Главная > Развитие подводных лодок

Практически бесшумные.

В течение ряда лет за рубежом уделяют внимание топливным элементам (ТЭ). Одним из главных недостатков энергетических установок, работающих на органическом топливе и вырабатывающих электроэнергию, являются потери на каждой стадии преобразования энергии. Химическая энергия топлива превращается в электрическую через посредников в виде тепловой и механической энергии, что весьма накладно и приводит к значительному снижению КПД установки. Кроме того, такие установки громоздки, сложны в устройстве, выделяют много тепла в окружающую среду, а их работу сопровождают шум и вибрации.

Сгорание топлива сопровождается высокой температурой. При горении происходит окислительно-восстановительный процесс между топливом (горючим веществом) и окислителем (кислородом). При этом атомы топлива окисляются, то есть теряют электроны, а атомы окислителя восстанавливаются, приобретая их. Такие процессы характеризуются случайным перемещением атомов и молекул топлива и окислителя, между которыми идет непрерывный обмен электронами, что очень нерационально с энергетической точки зрения. Почему? Энергетический уровень атомов определяется строением их внешней электронной оболочки, которая может иметь определенное количество электронов. Атомы горючих и окислительных веществ имеют внешнюю оболочку, заполненную электронами не полностью. Взять, к примеру, горючее - водород. У него на внешней оболочке "недостает" одного электрона, хотя оболочка позволяет иметь два. А в атоме окислителя - кислорода - "не хватает" от двух до восьми электронов. Заполнение внешней оболочки электронами вызывает уменьшение энергетического уровня атома, так как обмен электронами между атомами топлива и окислителя является переходом электронов с высшего энергетического уровня на низший. Такой процесс сопровождается высвобождением энергии в виде теплоты, которую, как известно, далеко не всю можно обратить в полезную работу. Поскольку обмен электронами при химическом горении происходит хаотично - с различными скоростями и в разных направлениях - возникновение электрического тока исключается.

Если же хаотическое перемещение электронов упорядочить, сообщив им направленное движение, то энергия реакции почти полностью пойдет на образование электрической энергии, и химическое горение топлива превратится в электрохимическое, то есть в горение без пламени. Как известно, получать электроэнергию прямо, непосредственно используя химическую энергию, можно по хорошо известному способу, реализованному в электрическом аккумуляторе. Но аккумулятор содержит ограниченное количество веществ, участвующих в реакции. Через некоторое время, когда они будут израсходованы, прекратится подача тока. Этот недостаток отсутствует у ТЭ, в которых убыль веществ, расходуемых при токообразовании (топливо и окислитель), непрерывно пополняется.

Впервые подобное устройство создал в 1839 г. англичанин Уильям Гров. Но только через 100 лет, после того как были разработаны теоретические основы термодинамики, квантовой физики, теории катализа, количественной теории преобразования химической энергии в электрическую, электрохимической теории металлургии и созданы необходимые материалы, удалось изготовить пригодные для практического использования ТЭ. Существует много типов ТЭ, отличающихся друг от друга топливом, окислителем, электролитом, конструктивным исполнением и т. д. Ограничимся рассмотрением наиболее изученного и освоенного в настоящее время водородо-кислородного ТЭ, в простейшем виде представляющего собой корпус, в котором размещены два пористых электрода, разделенные между собой слоем электролита. Отверстия в корпусе предназначены для подачи топлива (газообразного водорода), окислителя (газообразного кислорода) и для удаления продукта реакции (воды). Конструкция напоминает обычный аккумулятор. Отличие в том, что в ТЭ непрерывно подводятся топливо и окислитель, причем так, что исключена возможность их смешивания. ТЭ работает следующим образом.

На анод (отрицательный электрод) подается водород. Молекулы водорода, проходя через поры анода, за счет адсорбции на его поверхности расщепляются на атомы, которые, в свою очередь, на границе с электролитом ионизируются с образованием свободных электронов. Положительные ионы Н+ располагаются на границе анод - электролит, свободные же электроны е направляются с анода по проводнику во внешнюю цепь, совершают полезную работу на нагрузке R, теряют часть своей энергии и возвращаются на катод (положительный электрод). Здесь замедленные электроны присоединяются к атомам поступающего кислорода, которые взаимодействуют с молекулами воды из электролита, образуя отрицательно заряженные гидроксильные ионы ОН . Эти ионы, перемещаясь к аноду, встречают на его поверхности положительные ионы водорода и вступают в ними в реакцию, образуя воду, избыток которой удаляется из корпуса ТЭ.

Таким образом, работа ТЭ сводится к двум непрерывным процессам: ионообменному внутри ТЭ (в электролите) и электронному во внешней цепи. В этом основное отличие ТЭ от обычных устройств для сжигания топлива с выделением только тепловой энергии. На него не распространяются ограничения цикла Карно, и поэтому потенциально возможен ТЭ с КПД, близким к 100 %. У отдельных типов ТЭ КПД достигает 80 % и более, что в 2-3 раза выше, чем у электромашинных генераторов. Кроме того, ТЭ сохраняет высокую экономичность во всем диапазоне мощностей. Предполагается, что подводная лодка с ТЭ сможет плавать в подводном положении без дозаправки топливом несколько недель.

Но ТЭ свойственны и серьезные недостатки, главный из которых - сложность формирования батарей большой мощности - связан с тем, что ТЭ является низковольтным источником постоянного тока и выходное напряжение одного элемента не превышает 1-2 В. Для получения достаточно большой мощности и напряжения единичные ТЭ приходится собирать в так называемые модули, из которых формируется батарея путем параллельно-последовательного их соединения, аналогично тому, как это делается при составлении аккумуляторных батарей. К существенным недостаткам ТЭ относят их ограниченный ресурс, высокую стоимость топлива и особенно катализаторов, а также повышенную чувствительность топлива и окислителя к загрязнению и изменению температуры с возможным образованием взрывоопасных смесей.

По мнению зарубежных специалистов, указанные недостатки со временем могут быть преодолены. В 60-х годах Управление кораблестроения США привлекло одну из фирм к разработке энергетической установки на натриевых ТЭ мощностью 750 кВт с массой в 15 раз меньшей, чем у энергетических установок с аккумуляторной батареей сопоставимой мощности. Одновременно планировалось переоборудование под эту установку нескольких дизель-электрических подводных лодок и постройка малых подводных лодок с ТЭ.

В июле 1966 г. удивленные зрители наблюдали, как в прозрачной воде бухты калифорнийского яхт-клуба "Санта-Барбара" подобно дрессированному дельфину со скоростью около 2 уз маневрировала трехметровая модель необычной подводной лодки, у которой отсутствовал гребной винт. Движение модели обеспечивало взаимодействие токов, наведенных в морской воде, с магнитным полем, создаваемым размещенными на ней электромагнитами.

Известно, что электромагнитная сила возникает при пропускании электрического тока через проводник, размещенный в магнитном поле. На этом принципе основала работа электродвигателя, в котором ток, идущий по обмотке якоря, взаимодействует с магнитным нолем электромагнитов, в результате чего возникает момент, вращающий якорь.

Внутри корпуса модели подводной лодки в горизонтальной плоскости была уложена обмотка, питаемая аккумуляторной батареей напряжением 30 В, создающая магнитное поле. От той же батареи электрический ток подавался на изолированные от корпуса и находящиеся в непосредственном контакте с забортной водой наружные электроды. При подаче напряжения на электроды с учетом того, что ток течет под прямым углом к магнитным силовым линиям постоянного магнитного поля, на каждый элементарный объем забортной воды (в данном случае выполняющей роль проводника), начинают действовать результирующие силы магнитного и электрического полей (силы Лоренца), которые стремятся отбросить воду назад вдоль корпуса модели, что заставляет последнюю двигаться вперед.

Модель этой лодки создал американский инженер - специалист в области магнитогидродинамики Стюарт Уэй, который еще в 1958 г. начал работы в этом направлении, но столкнулся с непреодолимым препятствием. Чтобы для подводной лодки создать достаточно мощное магнитное поле, потребовался постоянный магнит массой около 500 тыс. т. Постоянный магнит мог быть заменен гораздо более легким и компактным электромагнитом, но и в таком варианте возникала трудноразрешимая задача - размещение на борту корабля источника питания для электромагнита мощностью в десятки тысяч киловатт. К реализации своей идеи Уэй вернулся в 60-х годах, когда появились компактные сверхпроводящие магнитные системы.

Электрическим машинам, трансформаторам, линиям электропередач присущ очень серьезный недостаток - в процессе работы они нагреваются. Это ненужное, а вернее вредное тепло возникает вследствие закона Джоуля - Ленца, в соответствии с которым ток, проходящий по проводнику, расходует на сопротивление часть своей энергии. Состояние сверхпроводимости характеризуется отсутствием таких потерь, в результате чего плотность тока в обмотке из сверхпроводника может быть примерно в 50 раз большей, чем в медной, охлаждаемой водой. Вследствие этого сверхпроводящая магнитная система способна работать с очень малым потреблением электроэнергии, так как однажды возбужденный в ней ток не затухает.

Устройства, работающие на принципе магнитогидродинамического эффекта, сокращенно называемые МГД-движителями, по типам разделяются на индукционные и кондукционные. В первых передача мощности от источника электроэнергии осуществляется непосредственно забортной воде безэлектродным индуктивным способом. В кондукционных МГД-движителях электрический ток подводится к забортной воде с помощью электродов. Каждый из указанных типов МГД-движителей может быть с внешним полем и в каналовом исполнении. Примером кондукционного МГД-движителя с внешним полем является модель С. Уэя.

В МГД-движителе каналового исполнения индукционного типа магнитное поле создается рядом обмоток переменного тока. Под действием магнитного поля в забортной воде, заполняющей канал, индуцируются короткозамкнутые электрические токи, в результате взаимодействия которых с бегущим магнитным полем, создаваемым обмотками, возникает электромагнитная объемная сила, обусловливающая движение воды в канале. При истечении воды через сопло возникает реактивный эффект - сила тяги, движущая лодку.

Конечно, реализация идеи МГД-движителя применительно к подводной лодке потребует решения ряда очень сложных проблем. Сверхпроводимость обмоток электромагнита обеспечивается при температуре окружающей среды, близкой к абсолютному нулю. Для этой цели используется ранее упоминавшийся сосуд Дьюара, очень низкая температура в котором поддерживается криогенной системой, работающей по замкнутому циклу. Размещение сосуда Дьюара на подводной лодке является очень сложной конструктивной задачей, так как он должен поддерживать сверхпроводящие обмотки и экраны и в то же время передавать корпусу подводной лодки развиваемый МГД-движителем упор. При этом должны быть исключены "тепловые мостики", так как они будут добавочно нагружать криогенную систему, вплоть до выхода ее из строя. А в этом случае нарушится явление сверхпроводимости, обмотка возбуждения перейдет в нормальное состояние, запасенная в ней энергия приведет к перегреву обмотки, быстрому вскипанию жидкости в криогенной системе и разрушению сосуда Дьюара.

Для обеспечения скрытности лодки и ее безопасности при минно-торпедном противодействии противника необходимо обеспечить достаточно быстрое уменьшение магнитной индукции поля по мере удаления от корабля. Возможны и другие аспекты этой проблемы. Так, в Японии в процессе испытаний моделей лодок с МГД-движителями выяснилось, что при электролизе забортной воды из нее выделяются в значительных количествах водород и хлор, позволяющие обнаружить подводную лодку. Необходимо учитывать и воздействие магнитного поля на экипаж лодки, для чего потребуется специальная биологическая защита. Весьма сложной конструктивной задачей является обеспечение ударо- и взрывостойкости оборудования.

Однако, несмотря на указанные сложности, перечень которых можно продолжить, за рубежом существует мнение, что они в принципе разрешимы, а силы и средства, затраченные на их преодоление, будут компенсироваться серьезными преимуществами подводной лодки с МГД-движителем. Характерно, что работами С.Уэя заинтересовалось руководство ВМС США. В Японии с 1976 г. исследуются модели судов с МГД-движителями, а уже в 1990 г. планируется спустить на воду опытное судно-катамаран водоизмещением около 2000 т с МГД-движительной установкой. Там же рассматривается возможность создания быстроходного подводного танкера с МГД-движителем водоизмещением около 10 тыс. т. По мнению японских специалистов, в 21 в. МГД-движитель получит признание на водном транспорте. Время покажет, насколько реальна такая перспектива.