Газовые циклы у подводных лодок

Одну из самых интересных технических проблем, связанных с оборотом технических газов, пришлось решать на подводном флоте. Обеспечение работы двигателей внутреннего сгорания (об атомных и иных энергоустановках речь здесь не идет) в замкнутом пространстве стало серьезным вызовом для конструкторов и инженеров. На его преодоление ушли целые десятилетия. При этом говорить об окончательной решенности проблем в данной сфере еще очень далеко.

«Нормальная» схема работы дизель-электрических лодок, как известно, устроена следующим образом. В надводном положении боевой корабль движется благодаря работе дизельного двигателя. Он одновременно и обеспечивает вращение винта, и снабжает энергией все системы судна, и заряжает аккумуляторы. В подводном положении такая схема неприменима, так как для работы подобного двигателя необходим воздух. Поэтому, опустившись на глубину, подводная лодка использует энергию, запасенную в аккумуляторах за время надводного хода.

Описанная выше схема использовалась на протяжении нескольких десятилетий и с технической точки зрения показала довольно высокую надежность. Увы, в определенный момент она перестала удовлетворять требованиям военных по тактическим соображениям.

Главный недостаток дизель-электрического принципа состоит в том, что боевой корабль вынужден значительную часть времени проводить в надводном положении. А это разрушает главное преимущество подводных лодок – высокую скрытность операций и возможность нанесения внезапного удара по гораздо более вооруженному противнику.

До поры до времени с этим мирились. Однако ко времени Второй Мировой войны, когда применение подводных лодок, особенно в Атлантическом океане, приобрело невиданный размах, проблема встала «в полный рост». Не помогало даже то, что немецкие подводники всплывали для зарядки батарей преимущественно ночью. Широкое использование патрульной авиации, а также развитие методов радиолокации делало шедшие на дизельном ходу лодки довольно легкой мишенью. Да и простое обнаружение «волчьих стай» позволяло конвоям союзников планировать свои действия таким образом, чтобы минимизировать потери караванов.

Отчасти данная проблема решалась созданием так называемого шноркеля (в русском языке РДП, что означает «работа двигателя под водой»). Речь шла о выдвижном устройстве-трубе, которое позволяло лодке, движущейся на перископной глубине, использовать для работы дизельного двигателя атмосферный воздух. И заодно отводить выхлопные газы.
Однако всех проблем подводников это устройство не решало. Во-первых, выдвижная труба, хоть и в меньшей степени, но все же оставалась серьезным демаскирующим признаком. А во-вторых, шноркель должен был гарантировать, что через открывающиеся отверстия в лодку не будет поступать забортная вода.

Увы, несмотря на установку соответствующих клапанов, гарантировать их стопроцентную надежность инженерам не удалось. Еще во время войны из-за несовершенства конструкции было потеряно несколько лодок. Да и в последующие годы такие инциденты также случались. Так, одной из основных версий гибели советской дизель-электрической лодки К-129 в 1968 году до сих пор считается «затопление лодки через шахту РДП при зарядке батарей по причине технической неисправности клапана и провал на запредельную глубину».

Да и сама концепция использования на лодке двух различных двигателей – для надводного и подводного хода – представляется не вполне удачной. В надводном положении кораблю приходится «таскать на себе» тяжелые и дорогие аккумуляторные батареи. А под водой – дизель. Это и удорожает, и утяжеляет конструкцию.

Все это предопределило необходимость перехода на новый тип энергоустановки – так называемый единый двигатель. Это агрегат, способный длительное время работать как в нормальной атмосфере, так и без доступа воздуха.

Справедливости ради следует сказать, что мысль о необходимости решения данной проблемы возникла в российском флоте еще в самом начале XX века. Однако в силу невозможности преодоления на том уровне развития науки некоторых технических проблем и в силу недостаточного внимания к ним эти работы не нашли широкого применения.

Замысел российских инженеров был довольно прост и интуитивно понятен. Наш соотечественник Степан Джевецкий в качестве основных энергоустановок использовал бензиновые двигатели, по тем временам довольно мощные – по 130 лошадиных сил. А для обеспечения их работы в подводном положении использовался подававшийся в машинное отделение сжатый воздух, хранившийся на лодке под давлением в 200 атмосфер. Выхлопные газы при этом выводились через специальную трубу, протянувшуюся внизу корпуса и оснащенную множеством отверстий, чтобы рассеять демаскирующие корабль пузыри.
Решить всех проблем, однако, таким образом не удалось. Пузырьки газа были довольно заметны. А сама конструкция оказалась исключительно сложной, а потому малонадежной. Но все же лодка Джевецкого решила главную задачу: она доказала принципиальную возможность использования двигателей внутреннего сгорания для обеспечения подводного хода лодок. И впоследствии такая идея была воплощена в жизнь.

Более широко работы по совершенствованию концепции «единого двигателя» развернулись после Первой Мировой войны, в 20-е годы прошлого столетия. Их вели как в Советском Союзе, так и в Германии. Первое, к чему пришли изобретатели – это отказ от сжатого воздуха. Совершенно очевидно: гораздо выгоднее хранить на лодке лишь реально необходимый для горения кислород.

Однако попытки хранения жидкого кислорода также сталкивались с многочисленными сложностями, так как уровень технологического развития той поры был еще недостаточен. Сложности вызывало даже изготовление емкостей для хранений окислителя. Так, использовавшиеся первоначально сплавы были признаны негодными. Кроме того, при заполнении цистерн (их разместили на экспериментальной лодке вместо аккумуляторных батарей) произошел ряд инцидентов, связанных с прорывом жидкого кислорода. Это неоднократно приводило к появлению трещин в корпусе лодки, что, очевидно, является для подводного корабля исключительно опасным.

Еще одним источником трудностей стала система подачи окислителя в двигатель. Пока из цистерн поступал скапливавшийся вверху газообразный кислород, система работала вполне исправно. Однако при попадании жидкого кислорода в трубах быстро появлялись ледяные углекислотные пробки. В итоге длительной надежной работы двигателя добиться не удавалось.

Именно поэтому в 30-е годы в СССР развернулась работа над «установкой РЕДО» (регенеративный единый двигатель особого назначения). В ее работе использовались собственные выхлопные газы. По похожей системе был устроен и появившийся чуть позже двигатель «ЕД-ХПИ» (единый двигатель с химическим поглотителем).

В надводном положении двигатель РЕДО работал как любой другой мотор. В подводном же положении выхлопные газы, прошедшие очистку, направлялись обратно к дизелю. При этом к ним добавлялся газообразный кислород, что несколько сближало состав смеси с воздухом. А избыток выхлопных газов, в первую очередь углекислота, сжимался, после чего удалялся с лодки в жидком виде. Это позволяло решить проблему демаскировки.

В Германии к решению той же проблемы подошли с принципиально иной стороны. Инженер Гельмут Вальтер предложил использовать в качестве двигателя турбинную установку, а в качестве окислителя – перекись водорода вместо кислорода.

Первоначально предложенный им агрегат работал по самой простой схеме. Продукты реакции разложения высококонцентрированного раствора перекиси водорода просто подавались в турбину, а газы отводились за борт.

Это, однако, никак не решало вопрос демаскировки. Пузырьки газа, содержащего много кислорода, а потому не очень хорошо растворявшегося в воде, были весьма заметны. Поэтому у изобретателей появилась новая идея: использовать «лишний» кислород для дальнейшей реакции. В продукты разложения перекиси водорода попросту подавалось обычное органическое топливо, которое потом сжигалось.

Предварительные расчеты, проведенные немецкими конструкторами, позволили им сделать вывод, что лодка с подобной двигательной установкой сможет развивать невиданную по тем временам подводную скорость. Когда же опытный экземпляр был создан, действительность превзошла самые смелые ожидания. Скорость была столь высокой (она превысила 28 узлов), что для корабля пришлось создавать принципиально новую геометрию корпуса.

Однако к этому моменту началась Вторая Мировая война. Вследствие многочисленных трудностей работы несколько застопорились. Лишь к самому концу войны немцы сумели спустить на воду несколько подводных лодок с такими установками. Проявить себя в боях им не довелось.

Скрыть свои достижения от американцев и англичан немцам не удалось. После войны лодки были доставлены в страны, где идею также попытались воплотить в жизнь. Однако и здесь, пока решались многочисленные технические трудности и строились опытные подлодки, история сделала крутой поворот. На флоте появилась принципиально новая энергетическая установка – ядерный реактор. В итоге США и Великобритания при развитии своих военно-морских сил отдали предпочтение им.

Тем не менее сама идея единого двигателя не умерла. В частности, была осуществлена попытка приспособить для целей подводного флота классическую водородную установку. В результате реакции водорода и кислорода, в ней образуется электрический ток, а в качестве «выбросов» – вода. При этом энергия вырабатывается без механического движения, что принципиально важно с точки зрения снижения другого ключевого демаскирующего фактора подлодок – шумности.

Стоимость водородного топлива военных, конечно, не смутила. Однако достичь необходимых тактико-технических характеристик, особенно в части скорости, таким боевым кораблям так и не удалось. Поэтому, хотя такие установки и используются (например, на современных немецких лодках), на практике их все равно приходится дополнять традиционным дизелем и аккумуляторными батареями.
Есть и другие концепции, призванные решить задачу создания подводной энергетической установки. Например, в Швеции применяется так называемый двигатель Стирлинга. Но это, как говорится, уже совсем другая история, ибо речь идет про двигатель не внутреннего, а внешнего сгорания.