CC BY
106
ИСТОРИЯ КОРАБЛЕСТРОЕНИЯ
УДК 629.5.03-81/.84:629.585(470)
Е. Д. Романова, А. Д. Романов
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК С ВОЗДУХОНЕЗАВИСИМЫ1МИ ЭНЕРГОУСТАНОВКАМИ В СССР ДО НАЧАЛА ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Описана история создания в СССР подводных лодок с воздухонезависимыми энергоустановками в 1900-1945 гг. Рассмотрены схемы воздухонезависимых энергоустановок, работы по созданию единого двигателя и развитие двух главных направлений энергоустановок: паротурбинные установки и дизели с замкнутым циклом. При всех неоспоримых плюсах атомных подводных лодок, таких как автономность, ограниченная только человеческим фактором, и превосходные боевые характеристики, атомные подводные лодки обходятся дорого не только в плане строительства, эксплуатации и утилизации, но и в плане создания инфраструктуры для обслуживания и утилизации атомных силовых установок. Не все страны могли позволить себе такие расходы, что обусловило необходимость активного развития рынка недорогих, быстро строящихся и экономически выгодных в эксплуатации малых подводных лодок, которые даже малому военно-морскому флоту дали бы возможность уничтожить противолодочный корабль, вторгнувшейся в национальные воды. В настоящее время разработка тепловых двигателей на основе двигателя внутреннего сгорания с газовым смесителем с подачей газообразного водорода также представляется перспективной.
Ключевые слова: подводные лодки, двигатель, анаэробные установки, воздухо-независимые энергоустановки.
Введение
С момента первого появления подводных лодок (ПЛ) предлагались различные типы единых двигателей, например в 1855 г. было предложено использовать для этой цели брикеты, загружаемые вместе с коксом в герметичную топку. Позднее были рассмотрены установки для сжигания «нефтяных остатков» со сжатым воздухом. Другим направлением было создание аккумуляторов теплоты для генерации пара в подводном положении, а именно котел с рядом концентрических труб, в кольцевом пространстве которых находился уксусно-кислый натрий [1]. Идея чисто электрической ПЛ также зашла в тупик, поскольку даже с использованием самых совершенных аккумуляторов лодка была способна пройти не более нескольких сот миль. Постепенно конструкторы ПЛ пришли к выводу, что единый двигатель следует создавать на базе мотора не подводного хода, а наоборот - надводного.
Для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) наметились два пути: один впоследствии привел к работе двигателя под водой (РДП), а другой был связан с разработкой автономной силовой установки, не нуждающейся в атмосферном воздухе (проекты Э. Бертен - и С. К. Джевецкий - «Почтовый»). Первым предложил использовать чистый кислород для работы двигателя в подводном положении Г. Жобер (1901 г.). Первая мировая война прервала работы по созданию единых двигателей для ПЛ, но уже с 1920-х гг. в Советском Союзе и Германии вновь начались активные исследования в этой области. При этом от идеи просто разместить на ПЛ большой запас воздуха сразу отказались, было принято решение хранить только кислород, причем в жидком состоянии, т. к. он занимал примерно в пять раз меньший объем, чем в баллонах под давлением 150 кгс/см2. Однако жидкий кислород непрерывно испарялся, а способов, замедляющих этот процесс, на тот момент разработано не было.
С 1935 г. в системе Наркомата оборонной промышленности начались работы по созданию единого двигателя. Постепенно определились два главных направления: паротурбинные установки и дизели с замкнутым циклом. Первые технические проработки паротурбинных устано-
вок были выполнены для лодок типа «Правда» и «Малютка», серии У1-бис и XII [2]. В предвоенные годы также были предложены варианты десантирования (сбрасывать) сверхмалых ПЛ с самолета (руководители проекта М. Н. Кривов и В. К. Станкевич). Энергоустановка ПЛ должна была состоять из теплового аккумулятора с алюминиевым теплоносителем массой 1500 кг (около 550 л), нагреваемого теплом отработавших газов двигателя надводного хода (35 л. с.). Расчеты показали, что с такой установкой может быть создана ПЛ с корпусом из алюминиево-магниевого сплава, длиной 6-7 м, диаметром корпуса 1-1,2 м, управляемая одним человеком, с одной малой торпедой, подвешенной под корпусом. Работы по данной энергоустановке были продолжены, но уже применительно не к ПЛ, десантируемой с самолета, а к обычной ПЛ типа «Малютка». В проекте для надводного и подводного хода предполагалось применить паровую турбину. В надводном положении паропроизводящей установкой являлся прямоточный котел системы профессора Л. К. Рамзина. Прорабатывались и другие варианты тепловых аккумуляторов, в которых в качестве теплоносителей применялись соли щелочей едкого калия и натрия, соли других элементов, графит. Основными проблемами были высокая агрессивность компонентов и большой вес самой установки. Нереализованным остался проект установки на ПЛ типа «С» единого двигателя М. А. Рудницкого, который предложил использовать на субмарине паротурбинную силовую установку, на основе сжигания гранулированного алюминия в среде газообразного кислорода и удаления твердых продуктов сгорания из парогенератора. Проект был адаптирован к лодке типа «Н» и получил индекс «МТ». Была предложена также энергетическая установка конструкции Иванова, в качестве топлива для которой предполагалась алюминиевая проволока, сматывающаяся с катушки.
Рис. 1. Силовая установка Иванова: 1 - бак с жидким кислородом; 2 - топливо-катушка с алюминиевой проволокой; 3 - горелка для сжигания алюминия в кислороде; 4 - парогенератор;
5 - электропароперегреватель; 6 - паровая машина; 7 - паровая турбина;
8 - электрогенератор; 9 - пароконденсатор (по [3])
Проволока поступала в специальную горелку, где вначале расплавлялась, а затем распылялась струей инертного газа. Уже в таком состоянии катушка встречалась со струей кислорода. Но из-за чрезвычайно высокой в то время стоимости алюминия от детальной разработки проектов пришлось отказаться.
Направление тепловых двигателей на основе ДВС оказалось более перспективным. Еще в 1933 г. инженер А. П. Пугач предложил заменить карбюратор бензинового ДВС газовым смесителем с подачей газообразного водорода, продуктом сгорания которого в атмосфере кислорода является только вода. Однако работа двигателя оказалась шумной, гремучий газ отличался высокой взрывоопасностью, и в то время разместить большой объем водорода на борту ПЛ оказалось невозможным по массогабаритным параметрам хранилища, что в дальнейшем проявилось и на экспериментальной ПЛ проекта 613Э. Только с переходом от «шумящего» ДВС к «тихому» электрохимическому генератору и хранению водорода в гидридах металлов удалось создать серийную подводную лодку на водородном топливе.
Инженер Е. Н. Гурфейн попытался создать наиболее «унитарное» топливо, т. е. смесь горючего с каким-либо окислителем. К сожалению, составы оказались склонны к самовозгоранию и последующему взрыву. В 1960-е гг. подобная установка была создана для торпед Мк48
и УГТС (универсальная глубоководная самонаводящаяся торпеда). Предлагалось также использовать в качестве окислителя перекись водорода, но высокая химическая активность, взрыво-опасность и сложность регулирования процесса заставили отказаться от этого направления. До начала Второй мировой войны достигли успеха немецкие конструкторы, однако в настоящее время подобные двигатели остались только в торпедах типа Тр613.
Конструктор В. Л. Бжезинский предложил создать сверхмалую ПЛ в виде погружающегося торпедного катера с установленным на нем единым двигателем. В 1939 г. по его проекту началось строительство погружающегося торпедного катера М-400. Работы до войны закончены не были. Корпус лодки-катера был поврежден при артобстреле Ленинграда, и в 1943 г., при 65 %-й готовности конструкции, его строительство было прекращено [2, 4].
Б. Д. Златопольский предложил в 1936 г. установку ИВР (искусственный воздух с растворением углекислого газа, который удалялся из выхлопных газов различного рода поглотитея-ми). Процесс мог быть физическим (растворение углекислого газа водой) или химическим (поглощение щелочью). Е. Н. Гурфейн предлагал применять жидкие этаноламины, способные выделять поглощенную углекислоту при нагревании. В варианте, предложенном Б. Д. Златополь-ским, использовалась забортная вода, выхлопные газы после холодильника-глушителя и сепаратора поступали в адсорбционную колонку, куда через распыляющие головки подавалась забортная вода. Происходило интенсивное промывание газов и растворение углекислоты. Образовавшийся раствор при всплытии откачивался за борт. Нерастворившаяся часть, в основном азот, сепарировалась и направлялась к смесителю, куда через дозирующий клапан подавался газообразный кислород. Полученная искусственная регенерированная смесь поступала во всасывающий коллектор дизеля. Стендовую установку создали в апреле 1940 г., получив при работе по замкнутому циклу устойчивую мощность около 500 л. с.
В 1936 г. по предложению инженера С. А. Базилевского для ПЛ была создана установка «Редо» (регенеративный единый двигатель особого назначения) (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема энергоустановки с «Редо» (по [4]): 1 - тепловой двигатель; 2 - сепаратор; 3 - конденсатор углекислого газа;
4 - компрессор; 5 - конечный сепаратор; 6 - испаритель кислорода
В установке «Редо» реализовывалась идея использования для работы двигателя под водой кислорода, причем кислород хранился на ПЛ в жидком (криогенном) состоянии. Подобный проект предлагал еще в 1913 г. мичман М. Н. Никольский, но в то время хранение на лодке достаточного объема кислорода, необходимого для регенерирования газовой смеси или автономного пополнения его запасов, представлялось технически невозможным. В первом варианте предусматривалось использование паросиловой турбинной установки с высоконапорным котлом «Велокс», второй вариант предполагал применение в качестве двигателя любого дизеля. Был применен дизель 38-КРНС-8 (модификация серийного двигателя 38-К-8). При работе дизеля в подводном положении выхлопные газы очищались от примесей и влаги, охлаждались, и пополненные кислородом, направлялись во всасывающий коллектор дизеля.
Избыток выхлопных газов, на 75 % состоявший из углекислоты, отсасывался компрессором и сжимался. Отобранная углекислота, при нахождении лодки в подводном положении, направлялась по углекислотному трубопроводу в баллоны. При всплытии лодки на перископную глубину углекислота сливалась за борт, растворяясь в морской воде. Вместо аккумуляторных батарей устанавливали две цистерны для хранения жидкого кислорода емкостью по 4 т. В 1938 г. установка была перенесена на строящуюся малую подводную лодку Военно-Морского флота (ВМФ) СССР серии XII типа М-92 (лодка продолжала числиться под своим строительным номером, иногда в служебной документации она именовалась подводной лодкой «Редо», и только 25 сентября 1940 г. приказом Наркома ВМФ № 00241 ей присвоили литерно-цифровое обозначение Р-1), которая до войны прошла швартовые испытания и сделала несколько выходов в море [5].
Был предложен проект ЕД-ВВД (единый двигатель с выхлопом в воду дизелей) И. П. Янкевича (рис. 3).
в струю винта
Рис. 3. Принципиальная схема энергоустановки с ЕД-ВВД (по [4]): 1 - тепловой двигатель; 2 - двухходовая захлопка; 3 - главный холодильник; 4 - захлопка байпаса;
5 - главный фильтр; 6 - фильтр байпаса; 7 - смеситель; 8 - холодильник газоотбора;
9 - регулятор газоотбора: 10 - фильтр газоотбора; 11 - компрессор
Проект предусматривал отвод выхлопных газов через ступицу гребного винта в специальную насадку, где газы растворялись в турбулентной струе винта. От схемы «Редо» данная конструкция отличалась незначительно: из замкнутого цикла исключили конденсатор углекислоты и баллоны высокого давления. Как и в «Редо», основная часть выхлопных газов, пройдя охладитель и сепаратор, поступала к газовому смесителю, где в нее добавлялся кислород. Избыточная часть отработанных газов отбиралась компрессором и через распыляющее устройство выбрасывалась за борт. Данная конструкция была разработана еще до войны, однако практические испытания были выполнены после ее окончания. В ходе демонтажа «Редо» оставили на месте только компрессор высокого давления, а в трюме второго отсека вместо кислородной цистерны установили аккумуляторную батарею. Работами руководил инженер завода Г. И. Му-сорин. Наблюдение от управляющего комитета ВМФ осуществлял капитан 1 ранга А. Г. Ульянов. С началом навигации 1950 г. лодка вышла на ходовые испытания под командованием капитана 1 ранга В. К. Афанасьева. Испытания, подтвердив жизнеспособность ЕД-ВВД, позволили выявить ряд серьезных недостатков, в частности, с увеличением глубины погружения, возрастало противодействие при отводе выхлопных газов за борт, прямо пропорционально уменьшая скорость хода и дальность плавания в подводном положении. Председатель Государственной приемной комиссии, командир дивизиона опытных ПЛ капитан 1 ранга С. С. Могилевский, скептически отнесся к результатам испытаний. В 1952 г. М-92 подняли на стенку завода № 196 и все работы по ней прекратили.
В 1938-1939 гг. опытно-конструкторское бюро Народного комиссариата внутренних дел (ОКБ НКВД), размещавшееся позже на территории завода № 196, разработало технический проект 95 экспериментальной малой ПЛ с «единым двигателем», работающим по замкнутому циклу. Этот тип энергоустановки получил наименование ЕД-ХПИ (единый двигатель с химпог-лотителем известковым) [6]. Разработка проекта и его практическое осуществление проводились инженером-конструктором В. С. Дмитриевским, под руководством главного конструктора А. С. Кассациера. К этому моменту инженеры А. К. Назаров, К. В. Трофимов, Г. С. Манишер, Н. С. Иссерлис, работавшие над созданием корабля, являлись сотрудниками так называемой «шараги», они были репрессированными техническими специалистами, которые под эгидой НКВД в условиях тюремного заключения создавали образцы новой военно-морской техники. Проектирование ПЛ велось с одновременной отработкой возможностей энергоустановки корабля на специальном заводском стенде - натурном дизельном отсеке с главным двигателем и всем остальным, что обеспечивало его работу по замкнутому циклу. Дизель работал в подводном положении на газовой смеси, состоящей из инертного азота и искусственно добавляемого кислорода. Выхлопные газы из дизеля поступали в газоохладитель, где они охлаждались и освобождались от водяных паров и частично - от механических примесей. Далее они направлялись в специальные химические фильтры, где отделялись углекислый газ и окись углерода. Затем производилось дальнейшее освобождение выхлопных газов от избыточной влаги, они обогащались газифицированным кислородом, и в дизельный отсек поступала газовая смесь, близкая по своему составу к обычному воздуху. По проекту 95 заводом № 196 была построена и спущена на воду ПЛ М-401 (зав. № С-135). Испытания ПЛ проводились во время войны на Каспийском море. Главным конструктором энергоустановки был В. С. Дмитриевский (погиб 23 ноября 1942 г. во время пожара на ПЛ), главным конструктором - А. С. Кассациер. Швартовые испытания, которые часто прерывались авариями, длились несколько лет и закончились 31 октября 1944 г. Проблема состояла в налаживании устойчивой работы новой энергетической установки. Так как ни автоматического регулятора подачи кислорода, ни газоанализаторов разработано не было, то все приходилось делать «на глаз», вручную, что требовало от личного состава большого опыта и высокой квалификации. В ходе испытаний на М-401, как и на Р-1, произошло несколько взрывов и пожаров. Фактически всю вину за данные происшествия комиссии списывали на неправильные действия экипажа, что впоследствии негативно отразилось на эксплуатации ПЛ проектов 615 и А615 [7].
Заключение
После окончания Второй мировой войны в СССР впервые в мире была принята на вооружение серийная ПЛ А615 с единым двигателем. Продолжительность работы дизеля 32Д по замкнутому циклу определялась запасом химпоглотителя и составляла 100 часов, что обеспечивало ПЛ дальность непрерывного подводного плавания, соизмеримую с дальностью плавания средних и больших дизель-электрических ПЛ проектов 613 и 611. Однако только после принятия на вооружение данных дизелей был проведен детальный анализ и создан стенд исследования пожаро- и взрывоопасности энергетических установок ЕД-ХПИ. Испытания показали, что причиной взрывов в машинных выгородках и газофильтрах была работа дизелей при низких концентрациях кислорода в газовой смеси, хотя считалось, что основную опасность представляет лишь повышенное содержание кислорода. На основе этих испытаний были разработаны дополнительные конструктивные и организационные мероприятия по повышению взрыво-пожаробезопасности энергоустановок ЕД-ХПИ.
Как и другие проекты единых энергоустановок подводных лодок, ЕД-ХПИ, в связи с активным развитием атомных подводных лодок, был закрыт. Но идея применения замкнутого газокислородного цикла в тепловых двигателях небольшой мощности для обеспечения длительного подводного плавания неатомных ПЛ не исчерпала себя. В настоящее время возврат к энергоустановкам на основе тепловых двигателе произошел на новом этапе - применен двигатель Стирлинга в связи с его меньшим шумоизлучением. Однако в ряде проектов малых ПЛ применяется ДВС по замкнутому циклу различных конструкций, это связано с его меньшей стоимостью и простотой конструкции. В частности он применен на новом проекте Crocodile Clase 250.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. LaubeufM. Sous-Marins / M. Laubeuf, H. Stroh. Paris, 1923. 424 p.
2. Морозов М. Э. Советский подводный флот 1922-1945 гг. / М. Э. Морозов, К. Л. Кулагин // О подводных лодках и подводниках. М.: АСТ «Транзиткнига», 2006. 877 с.
3. Чернышов Е. А. Высокометаллизированное топливо на основе алюминия и его применение / Е. А. Чернышов, А. Д. Романов // Технические науки: от теории к практике. 2013. № 24. С. 69-73.
4. Дядик А. Н. Корабельные воздухонезависимые энергетические установки / А. Н. Дядик, В. В. Замуков, В. А. Дядик. СПб.: Судостроение, 2006. 414 с.
5. URL: http://www.navylib.su/sub/xxii/04.htm.
6. Хотинский О. В. Подводные лодки с «ЕД-ХПИ» / О. В. Хотинский // Проблемы и методы эксплуатации вооружения и военной техники: сб. ст. Владивосток: ТОВМИ им. С. О. Макарова, 2002. № 36. С. 221-232.
7. Морозов М. Последние «малютки» Советского Союза. ПЛ пр. 96 и А615 / М. Морозов, К. Кулагин // Морская коллекция. 2010. № 11. 35 с.
8. Шигин В. Отсеки в огне / В. Шигин. М.: Вече, 2012. 348 с.
9. Романов А. Д. Сравнительный обзор и оценка эффективности воздухонезависимых энергетических установок различных конструкций / А. Д. Романов, Е. А. Чернышов, Е. А. Романова // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6. 67 с.
10. Романов А. Д. Современные малые подводные лодки / А. Д. Романов, Е. А. Чернышов, Е. А. Романова // Современные наукоёмкие технологии. 2014. № 3. С. 68-71.
Статья поступила в редакцию 30.06.2014, в окончательном варианте - 21.10.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Романова Елена Дмитриевна - Россия, 603000, Нижний Новгород; Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; аспирант кафедры «Металлургические технологии и оборудование»; [email protected].
Романов Алексей Дмитриевич - Россия, 603000, Нижний Новгород; Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; ведущий инженер кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»; [email protected].
E. D. Romanova, A. D. Romanov
HISTORY OF CREATION OF SUBMARINES WITH AIR INDEPENDENT GENERATING STATIONS IN THE USSR BEFORE THE BEGINNING OF WORLD WAR II
Abstract. This paper describes the history of the USSR and Russian submarines with air independent generating stations between 1900 and 1945. The schemes of air independent generating stations, works on creation of a single engine and the development of two main lines of generating stations: steam-turbine stations and diesel engines with closed-loop are considered. With all the indisputable advantages of nuclear submarines, such as autonomy, limited only by the "human factor", or superior fighting characteristics, nuclear submarines are expensive not only in terms of construction, operation and disposal, but also in terms of development of the infrastructure required for maintenance and decommissioning of nuclear power plants. Not all countries could afford such expenses that caused the necessity to develop the market of cheap, fast built and economically profitable small submarines that would give even small navy a possibility to destroy the anti-submarine ship, invading national waters. The development of thermal engines on the basis of an internal combustion engine with a gas mixer with supply of gas hydrogen is currently considered promising.
Key words: submarines, engine, anaerobic installations, air independent generating stations.
REFERENCES
1. Laudeuf M., Stroh H. Sous-marins [Submarines]. Paris, 1923. 424 p.
2. Morozov M. E., Kulagin K. L. Sovetskii podvodnyi flot 1922-1945 gg. [Soviet submarine fleet 1922-1945]. O podvodnykh lodkakh i podvodnikakh. Moscow, AST «Tranzitkniga», 2006. 877 p.
3. Chernyshov E. A., Romanov A. D. Vysokometallizirovannoe toplivo na osnove aliuminiia i ego prime-nenie [Highly metalized fuel based on aluminium and its application]. Tekhnicheskie nauki: ot teorii kpraktike, 2013, no. 24, pp. 69-73.
4. Diadik A. N., Zamukov V. V., Diadik V. A. Korabel'nye vozdukhonezavisimye energeticheskie ustanovki [Ship air independent generating stations]. Saint Petersburg, Sudostroenie Publ., 2006. 414 p.
5. Available at: http://www.navylib.su/sub/xxii/04.htm.
6. Khotinskii O. V. Podvodnye lodki s «ED-KhPI» [Submarines "ED-HPI"]. Problemy i metody eksplua-tatsii vooruzheniia i voennoi tekhniki. Sbornik statei, TOVMI im. S. O. Makarova, 2002, pp. 221-232.
7. Morozov M., Kulagin K. Poslednie «maliutki» Sovetskogo Soiuza [Latest midget submarines in the Soviet Union]. PL pr. 96 i A615. Morskaia kollektsiia, 2010, no.11, 35 p.
8. Shigin V. Otseki v ogne [Compartments in fire]. Moscow, Veche Publ., 2012. 348 p.
9. Romanov A. D., Chernyshov E. A., Romanova E. A. Sravnitel'nyi obzor i otsenka effektivnosti vozduk-honezavisimykh energeticheskikh ustanovok razlichnykh konstruktsii [Comparative review and assessment of efficiency of air independent generating stations of different structures]. Sovremennye problemy nauki i obra-zovaniia, 2013, no. 6, 67 p.
10. Romanov A. D., Chernyshov E. A., Romanova E. A. Sovremennye malye podvodnye lodki [Modern present midget submarines]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii, 2014, no. 3, pp. 68-71.
The article submitted to the editors 30.06.2014, in the final version - 21.10.2014
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Romanova Elena Dmitrievna - Russia, 603000, Nizhniy Novgorod; Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev; Postgraduate Student of the Department "Metallurgie Technology and Equipment"; [email protected].
Romanov Alexey Dmitrievich - Russia, 603000, Nizhniy Novgorod; Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev; Leading Engineer of the Department "Power Engineering, Energy Supply and Power Electronics"; [email protected].
