Подводные лодки с воздухонезависимыми силовыми установками в российском и советском флоте
Часть 3. Подводные лодки с электрохимическими генераторами
Предыдущие части 1 (подводные лодки с двигателями внутреннего сгорания замкнутого цикла) и 2 (подводные лодки с парогазовыми турбинами (ПГТУ)) читайте в выпусках журнала «Наука и техника» № 5, 2024 и № 6, 2024 соответственно.
Следующим этапом в развитии силовых установок подводных лодок стало применение электрохимических генераторов (ЭХГ). ЭХГ состоит из батареи топливных элементов, в которых происходит прямое преобразование химической энергии, выделяющейся при реакции кислорода и водорода, в электрическую. При этом достигается высокий коэффициент полезного действия (70–80%). Принцип действия топливного элемента виден из прилагаемого рисунка.
Работы над ЭХГ для подводных лодок начались в СССР еще в 60-х годах ХХ века. В начале 70-х годов Центральное конструкторское бюро (ЦКБ) «Лазурит» (г. Горький) выполнило проработки проекта 947 подводной лодки с воздухонезависимой (анаэробной) силовой установкой, в частности, с применением электрохимического генератора водородно-кислородного типа.
В связи с этим 11 апреля 1974 года правительственная комиссия по военно-промышленным вопросам приняла постановление о проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию такой установки. Ее разработчиками стали научно-производственное объединение (НПО) «Квант» и НПО «Криогенмаш».
Для испытаний ЭХГ, изучения условий ее надежной работы, в первую очередь пожаровзрывобезопасности, предусматривалось создание наземных и плавучих стендов в Горьком (судостроительный завод «Красное Сормово»), Балашихе, Видном и Приозерске.
Для морских испытаний опытной установки на заводе «Красное Сормово» в 1978–1987 годах была переоборудована построенная в 1955 году подводная лодка С-273 проекта 613 («Whiskey» по классификации НАТО). Опытная подводная лодка получила обозначение – проект 613Э «Катран». Свое первое погружение она осуществила летом 1987 года. Одновременно на военно-морской базе в Палдиски (Эстония) создавался береговой комплекс для обеспечения испытаний и обслуживания, в первую очередь заправки жидкими кислородом и водородом, ПЛ 613Э.
Опытный электрохимический генератор «ЭХГ–280» имел мощность 280 кВт. Топливные элементы представляли собой керамические пористые пластины с вкраплением благородных металлов, помещенные в электролит – раствор щелочи калия. В поры одного электрода подавался водород, в поры другого – кислород. В результате реакции, кроме электрического тока, образовывались тепло и вода. Для охлаждения электродов к ним подводились дистиллированная вода, а полученная в ходе химического процесса вода собиралась в цистернах отработанной воды.
Реагенты для работы ЭХГ–280 (4 т водорода и 32 т кислорода) хранились в сжиженном состоянии в четырех, размещенных в надстройке, криогенных цистернах: водород при –252 ºС, а кислород при –165 ºС. Погрузка этих реагентов занимала более 160 часов. Для обеспечения пожаровзрывобезопасности ЭХГ была смонтирована специальная азотно-фреоновая система.
Расширенные межведомственные испытания силовой установки с ЭХГ, смонтированной на подводной лодке 613Э, проводились специальной комиссией, созданной совместным решением Военно-морского флота и Министерства судостроительной промышленности, в течение 6 месяцев начиная с 26 октября 1988 года. Морские испытания проводились как в условиях базы, так и в море, в надводном и подводном положении.
Генератор «ЭХГ-280» показал устойчивую работу на полных и долевых режимах нагрузки. Наибольшая скорость подводного хода составила 5,6 узла. При скорости 2,5 узла продолжительность непрерывного подводного плавания составляла около 30 суток вместо 3–4 суток у лодок проекта 613.
Созданию установок с ЭХГ в СССР придавалось большое значение. В 1978 году специальным постановлением правительства функции головного разработчика таких установок были возложены на Специальное конструкторское бюро котлостроения (СКБК). На первом этапе (1978–1986 года) СКБК разработало энергетические установки с ЭХГ для малой подводной лодки «Пиранья», глубоководного подводного аппарата “Поиск-6” и подводного средства движения «Сирена-К».
Создаваемая по заказу Министерства обороны энергетическая установка для «Пираньи» (шифр «Кристалл–20») имела мощность 130 кВт и представляла собой первое поколение российских корабельных энергоустановок с ЭХГ. В ее создании приняли участие почти 30 предприятий, были использованы разработки для космических программ, выполненные Уральским электрохимическим комбинатом (ЭХГ «Фотон») и научно-производственным объединением «Энергия» (создатель энергоустановки с ЭХГ для космического аппарата многоразового действия «Буран»).
Особое внимание было уделено различным вариантам хранения водорода и кислорода. Были рассмотрены: балонное хранение реагентов в газообразном состоянии под давлением 40 Мпа; связанное хранение водорода в составе боргидрата натрия и гидрореагирующих соединений, а кислорода – в составе перекиси водорода и перманганатов калия и натрия; криогенное хранение водорода и кислорода; связанное хранение водорода в интерметаллидных соединениях.
В 1991 году в полном объеме были завершены работы по созданию установки «Кристалл–20», и она была сдана межведомственной комиссии. Однако в связи с распадом Советского Союза и прекращением финансирования работы по созданию «Пираньи» с ЭХГ были прекращены.
С 1991 года СКБК и Уральский электрохимический комбинат вели работы по созданию энергоустановок второго поколения «Кристалл–27» и «Кристалл–27Э» с криогенным хранением кислорода, интерметаллидным хранением водорода и низкотемпературным электрохимическим генератором. Они предназначались для установки как на подводных лодках новых типов (дизель-электрические лодки четвертого поколения проектов 677 «Лада» для российского ВМФ (строятся с 1997 года «Адмиралтейскими верфями» в Санкт-Петербурге) и «Амур–1650» (проект 677Э, предназначенный на экспорт)), так и для модернизации лодок проектов 877 и 636 («Кило»).