Двигун визначає, як довго підводний човен перебуває під водою, наскільки він тихий - і, зрештою, чи буде його взагалі виявлено. Жоден інший компонент не має такого прямого впливу на тактичну живучість підводного човна. Концепції традиційних рушіїв особливо актуальні для німецького суднобудування, і саме їм приділяється основна увага в цій статті.
Зміст
Орієнтовний час читання: 8 хвилин
Дизель-електричний привід: перевірений базовий принцип
Звичайні підводні човни десятиліттями рухаються за одним і тим же базовим принципом: дизельні двигуни виробляють електроенергію, електродвигуни приводять у рух гребний гвинт. Що змінилося, так це ефективність та інтелект цієї системи.
У минулому підводні човни використовували дизельні двигуни на поверхні, а під час занурення переходили на роботу від акумуляторів. Сьогодні електродвигун працює безперервно і постійно приводить у рух гребний гвинт. Дизельні двигуни працюють як генератори - вони живлять електродвигун безпосередньо або заряджають акумулятори. Це забезпечує більш плавну та керовану роботу.
| Режим приводу | Джерело енергії | Типова ситуація |
|---|---|---|
| Надводна подорож / снорклінг | Дизельні генератори | Транзит, підзарядка акумулятора |
| Занурення під воду, нормальна їзда | Акумулятори + електродвигун | Режим роботи |
| Занурений, дуже тихий | Тільки акумулятори, мінімальне навантаження | Причаївшись, Просвітлення |
| Режим AIP | Система AIP + батареї | Тривале перебування під водою без трубки |
Трубка: занурення без спливання
Однією з найбільш практичних розробок у будівництві звичайних підводних човнів є шноркель. Він складається з висувної труби з двома каналами: Дизельний двигун всмоктує свіже повітря через один канал, а вихлопні гази випускає через інший. Таким чином, на перископній глибині човен може працювати на дизельному двигуні, не спливаючи повністю на поверхню - а отже, не потрапляючи в поле зору радарів. Водночас екіпаж таким чином отримує свіже повітря.
Однак трубка має свої межі: Якщо швидкість занадто висока, механічне навантаження на витягнуту трубку занадто велике. Тому використання трубки завжди означає знижену швидкість.
AIP: привід незалежно від зовнішнього повітря
AIP розшифровується як Повітряний незалежний двигун - Привід, незалежний від зовнішнього повітря. Ці системи генерують електричну енергію під водою без необхідності витягувати трубку. Це дозволяє підводному човну залишатися під водою протягом декількох днів, не створюючи акустичних або візуальних ознак.
Системи AIP працюють з різними хімічними процесами, такими як воднево-кисневі паливні елементи. Однак вони забезпечують лише невелику потужність - достатню для повільного плавання та основних операцій на борту, але не для спринтерських забігів. Деякі новіші човни взагалі відмовляються від хімічних систем AIP і натомість покладаються на значно більші акумуляторні батареї з сучасною літій-іонною технологією, які забезпечують порівнянну витривалість під водою.
Перевага AIP: Підводний човен з AIP або великим запасом енергії може залишатися під водою протягом декількох днів, не використовуючи трубку - і, таким чином, залишається практично невидимим для ворожих сенсорів.
Для більш тривалих занурень підводні човни також фільтрують CO2 з повітря в кабіні і видобувають кисень з морської води - технології, які були розроблені спеціально для атомних підводних човнів, але які все частіше застосовуються і на звичайних суднах.
Контроль шуму: безшумний підводний човен як ціль
Під водою звук є найважливішим засобом виявлення. Те, що чує підводний човен, видає його ворога - і те, що він видає сам, видає ворога. Тому контроль шуму - це не захід для комфорту, а життєво важливе інженерне завдання.
Деякі заходи взаємопов'язані між собою:
- Електродвигуни: За своєю природою вони набагато тихіші за двигуни внутрішнього згоряння.
- Віброгасильний підшипник: Всі рухомі частини встановлені на гумових амортизаторах - немає прямого з'єднання з фюзеляжем.
- Ізольована моторна палуба: Машинне відділення також акустично відокремлене від решти корабля.
- Зовнішні покриття: Спеціальні покриття корпусу поглинають активні сонарні імпульси від противника до того, як вони будуть відбиті.
- Вибір глибини: Підводні човни вимірюють температуру води на різних глибинах. Вони працюють там, де температурні шари відхиляють звук противника, екрануючи свій власний.
Результат вражає: сучасний підводний човен - навіть з ядерною силовою установкою, яка, як правило, гучніша за електричну, - під час роботи видає приблизно стільки ж звуку, скільки 80-ватна лампочка. Це менше, ніж природний фоновий шум моря.
Пропелер: найгучніший зрадник на борту
Найгучнішим компонентом підводного човна є гребний гвинт. Якщо ви подивитеся на фотографії підводних човнів на верфі, то помітите, що кормова частина майже завжди закрита. Видимий на фотографіях гвинт, як правило, є запасним - справжній рушійний гвинт засекречений.
Причина криється у фізиці: коли лопать гребного гвинта обертається у воді, в його задній частині створюється вакуум. У цьому від'ємному тиску утворюються бульбашки повітря - ефект, відомий як Кавітація відомий. Чим швидше обертається гвинт, тим більше бульбашок утворюється, тим голосніше вони лопаються - і тим чіткіше підводний човен чує ворожий сонар.
Сучасні гребні гвинти підводних човнів спроектовані таким чином, що кавітація значною мірою пригнічується. Існує два інших підходи до цього:
- Ізоляція пропелера: Кожух підтримує стабільний тиск навколо лопатей гвинта і запобігає утворенню бульбашок.
- Приводи насосів (насосні форсунки): Повністю замінити вільний пропелер на інкапсульований реактивний двигун у воді. Деталі цих систем тримаються в суворій таємниці.
Швидкість: прокляття і необхідність
Швидкість і скритність для підводних човнів є взаємовиключними поняттями. Швидкий рух генерує шум - гучні човни локалізуються і стикаються з тактично сліпими сонарами, оскільки їхній власний шум перекриває сигнали датчиків. У певному сенсі, швидкий підводний човен сам є сліпим.
Проблема загострюється для звичайних човнів: їхня рушійна потужність обмежена. Теоретичні максимальні швидкості близько 20 вузлів навряд чи практичні для дайвінгу - на глибині сноркелінгу течія створює занадто велике навантаження на трубку, а на глибині електродвигуни, що працюють на повному ходу, розряджають акумулятори менш ніж за дві години.
Тим не менш, швидкість іноді необхідна: Для переслідування ворога, втечі від ворога або - що особливо цінно з тактичної точки зору - для зайняття позиції поза зоною досяжності ворожих сенсорів, яку ворог повинен пройти за короткий час.
Газотурбінне рішення для звичайних підводних човнів
Газові турбіни були б ідеальними для вищих швидкостей - але вони потребують величезної кількості свіжого повітря, більше, ніж може забезпечити трубка. Занурений підводний човен, з іншого боку, легко знайти за допомогою радара.
Одне дизайнерське рішення поєднує обидва варіанти: вежу висунуто так, що вона функціонує як великий шноркель. Сама вежа містить дві газові турбіни, які виробляють електроенергію і приводять в рух електричну турбіну в човні - цього достатньо для швидкості понад 25 вузлів. Вежа виступає з води, але для радара має лише підпис швидкісного катера. Для маршу до місця дислокації це прийнятно. Для занурення турбіни вимикаються, повітрозабірники закриваються і знову за справу береться електропривод.
Поширені запитання про підводні приводи
У чому різниця між звичайною та ядерною силовою установкою для підводних човнів?
Звичайні підводні човни використовують дизельні генератори та електродвигуни, доповнені акумуляторами і, можливо, системами AIP. Вони повинні регулярно занурюватися або спливати на поверхню. Атомні підводні човни можуть залишатися під водою майже нескінченно довго, але вони, як правило, шумніші і дорожчі.
Що таке AIP і які переваги він пропонує?
AIP (Air Independent Propulsion) дозволяє генерувати енергію під водою без потреби в зовнішньому повітрі. Це збільшує час перебування під водою до кількох днів без необхідності підводного плавання або спливання на поверхню - а отже, без акустичних чи візуальних ознак.
Чому гвинт - найгучніша частина підводного човна?
Під час обертання лопаті гребного гвинта створюють вакуум, в якому утворюються і лопаються бульбашки повітря - так звана кавітація. Цей шум можна почути здалеку за допомогою сонара. Сучасні гребні гвинти і приводи насосів спроектовані так, щоб мінімізувати кавітацію.
Наскільки тихі сучасні підводні човни?
Сучасні підводні човни під час роботи створюють приблизно стільки ж шуму, як 80-ватна лампочка - менше, ніж природний фоновий шум моря. Це результат ізольованих машинних відділень, віброгасильних підшипників і безшумних електродвигунів.
Чому підводні човни не можуть бути швидкими?
Висока швидкість генерує шум і робить підводний човен легко помітним для ворожого сонара. В той же час, власний сонар субмарини перекривається власним шумом, що робить її тактично сліпою. Звичайні човни також мають обмежений запас енергії для роботи на високих швидкостях.
Чому на фотографіях підводних човнів зазвичай прикривають гребний гвинт?
Точна геометрія сучасних гребних гвинтів підводних човнів є предметом суворої секретності, оскільки вона має безпосередній вплив на акустичну сигнатуру. Загальнодоступні гребні гвинти на фотографіях з верфей - це, як правило, запасні гвинти, а не робочі рушії.
Інші теми
Наступні статті заглиблюються в суміжні теми, що стосуються військового суднобудування, промислових процесів і впливу сучасних військово-морських технологій на економіку та ринок праці.