернативы пероксидной системе Вальтера, разрабатывая варианты их Подводная лодка типа XVII и их Тип XXVIIB Seehund сверхмалые субмарины типа XVIIK и XXVIIK соответственно, хотя ни одна из них не была построена до конца войны.

После войны в СССР был разработан небольшой 650-тонный Квебек-класс подводная лодка, тридцать из которых были построены в период с 1953 по 1956 год. У них было три дизельных двигателя - два обычных и один замкнутого цикла на жидком кислороде.

В советской системе, называемой «одиночной двигательной установкой», кислород добавлялся после того, как выхлопные газы фильтровались через химический абсорбент на основе извести. Подводная лодка также могла управлять своим дизелем с помощью шноркеля. В Квебеке было три приводные валы: дизель 32D мощностью 900 л.с. (670 кВт) на центральном валу и два дизеля M-50P 700 л.с. (520 кВт) на внешних валах. Кроме того, к центральному валу был подсоединен «ползущий» двигатель мощностью 100 л.с. (75 кВт). Лодка могла двигаться на малой скорости, используя только центральный дизель.[6]

Поскольку жидкий кислород нельзя хранить бесконечно, эти лодки не могли работать далеко от базы. Это было опасно; взорвалось не менее семи подводных лодок, и одна из них, М-256, затонула в результате взрыва и пожара. Иногда их называли зажигалками.[7] Последняя подводная лодка, использовавшая эту технологию, была списана в начале 1970-х годов.

В Немецкий флот бывший Подводная лодка тип 205 U-1 (запущен в 1967 г.) был оснащен экспериментальной установкой мощностью 3000 л.с. (2200 кВт).

Паровые турбины замкнутого цикла

Французская система MESMA (Module d'Energie Sous-Marin Autonome) предлагается французской верфью DCNS. MESMA доступен для Агоста 90B и Подводные лодки типа "Скорпен". По сути, это модифицированная версия их ядерной двигательной установки с теплом, выделяемым этиловый спирт и кислород. В частности, обычная паротурбинная электростанция приводится в действие паром, генерируемым при сгорании этанола и хранящимся кислородом под давлением 60 атмосферы. Это сжигание под давлением позволяет выпускать углекислый газ быть выброшенным за борт на любую глубину без вытяжного компрессора.

Каждая система MESMA стоит около 50–60 миллионов долларов. Установленный на Scorpènes, он требует добавления к подводной лодке секции корпуса длиной 8,3 метра (27 футов) и массой 305 тонн, в результате чего подводная лодка может работать под водой более 21 дня в зависимости от таких переменных, как скорость.[8][9]

Статья в Журнал Undersea Warfare отмечает, что: «хотя MESMA может обеспечивать более высокую выходную мощность, чем другие альтернативы, его собственная эффективность является самой низкой из четырех кандидатов AIP, и его уровень потребления кислорода, соответственно, выше».[9]

Двигатели цикла Стирлинга

HSwMS Готланд в Сан-Диего

Шведский судостроитель Kockums построил три Готландподводные лодки класса для Шведский флот которые оснащены вспомогательными двигатель Стирлинга который сжигает жидкий кислород и дизельное топливо, чтобы приводить в действие электрические генераторы мощностью 75 кВт для силовой установки или зарядки аккумуляторных батарей. Автономность 1500-тонных лодок составляет около 14 суток при 5кн (5,8 миль / ч; 9,3 км / ч).

Kockums также отремонтировал / модернизировал шведский Вестергётланд-учебный класс подводные лодки с секцией плагина Stirling AIP. Два (Södermanland и Östergötland) находятся на вооружении в Швеции в качестве Södermanland учебный класс, и два других находятся на вооружении в Сингапуре в качестве Лучник учебный класс (Лучник и Фехтовальщик).

Kockums также поставляла в Японию двигатели Стирлинга. Десять японских подводных лодок были оснащены двигателями Стирлинга. Первая подводная лодка в классе, Сурю, был спущен на воду 5 декабря 2007 года и доставлен флоту в марте 2009 года. Одиннадцатый самолет этого класса является первым самолетом, оснащенным литий-ионными батареями без двигателя Стирлинга.[10]

Новый шведский Блекингеподводная лодка класса в качестве основного источника энергии использует систему AIP Стирлинга. Продолжительность подводного плавания составит более 18 суток на скорости 5 узлов с использованием AIP.

Топливные элементы

Подводная лодка тип 212 с движением топливных элементов Немецкий флот в доке

Сименс разработал 30–50 киловатт топливная ячейка unit, устройство, преобразующее химическая энергия из топлива и окислителя в электричество. Топливные элементы отличаются от батарей тем, что для поддержания химической реакции они требуют постоянного источника топлива (такого как водород) и кислорода, которые переносятся на судне в резервуарах под давлением. Девять из этих единиц включены в Howaldtswerke Deutsche Werft 1830 AG т подводная лодка U-31, головной корабль для Тип 212А из Немецкий флот. Остальные лодки этого класса и экспортные подводные лодки HDW с AIP (Дельфин учебный класс, Тип 209 мод и Тип 214 ) используются два модуля мощностью 120 кВт (160 л.с.), также от Siemens.[11]

После успеха Howaldtswerke Deutsche Werft AG в своей экспортной деятельности несколько строителей разработали вспомогательные блоки на топливных элементах для подводных лодок, но по состоянию на 2008 год ни одна другая верфь не имеет контракта на поставку подводной лодки с таким оборудованием.

AIP реализован на С-80 класс из Испанский флот основан на процессоре биоэтанола (предоставлен Hynergreen из Абенгоа, SA), состоящий из реакционной камеры и нескольких промежуточных реакторов Coprox, которые преобразуют BioEtOH в водород высокой чистоты. На выходе подается серия топливные элементы из Collins Aerospace (который также поставлял топливные элементы для Космический шатл ).

В риформинг-установку подается биоэтанол в качестве топлива и кислород (хранящийся в виде жидкости в криогенном резервуаре высокого давления), образуя водород в качестве побочного продукта. Произведенный водород и кислород поступают в топливные элементы.[12]

В Лаборатория военно-морских материаловедения индийских Организация оборонных исследований и разработок разработала систему AIP на основе Топливный элемент на основе фосфорной кислоты (PAFC) для питания последних двух Кальвариподводные лодки класса, которые основаны на Скорпена дизайн.[13][14]

Португальский флот Tridenteподводные лодки класса также оснащены топливными элементами.

Атомная энергия

Основные статьи: Атомная подводная лодка и Ядерная морская двигательная установка

Термин «воздушно-независимая силовая установка» обычно используется в контексте улучшения характеристик подводных лодок с традиционным двигателем. Однако как вспомогательный источник энергии ядерная энергия подпадает под техническое определение AIP. Например, предложение использовать небольшой 200-киловаттный реактор для вспомогательной энергии - в стиле AECL как "ядерная батарея «… Может улучшить возможности канадских подводных лодок подо льдом.[15][16]

Ядерные реакторы используются с 1950-х годов для питания подводных лодок. Первая такая подводная лодка была USS Наутилус введен в эксплуатацию в 1954 году. Сегодня Китай, Франция, Индия, Россия, то объединенное Королевство и Соединенные Штаты являются единственными странами, которые успешно построили и эксплуатировали атомные подводные лодки.

Неатомные подводные лодки AIP

По состоянию на 2017 год около 10 стран строят подводные лодки AIP, и почти 20 стран используют подводные лодки на базе AIP:

СтранаТип AIPСтроителиПодводные лодки с АИПОператорыНомера с AIP и примечания
 ГерманияТопливная ячейкаСименс -ThyssenKruppДельфин учебный класс Израиль5 активно / 1 в стадии строительства[17][18]
Тип 209-1400мод Южная Корея

 Греция
 Египет

1 подтвержденная модернизация с использованием AIP,[19] до 9 дополнительных Чанг Бого учебный класс возможно дооснащение.[20][21][22][23]
Тип 212 Германия
 Италия
 Норвегия (планируется)		10 активно / еще 8 запланировано[24][25]

К 2025 году Норвегия планирует закупить четыре подводные лодки на базе Type 212.[26]

Тип 214 Южная Корея
 Греция
 Португалия
 индюк		13 активно / 2 в стадии строительства / еще 8 запланировано[27][28]

3 турецких заказа строятся на Военно-морская верфь Гёльчюк. Планируется еще 3.

Тип 218 Сингапур2 строятся / еще 2 планируются, первая поставка ожидается в 2020 году.[29][30][31]
 ШвецияСтирлинг AIPKockumsГотланд учебный класс Швеция3 активных[32]
Лучник учебный класс Сингапур2 активных (дооснащение Вестергётланд учебный класс )[33]
Södermanland учебный класс Швеция2 активных (дооснащение Вестергётланд учебный класс )
Блекингеподводная лодка класса Швеция2 запланированных
 ЯпонияСтирлинг AIPКавасаки -KockumsHarushio учебный класс Япония1 модернизация: Асасио.[34]
Сурю учебный класс Япония10 действующих (из 11 завершенных) / 3 в стадии строительства / еще 3 запланированных[35]
 Франция
МЕСМАВоенно-морская группаАгоста 90B Пакистан3 в эксплуатации
Скорпена Чили
 Бразилия (планируется)		6 действующих (из 7 завершенных) / 4 в стадии строительства / еще 3 запланированных
 ИспанияТопливная ячейкаНавантияС-80 класс Испания4 в стадии строительства / 4 планируется
 ИндияТопливная ячейкаОрганизация оборонных исследований и разработокКальвари учебный класс ИндияВсе шесть Кальвари учебный класс будут дооснащены AIP во время первого обновления[36]
 РоссияТопливная ячейкаКонструкторское бюро Рубин
НИИСЭТ Крылов		Пр.677 Лада (Лада) РоссияСтатус по слухам: нет подтверждения того, что системы работают на каких-либо российских подводных лодках
Пр.1650 Амур (Амур)Никто
 Китайская Народная РеспубликаСтирлинг AIP711 Научно-исследовательский институт-CSHGCТип 041 (класс Юань) Китайская Народная Республика15 завершено и 5 в стадии строительства
Тип 032 (класс Цин) Китайская Народная РеспубликаЭкспериментальная подводная лодка

Рекомендации

  1. ^ «Подводные лодки завтрашнего дня: неядерный вариант». DefenseWatch. Получено 2 июля 2012.
  2. ^ Каргилл Холл Р. (1986). История ракетной техники и космонавтики: материалы третьего-шестого исторических симпозиумов Международной академии астронавтики, Том 1. Публикация конференции НАСА. Американское астронавтическое общество, Univelt, стр. 85. ISBN  0-87703-260-2
  3. ^ Подводная лодка с паровым двигателем: Иктинео Журнал Low-tech, 24 августа 2008 г.
  4. ^ Миллер, Дэвид (2002). «Эксплорер-класс». Иллюстрированный справочник подводных лодок мира. Сент-Пол, Миннесота: MBI Publishing. С. 326–327. ISBN  0760313458.
  5. ^ «СС Х-1». Ассоциация исторических военно-морских кораблей. Архивировано из оригинал 18 августа 2013 г.. Получено 24 февраля 2014.
  6. ^ Престон, Энтони (1998). Подводная война. Коричневые книги. п. 100. ISBN  1-897884-41-9.
  7. ^ Подводные лодки времен холодной войны: проектирование и постройка американских и советских подводных лодок Норман Полмар, Кеннет Дж. Мур, стр. 44
  8. ^ «DCNS Group» (PDF). Группа DCNS. Архивировано из оригинал (PDF) 15 ноября 2008 г.. Получено 26 июля 2015.
  9. ^ а б «Индия собирается модифицировать подводные лодки Scorpene с помощью двигателя MESMA AIP». Defense Industry Daily. 1 марта 2006 г.. Получено 26 июля 2015.
  10. ^ «Японские подводные лодки меняют двигатели Стирлинга на литий-ионные батареи». SWZ | Морской.
  11. ^ "Подводные лодки U212 / U214 - Военно-морские технологии". Получено 26 июля 2015.
  12. ^ Военно-морской флот, испанский. "Armada Española - Ministerio de Defensa - Gobierno de España". armada.defensa.gob.es.
  13. ^ "Scorpene индийского производства для установки критически важной системы DRDO". Индуистский. 3 ноября 2014 г.. Получено 22 октября 2015.
  14. ^ «Подводные лодки Scorpene будут иметь систему, чтобы дольше оставаться под водой». Таймс оф Индия. 19 ноября 2014 г.. Получено 28 ноября 2014.
  15. ^ Джули Х. Фергюсон (10 марта 2014 г.). Через канадский перископ: история канадской подводной службы. Дандурн. п. 363. ISBN  978-1-4597-1056-6.
  16. ^ Kozier, K. S .; Розингер, Х. Э. (1988). «Ядерная батарея: твердотельный реактор с пассивным охлаждением для производства электроэнергии и / или высококачественного парового тепла» (PDF). Пинава, Манитоба: Учреждение ядерных исследований Whiteshell, Atomic Energy of Canada Limited.
  17. ^ Эшель, Тамир (6 мая 2011 г.). "Израиль получит третью усовершенствованную подводную лодку" Дельфин ". Обновление защиты. Архивировано из оригинал 2 июля 2011 г.. Получено 25 июля 2011.
  18. ^ «Шестая подводная лодка:» Контракт продолжается"". israeldefense.com. 31 октября 2011. Архивировано с оригинал 21 октября 2013 г.. Получено 25 декабря 2014.
  19. ^ "Одиссея: греческий заказ подводных лодок U-214". Defense Industry Daily. 8 октября 2014 г.. Получено 19 декабря 2014.
  20. ^ ARG. "Патрульная подводная лодка класса Чанг Бого - Military-Today.com". www.m military-today.com.
  21. ^ «Оборона и безопасность, разведка и анализ: IHS Jane's - IHS». article.janes.com.
  22. ^ Ким, Дук-Ки (2000). Военно-морская стратегия в Северо-Восточной Азии: геостратегические цели, политика и перспективы. Рутледж. п. 30. ISBN  0-7146-4966-X.
  23. ^ Меконис, Чарльз; Уоллес (2000). Приобретение военно-морского вооружения в Восточной Азии в 90-е годы: причины, последствия и ответные меры. Praeger. п. 229. ISBN  0-275-96251-2.
  24. ^ "Страница Classe Todaro на сайте Marina Militare". Получено 27 апреля 2010.
  25. ^ Хольгер Нааф: Die Brennstoffzelle auf U 212 A (PDF, немецкий). Bundesanstalt für Wasserbau, Wehrtechnische Dienststelle für Schiffe und Marinewaffen Eckernförde, 23 сентября 2008 г.
  26. ^ «Немецкий TKMS построит норвежские подводные лодки». navaltoday.com. 3 февраля 2017 г.. Получено 5 мая 2017.
  27. ^ Д-р Альберт Э. Хаммершмидт (Siemens AG, Эрланген), Двигательная установка подводных лодок на топливных элементах (PDF), заархивировано из оригинал (PDF) 16 июля 2011 г.
  28. ^ Проект подводной лодки нового типа (AIP) В архиве 22 июля 2011 г. Wayback Machine, Подсекретариат оборонной промышленности Турецкой Республики
  29. ^ «Министерство обороны Сингапура подписывает контракт с TKMS на две новые подводные лодки типа 218SG».
  30. ^ «Сингапурский Type-218SG - предшественник нового класса подводных лодок? - Обновление обороны:». Defense-update.com.
  31. ^ Редакция Рейтер. «ОБНОВЛЕНИЕ 1 - ThyssenKrupp получает заказ на подводную лодку от Сингапура».
  32. ^ «Подводная лодка класса« Готланд »- несколько недель находилась под водой». Kockums. Получено 6 апреля 2008.
  33. ^ «Kockums получает от Сингапура заказ на две подводные лодки». Kockums. Получено 19 ноября 2005.
  34. ^ Саттон. «Мировой обзор подводных лодок AIP». HISutton.com. Получено 22 ноября 2016.
  35. ^ «СС-501 Сорю / 16СС / СС класса 2900 тонн». Глобальная безопасность. Получено 22 ноября 2016.
  36. ^ «Программа подводных лодок Scorpene прогрессирует». Индуистский. Получено 2 февраля 2018.

Примечания

  1. ^ Правильный термин - воздушно-независимая мощность, а не двигательная установка, поскольку устройства AIP не приводят в движение подводную лодку.[нужна цитата ]
  2. ^ Глоссарий терминов военно-морских судов ВМС США (GNST). Иногда используется SSI, но SSP был объявлен USN предпочтительным термином. SSK (ASW Submarine) в качестве обозначения для классических дизель-электрических подводных лодок был снят с вооружения USN в 1950-х годах, но продолжает использоваться в разговорной речи USN и формально военно-морскими силами Британского Содружества и корпорациями, такими как Jane's Information Group.

дальнейшее чтение