Незримая связь между Tesla и неатомными подводными лодками
Появившиеся в конце XIX – начале XX века подводные лодки (ПЛ) стали новым, революционным средством войны на морских просторах. Несмотря на то, что в момент своего появления подводные лодки были весьма далеки от совершенства, они практически сразу же стали серьёзной угрозой для надводных кораблей всех классов.
Основной проблемой подводных лодок стало время, в течение которого они могут оставаться под водой без всплытия. Это следствие используемой силовой установки – дизельных двигателей и аккумуляторных батарей. Дизельные двигатели требуют воздух для своей работы и могут использоваться при движении в надводном положении или для подзарядки аккумуляторов, а ёмкость аккумуляторов того времени не позволяла подводной лодке скрываться под водой продолжительное время.
Появление атомных подводных лодок (ПЛА), казалось бы, навсегда решило проблему – ядерный реактор позволяет атомоходам находиться под водой практически неограниченное время. Могло показаться, что эра дизельных ПЛ (ДЭПЛ) завершилась – некоторые страны полностью от них отказались. Однако атомные технологии были доступны далеко не всем странам мира, кроме того, на стороне ДЭПЛ была их стоимость, которая меньше стоимости атомоходов в несколько раз. К преимуществам дизельных ПЛ можно отнести их меньшие размеры, позволяющие эффективно действовать на мелководье, да и шумность дизельных подводных лодок в режиме электродвижения ниже, чем у ПЛА аналогичного поколения. Не последнюю роль сыграли вопросы экологии – некоторые страны вообще не пускают в свои территориальные воды суда с ядерной силовой установкой.
Таким образом, атомные и дизельные подводные лодки стали существовать параллельно. Некоторые страны полностью отказались от ДЭПЛ, некоторые использовали только их, в каких-то странах, например, в СССР и в России, используются оба типа подводных лодок.
Однако ключевой недостаток ДЭПЛ – малая дальность подводного хода, никуда не исчез.
Неатомные подводные лодки
Для увеличения времени нахождения ДЭПЛ под водой рассматривались различные способы повышения их автономности с помощью воздухонезависимых энергетических установок (ВНЭУ). Подводные лодки с ВНЭУ получили обозначение НАПЛ (неатомные подводные лодки).
Одним из наиболее успешных решений стала установка двигателей Стирлинга на шведских ПЛ серии «Готланд». Двигатели Стирлинга и запас жидкого кислорода в баках обеспечивают шведским НАПЛ возможность движения под водой до 30 суток, что можно считать выдающимся результатом. Недостатком является повышенная сложность эксплуатации, необходимость дополнительного обеспечения ПЛ жидким кислородом, трудности, связанные с его получением и хранением на берегу. Скорость подводного хода на двигателях Стирлинга ограничена примерно пятью узлами (семью в последних модификациях).
НАПЛ типа «Готланд», оснащённая двигателем Стирлинга. Изображение wikipedia.org
Другим путём пошли немцы, установившие на свои неатомные ПЛ ВНЭУ, включающие энергетические установки на основе топливных элементов и установки интерметаллидного хранения водорода. У НАПЛ тип 214 с установленными ВНЭУ дальность подводного хода составляет 2350 километров (2800 километров на испытаниях) на скорости 4 узла. Недостатком проекта также считается сложность эксплуатации и необходимость наличия береговой инфраструктуры по получению и хранению водорода. Также отмечаются риски эксплуатации в тропиках и в северных широтах из-за зависимости скорости выделения водорода из интерметалидных хранилищ от температуры, из-за чего могут либо снизиться характеристики ПЛ, либо даже может случиться аварийная ситуация.
Немецкая НАПЛ тип 214. Изображение wikipedia.org
Попытку создать свою ВНЭУ для ПЛ типа «Скорпен» предприняли и французы. Они разрабатывали паровую турбину замкнутого цикла, работающую на этаноле и кислороде. Однако зайти дальше опытных образцов им не удалось – энергетическая отдача опытных установок оказалась крайне низка.
Франции так и не удалось создать ВНЭУ для ДЭПЛ типа «Скорпен». Изображение wikipedia.org
В России также экспериментируют с созданием ВНЭУ для НАПЛ. Для подводных лодок проекта 677 «Лада» (в экспортном варианте «Амур») предположительно ЦКБ МТ «Рубин» разрабатывалась ВНЭУ на водородных топливных элементах. На текущий момент статус работ неизвестен, но учитывая, что ПЛ «Амур» активно продвигались на экспорт, отсутствие новостей о ВНЭУ не вселяет оптимизма. В любом случае, НАПЛ с ВНЭУ на водородных топливных элементах имели бы примерно те же преимущества и недостатки, что и немецкие НАПЛ тип 214.
Российской ДЭПЛ проекта 677 «Лада» пока не удалось получить ВНЭУ. Изображение wikipedia.org
Другой российской разработкой является НАПЛ проекта П-750Б «Сервал», проектируемая КБ «Малахит». В качестве ВНЭУ на НАПЛ проекта П-750Б должны использоваться две газовые турбины, окислитель к которым в подводном положении должен подаваться из сосудов Дьюара (жидкий кислород?). Максимальная скорость подводного хода НАПЛ проекта П-750Б должна составить порядка 10-12 узлов, что выше, чем у НАПЛ с двигателями Стирлинга или с водородными топливными элементами. НАПЛ проекта П-750Б «Сервал» сможет находиться под водой до 30 суток, преодолевая при этом 1200 морских миль (примерно 2200 километров) без всплытия на поверхность. А с всплытием на поверхность дальность хода составит до 4300 морских миль.
О преимуществах и недостатках ВНЭУ НАПЛ проекта П-750Б «Сервал» пока говорить рано. Можно предположить, что сложность эксплуатации и требования к береговой инфраструктуре для НАПЛ проекта П-750Б «Сервал» будут сравнимы с таковыми к НАПЛ с двигателем Стирлинга.
В любом случае можно говорить о том, что все существующие и перспективные проекты НАПЛ так или иначе сложнее в эксплуатации, чем традиционные ДЭПЛ, кроме того, для их эксплуатации требуется сложная и дорогая береговая инфраструктура. В совокупности эти факторы приводят к тому, что заказчики зачастую вновь возвращаются к «классическим» ДЭПЛ, включающим дизельные двигатели для надводного хода и зарядки аккумуляторных батарей, а также аккумуляторы увеличенной ёмкости.
Пришествие лития на флот
Японские силы «самообороны» не имеют на вооружении атомоходов, но к «неатомной» составляющей подводного флота относятся достаточно ответственно. На вооружении японского флота имеются 10 НАПЛ типа «Сорю», оснащённых четырьмя двигателями Стирлинга и двумя дизель-электрическими двигателями Kawasaki каждая. Предполагалось, что японские НАПЛ следующего поколения также будут оснащены ВНЭУ на базе двигателя Стирлинга.
Однако, судя по всему, японские силы самообороны не в полной мере удовлетворяет этот тип ВНЭУ. Предположительно, увеличенное водоизмещение японских НАПЛ типа «Сорю», по сравнению с шведскими НАПЛ типа «Готланд», не позволяет получить приемлемые скорости подводного хода на двигателях Стирлинга, а масштабировать размеры и мощность двигателей Стирлинга не получается.
В одиннадцатой НАПЛ типа «Сорю» было решено отказаться от двигателей Стирлинга в пользу литиевых аккумуляторов, которые заменили традиционные для ДЭПЛ/НАПЛ свинцовые аккумуляторы.
НАПЛ типа «Сорю». Изображение wikipedia.org
При дальности подводного хода ДЭПЛ с литиевыми аккумуляторами, сравнимой с НАПЛ с ВНЭУ, первая может идти на подводной скорости порядка 20 узлов, что более чем вдвое превышает показатели НАПЛ с ВНЭУ. Единственным озвученным недостатком является высокая стоимость литиевых аккумуляторов, но, во-первых, это вопрос времени – литиевые аккумуляторы постепенно дешевеют, а во-вторых, необходимо учитывать весь жизненный цикл ПЛ, включая стоимость развёртывания и поддержания береговой кислородной/водородной инфраструктуры для НАЛП, которая не требуется ДЭПЛ с литиевыми аккумуляторами.
Изменение стоимости источников энергии долларов за кВт/час с 2014 по 2020 гг. Изображение habr.com
К преимуществам ДЭПЛ с литиевыми аккумуляторами также можно отнести возможность быстрой зарядки, что означает необходимость меньше времени находиться у поверхности под шноркелем.
Что касается недостатков, то к ним необходимо отнести повышенную взрывоопасность литиевых аккумуляторов. Произойти это может из-за механических повреждений, повышения температуры, старения, перезаряда или переразряда (у тех, что не взрываются, например, литий-железо-фосфатных аккумуляторов LiFePO4, небольшая удельная ёмкость).
Вероятно, что высокая культура производства и грамотные схемотехнические решения, в сочетании со встроенными средствами диагностики позволят решить большинство потенциальных проблем. Что касается механических повреждений, то их наличие скорее всего означает разрушение прочного корпуса и гибель ПЛ, и взрыв аккумуляторов в этом случае уже не так критичен. Кроме того, японцы встроили литиевые аккумуляторы в модернизированную ПЛ существующего проекта, а в перспективных проектах литиевые аккумуляторы можно будет вынести вне прочного корпуса в отдельный защищённый необслуживаемый во время похода отсек (или в несколько отсеков).
Кстати, генеральный директор российского СКБ «Рубин» ещё в 2014 году заявлял об успешных испытаниях литиевых аккумуляторов для НАПЛ, но с тех пор информации о таких работах в открытой печати более не появлялось.
При чём здесь Tesla?
В заглавии статьи фигурирует один из ведущих производителей электромобилей – компания Tesla, но какое отношение она имеет к подводным лодкам?
Нет, Tesla не планирует выпускать НАПЛ или комплектующие для них, по крайней мере пока информация об этом в сети интернет отсутствует (хотя в 2019 году Илон Маск и заявлял о наработках компании Tesla по созданию коммерческой подводной лодки – автомобиля амфибии, но вряд ли в этом направлении велись серьёзные разработки).
Но основа длительности подводного хода ДЭПЛ – это аккумуляторы, а Tesla – это электромобили, критичным компонентом которых также являются аккумуляторы. Никто не сделал больше для развития рынка электромобилей, чем компания Tesla и любимый/ненавидимый многими Илон Маск. Конечно, рынок электромобилей сформировался бы и без компании Tesla, но лет на 10-15 позже – схожим образом компания Apple сформировала рынок смартфонов, хотя технически они существовали и до появления iPhone.
Взрывной рост рынка электромобилей требует много высокоэффективных аккумуляторов. В это направление вкладываются огромные деньги, работают сотни государственных и частных компаний, стартапов. Для увеличения объёмов выпуска аккумуляторов строятся новые заводы.
Всё это приводит к определённым последствиям. Во-первых, снижается стоимость существующих, серийно выпускаемых аккумуляторов, о чём говорилось выше. Во-вторых, компаниями, производящими электромобили, разрабатываются высокоэффективные схемотехнические решения, позволяющие безопасно эксплуатировать мощные аккумуляторные батареи. Гражданский рынок – это Вам не рынок вооружений. Начни электромобили взрываться, и гражданские иски, страховые компании и биржи «сожрут производителя с потрохами». В-третьих, рано или поздно результаты исследований обязательно дадут эффект, и, возможно, что это уже произошло.
В настоящий момент на электромобиль Tesla Model 3 устанавливаются аккумуляторные батареи с плотностью энергии до 260 Вт·ч/кг. Можно предположить, что в японских ДЭПЛ типа «Сорю» установлены литиевые аккумуляторы примерно с такой же удельной ёмкостью (больше на тот момент просто не было), и при этом их дальность уже сопоставима с НАПЛ с ВНЭУ.
В феврале 2022 года американская компания Amprius, которая тесно сотрудничает с компанией Tesla, объявила о начале поставок литий-ионных аккумуляторных элементов с плотностью энергии 450 Вт·ч/кг – с самой высокой плотностью энергии среди существующих в настоящее время коммерчески-доступных аккумуляторов.
Легко представить, насколько возрастут возможности ДЭПЛ после установки таких аккумуляторов – они значительно превзойдут НАПЛ как по дальности и скорости подводного хода, так и по удобству эксплуатации.
Выводы
Можно с уверенностью прогнозировать, что развитие рынка электромобилей, а параллельно и электрических летательных аппаратов, судов приведёт интенсивному развитию технологий аккумуляторов электрической энергии, которые могут применяться на военной технике различного назначения – беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), наземных платформах с полным или частичным электродвижением, а также на автономных необитаемых подводных аппаратах (АНПА) и дизель-электрических подводных лодках нового поколения.
В связи с вышеизложенным вопрос разработки и производства в России современных аккумуляторов повышенной ёмкости можно считать одним из приоритетных для национальной безопасности нашей страны.
Информация