Двигательные системы подводных лодок: сравнение дизель-электрических, AIP и ядерных систем

От привода зависит, как долго подводная лодка будет находиться под водой, насколько тихо она будет работать и, в конечном счете, будет ли она вообще обнаружена. Ни один другой компонент не оказывает такого прямого влияния на тактическую живучесть подводной лодки. Концепции традиционных движителей особенно актуальны для немецкого судостроения, и именно они находятся в центре внимания.

Дизель-электрический привод: проверенный базовый принцип

Обычные подводные лодки уже несколько десятилетий передвигаются по одному и тому же принципу: дизельные двигатели вырабатывают электроэнергию, электромоторы приводят в движение гребной винт. Изменилась лишь эффективность и интеллектуальность этой системы.

В прошлом подводные лодки использовали дизельные двигатели на поверхности и переходили на работу от аккумуляторов, когда погружались под воду. Сегодня электродвигатель работает непрерывно и постоянно приводит в движение гребной винт. Дизельные двигатели работают как генераторы - они питают электродвигатель напрямую или заряжают батареи. Это обеспечивает более плавный и контролируемый ход.

Режим движения	Источник энергии	Типичная ситуация
Поверхностная экскурсия / снорклинг	Дизельные генераторы	Транзит, подзарядка аккумулятора
Погружение в воду, нормальный ход	Аккумуляторы + электродвигатель	Режим работы
Под водой, очень тихо	Только батареи, минимальная нагрузка	Затаившись, Просветление
Режим AIP	Система AIP + аккумуляторы	Длительное пребывание под водой без трубки

Сноркель: погружение без всплытия

Одним из наиболее практичных достижений в строительстве обычных подводных лодок является шноркель. Он представляет собой выдвижную трубу с двумя каналами: Через один канал дизельный двигатель всасывает свежий воздух, а через другой - выдувает отработанные газы. Таким образом, на перископной глубине лодка может работать на дизельных двигателях, не всплывая полностью, а значит, не подвергаясь полному облучению радаром. В то же время экипаж получает таким образом свежий воздух.

Однако у шноркеля есть свои пределы: Если скорость слишком высока, механическая нагрузка на удлиненную трубу слишком велика. Поэтому работа шноркеля всегда означает снижение скорости.

AIP: Привод не зависит от наружного воздуха

AIP обозначает Воздушная независимая тяга - Привод не зависит от внешнего воздуха. Эти системы вырабатывают электрическую энергию под водой без необходимости выдвигать шноркель. Это позволяет подводной лодке оставаться под водой в течение нескольких дней, не создавая акустических или визуальных признаков.

Системы AIP работают с различными химическими процессами, например, с топливными элементами на основе водорода и кислорода. Однако они обеспечивают лишь небольшую мощность, достаточную для медленного плавания и основных операций на борту, но не для спринта. Некоторые новые лодки вообще отказываются от химических систем AIP и вместо них используют значительно более емкие аккумуляторы с современной литий-ионной технологией, которые обеспечивают сопоставимую подводную выносливость.

Преимущество AIP: Подводная лодка с AIP или большим запасом батарей может оставаться под водой в течение нескольких дней без использования шноркеля - и таким образом остается практически невидимой для вражеских сенсоров.

Для более длительных погружений подводные лодки также фильтруют CO2 из воздуха в рубке и извлекают кислород из морской воды - технологии, которые были разработаны специально для атомных подводных лодок, но которые все чаще используются и на обычных судах.

Борьба с шумом: бесшумная подводная лодка как цель

Под водой звук - самое важное средство обнаружения. То, что слышит подводная лодка, выдает ее противника, а то, что она излучает сама, выдает противника. Поэтому борьба с шумом - это не просто мера комфорта, а жизненно важная инженерная задача.

Несколько мер взаимосвязаны:

• Электрические двигатели: По своей природе они гораздо тише двигателей внутреннего сгорания.
• Подшипник с демпфированием вибрации: Все подвижные части установлены на резиновых амортизаторах - никакого прямого соединения с фюзеляжем.
• Изолированная моторная палуба: Все машинное отделение также акустически изолировано от остальной части корабля.
• Наружные покрытия: Специальные покрытия корпуса поглощают активные гидролокационные импульсы противника до их отражения.
• Выбор глубины: Подводные лодки измеряют температуру воды на разных глубинах. Они работают там, где температурные слои отражают вражеские звуки, экранируя свои собственные.

Результат поразителен: современная подводная лодка - даже с ядерной силовой установкой, которая обычно громче электрической, - при работе производит примерно столько же шума, сколько 80-ваттная лампочка. Это меньше, чем естественный фоновый шум моря.

Винт: самый громкий предатель на борту

Самым громким компонентом подводной лодки является гребной винт. Если вы посмотрите на фотографии подводных лодок на верфи, то заметите, что кормовая часть почти всегда закрыта. Видимый на фотографиях гребной винт обычно является запасным - настоящий гребной винт держится в секрете.

Причина кроется в физике: когда лопасть гребного винта вращается в воде, в ее задней части создается вакуум. В этом отрицательном давлении образуются пузырьки воздуха - эффект, известный как Кавитация известно. Чем быстрее вращается гребной винт, тем больше пузырьков образуется, тем громче они лопаются - и тем отчетливее подводная лодка слышна вражеским гидролокаторам.

Современные гребные винты подводных лодок сконструированы таким образом, что кавитация в значительной степени подавлена. Существует два других подхода к этому вопросу:

• Капсулирование пропеллера: Обтекатель поддерживает стабильное давление вокруг лопастей винта и предотвращает образование пузырьков.
• Приводы насосов (насосные форсунки): Полная замена свободного винта на герметичный реактивный двигатель в воде. Детали этих систем держатся в строжайшем секрете.

Скорость: проклятие и необходимость

Скорость и скрытность на подводных лодках в значительной степени исключают друг друга. Быстрый ход создает шум - громкие лодки локализуются и сталкиваются с тактически слепыми сонарами, поскольку их собственный шум перекрывает сенсоры. В каком-то смысле быстрая подводная лодка сама слепа.

Проблема усугубляется для обычных лодок: их пропульсивная способность ограничена. Теоретическая максимальная скорость около 20 узлов вряд ли применима для дайвинга - на глубине для снорклинга течение создает слишком большую нагрузку на трубку, а на глубине электродвигатели, работающие на полную мощность, разряжают батареи менее чем за два часа.

Тем не менее, скорость иногда необходима: Для преследования противника, для ухода от него или - что особенно ценно с тактической точки зрения - для занятия позиции вне зоны действия вражеских сенсоров, которую противник должен пройти за короткое время.

Газотурбинное решение для обычных подводных лодок

Газовые турбины были бы идеальны для больших скоростей, но им требуется огромное количество свежего воздуха, больше, чем может обеспечить шноркель. С другой стороны, погруженную субмарину легко обнаружить с помощью радара.

Одно из дизайнерских решений сочетает в себе оба варианта: башня удлиняется таким образом, что выполняет функцию большой трубки. В самой башне находятся две газовые турбины, которые вырабатывают электроэнергию и приводят в действие электрическую турбину на катере - этого достаточно для скорости более 25 узлов. Башня выступает из воды, но на ней видна только сигнатура радара скоростного катера. Это приемлемо для похода в район развертывания. Для погружения турбины отключаются, воздухозаборники закрываются, и за дело снова берется электропривод.

Часто задаваемые вопросы о подводных приводах

В чем разница между обычной и атомной силовой установкой подводных лодок?
Обычные подводные лодки используют дизель-генераторы и электродвигатели, дополненные батареями и, возможно, системами AIP. Они должны регулярно погружаться с маской и трубкой или всплывать на поверхность. Атомные подводные лодки могут оставаться под водой практически неограниченное время, но они, как правило, более шумные и дорогие.

Что такое AIP и какие преимущества она дает?
AIP (Air Independent Propulsion) позволяет вырабатывать энергию под водой без использования воздуха извне. Это позволяет увеличить продолжительность подводного плавания до нескольких дней без необходимости погружаться с маской и трубкой или всплывать на поверхность, а значит, без акустических и визуальных признаков.

Почему гребной винт - самая громкая часть подводной лодки?
При вращении лопасти гребного винта создают вакуум, в котором образуются и лопаются пузырьки воздуха, что называется кавитацией. Этот шум можно услышать издалека с помощью гидролокатора. Современные гребные винты и приводы насосов разработаны таким образом, чтобы минимизировать кавитацию.

Насколько бесшумны современные подводные лодки?
Современные подводные лодки при работе издают шум, равный шуму 80-ваттной лампочки - меньше, чем естественный фоновый шум моря. Это результат изолированных машинных отделений, виброгасящих подшипников и тихих электродвигателей.

Почему подводные лодки не могут просто идти быстро?
Высокая скорость создает шум и делает субмарину легко обнаруживаемой вражескими гидролокаторами. В то же время на собственный гидролокатор подводной лодки накладывается ее собственный шум, что делает ее тактически слепой. Обычные лодки также имеют ограниченный запас энергии для высоких скоростей.

Почему на фотографиях подводных лодок пропеллер обычно закрыт?
Точная геометрия гребных винтов современных подводных лодок держится в строжайшем секрете, поскольку напрямую влияет на акустическую сигнатуру. Общедоступные гребные винты на фотографиях с верфей - это, как правило, запасные винты, а не действующие силовые установки.