Сравнение электрических и традиционных силовых установок в подводных лодках

Оригинальное название: The Silent Engine of Undersea Power

С момента своего появления в качестве решающей военно-морской платформы в начале 20-го века подводные лодки зависели от силовых установок, которые уравновешивают скорость, выносливость и скрытность. Выбор между электрической и традиционной силовой установкой в основном формирует эксплуатационный профиль подводной лодки - как глубоко она может идти, как долго она может оставаться под водой и как тихо она может патрулировать. В то время как каждая подводная лодка требует источника питания, чтобы повернуть винт, инженерные подходы резко расходятся, каждый из которых несет различные компромиссы в стоимости, сложности и тактических возможностях.

Для морских стратегов и морских инженеров понимание этих различий имеет важное значение. По мере того, как подводные операции выходят за рамки военных миссий в научные исследования, разведку ресурсов и защиту инфраструктуры, двигательная технология продолжает развиваться. Сегодня индустрия находится на перепутье: традиционные дизель-электрические системы остаются широко распространенными, но передовые электрические архитектуры, включая воздухонезависимые силовые установки (AIP) и полностью литий-ионные аккумуляторные установки, переопределяют то, что могут достичь подводные лодки.

В этой статье подробно рассматриваются как семейства двигателей, так и их сильные и слабые стороны, а также рассматриваются новые технологии, которые будут формировать следующее поколение подводных лодок.

Традиционные двигательные системы

Традиционная подводная двигательная установка долгое время полагалась на гибридную конфигурацию, известную как дизель-электрическая. Эта система отделяет выработку энергии от движения: дизельные двигатели служат только для привода генераторов, которые заряжают батареи, в то время как электродвигатели поворачивают винт. Расположение позволяет подводной лодке работать в двух различных режимах - зарядка поверхности или подводного плавания и погружение в крейсерство с питанием от батареи.

Как работают дизельные электрические системы

Дизельно-электрическая подводная лодка несет один или несколько дизельных двигателей, соединенных с электрическими генераторами. В то время как подводная лодка всплывает или на перископической глубине с поднятой мачтой подводного плавания, двигатели вытягивают свежий воздух, сжигают топливо и производят электричество. Часть этого электричества питает системы лодки, но основная часть направлена на большие свинцово-кислотные или никель-кадмиевые батареи. Как только батареи полностью заряжены, подводная лодка может погружаться и полагаться исключительно на накопленную электрическую энергию для управления двигателем-движителем - обычно синхронным двигателем постоянного тока (DC) или переменного тока (AC).

При погружении дизельные двигатели полностью выключаются, поскольку им требуется кислород для сгорания. Подлодка бесшумно работает на энергии батареи, но ее выносливость строго ограничена энергоемкостью батареи. Типичные обычные подводные лодки могут оставаться под водой в течение 48-96 часов до того, как их батареи будут истощены до такой степени, что их батареи будут истощены. После того, как батареи будут работать на низкой глубине или поверхности, подводная лодка должна вернуться на перископную глубину или поверхность для запуска своих дизелей, уязвимость, которая определила тактические пределы неядерных подводных лодок на протяжении десятилетий.

Преимущества традиционных дизель-электрических систем

Ограничения традиционных систем

Электрические двигательные системы

Современные электрические силовые установки представляют собой отход от гибридных дизель-электрических конструкций за счет устранения необходимости всплытия для подзарядки. Эти системы можно в целом разделить на два семейства: те, которые используют воздухонезависимые источники питания и те, которые полагаются на емкостные аккумуляторные батареи с передовыми системами управления. В обоих случаях подводная лодка работает полностью на накопленном или генерируемом электричестве во время погружения, без двигателей внутреннего сгорания, работающих под водой.

Воздушно-независимое движение (AIP)

Системы АИП позволяют неатомной подводной лодке вырабатывать электроэнергию под водой без доступа к атмосферному кислороду. Наиболее распространенными технологиями АИП являются:

Системы AIP не заменяют полностью потребность в батареях — большинство подводных лодок AIP несут обычные батареи для высокоскоростных спринтов и используют установку AIP для низкоскоростного безделья. Однако они значительно увеличивают погруженную выносливость от дней до недель, преобразуя тактическую досягаемость обычных подводных лодок.

Полный электрический двигатель с передовыми батареями

Параллельно с развитием АИП, достижения в области химии батарей позволяют подводным лодкам работать исключительно на накопленной электрической энергии для расширенных миссий. Литий-ионные батареи, в настоящее время распространенные в электромобилях и хранилищах в сетях, адаптируются для использования на подводных лодках. По сравнению с традиционными свинцово-кислотными батареями, литий-ионные пакеты предлагают:

  • Более высокая плотность энергии: В два-четыре раза больше энергии на единицу веса и объема, что позволяет дольше погружать выносливость без увеличения размера аккумуляторного отсека.
  • Быстрая зарядка: Химии литий-ионных систем могут принимать более высокие токи зарядки, уменьшая время и экспозицию сноркеля.
  • Никакого эффекта памяти и более длительного срока службы: Современные литий-ионные ячейки могут выдерживать тысячи циклов заряда-разряда с минимальной пропускной способностью, снижая общие затраты на жизненный цикл.
  • Улучшенные характеристики разряда: Литий-ионные батареи поддерживают стабильное напряжение в течение всего цикла разряда, обеспечивая согласованные характеристики двигателя.

Подводные лодки японского класса Soryū были одними из первых, которые приняли литий-ионные батареи в больших масштабах, заменив свинцово-кислотные банки и систему AIP на более поздних лодках. Китай и Южная Корея также разрабатывают конструкции подводных лодок на литий-ионном топливе. Однако литий-ионная технология не лишена рисков - тепловой разбег и пожароопасность остаются значительными инженерными проблемами, которые требуют сложных систем управления батареями и тщательных испытаний безопасности.

Преимущества электрического движения

  • Расширенная подводная выносливость: AIP и передовые системы батарей позволяют осуществлять подводное патрулирование продолжительностью от двух до четырех недель в зависимости от скорости и эксплуатационного профиля.
  • Усиление скрытности: Электрическая тяга устраняет акустический шум дизельных двигателей, работающих во время подзарядки. Топливные элементы, в частности, производят незначительные вибрации и звук, что делает обнаружение пассивным гидролокатором чрезвычайно трудным.
  • Сниженная тепловая и электромагнитная сигнатура: Электрические системы генерируют меньше отработанного тепла и могут быть спроектированы с электромагнитным экранированием для минимизации рисков обнаружения магнитной аномалии.
  • Экологические преимущества: Электрическая силовая установка обеспечивает нулевые выбросы выхлопных газов во время погружения, и даже при необходимости подзарядки современные системы батарей снижают частоту поверхностных операций.
  • Гибкость конструкции: Без прямого механического соединения между двигателями и валом винта электрическая тяга обеспечивает большую свободу в компоновке корпуса и компоновке машин.

Проблемы, с которыми сталкиваются электрические системы

  • Высокая первоначальная стоимость: Топливные элементы, передовые аккумуляторные системы и связанная с ними силовая электроника значительно дороже, чем традиционные дизель-генераторы и свинцово-кислотные батареи.
  • Ограничения на хранение энергии: Даже самая лучшая современная технология аккумуляторов имеет плотность энергии намного ниже дизельного топлива. Подводная лодка, перевозящая литий-ионные батареи, должна выделять значительный внутренний объем для хранения, а выносливость миссии остается ограниченной по сравнению с ядерной силовой установкой.
  • Проблемы безопасности: Обработка водорода для топливных элементов требует тщательного удержания и вентиляции. Литий-ионные батареи представляют опасность возгорания, которая требует активного управления тепловой энергией и систем пожаротушения.
  • Зарядная инфраструктура: Портовые сооружения должны быть модернизированы для работы с высоковольтным зарядным оборудованием и, в случае лодок на топливных элементах, водородных заправочных станций.
  • Сложность управления питанием: Для балансировки нагрузки между батареями, установками AIP и двигательными установками требуются сложные системы управления, добавляющие затраты на программное обеспечение и интеграцию.

Сравнение голова к голове: традиционное против электрического движения

Чтобы прояснить оперативные последствия каждой философии движения, в таблице ниже кратко излагаются ключевые различия между измерениями, которые наиболее важны для морских планировщиков и экипажей подводных лодок.

Погружённая выносливость

Традиционный дизель-электрический: 2-4 дня на низкой скорости до того, как батареи потребуют подзарядки. Электрический (AIP или литий-ионный): 14-30 дней на низкой скорости, с возможностью продления миссий при сочетании AIP-голодания с периодической зарядкой сноркеля.

Акустическая подпись

Традиционно: Тихо на батареях, но шумно во время циклов подзарядки дизельного топлива. Подводная лодка должна принимать повышенный риск обнаружения каждый раз, когда она выходит на поверхность или плавает. Электрические: Последовательно тихо во время подводных операций. Системы топливных элементов являются одними из самых тихих методов движения, когда-либо разработанных, приближаясь к скрытности атомных подводных лодок на низких скоростях.

Скорость и Sprint Capability

Традиционно: Дизельные двигатели могут обеспечить высокую скорость поверхности для транзита, а батареи могут поддерживать кратковременные спринты 20+ узлов, погруженных в воду до истощения. Электростанции: АИП обычно обеспечивают только низкую мощность (обычно 100-400 кВт), адекватную для бездельничества, но не спринта. Высокоскоростные пробеги по-прежнему требуют извлечения из запасов батареи, которые ограничены даже литий-ионными пакетами.

Стоимость жизненного цикла

Традиционно: Более низкая цена покупки, но текущие затраты на замену батареи и более частая сухая док-станция для обслуживания дизельных двигателей. Электрические: Более высокие первоначальные инвестиции, но уменьшенная механическая сложность, меньше вращающихся частей и потенциально более низкие затраты на техническое обслуживание в течение 30-летнего срока службы подводной лодки. Баланс зависит от графиков замены батареи и расходов на водородную инфраструктуру.

Профиль операционных рисков

Традиционное: Периодическое поверхностное воздействие для перезарядки является единственным наибольшим источником риска обнаружения. Электрическое: Гораздо меньше времени, затрачиваемого на перископическую глубину, что снижает уязвимость к радиолокатору и визуальному обнаружению. Однако сложность обработки водорода или литий-ионного термического управления вводит новые режимы отказа, которые экипажи должны быть обучены обрабатывать.

Технология зрелости

Традиционно: Полностью зрелые, с глобальными цепочками поставок, установленными учебными программами и десятилетиями оперативной обратной связи. Электрические: AIP и литий-ионные системы эксплуатационно доказаны, но продолжают развиваться. Топливные элементы по-прежнему требуют специальных компонентов и процедур обработки, которые еще не универсальны на флотах.

Будущие тенденции в подводном движении

Несколько новых технологий и философий проектирования обещают еще больше сократить разрыв между обычными и ядерными подводными возможностями.

Гибридные системы AIP-батареи

Следующим логическим шагом является бесшовная интеграция АИП-заводов с крупными литий-ионными аккумуляторными банками, управляемыми интеллектуальным программным обеспечением распределения мощности. В этой конфигурации система АИП обрабатывает непрерывное низкоскоростное слонирование, в то время как батареи поглощают пиковые нагрузки для спринта и обеспечивают резервный резерв. Комбинация может давать погруженную выносливость 30 дней и более на патрульных скоростях, с возможностью лопаться на высокую скорость, когда это тактично необходимо. Южнокорейские подводные лодки KSS-III Batch II уже применяют этот гибридный подход, соединяя топливные элементы с литий-ионными батареями.

Интегрированный полностью электрический привод с постоянными магнитными двигателями

Традиционные двигатели - будь то DC или AC индукция - имеют потери эффективности и шумовые характеристики, которые могут быть улучшены. Постоянные магнитные синхронные двигатели (PMSMs) предлагают более высокую плотность крутящего момента, большую эффективность в диапазоне скоростей и более низкий акустический шум. В сочетании с передовой электроникой карбида кремния, PMSMs уменьшают потери энергии и повышают общую надежность системы. Несколько новых конструкций подводных лодок, включая шведский класс Blekinge и немецкий тип 212CD, включают технологию двигателя с постоянным магнитом.

Сверхпроводящая тяга

Высокотемпературные сверхпроводники (HTS) могут нести огромные токи с нулевыми резистивными потерями, что позволяет использовать чрезвычайно компактные и мощные электродвигатели. Военно-морские исследовательские программы в Соединенных Штатах, Японии и Европе изучают двигатели HTS для подводных применений. Если практические проблемы в криогенном охлаждении и интеграции системы могут быть преодолены, сверхпроводящие двигатели могут обеспечить беспрецедентную плотность мощности и бесшумную работу, потенциально позволяя электрическим двигательным системам, которые конкурируют с производительностью атомных станций в обычных корпусах.

Хранение энергии за пределами литий-ионного

Твердотельные батареи, литий-серные элементы и проточные батареи находятся под следствием в качестве потенциальных преемников литий-ионных батарей в подводных приложениях. Твердотельные батареи, в частности, обещают более высокую плотность энергии, более быструю зарядку и резко сниженный риск пожара за счет замены жидких электролитов твердыми проводниками. Хотя эти технологии остаются на лабораторных или ранних стадиях прототипа, их возможное созревание может подтолкнуть погруженную выносливость в 4-6-недельный диапазон для неядерных подводных лодок.

Улучшения топливных элементов

Топливные элементы протонной мембраны (PEM), используемые в настоящее время в лодках типа 212 и типа 214, совершенствуются с более высокой плотностью мощности и более низкими нагрузками на катализаторы драгоценных металлов. Твердооксидные топливные элементы (SOFC), которые могут работать на более широком диапазоне видов топлива, включая дизельное топливо и метанол, предлагают более длительный диапазон без необходимости хранения чистого водорода. Системы AIP на основе SOFC остаются в разработке, но могут упростить логистику и еще больше продлить подводную выносливость.

Гибридное ядерно-электрическое движение

Хотя ядерная двигательная установка является отдельной категорией, следующее поколение атомных подводных лодок стремится к интегрированному электроприводу. В этой архитектуре ядерный реактор генерирует пар, который приводит в движение турбины, которые, в свою очередь, приводят в движение генераторы, которые поставляют энергию для электрических двигателей, что устраняет необходимость в редукционных передачах. Результатом является более тихая, более эффективная установка, которая разделяет силовую электронику и двигательные технологии с обычными электрическими лодками. Подводные лодки ВМС США класса Columbia и класса Dreadnought Великобритании принимают этот подход к электроприводу.

Стратегические последствия для военно-морских сил

Выбор между электрическим и традиционным двигателем - это не просто инженерное предпочтение - он формирует военно-морскую стратегию, структуру сил и схемы развертывания. Военно-морские силы, эксплуатирующие дизель-электрические подводные лодки, должны принять тактическое ограничение периодического подводного плавания, которое ограничивает их способность работать в оспариваемых водах, где превосходство в воздухе не гарантировано. Напротив, оснащенные AIP и литий-ионные лодки могут патрулировать с почти ядерной скрытностью в течение длительных периодов времени, давая малым флотам надежное подводное сдерживание без затрат и нормативного бремени ядерного движения.

Для стран с ограниченными бюджетами современные электрические двигатели предлагают способ полевых подводных лодок, которые могут бросить вызов гораздо более крупным противникам в мелководных или прибрежных условиях. Распространение технологии AIP и передовых батарей выравнивает игровое поле, позволяя региональным флотам отказывать в контроле над морем более крупным державам в их прибрежных водах. В то же время, установленные операторы подводных лодок вкладывают значительные средства в электропривод, чтобы уменьшить уязвимость своих собственных платформ и расширить их операционный охват.

Как отмечают отраслевые аналитики, различие между «традиционными» и «ядерными» подводными лодками размывается по мере созревания электрических силовых установок.Некоторые эксперты прогнозируют, что в течение двух десятилетий обычная подводная лодка с передовой гибридной электростанцией сможет соответствовать подводной выносливости ядерной лодки во время типичных циклов патрулирования, хотя и с более низкой максимальной скоростью и меньшим запасом электроэнергии для недвижущихся нагрузок.

Экологические и оперативные соображения

Помимо тактических характеристик, электрические силовые установки предлагают экологические преимущества, которые согласуются с более широкими целями устойчивости военно-морского флота. Дизель-электрические подводные лодки выделяют газы сгорания - углекислый газ, оксиды азота и твердые частицы - каждый раз, когда они запускают свои двигатели. Системы AIP, особенно топливные элементы, производят только водяной пар в качестве побочного продукта при работе и нулевые выбросы при погружении в аккумуляторную энергию. Снижение зависимости от подводного плавания также снижает риск случайных разливов топлива и отказов выхлопной системы.

Однако экологический след электрической тяги не равен нулю. Производство аккумуляторов, особенно для литий-ионных химий, включает в себя добычу и обработку таких материалов, как литий, кобальт и никель, которые несут значительные экологические и социальные издержки. Производство водорода для топливных элементов является энергоемким и, если не производится с помощью электролиза с использованием возобновляемой электроэнергии, может генерировать значительные выбросы углерода. Военно-морские силы, принимающие электрическую тягу, должны учитывать влияние всего жизненного цикла своих вариантов хранения энергии, а не только выбросы в процессе эксплуатации.

Еще одним фактором является инфраструктура порта. Дизель-электрические подводные лодки могут заправляться на любой военно-морской базе со стандартным оборудованием для обработки топлива. Электрические подводные лодки требуют зарядных станций, способных доставлять высокую мощность в банки батарей, а лодки на топливных элементах нуждаются в системах хранения и дозирования водорода, которые могут быть недоступны во всех портах. Недавние военно-морские инвестиционные программы отражают растущее признание того, что береговая энергетическая инфраструктура должна развиваться вместе с самими подводными лодками.

Вывод: Электрическое будущее подводного движения

Традиционные дизель-электрические двигатели служили глобальным флотам верой и правдой в течение многих поколений, обеспечивая надежные, доступные и проверенные в бою средства перемещения подводных лодок через воду. Его ограничения, однако, становятся все более трудными для игнорирования в эпоху, когда постоянное подводное наблюдение и противолодочные возможности ведения войны продолжают продвигаться. Требование к поверхности или подводному плаванию для подзарядки является не просто неудобством - это тактическая уязвимость, которую могут использовать решительные противники.

Электрические двигательные установки, основанные на AIP топливных элементов, передовых литий-ионных батареях или гибридных конфигурациях, решают эти ограничения лоб в лоб. Они обеспечивают более длительную погруженную выносливость, более тихую работу и снижение воздействия обнаружения. В то время как более высокие затраты и новые проблемы безопасности сопровождают эти преимущества, траектория технологического развития явно направлена на большую зависимость от электрических архитектур. По мере улучшения химии батарей, силовая электроника сокращается, а топливные элементы становятся более эффективными, разрыв в производительности между электрическими и традиционными системами будет продолжать расширяться в пользу электрических.

Для военно-морских планировщиков, принимающих решения о закупках сегодня, послание ясно: инвестиции в электрическую двигательную инфраструктуру, обучение экипажа и системную интеграцию не являются факультативными - они необходимы для поддержания подводной актуальности в ближайшие десятилетия. Подводные лодки, которые патрулируют мировые океаны через двадцать лет, будут выглядеть очень иначе, чем те, которые построены в дизель-электрическую эру. Они будут более тихими, долговечными и гораздо более способными к устойчивым скрытым операциям. Это будущее питается от электричества.

Для дальнейшего чтения о конкретных технологиях AIP и разработках аккумуляторов обратитесь к авторитетным источникам, таким как Американское общество военно-морских инженеров и Министерство обороны программы исследований хранения энергии .