Немецкие судостроители удерживают лидерство по субмаринам с электрохимическими генераторами
В государствах, обладающих технологиями атомного подводного кораблестроения, работы над воздухо-независимыми энергетическими установками (ВНЭУ) продолжают носить исключительно экспортную направленность. Таким интересным выводом заканчивается статья заместителя главнокомандующего Военно-морским флотом Российской Федерации (ВМФ РФ) вице-адмирала Игоря Мухаметшина, написанная в соавторстве с капитаном 1 ранга Третьяковым. Она опубликована в свежем (6/2023) номере журнала «Зарубежное военное обозрение» под заголовком «Энергетические установки неатомных подводных лодок зарубежных стран». Будучи опытным подводником, с богатой событиями службой на Севере и Тихом океане, Игорь Тимербулатович с 2019 года занимает пост «начальник кораблестроения, вооружения и эксплуатации вооружения – заместитель Главнокомандующего Военно-морским флотом Российской Федерации по вооружению». Хотя в материале за его подписью не содержится никакого упоминания ни о России, ни об отечественных подводных лодках (ПЛ), вышеприведенный вывод вполне подходит и для «нашего случая». Действительно, ядро ВМФ РФ уже более полувека составляют атомоходы-ракетоносцы, дополненные классическими дизель-электрическими подводными лодками (ДЭПЛ). Заметим, что подобная комбинация наблюдается в Индии (атомоходы типа Arihant несут службу вместе с ДЭПЛ проектов 877ЭКМ, Scorpene и Type 209). А ВМФ НОАК, в дополнение к паре АПЛ-ДЭПЛ, имеет еще и неатомные подводные лодки (НАПЛ) типа 041 с ВНЭУ на основе двигателей Стирлинга («Иностранный вклад в китайское подводное судостроение», «НВО» от 27.04.23).
Со своей стороны США, Великобритания и Франция не ведут строительство ДЭПЛ и НАПЛ для собственных подводных флотов, а комплектуют их только атомоходами.
ЧТО РУССКОМУ ХОРОШО, ТО НЕМЦУ СМЕРТЬ
Русская народная поговорка «Что русскому хорошо, то немцу смерть» отражает и состояние дел в подводном судостроении. Следуя в логике рассуждений статьи Мухаметшина-Третьякова, Москве выгоднее развивать атомное направление, а Берлину – неатомное. Только таким образом немцы могут сохранить за собой передовые позиции на международном рынке подводной техники при соблюдении своего «неядерного» статуса.
Как немцы вырвались в лидеры мирового подводного судостроения, рассказано в статье «Германия прекратила выпуск дизель-электрических подлодок» («НВО» от 30.03.23). Там же отмечено, что, отказавшись от дальнейшего совершенствования классической ДЭПЛ, фирма TKMS (аббревиатура ThyssenKrupp Marine Systems, это морское подразделение промышленного гиганта ThyssenKrupp) к настоящему времени полностью перешла на строительство НАПЛ с электрохимическими генераторами (ЭХГ). Они работают на водороде, хранимом на борту в виде интерметаллидных соединений. Система генерирования электрической энергии построена на топливных элементах. Она разработана и производится фирмой Siemens.
В большую серию пошло семейство НАПЛ состоящее из двух основных проектов. Лодки Type 212A предназначены для германского и итальянского флотов. А чисто экспортные субмарины Type 214 поставлялись широкому кругу иностранных заказчиков и сегодня строятся по лицензии на судостроительных предприятиях стран-партнеров («Корейцы погрузились в подводную тему», НВО от 22.06.2023 и «Турция сама разработает подлодку», НВО от 06.04.2023).
Лодки семейства были разработаны компанией Howaldswerke-Deutsche Werft (HDW), в настоящее время входящей в состав промышленного гиганта ThyssenKrupp (вернее, его морского отделения TKMS). Выпуск конструкторской и рабочей документации выполнялся с привлечением конструкторского бюро ILK Design Lubeck.
Традиционно германский путь в военном кораблестроении отличается высокой сложностью инженерных решений, а также большой стоимостью конечных изделий в опытном и серийном производстве. Это особенно ярко проявляется по линии судовой энергетической установки, включая ее обслуживание в ходе эксплуатации. Все это нашло отражение в лодках Type 212A. Поэтому ряд стран мира рассматривали и по итогу отказались от закупок новейших германских НАПЛ в пользу немецких же, но классических ДЭПЛ Type 209 предыдущего поколения.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТА
Германия приступила к научно-исследовательским трудам по теме выработки водорода на борту подводных лодок в конце прошлого века. Несколько опытных установок прошли испытания в лабораторных условиях на рубеже веков. Затем был проведен их сравнительный анализ.
На основании полученных результатов было решено хранить водородное топливо для анаэробной энергетической установки НАПЛ в виде интерметаллидных соединений. Данное решение небесспорно. Отмечается неудобство хранения водорода на борту корабля в виде интерметаллидных соединений, а также инерционность топливной системы ВНЭУ и большие объемы хранилищ.
В результате подлодки Type 212А оказались в три раза больше тех, которые они заменили в составе германских военно-морских сил, а именно Type 206.
Однако преимущества, предлагаемые ВНЭУ, заставили флотоводцев смириться с этими и другими недостатками лодок с анаэробной системой. Немецкие конструкторы сами уверовали и смогли убедить адмиралов, что германский технический гений способен создать довольно компактную и при этом относительно дешевую энергетическую систему для плавания под водой.
В итоге это привело к разработке подводной лодки, получившей обозначение Type 212А. Суффикс «A» указывает на так называемую вторую партию, поскольку данному проекту предшествовала разработка субмарины классического облика (ДЭПЛ). Она тоже не пропала даром – Германия построила несколько лодок классической конструкции для ВМС Израиля. Речь идет о Type 800 – экспортной субмарине, построенной в трех экземплярах: Dolphin, Leviathan и Tekumah. В конце прошлого века их собрали на верфи в Киле и передали Израилю в 1999–2000 годах.
Визитной карточкой современных немецких субмарин выступает единый многорежимный электродвигатель переменного тока на постоянных магнитах типа Siemens Permasyn, а также ВНЭУ на топливных элементах фирмы Siemens, водород для которых хранится интерметаллидным способом.
Изготовление первой партии из четырех субмарин для ВМС Германии началось в конце прошлого века, со сдачей в 2005–2007 годах.
Получается, что процесс разработки и доведения до ума германского типа анаэробной энергетической установки занял весьма продолжительное время. От начала работ на экспериментальной машине до принятия флотом первой субмарины Type 212А прошло 25 лет.
В 2007–2008 годах была построена дополнительная пара подобных субмарин со сдачей в 2015–2016 годах. Согласно информации фирмы TKMS, головная лодка строилась семь лет, последняя пара серийных – восемь, на пике производства производственный цикл сокращался до пяти лет.
Благодаря своей передовой энергетической установке Type 212A может провести под водой до трех недель. В частности, на испытаниях субмарина U-32 прошла 1500 миль за две недели без всплытия. Тем самым было продемонстрировано соответствие проекта техническому заданию ВМС Германии в части подводной автономности.
ЕВРОПЕЙСКИЕ ПАРТНЕРЫ И СПОНСОРЫ
Анаэробная энергетическая установка для подводных лодок Type 212A создавалась прежде всего в расчете на удовлетворение потребностей военно-морских сил Германии, но с расчетом, чтобы ее можно было использовать и на лодках экспортного облика.
Помимо шести лодок для ВМС Германии было построено еще несколько для Италии. Эта страна отказалась от продолжения собственной линии ДЭПЛ в пользу выпуска субмарин по немецкой лицензии. В новом веке правительство в Риме решило пойти на сотрудничество с Берлином в деле строительства на местной верфи Cantieri del Muggiano. Темой занимается компания Fincantieri. Введено в строй четыре лодки – со сдачей в 2006, 2007, 2016 и 2017 годах. Производственный цикл составил в пределах от пяти до семи лет.
Между Берлином и Римом идут переговоры о продолжении серии. Планируется построить еще четыре лодки со сдачей с 2027 по 2033 год. Скорее всего они будут сделаны по новому проекту, а значит, серия Type 212А не пойдет дальше уже построенных 10 корпусов.
Отдадим должное немецким ученым, конструкторам и технологам. Они сумели создать подводную лодку с практически «абсолютной» анаэробной энергетической установкой, которая отличается малой шумностью, низкими рабочими температурами, со сбросом в море обычной воды. Данное достижение стало возможным благодаря длительным исследованиям, которые частично финансировались из государственного бюджета, а также общеевропейских программ по зеленой энергетике.
Успех программы создания подлодки Type 212А был бы невозможен без мощной государственной поддержки, в том числе по линии Объединенной Европы. В рамках ЕС давно ведутся программы по внедрению водородной энергии в различные направления развития промышленности, в том числе – автомобилестроение. Бесперебойная эксплуатация нового типа подлодок стала возможной благодаря большим инвестициям в береговую инфраструктуру. Кроме того, потребовалась реорганизация ранее созданной системы обучения личного состава. Ведь без обширных знаний и доведенных до автоматизма действий экипажа безаварийную эксплуатацию новых субмарин обеспечить трудно.
ЭКСПОРТНЫЙ ВАРИАНТ
Вместе с очевидными достоинствами Type 212A не лишен недостатков. Одним из них считается слабое вооружение: противокорабельных ракет не предусмотрено, а количество 533-мм торпедных аппаратов ограничено шестью (с боезапасом 13 единиц).
Этот и другие недочеты конструкторы постарались устранить на экспортном варианте лодки, получившем собственное обозначение – Type 214.
С одной стороны, его конструкция и корпусное насыщение были несколько упрощены. С другой – конструкторы решились пойти на некоторое увеличение водоизмещения ради коррекции ряда моментов, которые на базовом Type 212A оказались ошибочными либо не полностью себя оправдали.
Так, Type 214 получил восемь торпедных аппаратов – на пару больше, чем у первоначального проекта Type 212А. Для этого, а также более комфортных условий для экипажа общая длина изделия увеличена на 9 метров, до 65. Надводное водоизмещение выросло на 240 т, до 1690, а численность команды сохранилась на уровне 27 матросов и офицеров.
Вместо высокопрочной немецкой маломагнитной стали корпус изготавливается из американской HY100. Этот сплав более дешевый и распространенный, поскольку из него делали корпуса серийных подводных атомоходов для ВМС США.
Перевооружение подводной компоненты военно-морских сил ФРГ потребовало крупных инвестиций в инфраструктуру производства и хранения водородного топлива. Фото Reuters
По совокупности суммарное количество действующих субмарин Type 214 в настоящее время составляет 15 единиц. Из них только три были полностью сделаны в Германии в 2010–2011 годах: одна передана Греции, оставшаяся пара ушла в Португалию.
Потребности собственных военно-морских сил Германии сравнительно малые, и одни они не покрывают расходов на НИОКР, подготовку производства и стоимость строительства серийных образцов. Поддержать высокую загрузку германского подводного судостроения помогают многочисленные иностранные заказы. При этом Берлин охотно раздает лицензии на выпуск неатомных субмарин по проектам немецких конструкторов. Сборка подводных лодок Type 212A налажена в Италии, Type 214 – Турции, Греции, Южной Корее.
По сравнению с прямыми поставками торговля лицензиями, конечно, уменьшает общий объем выручки. Но германское правительство и промышленность нашли решения, позволяющие заниматься военно-техническим сотрудничеством с выгодой. Отношения с иностранными клиентами выстраиваются так, что самые высокотехнологичные компоненты корпусного насыщения субмарин выпускаются только немецкими фирмами. На сторону отдаются работы, которые не приносят большой маржи и не требуют высокотехнологичных производств.
Изготовление корпусных деталей, сборку лодки, прокладку коммуникаций можно вести, не задействовав высокие технологии. За собой немцы полностью оставляют выпуск энергетической установки, сенсоров и электронной аппаратуры, частично – минно-торпедного оружия. Именно по этим направлениям идут основные инвестиции в НИОКР, так, чтобы сохранять и увеличивать научно-технологический отрыв от стран-партнеров и стран-конкурентов на рынке подводной техники.
Что касается лицензионного выпуска Type 214, то среди стран, его освоивших, стала Греция. Там собрали три корабля, они вступили в строй в 2015–2016 годах. С учетом одного корпуса немецкой постройки греческий флот обладает четырьмя лодками Type 214.
Республика Корея привлекла две фирмы – Hyundai и Daewoo – для выполнения программы лицензионной сборки. Начало проекта датируется 2002 годом. Всего с 2007 по 2020 год южнокорейские моряки приняли от местной промышленности девять лодок немецкого проекта с анаэробной энергетической установкой.
В 2011 году Турция подписала с ThyssenKrupp соглашение на лицензионный выпуск шести кораблей Type 214. Головной корпус спущен на воду в 2019 году. В настоящее время лодка проходит испытания и пока еще не введена в состав сил постоянной готовности.
По состоянию на весну 2023 года, количество действующих лодок проектов 212А/214 составляет 25 единиц. Требуется также учесть еще три лодки, эксплуатируемые израильскими подводниками – Tanin, Rahav и Drakon. Эта троица строилась на верфи в Киле и передавалась заказчику с 2014-го по 2022 год. Tanin практически не отличается от Type 212А, включая ВНЭУ, хотя проходит как модификация классической ДЭПЛ Type 800. Оценка стоимости – 700 млн долл. за единицу продукции, часть оплачена правительством Германии.
Вместе с тремя израильскими общее число лодок семейства построенного на основе Type 212А составляет 28 единиц. Все они были переданы заказчикам в XXI веке. Из этого числа в Германии построено 12 (шесть Type 212А, три Type 214 и три Tanin).
МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЙ СПЛАВ
Современные германские субмарины с ВНЭУ – весьма сложные изделия, их бесперебойная эксплуатация требует наличия специальной инфраструктуры в порту базирования (для производства водорода, его хранения и заправки).
Большие трудозатраты понадобились и в развитие темы топливных элементов как таковых. Здесь ведущую роль взял на себя концерн Siemens. Для топливных элементов как продукта характерна комплексность: необходимо решить проблему хранения водорода. Водородный металлогидрид, используемый в подводных лодках Type 212А и Type 214, дает возможность достичь высокого уровня безопасности. При этом, однако, система хранения водорода получается довольно громоздкой.
Здесь немецким конструкторам пришлось пойти на ряд компромиссных решений, поскольку требовалось найти некий баланс между эффективностью и безопасностью. Вообще, данная тема всегда была и остается актуальной при разработке подводной техники. В данном случае необходимо было найти приемлемые решения между массой металлогидридного сплава (она получается довольно большой) и низким содержанием в нем водорода. Увеличение количества водорода ведет к неприемлемому значению массы системы хранения с точки зрения размерности подводной лодки.
Был и остается скептицизм по поводу применимости германской системы хранения металлогидридного сплава в случае субмарины, чья эксплуатация ведется в климатических районах с повышенной температурой забортной морской воды. Характерной особенностью металлогидридного сплава считается выделение водорода как раз тогда, когда увеличивается температура сплава. Соответственно при эксплуатации в тропических условиях можно ожидать, что будет наблюдаться негативный эффект, если выделение водорода начнется непроизвольно.
Германские военно-морские силы изначально рассчитывали ограничить район эксплуатации новых субмарин акваторией Балтики и Северного моря, где забортная вода довольно холодная. Исходя из предполагаемых условий эксплуатации, тема непроизвольного выделения водорода не была актуальной. Именно с расчетом на это конструкторы выбирали параметры подводной лодки Type 212А.
Необходимость некоей коррекции возникла, когда к программе решила присоединиться Италия. Правда, проведенный анализ показал, что условия эксплуатации в северном Средиземноморье – вполне приемлемые, а посему значительных изменений тогда не потребовалось. Рассуждая по теме эксплуатации германских и итальянских подлодок, нужно помнить, что как на Балтике, так и у северного, западного и южного побережья Европы подводники стран НАТО действуют в зонах, уверенно контролируемых авиацией и наземными средствами вооруженных сил Североатлантического Договора. Поэтому выход в море и развертывание подводных лодок ВМС Германии и Италии проходит спокойно, без опасений активных действий противника по их обнаружению и уничтожению. Следовательно, подводники получают возможность на использование дизель-генераторов (MTU 16V396SE) в любое удобное время для подзарядки электрических батарей. Соответственно к переключению на топливные элементы прибегают лишь тогда, когда возникает крайняя необходимость.
ВОДОРОДНАЯ ИНФРАСТРУКТУРА
Строительство объектов береговой инфраструктуры для производства и хранения водорода, а также по заправке им кораблей стало важной частью германской программы создания подводного флота с ВНЭУ на топливных элементах. Некоторые из принятых решений также актуальны и для Швеции, поскольку ДЭПЛ, дополнительно оснащенные двигателями Стирлинга, также требовательны к чистоте водорода, как и потенциальной опасности его хранения.
Начиная с середины 70-х годов прошлого века многие европейские компании подключились к работам в сфере водородного топлива, в том числе в части решения вопросов по темам хранения водорода и его транспортировке. Здесь первопроходцами зачастую выступали автомобилестроительные гиганты. Ближе к рубежу веков соответствующие направления активно поддерживались и финансировались структурами ЕС. Управляемые из единого центра наука и промышленность сумели найти решения многим проблемам, что в конечном счете принесло положительный результат. Опираясь на достижения коммерческого сектора, германские судостроители успешно справились с созданием инфраструктуры для субмарин следующего поколения.
Экспортные НАПЛ Type 214 имеют схожую с Type 212А энергетическую установку. Она включает в свой состав топливные элементы фирмы Siemens и металлогидридные цилиндры для хранения водорода. Эксплуатация субмарин Type 214 в Португалии и Греции показала, что они вполне пригодны и для сравнительно небогатых европейских стран-импортеров. При этом широко использовался германский и итальянский опыт, что позволило снизить финансовые затраты и технические риски. Положительно оценив опыт соседних стран, Турция заключила с Германией соглашение о строительстве серии кораблей по проекту 214 на местной площадке. Страны южного фланга НАТО, закупившие лодки германского проекта в комплектации с ВНЭУ, полагаются, с одной стороны, на уже созданную водородную инфраструктуру. С другой стороны, они расширяют данную инфраструктуру в рамках общеевропейского проекта, коль скоро присоединились к нему по линии закупок и эксплуатации НАПЛ германского проекта.
ТРУДНОСТИ РАЗВИВАЮЩЕГОСЯ МИРА
Ситуация с водородной инфраструктурой в Азии и Африке принципиально отличается от той, что сегодня имеется в Западной Европе. Расширять там нечего – нужно создавать все с нуля. Если военные моряки хотят выжать максимум из подводной техники, им нужно создать у себя в стране развитую береговую инфраструктуру по выработке и хранению водорода, а также по подготовке высокопрофессиональных экипажей. Иначе добиться на практике подводной автономности в две-три недели невозможно.
Развертывание необходимой для этого береговой инфраструктуры может занять десятки лет. Это слишком долго, что подвигает ученых и инженеров искать иные пути обеспечения наличия водорода на борту подводной лодки.
Среди рассматриваемых решений – хранение водорода в форме определенных химических компонентов с их дальнейшим распадом для высвобождения водорода в простой форме (преобразование). В настоящее время этот путь прокладывается сразу по нескольким направлениям.
Основные усилия идут по пути преобразования метанола, этанола и дизельного топлива. Также рассматриваются другие вещества, включая борогидрид натрия, что хранится в водном растворе. В теории размещение на лодке и безопасное хранение на ее борту данных жидкостей намного легче вести по сравнению с чистым водородом. Объем водорода, содержащегося в этих жидкостях, будет достаточно большим. Применение вышеуказанных веществ имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Помимо того, значительным технологическим вызовом является разработка высокоэффективного преобразующего устройства, годного для размещения на подводной лодке. В его создании требуется решить многочисленные вопросы, касающиеся хранения топлива и других расходуемых жидкостей, компенсации массы при их расходе, охлаждения силовой установки и др. Поставленные вопросы приходится решать комплексно, поскольку многие аспекты оказывают некое воздействие на конечный технический облик подводной лодки и ее характеристики, включая автономность и скрытность действий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Германская техника высоко котируется на международном рынке, но у нее есть характерные недостатки, препятствующие широкому распространению по планете. Немецкие конструкторы талантливы и изобретательны, но в своих разработках склонны к сложным технологическим и инженерным решениям. Это создает проблемы эксплуатантам, особенно таковым с отсутствием практического опыта и необходимых навыков по грамотной эксплуатации германской техники и ее ремонту. Не все могут похвастаться столь высокой усидчивостью, аккуратностью и порядком, какими славятся немцы. Пожалуй, сегодня это самый крупный фактор, препятствующий расширению географии продаж германской подводной техники.
https://vpk.name/news/744929_germaniya_predpochitaet_neatomnuyu_skrytnost.html
