Дане відставання вже найближчим часом може привести до масового згортання виробництва вітчизняних субмарин, що поставляються на експорт, втрати наукової та технологічної бази сотень російських підприємств військово-промислового комплексу (ВПК). Розуміючи можливість такого ходу розвитку ситуації у вітчизняному підводному кораблебудуванні, російське Уряд прийняв рішення про створення єдиного холдингу підводного кораблебудування, в структуру якого увійдуть провідні організації, що займаються проектуванням і виробництвом наплив. Завдання холдингу - збереження позицій російських виробників на світовому ринку підводних човнів. Однак для вирішення цього завдання необхідно об'єктивно оцінити ситуацію, що складається і визначити основні напрямки розвитку світового підводного кораблебудування.
Аналіз світових тенденцій розвитку неатомних підводних човнів
Сучасні вітчизняні та зарубіжні неатомні дизельні підводні човни є боєздатним і високоефективним засобом збройної боротьби на морі і є рухливі платформи, здатні нести різноманітну зброю, а також здійснювати тривале плавання у відриві від місць базування. В даний час підводні човни (ПЛ) російських і іноземних фірм, за винятком декількох технологи, мало відрізняються один від одного, або у всякому разі, можна порівняти між собою по архітектурі, водотоннажності, оснащенню високоточною зброєю, включаючи ракети різного класу, здатних вражати будь-які морські і наземні цілі, живучості, надійності, радіоелектронного озброєння і т.д.
Практика показує, що бойова ефективність дизельних підводних човнів залежить від необхідності періодично заряджати акумуляторні батареї. Для цього ПЛ доводиться подвспливать на перископну глибину для підзарядки акумуляторних батарей, що знижує скритність їх дій і підвищує ймовірність виявлення. Так, дизельні підводні човни щодоби витрачають 2-5 годин на підзарядку батарей. При несенні чергування в зоні патрулювання зі швидкістю 2-4 вузла вони можуть перебувати в підводному положенні до 4 діб. Однак, при цьому їх акумуляторні батареї розряджаються приблизно на 80% і підзарядка потребує значно більшого часу. Крім того, обмеженість енергетичних запасів дизельних ПЛ не дозволяє використовувати їх в арктичних районах, покритих кригою.
Проблема збільшення тривалості підводного плавання, який виключає необхідність частого подвсплитія для зарядки акумуляторних батарей може бути вирішена за рахунок застосування анаеробних енергетичних установок (ЕУ) потужністю від 100 до 300 кВт, що підвищує термін автономності до 720 годин.
Аналізуючи сучасний рівень в створенні анаеробних ЕУ, необхідно відзначити відставання Росії у вирішенні даного питання від передових промислово розвинених країн. За кордоном перші анаеробні ЕУ для ПЛ з'явилися в 80-90 роки минулого століття. В даний час в Німеччині, Швеції, Франції, Італії, США створені, пройшли випробування і розпочато серійне виробництво анаеробних енергоустановок на основі двигунів Стірлінга, парогазових турбін і електрохімічних генераторів.
Існують проекти оснащення наплив анаеробними установки на основі малих атомних реакторів. Фахівці канадської фірми «Еннерджі конверін системз» розробили анаеробну енергетичну установку для дизельних ПЛ на основі малогабаритного ядерного реактора. За прототип узятий малопотужний дослідний реактор на повільних нейтронах «Слоупоук». Його електрична потужність становить до 400 кВт, кампанія - до 1000 діб при роботі на повну потужність. Підводні човни, оснащені малогабаритними ядерними реакторами, по суті, залишаться дизельними. Ці установки фірма передбачає поставляти в вигляді окремої секції, повністю підготовленої до врізки в корпусу існуючих ПЛ або до збірки споруджуваних.
Модифікації цього двигуна використовуються на французькій ПЛ "Saga" і модернізованої шведської ПЛ "Naecken" типу А14. При переобладнанні в міцний корпус ПЛ безпосередньо за огорожею рубки була зроблена вставка довжиною 8м з двома двигунами Стірлінга потужністю по 110 кВт, що працюють на привід генераторів постійного струму. Запас рідкого кисню дозволяє перебувати ПЛ "Naecken" під водою без спливання до 14 діб (Рис. 4. Відсік підводного човна з двигуном Стірлінга).
Найбільш багатообіцяючий проект шведів пов'язаний з перспективною підводним човном «Вікінг». Ця назва вибрана не випадково. У реалізації проекту повинні брати участь ще дві скандинавські країни - Норвегія та Данія. «Кокумс», норвезька компанія «Конгсберг» і датська «Оденсе столшіпсваерфт» утворили консорціум для практичної роботи над проектом. Всього планувалося побудувати 12 субмарин нового покоління. На думку провідних фахівців, ця була б найкраща підводний човен XXI століття. На ній планувалося встановити єдиний двигун Стірлінга великої потужності (орієнтовно 800 кВт). Зараз доля «Вікінга» в руках Європейської суднобудівної компанії, контрольованої німецькими концернами - фінансово-промисловою групою «Бебкок Борзиг» (50 відсотків плюс одна акція) і холдингом «Прессаг» (25 відсотків без двох акцій) (Рис. 5. Шведська підводний човен Вікінг).
На думку фахівців, вже в найближчі 5-7 років наплив без анаеробної установки не зможе в повному обсязі виконувати поставлені перед нею бойові завдання в умовах зростаючої протичовнової боротьби. Відповідно, підводні човни, що подаються російськими фірмами на експорт, без анаеробних ЕУ будуть не конкурентоспроможні на світовому ринку морського озброєння. Все це призводить до необхідності активізації як теоретичних, так і експериментальних робіт по створенню перспективних анаеробних ЕУ для вітчизняних підводних човнів.
Стірлінг починає і виграє
Сьогоднішні анаеробні установки за принципом дії значно відрізняються один від одного. Однак з чотирьох існуючих типів анаеробних установок основними конкуруючими технологіями є: двигуни Стірлінга і електрохімічні генератори. Досвід експлуатації діючих установок і інтуїція провідних вчених, дозволяє в даний час вже твердо сказати, що чаша терезів усе більше схиляється на користь анаеробних установок з двигунами Стірлінга. Про це свідчить події у взаєминах основних зарубіжних фірм, що включилися в гонку за створення наплив на основі двигунів Стірлінга.
Саме шведи, через які нині вирують неабиякі пристрасті, відкрили в підводному кораблебудуванні еру допоміжних анаеробних ЕУ. У 1988 році головний субмарина типу "Накка" була переобладнана під двигуни Стірлінга. З ними вона пройшла під водою більше 10000 годин без істотних зауважень. І якщо «Накка» - перший дослідний корабель цього підкласу, то субмарини типу «Готланд» стали першими в світі серійними підводними човнами з анаеробними установками, які дозволяють їм перебувати під водою 20 діб. Вартість анаеробної установки з двигуном Стірлінга становить близько 45 млн. Дол. США, що майже в 3 рази нижче вартості анаеробної установки з ЕХГ німецької компанії «НDW» для проекту «212» (вартість близько 120 млн. Дол. США).
Японські компанії не тільки перейняли шведські технології, але пішли далі. Саме японці ввели нове словосполучення «стірлінг-підводні човни». Це означає вже найближчим часом з'являться японські ПЛ з єдиним двигуном Стірлінга. Дизельні підводні човни з легкої руки японських фахівців йдуть в історію. Саме для нової ПЛ з єдиним двигуном фірмою "Mitsubichi" створений і пройшов успішні стендові випробування двигун Стірлінга потужністю понад 600 кВт. Як робоче тіло двигуна використовується азот.
Більш того, за деякими даними зараз компанією MAN для перспективних ПЛ розроблений двигун Стірлінга потужністю 700 кВт, а фірма «Моторен унд Турбіни юніон» на конкурсній основі розробила проект енергетичної установки для підводного човна з двома двигунами Стірлінга загальною потужністю 2100 кВт
Шведські технології стають все поширенішими не тільки в розвинених країнах. Уже говорилося, що за проектом і за участю шведської фірми «Кокумс» в Австралії почалося будівництво шести човнів типу «Коллінз». Для цього в м Аделаїді спеціально створена компанія «Остреліан сабмарін корпорейшн» (ASC). Нещодавно Таїланд заявив про намір придбати три підводні човни типу Т-96 (експортний варіант «Готланду», адаптований для тропічних умов). Сінгапур закупив у шведських ВМС чотири модернізованих «Шеормена».
Безумовно, у всіх провідних країнах світу роботи по вдосконаленню анаеробних установок сьогодні знаходяться в числі критично важливих військово-морських технологій. У той же час в Росії роботи зі створення анаеробних енергоустановок не ведуться. А даремно! Для всіх очевидно, що в доступному для огляду майбутньому Росія через дефіцит фінансових ресурсів не буде здатна будувати і вводити в дію потрібну кількість атомних субмарин. Їх цілком здатні замінити значно дешевші підводні човни з анаеробними установками на основі двигунів Стірлінга.
Чому виграють двигуни Стірлінга?
З огляду на приблизно однаковий рівень зброї і радіоелектронного озброєння більшості ПЛ західноєвропейських країн - основних постачальників ПЛ на світовому ринку, конкурентоспроможність перспективних ПЛ буде багато в чому визначатися типом двигуна, застосованого в анаеробної ЕУ.
Від усіх відомих перетворювачів енергії прямого циклу (дизелів, парових і газових турбін, карбюраторних двигунів внутрішнього згоряння, ЕХГ і ін.), Які можуть використовуватися в складі анаеробних установок, двигуни Стірлінга вигідно відрізняються цілим рядом якостей, які обумовлюють перспективу їх застосування на наплив:
- практична безшумність в роботі через відсутність вибухових процесів в циліндрах двигуна і клапанного механізму газорозподілу і досить плавного протікання робочого циклу при відносно рівномірному моменті, що безпосередньо впливає на акустичну скритність ПЛ - головну складову узагальненого показника - "скритність ПЛ";
- високий к.к.д. до 40%, що значно перевершують кращі зразки дизелів і карбюраторних ДВС;
- можливість виконати двигуни Стірлінга багатопаливними, тобто використовувати як пальне кілька типів вуглеводневого палива (соляр, зріджений природний газ, гас і ін.), що підвищить бойову стійкість наплив;
- експлуатація двигунів Стірлінга, які працюють на традиційному паливі, не вимагає створення складної берегової інфраструктури, на відміну від ЕХГ, тому що використовується вже існуюча берегова інфраструктура флоту, більш того, при необхідності, можлива організація базування наплив в недостатньо обладнаних пунктах, тобто Наплив не буде "прив'язана" до існуючих баз ВМФ, що істотно підвищить її мобільність і бойову стійкість;
- моторесурс сучасних двигунів Стірлінга становить від 20 до 50 тис. годин, що від 3 до 8 разів перевищує термін життя ЕХГ (близько 6 тис. годин);
- при повному терміні експлуатації ПЛ (25-30 років) застосування двигунів Стірлінга дозволить скоротити необхідну кількість підводних човнів на 35-40%, в порівнянні з практикою застосування анаеробних установок з ЕХГ і т.д. (Рис. 7. Двигун Стірлінга потужністю 75 кВт для анаеробних установок).
На думку фахівців ТОВ «Дослідно-інноваційного центру« Стірлінг-технології »двигун Стірлінга є найбільш конкурентоспроможним типом двигуна для анаеробних енергетичних установок наплив в силу зазначених вище переваг. Більш того, якщо сьогодні розглядаються установки збільшують підводний автономність до 30-45 діб на режимах економічного ходу, то в недалекому майбутньому двигун Стірлінга можна розглядати як єдиний всережімний джерело енергії, що забезпечує як підводний, так і надводний хід у всьому діапазоні навантажень.
Наведені тут переваги двигунів Стірлінга перед іншими перетворювачами енергії прямого циклу дозволяють рекомендувати його як універсальний двигун для всіх типів наплив - малого, середнього і великого водотоннажності, а також для більшості типів підводних апаратів, використання яких можливе в інтересах геологорозвідки, освоєння континентального шельфу, екологічного моніторингу , ліквідації наслідків аварій на морі і т.д.
Перспективи створення вітчизняних наплив з анаеробними установками на основі двигунів Стірлінга
В умовах загострення конкурентної боротьби, абсолютно очевидно, що необхідно терміново форсувати роботи по створенню російських проектів ПЛ на основі двигунів Стірлінга. Лише в цьому випадку Росія не втратить своїх позицій на світовому ринку підводних човнів.
Пропоновані технічні рішення перспективних анаеробних ЕУ для ПЛ в повній мірі відображає сучасний стан і тенденції розвитку світового науково-технічного прогресу в області підводного кораблебудування, паливно-енергетичного комплексу Російської Федерації і її промисловості (Рис. 8. Проект російського підводного човна з анаеробної установкою на основі двигуна Стірлінга).
Вибір в якості пального зрідженого природного газу, визначається його унікальними фізико-хімічними властивостями, величезними розвіданими і розробленими запасами природного газу, розвиненою мережею його доставки від родовищ в багато регіонів країни по магістральних газопроводах і низькою ціною.
Дані характеристики забезпечили застосування двигунів Стірлінга в сучасних зарубіжних системах озброєння країнах, що належать до блоку НАТО. Більш того, необхідно визнати, що в даний час в питаннях застосування двигунів Стірлінга для автономних енергоустановок військ зарубіжних арміях накопичений великий досвід.
Потужність, двигуна, кВт
Техніко-економічна ефективність енергетичних установок на основі двигунів Стірлінга
Економічна рентабельність будь енергоустановки визначається в основному витратами на її виготовлення і експлуатаційними витратами. Вартість продукції визначається перш за все наступними витратами: розробка конструкції, капітальне обладнання, виробничі витрати, матеріали, експлуатація та технічне обслуговування. Багато з цих складових залежать від масовості виробництва.
Досвід серійного виробництва двигунів Стірлінга за кордоном, показує, що при виробництві 1000 двигунів (малої потужності), вартість одного двигуна, в порівнянні з його вартістю при індивідуальному виготовленні, може зменшитися в 30 разів.
За оцінками фахівців ТОВ «ІВЦ« Стірлінг-технології », найближчим часом при серійному виробництві двигунів Стірлінга слід орієнтуватися на наступні ціни: двигуни потужністю 10 кВт - близько 15 тис. Доларів, потужністю 100 кВт - до 90 тис. Доларів США.
Аналіз питань, пов'язаних з вартістю двигуна Стірлінга і виконаних як вітчизняними, так і зарубіжними фірмами, дозволяє зробити висновок, що цей двигун, хоча і має при дрібносерійному виробництві більш високу вартість виготовлення, зате значно менше доріг в експлуатації. Це забезпечує низькі терміни окупності проектів з двигунами Стірлінга в порівнянні з традиційними двигунами внутрішнього згоряння.
Однак без участі і підтримки держави проблема серійного виробництва двигунів Стірлінга не може бути вирішена в повному обсязі. В даний час в Росії інноваційна діяльність (як особливо складний і ризикований вид господарської діяльності), повинна спиратися на механізм державної підтримки, особливо «на старті», з подальшим переходом на звичайні ринкові початку. При створенні великомасштабного виробництва двигунів Стірлінга в Росії такий механізм міг би включати:
- пряме пайову бюджетне фінансування інноваційних проектів по двигунах Стірлінга;
- непрямі заходи підтримки за рахунок звільнення від ПДВ та інших податків федерального і регіонального рівнів продукції, що випускається по стірлінг- проектам, в перебігу перших двох років її випуску, а також надання податкового кредиту за такою продукції на наступні 2-3 роки (слід враховувати, що високі витрати освоєння принципово нової продукції і технології недоцільно відносити на виробника або споживача, включаючи в ціну);
- виключення з оподатковуваної бази з податку на прибуток вкладу підприємства у фінансування стірлінг-проектів та ін.
Надалі, на етапі сталого просування енергетичного обладнання на основі двигунів Стірлінга на внутрішньому і зовнішньому ринках, заповнення капіталів для розширення виробництва, технічного переоснащення і підтримки чергових проектів з виробництва нових типів обладнання, буде здійснюватися за рахунок прибутку та продажу акцій успішно освоєного виробництва, кредитних ресурсів комерційних банків, а також залучення іноземних інвесторів.
В цьому випадку, можна припустити, що завдяки наявності технологічної база і накопиченого наукового потенціалу в проектуванні машин Стірлінга, при проведенні розумної фінансової і технічної політики, Росія може стати вже в найближчому майбутньому безумовним світовим лідером в області виробництва екологічно чистих і високоефективних двигунів Стірлінга і енергетичних установок на їх основі різного функціонального призначення.
Заслужений винахідник Російської Федерації, академік Академії військових наук, д.т.н. Кириллов Н.Г. "> Енергетика і промисловість Росії